Eine steigende Variantenvielfalt von Produktionsgütern und immer höhere Qualitätsansprüche sorgen dafür, dass sich auch die dazu notwendigen Produktionsmaschinen immer komplexer gestalten. Viele Hersteller verfolgen einen modularen Ansatz – Maschinen und Anlagen werden aus einem Repertoire an fertig entwickelten Maschinenmodulen entsprechend den Anforderungen zusammengesetzt. Dabei stellt sich allerdings die Frage, wie sich die Module und deren Zusammenspiel testen lassen können, ohne dass es erforderlich ist, diese physikalisch aufzubauen. An dieser Stelle kommt die virtuelle Inbetriebnahme ins Spiel.

Die Idee ist einfach: Mit Hilfe einer Computersimulation – einer virtuellen Maschine – lässt sich das Zusammenspiel zwischen Mechanik, Maschinensoftware und Produkt in unterschiedlichsten Varianten durchspielen und verifizieren. Da die meisten zeitaufwendigen – und zum Teil auch recht kostspieligen – Tests bereits in der Simula-tion durchgeführt wurden, verkürzt sich daraus resultierend die ‚reale‘ Inbetriebnahme an der physikalischen Anlage.

Die Modellierung des Maschinenmodells

Dass die virtuelle Inbetriebnahme in der Praxis nicht immer ganz so einfach umzusetzen ist, zeigt schon die Fülle an unterschiedlichen Lösungsansätzen. Eines ist allen Ansätzen für die virtuelle Inbetriebnahme jedoch gemeinsam – sie basieren auf einem Simulationsmodell der Maschine oder Anlage, dessen Umsetzung die Güte der Resultate maßgeblich bestimmt. Je exakter das Modell das funktionale Verhalten der realen Anlage nachbildet, desto aussagekräftiger sind die Ergebnisse aus der virtuellen Inbetriebnahme. Die Simulation bildet allerdings die Realität niemals völlig exakt ab, zumal mit höherer Genauigkeit der Aufwand zur Erstellung des Simulationsmodells steigt. Daher muss der Anwender zunächst überlegen, welche Aspekte der Realität im Modell nachgebildet werden müssen und welche man vernachlässigen kann.

Die virtuelle Inbetriebnahme (VIBN) erlaubt im Gegensatz zur traditionellen sequenziellen Entwicklung eine Parallelisierung sowie das frühzeitige Testen der Maschinensoftware.

© Mathworks

So ist es zum Beispiel für die Verifikation von logischen Schrittketten, etwa für das Anlaufen der Maschine oder für die Fehlerbehandlung, nicht notwendig, das physikalische Verhalten im Detail zu beschreiben. Für die Ermittlung von geeigneten Reglerparametern aus der Virtuellen Inbetriebnahme ist eine genaue Modellierung der Funktionalität hingegen zwingend erforderlich. Auch die Darstellung der Simulationsergebnisse variiert von Anwendungsfall zu Anwendungsfall. Eine grafische 3D-Darstellung kann für die Verifikation des logischen Maschinenverhaltens durchaus hilfreich sein. Für Regelungstechniker sind jedoch die ‚gemessenen‘ Werte und Verläufe aus der Simulation wichtiger. Schließlich unterscheiden sich die verschiedenen Lösungen für die virtuelle Inbetriebnahme noch durch unterschiedliche Anbindungen des Maschinenmodells an die Steuerungssoftware. Hier haben sich drei erfolgreiche Ansätze herauskristallisiert – die Simulation von Maschine und Steuerungslogik in einem gemeinsamen Modell, die Kopplung zwischen der virtuellen Maschine und der Steuerung sowie die Generierung von Echtzeit-Code aus dem Maschinenmodell und anschließende Hardware-in-the-Loop-Simulation.

Wahl des Detaillierungsgrades

Der erste und entscheidende Schritt für den Einsatz der virtuellen Inbetriebnahme ist die richtige Wahl des Detaillierungsgrades. Dieser leitet sich direkt aus den erwarteten Ergebnissen ab.

Ein gängiger Anwendungsfall ist das Testen von komplexen logischen Schrittketten an der virtuellen Maschine. Diese werden in der Regel für Maschinenabläufe wie das Anlaufen der Maschine, die Umschaltung zwischen unterschiedlichen Betriebszuständen oder die Abschaltung im Fehlerfall implementiert. In der herkömmlichen Maschinenentwicklung werden die Abläufe direkt an der Industriesteuerung, also einer SPS oder einem Industrie-PC, manuell programmiert und an der physikalischen Anlage getestet. Schon bei überschaubaren Schrittketten stellt sich insbesondere das umfassende Testen oft als Sisyphusarbeit heraus. Dies verursacht explodierende Inbetriebnahmezeiten sowie direkte Kosten in Form von fehlerhaft produzierten Gütern. Manche Szenarios lassen sich gar nicht durchführen, da von entsprechenden Tests eine Gefahr für Mensch und Maschine ausginge. Mit steigender Komplexität der Maschinensoftware ist es schlichtweg unmöglich, alle Testfälle umfassend abzuarbeiten, so dass zunehmend mehr ungetestete Software im Feld landet und hier zu Produktionsausfällen oder gar zu Unfällen führt.

Die detaillierte Auswertung von simulierten Verläufen erfolgt direkt in MATLAB und Simulink und ermöglicht (virtuelle) Messungen auch dort, wo sie in der Realität nicht oder nur schwer möglich wären.

© Mathworks

Abhilfe hierfür schafft die virtuelle Inbetriebnahme. Mit einem Modell, das das logische Verhalten der Maschine emuliert, können auch umfangreiche logische Schrittketten umfassend und in der Regel vollständig automatisiert getestet werden. Hersteller wie Mathworks bieten zudem Lösungen für eine Coverage-Analyse der vorhandenen Testszenarios sowie für die automatische Erstellung von Reports an.

Am anderen Ende der Skala stehen Modelle mit hohem Detaillierungsgrad für den Entwurf und die Parametrierung von Reglern. In diesem Anwendungsfall hilft die Virtuelle Inbetriebnahme ebenfalls, Zeit und Kosten bei der Inbetriebnahme an der realen Maschine zu sparen. Durch Simulation von Regler-Software und virtueller Maschine lassen sich sowohl der am besten geeignete Regelalgorithmus identifizieren als auch optimierte Parameterwerte für den Regler. Gerade im Fall von immer anspruchsvolleren Algorithmen, die die Produktqualität weiter verbessern sollen, gestaltet sich das Bestimmen von geeigneten Parametern an der Maschine oft als langwieriger Prozess. Die aus der virtuellen Inbetriebnahme gewonnenen Parameter stellen in der Praxis gute Startwerte dar, die die reale Inbetriebnahme signifikant verkürzen. In diesem Anwendungsfall genügt es nicht, ein logisches Abbild der Maschine zu erstellen. Modelle für die virtuelle Inbetriebnahme von Reglern erfordern eine detaillierte Beschreibung des physikalischen Verhaltens der Maschine beschränkt auf die für die Regelung relevanten Komponenten der Maschine.

Verifikation der Steuerungssoftware

Für die Verifikation der Steuerungssoftware – sei es eine komplexe logische Schrittkette oder ein Regelalgorithmus – muss die virtuelle Maschine mit dem Steuerungsprogramm verknüpft werden. Dazu gibt es drei häufig eingesetzte Varianten:

• In der ersten werden Maschinenmodell und -steuerung in ein gemeinsames Systemmodell zusammengeführt. Werkzeuge wie Simulink erlauben nicht nur die Erstellung von Modellen für die Abbildung der Maschine oder Anlage, sondern unterstützen den Entwickler auch beim Entwurf von Steuerungslogik und Regelalgorithmen mit anschließender Generierung von Echtzeit-Code für die SPS.
• Im zweiten Fall verbindet der Anwender die virtuelle Maschine mit dem Steuerungsprogramm. Das erfolgt zum Beispiel über Protokolle wie OPC UA oder UDP oder über proprietäre Schnittstellen der unterschiedlichen Hersteller.
• Die dritte Variante ist die virtuelle Inbetriebnahme mittels Hardware-in-the-Loop Simulation. Dabei wird das Maschinenmodell mittels Code-Generierung in ausführbaren Code umgewandelt und auf einem Echtzeit-System ausgeführt. Durch die physikalische

Verbindung zur Industriesteuerung – etwa über einen Feldbus – wird der Maschinensoftware vorgegaukelt, dass sie mit der physikalischen Maschine verbunden ist. Durch Emulation des Verhaltens der Anlage lassen sich so bereits unterschiedliche Testszenarien durchführen, während sich die physikalische Maschine erst im Aufbau befindet.

Auch hinsichtlich der Darstellung der Ergebnisse existieren unterschiedliche Ansätze für die virtuelle Inbetriebnahme – abhängig von der jeweiligen ­Aufgabenstellung. Grafische Repräsentationen der Maschine oder Anlage – oftmals sogar in 3D – geben dem Entwickler das Gefühl, die physikalische Maschine vor sich zu haben. Dieser ­Ansatz hilft, erste Aussagen über das logische Verhalten der Anlage zu treffen.

Darstellung der ErgebnisseFunktionieren alle Module grundsätzlich so wie erwartet? Kommt es zu Staus oder Kollisionen der Produkte in der Anlage? Stoppt die Maschine bei der Betätigung der Abschaltung tatsächlich?

Wenn es allerdings an die detaillierte Auswertung hinsichtlich der Funk­tionalität einer Anlage geht, dann sind virtuelle Sensoren und die von ihnen aufgezeichneten Daten das Mittel der Wahl. Im Gegensatz zur realen ­Maschine können an der virtuellen Maschine unbegrenzt Messstellen im ­Modell eingefügt werden – auch an Stellen, an denen das in der Realität – zum Beispiel aufgrund von Platz­beschränkungen – gar nicht möglich wäre. Damit lassen sich während der automatisierten Tests Abläufe aufzeichnen, die dem Inbetriebnahme-­Ingenieur zeigen, ob die Anlage tatsächlich so läuft, wie sie soll, oder ihn bei der Regler-Parametrierung unterstützen.

Dabei unterscheidet sich die virtuelle Inbetriebnahme gar nicht so stark von der herkömmlichen Inbetrieb­nahme an der physikalischen Anlage. Auch hier hilft ein erster Blick auf die Anlage dabei, das grundsätzliche Verhalten zu verifizieren. Danach werden von der SPS eingelesene oder ­mithilfe von Messgeräten aufge­zeichnete Messwerte dafür verwendet, das detaillierte Maschinenverhalten zu testen.

Die virtuelle Inbetriebnahme auf Basis von modellbasierter Entwicklung in Simulink ist der Schlüssel, um auch bei zukünftig weiter steigender Komplexität von Maschinen und Anlagen Inbetriebnahmezeiten und -kosten niedrig zu halten. Dabei muss allerdings beachtet werden, dass virtuelle Inbetriebnahme nicht gleich virtuelle Inbetriebnahme ist. Die richtige Auswahl des Lösungsansatzes ist letztendlich verantwortlich für den Erfolg oder Misserfolg.

Autor:
Philipp Wallner ist Industrie-Manager für Industrial Automation & Machinery bei Mathworks.