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Neue Einsparpotenziale durch paralleles und synchronisiertes Engineering

: Rockwell


Ein Partnerschaftsprojekt von Rockwell Automation und Dassault Systemes lässt Mechanik und Steuerungstechnik kooperieren. Die Idee der digitalen Fabrik als Synonym für die Anwendung digitaler 3D-Modelle und Methoden zur Visualisierung, Simulation und Kommissionierung industrieller Produktionsanlagen und –prozesse ist inzwischen keine Zukunftsmusik mehr.

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Im Automobilbau beispielsweise werden heute schon Fertigungszellen detailliert in ihrem geometrischen Aufbau mit Hilfe Computer gestützter Engineering-Werkzeuge geplant und simuliert. Die hohen Softwarekosten dieser PLM-Tools treten dabei im Vergleich zu den Einsparungen durch kürzere Planungszyklen, bessere Planungsqualität und höhere Änderungsfreundlichkeit in den Hintergrund. Solange aber diese Werkzeuge einerseits nicht den ganzen Engineering-Workflow bis zur Erstellung des Ablaufprogramms im Programmable Automation Controller (PAC) oder im Roboter durchgängig abdecken und andererseits überwiegend sequentiell („Toolkette“) arbeiten, bleiben weitere Einsparpotenziale ungenutzt.

Motivation für AutomationML: Durchgängiger Engineering-Workflow

Die Fertigungsplanung im Automobilbau und anderen hoch entwickelten Industriebereichen hat sich im Laufe der Zeit in eine Reihe einzelner, spezialisierter Phasen untergliedert, in denen moderne und leistungsfähige, aber separate Design-SW-Werkzeuge eingesetzt werden. Dabei unterliegen die Daten beim Engineering einer kontinuierlichen Anreicherung und Veränderung, so dass diese unterschiedlichen Werkzeuge häufig mehrfach benutzt werden. Jedoch ist der durchgängige Daten¬aus¬tausch zwischen den Werkzeugen heute nicht ausreichend unterstützt: Eine durchgängige Computer gestützte Plan¬ung von Fertigungszellen oder -linien, in der sowohl der gesamte geometrische Aufbau als auch die Ablauflogik detailliert geplant, simuliert, geprüft und in Betrieb genommen werden könnten, ist bis heute technisch noch nicht gelöst.

Sowohl Betreiber als auch Lieferanten von Produktionseinrichtungen sind natürlich an einem wirtschaftlichen und durchgängigen Datenaustausch zwischen
digitalen Pla¬nungswerkzeugen interes¬siert. Durchgängigkeit funktioniert heute jedoch nur gezielt innerhalb der System¬landschaft eines Herstellers und kann oft nur für Teile der Prozesskette realisiert werden. Es existieren derzeit noch keine offenen, standardisierten und akzeptierten Aus¬tausch- oder Zwi¬schenformate, die die gesamte Prozesskette schließen könnten.

Hier setzt das Projekt „AutomationML“ an: Ein herstellerneutrales Datenformat für den durchgehenden Austausch von Engineering-Daten zu entwickeln – mit dieser Vorgabe haben vor zwei Jahren neun Unternehmen (Automobilhersteller, Steuerungshersteller, Roboterhersteller, Universitäten) ein gemeinsames Projekt gestartet. Ziel ist es, eine gemeinsame XML-basierende Datensprache für 3D-Geometriebeschreibungen, Kinematik und Ablauflogik zu erschaffen. „AutomationML“ ist inzwischen als kostenfreier, offener Standard in der Spezifikation V1.0 veröffentlicht und beschreibt einen einheitlichen, bidirektionalen Datenaustausch zwischen Engineering-Tools von der Planung bis zur Inbetriebnahme und dem fortlaufenden Betrieb fertigungstechnischer Anlagen. Die Vision ist, mit AutomationML neue Anlagen¬konzepte effizienter planen zu können, ohne jedes Mal erheblichen Aufwand in die Austauschbarkeit von Daten investieren zu müssen; bei konsequenter Umsetzung soll so die Entwicklungsarbeit für alle Nutzer dauerhaft und wesentlich vereinfacht werden. Ein viel versprechendes Ziel, das aber auch ein gewisses Risiko birgt: Nur wenn diese Umsetzung konsequent erfolgt, wird sich der gewünschte Erfolg einstellen - hier liegt somit auch der springende Punkt bei diesem Ansatz.

Praktische Ansätze im Bereich virtueller Kommissionierung

Wie sieht die Praxis heute aus? Eine wichtige Phase im Engineering einer Produktionsanlage ist das „Virtual Commissioning“; hier wird das reale Automatisierungssystem (PAC) via OPC mit der virtuellen mechanischen Simulations¬umgebung logisch verbunden. Damit erhält der Anlagenbauer die Möglichkeit, Bewegungen und Funktionsabläufe auszutesten und zu validieren, bevor überhaupt die Produktionsanlage physikalisch gebaut wird. Ein wichtiger Schritt, der heute weitgehend praktisch umgesetzt wird und bereits messbar Kosten spart.
Aber das beeinflusst noch nicht die Art und Weise, wie Steuerungen programmiert werden – man muss ja schließlich warten, bis die Simulationsumgebung definiert und das Steuerungsprogramm fertig gestellt ist. Erst dann kann man die beiden Komponenten zusammenschalten, um das Ergebnis zu überprüfen. Mit anderen Worten: Die Entwurfsprozesse für Simulation und Logik laufen unsynchronisiert nebeneinander her, zwar zeitlich parallel, aber ohne Möglichkeiten gegenseitiger Korrekturen schon während der Entwurfsphase.

Virtuelle Kommissionierung beschleunigen – geht das?

Was wäre aber, wenn man aber mit dem Testen nicht warten müsste, bis Programm und Simulation fertig sind, sondern schon früher mit dem Abgleichen beginnen könnte? Dies wäre ein neues reizvolles Szenario, das weitere Einsparung von Zeit und Aufwand verspricht.

Ein solches Modell haben die Firmen Dassault Systèmes und Rockwell Automation kürzlich im Rahmen einer Partnerschaft vorgestellt: Daten und Objekte können hier zu einem beliebigen Zeitpunkt zwischen den Designtools für Mechanik (Delmia Automation V6) und Logik (RSLogix5000 V17) in beiden Richtungen ausgetauscht werden. Ermöglicht wird dies durch einheitliche XML-Export/Import-Objektinterfaces in beiden Tools – mit gleichen Objektstrukturen und gemeinsamen Namensdomänen. Nun lässt sich die virtuelle Kommissionierung effektiv beschleunigen, denn man muss nicht mehr bis zur Fertigstellung aller Teile warten: Man kann all das schon einmal abgleichen und testen, was zu einem beliebigen Zeitpunkt bereits fertig ist. Alle ausgewählten Smart Devices aus der Delmia-Objektbibliothek lassen sich mit den entsprechenden Logix-Add-On-Instruktionen abgleichen: Die Objekte werden aus der Delmia-Umgebung (Mechanik) an die Logix-Umgebung (Ablaufsteuerung) übermittelt und dort bezüglich Objektattributen und -instanzen mit den dort vorhandenen Bibliotheksobjekten (AOI) verglichen. Gleiches erfolgt in umgekehrter Richtung. Alle Abweichungen bei den Objektattributen, z.B. bei den Übergabeparametern von Bausteinen, werden sofort im jeweils anderen
Tool erkannt und gemeldet. Wurde beispielsweise in der Mechanik bei einem Objekt „Steuerpult“ ein Not-Aus-Taster hinzugefügt, so erkennt der Steuerungsprogrammierer diese Änderung sofort und kann sie unmittelbar in seinem Programm berücksichtigen. Die nachfolgende Simulation kann nun auf bereits synchronisierten Objektbibliotheken aufsetzen – mit deutlich verringertem Nacharbeitungsaufwand.

Vorteil bei Überarbeitung und Änderung von Projekten

Während die potenziellen zeitlichen Einsparungen der 3D-Simulation beim ersten Entwurf eines digitalisierten Anlagenmodells noch nicht effektiv in Erscheinung treten, werden die wesentlichen Vorteile in der Wiederverwendung oder Überarbeitung bereits digitalisierter Modelle offensichtlich. Hier bringt die unmittelbare Synchronisierung der Mechanik/Logik-Objekte bezüglich der durchgeführten Änderungen ganz erhebliche Zeitvorteile. Änderungen werden so viel schneller umgesetzt. Eine frühere und schnellere Abstimmung bei der Kommissionierung kann damit den Produktionsstart der Anlage maßgeblich verkürzen, einen zu engen Terminplan durch Zeitgewinn relativieren oder Lieferverzug bei kritischen Zulieferteilen kompensieren.

Ein offenes Objektinterface

Die Datenübergabe vom Mechanik-Designtool zum Steuerungsprogrammiertool für die virtuelle Kommissionierung ist nicht neu. Ent¬sprechende Lösungen zur Übergabe von Objekten und auch von generiertem Programmcode existieren für unterschiedliche Steuerungsfamilien. Allerdings haben diese Lösungen derzeit meist noch die Einschränkung der Unidirektionalität oder mit anderen Worten: Die Übergabe funktioniert in der Regel nur als Einbahnstraße vom Engineering-Tool hin zur Steuerung. Der Weg zurück von der Steuerung zum Engineering-Tool ist nur mit Einschränkungen,
erhöhtem Aufwand und nicht ohne Datenverlust möglich, weshalb diese Übergabe in der Regel meist einmalig am Ende des Designprozesses durchgeführt wird.

Neu an dem vorgestellten Ansatz mit dem Logix-System von Rockwell Automation ist die bidirektionale Austauschfähigkeit von Objekten, Bibliotheken und ganzen Projekten über eine offene Objektschnittstelle, die es Engineering-Tools ermöglicht, beliebig oft und in beiden Richtungen Objektdaten auszutauschen. Diese bidirektionale Austauschfähigkeit von Objekten per XML wird beim Virtual Commissioning mit Delmia Automation heute benutzt.

Neue Möglichkeiten für das Anlagendesign

Die Vision für die Nutzung des offenen XML-Objektinterfaces in RSLogix geht noch einen Schritt weiter: Design Tools, die ausführbaren Code für die Steuerung erzeugen, werden anhand dieses Objektinterfaces kooperativer mit dem Steuerungsprogrammiertool zusammenarbeiten können. Änderungen, die z.B. während der Inbetriebnahme mit dem Steuerungsprogrammiertool erzeugt wurden, kann man durch Aktualisieren ihrer Bausteinbibliothek jederzeit leicht wieder übernehmen, um den aktuellen Stand der Anlage im Projekt zu speichern. Dieser Ansatz kann den Aufwand der Änderungsnachführung bei generierten Steuerungs¬programmen wirkungsvoll reduzieren. Entsprechende Ansätze sind bereits in der Erprobung.

Selbst wenn das Thema „Digital Manufacturing“ eine enorme Spannbreite hat und von verschiedener Seite sehr unterschiedlich beurteilt wird, stellt dieses hier vorgestellte Beispiel der virtuellen Kommissionierung mit synchronisierten Simulations- und Logikobjekten einen wichtigen praktischen Anwendungsfall am Ende der Toolkette dar, der sich mit nachvollziehbaren Einsparungen kommerziell gut begründen lässt – ein Stück gelungener Innovation, dem sicher bald weitere folgen werden.


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