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C. Pühringer:
"Analysis of Coupling Strategies and Protocols for Co-Simulation";
Supervisor: W. Kastner, B. Heinzl; Institut für Rechnergestützte Automation, 2017.

Computer simulations are becoming increasingly complex. Different simulation techniques
are needed to correctly simulate systems that consist of both continuous and discrete
components. Current simulation tools offer support for either one or the other, but only
limited or no support for both at the same time. By using co-simulation, a model can be
split into multiple parts, which can then be simulated by different tools and methods
and exchange data at runtime. Current co-simulation approaches are either hard to use
in a custom co-simulation setup or are only designed for a very specific use-case. More
flexible tools are needed to simplify the separation of a model into multiple parts.
This thesis presents a comparison of different coupling methods and protocols for data
exchange in a co-simulation setup. For this purpose, a new co-simulation framework was
developed which supports Matlab/Simulink and OpenModelica simulations and exchanges
data via the Simple Object Access Protocol (SOAP) and OPC Unified Architecture (OPC
UA) binary protocol. These high-level protocols were chosen due to their flexibility. Both
allow to transport structured information and can be extended easily. Also, the framework
is designed to handle weak and dynamic coupling methods. In current co-simulation
setups, weak coupling is usually preferred even though it is less accurate. It is mainly
used because dynamic coupling takes longer to implement and are harder to use. The
different coupling methods are compared to each other in terms of speed and accuracy.
As a proof-of-concept, an existing model for simulating industrial energy efficiency was
split into two parts and simulated with the framework. The first part of the model
consists of a building with thermal zones and an energy supply system. It is simulated
in Matlab/Simulink and manages energy and heat distribution. The second part of
the model manages machines that convert electrical energy into heat, it is simulated
in OpenModelica. In the co-simulation, both model parts exchange energy and other
information with each other and thereby demonstrate the effects of different coupling
methods due to communication delays.
The results of the co-simulation are validated with existing results of a reference imple-
mentation and show a satisfactory outcome. While not exact, they demonstrate that
the results of the co-simulation converge towards the original results when reducing the
macro-step size. They also show that dynamic coupling methods are far more accurate
than the widely used weak coupling methods and may even provide better results in less
time.

Computersimulationen werden immer komplexer. Kontinuierliche und diskrete Modelle
benötigen zur Simulation von Grund auf verschiedene Ansätze. Derzeit existierende Simu-
lationsanwendungen unterstützen meist nur eine der beiden Methoden und bieten keine
oder nur sehr eingeschränkte Unterstützung für die andere. Mithilfe der Co-Simulation
kann ein Modell in mehrere Teile aufgeteilt werden. Diese Teile können anschließend mit
unterschiedlichen Methoden und Anwendungen simuliert werden, welche zur Laufzeit
Daten austauschen. Den derzeit verfügbaren Herangehensweisen fehlt es an Flexibilität.
Viele der existierenden Frameworks sind schwierig zu verwenden oder wurden nur für eine
spezielle Anwendung erstellt. Um die Implementierung von Co-Simulationen einfacher zu
gestalten, benötigt es leichter zu handhabende und flexiblere Werkzeuge.
Diese Arbeit präsentiert einen Vergleich verschiedener Kopplungsstrategien und Kom-
munikationsprotokolle für Co-Simulation. Zu diesem Zweck wurde ein Co-Simulations-
Framework implementiert, das Matlab/Simulink und OpenModelica unterstützt. Daten
zwischen den Simulationen werden mit dem Simple Object Access Protocol (SOAP)
und dem OPC Unified Architecture (OPC UA) binary Protokoll ausgetauscht. Diese
Protokolle wurden aufgrund ihrer hohen Flexibilität und Erweiterbarkeit gewählt. Mit
beiden Ansätzen ist es möglich, strukturierte Daten einfach zu transportieren. Das Fra-
mework unterstützt desweiteren weak und dynamic Coupling-Strategien. Obwohl weak
coupling in Co-Simulationen ungenauer ist, wird es derzeit am häufigsten verwendet.
Dem liegt zugrunde, dass andere Kopplungsstrategien oft wesentlich schwieriger zu im-
plementieren und zu verweden sind. Im Zuge dieser Arbeit werden die Genauigkeit und
die Geschwindigkeit verschiedener Kopplungsstrategien verglichen.
Als Proof-of-Concept wurde ein bestehendes Modell zur Simulation industrieller Energie-
effizienz verwendet. Das Modell wurde in einen thermischen Teil und einen maschinellen
Teil aufgeteilt. Der thermische Teil wird in Matlab/Simulink simuliert und beinhaltet
Energieversorgung und Wärmeausbreitung innerhalb von vier thermischen Zonen eines
Gebäudes. Der maschinelle Teil wird in OpenModelica simuliert und beinhaltet Maschi-
nen, die elektrische Energie in thermische Energie umwandeln und abgeben. Im Zuge der
Co-Simulation tauschen diese beiden Simulationen elektrische Energie und Wärmeenergie
miteinander aus. Dies zeigt den Effekt verschiedener Kopplungsstrategien anhand der
Verzögerung des Energieaustausches.
Die Ergebnisse der Co-Simulation werden mit Ergebnissen eines Referenzmodells vergli-
chen und zeigen eine zufriedenstellende Übereinstimmung. Die Übereinstimmung ist nicht
exakt, zeigt aber, dass sich die Ergebnisse durch die Reduzierung der Makro-Schrittweite
an die originalen Ergebnisse annähern. Desweiteren wird demonstriert, dass dynamic
coupling bei gleicher Makro-Schrittweite wesentlich genauere Ergebisse liefern kann als
weak coupling. Dies zeigt, dass dynamic coupling durchaus das Potential hat schneller
als weak coupling zu agieren.

Co-Simulation, Communication Protocols, OPC UA, SOAP, Weak Coupling, Dynamic Coupling