Vorlesung 15. Dezember 2015

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Virtuelle Inbetriebnahme von

Maschinen und Anlagen

Dr.-Ing. Dieter ScheifeleGeschäftsführender Gesellschafter ISG

http://www.isg-stuttgart.de/de/isg-virtuos/virtuos-downloads.html, Vorträge und Vorlesungen

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Unternehmen - ISG

Geschäftsfeld ISG-virtuos (seit 2005)

Simulationssoftware virtuelle Inbetriebnahme (VIBN),

Hardware-in-the-Loop in Echtzeit (1ms),

Simulation-Based-Engineering

Kunden Maschinen- und Anlagenbauer,

Engineering-Büros (Integratoren),

Anlagenbetreiber

ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH

Dr.-Ing. Dieter Scheifele

Geschäftsfeld ISG-kernel (seit 1987)

Steuerungssoftware CNC, RC, Motion Control

Kunden Steuerungshersteller sowie

Maschinen- und Anlagenbauer

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Sequentielles Engineering (Status Quo in „traditionellen“ Unternehmen)

BeschaffungMontage

Mechanik

Kunde Anforderungen

Team „Technik“ Ideen Layout Baugruppen

• Konsequenzen

Mangelhafte Erfüllung der Kundenanforderungen und schlechte Qualität

„Nachbesserungen“ beim Kunden während des Produktionsstarts

zusätzliche nicht geplante Kosten / Imageschaden

Auslieferung ProduktionsstartFAT

Software/Inbetriebnahme„es fehlt nur noch die Software“

Elektrik

reale Anlage / Maschine

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Üblicher sequentieller Workflow und seine Steuerung

Machine Design

Assembly

Steuerungstechnische Inbetriebnahme

Scheduleddelivery dateKonstruktion

Beschaffung & Montage

GeplanteAuslieferung

CAD FEM

MKS

Simulation im Maschinenbauunternehmen

Zeitachse

PPS-System

FiBu

Nachbesserungen

Störungen

Auslieferungsdatum unterliegt „betriebswirtschaftlichen“ Interessen Störungen werden nicht kalkuliert,Steuerungstechnische Inbetriebnahme entzieht sich der Kontrolle durch das PPS-System

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Mechanik-Konstruktion

Konstruktions-zeichnungen

Elektro-Konstruktion

Software-Entwicklung

Stromlaufplan

ORGANIZATION_BLOCK ... TITLE = Hauptprogramm// 06.09.2004 User: XVERSION : 1.0

VAR_TEMPOB1_SCAN_1 : BYTE;...

SystematischeFunktionsbeschreibung

Empirische Funktionsbeschreibung

nicht verfügbar

Software (NC,SPS)

Ersatzweise Erstellung„Beschaffung von Informationen“

51% des Gesamtaufwandes EK

Mangelnder Informationsfluss in vielen Maschinebauunternehmen

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InbetriebnahmeCNC, SPS …

AbnahmeV Grundinbetriebnahme B S T

Test Installation/Verkabelung

Bedienoberfläche / HMI• Bediensequenz• Sonderfunktionen

Test Sicherheit

Technologie-Optimierung

Grundinbetriebnahme• SPS-Funktionalität• CNC-Funktionalität• grundlegende Tests

Teilaufgaben der steuerungstechnischen Inbetriebnahme

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Auswirkungen von Verzögerungen

Machine Design

Assembly

Steuerungstechnische Inbetriebnahme

Scheduleddelivery dateKonstruktion

Fertigung & Montage

Erzwungene Auslieferung

Simulation im Maschinenbauunternehmen

Zeitachse

PPS-System

FiBu

Nachbesserungen

Störungen

.. beim Kunden

Verlorene Qualität / Funktionalität, die beim Kunden nachträglich hergestellt werden muss zusätzliche Kosten und Imageschaden

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Braucht man zur steuerungstechnischen Inbetriebnahme

die fertige Maschine?

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Systems Engineering Prozesse Funktionen Störszenarien

Kunde Anforderungen

Mechanik

ElektrokonstruktionBeschaffungMontage

• Eigenschaften

mechatronischer Engineering-Prozess (Systems Engineering)

Funktionalität (Software) der Anlage steht im Vordergrund

Stör-/Fehlersituationen werden von Anfang an berücksichtigt

virtuelle Anlage/Maschine steht für Auslegungstests und Optimierungen durchgängig zur Verfügung

Auslieferung ProduktionsstartFAT

reale Anlage / Maschine

virtuelle Anlage / Maschine

Softwareengineering / Inbetriebnahme

Von der VIB zu “simulation based engineering”

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Konstruktions-zeichnungen

Elektro-Konstruktion

Software-Entwicklung

Stromlaufplan

Software (NC,SPS) ORGANIZATION_BLOCK ... TITLE = Hauptprogramm// 06.09.2004 User: XVERSION : 1.0

VAR_TEMPOB1_SCAN_1 : BYTE;...

SystematischeFunktionsbeschreibung

• Prüfen der Steuerungslösung(Steuerungen und Programme)

• Optimieren zur Produktivitätssteigerung

• Störungsmanagement

Mechanik-Konstruktion

Vorteile von “simulation based engineering”

Verhaltensmodell

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Verhaltensmodell der Maschine(teilweise gekoppelte Übertragungsstrecken)

Ausgänge

Eingänge

Positionen der 3-D-Module

Verhaltensmodell

Steuerungstechnische Inbetriebnahme am Simulationssystem

Steuerungsfunktionen

Simulationssystem zur virtuellen Inbetriebnahme

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NCU 1, NCU 2, NCU 3PLC 1, PLC 2, ...Prozesssteuerung

Zyklenpaket 1,Zyklenpaket 2....

Optionspaket 1Optionspaket 2

HMI 1, HMI 2,....Leitsystem 1, Leitsystem 2,....

WerkzeugverwaltungPalettenverwaltung

Messmittelverwaltung

Reale Steuerungen vs. „virtuelle Steuerungen“

Moderne Steuerungen sind komplexer als PC für die Büroanwendungen. Ergebnisse von Simulatoren solcher Systeme sind nur eingeschränkt aussagekräftig.

«Reale Steuerungen kannman für die VIB wirtschaftlichnicht ausreichend genausimulieren!»

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Der Vorteil, der Koppelung der virtuellen Maschine an die originaleSteuerungstechnik 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

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Steuerungdigitales System

Maschineanaloges System

A/D-Umsetzung

D/A-Umsetzung

Analoge Signale

Feldbus

Steuerungstechnische Realisierung

Übertragungsfunktion G(s)Gewichtsfunktion g(t)mit g(t) G(s)

Maschineanaloges System

Eingangssignal

Ausgangssignal

Ideale (analoge) Steuerungstechnik zur Steuerung einer Maschine

Ausgangssignal

Wirkungsweise der steuerungstechnischen Realisierung

analoge Signale

Eingangssignal

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Verlust durch Nichtechtzeit

analoges Signalder realen Anlage

Signal derechtzeitfähigenSimulation

Signal einernichtechtzeitfähigen(Windows-) Simulation

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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.

Für die Qualität der Simulationsergebnisse ist entscheidend, wie exakt der abstrakte Maschinensimulator das Verhalten der realen Maschine nachbilden kann.

Idealerweise erfüllt das Simulationssystem für virtuelle Maschinen das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem selbst. Dazu muss es „echtzeitfähig“ sein.

Also:

Dann aber:

Sowieso:

Ergebnis der Betrachtung der digitalen Signalverarbeitung

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1Wie „schnell“ ist Steuerungsechtzeit?

Real-time classes and application areas (IAONA classification)

1µs 10µs 100µs 1ms 10ms 100ms 1s 10s

Highly dynamic processes, electronic drives

Conveying systems,simple controls,majority of all automated systems

Building technology, control and automation levels, trouble-free processes, storage systems

commonsolutions

ISG-virtuos

Machine tools, fast processes, robots

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Analoge Signale

Steuerungstechnik

Vollständiges Simulationssystem zur virtuellen Inbetriebnahme

Tiefpass

Tiefpass

Abtastung und A/D-WandlungDigitale

Steuerungs-funktion D/A-Wandlung

und Halten

Tiefpass

TiefpassAbtastung und A/D-Wandlung

Digitale Verhaltens-

modell

D/A-Wandlung und Halten

Maschinensimulator/virtuelle Maschine

FeldbusAutomatisierungsgerätCNC, SPS

PeripheriegeräteUmrichter, I/O-Klemmen

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Steuerungstechnik

Verschiedene reduzierte Simulationssysteme

Digitale Steuerungs-

funktion

Digitales Verhaltens-

modell

virtuelle Maschine

FeldbusAutomatisierungsgerätCNC, SPS

Feldbusgekoppelter Maschinensimulator

Digitale Steuerungs-

funktion

Digitales Verhaltens-

modell

Speicherkoppelung über feldbusneutrale SchnittstelleAutomatisierungsgerät

CNC, SPS

Digitale Steuerungs-

funktion

Digitales Verhaltens-

modell

Consumer-Gerät„PC“

t

t t

t t

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• „Auslegungstools sind bereits vorhanden – es fehlt „das Tool“ für die Inbetriebnahme der realen Steuerungen“

Einsatz der realen CNC/PLCmit virtuellen Anlagen (HILS)

• „Inbetriebnahmeprozess und factory acceptance tests (FAT) sollen ohne Einschränkung möglich sein“

virtuelle Maschine verhält sich für die CNC/PLC wie die reale Anlage (Safety, Steuerungsechtzeit …)

• „es soll kein paralleler bzw. redundanter Engineering- und Simulationsprozess notwendig sein“

simulation based engineering und Verwendung der originalen Engineering-Daten

Kundenanforderungen an ein Werkzeug zur VIB

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Aufbau eines Simulationssystems zur VIB

Inbetriebnahme mit der realen Steuerung in Steuerungsechtzeit

deterministisches, realistisches Verhalten der Simulation wie die reale Maschine am Feldbus

reproduzierbares Modellverhalten auch nach mehreren Simulationsläufen für Regressionstests

identische Steuerungskonfiguration (inklusive I/O-Adressen) wie an der Originalmaschine

realer Feldbus

realeSteuerungen

Simulations-Rechner

)ln(

)(

,,

,,

,,,,

einWausÖl

ausWeinÖl

einWausÖlausWeinÖlm

4155

577.04

4512120

4155

44498.045

55185.121

4155

577.04

4512120Logik

Kinematik

Dynamik

MF

Echtzeit-Simulationskern (Solver)

Echtzeit-Betriebssystem (< 1ms)

Feldbus(Slave)

Testpanel

PC-Betriebssystem (MS-Windows 64-bit)

VisualisierungModellierung

reale Maschine

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Feldbusanbindung eines Simulationssystems zur VIB

Realisierte Feldbussysteme

EtherCAT 1) SW

Profibus 1) HW

Profinet 1) SW

CANopen HW

Ethernet-IP SW

1) Inklusive Safety-FunktionalitätReale Maschine

Virtuelle Maschine

Feldbus-Komponenten, Slaves(E/A und Antriebe)

Feldbus-Komponenten, Multi-Slave (E/A und Antriebe)

gleiches Maschinenverhalten

Feldbus

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Simulationssystem für die Praxis

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

EtherCAT

Profibus

Profinet …

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Simulation von komplexen (verteilten) Automatisierungslösungen

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

Simulations-PC

Feldbus

CNC

Simulations-PC

Feldbus

CNC

Simulations-PC

Feldbus

SPS

Feldbus

Leitrechner

Feldbus

Simulations-PC

3D-VisualisierungAnlage, Zelle, …

SPS SPS CNC

Feldbus

Feldbus

SPS SPS CNC

Leitrechner

SimulationssystemMontageanlage

Logik

Kinematik

Dynamik

Transport

Logik

Kinematik

Dynamik

Werkzeugmaschine

Logik

Kinematik

Dynamik

Zusammenführung der 3D-Sim.

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Echtzeit-Simulation verketteter Anlagen

Bea

rbei

tung

s-Ze

ntru

m

Bea

rbei

tung

s-Ze

ntru

m

WerkstückBandHandling System

Feldbus

LeitrechnerPLC

NC / PLC

……PLC

virtuelle Produktionslinie mit realer Steuerungstechnik

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Nahtlose Integration in Steuerungsplattformen – hier mir B&R

B&R - Runtime

virtuos.SInterface integriert in

Automation Studio automatische

Generierung

Virtuelle Maschine

Echtzeit-Modellberechnung

LogikKinematik

Dynamik

virtuos.SSteuerung Real PLC Embedded

CPU Industrial PC

MF

Modellierung Test-Panels 3D-Visualisierung

Windows

Realisierung

Echtzeitprozesse aus ISG-virtuos laufen problemlos auf einer B&R-Steuerung ab

möglichst macht es die direkte Integration in Automation Studio

Das Interface zwischen der Steuerung und ISG-virtuos wird automatisch generiert

möglichst macht es einI/O-Wizard, der Bestandteil von ISG-virtuos ist

Kommunikation zwischen Run-Time-System undModellierung / Visualisierung

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Disziplinübergreifendes Verständnis über einheitliche Bibliotheken Maschinenkinematik Logik Sensorik, Aktorik, Antriebe Materialfluss, Magazine Regelungstechnik

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Modellierung des blockbasierenden Verhaltensmodelles

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E/A-Link

Modelleinbindung in Steuerungsumgebung TwinCAT

TwinCAT als Echtzeitplattform und zurAnbindung an Fremdsteuerung

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Skalierbare Modellierung

IstpositionSollposition

Quasi kein Modellie-rungs-Aufwand

Erhöhter Modellie-rungs- und-Parametrie-rungs-Aufwand

Ziel: „So einfach wie es für die Simulationsaufgabe erlaubt ist“

Antriebsachse mit unterschiedlicher Detaillierung• Bypass : „Soll = Ist“• PT1 / 2 : Verzögerung bzw. Schwingfähigkeit• Regler + Streckenmodell: > 30 Parameter

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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 deutlicherhöht werden!

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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

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VIB im Anlagen und Maschinenbau – Fa. HEITEC AG

Motivation / Zielsetzung

kurze Projektlaufzeiten

steigende Variantenvielfalt und hohe Umrüstzeiten

Kosten- und Termindruck

Einsatz der virtuellen Anlage/Maschine für die Inbetriebnahme mit realen Steuerungen

Visualisierung des Automatisierungsprozesses in 3D

Hauptvorteile – Anwender und Betreiber

kurze Inbetriebnahmezeiten und bessere SW-Qualität

Test auch extremer Störsituationen ohne Risiken

Wiederverwendbarkeit der mechatronischen Module

Generierung verbesserter Abnahmekriterien

Optimierung von Service und Wartung

Schulung und Weiterqualifikation von Mitarbeitern

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VIB von komplexe Bearbeitungszentren (BAZ) – Fa. Grob / Daimler

Motivation / Zielsetzung

BAZ für die Serienfertigung von Motorblöcken (2 WZ-Spindel, 2 WZ-Magazine mit je 34 Werkzeugen)

Optimierung der Produktivität in Abhängigkeit von Maschine und steuerungstechnischen Komponenten

Optimierung von Taktzeiten und professionelle Beherrschung von Störsituationen

Reduzierung der Inbetriebnahmezeiten

Hauptvorteile - Hersteller

deutlich reduzierte Inbetriebnahmezeiten

umfangreicher Test der Funktionalität

Optimierung und Test von alternativen Abläufen

Hauptvorteile - Betreiber

Optimierung der Taktzeiten (NC-Programme)

Kollisionskontrolle

Training des Fachpersonals ohne Maschinenbelegung

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VIB von CNC-Bearbeitungszentren – Fa. CHIRON

• Motivation / Zielsetzung

große Vielfalt an optionalen Funktionen

Einsatz verschiedener CNC-Steuerungen(Siemens, Bosch, Heidenhain, Fanuc)

Test verschiedener Konfigurationen

Test neuer Ideen, z. B. Werkzeugwechselstrategien

Verkürzung der Durchlaufzeiten (Auftragsbearbeitung)

höhere Zuverlässigkeit

- Taktzeitoptimierung• Hauptvorteile - Anwender

Test von Störsituationen z. B. „kritischer“ Werkzeugwechselsituationen und fehlerhafter Werkzeugvorbelegungen

„reale Zeitachse“ hilft bei der Beurteilung der Abläufe

Erkennen und Messen von Nebenzeiten

an virtueller Maschine getestete Steuerung funktioniert ohne weitere Maßnahmen an der realen Maschine

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VIB von Spritzgieß-Maschinen - Fa. KraussMaffei

• Motivation / Zielsetzung

große Vielfalt an optionalen Funktionen und Baureihen in verschiedenen Baugrößen

elektrisch und hydraulisch angetriebene Maschinen - Schließkräfte bis zu 54.000 kN

Prozess-Regelung durch die Steuerung

Betriebspunkte an der realen Maschine nahezu nicht reproduzierbar

• Hauptvorteile - Anwender

• (Steuerungstakt = Fedbustakt = Simulationstakt = 1ms)

automatische Generierung der Simulationsmodelle

Simulation der Kinematik, Logik und Dynamik (Hydraulik)

signifikante Reduzierung der Durchlaufzeiten

Simulationsmodell für jede ausgelieferte Maschine

Amortisierung des Initialaufwandes bereits im 1. Jahr

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VIB eines Roboters für Schweißaufgaben

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Materialflusssimulation

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Koppelung zu einer Physik-Engine

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Abtragssimulation und Kollisionserkennung / -vermeidung

Abtragssimulation

• Präzise, fotorealistische Darstellung

• Arbeitsfortschritt in Echtzeit

Kollisionserkennung

• Definition von Körperpaaren

• Anzeige und Meldung von Kollisionen

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Wesentliche wirtschaftliche Vorteile der VIB

Inbetriebnahmezeit - Reduzierung um bis zu 80%• kürzere Projektdurchlaufzeiten

• reduzierte Hallenbelegungszeit

Softwarequalität - wesentliche Steigerung bei gleicher Manpower• Test von regulären und irregulären Betriebszuständen, HMI

• Performance kann durch alternative Abläufe risikofrei gesteigert werden

• Frühzeitige Fehlerbehebung spart Folgekosten

Risikominimierung im Projektmanagement• Qualität wird bereits im Büro realisiert

• Kunde erhält schon frühzeitig einen Eindruck über den Projektverlauf

• Abweichende Anforderungen werden rechtzeitig berücksichtigt

Kostenminimierung bei der Inbetriebnahme vor Ort beim Kunden• Vermeidung von Kollisionen sowie Fehlfunktionen und Ablaufproblemen

• Endlostest mit virtuellen Werkstücken und realen Produktionsdaten

• Erhebliche Verkürzung der Anbindung an weitere Automatisierungssysteme

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Schneller zum Simulationssystem durch Roboter-Bibliothek

Robotersystemeca. 200 Typen

3D-Geometrie inkl. Kinematikmodelle

HerstellerABB Robotics

Adept

Comau

Epson

Fanuc

KUKA

Kawasaki

OTC

Reis Robotics

Stäubli

Universal

Yaskawa Motoman

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VIB in Steuerungsechtzeit

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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