Inbetriebnahme von Maschinensteuerungen: Hardware-in-the-Loop-Simulation

Die Programmierung und Inbetriebnahme von Steuerungen für Maschinen und Anlagen erfolgt in der Regel zu einem Zeitpunkt, zu dem die restliche Hardware bereits gefertigt und montiert ist. Um schneller zum fertig getesteten System zu kommen, hat es sich bewährt, bereits begleitend zur Konstruktion und Fertigung virtuelle Maschinenmodelle anzufertigen. Diese simulieren das Verhalten der fertigen Anlage und werden über einen Feldbus an die Steuerung angeschlossen. Eine Feldstudie am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der TU München hat ergeben, dass in der praktischen Anwendung die Belegungszeit der fertig montierten Anlage für die Inbetriebnahme des Gesamtsystems um rund 80% reduziert werden kann. Dieser Vorteil wird jedoch durch eine personal- und zeitintensive Modellerstellung erkauft. Konzept Der Aufbau der Simulationsumgebung erfolgt insbesondere durch Auswertung der Maschinendokumentation in Form von technischen Zeichnungen sowie Stromlauf- und Fluidplänen. Dabei wird durch den umsetzenden Ingenieur das Verhalten jedes Bauteils abgeschätzt und in die Makrosprache einer Simulationsumgebung umgesetzt. Für komplexe Maschinen wird somit qualifizierte Arbeitskraft gebunden. Außerdem besteht die Gefahr, dass auf Grund der manuellen Übertragung von Daten Fehler begangen werden, womit das Verhalten des Simulationsmodells nicht mehr dem der realen Maschine entspricht. Datenmodell Wünschenswert wäre folglich eine automatische Übertragung der Informationen aus der technischen Dokumentation. Dies ist möglich, indem jeder Komponente eine beschreibende Gleichung zugeordnet wird. Diese setzt für elektrische Bauteile Ströme und Spannungen und für fluidtechnische Elemente Drücke und Durchflussströme an den Anschlusspunkten zueinander in Relation. Weitere Randbedingungen ergeben sich aus Kirchhoffschen Regeln, über denen die Ströme (Durchflussströme) und Spannungen (Drücke) verschiedener Anschlüsse zueinander in Relation stehen. Bild 1 verdeutlicht diese Aussagen anhand eines einfachen Beispiels, in dem ein Schütz einen elektrischen Verbraucher ansteuert. Aus Gründen der Anschaulichkeit wurden in den Modellgleichungen parasitäre Elemente, wie Innenwiderstände der Komponenten o.ä., weggelassen. Umsetzung Die Gleichungen des Datenmodells werden in Form von Zustandsdifferentialgleichungen auf einem Computer in Echtzeit gelöst. Eine Schnittstelle wandelt Signale, die von der Steuerung kommen, in Spannungen, die an den Ausgängen des Modells anliegen. Umgekehrt werden Spannungen an den virtuellen Steuerungseingängen als Signale zurückgegeben. Dieses Verfahren ist an den Spice-Algorithmus angelehnt, der seit 1966 in der Schaltkreissimulation angewendet wird. Zur Erstellung der Simulationsmodelle wurde ein Algorithmus zur Mustererkennung eingesetzt. Dieser ermittelt in Stromlauf- und Fluidplänen im .pdf-Format die dokumentierten Komponenten und die Verbindungen untereinander. Durch die Verwendung dieses neutralen Datenformates ist es möglich, Daten aus vielen CAD-Systemen einzulesen. Damit wird dem Ergebnis einer Studie der Forschungsvereinigung Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik e.V. Rechnung getragen. Demnach werden bei den deutschen Herstellern des Maschinen- und Anlagenbaus viele unterschiedliche Konstruktionsprogramme eingesetzt. Diese sind untereinander meist nicht kompatibel. Bild 2 zeigt das Vorgehen. Ergebnisse Bild 3 zeigt die Ergebnisse, die mit der Simulation des Beispiels aus Bild 1 erzielt wurden unter Berücksichtigung von parasitären Effekten. Weitere Versuche haben gezeigt, dass sich viele physikalische Effekte, wie beispielsweise Phasenverschiebungen auf Grund von induktiven und kapazitiven Lasten oder Einschaltverzögerungen bis zum Erreichen des Sättigungsstromes in Schützen, originalgetreu abbilden lassen. Weitere Tätigkeiten In den nächsten Schritten wird die Simulationsumgebung schrittweise um weitere Komponenten ausgebaut. Ziel ist die vollständige Abbildung der Elektro- und Fluidhardware eines Bearbeitungszentrums. Damit soll die entstandene Umgebung für den Einsatz in der Industrie qualifiziert werden. Fazit Mittels der virtuellen Inbetriebnahme kann die Zeit von der Entwicklung bis zur Fertigstellung einer Maschine deutlich reduziert werden. Durch die Ableitung von Modellen der Maschinenhardware ist es möglich, eine Simulationsumgebung aufzubauen, mit der die Realität detailgetreu abgebildet wird. Durch zahlreiche Automatismen wird dabei eine hohe Effizienz sichergestellt. Die Verwendung von Mustererkennungsalgorithmen auf neutralen Datenformaten gewährleistet dabei eine weitgehende Unabhängigkeit von der Software, die zur Erstellung der Dokumentation verwendet wird.