Bachelor's Thesis

Implementation of co-simulation framework for control of virtual industrial machine

Final Thesis 7.66 MB Appendix 1.35 MB

Author of thesis: Jaroslav Pata

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Jakub Arm, Ph.D.

Reviewer: Ing. Michal Husák

Abstract:

This bachelor's thesis deals with the issue of co-simulation of industrial control systems for the purpose of creating a virtual model for a robotic demonstrator. The aim of the thesis is to design and implement a framework that enables the connection of a PLC system with virtual models of physical technological units. The work analyzes various combinations of PLC systems (TwinCAT 3, CODESYS) and simulation tools (MATLAB/Simulink, Webots) and evaluates their suitability for the development of the aforementioned demonstrator. The thesis also includes a comparison of mathematical and object-oriented approaches to modeling physical systems. Based on these tests, a framework was designed utilizing the CODESYS PLC and the Webots simulator, these programs communicate via the OPC UA standard. To ensure stability and data consistency, mechanisms for secure data sharing and time synchronization control were implemented. The functionality of the entire solution is verified on a virtual model of a robotic sorting cell. Final CPU load tests confirmed that the framework reliably maintains synchronization even under a critical lack of computational power.

Keywords:

Co-simulation, PLC, OPC UA, ADS, CODESYS, TwinCAT, MATLAB/Simulink, Webots, virtual machine

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student odprezentoval připravenou prezentaci a následně odpovídal na dva dotazy položené oponentem závěrečné práce. V následné diskusi se komise ptala na synchronizaci simulátoru a skutečného robota. Proč nedošlo k propojení simulace s robotem. Jak souvisí pásový posuvník uvedený v práci s tématem práce? Je vytvořen dynamický model robotického ramene? Student obhájil bakalářskou práci. Komise neměla žádné námitky k řešené práci. V průběhu odborné rozpravy student odpověděl na dotazy

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

Department

Department of Control and Instrumentation

Study programme

Automation and Measurement (BPC-AMT)

Composition of Committee

prof. Ing. Michal Prauzek, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Petr Beneš, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Jakub Arm, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Fialka, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Petyovský, Ph.D. (člen)
Ing. Lukáš Pohl, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Jakub Arm, Ph.D.

Student se v rámci práce seznámil s modelovacími a simulačními nástroji spolu s jejich připojení k softPLC. Nastudoval si také problematiku kosimulace, resp. synchronizace simulačních nástrojů a komunikační technologii OPC UA.
Výsledkem práce je kosimulační framework s nástroji Codesys a Webots, který umožňujě ladit PLC program s 3D vizualizací s dodržením časové synchronizace. Pro ověření navíc vytvořil simulátor robotické třídicí buňky s kamerou, která může být dále laboratorně využita pro ladění řídicích algoritmů. Výsledky jsou také ověřeny zátěžovými testy.
Po formální stránce práce splňuje základní požadavky. Text obsahuje větší množství stylistických, gramatických a typografických nedostatků, které ale nemají vliv na kvalitu práce.
Student pracoval samostatně a konzultoval dílčí postup práce v případě potřeby. Points proposed by supervisor: 92

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Michal Husák

Student Jaroslav Pata vypracoval bakalářskou práci na téma Vytvoření kosimulačního frameworku pro řízení virtuálního průmyslového demonstrátoru. Práce se zabývá aktuální problematikou propojení PLC systému s virtuálním modelem technologického celku. Zadání práce považuji za splněné. Student provedl rešerši oblasti kosimulace s PLC systémy, porovnal vybrané kombinace nástrojů TwinCAT, CODESYS, MATLAB/Simulink a Webots a následně navrhl vlastní framework založený na CODESYS, Webots a komunikaci OPC UA. Funkčnost řešení byla ověřena na modelu robotické třídicí buňky.
Po odborné stránce práce prokazuje dobrou orientaci studenta v oblasti průmyslové automatizace, simulací a komunikace mezi softwarovými nástroji. Kladně hodnotím praktickou realizaci, porovnání více variant řešení a snahu o ověření vlastností frameworku experimentálním měřením. Formální úroveň práce je celkově dobrá, text je přehledně členěn a doplněn schématy, tabulkami a přílohami se zdrojovými kódy. Práce s literaturou je odpovídající úrovni bakalářské práce.
Za slabší stránku považuji místy stručnější technické zdůvodnění některých návrhových rozhodnutí a omezenější hloubku vyhodnocení přesnosti a determinismu komunikace přes OPC UA. U zátěžových testů by bylo vhodné podrobněji rozebrat metodiku měření, opakovatelnost výsledků a limity použitého virtuálního prostředí. I přes tyto výhrady práce svědčí o schopnosti studenta samostatně řešit technický problém s praktickým realizačním výstupem.
Navrhovaná klasifikace: B / 85 bodů Topics for thesis defence:
  1. 1. Jaké hlavní limity má použití OPC UA pro časově synchronizovanou kosimulaci z hlediska determinismu, latence a jitteru? Jak byste tyto vlastnosti ověřil přesnějším měřením?
  2. 2. Ve zátěžových testech hodnotíte vliv nedostatku výpočetního výkonu na simulaci. Jak by bylo možné metodiku testování rozšířit, aby bylo možné výsledky lépe zobecnit i pro reálnější průmyslové nasazení?
Points proposed by reviewer: 85

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová