Die Grundidee der virtuellen Inbetriebnahme ist es, eine Produktionsanlage bereits zu testen, wenn sich die reale Maschine noch im Aufbau befindet. So können bereits in einer frühen Phase des Planungsprozesses Fehler vermieden und die Projektlaufzeit reduziert werden. Die virtuelle Inbetriebnahme ist allerdings nur eine Einsatzmöglichkeit eines digitalen Modells: digitale Zwillinge bieten für alle Beteiligten im Planungsprozess Potenzial.
Unterstützung in der Entwicklung
Die physische Simulation der Maschine unterstützt den Konstrukteur und die Programmiererin bei der die Optimierung des Bewegungsablaufs. Dabei wird die Bewegung im Millisekunden-Takt berechnet und in gleichen Zeitabständen deterministisch ausgeführt. Die berechneten Positionen werden an das 3D-Modell übergeben, die Bewegung sichtbar gemacht. Es wird ersichtlich, an welchen Stellen die Mechanik noch optimiert und welche Parameter im Programm gegebenenfalls verändert werden müssen. In der Produktwelt des Antriebsspezialisten SEW Eurodrive werden für diese Simulation die Prozessdaten von einem Test-PC über den Feldbus an den Controller UHX65A des Herstellers übermittelt, in den Movikit-Softwaremodulen verarbeitet und in Positionsdaten umgesetzt. Weil die Antriebselektronik noch nicht angeschlossen ist, laufen die Movikits im Simulationsmodus. Dabei simuliert der Controller die Bewegung so, als ob echte Antriebshardware angeschlossen wäre und schickt die virtuellen Positionsdaten an die Software auf dem PC, um dem dreidimensionalen Modell Richtung und Weg zu weisen.
Hilfe bei der Projektierung
Ein digitales Modell unterstützt auch den Auswahlprozess der Antriebe. So können Betriebe verschiedene Motor-Getriebe-Kombinationen testen, um die für sie bestmögliche Kombination zu ermitteln – etwa ob ein hochdynamischer Servomotor, eine Wasserkühlung oder eine Kombination mit höherer Massenträgheit verwendet werden sollte. Dazu gehört auch die Frage, ob ein Zwischenkreisverbund erforderlich ist. Das Planungs- und Projektierungstool Workbench steht auf der SEW-Homepage zum freien Download bereit. Es verfügt über eine Datei-Import-Funktion für die Simulationsdaten. Drehmomente, Beschleunigung, Geschwindigkeit und Weg werden in Diagrammen dargestellt und fließen in die Antriebsauslegung ein. Für die energetische Auslegung, z.B. die Verwendung von Energiespeichern im Zwischenkreis, stehen weitere Optionen zur Verfügung. Der Automatisierungstechnik-Hersteller unterstützt bei der Optimierung dieser Auslegung. Um zu prüfen, ob die Antriebe in die Maschine passen, können Anwender CAD-Modelle der Motoren, Getriebe und Elektronikkomponenten im Online-Support generieren und in verschiedenen 3D- und 2D-Formaten herunterladen.
Werkzeug auch für Programmierer
SPS-Programmierer sind daran interessiert, ob Prozessablauf und Bewegungen funktionieren. Hierzu wollen sie den Ablauf der Steuerung im Quellcode beobachten, während sie Einblicke in die Bewegungsfunktionen haben. Movikit-Softwaremodule ermöglichen, ein- und ausgehende Feldbusdaten über eine grafische Oberfläche anzuzeigen. Damit lässt sich überprüfen, ob alles korrekt umgesetzt wird, auch im Simulationsmodus. Die Fertigstellung des SPS-Programms kann erfolgen, bevor es in die Antriebselektronik geladen wird. Sogar der simulierte Roboterarm lässt sich mit dem RobotMonitor auf dem Bedienteil oder am PC steuern und die Bewegungen überprüfen. Da alle Tests in einer simulierten Umgebung stattfinden, besteht kein Risiko, physische Geräte beschädigt werden.
Vereinfachte Schulung
Zukünftige Maschinenbediener können zusammen mit den Entwicklern der Bedienoberfläche die Einrichtung und Bedienung der Anlage erlernen. Dazu ist die Maschine beispielsweise mit Touchdisplays ausgestattet, die über ein Ethernetkabel mit der Steuerung verbunden sind. Die Anordnung der Informationen und Schaltflächen auf den Displays entspricht exakt der späteren Anordnung an der Anlage. Die Unterweisung kann komplett ohne eine reale Maschine erfolgen.
Model Based Monitoring
Prozesstechniker möchten vor dem Echtzeitbetrieb sicherstellen, dass ihre Annahmen zur Maschine und dem Prozess korrekt sind. Dafür wird ein detailliertes Modell der Realität im Simulationsprogramm abgebildet. Es verarbeitet die eingehenden Prozessdaten und verhält sich so, wie es der Prozess mit den entsprechenden Parametern tun würde. Durch den Abgleich der realen Betriebsdaten mit vorher im Digitalmodell berechneten Daten, dem sogenannten Model Based Monitoring, können Fehler im Betrieb frühzeitig erkannt werden, damit die Anzahl defekter Teile sinkt. Auch ein erhöhter Energiebedarf, z.B. aufgrund von Maschinenverschleiß, lässt sich so erkennen.
Performante Steuerungen
Eine wichtige Anforderung ist, dass der Prozess dabei nicht gestört wird. Die Steuerungen UHX65A und UHX86A von SEW-Eurodrive können zwei Betriebssysteme parallel ausführen. Somit kann der Programmcode für die Prozess- und Bewegungssteuerung auf einem Echtzeitbetriebssystem laufen, während das Modell auf einem Windows-Betriebssystem ausgeführt wird. Die Daten der Steuerung werden verarbeitet, verglichen und über das Netzwerk auf einem externen Datenspeicher abgelegt. Standardisierte Schnittstellen und Simulationsmodi befähigen Anwender zu vielen Arbeiten ohne die Hardware der Elektromechanik. Das neue Hypervisor-Konzept der Steuerungsgeneration UHX86A und UHX65A eröffnet weitere Anwendungsmöglichkeiten, auch während des Maschinenbetriebs. Die 3D-Simulation kann dabei unabhängig auf dem Windows-Betriebssystem ausgeführt werden, sodass ein Vergleich zur realen im Betrieb befindlichen Maschine möglich ist. Echte Physik-Simulationen mit dem digitalen Zwilling sind möglich, ohne dass zusätzliche Hardware in die Maschine eingebracht werden muss.
