DIE VIRTUELLE INBETRIEBNAHME BEI EINEM SONDERMASCHINENBAUER Dipl.-Ing. Torsten Böhme Fraunhofer IFF, Magdeburg Industriearbeitskreis Virtuelle Techniken im Sondermaschinenbau mit Kick-Off des Cross-Cluster Industrie 4.0 Virtuelle Inbetriebnahme Schwäbisch Hall, Oktober 2015 © Fraunhofer IFF, Magdeburg 2015 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Schenk INHALT 1. Virtuelle Inbetriebnahme – Begriffe aus der Richtlinienarbeit 2. Offene Probleme – Hemmnisse 3. VINCENT-EMELI – ein durchgängiger Ansatz für die VIBN 4. Beispiele im Sondermaschinenbau © Fraunhofer IFF, Magdeburg 2015 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Schenk Übersicht Simulation Programmierung Sicherheit Inbetriebnahme Workflow Virtuelle Inbetriebnahme Begriffe aus der Richtlinienarbeit VDI/VDE 3693 Definition: Inbetriebnahme, die das entwicklungsbegleitende Testen einzelner Komponenten und Teilfunktionen des Automatisierungssystems mithilfe von auf die jeweilige Aufgabenstellung abgestimmten Simulationsmethoden und –modellen umfasst. Anmerkung: VIBN im engeren Sinn bezeichnet den der realen Inbetriebnahme vorgelagerten Gesamttest des AS mithilfe eines Simulationsmodells der Anlage (vgl. VDI 4499). 3 © Fraunhofer IFF, Magdeburg 2015 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Schenk Übersicht Simulation Programmierung Sicherheit Inbetriebnahme Workflow Virtuelle Inbetriebnahme Begriffe aus der Richtlinienarbeit VDI/VDE 3693 Aufbau eines automatisierungstechnischen Systems Die für die Simulation eingesetzten Konfigurationen und Methoden unterscheiden sich: in Art und Umfang der eingesetzten Modelle, in den Varianten der eingesetzten Simulationswerkzeuge, in der Kommunikationsform zwischen Simulation und AS sowie in Art und Umfang der nachzubildenden ASStrukturen. 4 © Fraunhofer IFF, Magdeburg 2015 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Schenk Übersicht Simulation Programmierung Sicherheit Inbetriebnahme Workflow Virtuelle Inbetriebnahme Begriffe aus der Richtlinienarbeit VDI/VDE 3693 Model-in-the-Loop Entwicklungsbegleitender Test mit prototypischen Steuerungscode generisch und hardwareunabhängige Beschreibung der Steuerungsaufgabe Steuerung und Simulation i.d.R. im gleichen Tool 5 © Fraunhofer IFF, Magdeburg 2015 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Schenk Übersicht Simulation Programmierung Sicherheit Inbetriebnahme Workflow Virtuelle Inbetriebnahme Begriffe aus der Richtlinienarbeit VDI/VDE 3693 Software-in-the-Loop Steuerungscode als Seriencode (z.B. nach IEC61131-3) Emulierte, d.h. virtualisierte Steuerung (i.d.R. als Bestandteil des Engineeringsystems des ATSystems Test erfolgt an einem Anlagensimulationsmodell wie auch bei MIL 6 © Fraunhofer IFF, Magdeburg 2015 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Schenk Übersicht Simulation Programmierung Sicherheit Inbetriebnahme Workflow Virtuelle Inbetriebnahme Begriffe aus der Richtlinienarbeit VDI/VDE 3693 Hardware-in-the-Loop Realer Steuerungscode läuft auf realer Steuerung Reale Kommunikation Test erfolgt an einem Anlagensimulationsmodell 7 © Fraunhofer IFF, Magdeburg 2015 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Schenk Übersicht Simulation Programmierung Sicherheit Inbetriebnahme Workflow Virtuelle Inbetriebnahme Hemmnisse Begriffe unklar, Voraussetzungen sind gegeben, aber die VIBN wird nicht gelebt. Keine Standards Wenige Macher/Treiber Spielwiese des Steuerungsingenieurs Notwendige Expertise oft nicht vorhanden Kosten werden gesehen, aber nicht der Nutzen Success-Stories fehlen 8 © Fraunhofer IFF, Magdeburg 2015 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Schenk Übersicht Simulation Programmierung Sicherheit Inbetriebnahme Workflow VINCENT/EMELI Ein integrativer Ansatz Ziele Integration der virtuellen Inbetriebnahme in den Engineeringprozess Einfache Modellerstellung im laufenden Engineeringprozess Integrierte Entwicklung des Steuerungsfunktion Sicherheitsfunktionen automatisiert erstellen Verkürzte Inbetriebnahme durch permanente Testmöglichkeiten Nutzung der Daten für den Betrieb 9 © Fraunhofer IFF, Magdeburg 2015 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Schenk VINCENT/EMELI EMELI - Engineering Model Linker Durchgängige und konsistente Datenhaltung im Entwicklungsprozess E-CAD Steuerung Zusammenführung unterschiedlicher Disziplinen Einheitliche und strukturierte Verfahrensabläufe M-CAD Nutzung des bisher generierten Wissens/ Softwareumgebung Engineering-Basistool: Simulation Spezialtools Daten erfassen, validieren, visualisieren, verwalten 10 © Fraunhofer IFF, Magdeburg 2015 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Schenk Übersicht Simulation Programmierung Sicherheit Inbetriebnahme Workflow VINCENT vereinfacht Modellerstellung Datenübernahme aus CAD – Kinematisierung Einfacher Import von CAD-Daten Import von STEP-Dateien Aktualisieren von vorhandenen Geometrien Optimierung der 3D-Darstellung für schnelle Lade- und Speichervorgänge Zusammenfügen mehrerer Baugruppen CADModelle zu einem Maschinenmodell Schnelles Suchen und Finden von Baugruppen und Bauteilen im gesamten Maschinenmodell Grafisches Erzeugen der kinematischen Struktur Zuordnen der CAD-Geometrien zu den Elementen der kinematischen Struktur Drag-and-Drop 11 © Fraunhofer IFF, Magdeburg 2015 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Schenk Übersicht Simulation Programmierung Sicherheit Inbetriebnahme Workflow VINCENT beschleunigt Steuerungsentwicklung Bewegungen vorführen und teachen Bewegungen vorführen, Steuerungsfunktion grafisch erzeugen Festlegung der Abläufe 3D Modell der Anlage wird in Zielposition verschoben Zielpositionen werden in Zeitleiste gespeichert Bewegungsdauer wird bestimmt, Verfahrdatensatz wird angelegt Festlegung der Logik Zerteilung der Maschine in Module Definition von ModulAbhängigkeiten 12 © Fraunhofer IFF, Magdeburg 2015 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Schenk Übersicht Simulation Programmierung Sicherheit Inbetriebnahme Workflow VINCENT erzeugt Sicherheit auf Knopfdruck Kollisionskontrolle in Echtzeit Schnelle Kollisionserkennung Nutzung der detaillierten CADOberflächeninformationen ohne verfälschende Hüllgeometrien Wenige Millisekunden Rechenzeit für eine Analyse „alles gegen alles“ Leuchtend rote Einfärbung macht erkannte Kollision sofort sichtbar 13 © Fraunhofer IFF, Magdeburg 2015 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Schenk Übersicht Simulation Programmierung Sicherheit Inbetriebnahme Workflow VINCENT erzeugt Sicherheit auf Knopfdruck Sicherheitsräume automatisch generieren Vollständige und verifizierbare Bewegungsraum-Analyse Erzeugung des Sicherheitsraumes aller Komponenten Grundlage sind CAD-Daten und kinematische Struktur Erkennung aller potentiellen Kollisions-Risikoräumen Durchdringung von Sicherheitsräumen unterschiedlicher Komponenten Automatische Erstellung und Verifikation von Bewegungsregeln 14 © Fraunhofer IFF, Magdeburg 2015 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Schenk Übersicht Simulation Programmierung Sicherheit Inbetriebnahme Workflow VINCENT verkürzt die Inbetriebnahme Steuerungsprojekte automatisch generieren Symboltabelle Anlagenfunktion Hauptsequenzen in S7-Graph Aktionen der Hauptsequenzen in S7-Graph Hilfsfunktionen: Bewegungsansteuerung, Positionstabellen Sicherheitsfunktionen Programmsteuerung Funktion zum Aufruf aller Netze, Hilfsfunktionen, Kommunikation… IEC61131-Code Transparent, übersichtlich, lesbar Übernahme aller Bezeichner und Kommentare Daten Merkerbereich für Abbildung der I/Os Strukturdatenbaustein für komplexe Strukturen (z.B. el. Antriebe) Control-DB für jede Sequenz (Sequenzvariablen, Synchronisationsbedingungen, Betriebsarten) Kommunikation TCP-Kommunikation mit VINCENT (bidirektionaler Datenaustausch) 17 © Fraunhofer IFF, Magdeburg 2015 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Schenk Übersicht Simulation Programmierung Sicherheit Inbetriebnahme Workflow VINCENT verkürzt die Inbetriebnahme Hardware-in-the-Loop-Test VINCENT Virtuelle Maschine Reale Steuerung Abläufe/Logik Sicherheit Steuerungsprogramm 18 © Fraunhofer IFF, Magdeburg 2015 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Schenk Übersicht Simulation Programmierung Sicherheit Inbetriebnahme Workflow VINCENT Workflow in VINCENT 1. Aufbau der virtuellen Maschine 4. Virtuelle Inbetriebnahme Datenübernahme aus CAD-Modellen Steuerungsprojekte automatisch generieren Erstellen der virtuellen Maschine Kommunikation mit SPS-Steuerung Materialhandling integrieren Hardware-in-the-Loop-Test 2. Steuerungsentwicklung in VINCENT 5. Reale Inbetriebnahme Bewegungen vorführen und teachen Aktionen definieren Virtuelle und reale Maschine laufen parallel Hauptsequenzen grafisch erstellen Schrittweiser Ersatz von virtuellen Aktoren durch reale Antriebe Simulation und Test des Steuerungsprogramms Vergleich des Verhaltens von virtueller mit realer Maschine 3. Sicherheit integrieren Identifikation von Abweichungen Kollisionskontrolle in Echtzeit Sicherheitsräume automatisch generieren Sicherheitsregeln verhindern Kollisionen 19 © Fraunhofer IFF, Magdeburg 2015 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Schenk VINCENT/EMELI Nutzen Einheitliche Entwicklung der Maschine durch Konstrukteur und Steuerungstechniker Sicherer und vollständiger Know-How-Transfer vom Konstrukteur zum Steuerungstechniker Einfache und durchgängige Definition von Abläufen in der Maschine Anlagenprogrammierung lange vor Aufbau der Anlage Zeit- und Aufwandsersparnis in der Programmierphase um bis zu 50 % Reduzierung der Inbetriebnahmedauer um bis zu 70 % Qualitätssicherung vom Beginn der Entwicklungsphase Automatisch generierter Programmcode IEC61131-Code - transparent, lesbar, kommentiert Effiziente und automatische Generierung von Sicherheitsparametern Hohe und verifizierte Sicherheit des erzeugten Codes Hardware-in-the-Loop-Test Kopplung von Hardware-Steuerungen an das Modell Test des Steuerungsverhaltens der realen Steuerung 20 © Fraunhofer IFF, Magdeburg 2015 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Schenk LANXESS AG Durchgängiger und paralleler Entwurf von Produkt und Produktionssystem Zeitgleiche Entwicklung und Planung von Produkt, Fertigung und Produktionsstätte anhand virtueller Modelle Membranfilterfabrik für LANXESS AG in Rekordzeit geplant und einsatzbereit © LANXESS AG 21 © Fraunhofer IFF, Magdeburg 2015 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Schenk LANXESS AG Durchgängiger und paralleler Entwurf von Produkt und Produktionssystem Komplexität Digital Engineering and Operation 10010101010010010111001000100010110001011 00100100101010101010010101001010001001010 01010101010110001010010011001010100101010 10010101010101101001010010101010010100101 01010100110011010101010011001010110101001 01010000101001010101010101010101001001010 01100001010101010101101001010111101010010 10001010001100011001111001010101010101010 01110010101001100100010101010010101010101 01100101101010110111101000110001000110101 00101010100101010101010101001000010101010 10101010101110101001010001100101000101010 01101010101001000010011001100101011010100 11001010101010101010000011010110110011001 10001010101010101000110010110010101001101 00100101010101010101010100101001001101010 11010101010100110010101011001001010110011 AutoWinder 1 – bestehend aus insgesamt 13 Baugruppen 10.000 Bauteile 800 Sensoren 150 pneumatische Aktoren 30 elektrische Antriebe ständige Auswertung: Vergleich von Soll- und IstDaten – von virtueller und realer Anlage Nutzen © Fraunhofer IFF Übermittlung des Anlagenzustands, z.B.: Fehlercodes inkl. Lösungsstrategien Wartungsinformationen 22 © Fraunhofer IFF, Magdeburg 2015 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Schenk SCHUNK GmbH & Co. KG Modulare Roboter entwickeln und konfigurieren Konfiguration Arbeitsraumberechnung Manipulation Animation Inverse Kinematik Kollisionserkennung Automatische Modellerstellung Dynamiksimulation 23 © Fraunhofer IFF, Magdeburg 2015 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Schenk SM Calvörde GmbH & Co. KG Automatische NC-Codegenerierung und maschinennahe Simulation Aufbau eines kinematischen Maschinenmodells Eingabe von Schweißpunkten und technologischen Prozessdaten Automatische Generierung des NC-Programms Simulation der Bewegung und Kollisionskontrolle Kopplung an reale NC-Steuerung Virtuelle Inbetriebnahme Schulung 24 © Fraunhofer IFF, Magdeburg 2015 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Schenk SM Calvörde GmbH & Co. KG Funktionaler Test an der virtuellen Maschine Prüfung von Kollisionen Technologieablauf Korrekte Synchronisation NC-Code auf realer Steuerung 25 © Fraunhofer IFF, Magdeburg 2015 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Schenk VINCENT Effizientes Engineering mit der virtuellen Maschine Besuchen Sie uns auf der SPS IPC Drives 2015 in Nürnberg vom 24.-26.11.2015 Halle 6 Stand 6-100 Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und automatisierung Sandtorstr. 22 39106 Magdeburg Deutschland Kontakt Virtual Engineering Dipl.-Ing. Torsten Böhme Telefon +49 391 40 90 234 [email protected] 26 © Fraunhofer IFF, Magdeburg 2015 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Schenk
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