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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)
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Digitaler Zwilling – Inbetriebnahme an virtuellen Modellen
2
Virtuelle Inbetriebnahme und digitaler Zwilling
Testautomatisierung mit digitalen Zwillingen
„best practice“ - Anwendungen
Physikalischer Materialfluss in Steuerungsechtzeit
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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
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ISG-kernel – CNC, RC und Motion für komplexe Kinematiken
4
Copyright WAFIOS AG 2016
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Virtuelle Inbetriebnahme und digitaler Zwilling
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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
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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
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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)
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Digitaler Zwilling – virtuelle Inbetriebnahme (Stand 2017)
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Digitaler Zwilling – virtuelle Inbetriebnahme (Trend/Bedarf 2017+)
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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
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Digitaler Zwilling – virtuelle Komponenten für die Automatisierung
12
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 …)
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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
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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
le K
om
po
nen
ten
vir
tuell
e K
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
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Digitaler Zwilling – Bsp. Hydraulik/Pneumatik
16
Komponenten-LIB
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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
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Digitaler Zwilling – Anbindung von Steuerungen
18
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)
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Digitaler Zwilling – komplexe, verkettete Produktionssysteme
19
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
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Digitaler Zwilling – offene, erweiterbare Simulationsplattform
20
Projektierungs- und Programmierwerkzeuge
Engineering-Werkzeuge virtuelle Inbetriebnahme
reale Feldbusse
reale Steuerungen
SDK C++
Echtzeitsolver
4155
577.04
4512120
4155
44498.045
55185.121
4155
577.04
4512120
)ln(
)(
,,
,,
,,,,
einWausÖl
ausWeinÖl
einWausÖlausWeinÖl
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
…
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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
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„best practice“ - Anwendungen
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„best practice“ – Anwender und Partner
23
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„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
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„best practice“ – Digitaler Zwilling / Fabriksimulation, HOMAG
25
mit freundlicher Freigabe der HOMAG Group
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„best practice“ – Packaging, KOCH Pac-Systeme
26
mit freundlicher Freigabe der KOCH Pack-Systeme GmbH
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„best practice“ – Engineeringprozess, EISENMANN SA
27
mit freundlicher Freigabe der EISENMANN SA
E-Pass, EISENMANN SA
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„best practice“ – Schulungskonzept, ZF Friedrichhafen AG
28
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
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„best practice“ –Schulungssystem mit digitalem Zwilling
29
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
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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
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Physikalischer Materialfluss in Steuerungsechtzeit
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Materialfluss – Kundenanforderungen
32
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 …)
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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
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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
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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
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Materialfluss –“Elements“ aus Baustein-Bibliotheken
36
Transportation Handling Sensing Material Pools & Storing
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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
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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
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Materialfluss – Systemtest (Handhabung / Bearbeitung)
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KUKA CNC - HMI
ISG-virtuos - Testszenario
ISG-virtuos – 3D-Visualisierung und Abtragsimulation
ISG-virtuos – Anlagenmodell
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Materialfluss – Abtragssimulation und Kollisionserkennung
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Abtragssimulation
Präzise, fotorealistische Darstellung
Arbeitsfortschritt in Echtzeit
Kollisionserkennung
Definition von Körperpaaren
Anzeige und Meldung von Kollisionen
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Co-Simulation – ISG-virtuos als Integrationsplattform für die VIBN
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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
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Testautomatisierung mit digitalen Zwillingen
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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
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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
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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
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Testautomatisierung – Projektstruktur
46
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
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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
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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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