Produktionssysteme

Virtuelle Inbetriebnahme von Produktionsanlagen

Lars Kövari, SEW, Bruchsal

Immer kürzere Produktlebenszyklen verlangen zunehmende Flexibilität von Produktionsanlagen. Damit wachsen auch die Anforderungen an die Intralogistik. Bei Anpassungen und Neuinstallationen von Förderanlagen für den innerbetrieblichen Materialfluss werden kurze Stillstands- beziehungsweise Inbetriebnahmezeiten verlangt. Die Virtuelle Inbetriebnahme, bei Roboterzellen schon seit längerem im Einsatz, verwendet der deutsche Hersteller SEW-Eurodrive jetzt für Elektrohängebahnen und Fahrerlose Transportsysteme. Sie ermöglicht die frühzeitige Parallelisierung der mechanischen Anlagenplanung und der Entwicklung von Steuerungssoftware.

Betrachtet man komplexe Förderanlagen wie Elektrohängebahnen (EHB) oder Fahrerlose Transportsysteme (FTS), so bestehen diese oftmals aus einer Vielzahl von Komponenten und Teilsystemen unterschiedlicher Hersteller. Durch nicht explizit aufeinander abgestimmte Komponenten entstehen im Fehlerfall schwer zu beantwortende Fragen nach der Verantwortlichkeit unter den beteiligten Projektpartnern. Zudem ist bei der Projektierung der Förderanlagen ein hohes Maß an Interdisziplinarität erforderlich. Gilt es doch, Vorgaben bezüglich mechanischer, elektrischer und informationstechnischer Schnittstellen, zu den umgebenden Systemen einzuhalten. Liegt diese Verantwortung in den Händen mehrerer Unternehmen, so ist ohne eine gute Koordination und Kommunikation zwischen ihnen ein zufriedenstellender Projektablauf gefährdet.

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Als Reaktion auf die dargestellten Probleme bietet sich bei Förderanlagen eine Integration der einzelnen Systemkomponenten in ein abgestimmtes Gesamtkonzept an, wie es SEW-Eurodrive offeriert. Das eröffnet dem Systemanbieter neue Möglichkeiten. Durch eine Produktentwicklung, die eine systemweite Sichtweise einnimmt, werden einzelne Produkte auch als Systembausteine konzipiert. Sie können neben der Einzelanwendung auch in individuelle, auf die Anforderung abgestimmte Applikations-Systemlösungen integriert werden. Die Optimierung der Komponenten ist somit auch mit Blick auf den Systemverbund durchführbar.

Der Systemanbieter präsentiert Komplettlösungen. Neben der Lieferung elektrischer und mechatronischer Komponenten steht er dem Kunden bei der Planung, Projektierung, Montage und Inbetriebnahme zur Seite oder übernimmt diese Aufgaben für ihn vollständig. Die Systemintegration in Richtung Applikations-Komplettlösungen betreibt SEW-Eurodrive im Bereich der Fördertechnik, derzeit beispielsweise bei Elektrohängebahnen und Fahrerlosen Transportsystemen. Auf dem Weg vom Lieferanten für Antriebstechnik zum Systemanbieter wurden innovative Konzepte entwickelt und umgesetzt, die auch erst durch eine gesamtheitliche Betrachtung der Förderanlagen realisierbar sind. Charakteristisch hierbei ist die zunehmende Intelligenz der Feldgeräte.

So beinhalten beispielsweise die Fahrzeuge einer EHB oder eines FTS neben den Antriebskomponenten ein intelligentes Modul mit eigenem Betriebssystem. Es weist Schnittstellen zur Kommunikation mit anderen Geräten oder angeschlossenen Gebersystemen auf, beispielsweise zur Positionserfassung entlang der Fahrstrecke. Die Intelligenz der Feldgeräte wird genutzt, um das zentrale Koordinationsmodul der Anlage zu entlasten, dessen Programmierung nicht in der Verantwortung des Anlagenbetreibers liegt. Ausgehend von den Kommandos des Koordinationsmoduls agieren die Fahrzeuge in gewissem Umfang selbständig. Die Kommandos haben bereits einen hohen Abstraktionsgrad. Sie werden von den Fahrzeugen ausgewertet und nach weiteren Überprüfungen ausgeführt oder auch modifiziert. Obwohl sich die Systeme EHB und FTS physikalisch stark unterscheiden, können sie durch das verwendete Konzept steuerungstechnisch identisch behandelt werden. Die Weiterentwicklungen der Steuerungssoftware sind sofort für beide Anlagentypen einsetzbar.

Wichtiger Bestandteil der Applikations-Systemlösungen für die Fördertechnik ist ein durchgehendes Softwarekonzept, das sich grundlegend von der klassischen SPS-Programmierung zur Anlagensteuerung unterscheidet. Ziel des Konzepts ist es, die Programmierung einer Anlagenfunktionalität durch eine Parametrierung zu ersetzen. Unter Parametrieren wird hier das Setzen eines Parameters auf einen bestimmten Wert verstanden, im Gegensatz dazu bezeichnet Parametrisieren das Versehen eines Objektes mit Parametern. Zentrales Werkzeug ist dabei die Parameter- und Diagnosesoftware Movivision von SEW-Eurodrive, die dem Benutzer eine Eingabe von Parametern sowie eine Überwachung des Anlagenzustandes ermöglicht.

Die Komponenten der Förderanlage werden als Objekte abgebildet, deren Eigenschaften und Verhalten über Parameter einstellbar sind. Im Fall eines FTS werden beispielsweise Haltepositionen oder Sollgeschwindigkeiten für verschiedene Bereiche der Fahrstrecke als Parameter gesetzt. Die Parameter- und Diagnosesoftware übermittelt die Parameter an die Feldgeräte. Die Software in den intelligenten Geräten wertet die Parameter aus und die Fahrzeuge verhalten sich entsprechend den gesetzten Werten. Falls projektspezifische Anforderungen nicht über Elemente abgedeckt werden, die schon in der Objektbibliothek vorhanden sind, können diese durch ein Software-Plug-In erfüllt werden. Dank des Softwarekonzepts wandelt sich die sonst komplexe Schnittstelle zu überlagerten speicherprogrammierbaren Steuerungen oder Produktionsplanungssystemen zu einem erheblich einfacheren Software-Interface. Das zentrale Koordinationsmodul der Förderanlage ist eine integrierte Komponente der Applikations-Systemlösung. Somit kann sie deren interne Komplexität bei Bedarf nach außen hin verbergen. An die Stelle der Programmierung bis in niedrige Steuerungsebenen tritt eine Parametrierung der Anlage und eine Software-Schnittstelle, die die Steuerung der Anlage auf hohem Abstraktionsniveau erlaubt. Das erleichtert die Inbetriebnahme von Anlagen und spätere Änderungen des Systemverhaltens erheblich. Durch die Intelligenz der Fahrzeuge und eine durchgehende Positionserfassung entlang des Fahrkurses kann dieser in beliebige logische Abschnitte unterteilt werden, die sich über Parameter konfigurieren lassen. Als Planungsgrundlage für die Förderanlage stellt der spätere Betreiber gewöhnlich CAD-Daten zur Verfügung. Sie enthalten das Layout der geplanten Anlage und die relevanten umgebenden Systeme wie Be- und Entladestationen, Arbeitsbereiche der Werker oder andere Betriebsmittel. Dieses Layout ist oft Ergebnis im Vorfeld durchgeführter Materialflusssimulationen, um den optimalen Anlagentyp, die benötigte Förderkapazität und die Steuer- strategie zu bestimmen.

Im Falle von Elektrohängebahn- und fahrerlosen Transportsystemen ist ein automatisiertes Importieren des Fahrkurses aus CAD-Daten in das Parameter- und Diagnosetool Movivision möglich. Eine zweidimensionale Draufsicht der Förderanlage muss dabei jedoch zuvor manuell aufbereitet werden. Grund hierfür sind die nicht einheitlichen Zeichnungsstandards sowie die Vielfalt der Objekte in der CAD-Zeichnung, die eine automatische Objekterkennung erschweren. Als Ergebnis des Importvorgangs liegt der Streckenverlauf im Parameter- und Diagnosetool vor. Der Anwender kann nun die darin schematisch dargestellte Förderanlage um weitere Systembausteine ergänzen. Dazu zählen beispielsweise Bedienpulte, SPS-Gateways oder Energieeinspeisungen. Nachdem aus einer Objektbibliothek auch die intelligenten Feldgeräte in der Software angelegt wurden, kann der Anwender die Parametrierung der Anlage vornehmen. Der Parametersatz wird in einer Datenbank sicher verwaltet und erst bei Bedarf an die realen Feldgeräte übermittelt. Durch das verwendete Softwarekonzept »Parametrieren statt Programmieren« verändern sich auch die Anforderungen an den Inbetriebnehmer der Förderanlage. Das Erstellen eines SPS-Programms zur korrekten Steuerung des Systemverhaltens ist nicht mehr Hauptschwerpunkt der steuerungstechnischen Inbetriebnahme. Stattdessen müssen eine Vielzahl von Parametern so gewählt werden, dass sich das gewünschte Anlagenverhalten einstellt. Als unterstützende Methode für diesen Prozess dient die Virtuelle Inbetriebnahme (Vibn), die SEW-Eurodrive für die Applikationslösungen EHB und FTS realisiert. Sie ermöglicht die frühzeitige Parallelisierung der mechanischen Anlagenplanung und der Entwicklung der Steuerungssoftware. Diese Methode findet unter anderem bereits bei der Werkzeugmaschinenentwicklung und der Planung von Roboterzellen ihren Einsatz. Als Ersatz für die reale Förderanlage wird bei der Vibn eine Simulation erstellt, die zur Entwicklung und zum Test der Steuerung verwendet wird. Die Steuerung wird mit dem Simulationsmodell der Anlage verbunden, das die Steuersignale verarbeitet und die simulierten Antwortsignale liefert. Ein wesentliches Ziel ist die Verkürzung der realen Inbetriebnahme durch bereits getestete und fehlerbereinigte Steuerungssoftware. Im hier geschilderten Konzept der Parametrierung von Förderanlagen wird dieses Ziel durch die Bestimmung geeigneter Parametersätze am Simulationsmodell erreicht.

Die Darstellung der simulierten Elektrohängebahnanlage erfolgt in einer 3D-Visualisierung. Der Streckenverlauf wird automatisch aus den im Parameter- und Diagnoseprogramm vorliegenden Daten erstellt. Ebenfalls zu sehen sind die EHB-Fahrzeuge, die sich entlang der Strecke bewegen. Die Simulation bildet die reale Förderanlage bis auf Sensor-Aktor-Ebene ab. Für die zentrale Steuereinheit der Elektrohängebahn ist bereits nicht mehr erkennbar, ob eine reale Anlage oder eine Simulation angeschlossen ist. Die gesamte Anlage kann mit Hilfe des Simulationsmodells parametriert werden. Bereits im Vorfeld der realen Inbetriebnahme lässt sich so ein Rundlauf der virtuellen Anlage im Automatikmodus erreichen. Auch die Software-Schnittstelle der zentralen Steuereinheit zu einer überlagerten SPS kann bereits konfiguriert und getestet werden. Obwohl sich das Simulationssystem für die virtuelle Inbetriebnahme noch in der Entwicklungsphase befindet, wurde es bereits bei einigen Projekten erfolgreich eingesetzt. Zu Beginn der Inbetriebnahme beim Anlagenbetreiber konnte dabei auf einem bereits verifizierten Parametersatz aufgebaut werden. Die vor Ort zu erledigenden Parametrieraufgaben wurden dadurch wesentlich reduziert. -sg-

SEW-Eurodrive GmbH & Co KG, Bruchsal Tel. 07251/75-0, http://www.sew-eurodrive.de

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