Virtuelle Inbetriebnahme von Sondermaschinen unter ... file15.06.2018 MATLAB EXPO 2018 7 Schließung...

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TECHNOLOGY FOR FUTURE CONCEPTS

Virtuelle Inbetriebnahme von Sondermaschinen unter Verwendung von Simscape Methoden

Roger Feist und Dennis Preljević

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▪ UnternehmensvorstellungHistorie, Produktspektrum

▪ Motivation und ProblembeschreibungKomponenten eines Walzwerkes, Risikofaktor Inbetriebnahme, Mathematische Modellbildung

▪ LösungsansatzModellbildung mit Simscape, virtuelle Inbetriebnahme, Vorstellung der Toolkette

▪ Virtuelle IBN am Beispiel eines BundtransportsystemsVorstellung des Modells, mögliche Fehlerquellen

▪ Zusammenfassung und FazitVorteile einer virtuellen IBN, weitere Einsatzgebiete

Inhalt

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▪ Organisation

▪ Zu 100 % in Familienbesitz

▪ Eigentümergeführt in 7. und 8. Generation

▪ Rund 380 Mitarbeiter

▪ Eine Produktionsstätte – weltweite Vertretungen

▪ Serviceunternehmen in China und USA

▪ Produktfamilien

▪ OPTIMILL® Walzwerkanlagen

▪ OPTIFOIL® Folienschneidmaschinen

▪ OPTIROLL® Automatisierungssysteme

▪ OPTIPURE® Walzölmanagementanlagen

▪ OPTILINK® Digitale Anlagenvernetzung

Vorstellung des Unternehmens

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1987 2016

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Anforderungen an ein NE-Metall Walzwerk

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▪ Hohe Prozessgeschwindigkeiten

▪ Beste Materialqualität

▪ 24/7 Verfügbarkeit

▪ Geringe Instandhaltungskosten

▪ Minimierung der Nebenzeiten wie Bund- oder Walzenwechsel

→ Nutzen aller Optimierungsmöglichkeiten

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Relevante Fachgebiete für ein NE-Metall Walzwerk

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▪ Interdisziplinäre Fachgebiete

▪ Mechanik, Kinematik

▪ Elektrik, Regelungstechnik

▪ Hydraulik, Pneumatik

▪ Sensorik

▪ Metallurgie

▪ Umformtechnik

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▪ Korrekte Auslegung mechanischer Komponenten

▪ Programmierung von Steuer- und Regelungsalgorithmen ohne Maschinenzugriff

▪ Berücksichtigung der zahlreichen Systemschnittstellen

▪ Funktionaler Test der Steuer- und Regelungs-algorithmen erst beim Kunden

▪ Erster Belastungstest neuer mechanischer Komponenten erst beim Kunden

Folgen

▪ Hohes Fehlerrisiko bei Neuentwicklungen

▪ Hoher Zeitaufwand bei der Inbetriebsetzung

▪ Hohe Kosten bei Fehlfunktionen

Herausforderungen für die Konstruktion

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Zielstellungen

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▪ Schließung der Lücke zwischen Konstruktion und Steuerungsprogrammen

▪ Modularität bezüglich des Detaillierungsgrades der Simulation

▪ Nutzung der vorhandenen 3D CAD Daten

▪ Automatisierung des Workflows

▪ Verwendung des realen Steuerungscodes

▪ Einsatz von Zielsystem-Hardware

▪ Visualisierung der Anlage sowie den Starrkörperbewegungen

▪ Möglichkeit der Kundenschulung

▪ Nutzung für Marketingzwecke

3D CAD DatenHydraulikschemen Kenndaten

Elektro-Komponentenliste

Starrkörper-modelle

VR Umgebung

Dynamische Modelle Elektrik

Dynamische Modelle Hydraulik

Steuer-und Regelungsprogrammen

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PowerSystems Electronics Fluids Multibody Driveline

Simscape

▪ Physikalische Modellierung

▪ Bereitstellung einer große Baustein-Bibliothek

▪ Modularer Aufbau der Simulation

▪ Leichte Kombination interdisziplinärer Fachgebiete

▪ Greifbare Simulationsergebnisse

▪ Einfache Codegenerierung für Echtzeitsimulationen

▪ Leichte Integration in Simulink

▪ Hohe Flexibilität durch Verwendung der Simscape Language

Lösungsansatz mit Simscape

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Virtuelle Inbetriebnahme

15.06.2018 9MATLAB EXPO 2018

3D CADProgramm

VRUmgebung

Modell-steuerung

Anlagen-steuerung

MATLABSimulinkSimscape

Bedienpult

Export .fbx

Exp

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.stp

Modelltask

Kolli

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Sensor Status

Steuerung Trigger

▪ Anforderungen an virtuelle IBN

▪ Echtzeitlauffähiges Modell

▪ Bereitstellung realer Schnittstellen

▪ Anbindung an Anlagensteuerung

▪ Abbildung der Mechanik zur Kollisionserkennung

▪ Abbildung der Sensorik

▪ Visualisierung der Bauteilbewegungen

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Virtuelle Inbetriebnahme – Toolkette

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3D CAD ProgrammModell-Modellsteuerung

▪ Konstruktion der mechanischen Komponenten

▪ Bereitstellung der Elementeigenschaften

▪ Massen, Schwerpunkte

▪ Trägheitsmomente

▪ Gelenke

▪ Ausführung der Simscape-Modelle

▪ Schnittstelle zur Anlagensteuerung

▪ Echtzeitlauffähiges System

MATLAB/Simulink Simscape

▪ Modellierung der physikalischen Systemmodelle

▪ Abbildung der Bewegungskoordinaten

▪ Berechnung physikalischer Größen

▪ Optimierung der Steuer- und Regelungsalgorithmen

VR Umgebung

▪ Visualisierung der 3D CAD Daten

▪ Abbildung der mechanischen Störkanten

▪ Abbildung der Sensorik

▪ Kollisionserkennung

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Bundtransportsystem – Komponenten

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▪ Bundwagen

▪ Zylinder zum Anheben der Seitenschilde

▪ Hydraulikmotor zum Verfahren des Wagens

▪ Sensoren zur Endlagenbestimmung

▪ Sensor zur Positionskalibrierung

▪ Bundablagen

▪ 3 Ablagen als Puffersystem

▪ Sensoren zur Bunderfassung

▪ Haspel

▪ Auf- und Abwicklung des Materials

▪ Sensoren zur Positionsüberwachung

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Bundtransportsystem – virtuelle IBN

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▪ Simscape Modell

▪ Hydrauliksimulation

▪ Zylinder der Seitenschilde

▪ Ventilsystem und Pumpensystem

▪ Einlesen der Steuerungssignale von der Steuerung

▪ Senden der Positionswerte an die Steuerung

▪ Anpassung der Massewerte

▪ VR Umgebung

▪ Endlagendetektion der Zylinder

▪ Näherungssensoren für Bundablagenerkennung

▪ Bauteilkollisionserkennung

▪ Visualisierung des Prozesses

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Bundtransportsystem – Ergebnisse

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▪ Steuerungsprogramm

▪ Kontrolle der Ablauflogik

▪ Prüfung der Sensorbelegung

▪ Hydrauliksimulation

▪ Systemdrucküberwachung

▪ Prüfung des Systemverhaltens

▪ Prüfung der Komponentenauslegeung

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Zusammenfassung

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Problemstellung

Zielstellung

Virtuelle IBN mit Simscape

▪ Vollständige IBN erst beim Kunden möglich

▪ Hohes Fehlerrisiko

▪ Großer Zeitaufwand für IBN

▪ Kosten bei Fehlfunktion

▪ Schnittstelle 3D Daten und Steuerungsprogramm

▪ Simulation der Anlage

▪ Visualisierung der Anlage

▪ Modularität der Toolkette

▪ Testen der Steuer- und Regelungsalgorithmen schon vor Fertigstellung der Mechanik

▪ Zeiteinsparung während der IBN beim Kunden

▪ Risiko- und Kostenminimierung

▪ Vollständige Modularität durch die verwendete Toolkette

▪ Visualisierung der Anlage in Echtzeit ermöglicht lateralen Einsatz

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Dipl.-Ing. Roger FeistGeschäftsbereichsleiter Digital Solutions

E-Mail: r.feist@achenbach.deTelefon: +49(0)2732/799-760

Dennis Preljević, M.Sc. Ingenieur Digital Solutions

E-Mail: d.preljevic@achenbach.deTelefon: +49(0)2732/799-604

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