Virtuelle Inbetriebnahme von Förderanlagen mit ... - WinMOD

Virtuelle Inbetriebnahme von Förderanlagen mit
Feldbusemulation und Materialflusssimulation
Neue Technologie zur Feldbusemulation bei INTERBUS und
PROFINET IO für die Anlagen- und Materialflusssimulation in
Echtzeit mit realer Steuerung
Autor: Dipl. Ing. Jürgen Mewes,
Mewes & Partner GmbH, Hennigsdorf
Co-Autor: Dipl. Ing. Friedrich Wegener,
Phoenix Contact GmbH & Co. KG
Kurzfassung
Das Ziel der Virtuellen Inbetriebnahme ist die Verkürzung der realen Inbetriebnahmezeit und
die Optimierung des Materialflusses. Die Verfügbarkeit einer Virtuellen Anlage ist dafür die
Voraussetzung. Sie entspricht in ihrem steuerungsrelevanten Verhalten der realen Anlage -
mit den gleichen Rückmeldesignalen, mit dem gleichen Zeitverhalten und den gleichen
generierbaren Störfällen. Die WinMOD-Systemplattform mit der Echtzeitsimulationstechnologie
liefert die erforderlichen Bedingungen. Die Virtuelle Anlage ist für alle Beteiligten
eine effiziente und transparente Plattform um Software zu testen, um Funktionen zu
validieren und um Betreiber zu schulen - im gesamten Entstehungs- und Nutzungsprozess
der Automatisierungssoftware.

Bild1: Von der Virtuellen zur Realen Anlage
1. Effizienzsteigerung mit virtuellen Förderanlagen
Indralogistische Förderanlagen sichern den Input und den Output der Produktionsanlagen.
Sie verbinden innerhalb der Fertigungsanlagen die Maschinen, die Montageplätze und die
Lagerbereiche. Aufgrund dieser zentralen Funktion sind bei der Errichtung von Neuanlagen
und bei der Modernisierung vorhandener Anlagen kurze Inbetriebnahmezeiten, ein
ausfallfreier Anlagenbetrieb und eine optimale Fahrweise von zentraler Bedeutung.
Die Anforderung an die Softwarequalität, an die Steuerung und an die optimierte
Funktionalität des Materialflussrechners ist entsprechend hoch. Um diesen Anforderungen
gerecht zu werden, mussten bisher zeitaufwändige Inbetriebnahmen in Kauf genommen
werden. Die Inbetriebnahme und die Optimierung der Software binden erhebliche personelle
und materielle Ressourcen. Eine Effizienzsteigerung sollte deshalb ein zentrales Ziel bei der
Verbesserung der Engineeringprozesse sein. Dieses Ziel wird erreicht, wenn die geplante
Förderanlage vor der Realisierung als virtuelle Anlage zur Verfügung steht, die mit der
projektierten Steuerungsplattform wie in der realen Welt in Betrieb genommen werden kann.
In dieser Situation sprechen wir von der Virtuellen Inbetriebnahme.
Dazu ist es erforderlich, dass die Anlage und der Materialfluss in Echtzeit simuliert werden
und dass die gesamte Kommunikation zum I/O-Bereich der Anlagen ebenfalls in Echtzeit
emuliert wird. Der erste Schritt zur Entwicklung der Steuerungssoftware beginnt jetzt mit der
Realisierung der Virtuellen Anlage. Das ist eine drastische Veränderung gegenüber
bisherigen üblichen Projektabwicklungen, aber es ist der Schlüssel zur Effizienzsteigerung.

2. Von der Planung zur Virtuellen Anlage
Beim Neuaufbau oder der Modernisierung von Förderanlagen kann davon ausgegangen
werden, dass im Vorfeld ein Layout entworfen und auch funktional validiert wird. Das
geschieht auch hier mit Simulationen die autark, d.h. ohne reale Steuerung animiert und
analysiert werden. Das dann freigegebene Anlagenlayout ist Grundlage für die Konstruktion
und für die Automation. Hier beginnt die Virtuelle Anlage. Sie gliedert sich wie die reale
Anlage in drei Bereiche:
- Verbindung der Steuerung mit der Anlage durch eine Feldbusperipherie wie
INTERBUS, PROFINET I/O oder PROFIBUS DP
- Aktorik und Sensorik zur Bewegung der elektromechanischen Komponenten wie
Förderer, Hubtisch usw.
- Kinematische Komponenten mit denen die zu fördernden Objekte wie Paletten,
Gebinde oder SKIDs bewegt werden.
Bild 2: Von realen Geräten zu virtuellen Komponenten
Die Realisierung der Virtuellen Anlage beginnt mit der Übernahme des Anlagenlayouts und
der Zuordnung der parametrierbaren Komponenten aus der Bibliothek. Die Verfügbarkeit
einer solchen Bibliothek ist eine notwendige Vorleistung. Im zweiten Schritt werden, wie in
der realen Welt, die Antriebe und die Sensoren zugeordnet. Die gleiche Komponente kann in
der einen Anlage mit einem einfachen Schaltantrieb verbunden sein – in einer anderen
Anlage ist es ein komplexer FU-Antrieb.

Die virtuellen Geräte verhalten sich jetzt wie die realen Geräte und sie haben die gleichen
Verbindungen zur Steuerung, d. h. individuelle I/O-Signale oder ganzheitliche Slavegeräte
mit Drive-Profil. Bis hierhin ist die Virtuelle Anlage steuerungsneutral. Sie ist betriebsbereit,
bedarf aber noch der Verbindung zur realen Steuerung.
Bild 3 Von der Planung zur Virtuellen Anlage
3. Feldbusemulation – der Schlüssel zur Verbindung mit der Steuerung
Die Schnittstelle zwischen der Steuerung und der realen Anlage ist der Stecker am
Feldbusmaster. Damit die reale Steuerung ohne Änderung der Steuerungssoftware in
Betrieb genommen werden kann, muss die Virtuelle Anlage genau über diesen Stecker
angeschlossen werden können. Ein Referenzbeispiel dafür ist ein Projekt mit Interbus. Der
notwendige Interbusemulator besteht aus der Hardwarebox mit der Interbusemulation in
Echtzeit. Das bedeutet, dass der komplette projektierte Interbusstrang projektspezifisch
emuliert wird. Der WinMOD-Konfigurator bereitet dafür die Konfigurationsdaten auf und stellt
die physikalisch und logisch richtige Verbindung zur Anlagensimulation her. Jetzt ist der
Kreis geschlossen. Die reale Steuerung kann mit der Virtuellen Anlage in Betrieb genommen
werden.

Bild 4 Feldbusemulationen verbinden die reale Steuerung mit der Virtuellen Anlage
Für diesen letzten Schritt bedarf es nicht nur der richtigen Online-Verbindung zur Steuerung.
So müssen die Engineeringdaten für die Buskonfiguration vollkommen transparent – in
diesem Fall von PC-Worx in die WinMOD-Systemplattform - in die Virtuelle Anlage
übergeben werden können. Ein integrierter XML-Export und –Import reduziert die
notwendigen Engineeringzeiten auf nahezu null. In identischer Weise erfolgt die Verbindung
mit PROFINET. Auch hier wird die PROFINET-Device-Konfiguration emuliert und mit dem
PROFINET-Controller verbunden. Die XML-Beschreibung der Buskonfiguration liefert auch
hier alle Informationen für einen gespiegelten Busaufbau.
Bild 5 Optimales Engineering der Feldbuskommunikation

4. Was bringt die Virtuelle Inbetriebnahme der Förderanlage
Entscheidend ist, dass die gleichen Schritte vom Softwaretest bis zur Optimierung ablaufen
können. Die gravierenden Vorteile sind:
- die Unabhängigkeit vom Errichtungsort der Anlage
- die Unabhängigkeit vom Zeitpunktpunkt der Fertigstellung der Anlage
- die Unabhängigkeit von anderen Gewerken z. B. Freigabe der Antriebe
- die Unabhängigkeit von realen bereitgestellten Fördergütern
- die Verkürzung der gesamten Inbetriebnahme durch die vorgezogene, parallel
ablaufende Virtuelle Inbetriebnahme.
Bei der virtuellen Inbetriebnahme geht es zuerst um den Softwaretest. Die
Steuerungsbausteine für einzelne Antriebe und Förderer werden individuell in großer Tiefe
getestet, optimiert und freigegeben.
Im nächsten Schritt werden Anlagenbereiche für jeweils einzelne Steuerungen in Betrieb
genommen. Als Abschluss ist für den Integrationstest der gesamte Steuerungsverbund
betriebsfähig. Damit ist die Vorleistung geschaffen, um auch den übergeordneten
Materialflussrechner in Betrieb zu nehmen, die Software zu testen und zu optimieren. Der
Start in die reale Inbetriebnahme erfolgt jetzt mit einer Qualität, die nach den Regeln der
„Best Practice“ entstanden ist.
Bild 6 Virtuelle Anlage zeitlich parallel zum Aufbau der realen Anlage

Das Ergebnis ist jedoch nicht nur eine Effizienzsteigerung bei der Inbetriebnahme. Für jede
künftige Veränderung der Anlage steht die Virtuelle Anlage sofort zu Verfügung. Sie ist auch
Grundlage für die Schulung von Betreibern oder des Servicepersonals.
5. Optimierte Workflows für das Engineering der Virtuellen Anlage
Der bisher beschriebene Nutzen ist transparent und entspricht den gesetzten Zielen; aber
wie hoch ist der Engineeringaufwand beim Neuprojekt, der dem entgegensteht
Die Virtuelle Anlage repräsentiert die Planungsdaten und sie entsteht aus sich
wiederholenden Komponenten. Das Ziel muss sein, diese Planungsdaten so vorzubereiten,
dass mit Engineeringassistenzen das Projekt weitgehend automatisch generiert werden
kann. Referenzen aus der Praxis benennen Engineeringzeiten von ein bis zwei Tagen je
Steuerung. Schwerpunkte für die automatische Generierung sind die geometrischen Daten,
die funktionalen Parameter der Förderer, die Konfigurationsdaten für die Feldbusperipherie
und die Bibliotheken für die Sensorik und Aktorik.
Bild 7 Rationelle Workflows von der Planung bis zur Virtuellen Inbetriebnahme
Mit diesem Konzept wird die digitale Fabrik zur „funktionierenden Fabrik“.
Es ist eine wichtige Plattform für das funktionale Engineering mit der Integration von
Software, Elektrik und Konstruktion. Es ist ein Weg für mehr Effizienz im gesamten
Engineeringprozess.

5. Die Nutzung der Virtuellen Anlage nach der Inbetriebnahme
Natürlich liegt es nahe, nach der erfolgten Inbetriebnahme weitere Nutzungen für die bereits
vorhandene Virtuelle Anlage zu erschließen. Die Virtuelle Anlage kann jetzt unabhängig von
der realen Anlage am beliebigen Ort als „Schattenanlage“ genutzt werden. Einweisung und
Training der Anlagenbediener kann ohne das Risiko von kritischen Betriebszuständen und
ohne Stillstand der Anlage durchgeführt werden. Die Trainingstiefe, insbesondere bei
auftretenden Störfällen, kann sehr weit getrieben werden. Mit der gleichen Schattenanlage
können Änderungen in der Steuerungssoftware wiederholend getestet und optimiert und in
die laufende Anlage implementiert werden. Störungsfälle in der realen Anlage können auf die
Virtuelle Anlage übertragen, analysiert und entsprechende Maßnahmen vorbereitet werden.
Bild 8 Die Virtuelle Anlage als „Schattenanlage“ zur realen Anlage
Das beschriebene Konzept und die zur Verfügung stehende WinMOD-Systemplattform
werden den Engineeringprozess nachhaltig positiv beeinflussen.
5. Wie geht es weiter
Die breite Nutzung der angebotenen und beschriebenen Technologie, setzt rationelle
Workflows und die Bereitstellung von Bibliotheken voraus.

Bild 9 Die Schaffung von Bibliotheken bestimmt die Effizienz bei der Nutzung
Virtueller Anlagen
Ziel des Systemanbieters ist es, diese Bibliotheken im Rahmen des Supports und der
Schulungen vorzubereiten. Dazu gehört aber auch die innerbetriebliche Zusammenarbeit
aller beteiligten Gewerke, um ein funktional strukturierte mechatronische Einheit gemeinsam
zu modellieren. Auch die Geräteanbieter komplexer funktionaler Einheiten, sollten ihre
Kunden durch verbesserte Beschreibungen für die funktionale Modellierung unterstützen.
Auch für die Bildungseinrichtungen eröffnet sich ein neues Feld der flächenübergreifenden
Integration. Es gibt viel zu tun, aber es gibt noch größere Chancen.