Von Felix Rhöse und Volker Schölzke

Die Sparte Finishing bei Voith Paper in Krefeld entwickelt und fertigt Rollenschneider für die Papierindustrie. Rollenschneider zerschneiden die großen und schweren Rohpapierrollen – Tambour genannt – in kleinere und leichtere Rollen. Hierfür wird das Papier vom Muttertambour – Gewicht bis zu 150 t, Breite bis zu 10 m und Durchmesser bis rund 4,5 m – automatisch abgewickelt und bei einer Papiergeschwindigkeit von 3000 m/min auf schmälere Formate geschnitten und danach mit kleinerem Rollendurchmesser wieder aufgewickelt.

Im Rahmen der Neuentwicklung eines Doppeltragwalzenrollers überarbeitete Voith neben der Antriebstechnik und dem mechanischen/kinematischen Aufbau auch die Steuerungstechnik. Um bereits im Vorfeld der Auslieferung der neuen Anlage ein hohes Maß an Funktionssicherheit zu gewährleisten, fiel erstmalig bei Voith Paper die Entscheidung zur Durchführung einer virtuellen Inbetriebnahme. Ziel war es, die Inbetriebnahme effizient zu unterstützen und neue Funktionen auf Herz und Nieren zu prüfen. Diese Notwendigkeit ergibt sich auch wegen der begrenzten Möglichkeiten die Anlage im Werk aufzubauen, da dort sowohl der vor- als auch der nachgelagerte Schritt im Papierherstellungsprozess nicht zur Verfügung steht.

Die Anforderungen

Keine Änderungen an der Software: Oftmals leiden Systeme zur virtuellen Inbetriebnahme daran, dass die Software in Teilen geändert werden muss, um die Testbarkeit zu gewährleisten. Dies führt in der Regel zu einer deutlich geringeren Akzeptanz bei Programmierern und Inbetriebnehmern, da die Software dann nicht dem Auslieferungszustand entspricht. Somit war die erste Priorität bei der Festlegung der Anforderungen, dass die Software in keiner Weise geändert werden darf: Aus Sicht der Software durfte es keine Rolle spielen, ob die Ein- und Ausgangssignale nun von der realen Maschine oder von der Simulation bereitgestellt werden.

Echtzeit-Zyklen unter 50 ms: Da es sich bei dem eingesetzten Steuerungssystem um eine SPS handelt, ist es notwendig alle Ein- und Ausgangssignale in Echtzeit zu verarbeiten und zur Verfügung zu stellen. Eine Zykluszeit von 50 ms wurde als Anforderung notiert.

Simulation mit realen Hardwarekomponenten: Neben der eigentlichen Steuerungssoftware sollten auch weitere Software-Komponenten, die für einen Betrieb der Anlagen notwendig sind, einem Test unterzogen werden. Hierzu gehören die Bedienoberfläche auf Basis von WinCC sowie das Mobile-Panel, das mit WinCC flexibel programmiert wurde. Als besondere Herausforderung ist die eingesetzte Failsafe-Technik von Siemens zu nennen, die das originäre Ziel hat, Fehler und Fehlverhalten zu erkennen und richtig zu reagieren. Dieser Steuerung eine Maschine „vorzuspielen“, die real gar nicht existiert, ist nicht trivial.

Nutzen bestehender 3D-Konstruktionsdaten: Neben der rein funktionalen Sicht auf die Bereitstellung von Ein- und Ausgangssignalen war eine weitere Anforderung, die bereits bei Voith Paper zur Verfügung stehenden 3D-Konstruktionsdaten für die Visualisierung des Anlagenverhaltens zu verwenden. Auch hier kranken viele Simulationssysteme an mangelnden Möglichkeiten einer grafischen Darstellung des Prozessablaufs.

Für die Simulation wird lediglich das Verhalten auf Komponentenseite nachgebildet.

Eine Prüfung der Software in ihrem Verhalten ohne echte Anlagenvisualisierung ist in diesen Fällen oft nur auf Bitmusterbasis möglich und sehr aufwendig und teils auch zu komplex, um das Verhalten noch zuverlässig beurteilen zu können. Daneben sollte kein zusätzlicher Aufwand in die Erstellung einer virtuellen Anlage investiert werden.

Skalierbare Simulationshardware: Da neben der Vielzahl von Ein- und Ausgangssignalen (>1000) auch eine ruckfreie Darstellung der 3D-Anlage möglich sein sollte, lag großes Augenmerk auf der Skalierbarkeit der zum Einsatz kommenden Software auf mehrere Rechner. Somit war es möglich, die grafische Darstellung der Anlage und die Prozesssimulation auf zwei unabhängigen Rechnern ablaufen zu lassen. Vorteilhafter Nebeneffekt: Die Möglichkeit, rechenintensive Bestandteile des Simulationsmodells auszulagern.

Bei der Auswahl eines geeigneten Systems der virtuellen Inbetriebnahme kamen die Produkte zweier Hersteller in die engere Wahl, wobei letztlich die Software WinMOD von Mewes&Partner den Zuschlag erhielt.

Der Workflow

Grundlage für einen effizienten und aussagekräftigen Test ist die Unabhängigkeit zwischen Software-Entwickler und Ersteller des Simulationsmodells, wenngleich sich beide Fakultäten der gleichen Basisdaten bedienen. Wie auch für den Software-Entwickler stellen Spezifikationen, Stromlaufpläne sowie Hydraulikschemata die wesentliche Entwurfsbasis für den Simulations-Ersteller dar (Bild 1). Erfahrungsgemäß werden bereits in dieser frühen Phase Fehler in den Dokumenten gefunden, da sich widersprüchliche Daten in Spezifikationen und Plänen seitens der Simulation nicht umsetzen lassen.