17.05.2021 – Kategorie: Hardware & IT

Virtuelle Inbetriebnahme ermöglicht Designtests im frühen Projektstadium

Virtuelle InbetriebnahmeQuelle: Monopoly919/shutterstock

Um die virtuelle Inbetriebnahme Anwendern mit begrenzten Kapazitäten zugänglich zu machen, hat Fluidon das Virtual Engineering Lab konzipiert. Die auf Open-Source-Toolkits und standardisierten Schnittstellen basierende Entwicklungsumgebung ist speziell auf die Anforderungen der Hydrauliksimulation zugeschnitten.

Die virtuelle Inbetriebnahme repräsentiert einen Teil des zukünftigen Produktlebenszyklusmanagements, das vollständig durch die Digital-Twin-Methodik unterstützt wird. Jede Ingenieursdisziplin – Mechanik, Hydraulik, Elektrotechnik und Softwaretechnik – trägt dabei zum digitalen Zwilling bei.

Zeitgewinn durch virtuelle Inbetriebnahme

Virtuelle Inbetriebnahme ermöglicht ein interdisziplinäres Arbeiten und fördert die Kommunikation in einem frühen Stadium der Produktentwicklung. Durch paralleles Engineering erreichen Anwender ein hohes Maß an Effizienz und Durchgängigkeit. Für Unternehmen ist einer der wichtigsten und offensichtlichsten Vorteile der virtuellen Inbetriebnahme der Zeitgewinn im Vergleich zum klassischen Prozess der sequenziellen Produktentwicklung. Beispielsweise können Steuerungsentwicklung und -test bereits in einem sehr frühen Projektstadium erfolgen.

Bislang wird die virtuelle Inbetriebnahme zumeist von größeren Firmen durchgeführt. Sie verfügen über eine ausreichend breite Ingenieurbasis, um die benötigten interdisziplinären Simulationsmodelle für den Digitalen Zwilling zu erstellen. Das Virtual Engineering Lab (VEL) ist eine modulare Entwicklungsumgebung zur Ankopplung von Digitalen Zwillingen an Feldbusnetzwerke. Fluidon konfiguriert das VEL anwendungsspezifisch, wodurch Entwickler eine schlüsselfertige virtuelle Inbetriebnahme-Umgebung für SiL- und HiL-Anwendungen erhalten.

Auf Hydrauliksimulation spezialisiert

Das auf Open-Source-Toolkits basierende VEL ist speziell auf die hohen Anforderungen der Hydrauliksimulation ausgelegt, um beispielsweise auch die Dynamik der Hydraulikleitungen einer mobilen Arbeitsmaschine abzubilden. Hierdurch unterscheidet es sich von verfügbaren Lösungen zur virtuellen Inbetriebnahme, die eher auf die Automatisation von Fertigungs- und Montageprozessen mit vordefinierten Bewegungsdynamiken ausgerichtet sind.

Auf der Feldbusseite stellt das VEL eine EtherCAT-Anbindung zur Verfügung, die als HiL-Anwendung einen Datenaustausch mit der realen Steuerung über verschiedene Feldbusse deterministisch und mit einer Zykluszeit von Millisekunden gewährleistet. Alternativ kann das VEL auch als SiL-Anwendung mit der Entwicklungsumgebung der Steuerung verbunden werden. Auf der Simulationsseite ist das VEL eine Echtzeitlösung, die Linux-FMU-Modelle (Functional Mock-Up-Unit) aus allen FMI-konformen Entwicklungstools importieren kann, um den Digitalen Zwilling zu bilden. Hierbei können mehrere FMUs auch parallel angebunden werden, sodass beispielsweise Tool A die Hydraulik und Tool B die Mechanik liefert.

Virtuelle Inbetriebnahme
Struktur des Virtual Engineering Labs mit CANopen-Anbindung des Controllers. Bild: Fluidon

Der VEL-Echtzeitsimulator

Der Aufbau eines Digitalen Zwillings zur HiL-Anbindung der Controller-Hardware erfordert ein deterministisches Verhalten der verknüpften FMUs. Um dies zu erreichen läuft der VEL-Echtzeitsimulator unter einem Linux mit Echtzeit-Kernel, der ein sehr genaues Timing der Rechenaufrufe der FMUs erreicht. Der VEL-Echtzeitsimulator ruft die Rechenfunktionen aller FMUs zyklisch auf, synchronisiert die Berechnung der parallel rechnenden FMUs und tauscht zwischen ihnen E/A-Signale gemäß der benutzerdefinierten Struktur aus. Jeder FMU-Wrapper übernimmt bedarfsweise die Extrapolation bzw. Interpolation der ausgetauschten Signale. Ein Mapping-Modul puffert die FMU-Ausgänge, damit diese im nächsten Zeitschritt als Eingänge für andere FMUs verwendet werden können.

Die VEL-Feldbusschnittstelle

Zur Anbindung an den EtherCAT-Backbone, der alle Komponenten des HiL-Setups miteinander verbindet, ist der Echtzeitsimulator als EtherCAT-Slave konfiguriert. Große und komplexe Systeme können auf mehrere Rechenknoten aufgeteilt werden, um die Rechenlast zu verteilen. Die Aufgabe der Integration der HiL-Komponenten und des Signalroutings wird von Beckhoff TwinCAT übernommen. TwinCAT scannt den EtherCAT-Bus nach neuen Slaves und erkennt automatisch alle verfügbaren Prozessdaten. Das VEL liefert in diesem Zusammenhang ein inverses Abbild der I/O-Signale der realen Steuerung.

Virtuelle Inbetriebnahme
Erweiterte Topologie für rechenintensive Systeme. Bild: Fluidon

Für EtherCAT ist eine große Anzahl von kompatiblen I/O-Geräten und Gateways zu anderen Feldbussen verfügbar. Über Gateways ist es beispielsweise sehr einfach möglich, Visualisierungswerkzeuge oder HMI-Geräte in den Simulationsverbund einzuschleifen.

Virtuelle Inbetriebnahme: Extremsituationen risikolos testen

Die durch Fluidon auf die Kundenaufgabe zugeschnittene VEL-Umgebung ist für Steuerungstechniker von großem Nutzen: Während im klassischen Prozess die Softwareentwicklung und der Test oft nur am realen Prototypen möglich sind, erfolgen diese nun in der Software-in-the-Loop (SiL)-Umgebung mit dem virtuellen Prototypen. Nach Auswahl der geeigneten Hardware ermöglicht das VEL die weitere Validierung auf der realen Maschinensteuerung in der Hardware-in-the-Loop-Umgebung (HiL).

Die Mensch-Maschine-Schnittstelle, bestehend aus Komponenten wie Joysticks, Bedienfeldern und Displays, kann bereits Teil dieses Testaufbaus sein und ermöglicht nicht nur einen Test aus Engineering-, sondern auch aus Anwendersicht. Extremsituationen der können in dieser Phase risikolos getestet werden. Die frühe Steuerungsintegration deckt Designprobleme früher auf als der traditionelle Prozess, ermöglicht kostengünstigere Korrekturmaßnahmen als in einem späteren Stadium und führt zu einer besseren Qualität des Produktdesigns. Die Zeit bis zur Markteinführung eines neuen Systems wird hierdurch deutlich verkürzt.

Der Autor Dr.-Ing. Heiko Baum ist Geschäftsführer bei Fluidon.

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