Wolfgang Klingauf

Ein Schritt weiterin der virtuellen WeltMaschinen und Anlagen in Echtzeit simulieren

Werkstatt + Betrieb

Zeitschrift für spanende Fertigung

SPECIAL: Betriebstechnik // Seite 161

September 2013 / 146. Jahrgang www.werkstatt-betrieb.de

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> BRANCHENSTUDIEZerspanen in Deutschland:Energieeffizienz entpupptsich als Erfolgsfaktor // Seite 22

> EMO HANNOVER 2013Produktinnovationen pur:25 Seiten EMO-Highlights, dieeinen Besuch lohnen // Seite 28

> TRENDBERICHTAutomatisiertes Entgraten:Das notwendige Übel bei derWurzel packen // Seite 134

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von DMG MORI SEIKI

© Carl Hanser Verlag, München. 2013. Alle Rechte, auch die des Nachdrucks, der photomechanischen

Wiedergabe dieses Sonderdrucks und der Übersetzung behält sich der Verlag vor.

ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbHRosenbergstraße 28 | 70174 StuttgartT | F: +49 (0)711/22992-30 | -25 info@isg-stuttgart.de | www.isg-stuttgart.de

Sonderdruck aus der Fachzeitschrift WB Werkstatt+Betrieb 9/2013

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2 > SimulationssoftwareS T E U E R U N G E N

> ISG-virtuos nennt die ISG Industriel-le Steuerungstechnik GmbH, Stuttgart, ih-re Echzeit-Simulations- und 3D-Visuali-sierungssoftware, die sie in den letztenknapp zehn Jahren entwickelt hat. Der Na-me ist Programm: Geradezu meisterhaftlassen sich damit selbst komplexe Maschi-nen und Anlagen abbilden und mitsamtihrer Komponenten (wie Werkzeugwechs-ler oder Spindeln) und Aggregate auf demPC simulieren. Ziel ist die Kopplung des

Simulations-PCs an reale und virtuelleSteuerungstechnik, was dem Anwendervielfältige Vorteile schon in der Konstruk-tionsphase, bei der Inbetriebnahme undfür Schulungszwecke verspricht.

Ulrich Karle,Applikationsfachmann beidem Steuerungshersteller Fanuc, urteilt:»Mit ISG-virtuos lässt sich die Entwick-lung neuer Maschinen beschleunigen undder Zeitraum von der Inbetriebnahme ei-ner neuen Maschine bis hin zur Kunden-abnahme signifikant verkürzen. Der Kun-de profitiert nicht nur von einer früherenLieferung der Maschine, er kann ISG-vir-

tuos selbst zur frühzeitigen Schulung derBediener einsetzen und seine Steuerungs-programme – CNC und SPS – ohne realeMaschine risikolos optimieren.«

Fanuc bietet für seine CNC den

Anschluss an virtuelle Maschinen

Ein Nutzen, den Fanuc seinen Kundenzugänglich macht. Denn der Anbieterweltweit erfolgreicher Steuerungs- undAntriebstechnik kooperiert mit dem Soft-wareunternehmen ISG, das 1987 als Spin-off des ISW der Universität Stuttgart ge-gründet wurde. Noch im Gründungsjahrstieß Ulrich Eger zu ISG. Der diplomierteElektrotechniker verantwortete 16 Jahrelang spezielle ISG-Steuerungsentwicklun-gen namens ISG-kernel. Seit 2005 ist erzuständig für die Entwicklung von ISG-virtuos und heute auch Ansprechpartnerfür diesbezügliche Applikationsprojekte.Eger erklärt: »ISG-virtuos wird Steuerungs-hersteller-übergreifend eingesetzt.Die rea-

Maschinen und Anlagen in Echtzeit simulieren

Ein Schritt weiterin der virtuellen WeltISG-virtuos ist ein Simulationswerkzeug, das Maschinen- und Anlagenherstellernsowie deren Kunden deutliche Zeit- und Kostenvorteile bietet. Ein führenderSteuerungshersteller hat nun die Partnerschaft mit dem Entwickler ISG gesucht.

HERSTELLERiFanuc FA Deutschland GmbH73765 Neuhausen auf den FildernTel. +49 7158 187400www.fanucfa.deEMO Halle 25, Stand C18

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© Carl Hanser Verlag, München WB 9/2013

ANWENDERiISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH70174 StuttgartTel. +49 711 2299230www.isg-stuttgart.de

Ulrich Eger (vorn) mit ISG-Kollegen vor einer virtuellen Maschine: Wurde ISG-virtuoszunächst für die virtuelle Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen zur Hardware-in-the-Loop-Simulation entwickelt, hat sich die Software inzwischen zu einem Allround-werkzeug entwickelt

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VON WOLFGANG KLINGAUF

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le Steuerungsgerätetechnik kommuniziertüber den realen Feldbus mit dem Simula-tions-PC. Es ist die identische Steuerung,die auch die reale Maschine steuert.«

In enger Zusammenarbeit haben Fanucund ISG die Schnittstellen für zwei ver-schiedene Konfigurationen definiert: Zumeinen wird eine reale Fanuc-CNC an einevirtuelle Maschine basierend auf ISG-vir-tuos gekoppelt,zum anderen die reale CNCdurch den virtuellen NC Guide pro ersetzt.Die erste Lösung wird als ›Hardware-in-the-Loop-Simulation‹ (HiLS) bezeichnet.Dazu wird eine Fanuc-CNC über dieFeldbusse Ethernet IP und Profibus sowie

das Übertragungsprotokoll Focas 2 miteinem Simulations-PC (Windows XP oderWindows 7) verbunden, der über ein Echt-zeitbetriebssystem verfügt.

›Virtuos‹ arbeitet taktsynchron

mit dem Feld- oder Antriebsbus

Eger erklärt: »Das Echtzeitverhalten vonISG-virtuos ist ein wesentliches Merkmalunseres Systems. Für den Steuerungstestwie zum Beispiel bei der virtuellen Inbe-triebnahme ist das unbedingt erforderlich.Man benötigt reproduzierbare Simulations-ergebnisse in Analogie zur realen Maschi-ne. Auch die Maschinensteuerungen sind

echtzeitbasiert. So erreicht man ganzheit-lich ein zeitdeterministisches Verhaltendes Simulators zusammen mit Steuerungund dem Feldbus. Echtzeit heißt in unse-rem Fall, dass ISG-virtuos nicht ungefährim Takt der Steuerung arbeitet, sondernsynchron im Zyklus des Feld- oder desAntriebsbusses, zum Beispiel im Milli-sekundentakt. Somit zeigt ISG-virtuos imRahmen der erstellten Güte des Maschi-nenverhaltensmodells ein realistischesVerhalten gegenüber der Steuerungs-hardware.«

In ISG-virtuos lässt sich also reale Hard-ware durch realitätsnahe Simulationsmo-delle ersetzen, wodurch auch eine 30 Ton-nen schwere Anlage oder Maschine auf demNotebook Platz findet. Die angeschlosse-ne reale Steuerung erkennt beim Hochfah-ren alle vorhandenen und aktiven Antrie-be und I/Os und merkt nicht, dass sie miteiner virtuellen Umgebung verbunden ist.Schließlich verhalten sich die Busteilneh-mer und alle virtuellen Komponenten – obWerkzeugwechsler,Hydraulik- oder Pneu-matikaggregate – wie die realen.

Bei der zweiten Lösung, der ›Software-in-the-Loop-Simulation‹ (SiLS), ist die vir-tuelle Fanuc-Steuerung NC Guide Pro aneine in ISG-virtuos erstellte virtuelle Ma-schine angeschlossen.Virtuelle Steuerung(CNC und SPS) und virtuelle Maschinesind Windows-Applikationen.Sie kommu-nizieren über Focas 2. Im Gegensatz zurHardware-in-the-Loop-Simulation ist hierkeine Echtzeitfähigkeit gegeben.Vielmehrbestimmt Windows das Scheduling. Somitexistiert keine reale Zeitachse mehr.Fanuc-Steuerungsspezialist Karle weiß, dass nichtalle Zwecke eine Echtzeitumgebung erfor-dern: »Es gibt genügend Einsatzfälle, wodiese deutlich kostengünstigere Software-lösung sinnvoll ist.Besonders augenschein-lich sind ihre Stärken im Ausbildungs- undTrainingsbereich. Mit SiLS können Un-ternehmen zum Beispiel ihre Mitarbeiterauf der CNC schulen, bereits bevor die ge-kaufte Maschine geliefert ist.«

Eger findet hier lobende Worte: »Fanucist einer der wenigen Steuerungshersteller,der mit seinem Produkt NC Guide pro ei-ne komplette virtuelle Maschinensteue-rung anbietet. Das heißt, die Software si-muliert sowohl CNC als auch SPS; nur sokann man eine reale Maschinensteuerungkomplett virtuell nachbilden.«

Bei der Hardware-in-the-Loop-Simulation kommt die reale Maschinensteuerung zumEinsatz, die über einen Feldbus an den Simulations-PC gekoppelt ist. Die echtzeitbasiertereale CNC steuert die virtuelle Maschine im Steuerungstakt wie eine reale Maschine

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WB 9/2013 www.werkstatt-betrieb.de

Lassen sich an eine virtuelle Maschine anschließen: die Fanuc-CNC-Steuerungen der Serie 30i/31i/32i Modell B3

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4 > SimulationssoftwareS T E U E R U N G E N

Maschinenkomponenten schon

beim Engineering bewerten

Bei der Hardware-in-the-Loop-Simulationkommt die reale Maschinensteuerung zumEinsatz, die über einen Feldbus an den Si-mulations-PC gekoppelt ist. Die echtzeit-basierte reale Maschinensteuerung steuertim Steuerungstakt die virtuelle Maschineentsprechend einer realen Maschine beiidentischem Maschinenverhalten. So hatman an seinem Arbeitsplatzmonitor iden-tisches zeitliches Verhalten wie an der rea-len Maschine. Wird eine virtuelle Maschi-ne bereits entwicklungsbegleitend erstellt,lassen sich die Vorteile schon ab der Kon-zeptphase in Form eines simulationsbasier-ten Engineerings nutzen. Eger betont, dassder Aufbau der virtuellen Maschine keinHexenwerk ist: »In der Regel werden 3D-

Daten der mechanischen und elektrischenKonstruktion nach ISG-virtuos transferiertund den Komponenten die wesentlichenkinematischen Eigenschaften zugeordnet.Sollten passende Simulations-Verhaltens-modelle schon vorliegen, können diese auseiner Bibliothek geladen werden. Mit demAnschluss einer realen Steuerung wird derMaschine dann quasi Leben eingehaucht.«

So lassen sich schon zu einem sehr frü-hen Zeitpunkt Betrachtungen an einer inTeilen funktionsfähigen Maschine anstel-len. Laut Eger hat es sich bei Anwendernals vorteilhaft erwiesen, wenn alle am Ent-wicklungsprozess Beteiligten – Mechanik-,Fluid- und Elektrokonstrukteure bis hinzu Steuerungstechnikern – zusammen-kommen und das virtuell dargestellte Pro-jekt diskutieren. Denn durch die optische

Darstellung und die einbezogene Steue-rungstechnik sind die Abläufe besser zuverstehen. Jeder Beteiligte kann sich vonAnfang an ein Bild davon machen, was erbis zum tatsächlichen Aufbau der Maschi-ne noch beitragen muss. Auch Optimie-rungen sind schon frühzeitig möglich, dasich die mechanische und elektrische Kon-struktion in Verbindung mit der vorgese-henen realen Steuerungstechnik in Echt-zeit erproben lässt. Das vermeidet Fehler,spart Zeit und Kosten und führt letztend-lich zu besseren Produkten.

Inbetriebnahme einer realen

Maschine um 80 Prozent verkürzt

Die bisher größten Erfolge – eine Verkür-zung der Zeit von der realen Inbetriebnah-me bis zur Kundenabnahme um bis zu 80Prozent – realisieren ISG-virtuos-Anwen-der mit einer sogenannten ›virtuellen In-betriebnahme‹. Das führt natürlich auchzu einer schnelleren Auslieferung der fer-tig konfigurierten und getesteten Maschi-ne. Die virtuelle Inbetriebnahme kann be-ginnen, wenn klar ist, welche wesentlichenFunktionseinheiten (Hydraulik- und Pneu-matikaggregat, Spindel, Werkzeugwechs-ler, Werkzeugbrucherkennung) die Ma-schine enthält, und diese in der virtuellenMaschine abgebildet sind. Dann könnendie Originalsteuerungen mit all ihren Spe-zifika in Hard- und Software, mit ihrenOptionen, mit Anwenderprogrammen fürCNC, Motion und SPS/PLC ausgiebig ander virtuellen Maschine getestet, validiert,optimiert und für die Beherrschung vonStörsituationen ertüchtigt werden.

Gerade letztgenannte Arbeiten reduzie-ren den Zeitraum bis zur Maschinenab-nahme gegenüber herkömmlichen Vorge-hensweisen deutlich,da Störsituationen ander realen Maschine oft nur schwierig undnicht risikolos nachgestellt werden kön-nen. Zudem verlangen diese Arbeiten einegewisse Ruhe und entsprechende Vorbe-reitung,die bei der Erstinbetriebnahme ei-ner realen Maschine kaum gegeben sind.Die Arbeit mit der virtuellen Maschine istdiesbezüglich wesentlich effektiver zu ge-stalten. ❚ > WB110810

Wolfgang Klingauf ist Geschäftsführer derAgentur für Presse- und Öffentlichkeitsarbeitk+k-PR in Augsburginfo@kk-pr.de

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Ulrich Eger (links) und Ulrich Karle haben die Schnittstellen definiert, damit ISG-virtuos und Fanuc-Steuerungen optimal zusammenarbeiten können4

Bei der ›virtuel-len Inbetriebnahme‹konnten Anwendervon ISG-virtuos denZeitraum von derrealen Inbetriebnah-me bis zur Kunden-abnahme um bis zu80 Prozent verkür-zen

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