ICONICS AutomationML verkürzt das Engineering in HMI-Anwendungen

Autor / Redakteur: André Lange / Reinhard Kluger

AutomationML, auch als Klebstoff für eine nahtlose Automation bezeichnet, entfaltet erste Wirkung: Im 3D-Visualisierungspaket Genesis 64 trägt es dazu bei, die Engineeringzeit zu verkürzen. Das offene Zwischenformat ermöglicht heterogene CAD-Tools aus verschiedenen Gewerken nahtlos zu verbinden. Das erspart die teure Mehrfacheingabe der Daten.

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Heutige Fertigungssysteme dienen einem Ziel: der wettbewerbstauglichen Entwicklung, Herstellung, Lieferung während des gesamten Lebenszyklus der Maschinen und Anlagen. So stehen Industrie-und Automobil-Hersteller vor zahlreichen Herausforderungen in allen Phasen der Produktentwicklung. Es gilt: Entwicklungszeiten zu verkürzen, globale Lieferketten zu managen, im intensiven Wettbewerb zu bestehen und zunehmend komplexere Produkte auf den Markt zu bringen. Fertigungsbetriebe benötigen Lösungen, die helfen, schneller, billiger und mit mehr Funktionalität und Leistungsfähigkeit auf den Markt zu kommen.

Die beste Strategie dabei: offene Industrie-Standards für die vollständige Integration mehrerer Systeme auf Hardware-Ebene einzusetzen sowie die neuesten verfügbaren Software-Tools. Die langfristige Nutzung von mindestens fünf bis zehn Jahren vorausgesetzt.

Traditionelle Ansichten verändern

In den bestehenden Software-Systemumgebungen dominiert als Ansatz die 2D-Grafik die Automatisierung. Es geht es darum, dass sich traditionelle Ansichten verändern. Dabei ist der neue 3D-Ansatz mehr als nur ein Hype. Er ist nicht „nur eine Modeerscheinung“, er ist nun Wirklichkeit geworden. Moderne Visualisierungs-Anwendungen integrieren 3D-Grafik-Technologie in eine Vielzahl von industriellen Lösungen, die echte Kundenbedürfnisse in zahlreichen Branchen erfüllen können, unter anderem in der:

  • Automobiltechnik,
  • der Gebäude- Automation,
  • der Öl, Gas und Petrochemie,
  • der Lebensmittel- & Pharmatechnik sowie bei
  • Wasser und Abwasser

unter vielen anderen.

Ein solches Konzept spart Zeit und Geld, es bietet die Möglichkeit, spannende 3D-Grafiken zu erstellen und die Engineering-Kosten und -Zeiten maßgeblich für jedes Projekt zu reduzieren.

Die Entwicklung der 3D-Industrie

Mehrere Unternehmen bieten heute 3D-Software-Tools und Plug-Ins, vorgefertigte 3D-Daten und Dienste rund um eine wachsende Zahl von 3D-Content-Ersteller. Eine weltweite Gemeinschaft von Hunderttausenden von 3D-Enthusiasten, als auch professionelle Künstler und Programmierer, nutzen 3D-Technologie in der Entwicklung von Spielen, von Videos, Filmen und Grafik.

Welche Faktoren beeinflussen die weitere Entwicklung dieses 3D-Ökosystem? Es gibt drei grundlegende Faktoren: Die wachsende Popularität der neuen 3D-Software, den wachsenden Einfluss von Online-3D-Communities und die zunehmende Verfügbarkeit von vorgefertigten 3D-Inhalten. Getragen wird diese Entwicklung durch die zunehmend akzeptierten 3D-Kinofilme und -Computerspiele.

Ein zunehmend reichhaltiges Angebot an Software zur Erstellung von 3D-Inhalten ist nun verfügbar. Große Mehrzweck-3D-Software-Pakete wie Softimage XSI und Autodesk 3ds Max und Maya dominierten den kommerziellen Werkzeugmarkt. Heute sind auch viele andere Stand-alone-Pakete auf die speziellen Bedürfnisse der 3D Welt mit vielen Funktionen und Technologien optimiert.

Der Wunsch nach 3D wird stärker

Seit man mit Hilfe von 3D-Software auch auf Erfahrungen anderer Nutzer zugreifen kann, wird der Wunsch nach 3D stärker. Heute findet die Interaktion zwischen den 3D-Künstlern über das Internet statt, wo sich sehr große Online-Communities gebildet haben. 24 Stunden am Tag werden in Dutzenden von Online-Communities kontinuierlich 3D-Arbeiten vorgestellt, Techniken geteilt und kritisch die Technologie-Fortschritte diskutiert. Ein Beispiel: Die CGSociety Gemeinschaft hat mehr als 252.000 registrierte Mitglieder mit 100.000 davon als aktive Mitglieder.

Die zunehmende Verfügbarkeit von 3D-Inhalten in den Medien von heute hat ein leistungsfähiges Tor zu einer großen Zahl von Menschen geöffnet. Studien zeigen, dass sich 3D-Elemente als grafisches Bild so besser wahrnehmen lassen, und der Designer seine Ideen einfacher in seinen Kunstwerken realisieren kann. Deshalb entwickelten zahlreiche Unternehmen industrielle 3D-Lösungen:

  • Open Inventor von Mercury: Ein Cross-Plattform 3D-Grafik-Toolkit für die Entwicklung industrieller, interaktive 3D-Grafik-Anwendungen mit C + +, NET oder Java, die Funktionalität von OpenGL in einer objekt-orientierten Ebene bietet,
  • Hoops 3D Application Framework von SpatialCorp [1]: Es bietet eine grundlegende Infrastruktur Grafiken und Funktionalität für 3D-Anwendungen und eine vollständige Application Programming Interface (API) mit Zugang zu einer leistungsfähigen Suite von integrierten Komponenten,
  • DeskArtesViewExpert: Es bietet Werkzeuge für die Anzeige, Überprüfung, Bewertung und Verbreitung von 3D-CAD-Dateien, wie STL, IGES VRML.ZPR und andere Formate.

Und viele andere Lösungen stehen für den stetig wachsenden Markt zur Verfügung.

Benötigt wird eine Echtzeit-Daten-Konnektivität

Industrien, die mit 3D-Grafik-Technologie am meisten arbeiten, wie z. B. Computer-Spiele und visuelle Simulation, generieren in der Regel keinen Code von 3D-Modellen. Sie konzentrieren sich stattdessen auf die Einbettung effizienter Rendering-Algorithmen für die 3D-Geometrie, die aus einer Datei geladen wird. Die meisten 3D-Anwendungen sind zu komplex, um direkt auf OpenGL aufzusetzen und eine 3D-Ansicht mit vielen Objekten anzuzeigen. Hier werden Szene-Manager Bibliotheken üblicherweise eingesetzt. Mit einem OpenGL-basierten Szene-Manager ist der Software-Entwickler gezwungen, eine Reihe von übergeordneten Konstrukten zu nutzen, um eine 3D-Anwendung zu erstellen. Quantum 3Ds-Konzept für die HMI-Erzeugung zum Beispiel konzentriert sich auf die Schaffung einer Grafik-Datenbank (dynamische Bytecode). Die 3D Grafik des HMI wird dann über die Verwendung eines Middleware-Rendering-Interpreters erzeugt.

Obwohl diese industriellen Lösungen 3D-Grafik-Funktionen bereitstellen, benötigen heutige HMI-Anwendungen keine einfachen digitalen Fotos der Maschinen und Anlagen umgewandelt in erkennbare 3D-Bilder, sie benötigen auch eine Echtzeit-Daten-Konnektivität, um den Nutzern eine detaillierte und vollständige Übersicht über die Produktionsstätte zu geben.

3D erweitert Echtzeit-Visualisierung

HMI-Anwendungen können von 3D-Visualisierung profitieren, indem sie der realen Anwendung nachempfundene Bilder, Formen, Verfahren und andere Details visualisieren, die sonst verloren gehen, und zwar dann, wenn eine traditionelle 2D-Art und Weise für die Betrachtung herangezogen wird.

Ein 3D-Modell hingegen, kombiniert mit Animation, erlaubt die bessere Interaktion mit Ideen, Verfahren oder Produkten. Wenn eine Idee einem potenziellen Kunden präsentiert werden soll, wird die 3D-Form besser angenommen. Die Welt ist dreidimensional, Augen und Gehirn sind auf das Sehen und Wahrnehmen von Tiefe, Perspektive und Form ausgelegt.

Der Nutzen eines Bildes

Produkte werden erst richtig lebendig, wenn man sie in einem 3D-Format visualisiert. Verfahren und Technologien können sowohl in Funktion und Visualisierung verbessert werden, indem sie in einer 3D-Umgebung dargestellt werden. Technisch gesehen ist ein 3D-Abbild der beste Weg, um den globalen Blick auf ein System zu haben und eine große Anzahl von Daten zur visualisieren. Es ist in der Tat die natürlichste Art, eine große Anzahl von heterogenen Informationen darzustellen.

So kann ein HMI-Bild folgenden Nutzen haben:

  • Senkung der Produktionskosten und kurze Time-to-market-Zeit,
  • Beschleunigung eines komplizierten Entscheidungsprozesses,
  • Überprüfung des Produkt-Konzeptes in jeder Phase des Designs und Entwicklung,
  • Verringerung der Abhängigkeit von Interpretation einer 2D-Zeichnung, um Produktionsfehler zu vermeiden,
  • Betrieb von einfach zu verstehenden visuellen Hilfen und
  • Vorführung von industriellen Maschinen, Anlagen und Produkten aus verschiedenen Blickwinkeln, bevor die Großproduktion startet.

Mit 3D-Displays lässt sich die Design-Qualität deutlich verbessern, weil es ein vollständiger Prozess im Vergleich zu 2D-Konstruktion ist. Als Folge werden viele durch Menschen verursachte Fehler vermieden, die mit herkömmlichen 2D-Design-Methoden auftreten können.

Dies macht 3D-HMI-Lösungen zu einem leistungsfähigen Business-Tool: Es können komplexe Themen schneller kommuniziert werden, die Kosten und Fehler-Rate gesenkt und die Zusammenarbeit effizienter und flexibler gestaltet werden.

Wirksamer Einsatz von Spitzentechnologie

Mit der Konvergenz von 64-Bit-Multi-Core-Systemen, Multi-Prozessor-Computern, der Einführung der neuen 64-Bit-Betriebssysteme und der Nachfrage nach leistungsstarken 64-Bit-Anwendungen, bieten moderne Visualisierungslösung Kunden die größte Zuverlässigkeit, Flexibilität und nicht zu letzt einen Vorteil im weltweiten Wettbewerb.

Einen besonderen Weg gehen HMI-Lösungen, die man von Anfang an für die Nutzung des OPC-UA Kommunikations-Standards, swe .NET Managed Codes und SharePoint-Technologie entwickelt hat. Die OPC Unified Architecture (OPC-UA) [5] ist eine robuste, sichere und skalierbare Erweiterung des sehr erfolgreichen COM/DCOM-OPC-Standard-Kommunikationsprotokolls. OPC-UA ermöglicht die Interoperabilität der besten Echtzeit- und Alarm-Management-Systemen, Langzeitspeicher (Historians) und Visualisierungen.

Überbrückung der Lücken im Design- und Fertigungs-Workflow

Die Automobilindustrie unterliegt ständigen schnellen Veränderungen. Neue Geschäftsabläufe, Prozesse, Verfahren und Herstellungstechniken müssen eine Umgebung unterstützen, die ein Ziel haben: den Produktionsprozesses und die Entwicklungszeit eines neuen Automobils zu verkürzen. Dies erfordert technische Systeme, die eine Verbesserung der Zusammenarbeit der Anlagen eines Werkes und dessen Ressourcen unterstützen. Durch die Nutzung dieser neuen Konzepte und Systeme sind Einsparungen bei Zeit und Kosten der Prozess-und Materialplanung möglich. Die Zuverlässigkeit des Planungsergebnisses ist deutlich besser.

Je mehr Kundenanforderungen diversifizieren, Laufzeiten der Produkte sich verkürzen und der globale Wettbewerb zwischen den Unternehmen härter wird, desto wichtiger ist für Automobil-Unternehmen, neue Technologien für schnelle und kostengünstige Wege zum Entwickeln neuer Produkte zu erschließen.

Der Klebstoff für die nahtlose Automatisierung

Als Folge besteht das Ziel, in der Adaptierung mehrerer spezialisierter Standards unter einem Dach um möglichst viele Aspekte der Engineering-Kette zu unterstützen.

All diese Forderungen führten zum Daten-Format AutomationML (Automation Markup Language). Durch die Kombination von im Markt bereits verwendeten standardisierten Formaten, können die Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit von Wissen, Unabhängigkeit und Kosteneffizienz erreicht werden.

Der Klebstoff für nahtlose Automatisierung:

Die Engineering-Kosten eines Automatisierungs-Projekts machen in der Regel 60 Prozent der Gesamtkosten des Projekts aus. In der Vergangenheit haben Optimierungsstrategien die Zukaufteile gut adressiert; ein weites Gebiet zur Steigerung der Effizienz aber liegt noch immer im Engineering brach, zum Beispiel:

  • Fabrik-Pläne werden für die Fertigungslinien-Planung manuell in anderen Werkzeugen neu gezeichnet,
  • die Unternehmen leiden unter nicht zusammenarbeitenden heterogenen CAD-Systemen und
  • Förderanlagen-Sequenzen werden mit Office-Tools entwickelt und sind nicht wiederverwendbar in der SPS-Programmierung.

Das offene Zwischenformat AutomationML [9] verbessert das Automatisierungs-Engineering, was verbunden ist mit einer deutlichen Reduzierung der Kosten. AutomationML ist ein neutrales Datenformat auf XML-Basis zum Speichern und Austausch von Anlagenbau-Informationen. Das Ziel ist es, die heterogenen Automatisierungs CAD-Tools des modernen Anlagenbaus aus verschiedenen Disziplinen, z. B. des mechanischen Anlagenbaus, der Elektroplanung, der Visualisierung sowie der SPS und der Roboter-Steuerung zu verbinden.

Typische Objekte

AutomationML beschreibt Anlagenkomponenten als Objekte mit den verschiedenen Aspekten des Anlagenbetriebs. Ein Objekt kann aus anderen Sub-Objekten bestehen und kann selbst Teil einer größeren Anordnung sein. Es kann eine Schraube, einen Greifer, einen Roboter oder eine komplette Fertigungszelle in verschiedenen Details beschreiben.

Typische Objekte in der Fabrikautomatisierung enthalten Informationen über Topologie, Geometrie, Kinematik und Logik. Wo die Logik Sequenzierung umfasst, sind außerdem Verhalten und Ablauf-Steuerung als Information enthalten. AutomationML vereinigt durch stark typisierten Links in den Formaten verschiedene Standards:

  • Topologie realisiert mit CAEX (IEC 62424): Eigenschaften und Beziehungen der Objekte in ihrer hierarchischen Struktur,
  • Geometrie umgesetzt mit Collada der Khronos Gruppe: Grafische Attribute und 3D-Informationen,
  • Kinematik umgesetzt mit Collada: Verbindungen und Abhängigkeiten zwischen Objekten unterstützen Bewegungsplanung und
  • Logik umgesetzt mit PLCopen XML: Sequenzen von Aktionen, interne Verhalten von Objekten und I/O-Anschluss-Tools.

3D wirksam in HMI-Anwendungen nutzen

Viele Industrie-und Fertigungssysteme haben die Notwendigkeit, Visualisierungen mit zahlreichen 3D-Dateiformaten, die in der Regel von Drittanbietern zur Verfügung gestellt werden, zu erstellen. Die Hürde und Herausforderung in der Vergangenheit war, dass die erforderlichen verschiedenen Software-Tools auf derselben Plattform installiert sein mussten und notwendigerweise ein tiefes Wissen über verschiedene 3D-Anwendungen erforderte. Folglich hat man Zeit und Geld verloren und die Produktivität beeinträchtigt.

Ein höheres Maß an Komplexität

Bediener von Fertigungs- und Gebäude-Leitständen, die sich von der traditionellen 2D-Grafik hin zur einer Echtzeit-3D-Visualisierung entwickeln wollen, müssen einige Hinweise, Ausbildung und Lernphasen dieser neuen mächtigen Technologien in Betracht ziehen. Durch diesen Prozess wird die Kluft zwischen Konstruktion und Fertigungs-Workflow letztlich reduziert werden.

Auf der Grundlage von Hochleistungs-Grafik-Hardware-Subsystemen werden Human-Machine-Interface (HMI)-Systeme in der Zukunft ein höheres Maß an Komplexität in Bezug auf die Konfiguration und den Betrieb insgesamt erfordern. Das Versprechen von 3D-Grafik bringt HMI-Visualisierungs-Anwendungen mehr Aufmerksamkeit bei Entwicklern von Fertigungs- und Gebäude-Automation. Nötig sind automatisierte Software-Tools, die Entwicklung, Prototyping und automatische Erstellung von Visualisierungs-HMI-Systemen zu einem einfachen Prozess machen.

GENESIS64 nutzt AutomationML-konformes Datenformat

Mit der ersten Stufe der offiziellen Unterstützung von AutomationML präsentiert ICONICS zudem neuartige Wege zur Effizienzsteigerung im Engineering. Der AutomationML-konforme Daten-Im- und -Export auf Basis des Collada-Standards 1.41 und 1.5 eröffnet Unternehmen die Möglichkeit, effiziente Engineering-Pipelines aufzubauen und so die zugehörigen Engineering-Zeiten enorm zu reduzieren. Die mit geometrischen und kinematischen Informationen ausgestatteten Objekte stehen nach dem Import vollständig in GENESIS64 zur Verfügung und können komfortabel grafisch animiert werden. Dazu bedarf es nur einer simplen Verknüpfung mit den vorhandenen OPC-Daten.

Engineeringzeiten eingespart

Eine im jeweils bevorzugten 3D-Design-, 3D-Architektur- oder auch 3D-CAD-Werkzeug gestaltete Konstruktion kann auf diesem neuartigen Weg direkt in eine GenesisS64-Visualisierung überführt und unmittelbar dynamisch visualisiert werden. Einsparungen von bis zu 95 Prozent der üblichen Engineeringzeiten im Umfeld der Visualisierung sind möglich — Doppelarbeit entfällt.

Die eingebaute Kollisions-Erkennung in der GENESIS64-3D-Visualisierung erkennt Kollisionen zwischen einzelnen Objekten sofort, sodass sich diese Fehler im frühen Entwicklungsstadium beseitigen lassen. Dies eröffnet allen Unternehmen mit diskreten Herstellungsprozessen und großen beweglichen Assets, wie Robotern, Kränen oder anderen Manipulatoren, die Möglichkeit, eine virtuelle Absicherung auf Basis einer kosteneffizienten Plattform durchzuführen.

Dipl.-Ing. André Lange, Geschäftsführer Germany & Austria, ICONICS Germany

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