Virtuelle Inbetriebnahme mit realen Automatisierungssystemen und virtuellen Maschinen

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1 Virtuelle Inbetriebnahme mit realen Automatisierungssystemen und virtuellen Maschinen Jürgen Mewes Ingenieurbüro Mewes & Partner GmbH, Hennigsdorf. Die Inbetriebnahmezeiten insbesondere die der Software müssen runter. Der Schlüssel hierfür ist die Erstellung der Virtuellen Maschine aus der Sicht des Steuerungstechnikers auf der Grundlage einer durchgängigen Nutzung moderner Simulationstechniken über den gesamten Entstehungs- und Nutzungsprozess der Automatisierungssoftware. Wie lässt sich die Zeit vom Auftragseingang bis zur Lieferung einer Maschine verkürzen? Diese Frage beschäftigt die Verantwortlichen für die Auftragsabwicklung im Maschinenbau heute mit Nachdruck. In der Mechanik und Elektrik lassen sich die Durchlaufzeiten durch parallele Fertigung von Baugruppen verkürzen. Anders sieht es gegenwärtig noch bei der Softwareinbetriebnahme aus. Erst wenn die Maschine fertig gestellt und elektrisch vollständig angeschlossen ist, kann die schrittweise Inbetriebnahme beginnen. Die wird jedoch immer wieder unterbrochen, weil Software verändert und angepasst werden muss. Ein teilweise langwieriger Prozess, weil die Maschine eigentlich fertig ist, weil Geld brach liegt, weil Platz gebunden ist und weil der Kunde in der Regel bereits wartet. Die Alternative hierzu muss also lauten: Die Softwareinbetriebnahme muss zeitlich parallel zur Fertigung erfolgen. Die Abnahme der Software vor der realen Inbetriebnahme erfolgt nach vereinbarten Regeln. Die Software ist vor der realen Inbetriebnahme tatsächlich fertig. Die reale Inbetriebnahme ist konzentriert auf Parametrierung und Optimierung. Die reale Softwareinbetriebnahmezeit ist um mindestens 50 % der bisherigen Zeit zu reduzieren. Bild1: Die Inbetriebnahmezeiten für die Software im Maschinenbau betragen heute rund 40% der Inbetriebnahmezeit im Prüffeld. Ziel muss sein, diese Zeit um 50% und mehr zu senken.

2 Einen wesentlichen Beitrag zur Verkürzung der Inbetriebnahmezeiten leisten Softwaretests während und nach Abschluss der Softwareentwicklung. Sie bestehen typisch aus einer Manipulation von Signaleingängen und Beobachten von Ausgängen. Teilweise wird die Bildung von Rückmeldungen einfach in die Steuerung mit hinein programmiert, um die richtigen Reaktionen der Maschine nachzubilden. So lassen sich zwar die Lauffähigkeit der Software prüfen und grobe Fehler erkennen; eine drastische Verkürzung der Inbetriebnahmezeit an der realen Maschine ist damit in der Regel jedoch nicht zu erreichen, da diese Methode grundsätzliche ihre Grenzen hat: Der Test erfolgt aus Sicht des Programmierers. Maschinenabläufe sind mit zeitabhängigen Rückmeldungen idealisiert. Der Test ist für Dritte nicht transparent. Andere Gewerke sind an der Prüfung nicht beteiligt. Störfälle können kaum oder nur mit programmiertechnischem Aufwand getestet werden. Die Maßstäbe der Qualitätssicherung durch Einsatz einer unabhängigen Testumgebung sind nicht erfüllt. Ergo: Die damit erreichte Testtiefe kann die Zeit bei der Inbetriebnahme mit der realen Maschine nicht wesentlich verkürzen! Die Konsequenz: Es muss eine Virtuelle Maschine erzeugt werden, die in ihrem Verhalten der realen Maschine entspricht mit den gleichen Ansteuerungs- und Rückmeldesignalen, mit dem gleichen Zeitverhalten und den gleichen Störfällen. Die Signale aus dem Steuerungssystem werden dazu über Systemkonfigurationen im Projekt abgebildet. Mit Echtzeitsimulationen wird das Verhalten der Maschine pragmatisch nachgebildet und die Betriebszustände als Mess- und Grenzwertsignale an das Steuerungssystem zurück übertragen. Der Begriff Virtuelle Maschine bezieht sich in diesem Zusammenhang also auf die Sicht des Steuerungstechnikers; konstruktive Ausprägungen sind eher uninteressant, sofern sie nicht das Verhalten beeinflussen. Mit der Virtuellen Maschine für die Steuerungstechnik, lässt sich der Gesamtablauf der Softwareentwicklung drastisch nach der oben genannten Zielstellung verändern. Wichtig dabei ist: Die Plattform für diese Virtuelle Maschine muss ein Standard-PC sein, der mit der realen Steuerung auf dieselbe Art verbunden ist, wie die reale Maschine. Die Entstehung einer Virtuellen Maschine soll im Folgenden beispielhaft an der WinMOD-Plattform veranschaulicht werden. WinMOD besteht aus der Systemsoftware für die Echtzeitsimulationen, für das Signalmanagment und für Funktionen zum Bedienen und Beobachten. Geräte werden in Makros zu virtuellen Komponenten und bilden die Virtuelle Maschine als WinMOD-Projekt. Über auswählbare WinMOD-Systemkonfigurationen wird der Simulations-PC mit den Steuerungssystemen verschiedener Hersteller verbunden. Der Weg zur Virtuellen Maschine Der Engineeringprozess einer virtuellen Maschine ist ähnlich der Konstruktion der realen Maschine zu sehen. Die Maschine wird in Baugruppen und Geräte zerlegt, die für sich einen hohen Wiederholgrad haben, und die durch Kombination und Parametrierung zu individuellen Lösungen führen. Die WinMOD-Plattform bietet hierfür Werkzeuge, mit denen sich Bibliotheken Virtueller Geräte erstellen lassen,

3 die dann wiederum durch Parametrierung zur Virtuellen Baugruppen kombinierbar sind. Basis hierfür sind die relevanten Informationen aus der Konstruktion, der Elektro-, Hydraulik- und Pneumatikplanung. Daneben werden die Strukturierung und das Kennzeichnungssystem integriert und in der Planungsphase Steuerungsabläufe nach Zeitabläufen vorgegeben. Alle Geräte und Baugruppen sind damit dynamisch präsentiert und in ihrem Zeitverhalten parametrierbar. Entscheidend für die Vereinfachung und Rationalisierung ist die Reduzierung der Vielfalt realer Geräte und Baugruppen auf meist wenige virtuelle Geräte und Baugruppen mit individuellen Verhaltensmustern. Mit einer solchen Bibliothek reduziert sich das Engineering auf Auswählen, Konfigurieren, Parametrieren und Verbinden. Die Virtuelle Maschine ist realisiert, wenn die Baugruppe ausgewählt und verbunden sind, wenn virtuelle Steuerpulte editiert sind und wenn eventuelle Überwachungsund Schutzeinrichtungen mit ihren Steuer- und Meldesignalen simuliert sind. Optional können noch schematische Darstellungen mit Wirkungs- und Messort der Signale integriert werden. Alle Signale sind an ihren Signalelementen manuell oder mit System manipulierbar, um Störfälle oder nicht simulierbare Ereignisse zu generieren. Als Add-on existiert ein Signalrecorder, der online eine Beobachtung, Dokumentation und Auswertung von Signalverläufen ermöglicht. Bild2: Die Baugruppen der realen Anlage werden als virtuelle Baugruppen nachgebildet und durch Kombination und Parametrierung zur Virtuellen Anlage verbunden. So entsteht eine exakte Beschreibung des Maschinenverhaltens ohne Steuerung und unabhängig von subjektiven Interpretationen. Missverständnissen über die Funktion von Geräten oder Baugruppen bei den Beteiligten, die bei der Inbetriebnahme die meiste Zeit kosten, werden reduziert. Die Virtuelle Maschine wird real gesteuert Jetzt kann die Verbindung der Simulation mit dem realen Steuerungssystem erfolgen. Dies kann eine SPS von Siemens, von Beckhoff, von Phoenix Contact, von Allen Bradley oder von anderen Systemanbietern sein. Die Kommunikation zwischen der virtuellen Maschine/Anlage im PC und der SPS erfolgt schließlich über eine

4 echtzeitfähige Kommunikationsschnittstelle. Ist die Steuerungsperipherie beispielsweise real mit Profibus projektiert, so hat der Anwender zunächst eine WinMOD-Konfiguration zu wählen, welche die Profibusslave-Struktur emuliert. Für andere Systeme stehen entsprechend andere physikalische und logische Kommunikationskanäle zur Verfügung. Diese Systemoffenheit ist eine grundsätzliche Bedingung für die Akzeptanz, um Kundenwünschen ohne Änderung der Engineeringabläufe gerecht werden zu können. Der zweite Schritt zur Verbindung mit der Steuerung ist die Herstellung des gleichen Prozessabbildes. Dazu werden Signallisten exportiert und importiert und bei Bedarf in externen Tabellenprogrammen bearbeitet. Zu den symbolische Bezeichnern und Kommentaren, existieren jetzt im WinMOD-Projekt auch Adressen, die mit dem Steuerungsprojekt übereinstimmen. Steuerung und Virtuelle Maschine einschließlich HMI-Komponenten sind jetzt betriebsfähig! Für den Softwareentwickler steht nun eine Testumgebung zur Verfügung, die auch die Struktur seines Softwareprojekts widerspiegelt. Fast alle namhaften Systemhersteller bieten inzwischen die Option, die Steuerungssoftware auf einer Virtuellen SPS in Betrieb zu nehmen. Die direkte Kommunikation innerhalb eines PCs oder über Ethernet vereinfacht den Systemaufbau erheblich und führt quasi zur vollständigen Virtuellen Inbetriebnahme. Da diese Konfiguration mit Einschränkungen verbunden sein kann z.b. fehlende Kommunikation zu HMI-Komponenten, ist sie primär als zusätzliche Option zu der realen Steuerung in der Entwicklungsphase oder als nützliches Add- On für Schulungs- und Präsentationsaufgaben zu sehen. Bild3: Die virtuelle Maschine wird mit der realen Steuerung verbunden. Die Bewegungsabläufe der simulierten Baugruppen werden in einer 3D- Visualisierung nachgebildet. Durch die Kombination von Virtueller SPS und Virtueller Maschine kann die Software zu einem sehr frühen Zeitpunkt transparent geprüft werden. Diese Prüfung ist auch für Dritte nachvollziehbar. Damit sind weitere potentielle Fehler vor dem Inbetriebnahmeprozess erkenn- und eliminierbar und Zeitverluste in der regulären Inbetriebnahme zu vermeiden.

5 Integration in die Inbetriebnahme Die eigentliche Integration der Software verteilt sich auf zwei Zeitbereiche: Sie beginnt mit einer virtuellen Inbetriebnahme parallel zum Herstellungsprozess der realen Maschine. Die Software ist dabei bereits auf dem realen Steuerungssystem installiert, jedoch nach wie vor mit der Virtuellen Maschine verbunden. Ausgehend vom Bedienterminal lassen sich somit Steuerungsabläufe, Störungsauswertungen, und Bedieneingriffe testen. Bereits jetzt kann das Service- und Bedienpersonal eingewiesen werden. Parametereinstellungen und Optimierungen an der Steuerungssoftware erfolgen anschließend im Zuge der realen Inbetriebnahme. Das geschilderte Konzept kann noch in einem entscheidenden Punkt erweitert werden. Die Betriebszustände, bisher abstrakt als Signalwerte abgebildet, werden in einer 3D-Darstellung dynamische visualisiert. Sie sind damit für alle Beteiligten transparent und eindeutig. Dazu wird ein VRML-Modell aus den Konstruktionsdaten abgeleitet, dass alle dynamischen Freiheitsgrade der Maschine besitzt. Dieses kinematische Modell wird über eine extrem geschwindigkeitsoptimierte Kommunikation mit dem Modell der Steuerungstechnik verbunden. Das Ergebnis ist eine virtuelle Maschine, die dann den Ansprüchen aller Beteiligten entspricht. Diese Art der Visualisierung wurde beispielsweise in einem Projekt für den Wasserschleusenbau eingesetzt. Hierbei steuert eine reale SPS über ein Profibussystem eine WinMOD-basierte Virtuelle Schleuse. Die Visualisierung der Zustände und Signale der Schleusenanlage erfolgt dabei auf einem Bildschirm mit den WinMOD-Komponenten und parallel auf einem zweiten Bildschirm mit einem dynamischen 3D-Schleusenmodell. Dieses Projekt ist auch auf den Automatisierungstagen 2005 ausgestellt. Bild3: Die virtuelle Maschine ist mit der realen Steuerung einer Schleuse verbunden. Die 3D- Visualisierung zeigt das dynamische Modell der Schleuse mit deren Bewegungsabläufen.