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Produktionssysteme Simulationstechnik verkürzt die Inbetriebnahmezeit

| Autor / Redakteur: Prof. Dr.-Ing. Matthias Wenk / Reinhard Kluger

Durch die Einführung mechatronischer Systemansätze kann die Flexibilität und Funktionalität moderner Produktionsmaschinen weiter gesteigert werden. Der Steuerungssoftware kommt dabei eine zentrale Bedeutung zu. An der Fachhochschule Amberg-Weiden werden Lösungen zur Verifikation der Softwareanteile in Form einer virtuellen Inbetriebnahme untersucht.

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Prof. Dr.-Ing. Matthias Wenk, FH Amberg Weiden:
Prof. Dr.-Ing. Matthias Wenk, FH Amberg Weiden:
( Archiv: Vogel Business Media )

Immer kürzere Innovationszyklen, bei einer gleichzeitig immer höheren Individualisierung der Produkte erfordern neue, leistungsfähigere Produktionssysteme. Diese müssen über eine wesentlich höhere Flexibilität sowie eine größere Funktionalität verfügen, bei gleich bleibend hoher Produktqualität und Anlagenverfügbarkeit. Dies kann zukünftig nur durch mechatronische Systemansätze erreicht werden. Darunter versteht man die Substitution mechanischer Bewegungsfunktionalitäten, wie mechanische Königswellen oder mechanische Kurvenscheiben, durch dezentrale elektrische Antriebstechnik und technologiebasierte Softwarefunktionen.

Mit der umfassenden Etablierung mechatronischer Lösungen im Maschinenbau kommt der Steuerungssoftware eine zunehmende Bedeutung zu. Sie entwickelt sich zur dritten wichtigen Säule im Entwicklungsprozess, neben der klassischen Mechanik- und Elektrokonstruktion. Die Mechanik- und Elektrokonstruktion arbeitet heute vorwiegend mit computergestützten Systemen (CAD, CAE), die eine Verifikation und Plausibilitätsprüfung der erzeugten Modelle ermöglicht. Im Gegensatz dazu erfordert die Verifikation der Steuerungssoftware die Interaktion mit der realen Maschine. Daraus resultiert gezwungenermaßen, dass der überwiegende Anteil der Softwareentwicklung während der Inbetriebnahmephase an der realen Maschine stattfindet. Änderungen oder Erweiterungen an der Software verzögern den Inbetriebnahmeprozess signifikant.

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Bei mechatronischen Lösungen ist es deshalb anzustreben, die Softwareentwicklung vor Beginn der Inbetriebnahmephase zum großen Teil abschließen zu können. Während der Inbetriebnahme sollte der Schwerpunkt auf der mechanischen, elektrischen und softwaretechnischen Optimierung liegen. Die Inbetriebnahmezeiten, die im Produkterstellungsprozess eine kritische Größe darstellen, können damit deutlich reduziert werden.

Die Softwareerstellung parallel zur elektrischen und mechanischen Konstruktion wird durch das Konzept der „Virtuelle Inbetriebnahme“ ermöglicht. Dabei wird das kinematische, dynamische und steuerungstechnische Verhalten einer realen Maschine durch ein Simulationsmodell (virtuelle Maschine) nachgebildet. Aufgrund der verfügbaren Rechenleistung und dem günstigen Preis werden heute moderne PCs als Hardwareplattform eingesetzt.

Wie bisher auch, wird die Steuerungssoftware mit den Engineering-Tools der Steuerungshersteller entwickelt und auf die reale Steuerung übertragen. Die Anbindung der realen Steuerung an den Simulations-PC erfolgt über ein Feldbussystem. Mittels einer Multislave-Einsteckkarte für den PC wird das Kommunikationsverhalten ein oder mehrerer Peripheriegeräte in Echtzeit nachgebildet. Im Betrieb nimmt das Simulationssystem die Steuersignale für jedes Peripheriegerät entgegen, aktualisiert das virtuelle Maschinenmodell und liefert simulierte Istwerte an die Steuerung zurück. Aus Sicht der Steuerung verhält sich die virtuelle Maschine nahezu wie die reale Maschine.

Bei der Entwicklung von Steuerungssoftware stellt die programmtechnische Reaktion auf potentielle Störsituationen eine besondere Herausforderung dar. Durch die Simulation von Störereignissen kann die Reaktion der Steuerungssoftware getestet werden, ohne die Gefahr die reale Maschine zu beschädigen. Auch nach der Entwicklungs- und Testphase der Steuerungssoftware leistet das virtuelle Maschinenmodell wertvolle Dienste. Es kann beispielsweise für Kundenschulungen und zur Marketing- und Vertriebsunterstützung verwendet werden.

Die Thematik der virtuellen Inbetriebnahme mechatronischer Produktionsmaschinen wird an der Fachhochschule Amberg-Weiden in der Fakultät Maschinenbau von Prof. Matthias Wenk vertreten. In Form von Projektarbeiten lernen die Studierenden den gesamten Workflow kennen, von der Konstruktion der Maschinenelemente über die Erstellung eines virtuellen Modells bis zur Programmierung und den Test der Steuerungssoftware. Zu diesem Zweck wurde das Simulationssystem WinMOD der Firma Mewes & Partner für das Labor Automatisierungstechnik beschafft.

WinMOD bietet die Möglichkeit das Verhaltensmodell einer Maschine in Echtzeit zu simulieren. Über entsprechende Einsteckkarten und Treiber ist es möglich, die unterschiedlichsten Feldbussysteme an die Simulation anzubinden. Alle Steuer- und Prozesssignale können durch einen Signalrecorder in Echtzeit aufgezeichnet werden. Ein weiterer Vorteil ist die kinematische 3D-Visualisierung des Maschinenaufbaus durch die Komponente WinMOD-3D-View. Damit kann das Maschinenverhalten auch dreidimensional dargestellt werden. Dies ist wesentlich anschaulicher, als die alleinige Analyse von aufgezeichneten Traces.

Um die Erstellung der virtuellen Modelle zu vereinfachen und den Modellierungsvorgang zu verkürzen, werden an der Fachhochschule Amberg-Weiden momentan entsprechende Technologiemakros entwickelt. Wie bei einem Baukastensystem soll das Maschinenmodell zukünftig aus diesen parametrierbaren Makros effizient und schnell zusammengesetzt werden können. Um ein möglichst breites Applikationsspektrum abbilden zu können, möchte Prof. Matthias Wenk interessierte Unternehmen für eine Zusammenarbeit gewinnen. Zukünftig ist auch Technologietransfer in Form von Workshops geplant.

„Die Flexibilität und Funktionalität mechatronischer Produktionsmaschinen wird vor allem durch die Steuerungssoftware geprägt. Die zunehmende Komplexität der synchronisierten Bewegungsvorgänge macht eine Softwareentwicklung an der realen Maschine erforderlich. Dies verlängert die Inbetriebnahmephase deutlich. Die Entwicklung und Validierung der Steuerungssoftware kann mit Hilfe eines virtuellen Maschinenmodells parallel zum Aufbau der realen Maschine erfolgen. Die Inbetriebnahmezeit lässt sich damit um bis zu 50% reduzieren. An der FH Amberg-Weiden werden entsprechende Lösungen untersucht.“

(klu)

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