Virtuelle Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen

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1 1 Virtuelle Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen Dr.-Ing. Dieter Scheifele Geschäftsführender Gesellschafter ISG Vorträge und Vorlesungen 2 ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH Dr.-Ing. Dieter Scheifele Geschäftsfeld ISG-kernel (seit 1987) Steuerungssoftware CNC, RC, Motion Control Kunden Steuerungshersteller sowie Maschinen- und Anlagenbauer Geschäftsfeld ISG- (seit 2005) Simulationssoftware virtuelle Inbetriebnahme (VIBN), Hardware-in-the-Loop in Echtzeit (1ms), Simulation-Based-Engineering Kunden Maschinen- und Anlagenbauer, Engineering-Büros (Integratoren), Anlagenbetreiber Unternehmen - ISG

2 3 4 Kunde Anforderungen Team Technik Ideen Layout Baugruppen Mechanik Elektrik Beschaffung Montage reale Anlage / Maschine Software/Inbetriebnahme es fehlt nur noch die Software Konsequenzen Auslieferung Produktionsstart FAT Mangelhafte Erfüllung der Kundenanforderungen und schlechte Qualität Nachbesserungen beim Kunden während des Produktionsstarts zusätzliche nicht geplante Kosten / Imageschaden Sequentielles Engineering (Status Quo in traditionellen Unternehmen)

3 5 MKS CAD Machine Design Konstruktion FEM Beschaffung & Assembly Montage Simulation im Maschinenbauunternehmen PPS- System FiBu Nachbesserungen Störungen Steuerungstechnische Inbetriebnahme Scheduled Geplante delivery Auslieferung date Zeitachse Auslieferungsdatum unterliegt betriebswirtschaftlichen Interessen Störungen werden nicht kalkuliert, Steuerungstechnische Inbetriebnahme entzieht sich der Kontrolle durch das PPS-System Üblicher sequentieller Workflow und seine Steuerung 6 Mechanik- Konstruktion Systematische Funktionsbeschreibung nicht verfügbar 51% des Gesamtaufwandes EK Ersatzweise Erstellung Beschaffung von Informationen Empirische Funktionsbeschreibung Konstruktionszeichnungen Elektro- Konstruktion Software- Entwicklung Stromlaufplan Software (NC,SPS) ORGANIZATION_BLOCK... TITLE = Hauptprogramm // User: X VERSION : 1.0 VAR_TEMP OB1_SCAN_1 : BYTE;... Mangelnder Informationsfluss in vielen Maschinebauunternehmen

4 7 Inbetriebnahme CNC, SPS V Grundinbetriebnahme B S T Grundinbetriebnahme SPS-Funktionalität CNC-Funktionalität grundlegende Tests Test Installation/Verkabelung Test Sicherheit Bedienoberfläche / HMI Bediensequenz Sonderfunktionen Abnahme Technologie-Optimierung Teilaufgaben der steuerungstechnischen Inbetriebnahme 8 Machine Design Konstruktion Fertigung & Assembly Montage Simulation im Maschinenbauunternehmen PPS- System FiBu Nachbesserungen Störungen Steuerungstechnische Inbetriebnahme Verlorene Qualität / Funktionalität, die beim Kunden nachträglich hergestellt werden muss zusätzliche Kosten und Imageschaden Scheduled Erzwungene delivery Auslieferung date.. beim Kunden Zeitachse Auswirkungen von Verzögerungen

5 9 Braucht man zur steuerungstechnischen Inbetriebnahme die fertige Maschine? 10 Kunde Anforderungen Systems Engineering Prozesse Funktionen Störszenarien Mechanik Elektrokonstruktion Softwareengineering / Inbetriebnahme Beschaffung Montage virtuelle Anlage / Maschine reale Anlage / Maschine Eigenschaften mechatronischer Engineering- Prozess (Systems Engineering) Funktionalität (Software) der Anlage steht im Vordergrund Stör-/Fehlersituationen werden von Anfang an berücksichtigt virtuelle Anlage/Maschine steht für Auslegungstests und Optimierungen durchgängig zur Verfügung Auslieferung Produktionsstart FAT Von der VIB zu simulation based engineering

6 11 Mechanik- Konstruktion Systematische Funktionsbeschreibung Prüfen der Steuerungslösung (Steuerungen und Programme) Optimieren zur Produktivitätssteigerung Störungsmanagement Verhaltensmodell Konstruktionszeichnungen Elektro- Konstruktion Software- Entwicklung Stromlaufplan Software (NC,SPS) ORGANIZATION_BLOCK... TITLE = Hauptprogramm // User: X VERSION : 1.0 VAR_TEMP OB1_SCAN_1 : BYTE;... Vorteile von simulation based engineering 12 Verhaltensmodell Steuerungsfunktionen Ausgänge Eingänge Positionen der 3-D-Module Verhaltensmodell der Maschine (teilweise gekoppelte Übertragungsstrecken) Simulationssystem zur virtuellen Inbetriebnahme Steuerungstechnische Inbetriebnahme am Simulationssystem

7 13 13 NCU 1, NCU 2, NCU 3 PLC 1, PLC 2,... Optionspaket 1 Optionspaket 2 Messmittelverwaltung Werkzeugverwaltung Prozesssteuerung Zyklenpaket 1, Zyklenpaket 2... Palettenverwaltung HMI 1, HMI 2,... Leitsystem 1, Leitsystem 2,... «Reale Steuerungen kann man für die VIB wirtschaftlich nicht ausreichend genau simulieren!» Moderne Steuerungen sind komplexer als PC für die Büroanwendungen. Ergebnisse von Simulatoren solcher Systeme sind nur eingeschränkt aussagekräftig. Reale Steuerungen vs. virtuelle Steuerungen 14 Der Vorteil, der Koppelung der virtuellen Maschine an die originale Steuerungstechnik liegt darin, dass das tatsächliche Verhalten der Steuerungstechnik in Hard- und Software (konkrete Installation!) in der Prüfung auf Anforderungserfüllung berücksichtigt wird. Vorteil der Verwendung realer Steuerungstechnik

8 15 Übertragungsfunktion G(s) Gewichtsfunktion g(t) mit g(t) G(s) Steuerung digitales System A/D-Umsetzung D/A-Umsetzung Steuerungstechnische Realisierung Eingangssignal analoge Signale Ausgangssignal Analoge Signale Maschine analoges System Ideale (analoge) Steuerungstechnik zur Steuerung einer Maschine Eingangssignal Ausgangssignal Maschine analoges System Wirkungsweise der steuerungstechnischen Realisierung 16 analoges Signal der realen Anlage Signal der echtzeitfähigen Simulation Signal einer nichtechtzeitfähigen (Windows-) Simulation Verlust durch Nichtechtzeit

9 17 Also: Die reale Steuerungstechnik ist ein Echtzeitsystem im Sinne des Nyquist- Shannon-Abtasttheorems (deterministisches, äquidistantes Abtasten und Verarbeiten), das in seinen Kenngrößen (Abtastfrequenz) vom Verhalten des zum Anschluss vorgesehenen analogen Maschinenbaus vorgegeben wird. Sowieso: Für die Qualität der Simulationsergebnisse ist entscheidend, wie exakt der abstrakte Maschinensimulator das Verhalten der realen Maschine nachbilden kann. Dann aber: Idealerweise erfüllt das Simulationssystem für virtuelle Maschinen das Nyquist- Shannon-Abtasttheorem selbst. Dazu muss es echtzeitfähig sein. Ergebnis der Betrachtung der digitalen Signalverarbeitung 18 Real-time classes and application areas (IAONA classification) Highly dynamic processes, electronic drives ISG- common solutions Machine tools, fast processes, robots 1µs 10µs 100µs 1ms 10ms 100ms 1s 10s Wie schnell ist Steuerungsechtzeit? Building technology, control and automation levels, trouble-free processes, storage systems Conveying systems, simple controls, majority of all automated systems 1

10 19 Automatisierungsgerät CNC, SPS Digitale Steuerungsfunktion Steuerungstechnik Peripheriegeräte Umrichter, I/O-Klemmen Abtastung und A/D-Wandlung D/A-Wandlung und Halten Tiefpass Tiefpass Tiefpass Tiefpass D/A-Wandlung und Halten Abtastung und A/D-Wandlung Maschinensimulator/virtuelle Maschine Analoge Signale Digitale Verhaltensmodell Vollständiges Simulationssystem zur virtuellen Inbetriebnahme 20 Automatisierungsgerät CNC, SPS gekoppelter Maschinensimulator Digitale Steuerungsfunktion Steuerungstechnik Automatisierungsgerät CNC, SPS Digitale Steuerungsfunktion t t Speicherkoppelung über feldbusneutrale Schnittstelle Digitales Verhaltensmodell t t Consumer-Gerät PC Digitale Steuerungsfunktion Digitales Verhaltensmodell virtuelle Maschine t Digitales Verhaltensmodell t t Verschiedene reduzierte Simulationssysteme

11 21 Kundenanforderungen an ein Werkzeug zur VIB Auslegungstools sind bereits vorhanden es fehlt das Tool für die Inbetriebnahme der realen Steuerungen Einsatz der realen CNC/PLC mit virtuellen Anlagen (HILS) Inbetriebnahmeprozess und factory acceptance tests (FAT) sollen ohne Einschränkung möglich sein virtuelle Maschine verhält sich für die CNC/PLC wie die reale Anlage (Safety, Steuerungsechtzeit ) es soll kein paralleler bzw. redundanter Engineering- und Simulationsprozess notwendig sein simulation based engineering und Verwendung der originalen Engineering-Daten 22 reale Steuerungen realer reale Maschine Inbetriebnahme mit der realen Steuerung in Steuerungsechtzeit deterministisches, realistisches Verhalten der Simulation wie die reale Maschine am reproduzierbares Modellverhalten auch nach mehreren Simulationsläufen für Regressionstests identische Steuerungskonfiguration (inklusive I/O-Adressen) wie an der Originalmaschine Aufbau eines Simulationssystems zur VIB Simulations- Rechner PC-Betriebssystem (MS-Windows 64-bit) Modellierung (Slave) Visualisierung Echtzeit-Betriebssystem (< 1ms) Echtzeit-Simulationskern (Solver) Öl, ein W, aus ( Öl, aus W, ein ) m Öl, ein W, aus ln( ) Dynamik Öl, aus W, ein Logik Kinematik Testpanel MF

12 23 Reale Maschine Virtuelle Maschine Realisierte systeme EtherCAT 1) Profibus 1) Profinet 1) CANopen Ethernet-IP 1) Inklusive Safety-Funktionalität -Komponenten, Slaves (E/A und Antriebe) -Komponenten, Multi-Slave (E/A und Antriebe) gleiches Maschinenverhalten SW HW SW HW SW anbindung eines Simulationssystems zur VIB 24 EtherCAT Profibus Profinet Simulation von Anlagen / Maschinen mit komplexen Automatisierungsstrukturen Einsatz realer Steuerungen unterschiedlicher Hersteller gleichzeitig Anbindung über unterschiedliche se gleichzeitig Übernahme der Master-E/A-Konfiguration aus EtherCAT, Profibus, Profinet Integrierte Safety-Bausteine Simulationssystem für die Praxis

13 25 SPS SPS CNC Simulationssystem Montageanlage Logik Dynamik Kinematik SPS SPS CNC Transport Logik Dynamik Kinematik Werkzeug maschine Durchgängiger Test / Simulation komplexer Automatisierungslösungen Simulationssystem einfach über mechanismen erweiterbar Kombination der Hardware-in-the-Loop-Simulation mit realen Automatisierungssystemen übergeordnete 3D-Visualisierung der kompletten Anlage CNC Simulations-PC Factory Acceptance Tests bereits in der Inbetriebnahmephase Logik Dynamik Kinematik Leitrechner CNC Simulations-PC SPS Simulations-PC Leitrechner Simulations-PC 3D-Visualisierung Anlage, Zelle, Zusammenführung der 3D-Sim. Simulation von komplexen (verteilten) Automatisierungslösungen 26 virtuelle Produktionslinie mit realer Steuerungstechnik PLC Handling System Bearbeitungs- Zentrum Werkstück PLC NC / PLC Band Bearbeitungs- Zentrum Leitrechner Echtzeit-Simulation verketteter Anlagen

14 27 Virtuelle Maschine Modellierung Test-Panels 3D-Visualisierung Windows Steuerung Real PLC Embedded CPU Industrial PC B&R - Runtime Interface integriert in Automation Studio automatische Generierung.S Kommunikation zwischen Run-Time-System und Modellierung / Visualisierung Logik.S Dynamik Kinematik Echtzeit-Modellberechnung MF Realisierung Echtzeitprozesse aus ISG- laufen problemlos auf einer B&R-Steuerung ab möglichst macht es die direkte Integration in Automation Studio Das Interface zwischen der Steuerung und ISG wird automatisch generiert möglichst macht es ein I/O-Wizard, der Bestandteil von ISG ist Nahtlose Integration in Steuerungsplattformen hier mir B&R 28 Disziplinübergreifendes Verständnis über einheitliche Bibliotheken Maschinenkinematik Logik Sensorik, Aktorik, Antriebe Materialfluss, Magazine Regelungstechnik Modellierung des blockbasierenden Verhaltensmodelles

15 29 E/A-Link TwinCAT als Echtzeitplattform und zur Anbindung an Fremdsteuerung Modelleinbindung in Steuerungsumgebung TwinCAT 30 Antriebsachse mit unterschiedlicher Detaillierung Bypass : Soll = Ist PT1 / 2 : Verzögerung bzw. Schwingfähigkeit Regler + Streckenmodell: > 30 Parameter Quasi kein Modellie- rungs- Aufwand Erhöhter Modellierungs- und- Parametrie- rungs- Aufwand Sollposition Ziel: So einfach wie es für die Simulationsaufgabe erlaubt ist Istposition Skalierbare Modellierung

16 Untersuchung der Auswirkung der Rastkraft als Störkraft auf das Modell Reversierfahrt bei v = 10 mm/s Momentenbildender Strom über Weg Modell (rot) mit realer Stellkraft aus Umrichter als Störkraft Gesamtmodellqualität könnte durch Abbildung/Messung der Rastkräfte deutlich erhöht werden! 31 Regler-/Streckensimulation 32 Weitere Online Diagnose- und Bedienwerkzeuge Anzeigen, Taster, Schalter, Schieberegler... Scope zum Anzeigen aktueller Werte EA-Ebene oder modellintern Speichern getracter Daten als *.csv -Dateien Modellinteraktion für Simulationsexperimente

17 33 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 Störsituationen ohne Risiken Wiederverwendbarkeit der mechatronischen Module Generierung verbesserter Abnahmekriterien Optimierung von Service und Wartung Schulung und Weiterqualifikation von Mitarbeitern VIB im Anlagen und Maschinenbau Fa. HEITEC AG 34 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 VIB von komplexe Bearbeitungszentren (BAZ) Fa. Grob / Daimler

18 35 Motivation / Zielsetzung große Vielfalt an optionalen Funktionen Einsatz verschiedener CNC-Steuerungen (Siemens, Bosch, Heidenhain, Fanuc) Test verschiedener Konfigurationen Test neuer Ideen, z. B. Werkzeugwechselstrategien Verkürzung der Durchlaufzeiten (Auftragsbearbeitung) höhere Zuverlässigkeit Hauptvorteile - Anwender - Taktzeitoptimierung Test von Störsituationen z. B. kritischer Werkzeugwechselsituationen und fehlerhafter Werkzeugvorbelegungen reale Zeitachse hilft bei der Beurteilung der Abläufe Erkennen und Messen von Nebenzeiten an virtueller Maschine getestete Steuerung funktioniert ohne weitere Maßnahmen an der realen Maschine VIB von CNC-Bearbeitungszentren Fa. CHIRON 36 Motivation / Zielsetzung große Vielfalt an optionalen Funktionen und Baureihen in verschiedenen Baugrößen elektrisch und hydraulisch angetriebene Maschinen - Schließkräfte bis zu kn Prozess-Regelung durch die Steuerung Betriebspunkte an der realen Maschine nahezu nicht reproduzierbar Hauptvorteile - Anwender (Steuerungstakt = Fedbustakt = Simulationstakt = 1ms) automatische Generierung der Simulationsmodelle Simulation der Kinematik, Logik und Dynamik (Hydraulik) signifikante Reduzierung der Durchlaufzeiten Simulationsmodell für jede ausgelieferte Maschine Amortisierung des Initialaufwandes bereits im 1. Jahr VIB von Spritzgieß-Maschinen - Fa. KraussMaffei

19 37 VIB eines Roboters für Schweißaufgaben 38 Materialflusssimulation

20 39 Koppelung zu einer Physik-Engine 40 Abtragssimulation Präzise, fotorealistische Darstellung Arbeitsfortschritt in Echtzeit Kollisionserkennung Definition von Körperpaaren Anzeige und Meldung von Kollisionen Abtragssimulation und Kollisionserkennung / -vermeidung

21 41 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 Wesentliche wirtschaftliche Vorteile der VIB 42 Robotersysteme ca. 200 Typen 3D-Geometrie inkl. Kinematikmodelle Hersteller ABB Robotics Adept Comau Epson Fanuc KUKA Kawasaki OTC Reis Robotics Stäubli Universal Yaskawa Motoman Schneller zum Simulationssystem durch Roboter-Bibliothek

22 43 VIB in Steuerungsechtzeit 44 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Studienarbeiten in Zusammenarbeit mit Instituten HiWi-Arbeitspätze Industriepraktika