INDUSTRIELLE AUTOMATION 6/2023

KOMPONENTEN UND SOFTWARE
Simulation der Mechanik – Detailstufen
PDE Toolbox
Simscape Multibody
Simulink 3D Animation
FEM-Simulation
Mehrkörper-Simulation
Large-Scale
3D-Simulation
Innenleben
eines Bauteils
Komponente mit
begrenzter Anzahl an
Bauteilen
Großes System
mit mehreren
Maschineneinheiten
01 Unterschiedliche
Detailtiefen führen zu
unterschiedlichem Rechenaufwand:
FEM-Modell (links),
Simscape-Modell (Mitte),
3D-Modell (rechts)
Physikalische Details
Anzahl an Bauteilen
Modelle auch nach der Fertigstellung einer Maschine nützlich.
Sie können etwa als digitale Zwillinge einer realen Anlage dienen
und anhand von Betriebsdaten frühzeitig mögliche Defekte und
Fehlfunktionen anzeigen. Auch lassen sie sich für kontinuierliche
Updates von Hardware und Software einsetzen. Die hier beschriebenen
Prozesse konzentrieren sich vor allem auf die Codegenerierung
und die zentrale Rolle, die ihr in künftigen Entwicklungs-Workflows
zukommt.
HARDWARE UND SOFTWARE PARALLEL
MODELLIEREN
Beim Aufbau von Modellen einer Anlage – der Regelstrecke –
kommt es darauf an, dass deren Fähigkeiten und Genauigkeit
sorgfältig gegeneinander abgewogen sind. Welcher Detaillierungsgrad
erforderlich ist, hängt weitgehend von der Art der Anlage
und der erforderlichen Regelstrategie ab. Je aufwändiger die
Simulation, desto länger dauert der Modellaufbau und desto
mehr Rechenleistung erfordert sie.
Ein praktischer Weg zum Aufbau von Modellen mit mittlerem
Detailniveau besteht in der Nutzung von 3D-CAD-Dateien. Modellierungswerkzeuge
wie Simscape können diese importieren.
Als Beispiel ist in Bild 01 in der Mitte ein Roboterarm dargestellt.
Seine importierten CAD-Baugruppen enthalten die vollständige
Geometrie sowie die Massen, Trägheiten und Gelenke des echten
Arms mit dessen Antrieben. Durch Kombination solcher Einzelmodelle
lassen sich vollständige Anlagen entwickeln und aufbauen,
deren Simulation das Verhalten zuverlässig wiedergibt.
Dazu ist keinerlei Steuerstrategie erforderlich.
Auch die Steuerungs- und Logik-Software lassen sich weitgehend
unabhängig von der Hardware entwickeln. Dazu werden
Projektbeginn
Projektbeginn
Traditioneller Design-Flow: sequenziell ohne virtuelle Inbetriebnahme
Planung Entwicklung Montage Inbetriebnahme
Parallelisierung durch virtuelle Inbetriebnahme
Planung Entwicklung Montage
Durchgängige Verifikation und virtuelle Inbetriebnahme
entweder vereinfachte Anlagenmodelle an sie angebunden oder
lediglich Signale erzeugt, die von der realen Anlage zu erwarten
sind. Je detaillierter Hardware- und Software-Modelle ausgearbeitet
sind, desto genauer bilden sie das Verhalten der fertigen
Maschine ab und können miteinander kombiniert werden.
Diese Entwicklungsphase nennt man Desktop-Simulation. In
ihr findet bereits ein Großteil der grundlegenden Hardware- und
Software-Tests sowie der Verifikation statt. Gleichzeitig stellt das
Zusammenführen von Hardware- und Software-Modellen die
erste Phase einer virtuellen Inbetriebnahme dar, wie in Bild 02 zu
sehen. Durch diese Parallelisierung der Entwicklung wird nicht
nur Zeit gespart (gestrichelte Pfeile), sondern es werden auch
mögliche Fehler früher entdeckt und direkt dort korrigiert, wo sie
entstehen. Die so aufgebauten Hardware- und Software-Modelle
stellen gemeinsam eine bereits weitgehend ausgereifte Maschine
dar, die nun gebaut werden kann.
CODEGENERIERUNG AUF KNOPFDRUCK
Eine jetzt noch zu nehmende Hürde im Entwicklungsprozess ist
die Übersetzung der Steuerungs- und Logik-Algorithmen in Programmcode.
Als Sprache dafür kommen beispielsweise C/C++,
HDL sowie Strukturierter Text und Kontaktpläne nach ICE 61131-3
in Frage. Die manuelle Übersetzung, Fehlerbereinigung und Optimierung
dieses Codes ist sowohl aufwändig als auch fehleranfällig.
Der große Vorteil von vorhandenen Simulationsmodellen besteht
darin, dass sich aus ihnen der Code praktisch auf Knopfdruck
generieren lässt. Durch Wahl der gewünschten Zielplattform
wird er automatisch an verschiedenste Entwicklungsumgebungen
(IDEs) der Steuerungshersteller angepasst. Welche Sprache
dabei eingesetzt wird, ist sekundär. Ein weiterer Vorteil der
automatischen Codegenerierung ist, dass
der Code für unterschiedliche Zielplattformen
erzeugt werden kann und somit
Produktionsstart ein Wechsel auf eine andere Plattform
leichter ist.
Diese Codegenerierung wird durch geeignete
Tools wie etwa den Simulink Coder
für C/C++ Code oder den PLC Coder gesteuert,
der die Codegenerierung für
Strukturierten Text und Kontaktpläne
nach IEC 61131-3 beherrscht. Dieser lässt
Produktionsstart
Inbetriebnahme
02 Vergleich der konventionellen
Entwicklung (oben) mit der Parallelisierung
durch Model-Based Design (unten)
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