Aufbau des Simulationsmodells bestehend aus Steuerungsmodell, Strecken- und Regelungsmodell und Signalauswertung in Matlab/Simulink.

Hierbei können neben rein textuellen Beschreibungen der Automatisierungsfunktion auch formale Beschreibungs- und Modellierungsmethoden aus der Software-Entwicklung, wie Aktivitäts- oder Sequenzdiagramme, zum Einsatz kommen. Nach dem Entwurf der Softwarefunktionen werden diese in der Entwicklungsumgebung implementiert. Als Beschreibungsmittel dienen Zustandsautomaten in State-Flow. Diese sind in der Lage, sowohl einfache als auch komplexe Antriebsfunktionen abzubilden.

Durch eine Anbindung der entwickelten Steuerungsfunktion an das Streckenmodell ist nun ein modellbasierter Test der Steuerungssoftware möglich. Neben einer Verifikation der Basisfunktionen lassen sich Stör-Szenarien prüfen und Optimierungspotenziale identifizieren. Die Schritte Entwurf, Implementierung und modellbasierter Test sind dabei so lange iterativ auszuführen, bis ein voll funktionsfähiger und fehlerfreier Steuerungscode vorliegt und dieser in der realen Anlage eingesetzt werden kann.

Eingangsgrößen des Simulationsmoduls Ablaufsteuerung sind die Bewegungskenngrößen der X- und Y-Antriebe beziehungsweise simulativ abgebildete Sensorsignale. Die im Rahmen einer Verfahrbewegung durchlaufenen Systemzustände sind ebenfalls in der Ablaufsteuerung als Zustände abgebildet.

Verfahrkennlinien als Steuervorgabe in der Simulation und in der realen Entwicklungsumgebung.

Entsprechende Steuerwertvorgaben und Weiterschaltbedingungen sind auch in der State-Flow-Syntax formuliert. Für Verfahrbewegungen reicht allerdings eine binäre Ansteuerung der Antriebe meist nicht aus. Oftmals kommen drehzahl- oder positionsgesteuerte Antriebe zur Anwendung, die bei gekoppelten Bewegungen über so genannte elektronische Kurvenscheiben miteinander verbunden sind. Die Erstellung dieser Kurven ist wesentlicher Bestandteil bei der Entwicklung einer Automatisierungslösung. Das Bild links zeigt ein klassisches Trapezverfahrprofil mit Beschleunigung, Geschwindigkeit und Weg. Die Entwicklung der Verfahrkennlinien erfolgt vollständig in der Simulationsumgebung. Auf diese Weise lassen sich komplexe Verfahrbewegungen und entsprechende Steuerkennlinien in der frühen Phase der Entwicklung erstellen und testen. Über ein XML-Austauschformat (extended Markup Language) ist schließlich die direkte Umsetzung der Verfahrkennlinien in B&R-Steuerungen ohne direkten Eingriff in das Zielsystem möglich.

Simulation und Test

Der Implementierung schließt sich der Test der Steuerungsfunktionen an. Beim Softwaretest werden die implementierten Funktionen mit dem Simulationsmodell gekoppelt. Das Modell bildet hierbei sowohl kontinuierliche Vorgänge als auch Verfahrbewegungen und ereignisbasierte Abläufe in einem gemeinsamen System ab. So lässt sich das Gesamtverhalten der zu erstellenden Anlage realistisch wiedergeben und Fehler können frühzeitig mit geringem Aufwand detektiert und beseitigt werden. Die derzeitige Testumgebung basiert auf Matlab und integriert die Punkte:

• Ablaufsteuerungsmodell, sStreckenverhaltensmodell der Anlage, 
• Verfahrkennlinien (Regelungsfunktionen) sowie 
• die Materialflussvisualisierung.

Für das Greifer-Szenario wurde zusätzliche eine 3D-Umgebung integriert, die dem Entwickler die Verfahrbewegungen grafisch darstellt.

Portierung auf das Zielsystem

Die Portierung des entwickelten Programms auf eine reale Steuerung geschieht über einen Generator, der die entwickelten Funktionen in ablauffähigen Code übersetzt. Die eingesetzte B&R-Steuerung ist in der Lage, ANSI-C-Dateien zu interpretieren und ablaufen zu lassen. Somit ist es möglich, den von Matlab erzeugten CCode auf der Steuerung auszuführen. Dieser wird als Projekt in die Programmier- Umgebung (Automation Studio) geladen und auf die CPU der Steuerung gespielt. Von Seiten des Bedieners sind nur minimale manuelle Anpassungen zur Sicherung des Datentransfers notwendig. Um Steuerungssysteme unterschiedlicher Hersteller verwenden zu können, ist lediglich ein neuer Generator notwendig. Aktuell laufen am iwb weiterführende Forschungsarbeiten zur automatisierten Übernahme der Verfahrkennlinien sowie der Mensch-Maschine-Schnittstellendaten.

Hierzu wurde unter anderem ein Schnittstellenkonzept entwickelt, das ebenfalls für B&R-Steuerungen konzipiert ist. Dieses unterscheidet sich von der einfachen Importfunktion von Stützpunkten einer Funktion vor allem dadurch, dass im Schema neben den Fixpunkten alle anderen notwendigen Werte zur Beschreibung der Funktion mit übergeben werden, wie etwa Art der Funktion sowie die erste und zweite Ableitung.

Die offenen Fragen

Ebenfalls Gegenstand der Forschungsaktivitäten ist die simulationsgestützte Entwicklung der Anlagenvisualisierung. Die Projektierung der Mensch-Maschine- Schnittstelle (MMS) ist bei klassischem Entwicklungsvorgehen auf die vollständige Umsetzung der Steuerungsprogramme angewiesen, da sich nur so der Signalaustausch sowie Beobachtungs- und Bedienfunktionen entwickeln und testen lassen. Kurzum: Zielsetzung ist die Kopplung der MMS-Systeme mit dem Simulationsmodell, um eine frühzeitige Visualisierungsentwicklung zu ermöglichen. Schnittstellen zu gängigen Visualisierungssystemen wie WinCC flexible (Siemens) und Zen- On (Copa-Data) werden aktuell untersucht beziehungsweise umgesetzt.

Die prototypische Realisierung der Entwicklungsumgebung zeigt, dass die Integration von Simulation, Entwurf, Implementierung und Portierung in einem Werkzeug eine qualitätsorientierte Entwicklung mit konsistenten Daten ermöglicht. Die Anbindung verschiedener Steuerungen ist in erster Linie eine Frage der Offenheit der Schnittstellen. Fehlende herstellerübergreifende Standards für Parametrierungsund Konfigurationsdateien stellen eine Hürde in punkto Reglerentwurf und der Ausleitung von Parametern dar. Ergo ist eine Vereinheitlichung dieser Daten von Seiten der Antriebshersteller anzustreben. Im Bereich von Funktionsblöcken für Motion- Anwendungen wird dieser Weg bereits mit Erfolg von der PLCOpen-Vereinigung beschritten.

Autoren: 

Thomas Hensel arbeitet als wissenschaftlicher Mitarbeiter am iwb im Themenfeld Automation und Robotik.

Fabian Meling arbeitet als wissenschaftlicher Mitarbeiter am iwb im Themenfeld Automation und Robotik.

Prof. Dr.-Ing. Gunther Reinhart ist Leiter des Institutes für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) an der TU München.