Cluster Mechatronik & Automation

News

13.12.2012

Fachbeitrag - Automatisierte Generierung und Validierung der Steuerungssoftware moderner Produktionsmaschinen

Durch die Einführung mechatronischer Systemansätze kann die Flexibilität und Funktionalität moderner Produktionsmaschinen weiter gesteigert werden. Der Steuerungssoftware kommt dabei eine zentrale Bedeutung zu. Aufgrund des stetig steigenden Komplexitätsgrades wird die Erstellung und Validierung der Steuerungssoftware immer aufwändiger. Die Virtuelle Inbetriebnahme automatisch erstellter Steuerungssoftware an ebenfalls automatisch generierten virtuellen Maschinenmodellen führt zu einer deutlichen Effizienzsteigerung im Engineeringprozess und zu einer Verkürzung der Inbetriebnahmezeit an der Maschine. Moderne mechatronische Produktionssysteme

Prof. Dr.-Ing. Matthias Wenk

Hochschule Amberg-Weiden

Fakultät Maschinenbau/Umwelttechnik

 

Moderne mechatronische Produktionssysteme zeichnen sich durch das komplexe Zusammenspiel von Mechanik, Elektronik und Software aus. Der Softwareanteil nimmt auf Kosten der mechanischen Anteile deutlich zu und damit auch die Bedeutung der Softwareentwicklung für den gesamten Entwicklungsprozess.

 

Während in der Mechanik- und Elektrokonstruktion der Einsatz von CAx-Tools zum Stand der Technik gehört, gibt es für die Entwicklung und Validierung von Steuerungssoftware bisher noch keine etablierten Toolchains. Um diese Lücke im Engineeringprozess zu schließen, wurde an der Hochschule Amberg-Weiden in Zusammenarbeit mit der Firma Siemens eine durchgängige Lösung entwickelt. Diese deckt den kompletten Workflow von der automatisierten Generierung bis zur modellbasierten Validierung von Steuerungssoftware ab.

 

Am Beispiel einer sog. Intelligent Belt Applikation wurde dies prototypisch für die Motion Control Steuerung SIMOTION realisiert. Ein Intelligent Belt wird vor allem in Produktionsmaschinen, vorwiegend im Verpackungsbereich, eingesetzt. Er ermöglicht es diskontinuierlich eingetaktete Einzelprodukte aufzunehmen und gruppiert an das nächste Maschinenaggregat weiterzugeben.

 

Automatische Softwareerstellung mit dem Projektgenerator

 

Die Erstellung der Steuerungssoftware einer Intelligent Belt Applikation erfolgt mit dem SIMATIC/SIMOTION Projektgenerator. Damit kann ein SIMATIC STEP7- bzw. ein SIMOTION SCOUT-Projekt auf Basis von Vorlagen automatisiert erstellt oder geändert werden. Bei den Vorlagen handelt es sich um vorkonfigurierte bzw. vorprojektierte Steuerungsbeschreibungen und eine Funktionssammlung von Applikationsmodulen.

 

Abbildung 1: XML-Export aus dem Projektgenerator

 

Der Projektgenerator stellt dem Anwender eine Oberfläche zur Verfügung, über die die Module konfiguriert und parametriert werden. Damit passt der Anwender die allgemeinen Modulfunktionalitäten an seine spezifischen Applikationsanforderungen an. Die Aufgabe des Projektgenerators besteht darin für eine Maschine automatisiert ein lauffähiges Projekt zu erzeugen, das auf der gewünschten Zielhardware ausführbar ist.

 

Generierung eines virtuellen Maschinenmodells

 

Zur Validierung der Steuerungssoftware wird ein virtuelles Maschinenmodell verwendet. Dabei wird das kinematische, dynamische und steuerungstechnische Verhalten einer realen Maschine durch ein Simulationsmodell (virtuelle Maschine) auf einem PC nachgebildet [1]. Als Simulationsplattform wird die WinMODSystemplattform (www.winmod.de) der Firma Mewes&Partner eingesetzt. Die Anbindung einer realen Steuerung an den Simulations-PC erfolgt über ein Feldbussystem. Aus steuerungstechnischer Sicht verhält sich die virtuelle Maschine wie die reale Maschine.

 

Allerdings stellt die manuelle Erstellung eines virtuellen Maschinenmodells einen erheblichen zeitlichen Aufwand dar, der die erzielbare Effizienzsteigerung wieder zunichtemachen kann. Deshalb ist eine Automatisierung der Modellgenerierung unbedingt erforderlich. An der Hochschule Amberg-Weiden wird dazu eine Komponentenbibliothek entwickelt, die branchenspezifische Simulationskomponenten enthält. Eine Simulationskomponente bildet das funktionale Verhalten und die Geometrie eines Maschinenmoduls ab. Miteinander verschaltete Simulationskomponenten bilden schließlich das virtuelle Maschinenmodell.

 

Eine Simulationskomponente besteht aus einem Verhaltensmodell und einem Kinematikmodell. Beide Modellkomponenten sind konfigurierbar und damit an die Applikationsanforderungen anpassbar. Der SIMATIC/SIMOTION Projektgenerator wurde dahingehend erweitert, dass alle für die automatisierte Erstellung des Maschinenmodells benötigten Konfigurationsdaten im XML-Format [2] exportiert werden können. Über eine Excel-Applikation wird aus den Konfigurationsdaten eine csv-Datei abgeleitet, die in die WinMOD-Systemplattform importiert wird und automatisch ein Verhaltensmodell der virtuellen Maschine generiert. Weiterhin wird aus der Excel-Applikation scriptbasiert ein Kinematikmodell auf VRML-Basis [3] erstellt. Dieses wird in die Visualisierungskomponente von WinMOD eingelesen und stellt ein 3D-Modell der simulierten Maschine bzw. Anlage dar.


Validierung der Steuerungssoftware

 

Das im Projektgenerator erzeugte lauffähige SIMOTION-Projekt wird über das Engineering Tool SIMOTION SCOUT auf die verwendete SIMOTION-Steuerung übertragen und dort ausgeführt. Der zyklische Echtzeitdatenaustausch zwischen der realen Steuerung und dem virtuellen Maschinemodell kann wahlweise über die Feldbussysteme PROFIbus bzw. PROFInet erfolgen. Dazu wird eine Feldbuskarte in den Simulations-PC eingebaut und in der WinMOD-Systemplattform der entsprechende Feldbustreiber konfiguriert. Dies kann ebenfalls automatisiert auf Basis des Exports der Hardwarekonfiguration aus dem Engineering Tool erfolgen.

 

Abbildung 2: Systemüberblick zur Softwareerstellung und -validierung

 

Mit diesem Systemaufbau kann nun die Steuerungssoftware validiert werden. Alle Aspekte der Softwarevalidierung, wie z.B. Funktionstest, Störverhalten, Bedien- und Diagnosekonzept, Traceability und die Anbindung an übergeordnete Leitrechner können mit dem virtuellen Maschinenmodell durchgeführt werden. Darüber hinaus kann dieses für Schulungszwecke und als Vertriebsunterstützung verwendet werden.

 

Fazit und Ausblick

 

Die vorgestellte Toolchain ermöglicht es Steuerungssoftware und die für deren Validierung benötigten Maschinemodelle weitgehend automatisch zu generieren. Dies führt zu einer wesentlichen Effizienzsteigerung im Engineeringprozess.

 

Die reale Inbetriebnahme einer Produktionsmaschine kann nun auf validierter Steuerungssoftware aufsetzen und die Inbetriebnahmezeit dadurch deutlich reduziert werden.

 

In zukünftigen Projekten soll die Komponentenbibliothek branchenspezifisch erweitert werden. Interessierte Projektpartner sind zur Mitarbeit herzlich eingeladen.


Literatur

[1] Wenk, M.: Virtuelle Inbetriebnahme von Produktionsanlagen – Aufwand-Nutzen, Umsetzungsstrategien, zukünftige Entwicklungen, In: A. Verl, W. Schumacher, K. Bender (Hrsg.): Tagungsband SPS/IPC/DRIVES 2008, Nürnberg, 25.- 27.11.2008, VDE Verlag, Berlin, 2008, S. 531-539

[2] W3C (Hg): Extensible Markup Language (XML) 1.0 (Fifth Edition), www. w3.org/XML/Core/, 2008

[3] ISO/IEC 14772-1:1997 and ISO/IEC 14772-2:2004 — Virtual Reality Modeling Language (VRML), 2003


Kontakt

 

 

Hochschule Amberg-Weiden

Fakultät Maschinenbau/Umwelttechnik
Kaiser-Wilhelm-Ring 23
92224 Amberg
http://www.haw-aw.de

 

m.wenk@haw-aw.de

Telefon +49 9621 482 - 3328
Telefax +49 9621 482 - 4328


Schriftgöße: 
Schriftgrösse grossSchriftgrösse mittelSchriftgrösse normal
••• Suche •••
••• News •••

12.05.2021

IT-/OT-Dienstleister beim Cluster Mechatronik & Au...

Software-Clusterpartner stellen sich am 10. Juni v...


16.04.2021

Projektpartner gesucht?

Partnering Event am 30. April


16.04.2021

Lassen Sie sich Innovation fördern!

Aktuelle Förderaufrufe der ZD.B Themenplattformen


••• Newsletter •••

Immer auf dem neuesten Stand sein! Jetzt unseren Newsletter abbonnieren.

Internationales Forum Mechatronik
it-sa - Die IT-Security Messe und Kongress
Internationales Forum Mechatronik
mechatronikakademie
Cluster Offensive Bayern
ESF in Bayern
Cluster Mechatronik & Automation e.V. mit dem Clusterlabel Silber ausgezeichnet
Kompetenzatlas Elektromobilität Bayern
Mechatronik
 
Newseinzelmeldung Newseinzelmeldung  Impressum / Datenschutz    |    Sitemap    |    AGB    |    Drucken