3D-Simulation von Maschinen, Anlagen und Robotern in harter Echtzeit

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1 3D-Simulation von Maschinen, Anlagen und Robotern in harter Echtzeit Symposium für Produktentwicklung & Product Lifecycle Management 5. April 2017 Rapperswil-Jona

2 Geschäftsfelder Technologie und Know-how ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH CEO Dr.-Ing. Dieter Scheifele Geschäftsfeld ISG-kernel (seit 1987) Steuerungssoftware Kunden CNC, RC, Motion Control Steuerungshersteller sowie Maschinen- und Anlagenbauer > Maschinen unterschiedlicher Technologie per anno 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 2

3 Simulation in Steuerungsechtzeit Kunden und Partner 3

4 Industrie 4.0 Anforderungen an den Maschinen- und Anlagenbau Zielsetzungen der Industrie 4.0 (Ausschnitt) Wachstum durch bisher nicht umsetzbare digitale Geschäftsmodelle Neue Services, Plattformen und optimierte Prozesse via IOT - Internet-of-Things Flexible und agile Produktion zur Absicherung des Produktionsstandortes Bildquelle: VDMA McKinsey Studie 2014, Zukunftsperspektive deutscher Maschinenbau Anforderungen an das Engineering von Anlagen- und Maschinen Intelligente Maschinen und Anlagen (von der Entwicklung über Fertigung und Betrieb bis zum Ende des Produktlebenszyklus) Intelligenten Komponenten, die Daten in Echtzeit bereitstellen (Konfiguration von Maschinen aus mechatronischen Komponenten) Test und Inbetriebnahme neuer Produktionsszenarien anhand von Simulationsmodellen (Steuerungsfunktionalität inklusive Safety in Steuerungsechtzeit) 4

5 Industrie 4.0 Simulationsbasiertes Engineering Zielsetzung / Features Kunden Anforderungen Systems Engineering Prozesse Funktionen Störszenarien Softwareengineering inkl. Inbetriebnahme agiles Engineering Service Überführung von inflexiblen, sequentiellen Prozessen ins agile systems engineering Softwareengineering inklusive Inbetriebnahme als führender Prozess virtuelle Anlage/Maschine stehen für Auslegungstests und Optimierungen durchgängig zur Verfügung Stör-/Fehlersituationen werden von Anfang an berücksichtigt Mechanik Elektrokonstruktion Beschaffung Montage virtuelle Anlage / Maschine reale Anlage / Maschine Auslieferung Produktionsstart FAT virtuelle Inbetriebnahme kann ohne Einschränkungen auf die reale Anlage / Maschine übertragen werden 5

6 Industrie 4.0 reale Inbetriebnahme an virtuellen Maschinen Features Inbetriebnahme von realen CNC/PLC/RC an virtuellen Anlagen inklusive Feldbus (HILS) reproduzierbare Antwortzeiten in Steuerungsechtzeit (1ms) inklusive SAFETY-Funktionalität realzeitdeterministisches Verhalten der virtuellen Maschine am Feldbus der CNC/PLC/RC Reale Steuerungen Beckhoff Bosch B&R Fanuc Heidenhain Rockwell Siemens Reale Feldbusse CANopen EtherCAT Ethernet IP Focas Powerlink Profibus Profinet + OPC, UDP Schnittstellen zur Integration von Offline-Programmiersystemen simulation based engineering durch Verwendung von originalen Engineering-Daten 6

7 Industrie 4.0 virtuelle Komponenten für die Automatisierung Feldbus Konfiguration reale Steuerung reale Feldbusteilnehmer reale Komponenten mit Echtzeitverhalten reale Maschine / Anlage (Komponenten, Gesamtverhalten, Materialfluss) 1:1 (I/O, Drives, Safety ) 1:1 Abbildung der Komponenten + Konfigurationsvorgang virtuelle Klemmen Emulation Konfiguration reale Feldbusteilnehmer virtuelle Komponenten mit Echtzeitverhalten virtuelle Maschine / Anlage (Komponenten, Gesamtverhalten, Materialfluss) 7

8 Industrie 4.0 Services mit virtuellen Echtzeit-Komponenten Cloud-Dienste WEB- Services virtuelle Komponenten Intelligente Services IT-Netzwerk Anbindung Projektierung CAM-Systeme OPC UDP TPC/IP virtuelle Komponenten Konfiguration virtuelle Maschine / Anlage Feldbus (Multislave) Feldbus Konfiguration reale Steuerung Feldbusteilnehmer virtuelle Komponenten virtuelle Maschine / Anlage 8

9 Simulationssystem Plattform für Echtzeitanwendungen PC-Betriebssystem (MS-Windows 64-bit) reale Maschine Modellierung 3D-Visualisierung Testpanels Systemschnittstellen reale Steuerungen realer Feldbus Simulations- Rechner Feldbus (Slave) Echtzeit-Simulationskern (Solver) m 4 5 Öl, ein W, aus ( Öl, Öl, ein W, ln( aus aus Öl, aus W, ein Logik ) W, ein ) Dynamik Kinematik MF Echtzeit-Betriebssystem (< 1ms) Inbetriebnahme mit realen Steuerungen in Steuerungsechtzeit Modellierung der Anlage aus Komponentenbibliotheken 3D-Visualisierung anhand der originalen 3D-CAD-Daten inklusive Konfiguration Bedienpanels zur Verifikation der Abläufe und Test von Störszenarien Echtzeit-Simulationskern mit reproduzierbaren Ergebnissen, z.b. für Regressionstest Steuerungsanbindung mit identischer I/O-Konfiguration wie an realen Anlagen 9

10 Simulationssystem Plattform für diverse Engineeringprozesse Reales Automatisierungssystem Model-in-the-Loop (MIL) Software-in-the-Loop (SIL) Hardware-in-the-Loop (HIL) HMI Steuerungen Projektierung Erstellung von Anlagenlayouts generische und HW-unabhängige Beschreibung der Steuerungsaufgabe prototypischer Steuerungscode Ablauftest und Programmgenerierung Offline-Programmierung emulierte, d.h. virtualisierte Steuerung Generierung von Steuerungscode als Seriencode (z.b. nach IEC ) reale HMI mit allen User- Interaktionen reale Steuerungen mit realem Steuerungscode Kommunikation Profinet EtherCAT Standard Kommunikationsmechanismen Shared Memory OPC UA TCP/IP reale Feldbussysteme z.b. Profibus, Profinet, EtherCAT inklusive Safety keine Gateways Komponenten Sensoren / Aktoren Anlage / Prozess virtuelle Komponenten Verhaltensmodelle und 3D-Visualisierung strickt getrennt realzeitdeterministisches Verhalten der virtuellen Komponenten (1ms) 1:1 als Feldbusteilnehmer anbindbar (gleiche Adressierung, gleiches Verhalten inklusive Safety) virtuelle Anlage/Maschine aus virtuellen Komponenten Baukastensystem für Verhaltensmodelle und 3D-Visulalisierung Prozesssimulation / Materialfluss Abtragsimulation / Kollisionserkennung 10

11 Simulationssystem Plattform zur Integration von Engineeringtools Projektierung und Auslegung ISG CNC.sim IFF Vincent CENIT FastSuite Offline-Programmiersysteme KUKA office lite FANUC Roboguide ABB RobotStudio EKS RobSim Projektierungs- und Programmierwerkzeuge Standardschnittstellen (UDP, OPC, TCP/IP) 3D-Visualisierung Testpanels Integrationsplattform reale Steuerungen reale Feldbusse Öl, ein m W, aus ( Öl, aus W, ein Öl, ein W, aus ln( ) Öl, aus W, ein Echtzeitsolver virtuelle Inbetriebnahme ) Modellierung Baustein- Bibliothek Engineering-Werkzeuge SDK C++ 11

12 Engineering Gliederung der Maschine in funktionale Einheiten Feldbusteilnehmer für: EtherCAT 1) Profibus 1) Profinet 1) CANopen Ethernet-IP SW HW SW HW SW Feldbus Reale Maschine / Funktionseinheiten 1) Inklusive Safety-Funktionalität reale Feldbus-Komponenten, Slaves (E/A und Antriebe) virtuelle Feldbus-Komponenten, Multi-Slave (E/A und Antriebe) gleiches Maschinenverhalten Virtuelle Maschine / Funktionseinheiten 12

13 Engineering Visualisierung (direkter Import von 3D-CAD-Daten) 3D-CAD-System 3D-Komponenten-Bibliothek 3D-Visualisierung Direkter Import folgender Formate CATIA Inventor Pro Engineer VRML NX SolidWorks Solid Edge Parasolid STEP IGES JT VAD-FS ASIC 13

14 Engineering Komponentenmodelle (aus Baustein-Bibliotheken) reale Komponente virtuelle Komponente Features firmeneigene Bibliothek als Know-how-Aufbau/Schutz validierte Teil-/Submodelle effizientes Engineering durch Wiederverwendung Prozessoptimierung im Engineering durch automatische Generierung der Modelle Konfiguration 1 Lösungs- / Know-how-Bibliothek 14 Konfiguration n

15 Virtuelle Inbetriebnahme Anlagen und Maschinenbau HEITEC AG kurze Inbetriebnahmezeiten und optimale SW-Qualität Test auch extremer Störsituationen ohne Risiken Wiederverwendbarkeit der mechatronischen Module Generierung verbesserter Abnahmekriterien Optimierung von Service und Wartung mit freundlicher Freigabe der HEITEC AG Schulung und Weiterqualifikation von Mitarbeitern 15

16 mit freundlicher Freigabe der Weeke Bohrsysteme GmbH Virtuelle Inbetriebnahme Holzbearbeitungsanlagen WEEKE (HOMAG Group) Simulation sicherheitskritischer Abläufe mit der realen Steuerung CNC/PLC/HMI Modultest im Vorfeld Validierung von Leistungsdaten (FAT mit der Echtzeitsimulation) Simulation von Erweiterungen nach Auslieferung der Anlagen Wiederverwendung der Modelle für unterschiedliche Baureihen Aufbau einer virtuellen Maschine innerhalb von 2 Arbeitstagen 16

17 Virtuelle Inbetriebnahme Bearbeitungszentren GROB-WERKE GmbH & Co. KG deutlich reduzierte Inbetriebnahmezeiten professionelle Beherrschung von Störsituationen Validierung der Performance in Abhängigkeit von den eingesetzten Steuerungskomponenten Abtragsimulation und Kollisionskontrolle Test von alternativen Abläufen mit freundlicher Freigabe der GROB-Werke GmbH & Co. KG Training des Fachpersonals ohne Maschinenbelegung 17

18 Virtuelle Inbetriebnahme Maschinen- und Anlagenbau SMS Group Optimierung von Inbetriebnahmekosten und zeiten Einsatz von realen Steuerungen, ohne dass die originale SPS- Software und Konfiguration abgeändert werden müssen Ausschöpfung des maximal möglichen Automatisierungsgrades return of invest bereits über die eingesparten Materialkosten, die bei einer realen IBN anfallen würden mit freundlicher Freigabe der SMS Group 18

19 Virtuelle Inbetriebnahme physikbasierter Materialfluss Mehrwert neue physikbasierte Materialflussbibliothek fürs effiziente Engineering Einsetzbar für schnelle Prozesse (z.b. Verpackungsanlagen mit sensorgeführten Prozessen) Komponentenorientiert und beliebig erweiterbar durch Aktoren und Sensoren realzeitdeterministisches Verhalten in Steuerungsechtzeit (1ms, kein Windowsscripting ) Abtragsimulation mit dem Materialfluss kombinierbar 19

20 Virtuelle Inbetriebnahme physikbasierter Materialfluss EISENMANN SE Integration der Simulation in den Engineering-Prozess E-PASS Umfangreiche Test zur Absicherung der Anforderungen virtuelle Inbetriebnahme komplexer Anlagen große Anzahl von Steuerungen und Komponenten mit freundlicher Freigabe der Eisenmann SE 20

21 Virtuelle Inbetriebnahme Roboterintegration / real / virtuell Integrationsmöglichkeiten (Beispiel KUKA CNC und Siemens S7) 1. reale Steuerung über EtherCAT 2. Entwicklungsumgebung (Office-PC) über UDP 3. Virtueller Roboter (OfficeLite) über TCP/IP + PLC/CNC diverser Hersteller über reale Feldbusse 21

22 Virtuelle Inbetriebnahme Roboterintegration / real / virtuell Roboterbibliothek ca. 200 Typen in der Standardbibliothek verfügbar detailtreue 3D-Geometrie Kinematikmodelle in Echtzeit Hersteller ABB Robotics Adept Comau Epson, Fanuc KUKA Kawasaki, OTC Reis Robotics Stäubli Universal Yaskawa Motoman 22

23 Engineering durchgängige Prozesse Durchgängiger Engineering-Prozess 1. Projektierung Auslegung / Konfiguration der Anlage 2. Konzeptentwicklung Festlegung der Interaktionen durchs Teachen und Überprüfung der Abläufe 3. CODE-Generierung Steuerungsprojekte in IEC Virtuelle Inbetriebnahme in Steuerungsechtzeit 1ms, inklusive Safety am Feldbus 5. Qualifizierung der Steuerungssoftware Softwareregressionstests inklusive Störszenarien und Feldbus 6. Digitaler Zwilling Szenen für Serviceunterstützung und Schulung des Bedienpersonals 23

24 Engineering Automatisierung von Testszenarien Konstruktionsdaten Kundensysteme Stücklisten Layout 3D-CAD-Daten kundenspezifische Schnittstellen/Formate Kunde (AB) / Produktion virtuelle Bausteinbibliothek Mechanische Baugruppen Elektro- Komponenten Verhaltensmodelle Steuerungs- Funktionalität reale Bausteine Engineering Engineering-Assistenz (anwendungsorientiert) Automatisierung (Generatoren, ) Adaption ext. Systeme (Übersetzer/Mapping) grafische Unterstützung Ablaufgeneratoren (Motion, IOs) XML Steuerungskonfiguration Steuerungssoftware E/A-Konfiguration VirtuosM (Verhaltensmodell) E/A-Konfiguration Modellkonfiguration VirtuosV (3D-Visualisierung) Geometrie (3D) Kollisionserkennung Abtragsimulation Testumgebung = reale Steuerungstechnik ISG-kernel ISG-Virtuos 24

25 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Virtuelle Inbetriebnahme führt zu: SPS/IPC/Drives