Schneller im Soll mit virtueller Inbetriebnahme

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1 Schneller im Soll mit virtueller Inbetriebnahme Brückenschlag von der digitalen zur realen Fabrik und Bindeglied zwischen elektronischer und mechanischer Welt Dialogveranstaltung Anlaufmanagement und virtuelle Inbetriebnahme 21. Juli 2009 Packaging Excellence Center PEC Waiblingen Dr.-Ing. Bernd Brinkmeier

2 Agenda 1. Siemens Picture of the Future 2. Process Simulate Comissioning 3. Beispiele aus der Praxis 4. Zusammenfassung und Ausblick Seite 2

3 SIEMENS PICTURE OF THE FUTURE Seite 3

4 Auf Industrie fokussierte Organisation, Aufstellung der Industry Automation Division Siemens AG Managing Board Peter Löscher, President and CEO Wolfgang Dehen, CEO Energy Sector Dr. Heinrich Hiesinger, CEO Industry Sector Jim Reid-Anderson, CEO Healthcare Sector Industry Automation Anton S. Huber, CEO Automation Systems PLM Software Sensors and Communication Low-Voltage Controls and Distribution System Engineering Ralf-Michael Franke, President Tony Affuso, Chairman and CEO Dr. Helmuth Ludwig, President Hans-Georg Kumpfmüller, President Rudolf Martin Siegers, President Karlheinz Kaul, President Seite 4

5 Picture of the Future - Digitale Fabrik Seite 5

6 Die Fabrik der Zukunft basiert auf einem nahtlosen Produkt- und Produktionslebenszyklus Neue Produktanforderungen New Product Requirements Produktentwicklung Product Design Vorher Produkt und Produktionslebenszyklus getrennt und unsynchronisiert Product Service Service 1 Product NutzungUse Optimization, Optimierung, Maintenance Wartung Customer Kunde 3 2 Engineering Produktion Production Commissioning Inbetriebnahme Production Produktions-planung Design Simulation Nachher Produkt- und Produktionslebenszyklus abgeglichen und Datendurchgängigkeit über alle Disziplinen innovations often happen at the intersection of disciplines (Lakhani & Jeppesen, Harvard Business Review, 2007) Operation Betrieb Seite 6

7 Hannover Fair 2008 Seite 7

8 Heute üblicher Entwicklungsprozess Steuerungsexperte: SPS Programmierung SPS Programm Entwicklung der Steuerungskonzepte Zwei getrennte Welten Layout, Planung einer Produktionslinie Simulationsmodell der Produktionslinie Optimierung von Layout und Steuerungsstrategien Seite 8

9 Digital Engineering in der Digitalen Fabrik Präsentation auf der Hannover Messe 2009 Mechatronik-Engineering Virtuelle Inbetriebnahme Betriebsphase Mechanik Tecnomatix Process Simulate Anlagenbetrieb PS Robotics em-server PS Commissioning Datenmodellintegration Signalabgleich Automatisierung / Elektrik SIMATIC Automation Designer SPS HMI Gesamtanlage Tecnomatix Plant Simulation OPC Interface Integration Anlagenbetrieb Logistik Design Virtuelle Inbetriebnahme Betriebsphase Seite 9

10 Intgegrierter Ansatz zur Validierung von SPS-Programmen SPS Code Erzeugung Simatic Manager Step 7 Programmierung Verbindung der zwei Welten Steuerungs- und Materiaflussingenieure nutzen das gleiche Simlulationswerkzeug SPS mit dem Simulationsmodell testen SPS Hardware Step 7 Export Soft SPS e.g. WinLc WinAc OPC Server OPC Server Simulationsmodell der Produktionslinie Plant Simulation Modell Seite 10

11 PROCESS SIMULATE COMMISSIONING Seite 11

12 Heutiger Arbeitsablauf (Beispiel Anlagenbau) Auftrag Weniger Zeit für die Planung Höhere Komplexität (z.b. Flexibilität) SOP Vorgeschriebener Durchsatz Konstruktion Mechanik Konstruktion Elektrik Konstruktion Zellen-Simulation in 3D Aufwand für Kommunikation Elektrokonstruktion Programmierung Beschaffung, Montage Zeitdruck bei Inbetriebnahme Inbetriebnahme Seite 12

13 Resultierende Risiken und Aufwände Während der Elektrokonstruktion: Aufwand für Informationsbeschaffung Probleme durch falsch interpretierte Informationen Aufwand für die Umsetzung von Standards Sehr beschränkte Test-Möglichkeiten vor der Inbetriebnahme Zeitdruck steigende Komplexität 13 Während der Inbetriebnahme: Zeitdruck Risiko durch fehlerhafte Programme Aufwand für Fehler-Behebung und Programmierung vor Ort Zeichnungen und Realität weichen ab eventuelle Umbauten vor Ort Seite 13

14 Systemarchitektur Process Simulate Commissioning Planung Beschreibungen Ablaufplan Mengengerüst Konstruktion / Simulation detail. Ablaufplan Kinematik Robotik Elektro- Konstruktion Symbollisten Bausteine Sensorik/Aktorik HMI Process Simulate Commissioning 3D-Anlagen- und Prozessplanung (Process Designer) 3D-Zellen- und Liniensimulation (Process Simulate Plant Simulation) SPS CAD Datenbank Programmiersysteme (Comos, Simatic Automation Designer) 14 Seite 14 Dateisystem / Fileserver

15 Workflow 1 Modellerstellung (CAD-Import, Mengengerüst, Layout) Seite 15

16 Workflow 1 2 Modellerstellung (Mengengerüst, Layout) Kinematisierung (Definition von Achsen, Limits, Poses) Seite 16

17 Workflow Modellerstellung (Mengengerüst, Layout) Kinematisierung (Definition von Achsen, Limits, Poses) Ablaufdefinition (Reihenfolgen, Zeitverhalten, Abhängigkeiten) Seite 17

18 Workflow Modellerstellung (Mengengerüst, Layout) Kinematisierung (Definition von Achsen, Limits, Poses) Ablaufdefinition (Reihenfolgen, Zeitverhalten, Abhängigkeiten) Signalgenerierung (Sensoren, Aktoren) Seite 18

19 Workflow Modellerstellung (Mengengerüst, Layout) Kinematisierung (Definition von Achsen, Limits, Poses) Ablaufdefinition (Reihenfolgen, Zeitverhalten, Abhängigkeiten) Signalgenerierung (Sensoren, Aktoren) Seite 19

20 Workflow Modellerstellung (Mengengerüst, Layout) Kinematisierung (Definition von Achsen, Limits, Poses) Ablaufdefinition (Reihenfolgen, Zeitverhalten, Abhängigkeiten) Signalgenerierung (Sensoren, Aktoren) Detailierung (DeviceGroups, LogicBlocks) 20 6 Seite 20

21 Workflow Modellerstellung (Mengengerüst, Layout) Kinematisierung (Definition von Achsen, Limits, Poses) Ablaufdefinition (Reihenfolgen, Zeitverhalten, Abhängigkeiten) Signalgenerierung (Sensoren, Aktoren) Detailierung (DeviceGroups, LogikBlocks) 21 6 Seite 21 Signal-Mapping (Abgleich der Symbole und Adressen zwischen Simulation und SPS)

22 Workflow 1/3 7 Virtuelle Inbetriebnahme (Handbetrieb, Automatikbetrieb, Test-/Fehlerszenarien) 8 22 Seite 22

23 Workflow 2/3 Anwendungsbeispiel virtuelle Inbetriebnahme 7 8 Field PG Panel PC als HMI mit WinCC RCS Kuka, ABB, Process Simulate Commissioning angebunden via OPC Simatic Net OPC Profibus Netzwerk SPS S7 416 F 2 DP 23 Seite 23

24 Workflow 3/3 Anwendungsbeispiel virtuelle Inbetriebnahme 7 8 SPS Monitor 1 Simulation Monitor 2 Programmierumgebung der SPS Touchpanel mit HMI 24 Seite 24

25 Virtuelle Inbetriebnahme Beispiel TIA-Zelle mit Operatorpanel (HMI) Hand- oder Automatikbetrieb starten Startbedingung herstellen. Zustandsmerker zurücksetzen, ggf. Störungen quittieren Simulation starten. Signalkommunikation zwischen SPS, Simulation und HMI wird hergestellt. HMI (Human Machine Interface) Seite 25 SPS Process Simulate

26 Workflow 7 Virtuelle Inbetriebnahme (Handbetrieb, Automatikbetrieb, Test-/Fehlerszenarien) 8 Dokumentation (Screenshots, Markups, Notes, Listen, Queries) 26 Seite 26

27 Besondere Eigenschaften der Simulation mit Process Simulate Commissioning Fertigungsplanung, Fertigungssimulation, OLP und virtuelle Inbetriebnahme finden an einem gemeinsamen Modell mit lediglich steigender Detaillierung statt Signalabgleich mit Automatisierungs-Engineering in SIMATIC Automation Designer Änderungen aus der Planung wirken sich direkt auf die Simulation aus und können mit vordefinierten Testszenarien konfrontiert werden Bauteile können während der Simulation mit bestimmten Eigenschaften erzeugt und durch entsprechende Sensorik erfasst werden (Variantenmix, Attribute z.b. Barcode, Gewicht, ) Roboter werden bzgl. Bewegungsverhalten (RCS) und Signal-Handshake mit der SPS (ESRC) korrekt abgebildet Sensorwerte aus dem Prozess (Bero s, Weg-/Winkelmessung, ) Abhängig von der Aufgabe, kann Prozesslogik gemeinsam mit- oder getrennt von kinematischen Komponenten modelliert und als Bibliothekselement wiederverwendet werden 27 Seite 27

28 Nutzenpotentiale Allgemein Verbesserte Team-Kommunikation zwischen Mechanik und Elektrik 3D-Modell zum besseren Verständnis für den SPS-Programmierer Testen alternativer Konzepte, Optimierung im Vorfeld Keine echten Prototypen des Produktes notwendig Fehler-Erkennung vor der Fertigungs-Freigabe Inbetriebnahme Zeit- und Kostenreduzierung durch höhere Programm-Qualität bessere Vorbereitung auf die Baustelle Risikoreduzierung bei der Inbetriebnahme Schnellerer Hochlauf Fertigung Training des Produktions-Personals vorab mit Hilfe der virtuellen Linie Planung von Änderungen und Wartungsarbeiten geringere Stillstandszeit 28 Seite 28

29 BEISPIELE AUS DER PRAXIS Seite 29

30 Beispiel 1 Virtuelle Inbetriebnahme einer Anlage im Automobilbau Seite 30

31 Beispiel 2 Optimierung einer Farbsortiersteuerung How Plant Simulation Shortened the Commissioning Time of a System Control at the Ingolstadt Plant of AUDI AG, Ingolstadt Stefan Heinrich, AUDI AG Plant Simulation User Meeting, Stuttgart

32 Optimization of the Color Sorting Store Control Emulation As-is control Real factory Simulation model 1. Driving job 2. Forward order 4. Forward status Status telegrams Interfaces software (communication module) 3. Status feedback Offline optimization of the control software with defined scenarios (image of historic real conditions) Seite 32

33 Benefits Benefits of simulation-based creation and optimization of controls Offline development and modification of the controls Time-lapse functionality and reproducibility, visualization Early programming of controls considerably earlier than SOP Safeguarding of strategies, algorithms and the functions of new/optimized controls Reduction of the development time of controls by the time-lapse functionality of the simulation Risk-free iterative approach to an optimal solution via experiments (testing of extreme situations) Considerably shortened commissioning without surprises Considerably reduced costs for commissioning Seite 33

34 Beispiel 3 Virtuelle Inbetriebnahme einer Abfüllanlage Bottle Filling line (planned with Plant Simulation) Siemens delivers PLC controls Goal 1.Verify the final PLC logic against the simulation model -> shorter ramp up times 2.Test PLC reactions e.g. on failure behavior -> more sophisticated logic 3.Long term: Transfer the simulation logic of the Plant Simulation Model As easy as possible to create parts of the PLC logic Seite 34

35 Beispiel 4 Virtuelle Inbetriebnahme einer Feuerverzinkungsanlage Erfahrungen Technologie ist auch für kleinere und mittlere Unternehmen verfügbar teilnehmende Unternehmen verfügen jeweils unter 50 Mitarbeiter. Werkzeuge am Markt verfügbar Anpassung hält sich in Grenzen, sofern Systemarchitektur passt Reduzierung der Inbetriebnahmezeit signifikant Bisher drei Projekte nach dem vorgestellten Konzept realisiert Verringerung der Inbetriebnahmezeiten von 4-5 auf 1-2 Wochen Sonderbetriebszustände konnten bereits im Büro intensiv getestet werden. Verbleibende Zeit für intensive Einschulung genutzt Probleme und Rückfragen nach der Anlagenübernahme haben sich reduziert. Kundenvertrauen bereits in der Angebotsphase gewonnen Mit den bereits in der Angebotsphase erstellten Simulationsmodelle konnten auch anspruchsvollen Kunden vom neuen Logistikkonzept überzeugt werden. Seite 35 PROFACTOR GmbH, 2008 Autoren: M. Vorderwinkler, R. Steringer, B. Kabelka Quelle: Profactor 2008 PUM 08: Soft-Commissioning - Simulatives Testen von Steuerungssoftware, Seite 29 Version

36 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Seite 36

37 Intelligente Produktion durch Integration von Engineeringbereichen und Schließen des Regelkreises Seite 37

38 Thank You Siemens Answers the World s Toughest Questions Seite 38

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