Die Inbetriebnahme stellt die Phase nach der Montage einer Produktionsanlage dar. Hierbei kann es aufgrund von Fehlern in der Anlage und/oder in der Anlagensteuerung und der in ihr eingebetteten Software zu einem Fehlverhalten der Anlage kommen. Dieses Fehlverhalten ist häufig Ursache für einen erhöhten Inbetriebnahmeaufwand, der durch die folgenden beiden Punkte begründet wird: – Produktionsausschuss: Um die Inbetriebnahme und den Hochlauf der Anlage korrekt durchführen zu können, muss die Anlage mit Prozessgut bestückt werden. Durch ein Anlagenfehlverhalten wird das in der Anlage befindliche Prozessgut nicht auf die gewünschte Art und Weise bearbeitet, was zu einem Produktionsausschuss führt. – Anlagenbeschädigungen: Durch ein Fehlverhalten der Anlage kann es zu Kollisionen zwischen Anlagenteilen untereinander und zwischen Anlagenteilen mit dem Prozessgut kommen. Die damit verbundenen notwendigen Reparaturen stellen einen zusätzlichen finanziellen und zeitlichen Aufwand dar. Virtuelle Inbetriebnahme Der in diesem Beitrag vorgestellte Ansatz der Hybriden Inbetriebnahme basiert auf der Methode der virtuellen Inbetriebnahme, häufig mit der Bezeichnung Hardware-in-the-Loop-Simulation gleichgesetzt. Dort wird die originale Steuerung mit einer Simulation der jeweiligen Produktionsanlage verbunden (Bild 1). Das Ziel besteht darin, die Steuerung gemeinsam mit dem darin eingebetteten Steuerungsprogramm zu testen, bevor die eigentliche Produktionsanlage gefertigt und montiert ist. Ein Hauptvorteil liegt darin, dass es auch bei einem fehlerhaften Steuerungsprogramm zu keinen realen Schäden an der Produktionsanlage kommen kann. Diese Methode ermöglicht somit auch das Testen des Anlagenverhaltens auf Störeinflüsse, wie z.B. Bedienfehler. Hybride Inbetriebnahme Der Ansatz der Hybriden Inbetriebnahme wurde mit dem Ziel konzipiert, den Inbetriebnahmeaufwand durch die Vermeidung von Anlagenbeschädigungen und durch die Reduzierung des Produktionsausschusses zu reduzieren. Zwei Grundgedanken kennzeichnen das Konzept der Hybriden Inbetriebnahme : – Schrittweise Aktivierung der Anlage: Ein schrittweises Aktivieren der Anlage ermöglicht ein Fokussieren auf einzelne Anlagenteile und deren Funktionsüberprüfung. Dadurch kann ein Fehlverhalten sofort erkannt und die entsprechende Aktorik deaktiviert werden. – Inbetriebnahme ohne Prozessgut: Die Inbetriebnahme einer Anlage ohne Prozessgut verhindert Kollisionen zwischen der Anlage und dem Prozessgut bei einem auftretenden Fehler. Somit kann sowohl eine Beschädigung der Anlage vermieden wie auch der Produktionsausschuss während der Inbetriebnahme reduziert werden. Systemaufbau Sowohl die schrittweise Aktivierung der Anlage als auch die Inbetriebnahme ohne Prozessgut führen bei einem gewöhnlichen Systemaufbau einer Produktionsanlage dazu, dass die Steuerung keine dem eigentlichen Prozess entsprechenden Sensorsignale empfängt. Da somit die Steuerung wiederum den technischen Prozess nicht im gewünschten Sinne steuern kann, ist für die Hybride Inbetriebnahme ein spezieller Systemaufbau notwendig. Die originale Anlagensteuerung wird hierbei sowohl mit der realen Anlage wie auch mit deren simulierbaren Nachbildung gekoppelt. Als Verbindungseinheit wird ein sogenannter Signalkoppler verwendet (Bild 2). Dieser Signalkoppler ermöglicht es, die von der Steuerung versendeten Steuerbefehle an die reale Anlage und deren Simulation weiterzuleiten oder zu stoppen. Die Entscheidung, ob ein Steuerbefehl an die reale oder simulierte Anlage weitergeleitet oder gestoppt wird, kann für jedes Signal frei konfiguriert werden. Ferner erlaubt es der Signalkoppler, entweder simulierte oder reale Sensorsignale an die Anlagensteuerung zurückzusenden. Auch hierfür kann der Signalkoppler für jedes einzelne Sensorsignal frei konfiguriert werden. Vorgehen Das Vorgehen der Hybriden Inbetriebnahme beginnt mit der vollständigen virtuellen Inbetriebnahme. Zu diesem Zeitpunkt werden die Steuerbefehle von dem Signalkoppler ausschließlich an die simulierte Anlage weitergeleitet. Die reale Anlage bleibt somit vollständig inaktiv. Um den Regelkreis zwischen Anlage und Steuerung aufrecht zu erhalten, leitet der Signalkoppler sämtliche Sensorsignale von der simulierten Anlage an die Anlagensteuerung weiter. In den nächsten Schritten werden die Steuerbefehle nach und nach an die reale Anlagenaktorik weitergeleitet. Dadurch wird die Anlage schrittweise aktiviert. Für Anlagensensorik, die hierbei aktiv geschaltet wurde, werden nun die realen statt der entsprechenden simulierten Signale von dem Signalkoppler an die Steuerung weitergeleitet. Da sich zu diesem Zeitpunkt noch keinerlei Prozessgut in der Anlage befindet, wird der Zustand von Sensorik, die ausschließlich von Prozessgütern ausgelöst wird (z.B. Barcodescanner und Lichtschranken), nach wie vor von der Simulation an die Steuerung übermittelt. Nach der vollständigen Aktivierung der Anlage, d.h. nachdem sämtliche Steuerbefehle vollständig an die Anlagenaktorik gesendet werden, kann die Anlage ganzheitlich auf korrekte Funktionsweise überprüft werden. Da sich zu diesem Zeitpunkt nach wie vor kein Prozessgut in der Anlage befindet, wird hierbei auch von der \’Inbetriebnahme ohne Prozessgut\‘ gesprochen. Im letzten Schritt kann nun die Anlage mit Prozessgut bestückt und damit die letzten Feinjustierungen an der Anlage vorgenommen werden. Signalkoppler für Profibus DP Für Anlagen, deren Komponenten über einen oder mehrere Feldbusse miteinander verschalten sind, muss der für die Hybride Inbetriebnahme unabdingbare Signalkoppler gewisse Anforderungen erfüllen. Für das Feldbussystem Profibus DP wurde am Lehrstuhl für Informationstechnik im Maschinenwesen, Technische Universität München, ein solcher Signalkoppler prototypisch entwickelt. Dieser Signalkoppler wird über drei Anschlüsse mit der Anlage, der Anlagensteuerung und der Anlagensimulation verbunden (Bild 3). Über vier auf dem Signalkoppler befindliche Kippschalter lassen sich insgesamt 16 vorprogrammierte Konfigurationen auswählen. Für jede dieser Konfigurationen wird in einer hinterlegten Tabelle genau festgelegt, welche Steuerbefehle an welchen Busteilnehmer und gleichzeitig welche Sensorsignale von den realen und welche von den simulierten Busteilnehmern an die Steuerung weitergeleitet werden sollen. Fazit Die Hybride Inbetriebnahme ist ein neuer Ansatz, der es ermöglicht, Produktionsanlagen sicher in Betrieb zu nehmen. Er baut auf der Methode der virtuellen Inbetriebnahme auf. Kern der Hybriden Inbetriebnahme ist ein schrittweiser Übergang von einer virtuellen zu einer realen Inbetriebnahme. Der für die Hybride Inbetriebnahme unabdingbare Signalkoppler wurde prototypisch für das Feldbussystem Profibus DP entwickelt. Kasten: Definition: Hybride Inbetriebnahme Unter Hybrider Inbetriebnahme wird die Überführung einer Maschine oder Anlage nach ihrer Montage in den Dauerbetriebszustand verstanden. Dabei ist die Maschine bzw. Anlage zusammengesetzt aus realen Anlagenteilen, wie Aktorik, Sensorik und Mechanik. Zusätzlich steht eine simulierbare Nachbildung dieser Anlage bereit. Im Laufe des Inbetriebnahmeprozesses wird die simulierte Anlage schrittweise durch die reale Anlage ersetzt. Die Hybride Inbetriebnahme beschreibt somit ein schrittweises Vorgehen von der virtuellen zur realen Inbetriebnahme.
TU Technische Universität München
