NC-Programme effektiver erstellen - Digital Engineering Magazin

22 Simulation & Visualisierung System-SimulationModellierung technischer Systeme mit ModelicaEine offene Sprachevon Laurent BernardinRasch nimmt die Komplexität der Produkte in vielen Industriebereichen zu und stellt enorme Anforderungenan die Werkzeugkette in der Entwicklung. Dadurch steigt auch die Bedeutung der Modellierung auf Systemebenebei der Entwicklung technischer Geräte und Anlagen. Modelica ist eine offene Modellierungssprache,die zu einem Standard heranwächst und technischen Unternehmen gerade durch ihre Offenheit zahlreicheVorteile bietet.Mittels der Modellierung auf Systemebenelassen sich alle Systemkomponentenzusammen in einerUmgebung simulieren. Es gilt, komplexeund häufig widersprüchliche Anforderungen(Motorleistung und Emissionen,thermische Anforderungen an Batterienund Energiebedarf des Kühlsystems) sowieweitere Einschränkungen (Herstellungskostenund behördliche Vorschriften)in Einklang zu bringen. Mit ihrerHilfe werden die Anforderungen erfüllt,Terminvorgaben besser eingehalten undKosten reduziert.Eine offene Modellierungssprache, dieauf dem Weg zu einem Standard in derSimulation auf Systemebene ist, ist Modelica.Auf Modelica basierende Produktesind in vielen Teilen Europas bereits weitverbreitet und auch in Japan und Nordamerikaschreitet der Einsatz weiter voran.Um Modelica herum entwickelt sichein leistungsfähiges Ökosystem, in demzahlreiche Anbieter von EntwicklungswerkzeugenSoftware bereitstellen, diebeim Erstellen der Modelle hilft.Vom Ansatz her ist Modelica eine Modellierungssprachemit einer Bibliothekvon Standardkomponenten, die vieleBild 2: Gleichungen der gleitenden Masse desdoppelten Masse-Feder-Dämpfer-Systems.technische Bereiche wie Elektrik, Mechanik,Thermik und Fluidik abdeckt.Sprache und Standardbibliothek werdenunter der Federführung der ModelicaAssociation (www.modelica.org) inähnlicher Weise entwickelt wie bei derSchirmherrschaft der IEEE über den älterenVHDL-AMS-Standard, der mit Modelicaviele seiner Ziele teilt.Bild 1: Modelica-Diagramm einesdoppelten Masse-Feder-Dämpfer-Systems.Wachsendes ÖkosystemDie Anbieter haben kostenlose und kommerzielleBauteilebibliotheken entwickelt,um die Auswahl der Komponentender Standardbibliothek zu erweitern.Auch der Bereich Consulting und Schulungist im Angebot. Kurz, das Netzwerkzur Unterstützung von Modelica hat eineReife erreicht, bei der die Übernahme infortschrittliche Entwicklungs- und Produktionsprozessefür viele Unternehmeneine realistische Option darstellt.Durch die Nutzung von Modelica werdentechnische Unternehmen ein Teil dieseswachsenden Ökosystems, in dem sichtechnische Modelle einfach austauschenlassen und ohne dabei an ein bestimmtesWerkzeug oder einen Anbieter gebundenzu sein.Die verbreitetste Art, mit Modelica zuarbeiten, besteht darin, ein Werkzeug zubenutzen, mit dem sich ein Modell grafischerstellen lässt: Die einzelnen Komponentenkönnen aus einer Bibliothekausgewählt, konfiguriert und miteinanderverbunden werden.Bild 1 zeigt ein doppeltes Masse-Feder-Dämpfersystem: Von links nach rechts istzunächst ein Eingangssignal dargestellt,das einen Antrieb steuert, der auf zweigleitende Massen wirkt, die ihrerseits mitFeder-Dämpfer-Komponenten verbundensind. Der letzte Feder-Dämpfer ist miteinem festen Referenzrahmen verbunden.Jede einzelne Komponente enthält dynamischeGleichungen, die ihr Verhalten beschreiben(Bild 2).Es ist wichtig, festzuhalten, dass dieGleichungen und damit die Komponentekeine Annahmen dazu enthalten, wie siemit den umgebenden Komponenten verbundensind. Insbesondere gibt es keineAnnahmen dazu, in welchen Richtungendie Kräfte an den beiden Enden der Massewirksam werden. Dies ist der Grund, weswegenModelica – im Gegensatz zu kausalenSystemen wie Simulink, bei denendie Bewegungsrichtung ausdrücklich modelliertwerden muss – als eine akausaleModellierungssprache bezeichnet wird.Die akausale Modellierung hat erheblicheVorteile: Untersysteme lassen sich inanderen Zusammenhängen leichter wiederverwendenund die Diagramme derModelle sind weniger komplex als entsprechendekausale Modelle. Sie benö-7/2013