Inbetriebnahme einer CNC-Maschine mit der Beckhoff-CNC - Hardware-in-the-Loop Simulation in Echtzeit (1ms) mit ISG-virtuos -

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1 Inbetriebnahme einer CNC-Maschine mit der Beckhoff-CNC - Hardware-in-the-Loop Simulation in Echtzeit (1ms) mit ISG-virtuos - 1

2 SINDEX ISG VIBN ISG-virtuos ISG-virtuos & TwinCAT 3 Steuerungs- und Simulationskompetenz Virtuelle Inbetriebnahme wirtschaftlicher Nutzen Hardware-in-the-Loop in Steuerungsechtzeit (1ms) Virtuelle Inbetriebnahme mit der Beckhoff CNC / PLC 2

3 ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH Geschäftsfelder ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH Dr.-Ing. Dieter Scheifele Geschäftsfeld ISG-kernel (seit 1987) Steuerungssoftware Kunden CNC, RC, Motion Control Steuerungshersteller sowie Maschinen- und Anlagenbauer Geschäftsfeld ISG-virtuos (seit 2005) Simulationssoftware Kunden virtuelle Inbetriebnahme (VIBN), Hardware-in-the-Loop in Echtzeit (1ms), Simulation-Based-Engineering Maschinen- und Anlagenbauer, Engineering-Büros (Integratoren), Anlagenbetreiber 3

4 ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH ISG-virtuos - Anwender / Technologiepartner 4

5 Virtuelle Inbetriebnahme Virtuelle Inbetriebnahme - wirtschaftlicher Nutzen - 5

6 Virtuelle Inbetriebnahme Klassische Inbetriebnahme im sequentiellen Workflow Engineering Konstruktion konstruktionsspezifische Schwerpunkte CAD FEM MKS Beschaffung Montage Maschine / Anlage für die Inbetriebnahme (noch) nicht verfügbar Inbetriebnahme CNC, PLC Inbetriebnahme inkl. Factory Acceptance Test Auslieferung Produktionsstart 6

7 Virtuelle Inbetriebnahme Phasen der Inbetriebnahme Inbetriebnahme CNC, PLC V Grundinbetriebnahme B S T Abnahme Grundinbetriebnahme PLC-Funktionalität CNC-Funktionalität grundlegende Tests Test Installation/Verkabelung Bedienoberfläche / HMI Bediensequenz Sonderfunktionen Technologie-Optimierung Test Sicherheit 7

8 Virtuelle Inbetriebnahme Konsequenzen der Terminüberschreitung im sequentiellen Workflow Engineering Konstruktion Beschaffung Montage IBN Abnahme (FAT) Technologie-Optimierung Verzögerung: Nachträge Klärungsbedarf Verzögerung: Nachträge Lieferengpässe Korrekturen keine weitere Verzögerung mehr möglich! Test / Sicherheit Auslieferung, Δ Start Produktion Mangelhafte Erfüllung der Kundenanforderungen und schlechte Qualität: Nachbesserungen beim Kunden während des Produktionsstarts zusätzliche nicht geplante Kosten / Imageschaden 8

9 Virtuelle Inbetriebnahme VIBN - Reduzierung der Durchlaufzeiten und Kosten Engineering Konstruktion Beschaffung Montage virtuelle Inbetriebnahme CNC, PLC reale Maschine benötigt für: Installationstest Technologie Abnahme Puffer für Optimierung oder Verkürzung der Lieferzeiten *1) Auslieferung Produktionsstart *1) Inbetriebnahmezeiten bis zu 80% reduzierbar (Erfahrungswerte der best practice -Kunden) 9

10 Virtuelle Inbetriebnahme Wesentliche wirtschaftliche Vorteile Inbetriebnahmezeit - Reduzierung um bis zu 80% kürzere Projektdurchlaufzeiten reduzierte Hallenbelegungszeit Softwarequalität - wesentliche Steigerung bei gleicher Manpower Test von regulären und irregulären Betriebszuständen, HMI Performance kann durch alternative Abläufe risikofrei gesteigert werden Frühzeitige Fehlerbehebung spart Folgekosten Risikominimierung im Projektmanagement Qualität wird bereits im Büro realisiert Kunde erhält schon frühzeitig einen Eindruck über den Projektverlauf Abweichende Anforderungen werden rechtzeitig berücksichtigt Kostenminimierung bei der Inbetriebnahme vor Ort beim Kunden Vermeidung von Kollisionen sowie Fehlfunktionen und Ablaufproblemen Endlostest mit virtuellen Werkstücken und realen Produktionsdaten Erhebliche Verkürzung der Anbindung an weitere Automatisierungssysteme 10

11 HILS in Steuerungsechtzeit ISG-virtuos - Hardware-in-the-Loop in Steuerungsechtzeit (1ms) - 11

12 HILS in Steuerungsechtzeit ISG-virtuos Anforderungen und Grundprinzipien der Lösung (HILS) reale Steuerung CNC PLC motion control reale Maschine Wirtschaftliche Prozessoptimierung 1. keine aufwendige und nicht konforme Emulation der Steuerungsfunktionalität Feldbus Einsatz der realen CNC/PLC virtuelle Maschine 2. Inbetriebnahme (virtuell) und factory acceptance tests ohne Einschränkung virtuelle Maschine verhält sich für die CNC/PLC wie die reale Maschine 3. kein paralleler Engineeringbzw. Simulationsprozess Verwendung originaler Engineering-Daten 12

13 HILS in Steuerungsechtzeit Warum Hardware-in-the-Loop und Steuerungsechtzeit? PC-Betriebssystem (MS-Windows) reale Maschine reales Verhalten Visualisierung Bedienung reale Steuerungen realer Feldbus Simulation- Rechner Feldbus (Slave) Echtzeit-Betriebssystem (< 1ms) Echtzeit-Simulationskern (Solver) ϑ Öl, ein ϑ W, aus ( ϑ Öl, aus ϑ W, ein ) ϑ m = ϑ Öl, ein ϑ W, aus ln( ) ϑ Öl, aus ϑ W, ein Logik = Dynamik Kinematik MF Das reale / originale Steuerungssystem soll ohne Änderungen verwendet bzw. getestet werden deterministisches, realistisches Verhalten der Simulation wie die reale Maschine am Feldbus reproduzierbares Modellverhalten auch nach mehreren Simulationsläufen für Regressionstests Herstellerunabhängig, da Anbindung über etablierte Feldbussysteme identische Steuerungskonfiguration (inklusive I/O-Adressen) wie an der Originalmaschine 13

14 HILS in Steuerungsechtzeit Wie definiert ISG-virtuos Steuerungsechtzeit? Real-time classes and application areas (IAONA classification) common solutions Building technology, control and automation levels, trouble-free processes, storage systems ISG-virtuos Conveying systems, simple controls, majority of all automated systems Machine tools, fast processes, robots Highly dynamic processes, electronic drives 1µs 10µs 100µs 1ms 10ms 100ms 1s 10s 14

15 HILS in Steuerungsechtzeit TwinCAT 3 als ideale Echtzeit-Plattform für ISG-virtuos Windows 32/64 bit Engineering / Modell Test-Panel 3D-Visualisierung reale Steuerungen ADS - TwinCAT Transport Layer Dynamik reales Verhalten Logik MF EtherCAT Profibus DP Profinet CANopen FOCAS SERCOS Solver Kinematik ADD TwinCAT Device Driver TwinCAT 3 realer Feldbus 15

16 HILS in Steuerungsechtzeit Ein Simulationssystem für mehrere (verschiedene) Steuerungen EtherCAT Profibus DP Unterschiedliche Simulations- bzw. Visualisierungs-Szenarien Simulations-PC mit der Möglichkeit zur Anbindung mehrerer Feldbusse gleichzeitig und damit auch mehrerer realer Steuerungen mehrere Steuerungen mit mehreren Simulation-PCs und einer gemeinsamen Visualisierung möglich automatische Generierung einer Multi-Slave-Konfiguration zur Repräsentation der Antriebs- und I/O-Busteilnehmer aus der Steuerungskonfiguration 16

17 HILS in Steuerungsechtzeit Simulation von komplexen (verteilten) Automatisierungslösungen SPS SPS CNC Feldbus CNC CNC CNC Leitrechner SPS SPS CNC fieldbus fieldbus fieldbus fieldbus Feldbus simulation system Simulation-PC manufacturing cell logics dynamics kinematics transport logics dynamics kinematics machine tool dynamics logics kinematics Leitrechner Simulation-PC Simulation-PC fieldbus Simulation-PC 3D-visualisat. plant, cell Zusammenführung der 3D-Sim. Durchgängiger Test / Simulation komplexer Automatisierungslösungen Simulationssystem einfach über Feldbusmechanismen erweiterbar Kombination der Hardware-in-the-Loop-Simulation mit realen Automatisierungssystemen übergeordnete 3D-Visualisierung der kompletten Anlage Factory Acceptance Tests bereits in der Inbetriebnahmephase 17

18 HILS in Steuerungsechtzeit Modulbibliothek - wiederverwendbare Komponentenmodelle reale Komponente virtuelle Komponente Know-how-Aufbau/-Schutz bei Anwendern / Kunden firmeneigene Bibliothek im Rahmen von customizing validierte Teil-/Submodelle effizientes Engineering durch Wiederverwendung Prozessoptimierung im Engineering durch automatische Generierung der Modelle Lösungs- / Know-how-Bibliothek 18

19 HILS in Steuerungsechtzeit Modulbibliothek wiederverwendbare Modelle für die 3D-Visualisierung 3D-CAD-System 3D-Geometrie-Bibliothek 3D-Visualisierung Virtuelles Komponentenlager wiederverwendbare Komponenten / Baugruppen für 3D-Modelle (direkter Import aus CAD-Systemen) Basis für modulare Baukastensysteme komfortable Erzeugung neuer Konfigurationen sowie Adaption bestehender Komponenten automatische Generierung der 3D-Modelle aufgrund der auftragsspezifischen Maschinenkonfiguration 19

20 HILS in Steuerungsechtzeit Einfacher Konfigurationsvorgang - entsprechend der Maschinenkonfiguration 20

21 HILS in Steuerungsechtzeit Abtragssimulation und Kollisionserkennung / -vermeidung Abtragssimulation Präzise, fotorealistische Darstellung Arbeitsfortschritt in Steuerungsechtzeit Kollisionserkennung Definition von Körperpaaren Anzeige und Meldung von Kollisionen 21

22 HILS in Steuerungsechtzeit Umfangreiche Diagnose- und Testfunktionen Diagnose- und Testwerkzeuge (Online): Anzeigen, Taster, Schalter, Schieberegler... Scope -Funktionalität zum Anzeigen der Prozessdaten in Echtzeit Performanceoptimierung anhand der erfassten Echtzeitdaten Mitschreiben ( tracking ) der Prozessdaten Bereitstellung der Prozessdaten zur weiteren Analyse im *.csv Format 22

23 Engineering-Prozess ISG-virtuos & TwinCAT 3 - Virtuelle Inbetriebnahme mit der Beckhoff CNC / PLC - 23

24 Engineering-Prozess Inbetriebnahme durchgängige Plattform CNC/PLC und ISG-virtuos Beckhoff CNC / PLC Simulations-PC mit ISG-virtuos Windows 32/64 bit I/O- Konfiguration I/O- Konfiguration Windows 32/64 bit HMI der Steuerung Engineering/Modell Test-Panel 3D-Visualisierung ADS - TwinCAT Transport Layer direkte Übernahme der Konfiguration ADS - TwinCAT Transport Layer CNC SPS Solver (Echtzeit-Modellberechnung) Logik Dynamik Kinematik MF TwinCAT 3 runtime TwinCAT 3 ADD TwinCAT Device Driver EtherCAT ADD TwinCAT Device Driver 24

25 Engineering-Prozess Import von 3D-Geometriedaten Engineering-Schritte Import der 3D-CAD-Daten visuelle Kontrolle der Ergebnisse optionale Neugliederung des Modells Erzeugung von wiederverwendbaren Komponenten / Baugruppen Engineering-Unterstützung Direkter Import aus CATIA, Inventor NX, SolidWorks Parasolid, STEP VRML, IGES Filtern und Optimieren der 3D-Daten 25

26 Engineering-Prozess Aufbau des kinematischen Modells Engineering-Schritte Gliederung der Module entsprechend der kinematischen Kette (Freiheitsgrade) Aufbau des Modells aus Modulbausteinen Parametrierung und Verbindung zu 3D-Visual. Test durch konfigurierbare Control-Panels Engineering-Unterstützung Umfangreiche Modulbibliothek mit zugeschnittenen Kinematik-Bausteinen einfache Anwendung durch Cut & Paste sowie Drag & Drop kein Spezial-Know-how benötigt direkte Übernahme der Parameter 26

27 Engineering-Prozess Modellierung der Maschinenfunktionen Funktionale Einheiten (FE) Engineering-Schritte FE3 Gliederung in Funktionale Einheiten (FE) mit modularem hierarchischem Aufbau FE1 FE4 Zuordnung der Steuerungs-Ein- und Ausgänge zu den jeweiligen FE FE2 FE.. Steuerungsausgänge Steuerungseingänge Typische Funktionale Einheiten (FE) eines BAZ Werkzeugmagazin Achse_einfahren Achse_ausfahren FE Wirkkette zwischen E/As Achse_eingefahren Achse_ausgefahren Werkzeugspannvorrichtung Werkzeugspindel Schutztüren Werkzeugbruchkontrolle Zentralschmierung, Hydraulik-/Pneumatik 27

28 Engineering-Prozess Modellierung der Maschinenfunktionen Realisierung der Wirkketten (FE) Steuerungsausgänge Achse_einfahren Achse_ausfahren Steuerungseingänge Achse_eingefahren Achse_ausgefahren Eingehender Test der FE durch Steuern und Anzeigen Engineering-Schritte Aufbau der Wirkkette aus Bausteinen (Library) Zuordnung der internen Signale zu den Steuerungseingängen bzw. ausgängen Definition von Parametern Speichern als Submodell in der Bibliothek Test der FE mit zugehörigem Bedien-Panel 28

29 Engineering-Prozess Feldbusanbindung Protokolle / Konfiguration Feldbus (EtherCAT) Reale Maschine Realisierte Feldbussysteme EtherCAT SW Profibus DP HW Profinet SW CANopen HW Ethernet-IP SW Inklusive Safety-Funktionalität Feldbus-Komponenten, Slaves (E/A und Antriebe) Feldbus-Komponenten, Multi-Slave (E/A und Antriebe) gleiches Maschinenverhalten Virtuelle Maschine 29

30 Engineering-Prozess Feldbusanbindung Generierung der I/O-Konfiguration Eigenschaften / Nutzen automatische Generierung der Feldbus-I/O- Konfigurationen in ISG-virtuos (Multislave) 1. direkte Übernahme von Master-Konfigurationen aus TwinCAT 2. bzw. Import der Masterkonfigurationen für Profibus-/ Profinet (*.cfg) Zentraler I/O-Baustein in ISG-virtuos für alle benötigten Feldbus-I/Os Mischbetrieb zwischen realen und virtuellen Feldbus-Teilnehmern über Checkboxes einfach konfigurierbar I/O-Konfigurationen mehrerer Steuerungen können kombiniert werden alle benötigten Tasks werden automatisch als TwinCAT-Projekt instanziiert 30

31 Engineering-Prozess Feldbusanbindung Verbindung der I/Os mit dem Simulationsmodell Eigenschaften / Nutzen Verbindung der Feldbus-I/Os mit dem Modell durch komfortable Connect -Funktionalität automatische Bereitstellung der Feldbus-I/Os als Liste im Auswahlfenster Ein Klick auf das benötigte I/O-Signal realisiert die Verbindung Bit-Splitting für einfachen Zugriff auf benötigte Feldbus-Informationen Verbindung I/O-Input/Output Feldbus-I/O-Liste Taktzeiten für die Feldbus-I/Os können flexibel parametriert werden (bis 1 ms) Engineering-Vorgang durch XML-basierte Schnittstelle (ecf- oder csv-datei) automatisierbar 31

32 best practice Lösungen ISG-virtuos im Anlagen- und Maschinenbau (Fa. HEITEC AG) Motivation / Zielsetzung kurze Projektlaufzeiten steigende Variantenvielfalt und hohe Umrüstzeiten Kosten- und Termindruck Einsatz der virtuellen Anlage/Maschine für die Inbetriebnahme mit realen Steuerungen Visualisierung des Automatisierungsprozesses in 3D Hauptvorteile Anwender und Betreiber kurze Inbetriebnahmezeiten und bessere SW-Qualität Test auch extremer Situationen ohne Risiken Wiederverwendbarkeit der mechatronischen Module Generierung verbesserter Abnahmekriterien Optimierung von Service und Wartung Schulung und Weiterqualifikation von Mitarbeitern 32

33 best practice Lösungen ISG-virtuos für komplexe Bearbeitungszentren (BAZ) Fa. Grob / Daimler Motivation / Zielsetzung BAZ für die Serienfertigung von Motorblöcken (2 WZ-Spindel, 2 WZ-Magazine mit je 34 Werkzeugen) Optimierung der Produktivität in Abhängigkeit von Maschine und steuerungstechnischen Komponenten Optimierung von Taktzeiten und professionelle Beherrschung von Störsituationen Reduzierung der Inbetriebnahmezeiten Hauptvorteile - Hersteller deutlich reduzierte Inbetriebnahmezeiten umfangreicher Test der Funktionalität Optimierung und Test von alternativen Abläufen Hauptvorteile - Betreiber Optimierung der Taktzeiten (NC-Programme) Kollisionskontrolle Training des Fachpersonals ohne Maschinenbelegung 33

34 Inbetriebnahme- und Testsystem Beckhoff CNC und ISG-virtuos Aufbau des Inbetriebnahme-Systems Maschinenbedienung Engineering und Test-Panel 3D-Visualisierung EK1100 EL6900 (Safety-PLC) EtherCAT C Simulations-PC Simulationsumfang (WOMAJET F2): Kinematik (X, 2xY / Gantry, Z) Safety-Klemmen (4x EL1904, 4xEL2904) Safety-Antriebe (2x AX5805) Logik virtuelles Maschinenbedienfeld Zuführung und Entnahme von Werkstücken Abtrag mit Wasserstrahl als Werkzeug 34

35 Inbetriebnahme- und Testsystem Beckhoff CNC und ISG-virtuos - Maschinenbedienung 35

36 Inbetriebnahme- und Testsystem Beckhoff CNC und ISG-virtuos Kinematik- und Abtragssimulation in 3D 36

37 Inbetriebnahme- und Testsystem Beckhoff CNC und ISG-virtuos TwinCAT Device-PLC in Echtzeit 37

38 Inbetriebnahme- und Testsystem Beckhoff CNC und ISG-virtuos Simulation des Maschinenverhaltens 38

39 Inbetriebnahme- und Testsystem Beckhoff CNC und ISG-virtuos TwinSafe-Applikationen 39

40 Inbetriebnahme- und Testsystem Beckhoff CNC und ISG-virtuos Simulation und Test von TwinSafe 40

41 Durchgängige Engineering-Plattform Unser Angebot TwinCAT 3 ist eine ideale Plattform für die Automatisierungstechnik Das Engineering von Projekten mit TwinCAT 3 wird durch das Automation Interface und den ECAD-Import wesentlich erleichtert ISG-virtuos ergänzt nahtlos die Engineering-Unterstützung in TwinCAT 3 um die Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen mit den originalen Steuerungskomponenten und in Steuerungsechtzeit (1ms) Fachdiskussion kann am Teststand für TwinCAT 3 und ISG-virtuos in der Halle 2 (D.04) vertieft werden 41

42 Durchgängige Engineering-Plattform Ihre Ansprechpersonen zu ISG-virtuos 42