Die Virtuelle Maschineninbetriebnahme als ... - WinMOD
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<strong>Die</strong> virtuelle<br />
<strong>Maschineninbetriebnahme</strong><br />
<strong>als</strong> Innovationskeim<br />
Dipl.-Ing. Christian Kircher<br />
Swiss VPE Symposium, Rapperswil<br />
22.04.2010<br />
Starrag Heckert SIP TTL<br />
WMW
StarragHeckert – Märkte<br />
Aerospace Power Generation Precision<br />
Machinery<br />
Transport<br />
• Engine Casings<br />
• Fan Blades<br />
• Impellers<br />
• Blisks<br />
• Structural Parts<br />
• Turbine Blades<br />
• Impellers<br />
• Gear Boxes<br />
• Spindel Housings<br />
• Precision Gears<br />
• Machinery High<br />
Precision parts<br />
• Motor Components<br />
• Gear Boxes<br />
• Transmission Parts<br />
• Chassis<br />
• Clutch Bodies<br />
Long term competence and solutions in hard to machine materi<strong>als</strong> such as:<br />
Titanium, Inconel, High Alloy Steels, Precision Forged Parts and many more!<br />
2<br />
Starrag Heckert SIP TTL WMW<br />
C. Kircher / 22.04.2010
StarragHeckert - Standorte in<br />
Deutschland und der Schweiz<br />
Standorte in Deutschland und der Schweiz<br />
• StarragHeckert GmbH<br />
(Chemnitz, D)<br />
• SIP - Société d' Instruments de Précision SA<br />
(Genf, CH)<br />
• StarragHeckert AG<br />
(Rorschacherberg, CH)<br />
Weitere Standorte<br />
• TTL - Toolroom Technology Ltd. (Haddenham,<br />
UK)<br />
• StarragHeckert Machine Tools Pvt. Ltd.<br />
(Bangalore, IND)<br />
Starrag Heckert SIP TTL WMW<br />
C. Kircher / 22.04.2010<br />
3
Produktspektrum<br />
StarragHeckert AG<br />
LX Serie<br />
• 5-Achsbearbeitung<br />
• Technologie für<br />
Schaufelbearbeitung<br />
• Flugzeug-, Gas- und<br />
Dampfturbinen<br />
STC 800 / 1000 / 1250 / 1600<br />
• horizontale 5-Achs-<br />
Bearbeitungszentren<br />
• Schwenkkopf<br />
• Hochleistungsfräsen von Titanund<br />
Inconel-Teilen<br />
• Luftfahrt und Energieerzeugung<br />
Starrag Heckert SIP TTL WMW<br />
C. Kircher / 22.04.2010<br />
4
Übersicht<br />
• <strong>Virtuelle</strong> Inbetriebnahme – Einführung und Übersicht<br />
• Aufbau der Simulationsumgebung bei StarragHeckert<br />
• Modellierung – Vorgehen und Aufwand<br />
• Anwendungsfälle – Zwei Beispiele für simulationsunterstützte Entwicklungen<br />
• Zusammenfassung<br />
Starrag Heckert SIP TTL WMW<br />
C. Kircher / 22.04.2010<br />
5
<strong>Virtuelle</strong> Inbetriebnahme <strong>als</strong> Teil des<br />
Engineeringprozesses<br />
Entwicklungsauftrag<br />
Entwicklung<br />
Einkauf u.<br />
Fertigung<br />
Montage u.<br />
IB<br />
Technologie<br />
Neue<br />
Maschine<br />
Konstruktion<br />
• Konzept und Layout<br />
• Auslegung<br />
• CAD-Konstruktion<br />
• Stücklisten<br />
• …<br />
Steuerungs- und<br />
Antriebstechnik<br />
• HW und Schaltschrank<br />
• Fluidtechnik<br />
• PLC-Programmierung<br />
• Antriebsoptimierung<br />
• NC-Konfigurierung<br />
Iterativer<br />
Prozess<br />
unterstützt<br />
durch<br />
• Sicherheitskonzept<br />
Simulation<br />
• Funktionsbeschreibungen<br />
• Dokumentation<br />
Herausforderung der<br />
Entwicklung<br />
• Iterativer, mechatronischer<br />
Abstimmungsprozess<br />
• Verkürzte Entwicklungszyklen<br />
Ziel<br />
• Maschinenunabhängige PLC-<br />
Entwicklung (vorab) durch<br />
Einsatz von Simulationstechnik<br />
(virtuelle Inbetriebnahme)<br />
Nutzen der virt. Inbetriebnahme<br />
• Fachdisziplinübergreifende<br />
Diskussionsplattform<br />
• Visualisierung von Abläufen<br />
• Reduzierung der PLC-<br />
Inbetriebnahmezeiten<br />
6<br />
Starrag Heckert SIP TTL WMW<br />
C. Kircher / 22.04.2010
Hardware- und Software-in-the-Loop-<br />
Simulation<br />
Simulationsmethoden für die virtuelle Inbetriebnahme<br />
Software-in-the-Loop Simulation (SiLS)<br />
Hardware-in-the-Loop Simulation (HiLS)<br />
• Steuerung und Anlage werden auf einem<br />
Simulationssystem simuliert<br />
• Steuerung ist eine virtuelle Steuerung (Emulator)<br />
• <strong>Virtuelle</strong> Steuerung ermöglicht das Ausführen der<br />
originalen Steuerungsprogramme<br />
• Reale Steuerung wird verwendet, Anlage wird simuliert<br />
• Steuerung über realen Feld- oder Antriebsbus mit<br />
einem Simulationssystem verbunden<br />
• Originale Steuerungsprogramme und Einstellungen<br />
können verwendet werden<br />
Programm<br />
Simulationssystem<br />
Interne Kopplung<br />
Reales Bussystem<br />
Simulationssystem<br />
<strong>Virtuelle</strong><br />
Steuerung<br />
(Emulator)<br />
Modell der<br />
Anlage<br />
Reale<br />
Steuerung<br />
Modell der<br />
Anlage<br />
Starrag Heckert SIP TTL WMW<br />
C. Kircher / 22.04.2010<br />
7
Übersicht<br />
• <strong>Virtuelle</strong> Inbetriebnahme – Einführung und Übersicht<br />
• Aufbau der Simulationsumgebung bei StarragHeckert<br />
• Modellierung – Vorgehen und Aufwand<br />
• Anwendungsfälle – Zwei Beispiele für simulationsunterstützte Entwicklungen<br />
• Zusammenfassung<br />
Starrag Heckert SIP TTL WMW<br />
C. Kircher / 22.04.2010<br />
8
<strong>Virtuelle</strong> Maschine bei<br />
Simulieren<br />
<strong>Virtuelle</strong> Maschine bei StarragHeckert<br />
unterstützt durch Intelliact<br />
Reale Maschine<br />
Steuerung<br />
PLC, NC<br />
Validieren/Verifizieren<br />
<strong>Virtuelle</strong> Maschine<br />
Steuerung<br />
PLC, NC<br />
Modellbildung<br />
Kraftfluss<br />
Informationsfluss<br />
Reales System<br />
Modell<br />
Aktor<br />
Aktor<br />
Simulationssystem<br />
Antrieb<br />
Antrieb<br />
Mechanik<br />
Prozess<br />
Mechanik<br />
Prozess<br />
Abbildung im Modell der virt. Maschine<br />
• Nicht modelliert, Verwendung einer<br />
realen Steuerung<br />
• Soll = Ist<br />
• Zeitliches und logisches Verhalten<br />
• Kinematik<br />
• Nicht modelliert<br />
9<br />
Starrag Heckert SIP TTL WMW<br />
C. Kircher / 22.04.2010
Aufbau der Simulationsumgebung<br />
bei StarragHeckert<br />
Steuerungssystemkomponenten<br />
PCU + OP PC MCP<br />
HMI<br />
SAM<br />
Ethernet<br />
MPI Bus<br />
NCU<br />
PLC NCK<br />
<strong>Virtuelle</strong> Inbetriebnahme durch<br />
Hardware-in-the-Loop-Simulation<br />
• Inbetriebnahme der realen Steuerung<br />
mit einer virtuellen Maschine auf<br />
einem Simulations-PC<br />
• Simulations-PC ist über reales<br />
Busssystem an die Steuerung<br />
gekoppelt<br />
Profibus<br />
Simulations-PC<br />
I/O (Aktoren/<br />
Sensoren)<br />
Antriebssystem<br />
Kinematik und Peripherieaggregate<br />
Maschine<br />
(noch nicht fertig/ Maschine nicht verfügbar)<br />
<strong>Virtuelle</strong><br />
Maschine<br />
(Modell der<br />
realen<br />
Maschine)<br />
Wirkflüsse Interne Kommunikation Kommunikation HMI…Human Machine Interface SAM…Service Assistant Module SW Modell<br />
10<br />
Starrag Heckert SIP TTL WMW<br />
C. Kircher / 22.04.2010
Aufbau der Simulationsumgebung<br />
bei StarragHeckert<br />
Steuerungssystemkomponenten<br />
PCU + OP PC MCP<br />
HMI<br />
SAM<br />
Ethernet<br />
MPI Bus<br />
NCU<br />
PLC NCK<br />
Reale Inbetriebnahme<br />
• Steuerungssystem ist vorab in Betrieb<br />
genommen (virtuelle Inbetriebnahme)<br />
• Reales Bussystem wird an reale<br />
Maschine angeschlossen<br />
(„umgesteckt“)<br />
• Optimierung an realer Maschine<br />
Profibus<br />
Simulations-PC<br />
I/O (Aktoren/<br />
Sensoren)<br />
Kinematik und Peripherieaggregate<br />
Reale Maschine<br />
Antriebssystem<br />
<strong>Virtuelle</strong><br />
Maschine<br />
(Modell der<br />
realen<br />
Maschine)<br />
Wirkflüsse Interne Kommunikation Kommunikation HMI…Human Machine Interface SAM…Service Assistant Module SW<br />
Modell<br />
11<br />
Starrag Heckert SIP TTL WMW<br />
C. Kircher / 22.04.2010
Übersicht<br />
• <strong>Virtuelle</strong> Inbetriebnahme – Einführung und Übersicht<br />
• Aufbau der Simulationsumgebung bei StarragHeckert<br />
• Modellierung – Vorgehen und Aufwand<br />
• Anwendungsfälle – Zwei Beispiele für simulationsunterstützte Entwicklungen<br />
• Zusammenfassung<br />
Starrag Heckert SIP TTL WMW<br />
C. Kircher / 22.04.2010<br />
12
Vorgehen zur Modellierung einer<br />
virtuellen Maschine<br />
Modellreduzierung<br />
• Vereinfachung<br />
des CAD-<br />
Modells durch<br />
Löschen der<br />
Details<br />
• Importieren von<br />
VRML-Daten<br />
Simulations-PC<br />
Simulator<br />
(WinMod)<br />
Visualisierung<br />
(Mediator)<br />
3D-Modell<br />
(VRML)<br />
13<br />
Starrag Heckert SIP TTL WMW<br />
C. Kircher / 22.04.2010
Vorgehen zur Modellierung einer<br />
virtuellen Maschine<br />
Kinematikmodell<br />
Modellreduzierung<br />
Kinematikmodellierung<br />
• Jedes Objekt hat<br />
ein Koordinatensystem<br />
• Für jedes<br />
bewegliche Objekt<br />
werden die<br />
Bewegungsrichtungen<br />
definiert<br />
Simulations-PC<br />
Simulator<br />
(WinMod)<br />
Visualisierung<br />
(Mediator)<br />
3D-Modell<br />
(VRML)<br />
14<br />
Starrag Heckert SIP TTL WMW<br />
C. Kircher / 22.04.2010
Ausgänge<br />
Eingänge<br />
Vorgehen zur Modellierung einer<br />
virtuellen Maschine<br />
Verhaltensmodellierung<br />
Modellreduzierung<br />
Kinematikmodellierung<br />
Kinematikmodell<br />
• Verhalten Nachbilden mit Funktionsbausteinen<br />
(Bibliotheken)<br />
Verhaltensmodell<br />
Simulations-PC<br />
Simulator<br />
(WinMod)<br />
Verhaltensmodell<br />
Visualisierung<br />
(Mediator)<br />
3D-Modell<br />
(VRML)<br />
15<br />
Starrag Heckert SIP TTL WMW<br />
C. Kircher / 22.04.2010
Vorgehen zur Modellierung einer<br />
virtuellen Maschine<br />
Modellreduzierung<br />
Kinematikmodellierung<br />
Verhaltensmodellierung<br />
E/A-<br />
Verknüpfung<br />
• Verknüpfung der<br />
Verhaltensmodellvariablen mit<br />
Profibusvariablen<br />
Simulations-PC<br />
Simulator<br />
(WinMod)<br />
Verhaltensmodell<br />
Kinematikmodell<br />
Visualisierung<br />
(Mediator)<br />
3D-Modell<br />
(VRML)<br />
16<br />
Starrag Heckert SIP TTL WMW<br />
C. Kircher / 22.04.2010
Vorgehen zur Modellierung einer<br />
virtuellen Maschine<br />
Modellreduzierung<br />
Kinematikmodellierung<br />
Verhaltensmodellierung<br />
E/A-<br />
Verknüpfung<br />
Ankopplung<br />
Visu<br />
• Speichermapping zwischen<br />
3D-Modellvariablen und<br />
Verhaltensmodellvariablen<br />
Simulations-PC<br />
Simulator<br />
(WinMod)<br />
Verhaltensmodell<br />
Kinematikmodell<br />
Visualisierung<br />
(Mediator)<br />
3D-Modell<br />
(VRML)<br />
17<br />
Starrag Heckert SIP TTL WMW<br />
C. Kircher / 22.04.2010
Vorgehen zur Modellierung einer<br />
virtuellen Maschine<br />
Modellreduzierung<br />
Kinematikmodellierung<br />
Verhaltensmodellierung<br />
E/A-<br />
Verknüpfung<br />
Ankopplung<br />
Visu<br />
<strong>Virtuelle</strong> IB<br />
Steuerungssystem<br />
MPI<br />
Reales PLC-<br />
Programm<br />
Simulations-PC<br />
Profibus<br />
Simulator<br />
(WinMod)<br />
Visualisierung<br />
(Mediator)<br />
Verhaltensmodell<br />
Kinematikmodell<br />
3D-Modell<br />
(VRML)<br />
18<br />
Starrag Heckert SIP TTL WMW<br />
C. Kircher / 22.04.2010
Übersicht<br />
• <strong>Virtuelle</strong> Inbetriebnahme – Einführung und Übersicht<br />
• Aufbau der Simulationsumgebung bei StarragHeckert<br />
• Modellierung – Vorgehen und Aufwand<br />
• Anwendungsfälle – Zwei Beispiele für simulationsunterstützte Entwicklungen<br />
• Zusammenfassung<br />
Starrag Heckert SIP TTL WMW<br />
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19
Beispiele für simulationsunterstützte<br />
Entwicklungen<br />
• Verteilte Entwicklung am Beispiel SAM<br />
(Service Assistant Module)<br />
Online Diagnose<br />
Service- und Wartungsunterstützung<br />
Statistische Maschinendaten<br />
(Verfügbarkeit)<br />
…<br />
• BTP 5000 (Big Titanium Profiler)<br />
Simultane 5-Achsbearbeitung<br />
Werkstücklänge bis zu 4’500 mm<br />
Palettenwechlser mit 2 Paletten<br />
4’500 x 1’800 mm, Zuladung je 6 t<br />
Doppelschwenkkopf<br />
Magazin mit bis zu 420 Werkzeugen<br />
20<br />
Starrag Heckert SIP TTL WMW<br />
C. Kircher / 22.04.2010
Verteilte Entwicklung am Beispiel<br />
SAM<br />
StarragHeckert Chemnitz (SHC)<br />
1<br />
1. Entwicklung und Test<br />
der PLC bei SHC (virt.<br />
Inbetriebnahme)<br />
2. Entwicklung von SAM<br />
bei SHR<br />
3. Austausch der<br />
virtuellen Maschine<br />
4. Test von SAM bei<br />
SHR mit virtueller<br />
Maschine (PLC-<br />
Programm von SHC)<br />
StarragHeckert R‘berg (SHR)<br />
4<br />
2<br />
3<br />
Wirkflüsse Interne Kommunikation Kommunikation HMI…Human Machine Interface SAM…Service Assistant Module SW Modell<br />
21<br />
Starrag Heckert SIP TTL WMW<br />
C. Kircher / 22.04.2010
BTP 5000 - Herausforderungen bei<br />
der PLC-Entwicklung<br />
KGT-Abstützung<br />
Starrag Heckert SIP TTL WMW<br />
C. Kircher / 22.04.2010<br />
22
Kurze Inbetriebnahmezeiten –<br />
Zeitfenster an der Maschine<br />
Praxisbeispiel BTP 5000 – Inbetriebnahme PLC-Programm für Palettenwechsler:<br />
• Bei mehr <strong>als</strong> 30 Wochen bleibt nur ein Zeitfenster von 2 x 1 Woche für die (Einrichtfunktionen<br />
im Handbetrieb, Funktionstest, Automatikbetrieb, Test Störsituationen, …)<br />
BTP 5000<br />
…<br />
23<br />
Starrag Heckert SIP TTL WMW<br />
C. Kircher / 22.04.2010
BTP 5000 - Herausforderungen bei<br />
der PLC-Entwicklungen<br />
Exemplarische Funktionen<br />
• …<br />
• …<br />
• …<br />
• …<br />
• …<br />
Starrag Heckert SIP TTL WMW<br />
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Übersicht<br />
• <strong>Virtuelle</strong> Inbetriebnahme – Einführung und Übersicht<br />
• Aufbau der Simulationsumgebung bei StarragHeckert<br />
• Modellierung – Vorgehen und Aufwand<br />
• Anwendungsfälle – Zwei Beispiele für simulationsunterstützte Entwicklungen<br />
• Zusammenfassung<br />
Starrag Heckert SIP TTL WMW<br />
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25
Zusammenfassung - Anwendung der<br />
virtuellen Inbetriebnahme bei<br />
StarragHeckert<br />
Tätigkeit<br />
Anwendungsfall<br />
Nutzen für StarragHeckert<br />
Neuentwicklung<br />
Optimierung u.<br />
Fehlersuche<br />
Standortübergreifende<br />
Zusammenarbeit<br />
• <strong>Virtuelle</strong> Inbetriebnahme im Labor<br />
• Visualisierung von PLC-Funktionen<br />
und PLC-Abläufen<br />
• Diskussionsplattform für<br />
mechatronische Themen<br />
• Test von Störsituation<br />
• Nachstellen und Nachvollziehen<br />
von Fehler- und Störsituationen<br />
• <strong>Virtuelle</strong> Inbetriebnahme im Labor<br />
• Entwicklung und Test von<br />
Maschinendiagnose-Applikationen<br />
für die PLC über Standortgrenzen<br />
hinweg<br />
• Verkürzung der realen<br />
Inbetriebnahmezeiten<br />
• Qualitätsverbesserung<br />
• Steigerung der Zufriedenheit der<br />
PLC-Progammierer<br />
• „Sehen was man programmiert“<br />
• Stressreduktion (Zeitdruck, …)<br />
• Risikominimierung (Machbarkeit,<br />
Kollisionen)<br />
• Gefahrloser Test von Störungen<br />
• Maschinenunabhängige Entwicklung<br />
(zeitliche u. örtliche<br />
Entkopplung)<br />
• Reduzierung der Reisekosten<br />
26<br />
Starrag Heckert SIP TTL WMW<br />
C. Kircher / 22.04.2010
Diskussion<br />
Vielen Dank für Ihre<br />
Aufmerksamkeit!<br />
Dipl.-Ing. Christian Kircher<br />
StarragHeckert AG<br />
Seebleichestrasse 61<br />
9404 Rorschacherberg<br />
ckircher@starragheckert.com<br />
Starrag Heckert SIP TTL WMW<br />
C. Kircher / 22.04.2010<br />
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