Eine Inbetriebnahme im Anlagen- und Maschinenbau bedeutet häufig eine schwierig zu kalkulierende Zeitspanne im Projektablauf zwischen Aufbau der Maschine beim Kunden und der Abnahme, die Großteils durch die Arbeit an der Steuerung, insbesondere der Steuerungssoftware geprägt ist. Änderungen an der Hardware der Maschine sind eher selten. Die Gründe dafür? Maschinenhardware wird nach Konstruktion und Fertigung (sofern möglich) im Werk aufgebaut und in Gruppen und als Ganzes auf Funktion getestet, die Auslieferung kann danach erfolgen. Ist eine Maschine einmal beim Kunden aufgebaut, sind Modifikationen der Hardware aufwändig, teuer und zeitintensiv. Die Steuerung kann erst nach dem Aufbau der Maschine mit dieser zusammengebracht werden. Und jetzt zeigt sich, ob die Überlegungen der Entwickler in Realität zutreffen und die Software wie gedacht funktioniert. Arbeitet die Maschine mit anderen Maschinen zusammen wie es häufig im Produktionsprozess der Fall ist, muss die Steuerung auf übergeordnete Systeme und das Zusammenspiel mit den anderen abgestimmt werden. Dies kann in der Regel erst beim Kunden erfolgen. Und so entfällt ein großer Teil der Inbetriebnahme auf die Steuerung.

Vorgehensweise und Vorteile

Eine Methodik, die die Entwicklung von Steuerungen und die vor allem die Inbetriebnahme unterstützt, ist die Virtualisierung der Maschine, d. h. die Abbildung der Maschine als Computermodell. Der Entwurf und Test von Steuerungsfunktionen, die Abstimmung von Prozessschritten und ein Teil der Inbetriebnahme der gesamten Software kann ohne die Maschinenhardware am virtuellen Modell durchgeführt werden. Der große Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass Entwicklungsschritte von Maschinenbau und Steuerungstechnik parallelisiert werden können, ein großer Teil der Softwareinbetriebnahme mit dem Modell erfolgen kann und sich die Zeit für die Inbetriebnahme deutlich reduziert.Zeitersparnis.png

Die Vorteile des Einsatzes der virtuellen Inbetriebnahme sind überall da zu finden, wo komplexe Vorgänge und vernetzte Produktionsschritte zu handhaben sind oder Fehler in der Steuerung fatale Folgen für die Maschine haben können. Natürlich ist mit der Verwendung eines Maschinenmodells auch ein nicht zu unterschätzender Aufwand verbunden. Die Erfahrung von Anwendern zeigt aber, dass dieser Aufwand innerhalb der ersten Projekte deutlich sinkt und gut kalkulierbar ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn Modelle aus der Maschinenentwicklung heraus weitergenutzt werden können, da der Aufwand der Erstellung des Modells, vor allem aber bei der Validierung des Modells deutlich reduziert wird.

Umsetzung

Die konkrete Umsetzung der VIBN hängt stark vom jeweiligen Anwendungsfall und von den benötigten Erkenntnissen ab. So werden oft 3D-Modelle mit der Steuerung verbunden, um Untersuchungen über die Abläufe des Prozesses durchzuführen. Hinter den Modellen steckt eine Physik-Engine, die für ein realistisches Verhalten der mechanischen Komponenten sorgt. Angeregt werden diese Modelle durch Aktor-Elemente mit hinterlegten Eigenschaften wie Kennfeldern, Beschleunigungen etc.

Dieses idealisierte Verhalten vereinfacht die Erstellung der Modelle und hält die benötigte Rechenzeit niedrig, es sorgt allerdings auch dafür, dass bestimmte Aspekte des Systemverhaltens nicht untersucht werden können.

Hier setzt die dynamische Systemsimulation an, die mit genauen physikalischen Modellen der verwendeten Komponenten dort für sehr genaue Ergebnisse sorgt, wo es nötig ist. Bedarf an einer genauen Abbildung des Systemverhaltens besteht beispielsweise bei der VIBN von geregelten hydraulischen Antrieben. Die Regelbarkeit dieser Systeme hängt von Faktoren wie Verrohrung, Ventiltypen, dem verwendeten Fluid oder auch dem Reibverhalten an den Dichtungen ab. Abhängig von der vom System verlangten Dynamik kommt man nicht umhin, eine genauere Systembetrachtung durchzuführen.

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Bisher wurde die dynamische Simulation hauptsächlich in der Komponentenentwicklung zur Untersuchungen einzelner Teile oder Baugruppen verwendet, da das Qualitätsniveau der Ergebnisse zwar erfahrungsgemäß sehr hoch ist, allerdings auch mit erhöhtem Aufwand bei der Erstellung der Modelle einhergeht, was darüber hinaus einen hohen Wissens- und Erfahrungsschatz im Bereich der Simulation erfordert. Der zunehmende Wettbewerbsdruck, die gestiegenen Anforderungen an die Anlagen und ihre Entwickler sowie nicht zuletzt größere Rechenleistungen erweiterten den Anwendungsbereich, so dass zunehmend die dynamische Simulation ganzer Maschinen für die entwickelnden Unternehmen attraktiv wird.

Mit solchen Simulationsmodellen gekoppelte Steuerungen und Regler werden mit dem dynamischen Verhalten der Anlage konfrontiert und können entsprechend getestet und ausgelegt werden. Der Detaillierungsgrad legt dabei fest, ob die Modelle noch in Echtzeit berechnet werden können – dies ist aber nicht zwingend notwendig. Voraussetzung für eine Nicht-Echtzeit-Kopplung von Simulationsmodell und Steuerung ist die Möglichkeit, Einfluss auf den Programmablauf der Steuerungssoftware zu nehmen, um eine Taktung durch die Simulationssoftware zu ermöglichen. Dabei erfolgt der Programmaufruf in der Steuerung abhängig von der Simulationszeit, was einen synchronen Betrieb der beiden Komponenten zur Folge hat. Die Änderungen im Steuerungsprogramm bedeuten eines gewissen Aufwand, erlauben jedoch eine detaillierte Simulation mit sehr genauen Ergebnissen. Gerade bei hochdynamischen Systemen können so Effekte sichtbar gemacht werden, die sonst bestenfalls schon während der Inbetriebnahme zu Problemen geführt, eventuell aber auch die langfristige Leistungsfähigkeit der Anlage herabgesetzt hätten. Dieser Ansatz der Simulationskopplung bietet sich daher an, wenn das System an sich Ziel der Entwicklung oder der Untersuchung ist.

Wird der Fokus der Untersuchung eher auf die Steuerungshardware wie die Verkabelung im Schaltschrank gelegt, können geschwindigkeitsoptimierte Simulationsmodelle in weicher Echtzeit mit der Steuerung gekoppelt werden. Der Modelldetaillierungsgrad wird dazu herabgesetzt, Messdaten oder ein vorher erstelltes, genaues Simulationsmodell können aber zur Validierung in einem bestimmten Betriebsbereich herangezogen werden. Sind die Anforderungen hinsichtlich des Zeitverhaltens höher, muss auf ein Echtzeitsystem zurückgegriffen werden. Auch hier kommen Modelle mit relativ geringem Detaillierungsgrad zum Einsatz, die vor der Kopplung gegen ein genaueres Modell oder eventuell vorliegende Messdaten validiert werden sollten.

Verkabelung.pngBeispiele

Praxisbeispiele zu realisierten Projekten der virtuellen Inbetriebnahme finden Sie im Bereich der Anwendungsbeispiele von Simulation.