Digitale Zwillinge im Planungsprozess von Maschinen

Ein digitaler Zwilling (li.) ermöglicht es, die SPS-Automatisierungslogik vor dem Einsatz zu testen, zu verfeinern und zu validieren. So lassen sich in einer frühen Phase des Planungsprozesses Fehler vermeiden und die Projektlaufzeit reduzieren.
Ein digitaler Zwilling (li.) ermöglicht es, die SPS-Automatisierungslogik vor dem Einsatz zu testen, zu verfeinern und zu validieren. So lassen sich in einer frühen Phase des Planungsprozesses Fehler vermeiden und die Projektlaufzeit reduzieren. – Bild: SEW-Eurodrive GmbH & Co KG

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

Mit dem RobotMonitor lässt sich ein simulierter Roboterarm am PC steuern und seine Bewegungen überprüfen.
Mit dem RobotMonitor lässt sich ein simulierter Roboterarm am PC steuern und seine Bewegungen überprüfen. – Bild: SEW-Eurodrive GmbH & Co KG

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.

Das Konzept der neuen Controllergeneration UHX86A eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten auch während des Maschinenbetriebs. Echte Physik-Simulationen mit dem digitalen Zwilling sind möglich, ohne dass zusätzliche Hardware in die Maschine eingebracht werden muss.
Das Konzept der neuen Controllergeneration UHX86A eröffnet neue Anwendungs-möglichkeiten auch während des Maschinenbetriebs. Echte Physik-Simulationen mit dem digitalen Zwilling sind möglich, ohne dass zusätzliche Hardware in die Maschine eingebracht werden muss.- Bild: SEW-Eurodrive GmbH & Co KG

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.



  • Starkes Netzwerk in unsicheren Zeiten

    Starkes Netzwerk in unsicheren Zeiten

    Die SPS in Nürnberg ist der Branchentreff für Automatisierer. Welche Trends dabei in diesem Jahr hervorstechen und was Besucher darüber hinaus erwarten können, berichtet Silke Schulz-Metzner, Vice President SPS beim…

    mehr lesen: Starkes Netzwerk in unsicheren Zeiten

  • Die Welt der Automatisierung auf 120.000m²

    Die Welt der Automatisierung auf 120.000m²

    Zur 32. Ausgabe der SPS – Smart Production Solutions werden in 16 Messehallen mit rund 120.000m² Ausstellungsfläche mehr als 1.300 Aussteller aus der ganzen Welt erwartet. Neben Innovationen bietet der…

    mehr lesen: Die Welt der Automatisierung auf 120.000m²

  • Das gesamte Spektrum der Elektronikfertigung

    Das gesamte Spektrum der Elektronikfertigung

    Die Elektronikfertigungsindustrie trifft sich vom 14. bis zum 17. November in München. Auf der dortigen Produktronica stehen in diesem Jahr unter anderem die Leitthemen künstliche Intelligenz, Leistungselektronik sowie Quantentechnologien im…

    mehr lesen: Das gesamte Spektrum der Elektronikfertigung

  • Materialengpässe in der Industrie leicht rückläufig

    Materialengpässe in der Industrie leicht rückläufig

    Situation weiter entspannt Materialengpässe in der Industrie leicht rückläufig Mehr als die Hälfte der Unternehmen aus dem Automobilbau berichtet nach wie vor von Materialengpässen. In vielen anderen Industriesektoren hat sich…

    mehr lesen: Materialengpässe in der Industrie leicht rückläufig

  • Connected-Worker-Plattform

    Connected-Worker-Plattform

    Connected-Worker-Plattform Sieben Schritte zur autonomen Instandhaltung Gestiegene Preise belasten die deutsche Industrie weiterhin. Und auch beim Thema Fachkräfte ist keine Entspannung in Sicht. Hier kommt die autonome Instandhaltung ins Spiel.…

    mehr lesen: Connected-Worker-Plattform

  • Markus Wambach wird COO bei MHP

    Markus Wambach wird COO bei MHP

    Geschäftsführung erweitert Markus Wambach wird COO bei MHP MHP erweitert zum 1 Januar 2024 die Geschäftsführung. Markus Wambach verantwortet dann das operative Geschäft der Management- und IT-Beratung.

    mehr lesen: Markus Wambach wird COO bei MHP

  • Thomas Hibinger wird CEO der Viastore Group

    Thomas Hibinger wird CEO der Viastore Group

    Philipp Hahn-Woernle übergibt den Staffelstab Thomas Hibinger wird CEO der Viastore Group Die Viastore-Gruppe steht ab dem 1. Januar 2024 unter neuer Leitung. Thomas Hibinger übernimmt dann das Amt des…

    mehr lesen: Thomas Hibinger wird CEO der Viastore Group

  • Materialengpässe in der Industrie erneut rückläufig

    Materialengpässe in der Industrie erneut rückläufig

    Ifo-Umfrage Materialengpässe in der Industrie erneut rückläufig Im August waren erneut weniger Industrieunternehmen von Materialengpässen betroffen als noch im Juli. Am stärksten betroffen ist nach wie vor die Autoindustrie.

    mehr lesen: Materialengpässe in der Industrie erneut rückläufig

  • Fraunhofer IPA bietet Potenzialanalyse für die Intralogistik

    Fraunhofer IPA bietet Potenzialanalyse für die Intralogistik

    Fahrerlose Transportfahrzeuge und mobile Roboter Fraunhofer IPA bietet Potenzialanalyse für die Intralogistik Die Nachfrage nach mehr Automatisierung für intralogistische Abläufe ist hoch. Wann und wie genau sich fahrerlose Transportfahrzeuge oder…

    mehr lesen: Fraunhofer IPA bietet Potenzialanalyse für die Intralogistik

  • Rockwell Automation übernimmt Clearpath Robotics

    Rockwell Automation übernimmt Clearpath Robotics

    Rockwell Automation übernimmt Clearpath Robotics Durch die Übernahme des kanadischen Robotik-Spezialisten Clearpath Robotics will Rockwell sein Portfolio für die autonome Produktionslogistik ergänzen.

    mehr lesen: Rockwell Automation übernimmt Clearpath Robotics

  • LeanBI und Substring kooperieren

    LeanBI und Substring kooperieren

    IoT-Anwendungen für die Industrie LeanBI und Substring kooperieren Gemeinsam wollen LeanBI und Substring Produkte für das Internet der Dinge entwickeln und anbieten. Dafür haben die Unternehmen eine Entwicklungs- und Vertriebs-Kooperation…

    mehr lesen: LeanBI und Substring kooperieren

  • Thomas Hähn wird Vorstandsmitglied

    Thomas Hähn wird Vorstandsmitglied

    VDMA Robotik Thomas Hähn wird Vorstandsmitglied Der Vorstand von VDMA Robotik hat Thomas Hähn, Gründer & CEO der United Robotics Group, als neues Vorstandsmitglied berufen.

    mehr lesen: Thomas Hähn wird Vorstandsmitglied