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Der Anteil der Zeit zur Inbetriebnahme an der gesamten Projektdauer kann beträchtlich sein. Bild: Bosch Rexroth nach Vorlage von VDW und G. Wünsch
Simulation

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Modellbasiertes Engineering

Text: Andreas Hofmann, Bosch Rexroth
Neben der horizontalen und vertikalen Vernetzung ist durchgängiges Engineering eine wichtige Säule von Industrie 4.0. Dieses beruht insbesondere auf das Verwenden von Simulationsmodellen aus vorherigen Entwicklungsphasen. Vor allem für die Inbetriebnahme eröffnet es neue Potenziale für Effizienzsteigerung und Kostenreduktion.

Die Kosten für die Inbetriebnahme einer Anlage haben einen erheblichen Anteil am Projektbudget. Insbesondere die Implementierung des Steuerungscodes erfordert einen hohen Zeitaufwand: Softwarefehler zu finden und zu beheben, beansprucht allein bis zu 70 Prozent der Zeit, die insgesamt für die Inbetriebnahme der Steuerungstechnik benötigt wird.

Zukünftig werden cyber-physische Systeme, bei denen ein hoher Teil der Wertschöpfungskette aus Software besteht, geregelte und gesteuerte Anlagen ersetzen. Das ist die Voraussetzung, um intelligent vernetzte, hoch automatisierte und sich selbst einstellende Fertigungsprozesse und -anlagen zu realisieren. Bereits heute ist ein Großteil der Probleme, die während der Inbetriebnahme einer technischen Anlage auftreten, durch Software verursacht. Deshalb ist anzunehmen, dass die Herausforderungen im Verlauf einer Inbetriebnahme zukünftig noch komplexer werden.

Das komplette System im Fokus

Konventionelle Entwicklungsmethoden sind dieser zunehmenden Komplexität nicht gewachsen. Erfolgversprechend ist das modellbasierte Engineering. Bei diesem steht das komplette System im Fokus. Die harte Untergliederung in einzelne Domänen wie Mechanik oder Hydraulik entfällt. Hinzu kommt, dass der gesamte Entwicklungsprozess durch Modelle begleitet wird. Aktuell kommt diesen insbesondere in späten Entwicklungsphasen wie der Inbetriebnahme keine Bedeutung zu. Dadurch wird viel Potenzial verschenkt. Die Durchgängigkeit im modellbasierten Engineering ermöglicht, Modelle aus vorherigen Entwicklungsphasen zu verwenden. Anstatt der realen Anlage wird eine virtuelle Anlage bestehend aus Modellen in Betrieb genommen. Somit werden alle Vorteile der Simulation über den gesamten Entwicklungszyklus genutzt.

Virtuelle Inbetriebnahme

Das Ersetzen der realen Anlage durch eine virtuelle Anlage ermöglicht es, die Vorteile der Simulation auszuschöpfen. So kann die Anlage beispielsweise gefahrlos und wiederholt unter gleichen Bedingungen getestet werden. Die äußeren Einflüsse werden dabei so eingestellt, dass sie den Bedingungen der Inbetriebnahme entsprechen. Auf diese Weise lassen sich Fehler in der Steuerungsapplikation früher aufdecken und beheben als beim konventionellen Vorgehen[1]. Folglich verursacht die reale Inbetriebnahme weniger Zeitaufwand und Kosten. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, Engineering und Fertigung parallel und örtlich getrennt durchführen zu können. Virtuelle Abbilder aus vorherigen Engineering-Phasen können verwendet werden. Dadurch verringert sich der Aufwand für das Erstellen von Simulationsmodellen, die eine virtuelle Inbetriebnahme erfordert.

Strategie für durchgängiges Engineering

Ein zentraler Aspekt der virtuellen Inbetriebnahme ist die Kopplung von realer oder virtueller Steuerung mit einem virtuellen Anlagenmodell. Im Bereich der Automatisierungstechnik sind Hardware-in-the-Loop (HiL) und Software-in-the-Loop (SiL) die dafür üblichen Strategien. Hinsichtlich der anvisierten Durchgängigkeit im Engineering sind beide Ansätze allerdings ungeeignet, um die Funktionalität der Steuerungsapplikation vorab zu testen. HiL erfordert zwar eine aufwändige Kopplung (Echtzeitbus, Echtzeitbetriebssystem) und die Erstellung neuer echtzeitfähiger Simulationsmodelle, ermöglicht dafür jedoch ein deterministisches Testen der Applikation. Bei SiL hingegen ist die Kopplung nicht deterministisch, so dass die Funktionalität der Steuerungsapplikation nicht sichergestellt werden kann. Vorhandene Simulationsmodelle hingegen lassen sich nutzen[2].

Um die virtuelle Inbetriebnahme als Ausprägung von modellbasiertem Engineering zu nutzen, gilt es, die Vorteile beider Kopplungsstrategien miteinander zu kombinieren. Ziel ist, vorhandene Simulationsmodelle zu verwenden und den deterministischen Ablauf der Applikation zu gewährleisten. Das erlaubt es, die Applikation auf mögliche Fehler zu testen, ohne zusätzlichen Aufwand für die Modellbildung der Anlage zu betreiben.

Mit OpenCore Engineering hat Bosch Rexroth eine Schnittstelle entwickelt, die direkt in den Motion-Kernel der Industriesteuerung eingreifen kann und die limitierenden Echtzeitanforderungen der HiL-Kopplung aufhebt. Das bedeutet, dass der Motion-Zyklus nicht mehr synchron zum internen Takt der Steuerung aufgerufen wird. Vielmehr wird er durch Vorgabe aus der Simulation für je einen Zyklus an den internen Takt angehängt. Innerhalb der Steuerungs-Firm­ware ist somit sichergestellt, dass die Steuerung konsistent und deterministisch arbeitet. Das Ansprechen der einzelnen Tasks aus der Simulation heraus ermöglicht es, beliebige virtuelle Anlagenmodelle, deren Simulation im Allgemeinen langsamer als der Steuerungstakt abläuft, mit der Steuerung zu koppeln und zu synchronisieren. In diesem Zuge entfallen die Echtzeitanforderungen für die bei der HiL-Kopplung notwendige komplexe Infrastruktur aus Echtzeitbus und Realtime-PC. Als Ersatz genügen ein üblicher Simulations-PC und eine einfache Ethernetverbindung.

Integration in Simulationsumgebung

Die Modellbildung und Simulation technischer Systeme stellt einen integralen Bestandteil der virtuellen Inbetriebnahme dar. Dafür muss die vorgestellte Lösung zwei Voraussetzungen erfüllen. Zum einen muss sichergestellt werden, dass sie sich nahtlos in eine bestehende Simulationsinfrastruktur integrieren lässt. Zum anderen muss sie die Möglichkeit bieten, komplexe cyber-physische Simulationsmodelle zu erstellen. Zu diesem Zweck wurde die zuvor beschriebene Schnittstellentechnologie in Modelica implementiert. Als universelle Modellierungssprache bietet Modelica den fortschrittlichsten Ansatz, um komplexe Domänen-übergreifende Modelle zu entwickeln. Über die FMI-Schnittstelle (Functional Mock-up Interface) für die Kopplung verschiedener Simulationssoftware lässt sich die beschriebene Vorgehensweise auch auf aktuell rund 60 Modelica-fremde Werkzeuge wie Amesim oder Matlab/Simulink übertragen.

Kopplungsstrategien kombinieren

Die Kombination der beiden Kopplungsstrategien SiL und HiL ermöglicht es, die klassische virtuelle Inbetriebnahme in einen durchgängigen Workflow modellbasierten Engineerings zu integrieren. Offene Kommunikations- und Schnittstellenstandards wie Modelica und FMI bilden die Basis zum Einbinden eines möglichst breiten Spektrums an Simulationsumgebungen.

Das Erstellen der Anlagenmodelle stellt einen wesentlichen Aspekt der virtuellen Inbetriebnahme beziehungsweise des modellbasierten Engineerings dar. Dabei ist speziell das automatisierte Generieren von Modellen aus CAD-Daten ein interessanter Aspekt. Weitere Einsatzfelder in der Applika­tionsentwicklung ergeben sich für modellbasiertes Engineering durch modellbasierte Diagnosen im Anlagenbetrieb oder durch Generieren des Reglercodes[3]. Vor diesem Hintergrund wird sich die Simulation zunehmend als modernes Engineering-Werkzeug im Umfeld der Industriesteuerung etablieren.

Literatur

[1] Wünsch, Georg: Methoden für die virtuelle Inbetriebnahme automatisierter Produktions­systeme; München, Herbert Utz Verlag, 2008.

[2] Hofmann, Andreas, Schweig, Stephan, Mikelsons, Lars: Virtuelle Inbetriebnahme mechatronischer Systeme unter Einbeziehung realer Industriesteuerungen von Bosch Rexroth. In: Tagungsband Mechatronik 2015, VDI ­Mechatroniktagung 2015 am 12. bis 13. März 2015 in Dortmund.

[3] Hofmann, Andreas, Menager, Nils, Schweig, Stephan, Mikelsons, Lars: Model-Based Engineering mit Industrie­steuerungen; VVD 2015 Verarbeitungsmaschinen und Verpackungstechnik – 8; Wissenschaftliche Fachtagung am 12. und 13. März 2015 in Dresden, Radebeul.

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