Digitale Zwillinge Mehr Effizienz über den gesamten Maschinenlebenszyklus

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SEW Eurodrive GmbH & Co. KG Abt. VB4MM

CADFEM Germany GmbH

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Ein digitales Modell kann nicht nur bei der Inbetriebnahme hilfreich sein; erweitert zu einem Digitalen Zwilling bietet es viele Vorteile vom ersten Kundengespräch über die Projektierung bis zum Betrieb.

Die virtuelle Inbetriebnahme ist ein Trendthema der Automatisierung. Ihre Grundidee ist es, eine Produktionsanlage bereits zu testen, wenn sich die reale Maschine noch im Aufbau befindet. So können in einer frühen Phase des Planungsprozesses Fehler vermieden und die Projektlaufzeit reduziert werden. Die virtuelle Inbetriebnahme ist allerdings nur eine Einsatzmöglichkeit eines digitalen Modells: Digitale Zwillinge bieten für alle Beteiligten im Planungsprozess Vorteile.

Unterstützung in der Entwicklung 

Die physische Simulation der Maschine unterstützt den Konstrukteur und die Programmiererin bei der die Optimierung des Bewegungsablaufs. Dabei wird die Bewegung im Millisekunden-Takt berechnet und in gleichen Zeitabständen deterministisch ausgeführt. Die berechneten Positionen werden an das 3D-Modell übergeben, die Bewegung sichtbar gemacht. Hierbei wird deutlich, an welchen Stellen die Mechanik noch optimiert und welche Parameter im Programm ggf. verändert werden müssen.

Für diese Simulation werden die Prozessdaten von einem Test-PC über den Feldbus an den Controller UHX65A von SEW-Eurodrive übermittelt, in den Movikit-Softwaremodulen verarbeitet und in Positionsdaten umgesetzt. Weil die Antriebselektronik noch nicht angeschlossen ist, laufen die Movikits im Simulationsmodus. Dabei simuliert der Controller die Bewegung so, als ob echte Antriebshardware angeschlossen wäre, und schickt die virtuellen Positionsdaten an die Software auf dem PC, um dem dreidimensionalen Modell Richtung und Weg zu weisen.

Hilfe bei der Projektierung

Ein digitales Modell unterstützt auch den Auswahlprozess der Antriebe. So können verschiedene Motor-Getriebe-Kombinationen untersucht werden, um die optimale Lösung zu ermitteln, ob ein hochdynamischer Servomotor, eine Wasserkühlung oder eine Kombination mit höherer Massenträgheit verwendet werden sollte. Dazu gehört auch die Frage, ob man einen Zwischenkreisverbund vorsehen sollte. Das Planungs- und Projektierungstool Workbench steht auf der Homepage des Unternehmens zum freien Download bereit. Es hat eine Datei-Import-Funktion für die Simulationsdaten. Drehmomente, Beschleunigung, Geschwindigkeit und Weg werden in Diagrammen dargestellt und fließen in die Antriebsauslegung ein. Für die energetische Auslegung, etwa die Verwendung von Energiespeichern im Zwischenkreis, stehen weitere Optionen zur Verfügung. Der Anbieter unterstützt bei der Optimierung dieser Auslegung. Um zu prüfen, ob die Antriebe in die Maschine passen, kann man CAD-Modelle aller Motoren, Getriebe und Elektronikkomponenten im Online-Support generieren und in verschiedenen 3D- und 2D-Formaten herunterladen.

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Hilfe bei der Programmierung

Den SPS-Programmierer interessiert, ob Prozessablauf und Bewegungen funktionieren: Kommen die Daten an, stimmt das Timing? Hierzu will er den Ablauf der Steuerung im Quellcode beobachten, während er Einblick in die Bewegungsfunktionen hat. Movikit-Softwaremodule ermöglichen, ein- und ausgehende Feldbusdaten über eine grafische Oberfläche anzuzeigen. Damit lässt sich leicht überprüfen, ob alles korrekt umgesetzt wird, auch im Simulationsmodus. Daher kann man das SPS-Programm am Schreibtisch fertigstellen und testen, bevor es in die Antriebselektronik geladen wird. Sogar der simulierte Roboterarm lässt sich komfortabel mit dem RobotMonitor auf dem Bedienteil oder am PC steuern und die Bewegungen genau überprüfen. Weil alle Tests in einer vollständig simulierten Umgebung stattfinden, besteht kein Risiko, dass physische Geräte durch Fehler in der Steuersoftware während der Inbetriebnahme beschädigt werden. 

Vereinfachte Schulung 

Zukünftige Maschinenbediener können zusammen mit den Entwicklern der Bedienoberfläche die Einrichtung und Bedienung der Anlage üben. Dazu ist die Maschine beispielsweise mit Touchdisplays ausgestattet, die über ein Ethernet-Kabel mit der Steuerung verbunden sind. Die Anordnung der Informationen und Schaltflächen auf den Displays entspricht exakt der späteren Anordnung an der Anlage; selbst die Bildschirmdiagonale ist identisch. Nach kurzer Zeit ist das Team einsatzbereit und hat ein genaues Verständnis dafür, wie die Maschine auf Eingaben reagieren wird und welche Maßnahmen im Fehlerfall zu ergreifen sind. Die gesamte Unterweisung kann komplett ohne eine reale Maschine erfolgen.

Model Based Monitoring 

Ein Prozesstechniker möchte vor dem Echtzeitbetrieb sicherstellen, dass seine Annahmen zur Maschine und dem Prozess korrekt sind. Hierfür hat er ein detailliertes Modell der Realität in seinem Simulationsprogramm erstellt. Es verarbeitet die eingehenden Prozessdaten und verhält sich so, wie es der Prozess mit den entsprechenden Parametern tun würde. Durch den Abgleich der realen Betriebsdaten mit vorher im Digitalmodell berechneten Daten, dem sogenannten Model Based Monitoring, kann man Fehler im Betrieb frühzeitig erkennen, und die Zahl defekter Teile verringert sich. Auch ein erhöhter Energiebedarf, etwa aufgrund von Maschinenverschleiß, lässt sich leicht erkennen.

Performante Steuerungen 

Eine wichtige Anforderung ist, dass der Prozess dabei auf keinen Fall gestört wird. Die Steuerungen UHX65A und UHX86A sind ausreichend performant, um zwei Betriebssysteme parallel auszuführen. Somit kann der Programmcode für die Prozess- und Bewegungssteuerung auf einem Echtzeitbetriebssystem laufen, während das Modell auf einem Windows-Betriebssystem ausgeführt wird. Die Daten der Steuerung werden verarbeitet, verglichen und über das Netzwerk auf einem externen Datenspeicher abgelegt. Weil durch die Simulation viele Prozesse parallel laufen, lässt sich die Entwicklung der Maschine deutlich verkürzen. Standardisierte Schnittstellen, Simulationsmodi und praktische Benutzeroberflächen befähigen die Nutzer zu vielen Arbeiten ohne die Hardware der Elektromechanik. Das innovative Hypervisor-Konzept der neuen Steuerungsgeneration UHX86A und UHX65A eröffnet weitere Anwendungsmöglichkeiten, auch während des Maschinenbetriebs. Die 3D-Simulation kann dabei unabhängig auf dem Windows-Betriebssystem ausgeführt werden, sodass ein Vergleich zur realen im Betrieb befindlichen Maschine möglich ist. Echte Physik-Simulationen mit dem digitalen Zwilling sind möglich, ohne dass zusätzliche Hardware in die Maschine eingebracht werden muss.

Hans-Joachim Müller ist Marktmanager bei SEW-Eurodrive.