Bild 1: Das klassische V-Modell in der Realität!

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Das sogenannte V-Modell (Bild1), welches im Top-Down-Prinzip in der Entwicklung auf das Bottom-Up-Prinzip der Inbetriebnahme trifft, prägt heute in vielen Unternehmen die Software-Entwicklung. Es definiert die in einem Projekt zu erstellenden Er­gebnisse, die Vorgehensweisen und die Verantwortlichkeiten. In Form eines imaginären ‚V‘ stehen sich spezifizierende und testende Phasen gegenüber, was letztlich dazu dient, deren korrekte Umsetzung anhand der vorgegebenen Spezifikationen zu überprüfen. Treten hier Unstimmigkeiten zutage, muss zu der jeweils überprüften Phase, ­welche sich auf der linken Seite befindet, zurück­gekehrt werden. Das V-Modell als solches ist ein Vorgehensmodell in der Entwicklung, bei dem der Entwicklungsprozess in einzelnen Phasen organisiert wird. Neben diesen Entwicklungsphasen definiert das V-Modell das Vorgehen zu der Qualitätssicherung.

So weit, so gut. Das Problem dabei: Da die Entwicklungsprozesse von Mechanik, Elektrik und Elektronik oft getrennt voneinander stattfinden, verursachen diese erst beim Zusammentreffen in der Inbetriebnahme eine Vielzahl von Fehlern, die in der Regel das Resultat nicht ausreichend getesteter Ergebnisse aus den Fachbereichen sind – mit der Folge von meist wiederum kostenintensiven Änderungsschleifen.

Diese Fehler abzustellen, ist das Ziel des ganzheitlichen Ansatzes ‚Continuous Commissioning‘, welcher einen kontinuierlichen Abgleich aller Diszi­plinen und Arbeitsschritte durch Simulation ermöglicht – und zwar von der ­ersten Idee bis zur Produktion. Die Simulation bildet dabei eine bereichsübergreifende Plattform, auf der zu ­jedem Zeitpunkt der aktuelle Entwicklungsstand verifiziert und auf Realisierbarkeit mit weiteren Bereichen überprüft wird. Dies steht im Gegensatz zur klassischen Prozesslösung, bei der die virtuelle Inbetriebnahme – wenn überhaupt – erst final stattfindet und damit erst dann greift, wenn beispielsweise das mechanische Layout oder das Antriebskonzept schon fixiert ist.

Bild 3: Der Toploader von Schneider Electric ­kombiniert verschiedene Fächer­ketten für den ­Materialfluss.

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Neben der sozialen Komponente bedarf Continuous Commissioning einer ‚Aufrüstung‘ der klassischen, rein disziplingebundenen Tools. Nimmt man etwa ein 3D-CAD-System wie SolidWorks als Basis, so werden die Daten derzeit hauptsächlich zur Erzeugung von 2D-Fertigungszeichnungen und für die Stücklisten genutzt. Für das Continuous Commissioning bedeutet dies, dass eine mechatronische Baugruppe neben den 3D-Daten die Kinematik, den Antrieb, die Sensorik, I/O-Schnittstelle sowie Motion-Kurven und SPS-Logik beinhaltet. Mit der 3D-Simulationssoftware industrialPhysics beispielsweise lassen sich diese Systemwelten kreieren.

Bild 4: Durch das Zusammen­setzen der intelligenten Komponenten im 3D-CAD-System werden Einzelkom­ponenten zu einem Ganzen.

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Wie funktioniert dies in der Praxis? Sprich: Wie lassen sich bereits im CAD-System intelligente Komponenten parametrieren und zusammenführen? Das zeigt das folgende Beispiel eines sogenannten Toploaders (Bild 3) von Schneider Electric. Der Toploader ist ein einfaches Maschinenmodell, das dem Erlernen der Bewegungssteuerung mit der Steuerungs- und Motion-Control-Plattform Pacdrive dient. Dabei werden mit einer X-Y-Lineareinheit mit Sauggreifer Produkte von einer Fächerkette in eine andere umgesetzt. Als Resultat des ganzheitlichen Engineer­ing-Ansatzes erhält die Fächerkette hier nicht nur das dreidimensionale Design, sondern auch ein Antriebsmodell mit Modulo-Funktion. In der Antriebstechnik heißt das Folgendes: Die Position der Achse wird nach Überschreiten der Modulo-Länge wieder auf den Anfangswert gesetzt. Im Beispiel ‚Rundachse, Modulo-Länge 0°... 360°‘ würde dies bedeuten: Die Achsposition beginnt hier wieder bei Null, wenn 359° überschritten werden – sprich Position 0°=360°. Gleiches gilt für die Transfer-Achse mit Greifer. Durch das Zusammensetzen der intelligenten Komponenten im 3D-CAD-System erfolgt der finale Zusammenbau des Toploaders, der nun alle notwendigen Informationen beinhaltet (Bild 4).

Dieser Schritt eines durchgängigen Engineering setzt die Integration der eingesetzten Simulationsplattform mit der CAD-Software voraus. Erst dann lassen sich die im CAD-Modell hinterlegten Mechatronik-Informationen mit der Geometrie-Information kombinieren und geben auf Knopfdruck ein ­tagesaktuelles Simulationsmodell aus. Exakt an dieser Stelle kommt nun der Vorteil des geschilderten Ansatzes zum Tragen und zwar, dass sich zahl­reiche Aufgaben im Engineering vorziehen lassen. Dazu gehören die ­Aus­legung von Maschinen inklusive dynamischer Bewegungs- und Antriebskinematik bis hin zur virtuellen Inbetriebnahme mit der realen Steuerung.

Mit dem Ziel, diese Integration zu ermöglichen, wurde im Rahmen des Forschungsprojektes GrIP (Geometrie-basierte, interaktive Programmierung von Bewegungssteuerungen) ein Prototyp geschaffen, der aus SolidWorks für die Mechanik-Konstruktion, der Simulation IndustrialPhysics für die Nach­bildung des Prozesses sowie aus dem Kurvenscheiben-Editor und Antriebsauslegungswerkzeug MotionBuilder von Schneider Electric besteht. Während der zweijährigen Projektdauer haben ­neben Machineering die Firmen Somic Verpackungsmaschinen, Uhlmann Pac-Systeme, Schneider Electric sowie die Fraunhofer Projektgruppe „Ressourceneffiziente mechatronische Verar­beitungsmaschinen“ gemeinsam daran gearbeitet, den Software-Entwicklungsprozess in frühen Entwicklungsphasen besser zu unterstützen.

Bild 5: Der bidirek­tionale Datenaustausch ermöglicht die schnelle Anpassung der CAD-Layouts und der zu ­simulierenden Anlage.

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Konkret wurde im Rahmen des gemeinsamen Projektes die bidirektio­nale Ableitung von der Bewegungssteuerung aus dem CAD-Layout entwickelt. Ebenfalls wurde das Roundtrip-Engineering mit der Rückführung der Änderungen aus der In­betriebnahme in die Anlagenlayouts verbessert. Mit dem Ergebnis lassen sich Bewegungsstrukturen interaktiv mit dem CAD-Layout gemeinsam entwickeln (Bild 5). Kurven, die antriebstechnisch nicht umsetzbar sind, können so sofort eine Änderung im Maschinenlayout auslösen. Der Aufwand für die Bearbeitung von Änderungen reduziert sich auf diese Weise auf ein Minimum.

Ausgehend von der neuen Prozessstruktur des Continuous Commissioning mit den integrierten Mikro-V-Modellen übernimmt die Simulation eine komplett neue Rolle in der Anlagenentwicklung, denn sie ‚verkommt‘ nicht – wie heute vielfach der Fall – zu einem Überprüfungstool in der Entwicklung. Vielmehr schafft sie den Sprung zu einem Medium, das die unterschiedlichen Komponenten einer Maschine in einen ‚artikulierbaren‘ digitalen Prototyp zusammenführt.

Doch was bringt es dem Anwender wirklich, alle Steuerungen im Vorfeld programmieren und im virtuellen Betrieb testen zu können? Das Unternehmen AEM August Elektrotechnik, das seit über 30 Jahren kundenspezifische Komplettlösungen für den Maschinen- und Anlagenbau der unterschiedlichsten Branchen erstellt, hat bereits erste Erfahrungen mit der beschriebenen 3D-Simulation gemacht. In einem konkreten Projekt galt es, eine Lösung für die geänderten Anforderungen an Automatisierungslösungen und deren Umsetzung zu finden. Dabei ging es vor allem um kürzere Realisierungszeiträume für Projekte sowie um die Schaffung eines vertriebsunterstützenden und vertrauensschaffenden Instruments. Ziel war die Optimierung der Entwicklungs- und Umsetzungsprozesse sowie die größere Transparenz in der Entwicklung.

Das Ergebnis nach sechsmonatigem Einsatz von IndustrialPhysics: Mit Hilfe der Simulation hatte AEM eine große Vertriebsunterstützung durch das Anlagenmodell. Ablauf- und Taktzeitprobleme konnten sofort erkannt und behoben werden. Die Live-Projektierung der Software am Simulationsmodell beschleunigte die virtuelle Inbetriebnahme am Schreibtisch letztlich um 75 % im Vergleich zu der klassischen Inbetriebnahme. Zudem erreichte AEM eine stärkere Kundenbindung durch Vertriebsunterstützung beim Endkunden (WYSIWYG). Die Verkürzung der Software-Entwicklungszeit beläuft sich auf derzeit etwa 20 %, die Verkürzung der Inbetriebnahmezeit vor Ort auf momentan rund 25 bis 35 %.

Als Fazit lässt sich festhalten: Die ­Vision eines modernen Engineering ist die permanente Synchronisation und Abstimmung der Änderungen – interdisziplinär, live und gemeinsam. Über Tests in einem Simulationsmodell, welches das Verhalten des Systems realistisch abbildet, ist dabei stets eine sofortige Rückkopplung gewährleistet – und zwar ohne langwieriges Speichern, Umformatieren und Laden von Datenmodellen. Damit übernimmt die Simulation in Zukunft eine komplett neue Rolle in der Anlagenentwicklung, die weit über eine reine Überprüfungsfunktion hinausgeht.

Autor:
Dr. Georg Wünsch ist Gründer der Firma ­Machineering, einem Spin-off der TU München.