download - SPES 2020
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Engineering und Integration eingebetteter<br />
Systeme in der Automatisierung<br />
Dr. Ulrich Löwen, Siemens AG
Partner<br />
Partner<br />
Siemens AG<br />
Embedded4You<br />
e.V.<br />
TÜV SÜD AG<br />
TUM München<br />
Bereich<br />
Corporate Technology, Project Engineering, ENG<br />
Corporate Technology, Modeling, Simulation, Optimization, MSO<br />
Corporate Technology, Requirements Engineering, REN<br />
Corporate Technology, System Development Techniques, SDT<br />
Firmen Elma Trenew GmbH, FTI Group, N.A.T. GmbH, MicroSys<br />
GmbH, RST Industrie-Automation GmbH XiSys Software GmbH und<br />
IMACS GmbH<br />
TÜV SÜD Automotive GmbH, Competence Center Elektronik<br />
Sicherheit<br />
Lehrstuhl Embedded Systems and Robotics (Prof. Knoll)
Einsatz von Embedded Systems in allen<br />
Feldern Automatisierungstechnik<br />
Gesamtanlage<br />
z.B. Automobilfertigung,<br />
Walzwerk<br />
Integrierte Teilsysteme<br />
z.B. Montagezelle,<br />
Produktionslinie,<br />
Walzstraße<br />
Maschinen<br />
z.B. Roboter, CNC-<br />
Maschine, Walzgerüst<br />
Automatisierungsgeräte<br />
z.B. SPS-Steuerungen,<br />
Antriebe, Spezialgeräte<br />
Embedded Systems auf jeder Ebene der Integrationskette<br />
1<br />
Menge gleicher Systeme<br />
n<br />
Embedded<br />
Systems<br />
als<br />
Systems of<br />
Systems<br />
(Geräte,<br />
mechatronische<br />
Komponenten und<br />
Maschinen zu<br />
Lösung integriert)<br />
Embedded<br />
Systems
Strukturierung der Arbeiten<br />
Entwicklung Embedded Systems<br />
Methoden für Modellierung und<br />
Validierung bei der Entwicklung von<br />
Automatisierungsgeräte-Software<br />
Tools<br />
Integrierte<br />
Betrachtung zur<br />
Schaffung durch-<br />
gängiger Modelle<br />
und Prozesse<br />
Werkzeugunterstützung von<br />
Entwicklungs- und Engineeringprozessen<br />
In der Automatisierung<br />
Integration zu Systems of Systems<br />
Methoden für Modellierung und simulative<br />
Validierung bei der Integration<br />
von Automatisierungsgeräten bzw.<br />
mechatronischen Komponenten zu<br />
Anlagen
Herausforderung im Anwendungsgebiet<br />
Automatisierung<br />
Herausforderung: gegenseitiges Verständnis<br />
Forschungspartner: Problemstellung in der Automatisierungstechnik<br />
Industriepartner: Anwendung der Modellierungskonzepte<br />
Industriepartner<br />
Modellierung<br />
automatisierter Anlagen<br />
unter Nutzung langjährig<br />
etablierter Konzepte und<br />
Werkzeuge<br />
Vorgehen<br />
Forschungspartner<br />
Vorschlag zur Modellierung<br />
von eingebetteten<br />
Systemen in Form des<br />
<strong>SPES</strong> Metamodells<br />
Gemeinsame Bearbeitung eines repräsentativen, aber<br />
überschaubaren Beispiels
Embedded Systems<br />
Systemumgebung<br />
4-Ebenen Metamodell in der<br />
Automatisierung<br />
Ebene 4<br />
Automatisierungs-<br />
hardware<br />
Ebene 3<br />
Automatisierungs-<br />
software<br />
Ebene 2<br />
Technisches<br />
System<br />
Ebene 1<br />
Technischer<br />
Prozess<br />
Prozessfluss<br />
Produkt<br />
Automatisierungsgerät <br />
Automatisierungsfunktion<br />
Technische<br />
Ressource<br />
Teilprozess<br />
Operation<br />
Ortsbezug<br />
Automatisierungsfunktion<br />
Produkt<br />
Automatisierungsgerät <br />
Automatisierungsfunktion<br />
Technische<br />
Ressource<br />
Teilprozess<br />
Operation<br />
Produkt<br />
Wirkbeziehung Kommunikation
<strong>SPES</strong> Metamodell versus 4-Ebenen<br />
Metamodell in der Automatisierung<br />
<strong>SPES</strong><br />
Viewpoint<br />
Requirements<br />
Functional<br />
Logical<br />
Technical<br />
Ebene 1:<br />
Technischer<br />
Prozess<br />
Ebene 1:<br />
Technischer<br />
Prozess<br />
Ebene 2:<br />
Technisches<br />
System<br />
Ebene 3:<br />
Ausprägung im Ebenen Metamodell in der<br />
Automatisierung<br />
Automatisierungssoftware<br />
Ebene 4:<br />
Automatisierungshardware<br />
Implizite Ableitung der Anforderungen an<br />
die technischen Ressourcen anhand der<br />
Prozessbeschreibung<br />
Folge von Prozessoperationen, mit denen<br />
Rohmaterialien in Endprodukte<br />
transformiert werden<br />
Alle technischen Ressourcen der Anlage<br />
(Maschinen, Apparate) zur Ausführung<br />
des technischen Prozesses<br />
Erforderliche Automatisierungsfunktionen<br />
zur Steuerung des Prozesses der Ebene 1<br />
mittels der Ressourcen der Ebene 2<br />
Alle elektrischen und elektronischen<br />
Geräte zum Messen, Steuern und Regeln<br />
technologischer Prozesse zur Ausführung<br />
der Automatisierungssoftware<br />
Fließtext<br />
Applikationsspezifische<br />
Ausprägungen (Beispiele)<br />
Prozessfluss Diagramm<br />
Bill of Operations (BOO)<br />
Funktionelle Architektur<br />
Anlagen Layout (CAD Model)<br />
Materialflussdiagramm<br />
R&I Fließschema<br />
Steuerungshierarchie<br />
Mess- und Regelstellen Liste<br />
Sequential/Continuous Function Chart<br />
Stücklisten: Antriebe, Sensoren<br />
Hardware/Netzwerk Konfiguration<br />
Pin- & Belegungslisten
Beispielhafte Abbildung des <strong>SPES</strong><br />
Metamodells auf die Automatisierung<br />
<strong>SPES</strong><br />
Viewpoint<br />
<strong>SPES</strong> Engineering Werkzeugkette<br />
Requirements In der Automatisierung oft nur informell beschrieben<br />
Functional<br />
Logical<br />
Technical<br />
Ebene1:<br />
Technischer<br />
Prozess<br />
Ebene 2:<br />
Technisches<br />
System<br />
Ebene 3:<br />
Automatisierungssoftware<br />
Ebene 4:<br />
Automatisierungshardware<br />
§ Only one workpiece per<br />
production cell<br />
§ Transport of work pieces<br />
only if next station is empty<br />
Workpiece dimensions and weight<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Workpiece Supply<br />
Workpiece Workpiece<br />
<br />
Grinding<br />
Workpiece Workpiece<br />
<br />
Milling<br />
Workpiece Workpiece<br />
<br />
Assembly<br />
Workpiece Workpiece<br />
Additives<br />
<br />
<br />
Measuring<br />
Workpiece Workpiece<br />
<br />
<br />
Workpiece Delivery<br />
Workpiece<br />
Additives have to be provided<br />
In case of dimension fault further<br />
treatment has to be assured by<br />
transport unit<br />
<br />
Workpiece<br />
einheitliches Beschreibungsmittel<br />
Collision avoidance<br />
PLC Perfomance = S400<br />
IF Cranex = moving AND<br />
Craney = moving<br />
towards home position<br />
<br />
<br />
<br />
ELSEIF Cranex = not<br />
Crane1<br />
Production cell 1-4<br />
Crane2<br />
DeliveryBand<br />
moving AND Craney =<br />
moving AND direction<br />
Workpiece Workpiece<br />
Workpiece Workpiece<br />
Workpiece Workpiece<br />
Workpiece Workpiece<br />
(Craney) = home<br />
position<br />
JobC1 PositionC1<br />
Status1-4<br />
JobC2 PositionC2<br />
StatusDB<br />
ELSEIF Cranex =<br />
StatusC1<br />
StatusC2<br />
moving AND Craney =<br />
moving AND position<br />
(Craney) > position<br />
(Cranex) AND x=1<br />
<br />
ProductionJobManager<br />
vielfältige § Process flow deadlock<br />
applikationsspezifische Ausprägungen<br />
JobC1 JobC2<br />
avoidance<br />
SupplyBand<br />
§ Crane job only if next<br />
PositionC1 StatusDB<br />
station is empty<br />
Workpiece Workpiece<br />
StatusC1<br />
StatusC2<br />
§ Home-Position if no<br />
StatusSB<br />
StatusSB PositionC2<br />
more job exists<br />
§ Schedule job order acc.<br />
Start up in auto mode<br />
AutoMode Status1-4<br />
<br />
to available stations<br />
<br />
CranePositionSensor<br />
SensorData CranePos<br />
<br />
StationSensor<br />
WPDetect Status<br />
<br />
BandSensor<br />
SensorData Status<br />
CranePos<br />
<br />
SPS<br />
CraneMove<br />
BandStatus<br />
BandMove<br />
<br />
CraneCtrl<br />
BandCtrl<br />
StationStatus ProcessData<br />
Command<br />
<br />
<br />
CraneMotor I/O<br />
CraneCtrl CraneMove<br />
<br />
BandMotor I/O<br />
BandCtrl BandMove<br />
<br />
OperatorPanel<br />
ProcessData Command<br />
versus<br />
<br />
Crane<br />
CraneMove WPMove<br />
Workpiece<br />
<br />
Band<br />
BandMove WPMove<br />
Übersichtsdarstellung der geplanten<br />
Bearbeitungsstationen und des<br />
technischen Prozesses in COMOS<br />
3D CAD der Geometrie<br />
im Mechatronic<br />
Concept Designer<br />
CFC der Kransteuerung in<br />
SIMATIC PCS 7<br />
Netzwerk der Automatisierungsgeräte<br />
im SIMATIC HW-Konfig<br />
Siemens SIMATIC S7 –<br />
Speicherprogrammierbare Steuerung
Abstraktionsebenen<br />
Abwicklungs-Modell versus<br />
Artefakt-Modell<br />
Engineering Prozess Engineering in Automatisierungstechnik<br />
ist stark prozessgetrieben<br />
Concept<br />
Engineering<br />
Requirements<br />
Basic<br />
Engineering<br />
Require- -<br />
ments<br />
Detail<br />
Engineering<br />
Installation,<br />
Commissioni<br />
ng<br />
Functional Functional Functional Functional<br />
Requirements<br />
Logical Logical Logical<br />
Technical Technical Technical<br />
Viewpoints<br />
Functional Logical Technical<br />
Komplexe Engineering Workflows<br />
EMF 50%<br />
Ext. Spec. 50%<br />
Produkt<br />
Hydraulik<br />
Bauteile wählen,<br />
Verfahrgeschwindigke<br />
iten eintragen etc.<br />
Zylinderliste 95%<br />
„Grauzone<br />
Sicherheit“<br />
Hydraulik<br />
Ölmenge berechnen<br />
Mechaniker<br />
MCL generieren<br />
Ölmenge und Spec<br />
Hydraulik<br />
Anlage konzipieren<br />
MechDesign 100%<br />
Fix Speed Drives<br />
approval<br />
Drives<br />
Bestellung Fix Speed<br />
Hydraulik<br />
Fremdfertigung<br />
Komponenten bestellen<br />
Wie wende ich das <strong>SPES</strong><br />
Metamodell an<br />
Stichplan<br />
*.xls<br />
Technologe<br />
EMF 50%<br />
Vertrag 100%<br />
Spezifikation<br />
~EMF<br />
MCL 60-80%<br />
Rev. 0<br />
Fluids 95%<br />
Plant Layout 60-80%<br />
Vertragsstand<br />
Hydraulik Layout<br />
Schemata etc.<br />
Mainpiperouting<br />
Rohrführung<br />
Layout<br />
Aufstellorte<br />
Stationen<br />
Automatisierer<br />
Anforderungen f.<br />
Technologische<br />
Messgeräte erarbeiten<br />
MechDesign 100%<br />
Main Motor approval<br />
MechDesign 100%<br />
VVF Drives approval<br />
Kunde Hydraulik<br />
durchsprechen<br />
hinsichtlich Prozess<br />
Umfangreiche Gespräche<br />
zwischen SE, SM und<br />
Subsupplier f. technologische<br />
Messgeräte<br />
Drives<br />
Bestellung Main Motor<br />
Drives<br />
Bestellung VVF<br />
Drives<br />
MCL 60-80%<br />
Rev. 6<br />
+Motoren 100%<br />
– Wann betrachte ich welchen<br />
Viewpoint?<br />
Mechaniker<br />
„Detaillieren“<br />
Prüfen<br />
Hydraulik<br />
Rückmeldung<br />
Vollständigkeit<br />
Dimension Drawings<br />
100%<br />
Main;VVF; Fix Drives<br />
– Wann betrachte ich welche<br />
Abstraktionsebene<br />
WER<br />
plant?<br />
Durchbrüche Bau<br />
Fundamente Bau<br />
Hydraulik<br />
Komponenten<br />
bestellen<br />
EMF 70%<br />
Dimension 100%<br />
Drawings<br />
Technologische<br />
Messgeräte<br />
Automation<br />
HW Design<br />
listen<br />
Hydraulik<br />
Sensor MCL Stand<br />
Hydraulik überprüfen<br />
auf Konsistenz<br />
I/O List 90% EMF 95%<br />
Hydraulik<br />
Abnahme der Anlage,<br />
ohne techn. Prozess<br />
MCL 90%<br />
Rev 10<br />
+Sensoren 100%<br />
Mech. Integrator<br />
Plant Integrator<br />
Berücksichtigt<br />
Feedback<br />
Automation<br />
programmieren<br />
meldet unschärfen<br />
EMF 100%<br />
MCL 100%<br />
ext. Einflüsse<br />
Ext. Spec. 100%
Generierter Nutzen der<br />
methodischen Fundierung<br />
• Operative Anwendung der Modellierungsmethodik bei<br />
Systemintegratoren durch<br />
– Review existierender Modelle/Artefakte<br />
– Coaching ausgewählter Mitarbeiter<br />
– Best Practice Exchange<br />
• Strategische Weiterentwicklung der<br />
domänenspezifischen Engineering-Werkzeuge<br />
– Fokussierung auf Anwendungssicht<br />
– Vergleichbare, objektive Kriterien<br />
– 2 nd Opinion für strategische Roadmap
Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!<br />
… und weitere
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