Maschinensteuerung mit Touchscreen-Bedienoberfläche und Echtzeit-Ethernet-Bus (Bilder: KraussMaffei) Softwareentwicklung. Die reale Steuerung mit dem realen Feldbus in der Entwicklungsphase mit einer virtuellen Maschine zu verbinden, öffnet neue Horizonte. Auf dem Bildschirm lassen sich Produktionsszenarien darstellen, um die Funktionen der Steuerung unter realistischen Bedingungen zu testen. Die dafür eingesetzte Simulationssoftware arbeitet in Echtzeit und beschleunigt am Ende die Inbetriebnahme der realen Maschine. Flugsimulator für Spritzgießmaschinen GÜNTHER GRIMM GEORG HOLZINGER STEFAN MOSER V irtuelle Realität beim Spritzgießen was wie Science-Fiction klingt, ist bei KraussMaffei bereits Wirklichkeit: Die Softwareentwickler des Münchener Maschinenherstellers bedienen sich virtueller Spritzgießmaschinen, um Steuerungsfunktionen zu entwickeln, zu erproben und in Betrieb zu nehmen. Verbunden mit einer echten MC5-Steuerung ermöglicht das Simulationsprogramm die detaillierte Untersuchung komplexer Maschinen- und Werkzeugbewegungen, verkürzt die Entwicklungszeiten und beschleunigt die Inbetriebnahme der Spritzgießmaschinen beim Kunden. All das ist möglich, weil sich das von der Software generierte physikalische Verhaltensmodell in Echtzeit bewegt und real über die MC5 gesteuert und geregelt wird. Krauss- Maffei entwickelte das Simulationsprogramm für Spritzgießmaschinen auf Basis der Software ISG-virtuous des Stuttgarter Softwareunternehmens Industrielle Steuerungstechnik GmbH (ISG). Eine diffizile Angelegenheit Die Simulation von Prozessen oder technischen Abläufen, von Crashtests oder des Strömungsverhaltens ist heute in vielen Bereichen und Branchen etabliert. Mit der sogenannten Computersimulation, bei der ein rechnerisches Modell beispielsweise eine echte Maschine ersetzt, lassen sich Verfahren oder Experimente mittlerweile sogar in Echtzeit darstellen. Mehr denn je ist die Entwicklung der Steuerung komplexer Produktionsanlagen jedoch eine diffizile Angelegenheit. So müssen etwa bei Spritzgießmaschinen zahlreiche Maschinen- und Werkzeugbewegungen sowie verschiedene Betriebszustände koordiniert und aufeinander abgestimmt werden (Bild 1). Nicht zu vergessen die Peripherieeinrichtungen, deren Abläufe zu integrieren sind. Das gilt insbesondere für Sonderfälle, etwa für Sonderverfahren wie das Spritzprägen oder das Hinterspritzen, aber auch für Bild 1. Die physikalische Simulation berücksichtigt hydraulische und mechanische Vorgänge in modernen Spritzgießmaschinen > ARTIKEL ALS PDF unter www.kunststoffe.de Dokumenten-Nummer KU110738 Kunststoffe 4/2011 39
Schließbewegung. Damit verbunden ist ein weiteres Signal, das wiederum an die Steuerung geleitet wird. Der logische Simulator repräsentiert also im Grunde eine ideale, stark vereinfachte Spritzgießmaschine. Unberücksichtigt bleiben bei diesem Vorgehen beispielsweise die Pumpenansteuerung, mechanische Einflüsse oder die Frage, ob alle betreffenden Ventile schalten. Überspitzt dargestellt, prüft der logische Simulator lediglich die korrekte Verkabelung sowie die (geplanten) Schaltungen in der Steuerung. testen und damit auch optimieren lässt sich eine komplexe Steuerungssoftware nur mit der realen Maschine (Bild 3). Folglich muss der Funktionstest zurückgestellt werden, bis die Spritzgießmaschine komplett montiert ist.vorstehendes gilt natürlich vor allem für Sonderfälle und weniger für Standardmaschinen, deren Steuerung als ausgereift gelten kann. Die Stunde der Wahrheit schlägt, wenn die Steuerungssoftware aufgespielt wird und die Erstinbetriebnahme erfolgen soll. Gerade bei komplexen Systemen ist es nicht ungewöhnlich, dass bislang nicht erkannte Fehler den weiteren Verlauf stoppen. Besonders problematisch ist das, wenn die Maschine bereits beim Kunden steht, eigentlich produzieren könnte und stattdessen Spezialisten vor Ort noch die letzten Anpassungen vornehmen müssen. Vorschau: Virtuelle Realität auf dem Schreibtisch Bild 2. Bei komplexen Abläufen verringert die Simulation den Prüf- und Inbetriebnahmeaufwand an der realen Anlage den Einsatz spezieller Werkzeuge, beispielsweise Würfelwerkzeuge. Zwar kann man davon ausgehen, dass die Steuerungssoftware für solche Sonderverfahren im Grunde ebenso ausgereift ist wie die von Standardmaschinen. Allerdings unterliegen spezielle Verarbeitungstechniken weitaus mehr als Standardverfahren einer stetigen Weiterentwicklung. Nahezu jede Verfahrensoptimierung macht eine entsprechende Anpassung der Software erforderlich. Ohnehin ist die Software für die Steuerung nicht weniger komplex als die Verarbeitungsprozesse und die dafür konzipierten Maschinen. Deshalb verwundert es nicht, dass Steuerungen in diesen Fällen nur unter absolut realen Bedingungen getestet und optimiert werden. Dieses zeitraubende und nicht zuletzt auch teure Vorgehen lässt sich mit der Simulationssoftware signifikant verkürzen (Bild 2). Das Zusammenspiel mit der Hardware kann zu diesem Zeitpunkt noch nicht geprüft werden. Zwar arbeiten Konstrukteure und Softwareentwickler Hand in Hand; doch die Softwareentwicklung sowie der Bau der Maschine finden in der Regel parallel statt. Andererseits richtig Aus Überlegungen, die beschriebenen Probleme möglichst zu eliminieren, entwickelte sich die Idee, die in und an einer Maschine ablaufenden Prozesse mit einer verbesserten Simulation präziser und schneller testen zu können. Ziel war insbesondere, die Funktionstests vorzuziehen, um die Optimierung der Steuerungssoftware frühzeitiger und genauer durchführen zu können. Die exakte Berechnung der Abläufe erfordert jedoch eine höhere Informationsdichte, einfach weil die Maschinensteuerung weitaus mehr als reine Steuerungsinformationen benötigt. Hinterlegt sind Rückblick: Logische Simulation sagt Ja oder Nein Ein gängiges Vorfahren, um eine Steuerungssoftware zu testen, ist die logische Simulation. Dabei werden lediglich die Ein- und Ausgänge der Steuerung abgefragt. Sofern ein Signal bestätigt wird, nimmt der Simulator an, dass auch die nachfolgenden Komponenten den Erwartungen entsprechen. Mit anderen Worten: Wenn der Simulator Daten wieder an den Computer zurücksendet, wird als logische Schlussfolgerung angenommen, dass nun eine (reale) Maschine eine Bewegung ausführt. Ein Beispiel: Die Steuerung spricht zum Schließen des Werkzeugs ein Ventil an. Steht fest, dass das Ventil eingeschaltet wurde, zählt ein Analogausgang hoch und simuliert eine Bild 3. Komplexe Verfahrenstechniken benötigen verifizierte und reproduzierbare Maschinenfunktionen für eine sichere Bauteilproduktion 40 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 4/2011
Bild 4. Stefan Moser (links) und Günther Grimm mit MC5 Maschinenbedienung und physikalischer Simulation (im Hintergrund) vielmehr zahlreiche Daten einzelner Komponenten und Maschinenelemente, etwa Zylinderdurchmesser, Fördermengen und Verfahrwege. Die parametrisierten Daten werden für die Umrechnung der am Bildschirm einzugebenden Kennzahlen in Signale benötigt. So rechnet die Steuerung z.b. die Eingabe einer Geschwindigkeit in einen entsprechenden Volumenstrom um. Dazu benötigt sie u.a. Angaben über den Zylinderdurchmesser, den Hub sowie die Pumpenleistung. Schlussendlich reifte der Entschluss, ein physikalisches Verhaltensmodell an eine echte Steuerung anzuschließen, um die Funktionen der Software virtuell zu prüfen im übertragenen Sinne: die Spritzgießmaschine auf dem Schreibtisch aufzubauen (Bild 4). Auf diese Weise müssten sich die im Hintergrund ablaufenden Prozesse wesentlich genauer und detaillierter berechnen lassen. Überdies sollten so auch Fehler im System und deren Folgen abzubilden sein analog zu dem in einer Steuerung ablaufenden Umrechnungsprozedere, nur viel genauer als der logische Simulator. Auf der Grundlage einer Blockschaltbild-basierten Simulationssoftware wurde eine Komponenten-Bibliothek aufgebaut, mit der sich ein physikalisches 3D-Verhaltensmodell einer Spritzgießmaschine generieren lässt. Das Gesamtmodell umfasst mehr als 8000 mathematische Blöcke. Die auf einem handelüblichen PC laufende Software rechnet das Modell zyklisch alle 500 ms neu. Mit der Steuerung MC5 ist das Simulationsprogramm über einen Echtzeitbus verbunden. Rund 800 I/O-Signale (Input/Output) tauscht das Programm mit der Steuerung aus. Einmalig sind die in der Software hinterlegten echtzeitfähigen Dynamikmodelle, die ein dynamisches Abbild einer komplexen Schließenmechanik ermöglichen (Bild 5). 8000 mathematische Blöcke in der Datenbank Anhand eines Hydraulikzylinders lässt sich der damit verbundene Aufwand erläutern: Ein aus mechanischen Teilen bestehender Zylinder wird über die Ringund die Kolbenfläche beschrieben. Weitere Kriterien sind sein Hub sowie die Haft- und Gleitreibung an den Dichtflächen, die Dämpfung und das Ölvolumen und schließlich die Masse von Kolbenstange und Kolben. Jede dieser Größen lässt sich durch mathematische Gleichungen beschreiben. Zusammengefasst ergeben diese einen sogenannten Block, der in der Datenbank hinterlegt wird. Abhängig von der Größe des realen Maschinenelements Hydraulikzylinder werden später bei der Simulation die tatsächlichen Parameter eingegeben. Signalisiert nun die (reale) Steuerung dem Simulationsprogramm, dass ein Ventil geöffnet ist, reagiert das Simulationsprogramm in Echtzeit, indem (virtuell) ein Volumenstrom Hydrauliköl fließt. Da bekannt ist, wie die Pumpe angesteuert ist, lässt sich in Verbindung mit weiteren Kennwerten (u. a. Leitungsquerschnitte) der Volumenstrom berechnen. Trifft das Öl auf den Zylinder, kann mit der Flächenbeschreibung die Kraft berechnet werden, mit der der Kolben bewegt > Kunststoffe 4/2011 41
Bild 5. Schematischer Aufbau der Einzelmodule für die physikalische Simulation von Spritzgießmaschinen. Das von der Software generierte physikalische Verhaltensmodell wird in Echtzeit bewegt und real über die MC5 gesteuert wird. Daraus ergibt sich die auf die bewegliche Werkzeugplatte wirkende Kraft. Mit diesen und weiteren Angaben lässt sich dann z. B. die Holmdehnung ermitteln. Analog ist dieser Ablauf auf die weiteren Maschinen- und Werkzeugbewegungen übertragbar (Bild 6). Virtuelle Realität bringt realistische Resultate Die Kombination von Simulationssoftware und realer Maschinensteuerung bietet vielfältige Vorteile. An erster Stelle sind die kürzere Entwicklungszeit und die schnellere Inbetriebnahme zu nennen. In Zusammenarbeit mit Konstruktion und Projektierung können komplexe Bewegungsabläufe bereits im Entwicklungsstadium überprüft und gegebenenfalls modifiziert werden. Steuerungsfunktionen lassen sich unabhängig von der realen Maschine testen und optimieren. Nicht zu unterschätzen ist zudem die Möglichkeit, Prozesse, etwa mit Prägevarianten oder Spezialwerkzeugen, quasi trocken zu erproben. Denn und das wird besonders die Spritzgießer interessieren die in der Simulation ermittelten Einstellungen können 1:1 übernommen werden. Gleiches gilt sinngemäß für die Inbetriebnahme. Durch die vorhergehende Simulation lassen sich einzelne Funktionen vorab einstellen, bevor die reale Maschine eingeschaltet wird (Bild 7). Das ist allein aus Kostengründen ein wichtiger Aspekt, denn wenn die Maschine erst einmal beim Kunden steht, sollte sie auch Formteile produzieren. Bild 6. Die grafische Darstellung der berechneten (simulierten) Druck-, Kraftund Geschwindigkeitsverläufe beim Einspritz- und Plastifiziervorgang hilft bei der qualitativen Beurteilung der einzelnen Regelungsvorgänge und Übergangsfunktionen 42 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 4/2011
Bild 7. SpinForm- Wendeplattenmaschinen für komplexe Mehrkomponenten-Anwendungen lassen sich nach vorheriger Simulation schnell und effektiv in Betrieb nehmen Auch die Prozesssicherheit geht in diese Überlegung mit ein, denn am Schreibtisch lassen sich auch Grenzsituationen erproben. Angenommen, die Anlage ist für ein großvolumiges Würfelwerkzeug konzipiert, muss sichergestellt sein, dass Maschine und Werkzeug kollisionsfrei interagieren. Mit der Echtzeitsimulation lassen sich die richtigen Einstellungen schon im Vorfeld ermitteln so auch beim Spritzprägen, bei dem die Schließbewegung exakt eingestellt sein muss. Neben dem Zeitaufwand ist bei der Inbetriebnahme auch der Materialverbrauch der Testläufe ein Kostenfaktor. Defekte, z.b. ein ausgefallenes Ventil, lassen sich virtuell ebenfalls gezielt nachstellen, um das Verhalten der Maschine im Ernstfall zu simulieren. Daraus ergeben sich für die Programmierung von Fehlermeldungen wichtige, auch für die Konstruktion relevante Hinweise. Überdies bietet das Simulationsprogramm die Möglichkeit, in einzelne Maschinenbereiche zu zoomen, um das Zusammenspiel einzelner Komponenten im Detail zu beobachten. An einer realen Maschine kann i Kontakt KraussMaffei Technologies GmbH D-80997 München TEL + 49 89 8899-0 > www.kraussmaffei.com Industrielle Steuerungstechnik GmbH D-70174 Stuttgart TEL +49 711 229923-0 > www.isg-stuttgart.de ein derartiger Versuch nicht durchgeführt werden, oder zumindest nicht ohne eine mögliche Zerstörung einzelner maschinenbaulicher Komponenten. Insbesondere bei Großmaschinen spielt die Produktionsvorbereitung eine wichtige Rolle. Das Simulationstool unterstützt beispielsweise die Optimierung der Aufheizphase. Wenn sich abzeichnet, dass der gewählte Weg nicht den gewünschten Erfolg zeigt, kann die virtuelle Maschine angehalten und das Heizprogramm einfach ausgeschaltet werden. Die Anlage kühlt quasi auf Knopfdruck ab. Somit kann ein erneuter Aufheizversuch innerhalb weniger Sekunden erfolgen, der real erst nach Stunden, nämlich nach der Abkühlzeit des Werkzeugs, stattfinden könnte. Fehlersuche und Schulung mit dem Simulator Falls eine beim Kunden stehende Maschine bei bestimmten Betriebspunkten nicht das erwartete Verhalten zeigt, können deren Daten in den Simulator eingespeist werden. Sofern möglich, könnte der Kunde mit einem anderen Werkzeug oder unter Umgehung des bestimmten Betriebspunktes weiter produzieren. In der Zwischenzeit kann bei KraussMaffei oder auch vor Ort auf einem Laptop die Ursache auf dem Simulator gesucht und beseitigt werden. Zum Service gehört auch die Unterstützung der Kunden bei Neuprojekten. Sei es, dass ein Verfahren weiterentwickelt wurde oder eine neue Technologie zu implementieren ist das physikalische Verhaltensmodell eignet sich auch hier- > Kunststoffe 4/2011
für. Denn KraussMaffei kann auf die hinterlegten Maschinendaten zurückgreifen, gegebenenfalls weitere (virtuelle) Komponenten generieren und bereits im Vorfeld bei der Anpassung sowohl der Steuerungssoftware als auch der erforderlichen Abläufe helfen. Schließlich eignet sich die Kombination aus Maschinensimulation und realer Steuerung auch für Schulung und Training. Es liegt auf der Hand, dass die Ausbildung von Bedienpersonal an einer teuren Maschine ein unbeliebtes Unterfangen ist. Die Maschine muss unter Umständen aus dem Produktionsprozess genommen werden, und gezielt provozierte Grenzsituationen lassen sich in der Praxis nur eingeschränkt erproben. Demgegenüber besteht bei einer realitätsnahen Schulung in Echtzeit am PC mit einer realen Maschinensteuerung kein Risiko. In diesem Zusammenhang kann man durchaus von einem Flugsimulator für Spritzgießmaschinen sprechen. Immerhin trainieren Piloten an und mit (im weitesten Sinne) vergleichbaren Systemen sowohl Routinen als auch beispielsweise den Anflug auf ihnen noch unbekannte Flughäfen. Auch für das Retrofit bietet sich die virtuelle Realität in Form einer Anlagensimulation in Echtzeit an. Sei es die Weiterentwicklung von Software oder die Adaption eines neuen Verfahrens auf einer älteren Maschine mit entsprechender Softwareanpassung, denkbar ist vieles, wenn auch am Ende im Einzelfall zu entscheiden ist, ob eine Nachrüstung sinnvoll ist. Ausblick Es mag utopisch klingen, doch der Einsatz einer Software zur Simulation von Spritzgießmaschinen unter Einbeziehung einer realen Steuerung ist sicher nur der Anfang einer neuen Entwicklung. Zwar gestattet das Programm noch nicht die Integration des originären Spritzgießprozesses. Doch es dürfte nur eine Frage der Zeit sein, bis auch das möglich ist. Das hier vorgestellte Programm wäre vor drei Jahren noch nicht auf einem handelsüblichen PC gelaufen. Mittlerweile wird das Simulationsprogramm seit einem Jahr erfolgreich in der Praxis eingesetzt. Eines muss zum Abschluss dennoch betont werden: Die Simulation ersetzt weder Versuche noch die Inbetriebnahme. Aber sie unterstützt diese Maßnahmen. Allein, dass die mit der Inbetriebnahme verbundenen und vielfach sehr umfangreichen Systemchecks zeitlich vorgezogen werden können, ist für die Kunden wie den Maschinenhersteller ein enormer Vorteil. Der mit der Übergabe einer produktionsbereiten Spritzgießmaschine verbundene Zeitgewinn macht sich schlussendlich für den Anwender in Form einer verbesserten Produktivität bezahlt. DIE AUTOREN GÜNTHER GRIMM, geb. 1960, ist Leiter Software & Steuerungstechnik bei der KraussMaffei Technologies GmbH, München. DIPL.-ING., MBA GEORG P. HOLZINGER, geb. 1964, ist Leiter Forschung & Entwicklung im selben Unternehmen. STEFAN MOSER, geb. 1980, ist als Techniker in der Abteilung Steuerungstechnik/Simulationsentwicklung im selben Unternehmen tätig. SUMMARY FLIGHT SIMULATOR FOR INJECTION MOLDING MACHINES SOFTWARE DEVELOPMENT. The use of a virtual machine to combine real control with a real field bus in the development phase opens up new horizons. On-screen production scenarios enable the functions of the controller to be tested under realistic conditions. The simulation software works in real time and ultimately accelerates commissioning of the real machine. Read the complete article in our magazine Kunststoffe international and on www.kunststoffe-international.com 44 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 4/2011