Simulation Based Engineering - isg- · PDF filesowie SIMOTION, S7, Beckhoff, Bosch, FANUC, Heidenhain, .. PC mit einer virtuellen Maschine Profibus DPV1, DPV2, ProfiSafe PROFINET,

Industrielle Steuerungstechnik GmbH

© ISG 2014 1ISG-VIRTUOS – Präsentation 2014

Simulation Based Engineering

- Virtuelle Inbetriebnahme -

Echtzeitsimulation Hardware-in-the-Loop - Simulation


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2ISG-VIRTUOS – Präsentation 2014

Virtuelle Inbetriebnahme (Ablauf und Vorteile)

ISG-virtuos –„best practice“ - Lösungen

ISG-virtuos – Eigenschaften und Funktionen

Unternehmen

Kontakt


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Unternehmen - ISG


Gründungsjahr 1987

Sitz Stuttgart

Geschäftsfeld Industrielle Lösungen (Software als Schwerpunkt) im Bereich

CNC, Robotic, MotionControl und Echtzeit-Simulation

Mitarbeiter ca. 30 Ingenieure

Kunden Steuerungshersteller sowie Maschinen- und Anlagenbauer

Produktbereichee.V.

PLCopen

Mitglied in

Materialfluss

Kinematik

Dynamik

Logik

CNC

RC

MC


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Unternehmen – ISG-virtuos

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Unser Anspruch

� Die Business Unit „ISG-VIRTUOS“ ist der Anbieter von wirtschaftlichen Lösungen im Bereich des

„Simulation Based Engineering“ und der virtuellen Inbetriebnahme für den Anlagen- und Maschinenbau

� Die BU „ISG- VIRTUOS“ ist technologieführend im Bereich der Echtzeit-Simulation (Hardware-in-the-Loop)

� Die Strategie der BU „ISG- VIRTUOS“ basiert auf einem nachhaltigen Geschäftsmodell und einer

kundenorientierten Produktstrategie

Mission

� Die BU „ISG- VIRTUOS“ ist für ihre Kunden ein zuverlässiger Partner

� Die BU „ISG- VIRTUOS“ setzt ihre gesamte Lösungskompetenz ein, damit der Kunde seine

Wertschöpfungsprozesse mit maximalen wirtschaftlichen Vorteilen optimieren kann

ISG-VIRTUOS – Präsentation 2014


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� ISG besitzt fundierte Erfahrungen in der Automatisierungstechnik , insbesondere im Bereich von Echtzeitapplikationen sowie bei Feldbussen samt zugehöriger Aktor- und Antriebstechnik

� ISG ist ein Technologiepartner, der zusammen mit seinen Kunden strategische Ziele umsetzt

� ISG bildet als Dienstleister das Fachpersonal des Kunden bereits während der Umsetzung der Lösung intensiv aus

� ISG-VIRTUOS ist zurzeit die einzige Echtzeitlösung , die im Millisekunden Takt zeitdeterministisch zusammen mit der realen Steuerung und unterschiedlichen Feldbussen arbeitet

� ISG-VIRTUOS ist aufgrund der Echtzeitfähigkeit der Schnittstellen für zahlreiche unterschiedliche Echtzeitplattformen einsetzbar

� ISG-VIRTUOS ermöglicht durch den modularen Aufbau die Umsetzung von einfachen bis hin zu komplexen Automatisierungsstrukturen

Vorteile der Zusammenarbeit mit der ISG


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Anwender / Technologiepartner von ISG-virtuos


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Virtuelle Inbetriebnahme



- Hardware-in-the-Loop -


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Virtuelle Inbetriebnahme mit HILS –Aufbau des Simulationsarbeitsplatzes

Siemens 840Dsowie SIMOTION, S7, Beckhoff, Bosch, FANUC, Heidenhain, ..

PC mit einer virtuellen Maschine

Profibus DPV1, DPV2, ProfiSafePROFINET, CANopen, EtherCAT, SERCOS …


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Zielprozesse bei Kunden

MechatronicBasedR&D

Angebot an den R&D-Bereich

• bewährte „best practice“-Lösungen

• Einführung eines durchgängigen Workflows (mechatr. Lösungen)

• Einsatz wiederverwendbarer Modul-Bibliotheken

Simulation Based

Engineering

virtuelleInbetriebnahme

Produktion / Betrieb

Hauptvorteile / Nutzen

• Projektkosten um bis zu 30%reduzierbar

• Test auch kritischer Funktionen in Echtzeit zur Absicherung der Qualität

• Funktions- und Performance-nachweis gegenüber dem Auftraggeber


• Produktentwicklungskosten um 20% reduzierbar

• „time to profit“ um 30% kürzer

• Test von Lösungen bereits in der Konzeptphase

• wiederholbare Einsparungseffekte durch Lösungsbibliotheken

Angebot an das Engineering

• Simultan-Engineering auf Basis von „best practice“-Lösungen

• Etablierung eines professionellen Projektmanagements

• wiederverwendbare Modul-Bibliotheken

Angebot an die Inbetriebnahme

• Virtuelle Inbetriebnahme (VIBN) in harter Echtzeit (<= 1ms)

• Verwendung der realen Steuerungskomponenten (HILS)

• umfangreiche Tests bzgl. der Erfüllung der Spezifikationen


• Inbetriebnahmezeiten um bis zu 80% reduzierbar

• kürzere Durchlaufzeiten in der Endmontage und Inbetriebnahme

• keine „Nachbearbeitung“ bei Kunden

• risikolose Schulung

Angebot an die Produktion

• Schattenanlage für die Optimierung der Produktionsprozesse

• sicherer Betrieb der realen Maschine

• Ausbildung des Bedienpersonals


• Optimierung der Performance um bis zu 10%

• Einsparungen in Materialkosten –Test mit „virtuellen Werkstücken“ und realen Produktionsdaten

• Vermeidung von Kosten durch Kollisionen und Stillstandzeiten


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Inbetriebnahme im sequentiellen Workflow

AuslieferungProduktionsstart

MontageZusammenbau

InbetriebnahmeCNC, SPS …

EngineeringKonstruktion

konstruktions-spezifischeSchwerpunkte• CAD• FEM• MKS

Maschine / Anlagefür die Inbetriebnahme(noch) nicht verfügbar

Inbetriebnahme inkl.Factory Acceptance Testdurch den Kunden


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Phasen der Inbetriebnahme

InbetriebnahmeCNC, SPS …

AbnahmeV Grundinbetriebnahme B S T

Test Installation/Verkabelung

Bedienoberfläche / HMI• Bediensequenz• Sonderfunktionen

Test Sicherheit

Technologie-OptimierungGrundinbetriebnahme• SPS-Funktionalität• CNC-Funktionalität• grundlegende Tests


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Konsequenzen der Terminüberschreitung im sequentiellen Workflow

Auslieferung, Prod.(Pönale …)

MontageZusammenbau


IBN

Test / Sicherheit

Technologie-Optimierung

Verzögerung : • Nachträge• Klärungsbedarf• …

Verzögerung :• Nachträge• Lieferengpässe• Korrekturen

keine weitere Verzögerung mehr möglich!

Abnahme (FAT)

Mangelhafte Erfüllung der Kundenanforderungen und s chlechte Qualität:� „Nachbesserungen“ beim Kunden während des Produktionsstarts� zusätzliche nicht geplante Kosten / Imageschaden


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VIBN - Reduzierung der Durchlaufzeiten und Kosten

MontageZusammenbau

AuslieferungProduktionsstart


reale Maschinebenötigt für:• Installationstest• Technologie• Abnahme

virtuelle InbetriebnahmeCNC, SPS … Puffer für

OptimierungoderVerkürzung der Lieferzeiten *1)

*1) Inbetriebnahmezeiten bis zu 80% reduzierbar (Erfahrungswerte der „best practice“-Kunden)


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ISG-virtuos - durchgängige Nutzung als Referenz / „d ynamisches Pflichtenheft“



Zielsetzung: Simulation Based Engineering

MontageZusammenbau


Konzeptphase

IBN / FAT

Betrieb Service

virtuelleInbetriebnahme

Verifikation der Ideen

Validierungder Lösungen

Test und Optimierung der Realisierung

Service-Unterstützung


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� Reduzierung der Inbetriebnahmezeit um bis zu 80%• kürzere Projektdurchlaufzeiten• reduzierte Hallenbelegungszeit

� Wesentlich höhere Softwarequalität mit gleicher Manpower• Test von regulären und irregulären Betriebszuständen, HMI • Frühzeitige Fehlerbehebung spart Folgekosten

� Risikominimierung im Projektmanagement durch „Virtuelle Abnahme“• Qualität wird bereits im Büro realisiert• Kunde erhält schon frühzeitig einen Eindruck über den Projektverlauf

� Risikominimierung bei der Inbetriebnahme beim Kunden• Vermeidung von Kollisionen sowie Fehlfunktionen und Ablaufproblemen• Endlostest mit virtuellen Werkstücken und realen Produktionsdaten

� Erhebliche Verkürzung der Anbindung an übergeordnete Leitsysteme

Realisierbare Vorteile


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„best practice“ – Lösungen


ISG-virtuos

- „best practice“ – Lösungen -


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Motivation / Zielsetzung� kurze Projektlaufzeiten� steigende Variantenvielfalt und hohe Umrüstzeiten� Kosten- und Termindruck�Einsatz der virtuellen Maschine für die Inbetriebnahme

mit realen Steuerungen�Anlagen- und Maschinensimulation inklusive der

3D-Simulation

ISG-virtuos im Anlagen und Maschinenbau – Fa. HEITEC AG

Hauptvorteile – Anwender und Betreiber� kurze Inbetriebnahmezeiten und bessere SW-Qualität� Test auch extremer Situationen ohne Risiken� Import von CAD-Daten und Elektrokonfigurationen� Wiederverwendung der mechatronischen Module� Generierung verbesserter Abnahmekriterien� Optimierung von Service und Wartung künftiger Anlagen� Schulung und Weiterqualifikation von Mitarbeitern


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Motivation / Zielsetzung� BAZ für die Serienfertigung von Motorblöcken

(2 WZ-Spindel, 2 WZ-Magazine mit je 34 Werkzeugen)� Optimierung der Produktivität in Abhängigkeit von

Maschine und steuerungstechnischen Komponenten� Optimierung von Taktzeiten und professionelle

Beherrschung von Störsituationen� Reduzierung der Inbetriebnahmezeiten

ISG-virtuos für komplexe Bearbeitungszentren (BAZ) – Fa. Grob / Daimler

Hauptvorteile - Hersteller� deutlich reduzierte Inbetriebnahmezeiten� umfangreicher Test der Funktionalität � Optimierung und Test von alternativen Abläufen

Hauptvorteile - Betreiber� Optimierung der Taktzeiten (NC-Programme)� Kollisionskontrolle� Training des Fachpersonals ohne Maschinenbelegung


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Motivation / Zielsetzung� große Vielfalt an optionalen Funktionen� Einsatz verschiedener CNC-Steuerungen

(Siemens, Bosch, Heidenhain, Fanuc)� Test verschiedener Konfigurationen� Test neuer Ideen, z. B. Werkzeugwechselstrategien� Verkürzung der Durchlaufzeiten (Auftragsbearbeitung)� höhere Zuverlässigkeit

� - Taktzeitoptimierung

ISG-virtuos für CNC-Bearbeitungszentren – Fa. CHIRON

Hauptvorteile - Anwender� Test von Störsituationen z. B. „kritischer“

Werkzeugwechselsituationen und fehlerhafter Werkzeugvorbelegungen

� „reale Zeitachse“ hilft bei der Beurteilung der Abläufe� Erkennen und Messen von Nebenzeiten� an virtueller Maschine getestete Steuerung funktioniert

ohne weitere Maßnahmen an der realen Maschine


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Motivation / Zielsetzung� große Vielfalt an optionalen Funktionen und Baureihen

in verschiedenen Baugrößen� elektrisch und hydraulisch angetriebene Maschinen -

Schließkräfte bis zu 54.000 kN� Prozess-Regelung durch die Steuerung � Betriebspunkte an der realen Maschine nahezu nicht

reproduzierbar

ISG-virtuos für Spritzgieß-Maschinen - Fa. KraussMaffei

Hauptvorteile - Anwender (Steuerungstakt = Fedbustakt = Simulationstakt = 1ms )

� automatische Generierung der Simulationsmodelle� Simulation der Kinematik, Logik und Dynamik

(Hydraulik)� signifikante Reduzierung der Durchlaufzeiten� Simulationsmodell für jede ausgelieferte Maschine� Amortisierung des Initialaufwandes bereits im 1. Jahr


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Motivation / Zielsetzung� komplexe Automatisierungsaufgaben mit Risiken

bei erstmaliger Verwendung von Antriebs- und I/O-Komponenten

� Forderung nach höherer Zuverlässigkeit der kundenspezifischen Applikationen

� Notwendigkeit zur Verkürzung der realen Inbetriebnahmezeiten

� Reduzierung von Serviceeinsätzen

ISG-virtuos für Hydrotester-Anlagen - Fa. BROSIS / PWS

Hauptvorteile - Anwender / Hersteller� Test von Kinematik, Logik, Dynamik (Hydraulik)

und Materialfluss in einem Simulationsmodell� Reproduzierbarkeit von regulären Abläufen und

Störsituationen in Echtzeit� deutliche Reduzierung der Inbetriebnahmezeiten� Vorabnahme durch den Endkunden bereits an der

virtuellen Anlage möglich� Vertriebsargument: professionelles Engineering


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Motivation / Zielsetzung� Flexible Auslegung der Produktionsmaschine� individuelle Werkstückgeometrie (Losgröße 1) mit enger

Terminvorgabe für das Gesamtprojekt� keine Reserve für etwaige Störungen / Rüstzeiten an der

realen Maschine� „Hochlaufphase“ bei der Projektrealisierung nicht

vorgesehen

ISG-virtuos im Projektgeschäft –„Golfdach“, Südkorea, Fa. TechnoWood

Hauptvorteile - Anwender / HerstellerStörungsfreie und termintreue Produktion über 3 Mon ate im 3-Schicht-Betrieb durch:

� Vorab-Simulation sämtlicher Bearbeitungsschritte(keine Freigabe ohne vorausgehende Simulation)

� Kollisionsüberwachung während der Bearbeitung� Visualisierung


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Produkt - Eigenschaften und Funktion


ISG-virtuos

- Eigenschaften und Funktionen -


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� die reale Steuerung kann inklusive der Echtzeit-Eigenschaften der Software und der Feldbuslösung 1:1 verwendet werden �� keine Emulation

notwendig!

� die virtuelle Maschine verhält sich wie die reale Maschine in harter Echtzeit < 1ms�� virtuelle Inbetriebnahme

und „Factory Acceptance Tests“ sind vollumfänglich realisierbar

HILS –Grundprinzipien der Lösung mit ISG-virtuos

real controls• CNC• PLC• motion control

Feldbus

virtual machine

real machine


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ISG-virtuos – kundenspezifische Realisierungsoptionen

Option Steuerung Simulation Anlage / Maschine

HILS

Hardware-in-the-Loop –Simulation/VIBN

1-Rechner-Lösung

Steuerungsrechner als Simulations-Arbeitsplatz

steuerungsintegrierte Simulation

Simulation/VIBN als Mehrwert der Maschinensteuerung

Feldbus Feldbus

1:1

Feldbus

Feldbus

Feldbus

1:1


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HILS - Reale Steuerung steuert virtuelle Maschine in Steuerungsechtzeit

Simulations-Rechner

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4155

577.04

4512120 LogikKinematik

DynamikMF

Echtzeit-Simulationskern (Solver)

Echtzeit-Betriebssystem (< 1ms)

Feldbus(Slave)

realer Feldbus

reale Steuerungen

Bedienung

PC-Betriebssystem (MS-Windows)

Visualisierungreales Verhalten


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HILS - Erprobte Lösungen für alle etablierten Steuerungssysteme


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Benchmark : ISG-virtuos *)

Kriterium USP ISG-virtuos

Handling • Look & Feel wie eine normale Windows-Anwendung

Softwareplattform��

• moderne 64-bit-Architektur im Bereich der Visualisierungs- und der Echtzeitanwendung• keine Restriktionen bzgl. Größe der 3D-Modelle

Echtzeitfähigkeit��

• harte Echtzeitfähigkeit (< 1ms)• nutzt TwinCAT der Fa. Beckhoff zur harten, deterministischen Echtzeit-Simulation

Externe Schnittstellen • automatisierte Modellerstellung mit XML-Dateien• Export in gängige Dateiformate von Monitoring-Daten• Import von CAD-Daten für 3D-Darstellung

Feldbus-Unterstützung��

• Profibus / Profinet• CAN / CANopen• EtherCAT• Ethernet/IP• SERCOS

Werkstück- / Teilegeometrie��

• Geometriemodell kann dynamisch verändert werden• auch komplexe Automatisierungssysteme können vollumfänglich in Echtzeit simuliert werden

Kopplung MATLAB/SimuLink • direkter Import von .m-Dateien • Simulation ohne lokale MATLAB Installation möglich

Einführung der Simulation SchulungAfter Sales Support

��• detaillierte Analyse der Anforderungen an das Werkzeu g und die Projektorganisation• Schulung / Coachen der Mitarbeiter im Workshop am k onkreten Projekt des Kunden• schneller Einsatz vor Ort

*) Benchmark und USP (exklusive Eigenschaften) wurden durch Kunden vorgenommen


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HILS - Echtzeitanforderungen an die Simulationstechnik

Real-time classes and application areas (IAONA classification)

1µs 10µs 100µs 1ms 10ms 100ms 1s 10s

Highly dynamic processes, electronic drives

Machine tools, fast processes,robots

Conveying systems,simple controls,majority of all automated systems

ISG-virtu os

Building technology, control an automation levels, trouble-free processes, storage systems

competitors


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HILS -Warum ein Echtzeitsystem für die Simulation?

Das originale Steuerungssystem kann ohne Änderungen verwendet bzw. getestet werden

� identische Steuerungskonfiguration (inklusive I/O-Adressen) wie an der Originalmaschine

� deterministisches, realistisches Verhalten der Simulation bzgl. Steuerung und Feldbus (~ 1ms)

� reproduzierbares Modellverhalten bei mehreren Simulationsläufen

� Herstellerunabhängig, da Anbindung über etablierte Feldbussysteme


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Ein Simulationssystem für mehrere (verschiedene) Steuerungen

Unterschiedliche Simulations- bzw. Visualisierungs-S zenarien� Simulations-PC mit der Möglichkeit zur Anbindung mehrerer Feldbusse gleichzeitig und damit auch mehrerer

realer Steuerungen� mehrere Steuerungen mit mehreren Simulation-PCs und einer gemeinsamen Visualisierung möglich� automatische Generierung einer Multi-Slave-Konfiguration zur Repräsentation der Antriebs- und IO-

Busteilnehmer aus der Steuerungskonfiguration

Steuerung 1

Steuerung 2

Steuerung 3

Feldbus 1

Feldbus 2

Feldbus 3


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Simulation von komplexen (verteilten) Automatisierungslösungen

Durchgängiger Test / Simulation komplexer Automatis ierungslösungen� Simulationssystem einfach über Feldbusmechanismen erweiterbar� Kombination der Hardware-in-the-Loop-Simulation mit realen Automatisierungssystemen� übergeordnete 3D-Visualisierung der kompletten Anlage� „Factory Acceptance Tests“ bereits in der Inbetriebnahmephase

Simulation-PC

fieldbus

CNC

Simulation-PC

fieldbus

CNC

Simulation-PC

fieldbus

CNC

fieldbus

Leitrechner

fieldbus

Simulation-PC

3D-visualisat.plant, cell…

SPS

SPS

CNC Feldbus

Feldbus

SPS

SPS

CNC

Leitrechner

simulation systemmanufacturing

cell

logics

kinematics

dynamics

transport

logics

kinematics

dynamics

machine tool

logics

kinematics

dynamics

Zusammenführung der 3D-Sim.


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Know-how-Aufbau/-Schutz bei Anwendern / Kunden

� firmeneigene Bibliothek im Rahmen von „customizing“

� validierte Teil-/Submodelle

� effizientes Engineering durch Wiederverwendung

� Prozessoptimierung im Engineering durch automatische Generierung der Modelle

Individuelle Modulbibliotheken zur Erstellung der Verhaltensmodelle

reale Komponente virtuelle Komponente

Lösungs- / Know-how-Bibliothek


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Modulbibliothek für die 3D-Visualisierung

3D-Geometrie-Bibliothek 3D-Visualisierung

Virtuelles Komponentenlager� wiederverwendbare Komponenten / Baugruppen für 3D-Modelle (direkter Import aus CAD-Systemen)� Basis für modulare Baukastensysteme� komfortable Erzeugung neuer Konfigurationen sowie Adaption bestehender Komponenten� automatische Generierung der 3D-Modelle aufgrund der auftragsspezifischen Maschinenkonfiguration

3D-CAD-System


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Maschinenkonfiguration – virtuelle Modul-/Aggregaten-Bibliothek

GrundmaschineKonfig n• Basis+ Komp. D+ Komp. C+ Komp. C+ Komp. B+ Komp. E+ ...

Aggregate

B

D

Automatische Generierung � des Gesamtmodells � der Steuerungskonfiguration

C

E


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Maschinenkonfiguration – Konfigurationsvorgang


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3D-Visualisierung –mit unterschiedlichen „Kamerapositionen“


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Echtzeit-Simulation verketteter Anlagen / Materialfluss

Bearbeitungs-

Zentrum

Bearbeitungs-

Zentrum

WerkstückBandHandling System

Feldbus

LeitrechnerPLC

NC / PLC

……

PLC

virtuelle Produktionslinie mit realer Steuerungstechnik


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Materialfluss� Erzeugen von Objekten

� Verändern / Bearbeiten dieser Objekte

� Löschen von primitiven und komplexen Geometrieobjekten

Echtzeit-Simulation von Materialfluss


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Abtragssimulation und Kollisionserkennung / -vermeidung

Abtragssimulation• Präzise, fotorealistische Darstellung• Arbeitsfortschritt in Echtzeit

Kollisionserkennung• Definition von Körperpaaren • Anzeige und Meldung von Kollisionen


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Diagnose- und Testwerkzeuge (Online):

� Anzeigen, Taster, Schalter, Schieberegler ...

� “Scope”-Funktionalität zum Anzeigen der Prozessdaten in Echtzeit

� Mitschreiben („tracking“) der Prozessdaten

� Bereitstellung der Prozessdaten zur weiteren Analyse im *.csv –Format

Diagnose- und Testfunktionen


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Modellierung von Antriebsachsen

Schneller Einstieg durch wählbare ModellierungstiefeZiel: „So einfach, wie es für die Simulationsaufgabe erlaubt ist“

� Bypass : „Soll = Ist“

� PT1 / 2 : Verzögerung bzw. Schwingfähigkeit

� Regler + Streckenmod.: > 30 Par.

� Anbindung von MATLAB/Simulink


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Automatisierung von Engineering-Prozessen:

� Individuell konfigurierbare Maschine auf Basis eines Baukastensystems mit wiederverwendbaren Baugruppen / Aggregaten

� automatisierte Konfiguration der Steuerung und des Simulationsmodells gemäß Kundenauftrag

� Beauftragung des Simulationssystems über Kommandierungsschnittstelle (XML)

Automatische Modellgenerierung


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Kostengünstiges Steuerungssystem mit integrierter Echtzeit-Simulation

� Optimierung des Bearbeitungsprozesses ohne die Maschine zu blockieren bzw. zu gefährden

� Schattenanlage zur Kollisionsvermeidung

� umfangreiche Diagnosemöglichkeiten

� Visualisierung der Bearbeitung in schwer zugänglichen Maschinenbereichen (Sprühnebel …)

Ein-Rechner-Lösung für Steuerung (CNC, SPS …) und Simulation

TwinCAT - Echtzeitbetriebssystem

virtu os.SE/A

Interface

3D-Visualisierung

virtu os.V

Modellierung & Monitoring

virtu os.M

Virtuelle Maschine

Echtzeit-Modellberechnung

LogikKinematik

Dynamik

virtu os.S

Kommunikation Echtzeitbetriebssystem - Windows

SteuerungskernCNC-Kern

SPS

HMI der Steuerung

MF

Windows


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