Die virtuelle Maschineninbetriebnahme als Innovationskeim. Dipl.-Ing. Christian Kircher Swiss VPE Symposium, Rapperswil

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1 Die virtuelle Maschineninbetriebnahme als Innovationskeim Dipl.-Ing. Christian Kircher Swiss VPE Symposium, Rapperswil Starrag Heckert SIP TTL WMW

2 StarragHeckert Märkte Aerospace Power Generation Precision Machinery Transport Engine Casings Fan Blades Impellers Blisks Structural Parts Turbine Blades Impellers Gear Boxes Spindel Housings Precision Gears Machinery High Precision parts Motor Components Gear Boxes Transmission Parts Chassis Clutch Bodies Long term competence and solutions in hard to machine materials such as: Titanium, Inconel, High Alloy Steels, Precision Forged Parts and many more! 2

3 StarragHeckert - Standorte in Deutschland und der Schweiz Standorte in Deutschland und der Schweiz StarragHeckert GmbH (Chemnitz, D) SIP - Société d' Instruments de Précision SA (Genf, CH) StarragHeckert AG (Rorschacherberg, CH) Weitere Standorte TTL - Toolroom Technology Ltd. (Haddenham, UK) StarragHeckert Machine Tools Pvt. Ltd. (Bangalore, IND) 3

4 Produktspektrum StarragHeckert AG LX Serie 5-Achsbearbeitung Technologie für Schaufelbearbeitung Flugzeug-, Gas- und Dampfturbinen STC 800 / 1000 / 1250 / 1600 horizontale 5-Achs- Bearbeitungszentren Schwenkkopf Hochleistungsfräsen von Titanund Inconel-Teilen Luftfahrt und Energieerzeugung 4

5 Übersicht Virtuelle Inbetriebnahme Einführung und Übersicht Aufbau der Simulationsumgebung bei StarragHeckert Modellierung Vorgehen und Aufwand Anwendungsfälle Zwei Beispiele für simulationsunterstützte Entwicklungen Zusammenfassung 5

6 Virtuelle Inbetriebnahme als Teil des Engineeringprozesses Entwicklungsauftrag Entwicklung Einkauf u. Fertigung Montage u. IB Technologie Neue Maschine Konstruktion Konzept und Layout Auslegung CAD-Konstruktion Stücklisten Steuerungs- und Antriebstechnik HW und Schaltschrank Fluidtechnik PLC-Programmierung Antriebsoptimierung NC-Konfigurierung Iterativer Prozess unterstützt durch Sicherheitskonzept Simulation Funktionsbeschreibungen Dokumentation Herausforderung der Entwicklung Iterativer, mechatronischer Abstimmungsprozess Verkürzte Entwicklungszyklen Ziel Maschinenunabhängige PLC- Entwicklung (vorab) durch Einsatz von Simulationstechnik (virtuelle Inbetriebnahme) Nutzen der virt. Inbetriebnahme Fachdisziplinübergreifende Diskussionsplattform Visualisierung von Abläufen Reduzierung der PLC- Inbetriebnahmezeiten 6

7 Hardware- und Software-in-the-Loop- Simulation Simulationsmethoden für die virtuelle Inbetriebnahme Software-in-the-Loop Simulation (SiLS) Hardware-in-the-Loop Simulation (HiLS) Steuerung und Anlage werden auf einem Simulationssystem simuliert Steuerung ist eine virtuelle Steuerung (Emulator) Virtuelle Steuerung ermöglicht das Ausführen der originalen Steuerungsprogramme Reale Steuerung wird verwendet, Anlage wird simuliert Steuerung über realen Feld- oder Antriebsbus mit einem Simulationssystem verbunden Originale Steuerungsprogramme und Einstellungen können verwendet werden Programm Simulationssystem Interne Kopplung Reales Bussystem Simulationssystem Virtuelle Steuerung (Emulator) Modell der Anlage Reale Steuerung Modell der Anlage 7

9 Virtuelle Maschine bei Simulieren Virtuelle Maschine bei StarragHeckert unterstützt durch Intelliact Reale Maschine Steuerung PLC, NC Validieren/Verifizieren Virtuelle Maschine Steuerung PLC, NC Modellbildung Kraftfluss Informationsfluss Reales System Modell Aktor Aktor Simulationssystem Antrieb Antrieb Mechanik Prozess Mechanik Prozess Abbildung im Modell der virt. Maschine Nicht modelliert, Verwendung einer realen Steuerung Soll = Ist Zeitliches und logisches Verhalten Kinematik Nicht modelliert 9

10 Aufbau der Simulationsumgebung bei StarragHeckert Steuerungssystemkomponenten PCU + OP PC MCP HMI SAM Ethernet MPI Bus NCU PLC NCK Virtuelle Inbetriebnahme durch Hardware-in-the-Loop-Simulation Inbetriebnahme der realen Steuerung mit einer virtuellen Maschine auf einem Simulations-PC Simulations-PC ist über reales Busssystem an die Steuerung gekoppelt Profibus Simulations-PC I/O (Aktoren/ Sensoren) Antriebssystem Kinematik und Peripherieaggregate Maschine (noch nicht fertig/ Maschine nicht verfügbar) Virtuelle Maschine (Modell der realen Maschine) Wirkflüsse Interne Kommunikation Kommunikation HMI Human Machine Interface SAM Service Assistant Module SW Modell 10

11 Aufbau der Simulationsumgebung bei StarragHeckert Steuerungssystemkomponenten PCU + OP PC MCP HMI SAM Ethernet MPI Bus NCU PLC NCK Reale Inbetriebnahme Steuerungssystem ist vorab in Betrieb genommen (virtuelle Inbetriebnahme) Reales Bussystem wird an reale Maschine angeschlossen ( umgesteckt ) Optimierung an realer Maschine Profibus Simulations-PC I/O (Aktoren/ Sensoren) Kinematik und Peripherieaggregate Reale Maschine Antriebssystem Virtuelle Maschine (Modell der realen Maschine) Wirkflüsse Interne Kommunikation Kommunikation HMI Human Machine Interface SAM Service Assistant Module SW Modell 11

13 Vorgehen zur Modellierung einer virtuellen Maschine Modellreduzierung Vereinfachung des CAD- Modells durch Löschen der Details Importieren von VRML-Daten Simulations-PC Simulator (WinMod) Visualisierung (Mediator) 3D-Modell (VRML) 13

14 Vorgehen zur Modellierung einer virtuellen Maschine Kinematikmodell Modellreduzierung Kinematikmodellierung Jedes Objekt hat ein Koordinatensystem Für jedes bewegliche Objekt werden die Bewegungsrichtungen definiert Simulations-PC Simulator (WinMod) Visualisierung (Mediator) 3D-Modell (VRML) 14

15 Ausgänge Eingänge Vorgehen zur Modellierung einer virtuellen Maschine Verhaltensmodellierung Modellreduzierung Kinematikmodellierung Kinematikmodell Verhalten Nachbilden mit Funktionsbausteinen (Bibliotheken) Verhaltensmodell Simulations-PC Simulator (WinMod) Verhaltensmodell Visualisierung (Mediator) 3D-Modell (VRML) 15

16 Vorgehen zur Modellierung einer virtuellen Maschine Modellreduzierung Kinematikmodellierung Verhaltensmodellierung E/A- Verknüpfung Verknüpfung der Verhaltensmodellvariablen mit Profibusvariablen Simulations-PC Simulator (WinMod) Verhaltensmodell Kinematikmodell Visualisierung (Mediator) 3D-Modell (VRML) 16

17 Vorgehen zur Modellierung einer virtuellen Maschine Modellreduzierung Kinematikmodellierung Verhaltensmodellierung E/A- Verknüpfung Ankopplung Visu Speichermapping zwischen 3D-Modellvariablen und Verhaltensmodellvariablen Simulations-PC Simulator (WinMod) Verhaltensmodell Kinematikmodell Visualisierung (Mediator) 3D-Modell (VRML) 17

18 Vorgehen zur Modellierung einer virtuellen Maschine Modellreduzierung Kinematikmodellierung Verhaltensmodellierung E/A- Verknüpfung Ankopplung Visu Virtuelle IB Steuerungssystem MPI Reales PLC- Programm Simulations-PC Profibus Simulator (WinMod) Visualisierung (Mediator) Verhaltensmodell Kinematikmodell 3D-Modell (VRML) 18

20 Beispiele für simulationsunterstützte Entwicklungen Verteilte Entwicklung am Beispiel SAM (Service Assistant Module) Online Diagnose Service- und Wartungsunterstützung Statistische Maschinendaten (Verfügbarkeit) BTP 5000 (Big Titanium Profiler) Simultane 5-Achsbearbeitung Werkstücklänge bis zu mm Palettenwechlser mit 2 Paletten x mm, Zuladung je 6 t Doppelschwenkkopf Magazin mit bis zu 420 Werkzeugen 20

21 Verteilte Entwicklung am Beispiel SAM StarragHeckert Chemnitz (SHC) 1 1. Entwicklung und Test der PLC bei SHC (virt. Inbetriebnahme) 2. Entwicklung von SAM bei SHR 3. Austausch der virtuellen Maschine 4. Test von SAM bei SHR mit virtueller Maschine (PLC- Programm von SHC) StarragHeckert R berg (SHR) Wirkflüsse Interne Kommunikation Kommunikation HMI Human Machine Interface SAM Service Assistant Module SW Modell 21

22 BTP Herausforderungen bei der PLC-Entwicklung KGT-Abstützung 22

23 Kurze Inbetriebnahmezeiten Zeitfenster an der Maschine Praxisbeispiel BTP 5000 Inbetriebnahme PLC-Programm für Palettenwechsler: Bei mehr als 30 Wochen bleibt nur ein Zeitfenster von 2 x 1 Woche für die (Einrichtfunktionen im Handbetrieb, Funktionstest, Automatikbetrieb, Test Störsituationen, ) BTP

24 BTP Herausforderungen bei der PLC-Entwicklungen Exemplarische Funktionen 24

26 Zusammenfassung - Anwendung der virtuellen Inbetriebnahme bei StarragHeckert Tätigkeit Anwendungsfall Nutzen für StarragHeckert Neuentwicklung Optimierung u. Fehlersuche Standortübergreifende Zusammenarbeit Virtuelle Inbetriebnahme im Labor Visualisierung von PLC-Funktionen und PLC-Abläufen Diskussionsplattform für mechatronische Themen Test von Störsituation Nachstellen und Nachvollziehen von Fehler- und Störsituationen Virtuelle Inbetriebnahme im Labor Entwicklung und Test von Maschinendiagnose-Applikationen für die PLC über Standortgrenzen hinweg Verkürzung der realen Inbetriebnahmezeiten Qualitätsverbesserung Steigerung der Zufriedenheit der PLC-Progammierer Sehen was man programmiert Stressreduktion (Zeitdruck, ) Risikominimierung (Machbarkeit, Kollisionen) Gefahrloser Test von Störungen Maschinenunabhängige Entwicklung (zeitliche u. örtliche Entkopplung) Reduzierung der Reisekosten 26

27 Diskussion Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Ing. Christian Kircher StarragHeckert AG Seebleichestrasse Rorschacherberg 27