Simulation Based Engineering - Virtuelle Inbetriebnahme -

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1 Simulation Based Engineering - Virtuelle Inbetriebnahme - Echtzeitsimulation Hardware-in-the-Loop - Simulation 1

2 Simulation Based Engineering Unternehmen Virtuelle Inbetriebnahme (Ablauf und Vorteile) ISG-virtuos best practice - Lösungen ISG-virtuos Eigenschaften und Funktionen Kontakt 2

3 Unternehmen - ISG Gründungsjahr 1987 Mitglied in Sitz Geschäftsfeld Mitarbeiter Kunden Produktbereiche Stuttgart Industrielle Lösungen (Software als Schwerpunkt) im Bereich CNC, Robotic, MotionControl und Echtzeit-Simulation ca. 30 Ingenieure Steuerungshersteller sowie Maschinen- und Anlagenbauer e.v. PLCopen MC RC CNC Logik Dynamik Kinematik Materialfluss 3

4 Unternehmen ISG-virtuos Unser Anspruch Die Business Unit ISG-VIRTUOS ist der Anbieter von wirtschaftlichen Lösungen im Bereich des Simulation Based Engineering und der virtuellen Inbetriebnahme für den Anlagen- und Maschinenbau Die BU ISG-VIRTUOS ist technologieführend im Bereich der Echtzeit-Simulation (Hardware-in-the-Loop) Die Strategie der BU ISG-VIRTUOS basiert auf einem nachhaltigen Geschäftsmodell und einer kundenorientierten Produktstrategie Mission Die BU ISG-VIRTUOS ist für ihre Kunden ein zuverlässiger Partner Die BU ISG-VIRTUOS setzt ihre gesamte Lösungskompetenz ein, damit der Kunde seine Wertschöpfungsprozesse mit maximalen wirtschaftlichen Vorteilen optimieren kann 4

5 Unternehmen ISG-virtuos Vorteile der Zusammenarbeit mit der ISG ISG besitzt fundierte Erfahrungen in der Automatisierungstechnik, insbesondere im Bereich von Echtzeitapplikationen sowie bei Feldbussen samt zugehöriger Aktor- und Antriebstechnik ISG ist ein Technologiepartner, der zusammen mit seinen Kunden strategische Ziele umsetzt ISG bildet als Dienstleister das Fachpersonal des Kunden bereits während der Umsetzung der Lösung intensiv aus ISG-VIRTUOS ist zurzeit die einzige Echtzeitlösung, die im Millisekunden Takt zeitdeterministisch zusammen mit der realen Steuerung und unterschiedlichen Feldbussen arbeitet ISG-VIRTUOS ist aufgrund der Echtzeitfähigkeit der Schnittstellen für zahlreiche unterschiedliche Echtzeitplattformen einsetzbar ISG-VIRTUOS ermöglicht durch den modularen Aufbau die Umsetzung von einfachen bis hin zu komplexen Automatisierungsstrukturen 5

6 Unternehmen ISG-virtuos Anwender / Technologiepartner von ISG-virtuos 6

7 Virtuelle Inbetriebnahme Virtuelle Inbetriebnahme - Hardware-in-the-Loop - 7

8 Virtuelle Inbetriebnahme Virtuelle Inbetriebnahme mit HILS Aufbau des Simulationsarbeitsplatzes Siemens 840D sowie SIMOTION, S7, Beckhoff, Bosch, FANUC, Heidenhain,.. PC mit einer virtuellen Maschine Profibus DPV1, DPV2, ProfiSafe PROFINET, CANopen, EtherCAT, SERCOS 8

9 Virtuelle Inbetriebnahme Zielprozesse bei Kunden Mechatronic Based R&D Simulation Based Engineering virtuelle Inbetriebnahme Produktion / Betrieb Angebot an den R&D-Bereich Angebot an das Engineering Angebot an die Inbetriebnahme Angebot an die Produktion bewährte best practice - Lösungen Einführung eines durchgängigen Workflows (mechatr. Lösungen) Einsatz wiederverwendbarer Modul-Bibliotheken Simultan-Engineering auf Basis von best practice -Lösungen Etablierung eines professionellen Projektmanagements wiederverwendbare Modul- Bibliotheken Virtuelle Inbetriebnahme (VIBN) in harter Echtzeit (<= 1ms) Verwendung der realen Steuerungskomponenten (HILS) umfangreiche Tests bzgl. der Erfüllung der Spezifikationen Schattenanlage für die Optimierung der Produktionsprozesse sicherer Betrieb der realen Maschine Ausbildung des Bedienpersonals Hauptvorteile / Nutzen Hauptvorteile / Nutzen Hauptvorteile / Nutzen Hauptvorteile / Nutzen Produktentwicklungskosten um 20% reduzierbar Projektkosten um bis zu 30% reduzierbar Inbetriebnahmezeiten um bis zu 80% reduzierbar Optimierung der Performance um bis zu 10% time to profit um 30% kürzer Test von Lösungen bereits in der Konzeptphase wiederholbare Einsparungseffekte durch Lösungsbibliotheken Test auch kritischer Funktionen in Echtzeit zur Absicherung der Qualität Funktions- und Performancenachweis gegenüber dem Auftraggeber kürzere Durchlaufzeiten in der Endmontage und Inbetriebnahme keine Nachbearbeitung bei Kunden risikolose Schulung Einsparungen in Materialkosten Test mit virtuellen Werkstücken und realen Produktionsdaten Vermeidung von Kosten durch Kollisionen und Stillstandzeiten 9

10 Virtuelle Inbetriebnahme Inbetriebnahme im sequentiellen Workflow Engineering Konstruktion konstruktionsspezifische Schwerpunkte CAD FEM MKS Montage Zusammenbau Maschine / Anlage für die Inbetriebnahme (noch) nicht verfügbar Inbetriebnahme CNC, SPS Inbetriebnahme inkl. Factory Acceptance Test durch den Kunden Auslieferung Produktionsstart 10

11 Virtuelle Inbetriebnahme Phasen der Inbetriebnahme Inbetriebnahme CNC, SPS V Grundinbetriebnahme B S T Abnahme Grundinbetriebnahme SPS-Funktionalität CNC-Funktionalität grundlegende Tests Test Installation/Verkabelung Bedienoberfläche / HMI Bediensequenz Sonderfunktionen Technologie-Optimierung Test Sicherheit 11

12 Virtuelle Inbetriebnahme Konsequenzen der Terminüberschreitung im sequentiellen Workflow Engineering Konstruktion Montage Zusammenbau IBN Abnahme (FAT) Technologie-Optimierung Verzögerung: Nachträge Klärungsbedarf Verzögerung: Nachträge Lieferengpässe Korrekturen keine weitere Verzögerung mehr möglich! Test / Sicherheit Auslieferung, Prod. (Pönale ) Mangelhafte Erfüllung der Kundenanforderungen und schlechte Qualität: Nachbesserungen beim Kunden während des Produktionsstarts zusätzliche nicht geplante Kosten / Imageschaden 12

13 Virtuelle Inbetriebnahme VIBN - Reduzierung der Durchlaufzeiten und Kosten Engineering Konstruktion Montage Zusammenbau virtuelle Inbetriebnahme CNC, SPS 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) 13

14 Virtuelle Inbetriebnahme Zielsetzung: Simulation Based Engineering Konzeptphase Engineering Konstruktion virtuelle Inbetriebnahme Montage Zusammenbau IBN / FAT Betrieb Service Verifikation der Ideen Validierung der Lösungen Test und Optimierung der Realisierung Service- Unterstützung ISG-virtuos - durchgängige Nutzung als Referenz / dynamisches Pflichtenheft 14

15 Virtuelle Inbetriebnahme Realisierbare Vorteile Reduzierung der Inbetriebnahmezeit um bis zu 80% kürzere Projektdurchlaufzeiten reduzierte Hallenbelegungszeit Wesentlich höhere Softwarequalität mit gleicher Manpower Test von regulären und irregulären Betriebszuständen, HMI Frühzeitige Fehlerbehebung spart Folgekosten Risikominimierung im Projektmanagement durch Virtuelle Abnahme Qualität wird bereits im Büro realisiert Kunde erhält schon frühzeitig einen Eindruck über den Projektverlauf Risikominimierung bei der Inbetriebnahme beim Kunden Vermeidung von Kollisionen sowie Fehlfunktionen und Ablaufproblemen Endlostest mit virtuellen Werkstücken und realen Produktionsdaten Erhebliche Verkürzung der Anbindung an übergeordnete Leitsysteme 15

16 best practice Lösungen ISG-virtuos - best practice Lösungen - 16

17 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 Maschine für die Inbetriebnahme mit realen Steuerungen Anlagen- und Maschinensimulation inklusive der 3D-Simulation Hauptvorteile Anwender und Betreiber kurze Inbetriebnahmezeiten und bessere SW-Qualität Test auch extremer Situationen ohne Risiken Import von CAD-Daten und Elektrokonfigurationen Wiederverwendung der mechatronischen Module Generierung verbesserter Abnahmekriterien Optimierung von Service und Wartung künftiger Anlagen Schulung und Weiterqualifikation von Mitarbeitern 17

18 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 18

19 best practice Lösungen ISG-virtuos für CNC-Bearbeitungszentren Fa. CHIRON 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 - Taktzeitoptimierung - Anwender 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 19

20 best practice Lösungen ISG-virtuos für Spritzgieß-Maschinen - Fa. KraussMaffei 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 20

21 best practice Lösungen ISG-virtuos für Hydrotester-Anlagen - Fa. BROSIS / PWS Motivation / Zielsetzung komplexe Automatisierungsaufgaben mit Risiken bei erstmaliger Verwendung von Antriebs- und I/O-Komponenten Forderung nach höherer Zuverlässigkeit der kundenspezifischen Applikationen Notwendigkeit zur Verkürzung der realen Inbetriebnahmezeiten Reduzierung von Serviceeinsätzen Hauptvorteile - Anwender / Hersteller Test von Kinematik, Logik, Dynamik (Hydraulik) und Materialfluss in einem Simulationsmodell Reproduzierbarkeit von regulären Abläufen und Störsituationen in Echtzeit deutliche Reduzierung der Inbetriebnahmezeiten Vorabnahme durch den Endkunden bereits an der virtuellen Anlage möglich Vertriebsargument: professionelles Engineering 21

22 best practice Lösungen ISG-virtuos im Projektgeschäft Golfdach, Südkorea, Fa. TechnoWood Motivation / Zielsetzung Flexible Auslegung der Produktionsmaschine individuelle Werkstückgeometrie (Losgröße 1) mit enger Terminvorgabe für das Gesamtprojekt keine Reserve für etwaige Störungen / Rüstzeiten an der realen Maschine Hochlaufphase bei der Projektrealisierung nicht vorgesehen Hauptvorteile - Anwender / Hersteller Störungsfreie und termintreue Produktion über 3 Monate im 3-Schicht-Betrieb durch: Vorab-Simulation sämtlicher Bearbeitungsschritte (keine Freigabe ohne vorausgehende Simulation) Kollisionsüberwachung während der Bearbeitung Visualisierung 22

23 Produkt - Eigenschaften und Funktion ISG-virtuos - Eigenschaften und Funktionen - 23

24 Produkt - Eigenschaften und Funktion HILS Grundprinzipien der Lösung mit ISG-virtuos real controls CNC PLC motion control Feldbus real machine die reale Steuerung kann inklusive der Echtzeit- Eigenschaften der Software und der Feldbuslösung 1:1 verwendet werden keine Emulation notwendig! virtual machine die virtuelle Maschine verhält sich wie die reale Maschine in harter Echtzeit < 1ms virtuelle Inbetriebnahme und Factory Acceptance Tests sind vollumfänglich realisierbar 24

25 Produkt - Eigenschaften und Funktion ISG-virtuos kundenspezifische Realisierungsoptionen Option Steuerung Simulation Anlage / Maschine HILS Hardware-in-the-Loop Simulation/VIBN Feldbus Feldbus 1:1 1-Rechner-Lösung Steuerungsrechner als Simulations-Arbeitsplatz Feldbus Feldbus 1:1 steuerungsintegrierte Simulation Simulation/VIBN als Mehrwert der Maschinensteuerung Feldbus 25

26 Produkt - Eigenschaften und Funktion HILS - Reale Steuerung steuert virtuelle Maschine in Steuerungsechtzeit PC-Betriebssystem (MS-Windows) reales Verhalten Visualisierung Bedienung reale Steuerungen realer Feldbus Simulations- Rechner Feldbus (Slave) ϑ ϑ = ϑ W, ϑ ln( ϑ ( ϑ Öl ϑ Öl, ein aus, aus m Öl, ein W, aus Öl, aus ϑ W, ein Logik Echtzeit-Betriebssystem (< 1ms) Echtzeit-Simulationskern (Solver) 15 5 = ϑ ) ) W, ein Dynamik Kinematik MF 26

27 Produkt - Eigenschaften und Funktion HILS - Erprobte Lösungen für alle etablierten Steuerungssysteme 27

28 Produkt - Eigenschaften und Funktion Benchmark : ISG-virtuos *) Kriterium USP ISG-virtuos Handling Softwareplattform Echtzeitfähigkeit Externe Schnittstellen Feldbus-Unterstützung Werkstück- / Teilegeometrie Kopplung MATLAB/SimuLink Einführung der Simulation Schulung After Sales Support Look & Feel wie eine normale Windows-Anwendung moderne 64-bit-Architektur im Bereich der Visualisierungs- und der Echtzeitanwendung keine Restriktionen bzgl. Größe der 3D-Modelle harte Echtzeitfähigkeit (< 1ms) nutzt TwinCAT der Fa. Beckhoff zur harten, deterministischen Echtzeit-Simulation automatisierte Modellerstellung mit XML-Dateien Export in gängige Dateiformate von Monitoring-Daten Import von CAD-Daten für 3D-Darstellung Profibus / Profinet CAN / CANopen EtherCAT Ethernet/IP SERCOS Geometriemodell kann dynamisch verändert werden auch komplexe Automatisierungssysteme können vollumfänglich in Echtzeit simuliert werden direkter Import von.m-dateien Simulation ohne lokale MATLAB Installation möglich detaillierte Analyse der Anforderungen an das Werkzeug und die Projektorganisation Schulung / Coachen der Mitarbeiter im Workshop am konkreten Projekt des Kunden schneller Einsatz vor Ort *) Benchmark und USP (exklusive Eigenschaften) wurden durch Kunden vorgenommen 28

29 Produkt - Eigenschaften und Funktion HILS - Echtzeitanforderungen an die Simulationstechnik Real-time classes and application areas (IAONA classification) competitors Building technology, control an 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 29

30 Produkt - Eigenschaften und Funktion HILS - Warum ein Echtzeitsystem für die Simulation? Das originale Steuerungssystem kann ohne Änderungen verwendet bzw. getestet werden identische Steuerungskonfiguration (inklusive I/O-Adressen) wie an der Originalmaschine deterministisches, realistisches Verhalten der Simulation bzgl. Steuerung und Feldbus (~ 1ms) reproduzierbares Modellverhalten bei mehreren Simulationsläufen Herstellerunabhängig, da Anbindung über etablierte Feldbussysteme 30

31 Produkt - Eigenschaften und Funktion Ein Simulationssystem für mehrere (verschiedene) Steuerungen Steuerung 1 Feldbus 2 Feldbus 1 Feldbus 3 Steuerung 2 Steuerung 3 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 IO- Busteilnehmer aus der Steuerungskonfiguration 31

32 Produkt - Eigenschaften und Funktion Simulation von komplexen (verteilten) Automatisierungslösungen SP S SP S CN C Feldbus CNC CNC CNC Leitrechner SP Feldbu S s simulation system manufacturing cell logics dynamics kinematics transport logics dynamics kinematics 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 SP S machine tool Simulation-PC Factory Acceptance Tests bereits in der Inbetriebnahmephase logics dynamics kinematics CN C Leitrechner fieldbus Simulation-PC fieldbus fieldbus fieldbus Simulation-PC Simulation-PC fieldbus 3D-visualisat. plant, cell Zusammenführung der 3D- Sim. 32

33 Produkt - Eigenschaften und Funktion Individuelle Modulbibliotheken zur Erstellung der Verhaltensmodelle 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 33

34 Produkt - Eigenschaften und Funktion Modulbibliothek 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 34

35 Produkt - Eigenschaften und Funktion Maschinenkonfiguration virtuelle Modul-/Aggregaten-Bibliothek Grundmaschine Konfig n Basis + Komp. D + Komp. C + Komp. C + Komp. B + Komp. E +... Aggregate B C Automatische Generierung des Gesamtmodells der Steuerungskonfiguration D E 35

36 Produkt - Eigenschaften und Funktion Maschinenkonfiguration Konfigurationsvorgang 36

37 Produkt - Eigenschaften und Funktion 3D-Visualisierung mit unterschiedlichen Kamerapositionen 37

38 Produkt - Eigenschaften und Funktion Echtzeit-Simulation verketteter Anlagen / Materialfluss virtuelle Produktionslinie mit realer Steuerungstechnik Feldbus PLC Handling System Bearbeitungs- Zentrum Werkstück PLC NC / PLC Band Bearbeitungs- Zentrum Leitrechner 38

39 Produkt - Eigenschaften und Funktion Echtzeit-Simulation von Materialfluss Materialfluss Erzeugen von Objekten Verändern / Bearbeiten dieser Objekte Löschen von primitiven und komplexen Geometrieobjekten 39

40 Produkt - Eigenschaften und Funktion Abtragssimulation und Kollisionserkennung / -vermeidung Abtragssimulation Präzise, fotorealistische Darstellung Arbeitsfortschritt in Echtzeit Kollisionserkennung Definition von Körperpaaren Anzeige und Meldung von Kollisionen 40

41 Produkt - Eigenschaften und Funktion Diagnose- und Testfunktionen Diagnose- und Testwerkzeuge (Online): Anzeigen, Taster, Schalter, Schieberegler... Scope -Funktionalität zum Anzeigen der Prozessdaten in Echtzeit Mitschreiben ( tracking ) der Prozessdaten Bereitstellung der Prozessdaten zur weiteren Analyse im *.csv Format 41

42 Produkt - Eigenschaften und Funktion Modellierung von Antriebsachsen Schneller Einstieg durch wählbare Modellierungstiefe Ziel: So einfach, wie es für die Simulationsaufgabe erlaubt ist Bypass : Soll = Ist PT1 / 2 : Verzögerung bzw. Schwingfähigkeit Regler + Streckenmod.: > 30 Par. Anbindung von MATLAB/Simulink 42

43 Produkt - Eigenschaften und Funktion Automatische Modellgenerierung Automatisierung von Engineering-Prozessen: Individuell konfigurierbare Maschine auf Basis eines Baukastensystems mit wiederverwendbaren Baugruppen / Aggregaten automatisierte Konfiguration der Steuerung und des Simulationsmodells gemäß Kundenauftrag Beauftragung des Simulationssystems über Kommandierungsschnittstelle (XML) 43

44 Produkt - Eigenschaften und Funktion Ein-Rechner-Lösung für Steuerung (CNC, SPS ) und Simulation Windows HMI der Steuerung Virtuelle Maschine virtuos.m Modellierung & Monitoring Kommunikation Echtzeitbetriebssystem - Windows Steuerungskern CNC-Kern SPS E/A Interfac e virtuos.s virtuos.v 3D-Visualisierung virtuos.s Dynamik MF Logik Kinematik Echtzeit-Modellberechnung Kostengünstiges Steuerungssystem mit integrierter Echtzeit-Simulation Optimierung des Bearbeitungsprozesses ohne die Maschine zu blockieren bzw. zu gefährden Schattenanlage zur Kollisionsvermeidung umfangreiche Diagnosemöglichkeiten Visualisierung der Bearbeitung in schwer zugänglichen Maschinenbereichen (Sprühnebel ) TwinCAT - Echtzeitbetriebssystem 44

45 Simulation Based Engineering Kontakt 45