DIE VIRTUELLE INBETRIEBNAHME BEI EINEM SONDERMASCHINENBAUER

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1 DIE VIRTUELLE INBETRIEBNAHME BEI EINEM SONDERMASCHINENBAUER Dipl.-Ing. Torsten Böhme Fraunhofer IFF, Magdeburg 2. Industriearbeitskreis Virtuelle Techniken im Sondermaschinenbau Virtuelle Inbetriebnahme Schwäbisch Hall, Februar 2016

2 INHALT 1. Virtuelle Inbetriebnahme Begriffe aus der Richtlinienarbeit 2. Offene Probleme Hemmnisse 3. VINCENT-EMELI ein durchgängiger Ansatz für die VIBN 4. Beispiele im Sondermaschinenbau

3 Virtuelle Inbetriebnahme Begriffe aus der Richtlinienarbeit VDI/VDE 3693 Definition: Inbetriebnahme, die das entwicklungsbegleitende Testen einzelner Komponenten und Teilfunktionen des Automatisierungssystems mithilfe von auf die jeweilige Aufgabenstellung abgestimmten Simulationsmethoden und modellen umfasst. Anmerkung: VIBN im engeren Sinn bezeichnet den der realen Inbetriebnahme vorgelagerten Gesamttest des AS mithilfe eines Simulationsmodells der Anlage (vgl. VDI 4499). 3

4 Virtuelle Inbetriebnahme Begriffe aus der Richtlinienarbeit VDI/VDE 3693 Aufbau eines automatisierungstechnischen Systems Die für die Simulation eingesetzten Konfigurationen und Methoden unterscheiden sich: in Art und Umfang der eingesetzten Modelle, in den Varianten der eingesetzten Simulationswerkzeuge, in der Kommunikationsform zwischen Simulation und AS sowie in Art und Umfang der nachzubildenden AS- Strukturen. 4

5 Virtuelle Inbetriebnahme Begriffe aus der Richtlinienarbeit VDI/VDE 3693 Model-in-the-Loop Entwicklungsbegleitender Test mit prototypischen Steuerungscode generisch und hardwareunabhängige Beschreibung der Steuerungsaufgabe Steuerung und Simulation i.d.r. im gleichen Tool 5

6 Virtuelle Inbetriebnahme Begriffe aus der Richtlinienarbeit VDI/VDE 3693 Software-in-the-Loop Steuerungscode als Seriencode (z.b. nach IEC ) Emulierte, d.h. virtualisierte Steuerung (i.d.r. als Bestandteil des Engineeringsystems des AT- Systems Test erfolgt an einem Anlagensimulationsmodell wie auch bei MIL 6

7 Virtuelle Inbetriebnahme Begriffe aus der Richtlinienarbeit VDI/VDE 3693 Hardware-in-the-Loop Realer Steuerungscode läuft auf realer Steuerung Reale Kommunikation Test erfolgt an einem Anlagensimulationsmodell 7

8 Virtuelle Inbetriebnahme Hemmnisse Begriffe unklar, Voraussetzungen sind gegeben, aber die VIBN wird nicht gelebt. Keine Standards Wenige Macher/Treiber Spielwiese des Steuerungsingenieurs Notwendige Expertise oft nicht vorhanden Kosten werden gesehen, aber nicht der Nutzen Success-Stories fehlen 8

9 VINCENT/EMELI Ein integrativer Ansatz Ziele Integration der virtuellen Inbetriebnahme in den Engineeringprozess Einfache Modellerstellung im laufenden Engineeringprozess Integrierte Entwicklung des Steuerungsfunktion Sicherheitsfunktionen automatisiert erstellen Verkürzte Inbetriebnahme durch permanente Testmöglichkeiten Nutzung der Daten für den Betrieb 9

10 VINCENT/EMELI EMELI - Engineering Model Linker Durchgängige und konsistente Datenhaltung im Entwicklungsprozess Zusammenführung unterschiedlicher Disziplinen E-CAD Steuerung Einheitliche und strukturierte Verfahrensabläufe M-CAD Nutzung des bisher generierten Wissens/ Softwareumgebung Engineering-Basistool: Daten erfassen, validieren, visualisieren, verwalten Simulation Spezialtools 10

11 VINCENT vereinfacht Modellerstellung Datenübernahme aus CAD Kinematisierung Einfacher Import von CAD-Daten Import von STEP-Dateien Aktualisieren von vorhandenen Geometrien Optimierung der 3D-Darstellung für schnelle Lade- und Speichervorgänge Zusammenfügen mehrerer Baugruppen CAD- Modelle zu einem Maschinenmodell Schnelles Suchen und Finden von Baugruppen und Bauteilen im gesamten Maschinenmodell Grafisches Erzeugen der kinematischen Struktur Zuordnen der CAD-Geometrien zu den Elementen der kinematischen Struktur Drag-and-Drop 11

12 VINCENT beschleunigt Steuerungsentwicklung Bewegungen vorführen und teachen Bewegungen vorführen, Steuerungsfunktion grafisch erzeugen Festlegung der Abläufe 3D Modell der Anlage wird in Zielposition verschoben Zielpositionen werden in Zeitleiste gespeichert Bewegungsdauer wird bestimmt, Verfahrdatensatz wird angelegt Festlegung der Logik Zerteilung der Maschine in Module Definition von Modul- Abhängigkeiten 12

13 VINCENT erzeugt Sicherheit auf Knopfdruck Kollisionskontrolle in Echtzeit Schnelle Kollisionserkennung Nutzung der detaillierten CAD- Oberflächeninformationen ohne verfälschende Hüllgeometrien Wenige Millisekunden Rechenzeit für eine Analyse alles gegen alles Leuchtend rote Einfärbung macht erkannte Kollision sofort sichtbar 13

14 VINCENT erzeugt Sicherheit auf Knopfdruck Sicherheitsräume automatisch generieren Vollständige und verifizierbare Bewegungsraum-Analyse Erzeugung des Sicherheitsraumes aller Komponenten Grundlage sind CAD-Daten und kinematische Struktur Erkennung aller potentiellen Kollisions-Risikoräumen Durchdringung von Sicherheitsräumen unterschiedlicher Komponenten Automatische Erstellung und Verifikation von Bewegungsregeln 14

15 VINCENT verkürzt die Inbetriebnahme Steuerungsprojekte automatisch generieren Symboltabelle Anlagenfunktion Hauptsequenzen in S7-Graph Aktionen der Hauptsequenzen in S7-Graph Hilfsfunktionen: Bewegungsansteuerung, Positionstabellen Sicherheitsfunktionen Programmsteuerung Funktion zum Aufruf aller Netze, Hilfsfunktionen, Kommunikation IEC61131-Code Transparent, übersichtlich, lesbar Übernahme aller Bezeichner und Kommentare Daten Merkerbereich für Abbildung der I/Os Strukturdatenbaustein für komplexe Strukturen (z.b. el. Antriebe) Control-DB für jede Sequenz (Sequenzvariablen, Synchronisationsbedingungen, Betriebsarten) Kommunikation TCP-Kommunikation mit VINCENT (bidirektionaler Datenaustausch) 17

16 VINCENT verkürzt die Inbetriebnahme Hardware-in-the-Loop-Test VINCENT Virtuelle Maschine Reale Steuerung Abläufe/Logik Sicherheit Steuerungsprogramm 18

17 VINCENT Workflow in VINCENT 1. Aufbau der virtuellen Maschine Datenübernahme aus CAD-Modellen Erstellen der virtuellen Maschine Materialhandling integrieren 2. Steuerungsentwicklung in VINCENT Bewegungen vorführen und teachen - Aktionen definieren Hauptsequenzen grafisch erstellen Simulation und Test des Steuerungsprogramms 3. Sicherheit integrieren 4. Virtuelle Inbetriebnahme Steuerungsprojekte automatisch generieren Kommunikation mit SPS-Steuerung Hardware-in-the-Loop-Test 5. Reale Inbetriebnahme Virtuelle und reale Maschine laufen parallel Schrittweiser Ersatz von virtuellen Aktoren durch reale Antriebe Vergleich des Verhaltens von virtueller mit realer Maschine Identifikation von Abweichungen Kollisionskontrolle in Echtzeit Sicherheitsräume automatisch generieren Sicherheitsregeln verhindern Kollisionen 20

18 VINCENT/EMELI Nutzen Einheitliche Entwicklung der Maschine durch Konstrukteur und Steuerungstechniker Sicherer und vollständiger Know-How-Transfer vom Konstrukteur zum Steuerungstechniker Einfache und durchgängige Definition von Abläufen in der Maschine Anlagenprogrammierung lange vor Aufbau der Anlage Zeit- und Aufwandsersparnis in der Programmierphase um bis zu 50 % Reduzierung der Inbetriebnahmedauer um bis zu 70 % Qualitätssicherung vom Beginn der Entwicklungsphase Automatisch generierter Programmcode IEC61131-Code - transparent, lesbar, kommentiert Effiziente und automatische Generierung von Sicherheitsparametern Hohe und verifizierte Sicherheit des erzeugten Codes Hardware-in-the-Loop-Test Kopplung von Hardware-Steuerungen an das Modell Test des Steuerungsverhaltens der realen Steuerung 21

19 LANXESS AG Durchgängiger und paralleler Entwurf von Produkt und Produktionssystem Zeitgleiche Entwicklung und Planung von Produkt, Fertigung und Produktionsstätte anhand virtueller Modelle Membranfilterfabrik für LANXESS AG in Rekordzeit geplant und einsatzbereit LANXESS AG 22

20 LANXESS AG Durchgängiger und paralleler Entwurf von Produkt und Produktionssystem Komplexität AutoWinder 1 bestehend aus insgesamt 13 Baugruppen Bauteile 800 Sensoren 150 pneumatische Aktoren 30 elektrische Antriebe Digital Engineering and Operation ständige Auswertung: Vergleich von Soll- und Ist- Daten von virtueller und realer Anlage Nutzen Fraunhofer IFF Übermittlung des Anlagenzustands, z.b.: Fehlercodes inkl. Lösungsstrategien Wartungsinformationen 23

21 SCHUNK GmbH & Co. KG Modulare Roboter entwickeln und konfigurieren Konfiguration Arbeitsraumberechnung Manipulation Animation Inverse Kinematik Kollisionserkennung Automatische Modellerstellung Dynamiksimulation 24

22 SM Calvörde GmbH & Co. KG Automatische NC-Codegenerierung und maschinennahe Simulation Aufbau eines kinematischen Maschinenmodells Eingabe von Schweißpunkten und technologischen Prozessdaten Automatische Generierung des NC-Programms Simulation der Bewegung und Kollisionskontrolle Kopplung an reale NC-Steuerung Virtuelle Inbetriebnahme Schulung 25

23 SM Calvörde GmbH & Co. KG Funktionaler Test an der virtuellen Maschine Prüfung von Kollisionen Technologieablauf Korrekte Synchronisation NC-Code auf realer Steuerung 26

24 VINCENT Effizientes Engineering mit der virtuellen Maschine Besuchen Sie uns auf der Automatica 2016 in München vom auf dem Stand der Wissenschaftlichen Gesellschaft Montage, Handhabung Industrierobotik MHI Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und automatisierung Sandtorstr Magdeburg Deutschland Kontakt Virtual Engineering Dipl.-Ing. Torsten Böhme Telefon