Anlagenbauer in der Fabrikautomatisierung stecken in der Zwickmühle: Konfrontiert mit immer kürzeren Produktlebenszyklen und stetem Kostendruck müssen sie ihre Automatisierungslösungen bei immer kürzeren Entwicklungs- und Inbetriebnahmezeiten mit gleichbleibender oder besserer Qualität liefern. In diesem Zusammenhang wird zwar schon seit Jahren auf die Bedeutung der virtuellen Inbetriebnahme hingewiesen, deren Umsetzung verläuft allerdings nur zögerlich.

Einer der Gründe dafür liegt im bisweilen großen Aufwand zur Erstellung der virtuellen Modelle von realen Komponenten. Ein akkurates Simulationsmodell ist jedoch die Grundlage, damit der Steuerungscode einer SPS oder Robotersteuerung unter realistischen Bedingungen getestet werden kann. Die Herausforderung besteht also in einer möglichst einfachen und schnellen Abbildung der realen Anlagenkomponenten in einem virtuellen Modell. Von zentraler Bedeutung sind dabei so genannte SmartComponents, wie sie die Firma ABB für ihr Roboterprogrammier- und Simulationswerkzeug Robot- Studio entwickelt hat.

In Produktionsanlagen gibt es die unterschiedlichsten Komponenten, beispielsweise Roboter-Manipulatoren, Transporteinheiten und Sensoren. Das synchronisierte Zusammenwirken dieser Komponenten über die gesamte Produktionslinie hinweg übernehmen unterschiedliche Steuerungen: Zellensteuerungen, Robotersteuerungen, Sicherheits-SPSen und dedizierte Applikationssteuerungen wie Schweiß- oder Lackiersteuerungen.

Die Vielfalt ist beherrschbar

Das korrekte Zusammenspiel dieser Komponenten zur Überprüfung der geforderten Funktionalität lässt sich unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht vollständig mit realen Vor-Aufbauten überprüfen.

Die Herausforderung einer virtuellen Inbetriebnahme liegt in der einfachen Entwicklung und Handhabung des Simulationsmodells: Die Firma ABB nutzt dazu ihr bestehendes Programmiertool RobotStudio und so genannnte SmartComponents.

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Einerseits ist der Aufwand für die Montage und Verkabelung für einen Integrationstest extrem groß. Andererseits stehen nicht alle Anlagenkomponenten während des In-House-Tests zur Verfügung, da die einzelnen Anlagenteile zum Teil mit unterschiedlichen Steuerungen ausgerüstet sind und von verschiedenen Lieferanten bereitgestellt werden.

Daher müssen beim Test der Steuerungslogik die fehlenden Prozess- und Bussignale manuell gesetzt werden, wobei eine korrekte chronologische Reihenfolge gewährleistet sein muss. Dies stellt nicht nur einen erheblichen Aufwand dar, der sich bei mehreren Testläufen aufsummiert. Darüber hinaus limitiert dies die mögliche Testabdeckung und -tiefe. Abhilfe schafft die virtuelle Inbetriebnahme: In einem virtuellen Test-Szenario wird die reale Anlage durch ein virtuelles Modell ersetzt, das im Wesentlichen die enthaltene Aktorik und Sensorik sowie die agierenden Roboter simuliert. ABB nutzt die Software RobotStudio zur 3D-Simulation von Produktionsanlagen und zur Offline-Programmierung von Robotern.

Auf der Automatisierungsseite kommen entweder reale oder virtuelle Steuerungen (Soft-SPS) zum Einsatz. Wesentliches Kriterium ist, dass sich die virtuellen Steuerungen identisch zu ihren realen Pendants verhalten, um realistische Aussagen bezüglich des Bewegungsverhaltens, der Zykluszeiten und der Programm-Abarbeitung ableiten zu können. Die einzelnen Komponenten kommunizieren untereinander über OPC, was den Einsatz einer Vielzahl unterschiedlicher Steuerungssysteme ermöglicht. Mit einer kleinen Einschränkung lässt sich per OPC das Logikverhalten einer Automatisierungslösung sehr gut testen: Bedingt durch die nicht echtzeitfähige OPC-Kommunikation können die Zykluszeiten nur eingeschränkt analysiert werden.

Die eigentliche Simulation erfolgt mit Hilfe eines „VirtualTime"-Managers, der für einen korrekten Simulationsablauf der einzelnen Komponenten unabhängig von der Realzeit sorgt. Der Austausch von Signalen (Prozessabbilder) findet bei laufender Simulation jeweils am Ende einer kalkulierten Zeitscheibe der Simulationszeit statt. Aus Effizienzgründen werden dabei nur Signaländerungen kommuniziert. In dieser Umgebung lassen sich die realen Steuerungs-Applikationen und Roboterprogramme inklusive der Bedienstationen ohne Veränderungen oder zusätzliche Instrumentierungen testen.

Als weiterer Vorteil dieser Architektur erweist sich die Verwendung der originalen Engineering-Werkzeuge: Die Programmierer erstellen und testen den Steuerungscode weiterhin in ihrer gewohnten Umgebung. Nach den bisherigen Erfahrungen, gewonnen in internen Pilotprojekten und aktuellen Kundenapplikationen, weist eine virtuelle Testumgebung folgende Vorteile auf:

• Die Unabhängigkeit von der realen Hardware ermöglicht frühzeitige Tests; Fehler werden früher als bisher erkannt, was die Kosten für die Problembehebung signifikant senkt.
• Die höhere Testabdeckung verkürzt die Inbetriebnahmezeiten.
• Verschleißintensive oder -zerstörende Tests sind in der virtuellen Anlage gefahrlos durchführbar, was die Qualität der Steuerungs-Software bei Fehlerzuständen deutlich erhöht.
• Flexibilität und vereinfachte Testdurchführung steigern die Akzeptanz bei den Testingenieuren.

SmartComponents verringern Simulationsaufwand

Dem Nutzen einer virtuellen Inbetriebnahme steht der Aufwand für die Erstellung des virtuellen Modells gegenüber. Diese Thematik rückt immer stärker in den Fokus der weiteren Entwicklungen bei ABB.

SmartComponents – hier für ein Förderband skizziert – enthalten alle für die Simulation notwendigen Funktionen und Eigenschaften eines Anlagenteils.

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Einen wesentlichen Beitrag zur effizienten Modellierung leisten die so genannten „SmartComponents" (SC). Diese bestehen aus geometrischen, funktionalen, kinematischen und logischen Bestandteilen. SCs können miteinander verknüpft werden, um komplexere Anlagenkomponenten zu modellieren.

Dazu reicht es in der Regel aus, nur die für eine Simulation relevanten Funktionalitäten der realen Komponenten abzubilden. Dies sind vor allem die Signalschnittstellen zu den Steuerungen, die Verschaltungslogik der Signale sowie die Interaktionen mit dem Produktionsprozess und anderen Komponenten. Hierfür stellt das Simulationswerkzeug RobotStudio entsprechende Basisfunktionen bereit, beispielsweise verschiedene Sensorfunktionen, kinematische Mechanismen, Logik-Bausteine, Zeitgeber, Zähler und Bausteine für mathematische Berechnungen.

Diese Funktionen können nach dem Lego-Prinzip sukzessive zu komplexeren Komponenten kombiniert werden. Die Funktionalität eines SmartComponents kann zunächst getrennt von einer spezifischen Geometrie entwickelt und in Bibliotheken archiviert werden. Die eigentliche Geometrie der virtuellen Komponente lässt sich dann projektspezifisch zuordnen, wobei diese Daten aus unterschiedlichen CAD-Werkzeugen importiert werden können. Dabei müssen die beweglichen Bauteile als getrennte CAD-Elemente vorliegen, um diese den verschiedenen kinematischen Teilen der virtuellen Komponente separat zuweisen zu können. Für jedes SC kann individuell eine Signalschnittstelle mit digitalen, analogen sowie Gruppensignalen definiert und mit der internen Logik verschaltet werden.

SmartComponents - der typische Aufbau

Die Kommunikation der SCs untereinander und auch mit den Robotersteuerungen und den SPSen erfolgt über eine Signal-Zuordnungstabelle, die ein spezielles Kommunikations-SmartComponent bereitstellt. Der typische Aufbau von SmartComponents zeigt das Beispiel eines Förderbandes: Zuerst müssen Informationen über die Signalschnittstelle sowie die grundlegende Funktionalität der Anlagenkomponente vorliegen. Geometriedaten sind zu diesem Zeitpunkt noch nicht notwendig. Für das virtuelle Förderband wird ein SC angelegt und die externe Signalschnittstelle zur Steuerung definiert. Die Funktionalität des SC lässt sich über die im Robot-Studio bereitgestellten Basisfunktionen konfigurieren.

Für das Förderband sind die Transportfunktion sowie das Detektieren der zu transportierenden Güter auf dem Band in das SC einzubinden. Die Gegenstände auf dem Band erfasst ein Flächensensor, der parallel zur Oberfläche des Transportbandes ausgerichtet ist. Die detektierten Gegenstände werden in eine Speicherfunktion des SC geschrieben. Dieser Speicher wird mit der Transportfunktion verknüpft, damit sich alle auf dem Band platzierten Gegenstände in der Simulation mit der Bandgeschwindigkeit bewegen. Zur Steuerung der Förderbandbewegungen über die Signalschnittstelle ist diese mit der Transportfunktion zu verbinden.

Ein für die interne Logik verwendeter Sensor am Ende des Förderbandes erfasst die Gegenstände, sobald diese das Band verlassen, und löscht sie aus dem Speicher, um deren Weitertransport zu stoppen. Die modulare Struktur der SmartComponents sowie die konsequente Wiederverwendung über Bibliotheken bilden die Basis für eine vereinfachte Modell-Erstellung. Darüber hinaus stellen die von ABB bereitgestellten Basisfunktionen für SmartComponents sicher, dass die gewünschte Funktionalität korrekt implementiert wird und verhindern somit, dass das Hilfsmittel „Modellsimulation" selbst zum Testobjekt mutiert.

Virtuelle Modelle automatisch erstellen

Eine weitgehend automatisierte Modell- Erstellung lässt sich in Zukunft durch einen Import der Anlagendaten im AutomationML- Format (Automation Mark-up- Language) erreichen. Dieses Datenmodell umfasst neben der Zellengeometrie auch Informationen über die Aktorik und Sensorik. Somit ist ein automatisches Instanziieren und Platzieren von Bibliotheks- Komponenten möglich.

Ebenso kann die Kommunikation zwischen den SCs und den Steuerungen automatisch generiert werden, da sich diese Daten aus dem Engineering- System des Automatisierungslieferanten entnehmen lassen. Die Hersteller von Maschinen und Anlagenkomponenten könnten ein virtuelles Abbild ihrer Produkte über Internet zur Verfügung stellen.

Diese Modelle, inklusive Geometrie, Kinematik und interner Logik, ließen sich in einem neutralen Format, zum Beispiel der AutomationML, speichern und direkt in die Simulationswerkzeuge importieren. Dies würde den Aufwand für die Modellierung der virtuellen Anlagen weiter verringern, da das herstellerspezifische Verhalten der simulierten Komponenten nicht nachträglich implementiert werden müsste.

Autoren:

Nicolas Mauser ist Wissenschaftler im Bereich Robotics and Manufacturing am ABB-Forschungszentrum in Ladenburg.

Peter Weber ist Wissenschaftler im Bereich Robotics and Manufacturing am ABB-Forschungszentrum in Ladenburg.

Volker Miegel ist der verantwortliche Systemarchitekt Digitales Engineering im Unternehmensbereich Robotics der Firma ABB Automation.