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Simulation und Realität – die Symbiose

Die Forderung nach energieeffizienten Maschinen bei zugleich hoher Dynamik und Genauigkeit resultiert in neuen Maschinenkonzepten, die steuerungs- und regelungstechnisch mit herkömmlichen Methoden nicht mehr befriedigend zu lösen sind. In solchen Fällen bietet sich der Einsatz der „Hardware Simulation Symbiosis“ an – also das Zusammenwirken von Simulationsmethoden mit der realen Hardware über den gesamten Lebenszyklus einer Maschine.

Von Dr. Sascha Röck, Dr. Dieter Scheifele, Peter Sekler

Das übliche Vorgehen in den Entwicklungsabteilungen des Maschinenbaus läuft wie folgt ab: Der Maschinenhersteller formuliert die Steuerungsaufgabe und stellt somit die Anforderungen an die Steuerungstechnik, welche er aber in der Regel nicht selbst entwickelt, sondern als Standardkomponente mit den Antrieben zukauft. Problematisch wird dies dann, wenn die Neu- oder Weiterentwicklung den Einsatz von Komponenten notwendig macht, die vom Standard abweichen. Will der Maschinenhersteller beispielsweise seine neu entworfenen Regelungsalgorithmen an der aktuellen Maschinengeneration testen und hinsichtlich ungewollter Schwingungsanregung optimieren, ist er heute auf die vom Steuerungshersteller angebotenen Steuerungsfunktionen begrenzt. Diese beschränken sich meist auf Vorsteuerungen, Standard-Filtertechnologien oder einfache Kompensationsmethoden. Neuartige adaptive Regelungsmethoden oder adaptive Filter wird er nicht ohne Unterstützung des Steuerungsherstellers erproben und integrieren können. Weiterhin kommen heutzutage vor allem im Bereich des Sondermaschinenbaus unterschiedlichste Kinematiken zum Einsatz, welche sich über die Standard-Steuerungstechnik nicht betreiben lassen. Das Einbinden neuer Kinematik-Transformationen und eventuell erforderlicher Kompensationsverfahren ist vom Maschinenhersteller – wenn überhaupt – nur mit kostspieliger Unterstützung des Steuerungslieferanten zu stemmen.

Aus dieser Problemstellung heraus ist am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart in enger Zusammenarbeit mit dem Unternehmen Industrielle Steuerungstechnik (ISG) das Konzept der „Hardware Simulation Symbiosis“ (HSS) entstanden. Dieser Begriff steht für alle Simulationsmethoden, die in Verbindung mit realer Hardware betrieben werden und sowohl agierend (modellbasierte Regelung) als auch reagierend (Hardware-in-the-Loop-Simulation) auf die Hardware wirken können. Die HSS ist daher ein Oberbegriff der Hardware-in-the-Loop-Simulation (HiLS – siehe Kasten auf Seite 38), unter welcher üblicherweise Anwendungen verstanden werden, bei denen die Simulation rein reagierend auf die Hardware wirkt (in der Regel für Testzwecke von Steuergeräten). Ziel der HSS ist es, durch das „Zusammenleben“ (Symbiosis) zwischen Hardware und Simulation einen eindeutigen Mehrwert zu generieren, der mit dem gleichen Aufwand auf einem anderen Wege nicht zu erreichen ist. Die dahinter stehenden Konzepte sollen die Möglichkeit eröffnen, über eine parallel laufende Maschinensimulation spezielle Steuerungsfunktionen mit zusätzlichen Informationen über das aktuelle Maschinenverhalten zu versorgen und damit beispielsweise ungewollte Schwingungsanregungen zu vermeiden. Ein weiteres Beispiel sind sensorlose Diagnosefunktionen, die mit Hilfe der Simulation in der Steuerung genauere Vorhersagen zur Instandhaltungsplanung und zur Vermeidung von Störfällen erlauben. Die ISG hat zu diesem Zweck bereits ein Tool namens ISG-virtuos für die virtuelle Steuerungsinbetriebnahme mit realer Steuerung entwickelt und arbeitet derzeit an einem weiteren Produkt namens ISGprosecco für den hardware-nahen Steuerungsentwurf.