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3D-Simulation in der SPS-Software-Entwicklung

Fertige Programme für fiktive Maschinen

grammierer noch nicht die endgültige Maschine und Prozesssituationen vor Au-gen hat. Offline-Entwicklung birgt Risiken Offline-Tests erfordern Modifikationen der SPS-Software, die im späteren realen Betrieb wieder zu eliminieren sind. Die tatsächliche spätere Prozesssituation ist damit beim Programmieren nicht gege-ben, was zu Fehlern führen kann. Davon abgesehen sind Maschinen bzw. Anlagen heute so kompliziert, dass ein realistischer Offline-Test oft nicht mög-lich ist. Außerdem ist die exakte Einstel-lung und Justierung der Aktorik und Sen-sorik nur selten bereits im Vorfeld der In-betriebnahme möglich. So bleibt also das Problem, dass die Inbetriebnahmephase

durch konstruktive Anpassungen von Mechanik, Elektrik und Software geprägt ist. Der in dieser Phase vorherrschende Zeitdruck führt oft dazu, dass vorgenom-mene Veränderungen ´Schüsse aus der Hüfte´ sind. Davon abgesehen ist die Dokumentation erst nach Abschluss der Inbetriebnahme möglich. �Hardware in the Loop� – Programmieren am Zielsystem Eine virtuelle Inbetriebnahme kann die spätere reale Inbetriebnahme in weiten

Dass die Virtual Reality-Technologie keine �Zukunftsmusik� ist, zeigen konkrete Projekte in der Automobil- und Werkzeugmaschinenindustrie. Ein Beispiel für den erfolgreichen Einsatz von 3D-Simulationssystemen ist der Werkzeugmaschinenhersteller Trumpf. Das Unternehmen arbeitet schon seit zwei Jahren mit virtuellen Maschinen, um bereits vor Erstellung der realen Maschine SPS-Programme realitätsnah entwickeln und austesten zu können.

� Für die Funktionen von Maschinen und Anlagen ist neben den mechanischen und verfahrenstechnischen Funktionen die Steuerung und Regelung über eine SPS von elementarer Bedeutung. Produk-tionsverfahren, Mechanik, Aktorik und Sensorik müssen exakt aufeinander ab-gestimmt werden. Die Entwicklung der SPS-Software mit den Grundfunktionen fand in der Vergangenheit meistens off -line statt. Erst nach der tatsächlichen Realisierung der Anlage wurde in der In-betriebnahmephase online alles auf-einander abgestimmt, getestet und end-gültig fertig gestellt. Praktiker wissen um die Risiken dieses Vorgehens: Die SPS-Software lässt sich nicht vollständig im Vorfeld der Inbe-triebnahme entwickeln, weil der Pro-

Dipl.-Ing. HERBERT BEESTEN ist Geschäftsführer für Ver-trieb/Marketing bei der Ta-rakos GmbH in Magdeburg.

Die Lasermaschine von Trumpf, daneben die gleiche Maschine als virtuelle Maschine.

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BRANCHENFOCUS � METALLVERARBEITUNG

Halle 5, Stand 238

� ZUM UNTERNEHMEN

Online-3D-Visualisierung – der nächste Schritt: Die Virtual Reality-Technologie für die dynamische Darstellung eines 3D-Modells einer Maschine oder Anlage eignet sich ebenso für die Online-3D-Vi-sualisierung: Anstatt der Simulations-werte werden in diesem Fall die Steue-rungsdaten mit dem virtuellen Modell verbunden, z. B. über OPC. Sofort sieht der Betreiber der Anlage in seiner Pro-zessvisualisierungskomponente das 3D-Modell seiner Anlage mit den tat-sächlichen dynamischen Veränderun-gen, Statis und Fehlermeldungen. So ist es z. B. möglich, dass bei Auftreten eines Fehlers ein virtueller Kameraflug auf ei-ne Störungsstelle erfolgt, mit Angabe der zugehörigen Informationen.

Die Kombination der 3D-Technologie mit den neuen OPC-Technologien OPC 3.x und OPC XML bietet in der Zukunft neue Möglichkeiten der Prozessvisuali-sierung. Innerhalb der 3D-Szene werden Zustände, Bewegungen und Störungen über OPC-Tags online dargestellt und animiert. Erfolgt die Zwischenspeiche-rung von historischen OPC-Daten, kann die 3D-Szene offline mit den histori-schen Werten gekoppelt werden. Dann ist es möglich, sich in den virtuellen ani-mierten 3D-Szenen zu bewegen oder vergangene Abläufe – z. B. im Umfeld von Störungen – in Echtzeit, Zeitlupe oder Zeitraffer noch einmal anzusehen und dabei virtuell die Anlagen zu durch-wandern.

Teilen vorwegnehmen. Sie liefert für die SPS-Software-Entwicklung Erkenntnisse, die sich sonst erst in der realen Inbetrieb-nahme ergeben. Der Automatisierungs-techniker programmiert in diesem Fall seine SPS so, als wenn er an der realen Maschine arbeitet. Das heißt, er arbeitet mit seinem Zielsystem (Original-SPS-Steuerung und Interfaceanschlüsse – ´Hardware in the Loop´) und program-miert seine SPS mit seinen bisherigen SPS-Programmiersystemen. Eine solche virtuelle Inbetriebnahme erfordert fol-gende Komponenten: � Original-SPS/CNC-Steuerung mit Pro- zessanschluss (z. B. Profibus, Interbus,

etc.) mit dem herstellerspezifischen Programmiersystem � Simulationssystem, in dem das mecha nische Verhalten der Maschine und die Aktorik/Sensorik mathematisch simuliert und über das Bussystem mit der SPS verbunden wird � die 3D-Software taraVRcontrol zur Darstellung des dynamischen 3D- Modells auf dem Bildschirm mit Verbindung zum Simulationssystem Simulationssystem und 3D-Visualisie-rungs-Software stellen zusammen die �Virtuelle Maschine� dar. Vor dem Projekt-start muss das Simulationssystem vor-

Die virtuelle Maschine, bestehend aus dem Simulationssystem und dem angekoppelten 3D-Modell, wird für die SPS-Softwareentwick-lung direkt über Bussys-teme an die Original-SPS angeschlossen (Gra-fik: Mewes & Partner).

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CNC und SPS heute schon vor dem Bau des Prototyps – bzw. vor dem Bau der rea-len Maschine – komplett testen. Fehler werden in einer sehr frühen Phase er-kannt und können behoben werden, oh-ne dass dadurch hohe Folgekosten oder zeitliche Verzögerungen in der Prototy-penphase entstehen. Auch die Dauer der Inbetriebnahme an der realen Maschine verkürzt sich wesentlich, in der Regel um mehr als 50 %. Werden Funktionen kom-plett simuliert und getestet, funktionie-ren diese auch ohne Änderung an der rea-len Maschine. Davon ganz abgesehen ist in der Arbeitsumgebung Büro ein effekti-veres Entwickeln und Testen möglich als in einer Montagehalle. Ein weiterer Nutzen der Simulation be-ginnt nach Auslieferung der Maschine. Im Fehlerfall kann das vom Kunden er-zeugte NC-Teileprogramme direkt in der Simulation getestet werden, ohne dass

Dieter Pfisterer, bei Trumpf für die SPS- Software-Entwicklung verantwortlich, bewertet die Einführung der 3D-Simula-tionstechnologie als sehr positiv. Nach fast zwei Jahren Erfahrung kann er ganz konkrete Vorteile nennen: „Unser Simulationssystem besteht aus drei autarken Funktionseinheiten: Aus der Steuerung mit HMI, CNC und PLC, aus der Simulation WinMOD von Mewes & Partner und aus der 3D Visualisierung taraVRcontrol von Tarakos. Das Ganze ar-beitet nach dem Prinzip �Hardware in the Loop� . Um Informationen und Daten zwi-schen Simulation und 3D-Visualisierung auszutauschen, wurde ein Shared Me-mory Bereich eingerichtet. Die dafür er-forderlichen Anpassungen sind in die Produkte eingeflossen. Für die Praxis bringt das Simulationssys-tem unbeschreiblich viele Vorteile: Wir können die komplette Software der HMI,

bereitet werden, damit es auf die Steuer-signale der SPS so reagiert, wie die Ma-schine reagieren würde. Außerdem ist es erforderlich, dass die entsprechenden Signale auf die Steuerung zurückwirken (Sensorik). Hierzu ein einfaches Beispiel: Von der Steuerung einer Transportstre-cke erhält das Simulationssystem den Be-fehl �Antrieb ein�. Das Simulationssystem beginnt auf Grund von festgelegten Be-schleunigungs- und Geschwindigkeits-werten, über eine Zeitfunktion die Positi-

on des Transportwagens zu berechnen. Wird eine Position erreicht, in der zum Beispiel eine Lichtschranke reagiert, gibt das Simulationssystem das Lichtschran-kensignal an die SPS-Steuerung zurück. Im SPS-Programm wird dann auf Grund der Programmlogik der Antrieb aus-geschaltet und als Signal dem Simulati-onssystem mitgeteilt. Das Simulations-system reagiert auf die Abschaltung mit der Berechnung der Endposition des An-triebes.

Abläufe in Echtzeit am 3D-Modell verfolgbar Damit der SPS-Programmierer das Ergeb-nis seiner Arbeit nicht nur als Zahlenko-lonne, in Simulationsbausteinen oder in einer 2D-Anzeige sieht, übergibt das Si-mulationssystem die berechneten simu-lierten Werte (z. B. die Position des Trans-portwagens) an das virtuelle 3D-Modell der Maschine. In diesem Modell bewegt sich dann der Transportwagen in Echt-zeit, zusätzlich wird der Status des Motors und der Sensorik (z. B. durch Farb-umschlag) angezeigt. Der SPS-Program-mierer kann die dynamische animierte Bewegung als Effekt seiner SPS-Program-mierung beobachten. In der 3D-Visuali-sierungssoftware lässt sich die Maschine oder Anlage von allen Seiten durch Dre-hen der Maschine, durch virtuelles Um-herwandern oder mit �Durchflügen� be-obachten. Die Trumpf GmbH & Co KG aus Ditzingen stellt Werkzeugmaschinen her, unter an-derem Lasermaschinen sowie Stanz- und Biegemaschinen. Das Unternehmen hat bereits vor mehreren Jahren für die kom-plette Konstruktion im Hause ein 3D-

Für die virtuelle Inbetriebnahme sind neben den Automatisierungs-kompetenzen auch Kompetenzen im Bereich 3D-CAD-Technologie und -Simulation notwendig.

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eine Anreise zum Kunden erforderlich ist. Zusätzlich werden alle Software-Serien-stände vor Softwarefreigabe nochmals in der Simulation getestet und bewertet. Zusammen gefasst lässt sich sagen, erst durch die 3D-Visualisierung – durch ´Vir-tual Reality´ – wird erreicht, dass die Si-mulation dem einer realen Werkzeug-maschine sehr nahe kommt. Aber man muss für diese Vorteile auch etwas inves-tieren: Die Verwendung der Original-3D-Modelle, in denen alle Bauteile ent-halten sind, hat sich nicht bewährt. Um ein Optimum an Funktion und Perfor-mance zu erzielen, werden vereinfachte 3D-Maschinenmodelle erstellt. Der Auf-wand zur Erstellung dieser Modelle kann je nach Komplexität bis zu einer Mann-woche pro Modell betragen. Und – auch das sollte erwähnt werden – es ist ein ge-wisses Know-how notwendig, wie man die Sache angeht.“

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� KONTAKT

taraVRcontrol 797 Tarakos www.tarakos.com

� KOMPAKT

Eine virtuelle Inbetriebnahme kann die spätere reale Inbetriebnahme in weiten Teilen vorwegnehmen. Der Automatisierungstechniker pro-grammiert dabei seine SPS so, als wenn er an der realen Maschine ar-beitet. Das heißt, er arbeitet mit sei-nem Zielsystem (Original-SPS-Steue-rung und Interfaceanschlüsse – ´Hardware in the Loop´) und pro-grammiert seine SPS mit seinen bis-herigen SPS-Programmiersystemen. Das Simulationssystem und die 3D- Visualisierungssoftware stellen da-bei zusammen die ́ Virtuelle Maschi-ne´ dar. Vor Projektstart muss das Simulationssystem vorbereitet wer-den, dass es auf die Steuersignale der SPS so reagiert, wie die Maschine reagieren würde.

CAD-System eingeführt. Vor gut zwei Jahren folgte dann die Einführung eines 3D-Simulationssystems für die Software-Entwicklung. Gemeinsam mit der Tara-kos GmbH und einem Simulationssys-temhersteller realisierte Trumpf hierzu ein Konzept zur virtuellen Inbetriebnah-me. Es dient heute für die Entwicklung aller Lasermaschinen und ebenso aller Biege- und Stanzmaschinen. Vorhandene 3D-Daten aus der Konstruktion verwendbar Praktisch sieht das Konzept so aus: Aus-gehend von 3D-Modellen aus der mecha-nischen Konstruktion mit dem CAD-Sys-tem Solid Works werden vereinfachte und optimierte 3D-Modelle im VRML-For-mat (Dateiendung *.wrl) exportiert. Nach dem Import der Modelle in das Simulati-onssystem lassen sich diese mit der Tara-kos-3D-Visualisierungssoftware taraV -Rcontrol als 3D-Modelle betrachten. Nächster Schritt ist die Zuordnung von Zuständen (z. B. durch Farbumschlag oder Markierung) oder Positionsände-rungen von einzelnen mechanischen Tei-len (Translation, Rotation). Klickt nun der

Automatisierungstechniker in der 3D- Grafik z. B. ein zu bewegendes Teil an, er-folgt automatisch eine Markierung und die Anzeige der Möglichkeiten, was sich verändern lässt (Farbumschlag, Größe, Position, Rotation etc.). Danach wird nach dem Prinzip ´try and error´ an verschie-denen Rädchen auf der Programmober-fläche gedreht, um zu sehen, welche Veränderungen eines Wertes welche Ani-mation erzeugt. Hat der Anwender den gewünschten Effekt festgestellt, so kann er an dieser Stelle den Simulationswert – z. B. einen Drehwinkel – zuordnen. Steht nun die Linie SPS-Programm – Simulati-onssystem – 3D-Software, lässt sich die Maschine per Maus-Klick starten. Am Bildschirm kann dann verfolgt werden, wie sich beispielsweise der programmier-te Transportwagen bewegt und ob das Abstoppen durch den Endschalter richtig erfolgt. Die Vorteile dieses Konzepts sind vielfäl-tig: Tests sind noch vor Erstellung eines Maschinen-Prototyps mit der Original-Steuerung und Original-Software (Hard-ware in the Loop) möglich. Das schließt die Vorwegnahme von Erfahrungen mit ein, die sonst erst in der späteren realen Inbetriebnahme möglich sind. Daneben hilft die realitätsnahe Darstellung der vir-tuellen Maschine dem Programmierer, die reale Maschine besser zu verstehen. Er kann ohne großen Aufwand vielfältige Variationen der Produktions- und Pro-duktdaten durchspielen. Ebenfalls ein Aspekt: Das virtuelle Maschinenmodell ist eine gute Basis für gemeinsame Be-sprechungen der Mechanik, Elektrotech-nik, Vertrieb und Service. Auch der gerin-gere Zeit- und Raumbedarf für die eigent-liche Inbetriebnahme ist ein starkes Ar-gument. Steuerungen und Software las-sen sich vorab ohne großen Aufwand ei-nem Dauertest unterziehen.

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