Virtuelle Inbetriebnahme

Das Themengebiet „Virtuelle Inbetriebnahme“ hat sich seit dem WS07/08 zu einem Schwerpunktthema im Labor für Automatisierungstechnik und Robotik entwickelt. Durch die freundliche Unterstützung der Firma Mewes&Partner war es möglich mehrere Engineeringarbeitsplätze der Simulationssoftware WinMOD im Labor einzurichten. Die Systemsoftware WinMOD wird genutzt, um virtuelle Maschinensimulationen auf einer PC-Plattform entwickeln und betreiben zu können. An die virtuelle Maschine werden reale Steuerungen (Simatic, Simotion) und HMI-Geräte angeschlossen. Im Labor wurden Schnittstellen zu modernen Kommunikationssystemen (Profinet) entwickelt und die Anbindung komplexer Antriebe über das Profidrive-Profil realisiert. Damit ist es nun möglich virtuelle Inbetriebnahmeszenarien für SPS- und Motion Control Anwendungen zu nutzen.

In den folgenden Abschnitten finden Sie eine kurze Einführung in die Fragestellungen und Lösungsstrategien der virtuellen Inbetriebnahme.

Virtuelle Inbetriebnahme Grafik

Die Entwicklung moderner Produktionssysteme hat aus technischer Sicht zwei Zielsetzungen im Fokus: Erhöhung der Flexibilität und Erweiterung der Funktionalität. Diese Ziele werden zukünftig vor allem mit mechatronischen Systemansätzen realisierbar sein. Mechatronsiche Systeme zeichnen sich durch komplexe Wechselwirkungen zwischen Mechanik, Elektrik/Elektronik und Softwarefunktionen aus.

In der Mechanik- und Elektrokonstruktion ist der Einsatz computerunterstützter Tools (CAx) bereits etabliert. Darauf aufbauend existieren Toolchains zur Fertigung von Elektro- und Mechanikkomponenten (z.B. CAD-CAM-Kette), die eine hohe Fertigungsqualität sicherstellen. Aufgrund der erzielbaren Fertigungsqualität kann die anschließende Montage und Inbetriebnahme der Elektromechanik mit einer hohen Planungssicherheit durchgeführt werden.

In mechatronischen Systemansätzen wird die Elektromechanik durch technologieorientierte Softwarefunktionen ergänzt. Der Anteil der Softwarekomponenten an der gesamten Wertschöpfung gewinnt zukünftig stark an Bedeutung. Der Softwareentwicklungsprozess beeinflusst dadurch die Funktionalität, Qualität und Kostenentwicklung in immer stärkerem Maße.

VDW-Studie

Quelle: VDW-Studie

Bei Software handelt es sich jedoch um ein virtuelles Produkt, das vor allem logische Fehlerquellen bereithält. Damit wird die Entwicklung der Steuerungssoftware und die damit verbundene Fehlersuche zu einer nur schwer planbaren Entwicklungsphase. Zwar existieren Tools und Methodiken zur Unterstützung der Steuerungssoftware, aber die Verifikation von Steuerungssoftware ist erst an realer Maschine möglich. Dies führt zu einer deutlichen Verlängerung der Inbetriebnahmephase. Die Planungssicherheit, vor allem im Bezug auf Liefertermine, wird dadurch deutlich erschwert.

Die Zielsetzung in einem mechatronischen Entwicklungsprozess muss deshalb vor allem darin bestehen die Softwareverifikation zu einem möglichst frühen Entwicklungszeitpunkt durchführen zu können. Dazu müssen geeignete rechnergestützte Werkzeuge zur Verfügung gestellt werden.

Optimierung des gesamten Entwicklungsprozesses

Optimierung des gesamten Entwicklungsprozesses

Die virtuelle Inbetriebnahme ermöglicht eine engere Verzahnung der mechanischen und elektrischen Betriebsmittelkonstruktion mit der Entwicklung der Steuerungssoftware über ein virtuelles Maschinenmodell (Simultaneous Engineering). Simulationserkenntnissen können in Form eines Regelkreises in die mechanische und elektrische Konstruktion einfliesen. Damit wird neben technischen Aspekten vor allem eine Förderung der interdisziplinären Zusammenarbeit im Team gefördert, die für die Entwicklung moderner mechatronischer Maschinen und Anlagen von noch größerer Bedeutung als bisher ist. Darüber hinaus können frühzeitig Kundenanforderungen durch Leistungstest (Taktzeit, Durchsatz) am virtuellen Modell verifiziert werden.

Optimierung des Softwareentwicklungsprozesses

Diagramm zur Optimierung des Softwareentwicklungsprozesses

Mit dem Werkzeug der virtuellen Inbetriebnahme wird der Beginn der Steuerungs- und HMI-Programmierung und deren Verifikation zu einem deutlich früheren Zeitpunkt als bisher möglich. Die softwareseitige Behandlung von Störungs- und Fehlersituationen (60-80% der Softwarefunktionalität) ist dabei ohne Gefährdung der Maschine möglich. Die Entwicklung der B&B-Funktionalität für Betriebs- und Störfälle (Diagnosekonzepte in Abhängigkeit von der Maschinenfunktionalität) sind anhand des virtuellen Maschinenmodells durchführbar.

Einfluss auf Inbetriebnahmephase

Durch die frühzeitige virtuelle Inbetriebnahme steht für die Inbetriebnahme der realen Anlage qualitativ höherwertige Steuerungssoftware zur Verfügung. Diese ist weitestgehend fehlerbereinigt. In der eigentlichen Inbetriebnahmephase kann sich der Inbetriebnehmer auf die zeitliche Optimierung der Steuerungsabläufe konzentrieren. Die Inbetriebnahmezeit verkürzt sich dadurch deutlich. Die Inbetriebnahmekosten werden gesenkt. Ein weiterer wichtiger Wettbewerbsvorteil sind die hohe Planungssicherheit und Termintreue, die mit dem Einsatz vorgetesteter Steuerungssoftware verbunden ist.

Weitere Einsatzgebiete

Die virtuelle Inbetriebnahme kann nicht nur in der Produktentwicklung wertvolle Dienste leisten. Sie ermöglicht die Schulung der späteren Maschinenbediener, da reale Steuerungen und reale B&B-Geräte an dem virtuellen Maschinenmodell angeschlossen sind. Nicht nur der normale Betriebsfall, sondern vor allem die Behebung von Störsituation kann ohne Gefährdung der realen Maschine trainiert werden. Die Schulungsphase an der realen Maschine, die meist nach der Auslieferung beim Kunden den Produktionsbeginn weiter verzögert, kann zeitlich parallel zur Fertigung/Montage der realen Maschine erfolgen.

Auch während der Betriebsphase kommt die virtuelle Inbetriebnahme zum Einsatz. Bei erforderlichen Modifikationen an der Steuerungssoftware, z.B. bei Produktumstellungen, kann der Funktionsnachweis am virtuellen Modell erfolgen. Damit werden Stillstandszeiten minimiert und der Wiederanlauf verkürzt.

Workflow zur Erstellung des Simulationsmodells

Das Simulationsmodell, das einer virtuellen Inbetriebnahme zugrunde liegt, besteht aus zwei Teilmodellen, dem Kinematikmodell und dem Verhaltensmodell.

Kinematikmodell

Das Kinematikmodell beschreibt die Geometrie und Kinematik von Maschinenkomponenten.

Die dazu erforderlichen Geometriedaten stammen meist aus CAD-Daten. Das Kinematikmodell hat die Aufgabe das Bewegungsverhalten der Maschine dreidimensional zu visualisieren. Dies ist für die Akzeptanz der Nutzer von entscheidender Bedeutung. Funktional ist es für die virtuelle Inbetriebnahme nicht erforderlich. Da der Modellierungsaufwand höher ist, als beim Verhaltensmodell, ist eine effiziente und weitgehend automatisierte Modellerstellung für die Wirtschaftlichkeit der virtuellen Inbetriebnahme von entscheidender Bedeutung. Die Hochschule Amberg-Weiden arbeitet mit dem Hersteller des verwendeten Simulationssystems WinMOD, der Firma Mewes&Partner, an einem Komponentenbaukasten. Dieser wird die Erstellung des Kinematikmodells deutlich vereinfachen und den Modellierungsaufwand signifikant verringern.

Grafik zum Kinematikmodell

Verhaltensmodell

Das Verhaltensmodell bildet das dynamische Verhalten der Maschinenmechanik ab.

Hier werden beispielsweise trägheitsbedingte Zeitkonstanten modelliert. Weiterhin wird die Verhaltenslogik von Maschinenkomponenten modelliert und der Prozesszustand auf Sensorsignale abgebildet. So soll z.B. ein  Hardwareendschalter ansprechen, wenn eine Verfahrachse den gültigen Verfahrbereich verlässt. Weiterhin muss die Anbindung des Simulationssystems an des E/A-Abbild der Steuerung über eine Feldbuskonfiguration durchgeführt werden.

Das Ziel, das mit der Erstellung des Verhaltensmodells verbunden ist, ist es ein realistisches Ansteuer- und Rückmeldeverhalten des virtuellen Maschinemodells zu erreichen. Damit stellt es die Kernfunktionalität einer virtuellen Inbetriebnahme dar.

Grafik zum Verhaltensmodell

Schlussfolgerungen

Die Virtuelle Inbetriebnahme ist besonders vorteilhaft einsetzbar, wenn die Gesamtfunktionalität stark durch (Steuerungs-)Software geprägt ist.

Die Relation zwischen Aufwand und Nutzen muss genau und ehrlich geprüft werden (Modellierungsaufwand, Nutzung von VRML-Modellbibliotheken).

Die Virtuelle Inbetriebnahme wird sich zukünftig als dritte Säule
des rechnergestützten Entwicklungsprozesses von Produktionsmaschinen und Produktionsanlagen etablieren.