Dabei ist die Simulation eines der zentralen Elemente der modellbasierten Entwicklung. Freilich eines mit vielen Gesichtern. Was die Thematik nicht gerade einfacher macht. Denn bevor mit der Modellierung begonnen werden kann, muss sich der Entwickler ganz genau darüber im Klaren sein, was eigentlich simuliert werden soll. Unterscheidungen gibt es hier zum einen zwischen – den einzelnen Domänen (Mechanik, Prozessmodell, Materialfluss) und – zum anderen zwischen Maschinenmodell und Steuerungsfunktionalität. Während ersteres vor allem die Wahl des verwendeten Simulationswerkzeuges sowie die Art der Modellierung (FE-Modell, Differentialgleichungssystem, physikalische Modellierung; siehe Tabelle 1) beeinflusst, handelt es sich bei letzterem um eine grundsätzliche Unterscheidung. Natürlich sollen letztendlich Maschinenmodell und Steuerungsfunktionalität im Zusammenspiel getestet werden. Dennoch müssen die beiden in der Entwicklung klar voneinander getrennt betrachtet werden. Die Art der Modellierung der Steuerungsfunktionalität hängt vom verwendeten Zielsystem ab. So können beispielsweise in Simulink implementierte Regelalgorithmen oder in Stateflow formulierte Schrittketten und Abläufe mittels \’Automation Studio Target for Simulink\‘ auf Knopfdruck auf die B&R Hardware übertragen werden. Bei der Erstellung eines geeigneten Maschinenmodells wird die Angelegenheit schon schwieriger. Auswahl des Modellierungswerkzeuges und Detaillierungsgrad hängen sehr stark vom gewünschten Ergebnis ab. So macht es etwa für die Abbildung der Dynamik des Abwickelprozesses einer Folienanlage wenig Sinn, ein Temperaturmodell für die verwendeten Antriebe zu erstellen, wenn es um die Implementierung einer Zugspannungsregelung geht. Soll das Modell allerdings dazu dienen, die Systemgrenzen in der Simulation auszuloten, dann ist die Berücksichtigung des Temperaturverhaltens unerlässlich. Verschiedene Ausprägungen der virtuellen Maschine Ebenso wie das Simulationsmodell der Steuerungslogik kann auch das Maschinenmodell sowohl am Entwicklungsrechner als auch auf einem Echtzeitzielsystem – also einer Industriesteuerung oder einem Industrie-PC – ausgeführt werden. Die Anzahl der möglichen Konfigurationen ist umfangreich und deren Auswahl von der Situation abhängig. Daher sollen im Folgenden die geläufigsten Ausprägungen einer virtuellen Maschine behandelt werden. Maschinensimulation Geht es dabei um die reine Ermittlung des Maschinenverhaltens im Zusammenspiel mit der entwickelten Steuerungsfunktionalität am Entwicklungsrechner, so ist die Kopplung der Simulationsmodelle (für Maschine und Maschinenlogik) der zielführende Weg. Die einfachste Möglichkeit für die Gesamtsimulation besteht dann, wenn beide Modelle in derselben Entwicklungsumgebung erstellt wurden. So bietet etwa Simulink die Möglichkeit, Teilmodelle – sogenannte \’Submodels\‘ – zu einem Gesamtmodell zusammenzuführen und zu simulieren. Im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung werden diese Submodels in Bibliotheken abgelegt und für weitere Entwicklungen wiederverwendet. Wurden Streckenmodell – also das Modell der Anlage, Maschine oder kritischer Anlagenteile – und Steuerungslogik in unterschiedlichen Werkzeugen implementiert, so können entsprechende Importmöglichkeiten für die Gesamtsimulation genutzt werden. Ein in MapleSim erstelltes physikalisches Maschinenmodell wird dann beispielsweise in Simulink importiert und dort mit der in Stateflow aufgebauten Steuerungslogik und dem aus Simulink Blöcken erstellten Regler verknüpft. Software-in-the-Loop Einheitliche Schnittstellen bieten die Möglichkeit einer Software-in-the-Loop Simulation. Dabei werden zwei (oder mehr) Werkzeuge für die Simulation miteinander gekoppelt. Neben der taktgenauen Synchronisation muss hier für den bidirektionalen Datenaustausch gesorgt werden. Beispielhaft soll die Anbindung einer in Simulink modellierten Anlage an die Simulations SPS von B&R, die unter dem Namen \’ARsim\‘ in die Entwicklungsumgebung Automation Studio integriert ist, demonstriert werden. Für den Datenaustausch kommen hier neben der von B&R spezifizierten PVI Schnittstelle sowohl OPC als auch das WinIO Protokoll in Frage. Die Synchronisation der beiden Werkzeuge erfolgt über UDP. Der Ablauf gestaltet sich folgendermaßen: Im ersten Schritt werden die in Simulink vorliegenden Differentialgleichungssysteme des Maschinenmodells für einen Abtastschritt gelöst. Das Ergebnis wird in Form von Prozessvariablen – genauso wie später an der realen Anlage – an die Simulationssteuerung übergeben, und ein entsprechendes Taktsignal für die Synchronisation übermittelt. Daraufhin wird genau ein Steuerungszyklus in der ARsim Umgebung ausgeführt. Das Ergebnis wird gemeinsam mit dem Taktsignal zurück an Simulink übertragen. Auf diese Weise bleibt das Echtzeitverhalten zwischen virtueller Maschine und Steuerung durchgängig erhalten, obwohl der Simulationsvorgang für den Beobachter am Entwicklungsrechner in dessen eigener Nicht-Echtzeit-Domäne abläuft. Vorgänge, die in der Realität langsam vor sich gehen, wie etwa Temperaturverläufe in einem Extruder, können beschleunigt verifiziert werden, während schnelle Vorgänge, z.B.in der Hydraulik, langsamer dargestellt werden. Hardware-in-the-Loop Um den Nutzen einer virtuellen Maschine in vollem Umfang nutzen zu können, wird das Maschinenmodell auf ein Industriesteuerungssystem übertragen, das das Maschinenverhalten in Echtzeit emuliert. Voraussetzung dafür ist eine industrietaugliche Hardwareplattform, die die durchgängige Automatische Codegenerierung umfangreicher Modelle unterstützt. Bei B&R können in Simulink, Stateflow, SimScape oder MapleSim aufgebaute Modelle mit bis zu mehreren tausend Einzelblöcken auf Knopfdruck auf das Zielsystem – eine Industriesteuerung oder einen Industrie-PC – übertragen werden. Möglich macht das leistungsfähige Steuerungstechnik sowie die perfekte Abstimmung aller Komponenten. Ein so entstandenes Hardware-in-the-Loop-System kann dann über diverse Feldbusse oder über Hardware I/Os an die Maschinensteuerung angebunden werden. Auch eine Kopplung über das WinIO-Protokoll ist möglich. Der Steuerung kann auf diesem Weg eine angeschlossene reale Maschine vorgegaukelt werden. Als sinnvolle Erweiterung werden CAD-Zeichnungen der Maschine dazu verwendet, die virtuelle Maschine als 3D-Modell abzubilden und deren Verhalten live zu visualisieren. Die Anzahl möglicher Einsatzgebiete ist umfangreich. Den größten Nutzen hat sicherlich der Steuerungsprogrammierer, der von seinem Arbeitsplatz aus sicher und komfortabel neue Abläufe und Algorithmen testen kann, ohne dabei Gefahr zu laufen, Schaden an der Maschine oder gar an Personen anzurichten. Auch der Maschinenkonstrukteur profitiert von den Möglichkeiten der modellbasierten Entwicklung; Einsparungen durch geringer dimensionierte Antriebe oder ein leichteres Konstruktionsmaterial lassen sich an der virtuellen Maschine deutlich schneller und kostengünstiger testen als an physikalischen Prototypen. Sichere Bedienung durch virtuelle Inbetriebnahme Für die sichere Einschulung von Bedienpersonal und für die Ausbildung von Maschineninbetriebnehmern eignet sich eine virtuelle Maschine in Form eines Hardware-in-the-Loop-Systems ebenfalls gut. Der Trainierende bedient die virtuelle Maschine direkt über die Bedienoberfläche, die er später auch an der realen Anlage zur Verfügung hat. Dabei kann er sich gefahrlos mit der Bedienung und den möglichen Prozesseinstellungen vertraut machen. Und auch für die Präsentation der Maschinensoftware bei Kundenterminen oder auf Messen und Ausstellungen eignet sich eine entsprechend aufbereitete virtuelle Maschine. In der Prozessindustrie ist es zum Teil üblich, ein Anlagenmodell in Form eines Beobachtersystems im laufenden Betrieb auf der Steuerung mitlaufen zu lassen. So können kritische Situationen durch Vergleich von Soll- und Ist-Verhalten schneller erkannt werden. Fazit Insgesamt bieten sich zahlreiche Anwendungsgebiete für den Einsatz von virtuellen Maschinen, die allesamt zu effizienter Entwicklung, Inbetriebnahme und Schulung beitragen und damit den erhöhten Aufwand, der mit der Modellbildung verbunden ist, rechtfertigen. Alleine durch die weitgehende Einsparung von physikalischen Prototypen können Zeit, Ressourcen und Kosten gespart werden. Allerdings ist es wichtig, sich vorab darüber klar zu werden, was im Modell abgebildet werden soll und was nicht. Nur dann ist die virtuelle Maschine ein mächtiges und nachhaltiges Entwicklungswerkzeug für den Maschinenbau der nächsten Jahre. ((Tabelle)): Simulationsumfang Werkzeug Steuerungsalgorithmus (Regler, Filter, Beobachter) Simulink Steuerungsalgorithmus (Ablaufsteuerungen, Schrittketten) Stateflow Maschinenmodell (mechanische oder hydraulische Bewegungen) MapleSim, SimScape Maschinenmodell (mechanische Konstruktion, Temperaturverteilungen) FE-Modellierungswerkzeuge Tabelle 1: Welche Werkzeuge sind für die Modellierung und Simulation besonders geeignet?* * Die in der Tabelle aufgeführten Werkzeuge erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Es handelt sich hier um Erfahrungswerte, die bei der Modellierung von Steuerungsalgorithmen und Maschinenmodellen gemacht wurden.
B&R Industrial Automation GmbH
