Simulationsbasiertes Engineering mit realer Inbetriebnahme an virtuellen Komponenten

Transkript

1 Simulationsbasiertes Engineering mit realer Inbetriebnahme an virtuellen Komponenten Das Double für Ihre Stars Simulationsbasiertes Engineering und virtuelle Inbetriebnahme in Steuerungsechtzeit (1ms)

2 Expertise Technologie und Know-how ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH CEO Dr.-Ing. Dieter Scheifele Geschäftsfeld ISG-kernel (seit 1987) Steuerungssoftware CNC, RC, Motion Control Kunden Steuerungshersteller sowie Maschinen- und Anlagenbauer ~ Maschinen unterschiedlicher Technologie per anno Geschäftsfeld ISG-virtuos (seit 2005) Simulationssoftware Kunden virtuelle Inbetriebnahme (VIBN) als Hardware-in-the-Loop in Echtzeit (1ms) digitale Zwillinge Maschinen- und Anlagenbauer Integratoren / Anlagenbetreiber 2

3 ISG-kernel CNC, RC und Motion für komplexe Kinematiken Copyright WAFIOS AG

4 Digitaler Zwilling Konfiguration aus virtuellen Komponenten Voraussetzungen Aufbau der virtuellen Maschine/ Anlage aus virtuellen Komponenten digitaler Zwilling Verhalten der virtuellen Komponenten hinsichtlich Schnittstellen, Parameter und Betriebsarten wie reale Komponenten Reale Steuerungen Beckhoff Bosch B&R Fanuc Heidenhain Rockwell Siemens Reale Feldbusse CANopen EtherCAT Ethernet IP Focas Powerlink Profibus Profinet + OPC UA Virtuelle Inbetriebnahme mit reproduzierbaren Antwortzeiten in Steuerungsechtzeit (1ms) inklusive SAFETY Einfaches Engineering durch Verwendung von originalen Engineering-Daten 4

5 best practice Kunden und Partner 5

6 best practice Kunden und Partner 6

7 best practice 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 7

8 best practice Digitaler Zwilling / Fabriksimulation, HOMAG mit freundlicher Freigabe der HOMAG Group 8

9 best practice Packaging, KOCH Pac-Systeme mit freundlicher Freigabe der KOCH Pack-Systeme GmbH 9

10 best practice E-Pass, EISENMANN SA E-Pass, EISENMANN SA 10 mit freundlicher Freigabe der EISENMANN SA

11 best practice Spritzgieß-Maschinen, KraussMaffei KraussMaffei Maschinen- und Anlagenbau im Bereich der Spritzgieß-Maschinen Anforderungen eingehender Test der unterschiedlichen Kundenkonfigurationen elektrisch und hydraulisch angetriebene Maschinen - Schließkräfte bis zu kn Ergebnisse Prozess-Regelung durch die Steuerung anhand virtueller Modelle in Steuerungsechtzeit (<1ms) automatisierte Konfiguration der Steuerung und des Simulationsmodells gemäß Kundenauftrag jede ausgelieferte Maschine wird simuliert in Logik, Kinematik und Dynamik (Hydraulik) 11

12 Simulationssystem 13

13 Simulationssystem 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 Schnittstellen zur Integration von Offline-Programmiersystemen simulation based engineering durch Verwendung von originalen Engineering-Daten 14

14 Simulationssystem Steuerungsechtzeit Anforderung der Kunden von ISG-virtuos an die Steuerungsechtzeit (1ms) Tendenz: SPS-Zykluszeiten werden immer kürzen (2...4ms) Der Grund hierfür ist nicht die höhere Rechenleistung sondern Automatisierungsaufgaben, die dadurch möglich sind: Prozessführung inklusive In-Prozess-Messung (Messung von zeitkrit. Prozessgrößen, Bewegungssynchronisierung wie z.b. fliegende Säge...) Test von Regelverfahren durch Simulation von Regel- von Störgrößen (Schließkräfte bei Greif- und Fügevorgänge, Prozesstechnik, umfangreiche Störszenarien ) Synchronisierung von Antrieben bei Motion- und CNC-Steuerungen (hohe Anforderungen an die Taktsynchronität ) Simulation von Antriebsbausteinen (zeitkritische State-Maschinen als Feldbusteilnehmer) Funktionale Sicherheit (Reaktionszeit auf Abschaltvorgänge in Safety-Bausteinen ) Erhöhte Anforderungen an die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse (taktzeitgenauer Vergleich von Prozesswerten durch deterministische Echtzeit ) 15

15 Simulationssystem 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) 16

16 Simulationssystem Services mit virtuellen Echtzeit-Komponenten Cloud-Dienste WEB- Services Intelligente Services virtuelle Anlage IT-Netzwerk Anbindung Projektierung CAM-Systeme OPC UA TPC/IP virtuelle Anlage virtuelle Technologieobjekte Feldbus (Multislave) HILS (Feldbus) reale Steuerung Feldbusteilnehmer virtuelle Komponenten 17

17 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 W Öl, aus, 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 18

18 Simulationssystem durchgängige 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 OPC UA TCP/IP Shared Memory 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 19

19 Simulationssystem 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 (OPC UA, 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++ 20

20 Simulationssystem Alleinstellungsmerkmale (USP) USP Kriterium Lösung mit ISG-virtuos Plattform Die Laufzeitumgebung von ISG-virtuos läuft auf industriellen Steuerungsplattformen Simulation in harter deterministischer Steuerungsechtzeit < 1ms Motion-Bibliothek für Steuerungsfunktionen Feldbusanbindung ISG-virtuos ist echter Feldbusteilnehmer (Profibus, Profinet, EtherCAT, CAN ) Steuerung verwendet originale Adressierung und Timing (kein nichtechtzeit-fähiges Gateway zu Windows notwendig) verschiedene Feldbusse können kombiniert werden Safety Funktionale Sicherheit (Safety) der Steuerungen kann getestet werden Safety-Simulation für I/O und Antriebe Safety-Simulationsbausteine für Profibus, Profinet, EtherCAT Materialfluss Bibliotheken mit Materialfluss inklusive Bearbeitungssimulation Abtragsimulation und Kollisionserkennung Bearbeitung der Werkstücke im Prozess (Trennen/Sägen, Fügen, Wickeln, Wälzen ) Engineering ISG-virtuos ist eine offene Engineering-Plattform für Echtzeitanwendungen Software Development Kit für Echtzeitanwendungen (SDK C++) Integrations- und Automatisierungsschnittstellen (OPC, ROS, XML, CAD- und E/A-Import..) 21

21 Simulationssystem Lösung für etablierte Steuerungssysteme Auszug CNC 22

22 Simulationssystem heterogene Automatisierungsszenarien EtherCAT Profibus Profinet Simulation von Anlagen / Maschinen mit komplexen Automatisierungsstrukturen Einsatz realer Steuerungen unterschiedlicher Hersteller gleichzeitig Anbindung über unterschiedliche Feldbusse gleichzeitig Übernahme der Master-E/A-Konfiguration aus EtherCAT, Profibus, Profinet Integrierte Safety-Bausteine 23

23 Simulationssystem komplexe, verteilte Produktionssysteme 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 Factory Acceptance Tests bereits in der Inbetriebnahmephase 24

24 Engineeringprozess 25

25 Engineering Simulationsbasiertes Engineering Zielsetzung / Features Kunden Anforderungen Kunde Anforderungen Systems Engineering Prozesse Funktionen Team Technik Störszenarien Ideen Bruch im Software- Layout Engineering Baugruppen Softwareengineering inkl. Inbetriebnahme agiles Engineering Mechanik Sequentieller Engineeringprozess (vorwiegender Status quo) Beschaffung Montage Service Auslieferung reale Anlage virtuelle Produktionsstart / Maschine Anlage / Maschine FAT 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 Elektrik Elektrokonstruktion Beschaffung Montage Software/Inbetriebnahme es fehlt nur reale noch die SW Anlage / Maschine Auslieferung Produktionsstart FAT virtuelle Inbetriebnahme kann ohne Einschränkungen auf die reale Anlage / Maschine übertragen werden 26

26 Engineering virtuellen Inbetriebnahme Entwicklungspotenzial

27 virtuelle Komponenten reale Komponenten Engineering agile Prozesse mit virtuellen Komponenten 3D-CAD-System (mech. Konstruktion) Mechatronische Komponenten (mech. / Elektrokonstruktion) Steuerungstechnik (Software, Inbetriebnahme) 3D-Visualisierung (Bewegungen, Abläufe) Verhalten (Logik, Kinematik, Materialfluss ) 28 Produktionsabläufe, Störsituation (Signale, Feldbusteilnehmer, Antriebe )

28 Engineering Gliederung der Maschine in funktionale Einheiten Feldbusteilnehmer für: EtherCAT 1) SW Profibus 1) HW Profinet 1) SW CANopen HW Feldbus Reale Maschine / Funktionseinheiten Ethernet-IP 1) Inklusive Safety-Funktionalität SW reale / virtuelle Feldbus-Teilnehmer reales / virtuelles Verhalten gleiches Maschinenverhalten Virtuelle Maschine / Funktionseinheiten 29

29 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 30

30 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 31 Konfiguration n

31 Engineering Erstellung virtueller Komponenten 1. Modellierung des Komponentenverhaltens 2. Definition der Parameter 3. Virtuelle Komponenten inklusive Symbolik 4. Integration in der Bibliothek Komponenten-LIB 32

32 Engineering virtuelle Komponenten (Bsp. Hydraulik/Pneumatik) Komponenten-LIB 33

33 Engineering virtuelle Komponenten (Bsp. Antrieb mit Lageregler) Komponenten-LIB Lage-Sollwert PI-Regler Regelstrecke 2.Ordnung Lage-Istwert 34

34 Materialfluss physikbasiert in Steuerungsechtzeit Features Realzeitdeterministisches Verhalten (kein Windowsscripting ) umfangreiche Bibliotheken für effizientes Engineering Automotive / Montageanlagen Fördertechnik Bearbeitungssimulation und Kollisionserkennung inklusive Materialfluss in Bearbeitungsprozessen Pick-and-Place Anwendungen Logistik 35

35 Materialfluss Baustein-Bibliothek Nahtlose Integration in ISG-virtuosM und ISG-virtuosV Bibliothek mit Standardbausteinen vorhanden Einfache Modellierung durch einheitliche Architektur, Vorgehensweise und Schnittstelle Nachträgliche Erweiterung bestehender Modelle Einfache Anbindung an Steuerungssignale Vollautomatische Visualisierung der modellierten Szene Materialflusselemente Spurgeführte Fördertechnik SKID (bandgeführte) Fördertechnik Handhabung Sensoren Lagertechnik 36

36 Materialfluss bausteinorientierte Modellierung Verhalten der Materialfluss-Elemente Schreibgeräte bestimmen das Verhalten der Materialflusselemente und des Materials Device Schreibgeräte Element Materialfluss Device Lesegeräte Lesegeräte ermitteln die Eigenschaften der Elemente Schreib- und Lesegeräte werden über einheitliche Schnittstelle an die Materialflusselementen verbunden Das Verhalten kann nachträglich durch Hinzufügen weiterer Devices geändert werden Benefit Verständlichkeit durch standardisierte Bausteine mit Ein- und Ausgängen Übersichtlichkeit, da nur relevante Eigenschaften modelliert werden Nachträgliche Erweiterungen bestehender Modelle 37

37 Materialfluss Elements aus Baustein-Bibliotheken Transportation Handling Sensing Material Pools & Storing 38

38 Materialfluss Devices aus Baustein-Bibliotheken Transportation (Motors) Actuators Measurement Writing Attributes 39

39 Materialfluss Simulationsmodelle aus Bausteinen Mehrwert Einfaches Verstehen des Modellverhaltens auf Basis des Blockschaltbilds (keine Programmierung/Scripting) Automatische Modellgenerierung durch einfachen Konfigurationsvorgang 3D-Visualisierung auf einen Klick verfügbar Hoch- regal- lager Lichtschranke Überlagerung von CAD- und Materialflusselement-Geometrien möglich gerät Eckumsetzer Regal- bedien- Linearförderer Um-werfer 40

40 Materialfluss Systemtest (Handhabung / Bearbeitung) KUKA CNC - HMI ISG-virtuos 3D-Visualisierung und Abtragsimulation ISG-virtuos - Testszenario ISG-virtuos Anlagenmodell 41

41 Engineering Abtragsimulation und Kollisionserkennung Abtragssimulation Präzise, fotorealistische Darstellung Arbeitsfortschritt in Echtzeit Kollisionserkennung Definition von Körperpaaren Anzeige und Meldung von Kollisionen 42

42 Engineering Konfiguration aus dem Baukastensystem Anlage/Maschine Funktionsbereiche konfigurierbare Baugruppen (Video) mit freundlicher Freigabe der Weeke Bohrsysteme GmbH 43 funktionale Einheiten

43 ISG-virtuos S7 Manager Engineering Anbindung der Steuerungen über reale Feldbusse Automatisierung am Beispiel Siemens/PROFINET (vergleichbar für PROFIBUS und EtherCAT) 1. Erstellen des SIMATIC S7-Projektes (Master) Hinzufügen von Stationen (z.b. SIMATIC 300-Station) Hinzufügen der passenden CPU (z.b. CPU 319F-3 PN/DP) IP-Adresse der Ethernet Schnittstelle wählen und Subnetz einrichten Hinzufügen/ Einrichten der PROFINET-Geräte (z.b. ET 200S, PN/PN-Koppler) Master 2. Exportieren der Master-Konfiguration (*.cfg) und der zugehörigen Gerätestammdaten (GSDML) 3. Generierung des ISG-virtuos Projektes (Multi-Slave) Import der Master-Konfiguration (*.cfg) mittels I/O-Wizard Einlesen der Gerätestammdaten (*.gsdml) Generieren eines Projektes mit dem I/O-Geräte-Abbild Selektion der zu simulierenden Ein- und Ausgänge (Mischbetrieb möglich) Generierung der Solver-Task mit Verknüpfung auf die Geräte I/Os Export *.cfg GSDML Import I/O-Wizard Ergänzung um projektspezifische Informationen (FU, Pos.-Antriebe) 4. Simulation mit virtuellen Ports als Feldbusteilnehmer Verbindung der virtuellen I/Os in ISG-virtuos mit der Steuerung (einmalig) Starten der Simulation und Durchführung der virtuellen Inbetriebnahme 45 Multi-Slave

44 I/O-Wizard TIA Portal ISG-virtuos S7 Manager I/O-Wizard ISG-virtuos Engineering I/O-Wizard für S7 Manager und TIA Portal Siemens S7 Manager Export *.cfg Import GSD Master Profinet Profibus Multi-Slave Siemens TIA Portal TIA Konverter Openness V14 ASCII Import GSD Master Profinet Profibus Multi-Slave 46

45 Engineering Verbindung der Modelle mit den I/O-Ports 47

46 Engineering Modellierung von Antriebsachsen 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 48

47 Engineering Software Development Kit (SDK C++) Benefits Realisierung eigener Bausteine auch für Echtzeitanwendungen in C++ offene Automatisierungsplattform ablauffähig unter TwinCAT 3.1 schnelle Einarbeitung durch Entwicklerhandbuch 49

48 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 50

49 Testdienste Schnittstellen Engineering Automatisierte Tests mit digitalen Zwillingen Automatisiertes Testsystem für Systemtests Features Testszenarien Test Bibliothek Anforderungsmanagement Testprotokollierung Regressionstests FAT-Dokumentation konfigurierbares Testsystem für HILS-Systeme (Hersteller und Betreiber der Anlagen) automatische und reproduzierbare Systemtests (entsprechend SW-Regressionstests) Anwender kann umfangreiche Testszenarien inklusive Protokollierung erstellen reale Steuerungen reale Feldbusse Anbindung an übergeordnete Systeme (z.b. Requirements management) Digitaler Zwilling flexibel an Änderungen an der Anlagenkonfiguration adaptierbar (Basis: virtuelle Komponenten) Komponenten Bibliothek Inkl. Testfeatures digitaler Zwilling (ISG-virtuos / HILS) 51

50 Virtuelle Inbetriebnahme in Steuerungsechtzeit Virtuelle Inbetriebnahme führt zu: Gerne unterstützten wir Sie bei der Einführung der Simulationstechnologie in Ihrem Unternehmen. Im Rahmen eines Einführungsworkshops werden Ihre spezifischen Anforderungen anhand Ihrer konkreten Realisierung kurzfristig überprüft. 52