Virtuelle Inbetriebnahme von Förderanlagen mit ... - WinMOD
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<strong>Virtuelle</strong> <strong>Inbetriebnahme</strong> <strong>von</strong> Förderanlagen <strong>mit</strong><br />
Feldbusemulation und Materialflusssimulation<br />
Neue Technologie zur Feldbusemulation bei INTERBUS und<br />
PROFINET IO für die Anlagen- und Materialflusssimulation in<br />
Echtzeit <strong>mit</strong> realer Steuerung<br />
Autor: Dipl. Ing. Jürgen Mewes,<br />
Mewes & Partner GmbH, Hennigsdorf<br />
Co-Autor: Dipl. Ing. Friedrich Wegener,<br />
Phoenix Contact GmbH & Co. KG<br />
Kurzfassung<br />
Das Ziel der <strong>Virtuelle</strong>n <strong>Inbetriebnahme</strong> ist die Verkürzung der realen <strong>Inbetriebnahme</strong>zeit und<br />
die Optimierung des Materialflusses. Die Verfügbarkeit einer <strong>Virtuelle</strong>n Anlage ist dafür die<br />
Voraussetzung. Sie entspricht in ihrem steuerungsrelevanten Verhalten der realen Anlage -<br />
<strong>mit</strong> den gleichen Rückmeldesignalen, <strong>mit</strong> dem gleichen Zeitverhalten und den gleichen<br />
generierbaren Störfällen. Die <strong>WinMOD</strong>-Systemplattform <strong>mit</strong> der Echtzeitsimulationstechnologie<br />
liefert die erforderlichen Bedingungen. Die <strong>Virtuelle</strong> Anlage ist für alle Beteiligten<br />
eine effiziente und transparente Plattform um Software zu testen, um Funktionen zu<br />
validieren und um Betreiber zu schulen - im gesamten Entstehungs- und Nutzungsprozess<br />
der Automatisierungssoftware.
Bild1: Von der <strong>Virtuelle</strong>n zur Realen Anlage<br />
1. Effizienzsteigerung <strong>mit</strong> virtuellen Förderanlagen<br />
Indralogistische Förderanlagen sichern den Input und den Output der Produktionsanlagen.<br />
Sie verbinden innerhalb der Fertigungsanlagen die Maschinen, die Montageplätze und die<br />
Lagerbereiche. Aufgrund dieser zentralen Funktion sind bei der Errichtung <strong>von</strong> Neuanlagen<br />
und bei der Modernisierung vorhandener Anlagen kurze <strong>Inbetriebnahme</strong>zeiten, ein<br />
ausfallfreier Anlagenbetrieb und eine optimale Fahrweise <strong>von</strong> zentraler Bedeutung.<br />
Die Anforderung an die Softwarequalität, an die Steuerung und an die optimierte<br />
Funktionalität des Materialflussrechners ist entsprechend hoch. Um diesen Anforderungen<br />
gerecht zu werden, mussten bisher zeitaufwändige <strong>Inbetriebnahme</strong>n in Kauf genommen<br />
werden. Die <strong>Inbetriebnahme</strong> und die Optimierung der Software binden erhebliche personelle<br />
und materielle Ressourcen. Eine Effizienzsteigerung sollte deshalb ein zentrales Ziel bei der<br />
Verbesserung der Engineeringprozesse sein. Dieses Ziel wird erreicht, wenn die geplante<br />
Förderanlage vor der Realisierung als virtuelle Anlage zur Verfügung steht, die <strong>mit</strong> der<br />
projektierten Steuerungsplattform wie in der realen Welt in Betrieb genommen werden kann.<br />
In dieser Situation sprechen wir <strong>von</strong> der <strong>Virtuelle</strong>n <strong>Inbetriebnahme</strong>.<br />
Dazu ist es erforderlich, dass die Anlage und der Materialfluss in Echtzeit simuliert werden<br />
und dass die gesamte Kommunikation zum I/O-Bereich der Anlagen ebenfalls in Echtzeit<br />
emuliert wird. Der erste Schritt zur Entwicklung der Steuerungssoftware beginnt jetzt <strong>mit</strong> der<br />
Realisierung der <strong>Virtuelle</strong>n Anlage. Das ist eine drastische Veränderung gegenüber<br />
bisherigen üblichen Projektabwicklungen, aber es ist der Schlüssel zur Effizienzsteigerung.
2. Von der Planung zur <strong>Virtuelle</strong>n Anlage<br />
Beim Neuaufbau oder der Modernisierung <strong>von</strong> Förderanlagen kann da<strong>von</strong> ausgegangen<br />
werden, dass im Vorfeld ein Layout entworfen und auch funktional validiert wird. Das<br />
geschieht auch hier <strong>mit</strong> Simulationen die autark, d.h. ohne reale Steuerung animiert und<br />
analysiert werden. Das dann freigegebene Anlagenlayout ist Grundlage für die Konstruktion<br />
und für die Automation. Hier beginnt die <strong>Virtuelle</strong> Anlage. Sie gliedert sich wie die reale<br />
Anlage in drei Bereiche:<br />
- Verbindung der Steuerung <strong>mit</strong> der Anlage durch eine Feldbusperipherie wie<br />
INTERBUS, PROFINET I/O oder PROFIBUS DP<br />
- Aktorik und Sensorik zur Bewegung der elektromechanischen Komponenten wie<br />
Förderer, Hubtisch usw.<br />
- Kinematische Komponenten <strong>mit</strong> denen die zu fördernden Objekte wie Paletten,<br />
Gebinde oder SKIDs bewegt werden.<br />
Bild 2: Von realen Geräten zu virtuellen Komponenten<br />
Die Realisierung der <strong>Virtuelle</strong>n Anlage beginnt <strong>mit</strong> der Übernahme des Anlagenlayouts und<br />
der Zuordnung der parametrierbaren Komponenten aus der Bibliothek. Die Verfügbarkeit<br />
einer solchen Bibliothek ist eine notwendige Vorleistung. Im zweiten Schritt werden, wie in<br />
der realen Welt, die Antriebe und die Sensoren zugeordnet. Die gleiche Komponente kann in<br />
der einen Anlage <strong>mit</strong> einem einfachen Schaltantrieb verbunden sein – in einer anderen<br />
Anlage ist es ein komplexer FU-Antrieb.
Die virtuellen Geräte verhalten sich jetzt wie die realen Geräte und sie haben die gleichen<br />
Verbindungen zur Steuerung, d. h. individuelle I/O-Signale oder ganzheitliche Slavegeräte<br />
<strong>mit</strong> Drive-Profil. Bis hierhin ist die <strong>Virtuelle</strong> Anlage steuerungsneutral. Sie ist betriebsbereit,<br />
bedarf aber noch der Verbindung zur realen Steuerung.<br />
Bild 3 Von der Planung zur <strong>Virtuelle</strong>n Anlage<br />
3. Feldbusemulation – der Schlüssel zur Verbindung <strong>mit</strong> der Steuerung<br />
Die Schnittstelle zwischen der Steuerung und der realen Anlage ist der Stecker am<br />
Feldbusmaster. Da<strong>mit</strong> die reale Steuerung ohne Änderung der Steuerungssoftware in<br />
Betrieb genommen werden kann, muss die <strong>Virtuelle</strong> Anlage genau über diesen Stecker<br />
angeschlossen werden können. Ein Referenzbeispiel dafür ist ein Projekt <strong>mit</strong> Interbus. Der<br />
notwendige Interbusemulator besteht aus der Hardwarebox <strong>mit</strong> der Interbusemulation in<br />
Echtzeit. Das bedeutet, dass der komplette projektierte Interbusstrang projektspezifisch<br />
emuliert wird. Der <strong>WinMOD</strong>-Konfigurator bereitet dafür die Konfigurationsdaten auf und stellt<br />
die physikalisch und logisch richtige Verbindung zur Anlagensimulation her. Jetzt ist der<br />
Kreis geschlossen. Die reale Steuerung kann <strong>mit</strong> der <strong>Virtuelle</strong>n Anlage in Betrieb genommen<br />
werden.
Bild 4 Feldbusemulationen verbinden die reale Steuerung <strong>mit</strong> der <strong>Virtuelle</strong>n Anlage<br />
Für diesen letzten Schritt bedarf es nicht nur der richtigen Online-Verbindung zur Steuerung.<br />
So müssen die Engineeringdaten für die Buskonfiguration vollkommen transparent – in<br />
diesem Fall <strong>von</strong> PC-Worx in die <strong>WinMOD</strong>-Systemplattform - in die <strong>Virtuelle</strong> Anlage<br />
übergeben werden können. Ein integrierter XML-Export und –Import reduziert die<br />
notwendigen Engineeringzeiten auf nahezu null. In identischer Weise erfolgt die Verbindung<br />
<strong>mit</strong> PROFINET. Auch hier wird die PROFINET-Device-Konfiguration emuliert und <strong>mit</strong> dem<br />
PROFINET-Controller verbunden. Die XML-Beschreibung der Buskonfiguration liefert auch<br />
hier alle Informationen für einen gespiegelten Busaufbau.<br />
Bild 5 Optimales Engineering der Feldbuskommunikation
4. Was bringt die <strong>Virtuelle</strong> <strong>Inbetriebnahme</strong> der Förderanlage<br />
Entscheidend ist, dass die gleichen Schritte vom Softwaretest bis zur Optimierung ablaufen<br />
können. Die gravierenden Vorteile sind:<br />
- die Unabhängigkeit vom Errichtungsort der Anlage<br />
- die Unabhängigkeit vom Zeitpunktpunkt der Fertigstellung der Anlage<br />
- die Unabhängigkeit <strong>von</strong> anderen Gewerken z. B. Freigabe der Antriebe<br />
- die Unabhängigkeit <strong>von</strong> realen bereitgestellten Fördergütern<br />
- die Verkürzung der gesamten <strong>Inbetriebnahme</strong> durch die vorgezogene, parallel<br />
ablaufende <strong>Virtuelle</strong> <strong>Inbetriebnahme</strong>.<br />
Bei der virtuellen <strong>Inbetriebnahme</strong> geht es zuerst um den Softwaretest. Die<br />
Steuerungsbausteine für einzelne Antriebe und Förderer werden individuell in großer Tiefe<br />
getestet, optimiert und freigegeben.<br />
Im nächsten Schritt werden Anlagenbereiche für jeweils einzelne Steuerungen in Betrieb<br />
genommen. Als Abschluss ist für den Integrationstest der gesamte Steuerungsverbund<br />
betriebsfähig. Da<strong>mit</strong> ist die Vorleistung geschaffen, um auch den übergeordneten<br />
Materialflussrechner in Betrieb zu nehmen, die Software zu testen und zu optimieren. Der<br />
Start in die reale <strong>Inbetriebnahme</strong> erfolgt jetzt <strong>mit</strong> einer Qualität, die nach den Regeln der<br />
„Best Practice“ entstanden ist.<br />
Bild 6 <strong>Virtuelle</strong> Anlage zeitlich parallel zum Aufbau der realen Anlage
Das Ergebnis ist jedoch nicht nur eine Effizienzsteigerung bei der <strong>Inbetriebnahme</strong>. Für jede<br />
künftige Veränderung der Anlage steht die <strong>Virtuelle</strong> Anlage sofort zu Verfügung. Sie ist auch<br />
Grundlage für die Schulung <strong>von</strong> Betreibern oder des Servicepersonals.<br />
5. Optimierte Workflows für das Engineering der <strong>Virtuelle</strong>n Anlage<br />
Der bisher beschriebene Nutzen ist transparent und entspricht den gesetzten Zielen; aber<br />
wie hoch ist der Engineeringaufwand beim Neuprojekt, der dem entgegensteht<br />
Die <strong>Virtuelle</strong> Anlage repräsentiert die Planungsdaten und sie entsteht aus sich<br />
wiederholenden Komponenten. Das Ziel muss sein, diese Planungsdaten so vorzubereiten,<br />
dass <strong>mit</strong> Engineeringassistenzen das Projekt weitgehend automatisch generiert werden<br />
kann. Referenzen aus der Praxis benennen Engineeringzeiten <strong>von</strong> ein bis zwei Tagen je<br />
Steuerung. Schwerpunkte für die automatische Generierung sind die geometrischen Daten,<br />
die funktionalen Parameter der Förderer, die Konfigurationsdaten für die Feldbusperipherie<br />
und die Bibliotheken für die Sensorik und Aktorik.<br />
Bild 7 Rationelle Workflows <strong>von</strong> der Planung bis zur <strong>Virtuelle</strong>n <strong>Inbetriebnahme</strong><br />
Mit diesem Konzept wird die digitale Fabrik zur „funktionierenden Fabrik“.<br />
Es ist eine wichtige Plattform für das funktionale Engineering <strong>mit</strong> der Integration <strong>von</strong><br />
Software, Elektrik und Konstruktion. Es ist ein Weg für mehr Effizienz im gesamten<br />
Engineeringprozess.
5. Die Nutzung der <strong>Virtuelle</strong>n Anlage nach der <strong>Inbetriebnahme</strong><br />
Natürlich liegt es nahe, nach der erfolgten <strong>Inbetriebnahme</strong> weitere Nutzungen für die bereits<br />
vorhandene <strong>Virtuelle</strong> Anlage zu erschließen. Die <strong>Virtuelle</strong> Anlage kann jetzt unabhängig <strong>von</strong><br />
der realen Anlage am beliebigen Ort als „Schattenanlage“ genutzt werden. Einweisung und<br />
Training der Anlagenbediener kann ohne das Risiko <strong>von</strong> kritischen Betriebszuständen und<br />
ohne Stillstand der Anlage durchgeführt werden. Die Trainingstiefe, insbesondere bei<br />
auftretenden Störfällen, kann sehr weit getrieben werden. Mit der gleichen Schattenanlage<br />
können Änderungen in der Steuerungssoftware wiederholend getestet und optimiert und in<br />
die laufende Anlage implementiert werden. Störungsfälle in der realen Anlage können auf die<br />
<strong>Virtuelle</strong> Anlage übertragen, analysiert und entsprechende Maßnahmen vorbereitet werden.<br />
Bild 8 Die <strong>Virtuelle</strong> Anlage als „Schattenanlage“ zur realen Anlage<br />
Das beschriebene Konzept und die zur Verfügung stehende <strong>WinMOD</strong>-Systemplattform<br />
werden den Engineeringprozess nachhaltig positiv beeinflussen.<br />
5. Wie geht es weiter<br />
Die breite Nutzung der angebotenen und beschriebenen Technologie, setzt rationelle<br />
Workflows und die Bereitstellung <strong>von</strong> Bibliotheken voraus.
Bild 9 Die Schaffung <strong>von</strong> Bibliotheken bestimmt die Effizienz bei der Nutzung<br />
<strong>Virtuelle</strong>r Anlagen<br />
Ziel des Systemanbieters ist es, diese Bibliotheken im Rahmen des Supports und der<br />
Schulungen vorzubereiten. Dazu gehört aber auch die innerbetriebliche Zusammenarbeit<br />
aller beteiligten Gewerke, um ein funktional strukturierte mechatronische Einheit gemeinsam<br />
zu modellieren. Auch die Geräteanbieter komplexer funktionaler Einheiten, sollten ihre<br />
Kunden durch verbesserte Beschreibungen für die funktionale Modellierung unterstützen.<br />
Auch für die Bildungseinrichtungen eröffnet sich ein neues Feld der flächenübergreifenden<br />
Integration. Es gibt viel zu tun, aber es gibt noch größere Chancen.