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Digitaler Zwilling und reale Inbetriebnahme an virtuellen Modellen

Das Double für Ihre Stars Simulationsbasiertes Engineering und virtuelle Inbetriebnahme in Steuerungsechtzeit (1ms)


Digitaler Zwilling – Inbetriebnahme an virtuellen Modellen

2

Virtuelle Inbetriebnahme und digitaler Zwilling

Testautomatisierung mit digitalen Zwillingen

„best practice“ - Anwendungen

Physikalischer Materialfluss in Steuerungsechtzeit


Expertise – Steuerungstechnik + virtuelle Inbetriebnahme

3

ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH

CEO Dr.-Ing. Dieter Scheifele

Geschäftsfeld ISG-kernel (seit 1987)

Steuerungssoftware CNC, RC, Motion Control

Kunden Steuerungshersteller sowie

Maschinen- und Anlagenbauer

Geschäftsfeld ISG-virtuos (seit 2005)

Simulationssoftware virtuelle Inbetriebnahme (VIBN) als

Hardware-in-the-Loop in Echtzeit (1ms)

digitale Zwillinge

Kunden Maschinen- und Anlagenbauer

Integratoren / Anlagenbetreiber

~ 10.000 Maschinen unterschiedlicher Technologie per anno


ISG-kernel – CNC, RC und Motion für komplexe Kinematiken

4

Copyright WAFIOS AG 2016

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Virtuelle Inbetriebnahme und digitaler Zwilling


Digitaler Zwilling – Virtuelle Inbetriebnahme (VIBN)

6

Zielsetzung / Erwartungen VIBN

Absicherung der Anforderungserfüllung (Qualität / Performance, FAT) sowie

Erkennung, Identifikation und Behebung von Fehlern in der Automatisierungssoftware

Validierung und Optimierung von Steuer- und Regelstrategien

bereits in der Konzept- bzw. Engineering-Phase

Signifikante Verkürzung der realen Inbetriebnahme

durch Vorwegnahme eines (möglichst großen) Teils der realen IBN

Minimierung von Stillstandzeiten bei Service-, Wartungs- und Umbau bestehender Anlagen

durch Absicherung der Lösung

Test von kritischen (auch riskanten) Betriebszuständen der Anlage

durch Fehlbedienungen, Defekte der Komponenten oder Havarien


Digitaler Zwilling – Simulationsbasiertes Engineering

7

Zielsetzung / Features

Überführung von inflexiblen,

sequentiellen Prozessen ins agile

„systems engineering“

Softwareengineering inklusive

Inbetriebnahme

als führender Prozess

virtuelle Anlage/Maschine

stehen für Auslegungstests und

Optimierungen durchgängig zur

Verfügung

Stör-/Fehlersituationen werden

von Anfang an berücksichtigt

virtuelle Inbetriebnahme kann

ohne Einschränkungen auf die

reale Anlage / Maschine

übertragen werden

Beschaffung

Montage Mechanik

Auslieferung

Produktionsstart

FAT

Software/Inbetriebnahme

„es fehlt nur noch die SW“ Elektrik

reale Anlage

/ Maschine

Team „Technik“

Ideen

Layout

Baugruppen

Kunde

Anforderungen

Bruch im Software-

Engineering

Sequentieller Engineeringprozess

(vorwiegender Status quo)

Systems Engineering

Prozesse

Funktionen

Störszenarien

Mechanik

Elektrokonstruktion Beschaffung

Montage

Auslieferung

Produktionsstart

FAT

reale

Anlage /

Maschine

virtuelle Anlage / Maschine

Softwareengineering inkl. Inbetriebnahme

Kunden

Anforderungen

Service

agiles Engineering


Reales Automatisierungssystem

Digitaler Zwilling – Simulationsmodelle

8

Model-in-the-Loop

(MIL)

Software-in-the-Loop

(SIL)

Projektierung

Erstellung von

Anlagenlayouts

generische und

HW-unabhängige

Beschreibung der

Steuerungsaufgabe

prototypischer

Steuerungscode

Ablauftest und

Programmgenerierung

Offline-Programmierung

emulierte, d.h.

virtualisierte Steuerung

Generierung von

Steuerungscode als

Seriencode

(z.B. nach IEC61131-3)

Standard Kommunikationsmechanismen

Shared Memory

OPC UA

TCP/IP …

reale Steuerungen mit realem

Steuerungscode

reale HMI mit allen User-

Interaktionen

reale Feldbussysteme

z.B. Profibus, Profinet, EtherCAT

inklusive Safety

keine „Gateways“

virtuelle Anlage/Maschine aus virtuellen Komponenten

Baukastensystem für Verhaltensmodelle und 3D-Visulalisierung

Prozesssimulation / Materialfluss

Abtragsimulation / Kollisionserkennung

virtuelle Komponenten

Verhaltensmodelle und 3D-Visualisierung strickt getrennt

realzeitdeterministisches Verhalten der virtuellen Komponenten (1ms)

1:1 als Feldbusteilnehmer anbindbar (gleiche Adressierung, gleiches Verhalten inklusive Safety)

Anlage / Prozess

HMI

Steuerungen

Kommunikation

Profinet

EtherCAT

…

Komponenten

Sensoren / Aktoren

Hardware-in-the-Loop

(HIL)


Digitaler Zwilling – virtuelle Inbetriebnahme (Stand 2017)


Digitaler Zwilling – virtuelle Inbetriebnahme (Trend/Bedarf 2017+)


Digitaler Zwilling – Hardware-in-the-Loop System

11

Voraussetzungen

Aufbau der virtuellen Maschine/

Anlage aus virtuellen

Komponenten

Verhalten der virtuellen

Komponenten hinsichtlich

Schnittstellen, Parameter

und Betriebsarten

wie reale Komponenten

Virtuelle Inbetriebnahme mit

reproduzierbaren Antwortzeiten

in Steuerungsechtzeit (1ms)

inklusive SAFETY

Reale Steuerungen

Beckhoff

Bosch

B&R

Fanuc

Heidenhain

Rockwell

Siemens

…

Reale Feldbusse

CANopen

EtherCAT

Ethernet IP

Focas

Powerlink

Profibus

Profinet

+ OPC UA …

digitaler Zwilling


Digitaler Zwilling – virtuelle Komponenten für die Automatisierung

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Feldbus

reale Steuerung reale Feldbusteilnehmer reale Komponenten

mit Echtzeitverhalten

reale Maschine / Anlage (Komponenten, Gesamtverhalten, Materialfluss)

virtuelle Maschine / Anlage (Komponenten, Gesamtverhalten, Materialfluss)

Konfiguration

Konfiguration

virtuelle Komponenten

mit Echtzeitverhalten

reale Feldbusteilnehmer

1:1 Abbildung der Komponenten

„virtuelle

Klemmen“

Emulation

1:1 (I/O, Safety …)


Digitaler Zwilling – wiederverwendbare virtuelle Komponenten

13

HILS (Feldbus)

reale Steuerung virtuelle Komponenten Feldbusteilnehmer

Feldbus

(Multislave)

virtuelle Anlage

virtuelle Anlage

IT-Netzwerk

Anbindung

OPC UA

TPC/IP

… Konzeption

Projektierung …

Cloud-Dienste

WEB-

Services

Intelligente Services

virtuelle Komponenten /

Technologieobjekte


Digitaler Zwilling – agile Engineeringprozesse

14

3D-CAD-System

(mech. Konstruktion)

Mechatronische Komponenten

(mech. / Elektrokonstruktion)

Steuerungstechnik

(Software, Inbetriebnahme)

3D-Visualisierung

(Bewegungen, Abläufe)

Verhalten

(Logik, Kinematik, Materialfluss …)

Test, Optimierung, Schulung

(Signale, Feldbusteilnehmer, Antriebe …)

rea

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om

po

nen

ten

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Digitaler Zwilling – Modellierung wiederverwendbarer Komponenten

15

Features

firmeneigene Bibliothek als

Know-how-Aufbau/Schutz

validierte Teil-/Submodelle

effizientes Engineering durch

Wiederverwendung

Prozessoptimierung im

Engineering durch automatische

Generierung der Modelle

reale Komponente

Konfiguration 1

Lösungs- / Know-how-Bibliothek Konfiguration n

virtuelle Komponente Modellbibliothek


Digitaler Zwilling – Bsp. Hydraulik/Pneumatik

16

Komponenten-LIB


Digitaler Zwilling – 3D-Visualisierung CAD-Systemen

17

3D-Visualisierung 3D-CAD-System

Direkter Import folgender Formate

CATIA Inventor Pro Engineer VRML

NX SolidWorks Solid Edge

Parasolid STEP IGES

JT VAD-FS ASIC

3D-Komponenten-Bibliothek


Digitaler Zwilling – Anbindung von Steuerungen

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Bsp. Siemens – TIA Portal / S7-Manager

Import

GSD

TIA

Po

rtal

I/O-Masterkonfiguration

TIA Konverter

Openness V14

ISG

-vir

tuo

s

I/O-Wizard

I/O-Multi-Slave

Profinet

Profibus

1. Übernahme der Master-Konfiguration mit den zugehörigen Gerätestammdaten GSD(ML)

2. Generierung der ISG-virtuos Echtzeit-Solution

Generieren des Echtzeit-Projektes mit emulierten Klemmen (I/O-Multi-Slave als Feldbusteilnehmer)

Selektion der zu simulierenden I/Os (Mischbetrieb möglich)

3. Verbindung der realen Steuerung über die realen Feldbusse

originale Adressierung und dieselbe Feldbustaktzeit (z.B. 1ms)

alle virtuelle Klemmen sind als Feldbusteilnehmer realisiert (inklusive I/O-Safety)


Digitaler Zwilling – komplexe, verkettete Produktionssysteme

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Durchgängiger Test / Simulation komplexer

Automatisierungslösungen

Simulationssystem einfach über

Feldbusmechanismen erweiterbar

Kombination der Hardware-in-the-Loop-

Simulation mit realen

Automatisierungssystemen

übergeordnete 3D-Visualisierung der

kompletten Anlage

„Factory Acceptance Tests“ für komplette

Produktionssysteme

Fertigungslinie

Fertigungszelle

Transporteinrichtung

WZM

SPS SPS CNC

Bussystem

Leitrechner

SPS SPS

CNC

Bussystem

Leitrechner

Komplexe HIL-Fabriksimulation durch

Segmentierung und Echtzeitkopplung

Feldbuskopplung

Feldbus Feldbus Feldbus


Digitaler Zwilling – offene, erweiterbare Simulationsplattform

20

Projektierungs- und Programmierwerkzeuge

Engineering-Werkzeuge virtuelle Inbetriebnahme

reale Feldbusse

reale Steuerungen

SDK C++

Echtzeitsolver

4155

577.04

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einWausÖl

ausWeinÖl

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m

3D-Visualisierung Testpanels

Modellierung

Baustein-

Bibliothek

Integrationsplattform

KUKA office lite

FANUC Roboguide

ABB RobotStudio

EKS RobSim

…

Offline-Programmiersysteme Projektierung und Auslegung

ISG CNC.sim

IFF Vincent

CENIT FastSuite

…

Standardschnittstellen (UDP, OPC, TCP/IP)

OPC-UA Client

TCP/IP-Treiber

SYS / DLLs

…


Digitaler Zwilling – Software Development Kit (SDK C++)

21

Benefits

Realisierung eigener Bausteine

auch für Echtzeitanwendungen

in C++

offene Automatisierungsplattform

ablauffähig unter TwinCAT 3.1

schnelle Einarbeitung durch

Entwicklerhandbuch


„best practice“ - Anwendungen


„best practice“ – Anwender und Partner

23


„best practice“ – Anlagen und Maschinenbau, HEITEC AG

24

Mehrwert

kurze Inbetriebnahmezeiten

und optimale SW-Qualität

Test auch extremer Störsituationen

ohne Risiken

Wiederverwendbarkeit der

mechatronischen Module

Generierung verbesserter

Abnahmekriterien

Optimierung von Service und

Wartung

Schulung und Weiterqualifikation

von Mitarbeitern

mit freundlicher Freigabe der HEITEC AG


„best practice“ – Digitaler Zwilling / Fabriksimulation, HOMAG

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mit freundlicher Freigabe der HOMAG Group


„best practice“ – Packaging, KOCH Pac-Systeme

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mit freundlicher Freigabe der KOCH Pack-Systeme GmbH


„best practice“ – Engineeringprozess, EISENMANN SA

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mit freundlicher Freigabe der EISENMANN SA

E-Pass, EISENMANN SA


„best practice“ – Schulungskonzept, ZF Friedrichhafen AG

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Zielsetzung

Schulung und Weiterqualifikation

von Mitarbeitern am digitalen

Zwilling

Optimierung von Service und

Wartung

Referenz für Lieferanten neuer

Montagezellen

mit freundlicher Freigabe der ZF Friedrichshafen AG, Schweinfurt


„best practice“ –Schulungssystem mit digitalem Zwilling

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Steuerungshardware

Simulations-Plattform Windows

KUKA: OfficeLite (VMWare)

S7-300

Echtzeit (TC)

Sim-PLC

Box 10: DPDP Roboter

Achs

werte

Box 60/70 CUBE EAs

Box 12, 13, 14:

DPDP Maschinen

Box 16: Auslaufband

Box 20 BIS-C: RFID

EtherCAT Master

Euchner:

Electronic-Key

EK

1100

KPC

TCP/IP

Solver Box 03: Jokab Safety

Wago: Bedientafel

RS

232

32 E

32 A

RS

232

32 A

32 E

Switch

M V

TCP/IP

HMI: WinCC

Baustein: SPC

Baustein: WM

Baustein: Nieten

Kommuni-

kation

KRC – S7

Profinet

Profibus

direkte E/A

VxWorks

KRC

ProConOS

Windows

HoloLens-Manager

direkte E/A

WLAN

mobile

Endgeräte

Bedienfelder/

Geräte


KraussMaffei

Maschinen- und Anlagenbau im

Bereich der Spritzgieß-Maschinen

Anforderungen

eingehender Test der unterschiedlichen

Kundenkonfigurationen

elektrisch und hydraulisch angetriebene

Maschinen - Schließkräfte bis zu

54.000 kN

Ergebnisse

Prozess-Regelung durch die Steuerung

anhand virtueller Modelle in

Steuerungsechtzeit (<1ms)

automatisierte Konfiguration der

Steuerung und des Simulationsmodells

gemäß Kundenauftrag

jede ausgelieferte Maschine wird

simuliert in Logik, Kinematik und

Dynamik (Hydraulik)

„best practice“ – Spritzgieß-Maschinen, KraussMaffei


Physikalischer Materialfluss in Steuerungsechtzeit


Materialfluss – Kundenanforderungen

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Anforderungen der Anwender an die Materialfluss-Simulation

Vollständige Inbetriebnahme als Systemtest bis zum FAT (factory acceptance test) in

Steuerungsechtzeit (1ms) inklusive Safety

Taktzeitoptimierung unter Berücksichtigung der realen Steuerungen (HILS)

Aufbau eines echten Digitalen Zwillings aus virtuellen Baugruppen / Komponenten,

welche die gleichen Schnittstellen, Parameter (statisch und dynamisch) und zeitliches

Verhalten wie reale Baugruppen aufweisen

Einfache Erweiterung bzw. Adaption des digitalen Zwillings bei Änderung der realen

Anlage als Konfigurationsvorgang

Materialfluss inklusive Bearbeitungssimulation (Abtragsimulation, Trennen, Fügen …)


Materialfluss – physikalischer Materialfluss in Steuerungsechtzeit

33

Features

Echtzeitfähige Physik-Engine

zugeschnitten auf die Anforderung

des Anlagen- und Maschinenbaus

Bewegungsverläufe ergeben sich

aus Impulsen bei der Kollision von

Körpern (Materialfluss-Elemente und

Material)

Physikalische Eigenschaften, wie

z.B. Gravitation und Reibung, werden

berücksichtigt

Robotik und Handhabungssysteme

sind inbegriffen

Materialeigenschaften gemäß der

Bearbeitungsprozesse dynamisch

veränderbar Zeitdeterministische Untersuchungen aus:

Simon Hoher, „Ein gekoppeltes Materialflussmodell zur durchgängigen Entwicklungsunterstützung von

Materialflusssteuerungen“, Universität Stuttgart, Fraunhofer IPA, Fraunhofer Verlag 2017


Materialfluss –Baustein-Bibliothek

34

Nahtlose Integration in ISG-virtuos

Bibliothek mit Standardbausteinen vorhanden

Einfache Modellierung durch einheitliche Architektur,

Vorgehensweise und Schnittstelle

Nachträgliche Erweiterung bestehender Modelle

Einfache Anbindung an Steuerungssignale

Vollautomatische Visualisierung der modellierten Szene

Materialflusselemente

Spurgeführte Fördertechnik

SKID (bandgeführte) Fördertechnik

Handhabung

Sensoren

Lagertechnik


Materialfluss –bausteinorientierte Modellierung

35

Verhalten der Materialfluss-Elemente

Schreibgeräte bestimmen das Verhalten der

Materialflusselemente und des Materials

Lesegeräte ermitteln die Eigenschaften der Elemente

Schreib- und Lesegeräte werden über einheitliche

Schnittstelle an die Materialflusselementen verbunden

Das Verhalten kann nachträglich durch Hinzufügen

weiterer Devices geändert werden

Benefit

Verständlichkeit durch standardisierte Bausteine mit

Ein- und Ausgängen

Übersichtlichkeit, da nur relevante Eigenschaften

modelliert werden

Nachträgliche Erweiterungen bestehender Modelle

Device

Schreibgeräte

Device

Lesegeräte

Element

Materialfluss


Materialfluss –“Elements“ aus Baustein-Bibliotheken

36

Transportation Handling Sensing Material Pools & Storing


Materialfluss – graphische Modellerstellung in 3D

37

Features

Automatische Darstellung der

modellierten Materialfluss-Elemente

in 3D

Positionierung und Parametrierung

der Materialfluss-Elemente im Layout

Überlagerung mit originalen 3D-

CAD-Daten der Anlage (Layer)

Dynamische Anzeige der

prozessrelevanten Informationen für

Elemente und Material

Einfaches Engineering durch

Kopplung des Verhaltensmodells und

der graphischen Repräsentation


Materialfluss – Simulationsmodelle aus Bausteinen

38

Mehrwert

Einfaches Verstehen des

Modellverhaltens auf Basis des

Blockschaltbilds

(keine Programmierung)

Automatische Modellgenerierung

durch einfachen

Konfigurationsvorgang

3D-Visualisierung auf „einen Klick“

verfügbar

Überlagerung von CAD- und

Materialflusselement-Geometrien

möglich

Hoch-

regal-

lager

Umwerfer

Regal-

bedien-

gerät

Eck-

umsetzer

Licht-

schranke

Linear-

förderer


Materialfluss – Systemtest (Handhabung / Bearbeitung)

39

KUKA CNC - HMI

ISG-virtuos - Testszenario

ISG-virtuos – 3D-Visualisierung und Abtragsimulation

ISG-virtuos – Anlagenmodell


Materialfluss – Abtragssimulation und Kollisionserkennung

40

Abtragssimulation

Präzise, fotorealistische Darstellung

Arbeitsfortschritt in Echtzeit

Kollisionserkennung

Definition von Körperpaaren

Anzeige und Meldung von Kollisionen


Co-Simulation – ISG-virtuos als Integrationsplattform für die VIBN

41

windowsbasierte

Materialflusssimulation

(AgX Dynamics)

zeitdeterministischer

Echtzeit-Materialfluss

(MFphys)

Kooperationen

Forschung

Halle 6-360 LIB

z.B. Physic Engine

Bausteinbibliothek

Konfiguration /

Parametrierung

Integration von

Simulationsbibliotheken

Einbindung externer

abgeschlossener Modelle E

ing

än

ge

𝑢

Au

sg

än

ge

𝑦

Parameter 𝑝

FMU

Functional Mockup Unit

MapleSim

Matlab


Testautomatisierung mit digitalen Zwillingen


Testautomatisierung – Entwicklung

43

Test an der realen Anlage

▼ kann erst nach Fertigstellung der Anlage durchgeführt werden

▼ verlängert die Lieferzeit der Anlage

▼ Gefahr von Beschädigungen an der Anlage

▼ fehleranfällig aufgrund menschlicher Faktoren

Test mit realer Steuerung an virtuellen Anlagen (HILS)

kann vor der Auslieferung der Anlage vorgenommen werden

umfangreiche und gefahrlose Tests auch von Störsituationen

▼ hoher Zeitaufwand bei umfangreichen Testszenarien

▼ fehleranfällig aufgrund menschlicher Faktoren

Automatisierter Test mit realer Steuerung an virtuellen Anlagen

erhöhte Software-Qualität durch erhöhten Testumfang

zuverlässige Ergebnisse durch Ausschluss menschlicher Fehler

reproduzierbare Testergebnisse inklusive Protokollierung

integrierbar ins Anforderungsmanagement

frü

he

r h

eu

te

ne

u

VIBN

CAST


Testautomatisierung – Modellbasierte Testszenarien

44

Mehrwert

Testautomatisierung auf Basis von digitalen

Zwillingen unterstützt den gesamten

Produktentwicklungszyklus inklusive der

Inbetriebnahme

Komponenten-, Integrations- und Systemtests

werden anhand dergleichen Testfälle und Testpläne

vorgenommen und führen zu signifikanten

Kosteneinsparungen

Modellbasierte Testpläne werden einfach ohne

Programmierkenntnisse erstellt und sind auch für

Schulungszwecke gut verständlich

Flexible Testabläufe unterstützen dynamische und

parallele Vorgänge und berücksichtigen

prozessspezifische Vorbedingungen


Testautomatisierung – Grafische Testerstellung

45

Vorteile

Schnelle und einfache Erstellung

von Aktionen mit grafischen

Bausteinen auch ohne

Programmierkenntnisse

Bausteine werden per Drag & Drop

zu komplexeren Aktionen resp.

Testfällen verknüpft

Testfälle können dann zu

Testplänen zusammengefasst

werden

der Test kann sofort beginnen

Einzelaktion

Warten auf

Bedingung

(Loop)

Verknüpfungen

Überprüfungs

-größen

(dynamisch)

Überprüfung auf

Zielerreichung

positive bzw.

negative

Testergebnisse


Testautomatisierung – Projektstruktur

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Features

Das Testautomatisierungs-System

ermöglicht reproduzierbare Tests

durch Testpläne inklusive

Testprotokollierung

Testpläne werden aus

wiederverwendbaren Testfällen /

Aktionen zusammengestellt

Testpläne können für wiederholte

Tests und Analysen in einer

Test-Suite verwaltet werden

Testszenarien lassen sich auch mit

einem Rekorder aufnehmen

Aufgenommene Aktionen können

geändert, erweitert bzw.

parametrisiert werden

Testplan

Testfälle

Testaktion


Testautomatisierung – protokolierbare Testergebnisse

47

Features

Das Testergebnis wird im Testplan

transparent dargestellt

In der Projektstruktur wird ein

negativ abgeschlossener Testfall

markiert und ist sofort auffindbar

zu jedem negativen Testergebnis

wird die Fehlerursache und die

zugehörigen Parameter dargestellt

Das Testergebnis wird in einstellbarer

Detaillierung protokoliert

Status für den

gesamten Testplan

positiv abgeschlossene

Testfälle

Testfehler inklusive

Fehlerursache

negativ abgeschlossener

Testfall


Digitaler Zwilling – wirtschaftlicher Nutzen

48

Virtuelle Inbetriebnahme führt zu:

Gerne unterstützten wir Sie bei

der Einführung der Simulationstechnologie

in Ihrem Unternehmen.

Im Rahmen eines Einführungsworkshops

werden Ihre spezifischen Anforderungen

anhand Ihrer konkreten Realisierung

kurzfristig überprüft.

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