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.



  • Warenstau im Reich der Mitte

    Warenstau im Reich der Mitte

    Warentransporte von China nach Europa sind derzeit mit deutlich höheren Kosten als verbunden, als noch vor einigen Wochen. Containerschiffe sind ausgebucht, in der Luftfracht fehlen Kapazitäten und Waggons für Bahntransporte…

    mehr lesen: Warenstau im Reich der Mitte

  • Dassault Systèmes übernimmt alle Anteile von NuoDB

    Dassault Systèmes übernimmt alle Anteile von NuoDB

    Um die Weiterentwicklung seiner 3DEexperience-Plattform im Bereich Cloud und Data Science voranzutreiben, hat Dassault Systèmes das US-Unternehmen NuoDB übernommen.

    mehr lesen: Dassault Systèmes übernimmt alle Anteile von NuoDB

  • Modulare Sicherheit für modulare Produktionsanlagen

    Modulare Sicherheit für modulare Produktionsanlagen

    Die Industrie 4.0-Inititative SmartFactory-KL hat ein Whitepaper zur Absicherung von modularen Produktionsanlagen veröffentlicht. Die Grundlage für das Papier bildet ein ebenfalls modular aufgelegtes Safety-Konzept, das seit 2018 entwickelt wird.

    mehr lesen: Modulare Sicherheit für modulare Produktionsanlagen

  • Mehr Budget für mehr Digitalisierung

    Mehr Budget für mehr Digitalisierung

    Die Digitalisierung von Prozessen ist die Nummer-1-Priorität, wenn es um den Einsatz des IT-Budgets geht. Knapp die Hälfte im Rahmen einer Capgemini-Studie befragten Unternehmen will die Budgets im kommenden Jahr…

    mehr lesen: Mehr Budget für mehr Digitalisierung

  • Maschinen- und Anlagenbau trotzt der Krise

    Maschinen- und Anlagenbau trotzt der Krise

    Die Unternehmen im Maschinen- und Anlagenbau werden das Krisenjahr 2020 mit deutlichen Minusraten abschließen, die aber nicht so heftig ausfallen, wie erwartet. „Für nicht wenige Betriebe dürfte dieses Jahr im…

    mehr lesen: Maschinen- und Anlagenbau trotzt der Krise

  • Software AG und Re‘Flekt arbeiten zusammen

    Software AG und Re‘Flekt arbeiten zusammen

    Im Rahmen einer Partnerschaft wollen die Software AG und Re‘Flekt eine gemeinsame IoT & AR-Lösung auf den Weg bringen.

    mehr lesen: Software AG und Re‘Flekt arbeiten zusammen

  • Non-Profit-Verein soll Technologietransfer beschleunigen

    Non-Profit-Verein soll Technologietransfer beschleunigen

    Volkswagen hat mit sechs Partnerunternehmen den Industrial.Digitalisation PartnerNet e.V. gegründet. Die herstellerunabhängige Non-Profit-Organisation ist vor allem als Innovationsmotor für die Automobilbranche ausgelegt, aber auch andere Fertigungsbranchen sollen profitieren.

    mehr lesen: Non-Profit-Verein soll Technologietransfer beschleunigen

  • Intec und Z findet online statt

    Intec und Z findet online statt

    Auch das kommende Messejahr wird noch mit Einschränkungen zu kämpfen haben. Die Veranstalter der Intec und Z 2021 verlegen die Messe nun in die virtuelle Welt. Das Motto: ‘Intec und…

    mehr lesen: Intec und Z findet online statt

  • Auftragseingang auf Vorjahresniveau

    Auftragseingang auf Vorjahresniveau

    Im Oktober hielt sich der Auftragseingang der Maschinen- und Anlagenbauer auf dem Niveau des Vorjahres. Jedoch kommen die erneuten Einschränkungen in Folge der Corona-Krise im Berichtsmonat noch nicht zum Tragen.

    mehr lesen: Auftragseingang auf Vorjahresniveau

  • Vorteile von Standards und Normen nutzen

    Vorteile von Standards und Normen nutzen

    Für die Verbreitung von Innovationen sind Normen und Standards ein wichtiger Katalysator. Sie definieren die Meilensteine der Technik und ebnen innovativen Ideen den Weg zum Erfolg auf dem Markt. Auch…

    mehr lesen: Vorteile von Standards und Normen nutzen

  • Produktionspläne der Industrie gedämpft

    Produktionspläne der Industrie gedämpft

    Die Erwartungen der Produzenten an die nächsten Monate haben sich insgesamt wieder leicht ins Minus gedreht, ermittelten die Wirtschaftsforscher am ifo Institut. Vor allem Konsumgüter könnten sich wieder leicht schlechter…

    mehr lesen: Produktionspläne der Industrie gedämpft

  • IT-Sicherheit auf Linux-Basis

    IT-Sicherheit auf Linux-Basis

    In seiner kostenlosen Firewall Community, einer Sicherheitslösung auf Linux-Basis, steigt Endian ab der aktuellen Version 3.3.2 auf Rolling Releases um. Über Open-VPN können Mitarbeiter im Homeoffice sicher auf die Unternehmensressourcen…

    mehr lesen: IT-Sicherheit auf Linux-Basis