Virtuelle Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen

Virtuelle Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen Dr.-Ing. Dieter Scheifele Geschäftsführender Gesellschafter ISG

Gründungsjahr: 1987 Sitz: Stuttgart Spin Off Geschäftsfeld: Entwicklung von Software-Modulen für CNC, Robotic, MotionControl und Simulation Mitarbeiter: ca. 25 promovierte und diplomierte Ingenieure Kunden: Steuerungshersteller und Maschinenbauer Produkte: MC Logik RC Dynamik CNC Kinematik Materialfluss CNC-Kernel Hardware-in-the-Loop-Simulation 2 Mitglied in SERCOS International e.v. PLCopen

MKS CAD Machine Design Konstruktion FEM Fertigung & Assembly Montage Simulation im Maschinenbauunternehmen PPS- System FiBu Nachbesserungen Störungen Steuerungstechnische Inbetriebnahme Scheduled Geplante delivery Auslieferung date Zeitachse Auslieferungsdatum unterliegt betriebswirtschaftlichen Interessen Störungen werden nicht kalkuliert, Steuerungstechnische Inbetriebnahme entzieht sich der Kontrolle durch das PPS-System 3 Üblicher sequentieller Workflow und seine Steuerung

Beschaffung von Informationen Test Verkabelung Steuerungstechnische Inbetriebnahme Bereitstellung von SPS-Funktionen CNC-Funktionen Bedienungsoberfläche (HMI) Dokumentation Test Funktionalität Test Sicherheit Abnahme Optimierung Technologie Produktivität 4 Teilaufgaben der steuerungstechnischen Inbetriebnahme

Nachbesserungen Steuerungstechnische Inbetriebnahme 5 Ursachen: Montagefehler Konstruktionsfehler Komponentenausfall Kundennachforderungen Unterbrechnung Unterbrechnung Unterbrechnung Unterbrechnung Unterbrechnung Unterbrechnung Auswirkungen der Nachbesserungen Verzögerung

Machine Design Konstruktion Fertigung & Assembly Montage Simulation im Maschinenbauunternehmen PPS- System FiBu Nachbesserungen Störungen Steuerungstechnische Inbetriebnahme Verlorene Qualität / Funktionalität, die beim Kunden nachträglich hergestellt werden muss zusätzliche Kosten und Imageschaden Scheduled Erzwungene delivery Auslieferung date.. beim Kunden Zeitachse 6 Auswirkungen der Verzögerungen

7 Braucht man zur steuerungstechnischen Inbetriebnahme die fertige Maschine?

8 Mechanik- Konstruktion Systematische Funktionsbeschreibung nicht verfügbar 51% des Gesamtaufwandes EK Ersatzweise Erstellung Beschaffung von Informationen Empirische Funktionsbeschreibung Konstruktionszeichnungen Elektro- Konstruktion Software- Entwicklung Stromlaufplan Software (NC,SPS) ORGANIZATION_BLOCK... TITLE = Hauptprogramm // 06.09.2004 User: X VERSION : 1.0 VAR_TEMP OB1_SCAN_1 : BYTE;... Mangelnder Informationsfluss in vielen Maschinebauunternehmen

Wie funktioniert Was? Abläufe Wirkzusammenhäng, regulärer/irreguläre Betriebszustände Bedienfunktionen Grenzwerte dynamische Eigenschaften Notizen Funktionsbeschreibung Werkzeugwechsler Fa. Grob Regelbasierende Beschreibung Formelle Funktionsbeschreibung Modellierung z.b. regelungstechnische Verhaltensmodell 9 Funktionsbeschreibung und Verhaltensmodell

Mechanik- Konstruktion Systematische Funktionsbeschreibung Prüfen der Steuerungslösung (Steuerungen und Programme) Optimieren zur Produktivitätssteigerung Störungsmanagement Verhaltensmodell Konstruktionszeichnungen Elektro- Konstruktion Software- Entwicklung Stromlaufplan Software (NC,SPS) ORGANIZATION_BLOCK... TITLE = Hauptprogramm // 06.09.2004 User: X VERSION : 1.0 VAR_TEMP OB1_SCAN_1 : BYTE;... 10 Zusätzliche Möglichkeiten durch Verhaltensmodell

Beschaffung von Informationen Test Verkabelung Steuerungstechnische Inbetriebnahme Bereitstellung von SPS-Funktionen CNC-Funktionen Bedienungsoberfläche (HMI) Dokumentation Test Funktionalität Test Sicherheit Mit einer systematischen Konstruktionsbeschreibung im Idealfall als Verhaltensmodell ausgeführt könnte man die Erfassung von Informationen im zeitkritischen Ablauf vermeiden. Abnahme Optimierung Technologie Produktivität 11 Potential eines Verhaltensmodells

Bereitstellung von SPS-Funktionen CNC-Funktionen Erstmaliger Aufwand: Aufgabe: herstellerspezifische Maschinenkonzepte mit standardisierter Automatisierungstechnik verbinden nicht selten 1Mio EUR und ein, zwei Jahre Entwicklungszeit Erschwerend: europäische Maschinen- und Anlagenbauer dürfen, wollen oder können keine zwei identischen Maschinen verkaufen numerische Steuerungen mit ihren SPS-Systemen sind mittlerweile im Kern Produkte des Consumer-Marktes ( PC-Markt, Microsoft-Markt ) und verändern sich mit dem entsprechenden Evolutionstempo Und: die mehrheitlich eingesetzten Entwicklungswerkzeuge erlaubten keine Wiederverwendung: Copy and Paste statt Objektorientierung! 12 Bereitstellung von SPS- und CNC-Funktionen

Verhaltensmodell Steuerungsfunktionen Ausgänge Eingänge Positionen der 3-D-Module Verhaltensmodell der Maschine (teilweise gekoppelte Übertragungsstrecken) Simulationssystem zur virtuellen Inbetriebnahme 13 Steuerungstechnische Inbetriebnahme am Simulationssystem

Eigenschaften des Simulationssystems: 14 besteht aus gekoppeltem Steuerungs- und Maschinenteil Maschinenteil ( virtuelle Maschine ) ist abstrakter Simulator (kein physikalischer) Steuerungsteil: abstrakter Simulator reale Steuerung virtuelle Steuerung auf Consumer-Computer (PC) virtuelle Steuerung auf Basis der Originalsteuerungssoftware auf Consumer-Computer (PC) SiLS Software in the Loop Simulation Maschinensimulator läuft als weitere Task auf der Steuerungshardware Maschinensimulator wird wie Maschine an die Steuerung angeschlossen HiLS Hardware in the Loop Simulation Systeme zur virtuellen Inbetriebnahme

15 NCU 1, NCU 2, NCU 3 PLC 1, PLC 2,... Optionspaket 1 Optionspaket 2 Messmittelverwaltung Werkzeugverwaltung Prozesssteuerung Zyklenpaket 1, Zyklenpaket 2... Palettenverwaltung HMI 1, HMI 2,... Leitsystem 1, Leitsystem 2,... Moderne Steuerungen sind komplexer als PC für die Büroanwendungen. Ergebnisse von Simulatoren solcher Systeme sind nur eingeschränkt aussagekräftig. 15 Komplexität realer Steuerungen

16 Der Vorteil, der Koppelung der virtuellen Maschine an die originale Steuerungstechnik liegt darin, dass das tatsächliche Verhalten der Steuerungstechnik in Hard- und Software (konkrete Installation!) in der Prüfung auf Anforderungserfüllung berücksichtigt wird. Vorteil der Verwendung realer Steuerungstechnik

Übertragungsfunktion G(s) Gewichtsfunktion g(t) mit g(t) G(s) Steuerung digitales System Feldbus A/D-Umsetzung D/A-Umsetzung Steuerungstechnische Realisierung Eingangssignal analoge Signale Ausgangssignal Analoge Signale Maschine analoges System Ideale (analoge) Steuerungstechnik zur Steuerung einer Maschine Eingangssignal Ausgangssignal Maschine analoges System 17 Wirkungsweise der steuerungstechnischen Realisierung

Digitale Steuerungsfunktion 46 255 47 262 48 282 49 200 50 167 46 82 47 102 48 165 49 187 1 Abtastung und A/D-Wandlung D/A-Wandlung und Halten t t Tiefpass Tiefpass Analoge Signale Analoge Signale Maschine analoges System Die Signalabtastung erfolgt mit einem extrem kurzem Impuls zu Zeitpunkten n. Dieses Zeitsignal stellt sich im Frequenzbereich als Spektrallinien im Abstand mit der Amplitude dar: A ω 1 2 t 18 Abtastung analoger Signale

Wird das analoge Eingangssignal mit dem Abtastsignal abgetastet, so ist dies mathematisch eine Multiplikation beider Signale:. Im Frequenzbereich des so abgetasteten Zeitsignals wird sich also das ursprüngliche Spektrum an jeder Spektrallinie des Abtastsignales durch Faltung wiederholen: 1 Nyquist-Shannon-Abtasttheorem: 1. Das Abtastsignal und das an die D/A-Wandlung bereitgestellte Signal muss einem festen, äquidistanten Zeitrhythmus folgen. 2. Das Spektrum des von der Maschinen kommenden Signals muss ohne wesentliche Informationsverluste durch einen Tiefpass begrenzt werden können. 3. Das verbleibende Signal muss so schnell abgetastet werden, dass sich in die Spektren nicht überlappen! 4. Nach der analogen Bereitstellung des Signales muss wieder ein gleicher Tiefpass folgen. 19 Folgen der Abtastung für die steuerungstechnische Realisierung

Also: Die reale Steuerungstechnik ist ein Echtzeitsystem im Sinne des Nyquist- Shannon-Abtasttheorems (deterministisches, äquidistantes Abtasten und Verarbeiten), das in seinen Kenngrößen (Abtastfrequenz) vom Verhalten des zum Anschluss vorgesehenen analogen Maschinenbaus vorgegeben wird. Sowieso: Für die Qualität der Simulationsergebnisse ist entscheidend, wie exakt der abstrakte Maschinensimulator das Verhalten der realen Maschine nachbilden kann. Dann aber: Idealerweise erfüllt das Simulationssystem für virtuelle Maschinen das Nyquist- Shannon-Abtasttheorem selbst. Dazu muss es echtzeitfähig sein. 20 Ergebnis der Betrachtung der digitalen Signalverarbeitung

Automatisierungsgerät CNC, SPS Digitale Steuerungsfunktion Steuerungstechnik Feldbus Peripheriegeräte Umrichter, I/O-Klemmen Abtastung und A/D-Wandlung D/A-Wandlung und Halten Tiefpass Tiefpass Tiefpass Tiefpass D/A-Wandlung und Halten Abtastung und A/D-Wandlung Maschinensimulator/virtuelle Maschine Analoge Signale Digitale Verhaltensmodell 21 Vollständiges Simulationssystem zur virtuellen Inbetriebnahme

Automatisierungsgerät CNC, SPS Feldbus Feldbusgekoppelter Maschinensimulator 22 Digitale Steuerungsfunktion Steuerungstechnik Automatisierungsgerät CNC, SPS Digitale Steuerungsfunktion t t Speicherkoppelung über feldbusneutrale Schnittstelle Digitales Verhaltensmodell t t Consumer-Gerät PC Digitale Steuerungsfunktion Digitales Verhaltensmodell virtuelle Maschine t Digitales Verhaltensmodell t t Verschiedene reduzierte Simulationssysteme

23 Vorteile einer Maschinensimulation in Echtzeit Deterministisches Verhalten des Simulators gegenüber der Steuerung Identisches Modellverhalten bei mehreren Simulationsläufen (z.b. keine Beeinflussung durch Virenscanner oder Mail-Programm Windows-Tasks) Identische Steuerungskonfiguration wie an Originalmaschine Herstellerunabhängig, da Feldbus neutrale Schnittstelle zu vielen Steuerungen ist Hardware-in-the-Loop-Simulation und Modellerstellung

24 Unterschiedliche Steuerungs- Simulator-Visualisierungs-Szenarien Simulations-PC mit der Möglichkeit zur Anbindung mehrerer Feldbusse gleichzeitig und damit auch mehrerer realer Steuerungen Automatische Generierung einer Multi-Slave-Konfiguration zur Repräsentation der Antriebs- und IO-Busteilnehmer aus der Steuerungskonfiguration Mehrere Steuerungen mit mehreren Simulation-PC und einer gemeinsamen Visualisierung möglich Hardware-in-the-Loop-Simulation mit mehreren Steuerungen

Steuerungstechnische Inbetriebnahme Verlegung in die zeitunkritische Phase Beschaffung von Informationen Bereitstellung von SPS-Funktionen CNC-Funktionen Dokumentation Bedienungsoberfläche (HMI) Test Verkabelung Test Funktionalität Test Sicherheit Abnahme Optimierung Technologie Produktivität 25 Potential der virtuellen Inbetriebnahme

Machine Design Konstruktion virtuelle Maschine Fertigung & Assembly Montage Steuerungstechnische Inbetriebnahme Wirkung der virtuellen Inbetriebnahme PPS- System FiBu Nachbesserungen Sicherheitspuffer 26 Scheduled Geplante delivery Auslieferung date Zeitachse Workflow mit virtueller Inbetriebnahme

Disziplinübergreifendes Verständnis über einheitliche Bibliotheken Maschinenkinematik Logik Sensorik, Aktorik, Antriebe Materialfluss, Bänder, Werkzeughandling, Magazine Regelungstechnik 6-Achs-Kinematik mit Sercos-Anbindung < 20 Bausteine 27 Modellierung des blockbasierenden Verhaltensmodelles

28 E/A-Link TwinCAT als Echtzeitplattform und zur Anbindung an Fremdsteuerung Modelleinbindung in Steuerungsumgebung TwinCAT

Antriebsachse mit unterschiedlicher Detaillierung Bypass : Soll = Ist PT1 / 2 : Verzögerung bzw. Schwingfähigkeit Regler + Streckenmodell: > 30 Parameter Quasi kein Modellie- rungs- Aufwand Erhöhter Modellierungs- und- Parametrie- rungs- Aufwand Sollposition Ziel: So einfach wie es für die Simulationsaufgabe erlaubt ist Istposition 29 Skalierbare Modellierung

30 Reale Komponente Ziel beim Kunden: Firmeneigene Bibliothek Validierte Teilmodelle Schnelle Modellierung Automatisierte Modellgenerierung Virtuelle Komponente Klasse Objektorientierung zur Wiederverwendung

31 Weitere Online Diagnose- und Bedienwerkzeuge Anzeigen, Taster, Schalter, Schieberegler... Scope zum Anzeigen aktueller Werte EA-Ebene oder modellintern Speichern getracter Daten als *.csv -Dateien Modellinteraktion für Simulationsexperimente

32 Simulationsarbeitsplatz bei der Fa. Grob, Mindelheim

Virtuelle Inbetriebnahme ISG 33

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Virtuelle Inbetriebnahme ISG 35 70%-Inbetriebnahme einer Exeron HSC-Fräsmaschine innerhalb 3-Tages Workshop

Virtuelle Inbetriebnahme ISG 36 Werkzeugwechsler Fa. GROB

37 Virtuelle Inbetriebnahme einer Holzbearbeitungsmaschine

Dynamiksimulation 38

Modellbeeinflussung 39

Anlagensimulation 40

- elektrisch und hydraulisch angetriebene Maschinen - Prozess-Regelung durch die Steuerung - Schließkräfte bis zu 54000 kn Vorteile beim Kunden Motivation Virtuelle Spritzgießmaschine MX-2K Große Vielfalt an optionalen Funktionen Durchlaufzeiten müssen verkürzt werden Baureihen mit verschiedenen Baugrößen Tests an realen Maschinen reduzieren automatisierter Steuerungstest im Büro Test verschiedenster Prozesszustände zur Optimierung der adaptiven Regler in der Steuerung Betriebspunkte lassen sich an realer Maschine nahezu nicht reproduzieren Engineeringprozess verbessern Verifikation von steuerungsseitigen Technologiefunktionen für jede ausgelieferte Maschine existiert ein Simulationsmodel ( Kunden-Service am Modell ) Bei der Auslegung erstmalig gebauter Maschinengrößen liegt das Einsparpotential bei der Durchlaufzeit bei ca. 4 bis 6 Wochen Initialaufwand zum Erstellen virtueller Baugruppen hat sich schon im ersten Jahr amortisiert 41 HiLS-Simulation bei Fa. KraussMaffei

42 Regler-/Streckensimulation

43 Regler-/Streckensimulation

Untersuchung der Auswirkung der Rastkraft als Störkraft auf das Modell Reversierfahrt bei v = 10 mm/s Momentenbildender Strom über Weg Modell (rot) mit realer Stellkraft aus Umrichter als Störkraft Gesamtmodellqualität könnte durch Abbildung/Messung der Rastkräfte deutlich erhöht werden! 44 Regler-/Streckensimulation

Projekt Golfdach Südkorea 45

46 Projekt Golfdach Südkorea - Fertigteile

47 Projekt Golfdach Südkorea - Arbeitsvorbereitung

Besonderheiten Software-in-the-Loop-Simulation in Echtzeit mehrere unabhängige, jeweils serielle 6-achsige Kinematiken zur Bewegung von Lichtquellen Lichtkegelsimulation Simulation der Lichtverteilung auf OP-Tisch Motivation Entwicklung eines Systems zur automatischen Operationsfeldausleuchtung 48 Simulation zur Ideenfindung

Angebot Wechselwirkung Wissen Angebotsmaschine vereinfacht Machine Konstruktion Design Baukasten Baukasten Steuerungstechnik virtuelle Maschinenobjekte Vereinfachte Modellierung Fertigung & Assembly Montage PPS- System Vereinfachte steuerungstechnische Inbetriebnahme FiBu Nachbesserungen Scheduled Geplante delivery Auslieferung date Zeitachse 49 Potential der virtuellen Maschine in der Angebotsphase

Machine Konstruktion Design Fertigung & Assembly Montage PPS- System Störungssuche mit der virtuellen Maschine FiBu Nachbesserungen Scheduled Geplante delivery Auslieferung date Zeitachse Störungsmeldung, Prozessparameter After Sales Service Nachrüstungen, Umrüstungen Virtuelle Inbetriebnahme neuer Komponenten in mit der virtuellen Maschine 50 Potential der virtuellen Maschine in der Kundenbetreuung

Wettbewerbsvorteile durch virtuelle Maschinen Einhaltung von Maschinen- Abnahmeterminen Reduzierung der realen IBN-Zeit, Reduzierung der Durchlaufzeiten (Auftragsbearbeitung) Erhebliche Qualitätssteigerung in der Applikationssoftware Potential zur Taktzeitoptimierung wird erkannt und in hohem Maße ausgeschöpft Abgleich von Anforderungen des Maschinenbetreibers an der virtuellen Maschine in früher Phase Schulung des Bedienpersonals in früher Phase (konventionelle Bedienung) Schulung in der Beseitigung von Störsituationen ( Flugsimulator für Bedienpersonal) Vertrieb: Darstellung, wie Softwarequalität im Engineering Prozess garantiert wird Nutzung von virtuellen Maschinen bei Neuentwicklungen: Kürzere Entwicklungszeiten mit abgesicherten Meilensteinen 51 Fazit

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! www.isg-stuttgart.de Studienarbeiten in Zusammenarbeit mit Instituten Industriepraktika HiWi-Arbeitspätze