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https://www.xing.com/companies/kukasystemsgmbh

http://de.wikipedia.org/wiki/KUKA_Systems

Virtuelle Inbetriebnahme

Die digitale Fabrik

Die Digitale Fabrik wird in der VDI-Richtlinie 4499 (an deren Erarbeitung war auch KUKA beteiligt) definiert als ein „[…] Oberbegriff für ein umfassendes Netzwerk von digitalen Modellen und Methoden unter anderem der Simulation und 3D-Visualisierung. Ihr Zweck ist die ganzheitliche Planung, Realisierung, Steuerung und laufende Verbesserung aller wesentlichen Fabrikprozesse und -ressourcen in Verbindung mit dem Produkt.“
Wesentliche Inhalte der Digitalen Fabrik sind somit die Bereitstellung von Modellen der Produkte und Anlagen sowie die Integration all dieser Modelle zu einer durchgängigen Prozesskette. Hier hat KUKA die Weichen frühzeitig richtig gestellt durch die dreidimensionale Konstruktion und Simulation der Anlagen, in der die erforderlichen 3D-Daten und Modelle generiert werden. Die Integration dieser Daten efolgt heute in einem durchgängigen PLM-Workflow, unterstützt durch Lösungen wie unser PLM-System, unsere Schweißdatenverwaltung oder unsere globale Plattform zum Datenaustausch, die über den KUKA-InfoBus zu einem neutralen Datenmodell integriert sind.
Bis hier geht es um die durchgängige Verwaltung und Bereitstellung der für den Anlagenbau erforderlichen Informationen und um die Steuerung des zugehörigen Informationsflusses. Ein weiterer wichtiger Ansatz ist die Nutzung dieser Informationen zur Vorverlegung der realen Inbetriebnahme in die digitale Modellwelt. Genau mit diesem Aspekt der Digitalen Fabrik befasst sich die Virtuelle Inbetriebnahme.

Hybride Inbetriebnahme

Der Anlagenbau im Automobilumfeld ist mehr und mehr geprägt durch modell- und nachfolgerflexible Anlagen, um kurzfristig auf neue Marktanforderungen reagieren und möglichst viele Derivate eines Fahrzeugtyps auf einer Anlage fertigen zu können. Um die Stillstandszeiten und damit den Produktionsausfall durch Umbauten solcher Anlagen zu reduzieren, verkürzen sich entsprechend auch die Umbauzeiträume. Die hohe Komplexität solcher Anlagen bei gleichzeitig reduzierter Montage- und Inbetriebnahmezeit erfordert den Einsatz neuer Technologien zur Verlagerung eines Teils der Inbetriebnahme in den digitalen Planungsprozess. Hier setzt die virtuelle Inbetriebnahme an. Sie kombiniert die reale SPS mit dem digitalen Modell der Anlage, um die Steuerungsprogramme in der virtuellen Anlage testen zu können. KUKA Systems geht hier noch einen Schritt weiter, indem zusätzlich noch die reale Robotersteuerung sowie das reale Bussystem (Safety Bus) betrachtet werden. Nur so können wirklich realistische Inbetriebnahmebedingungen sichergestellt werden. Wir sprechen hier von der Hybriden Inbetriebnahme, da reale und digitale Komponenten zu einem System integriert sind. Abbildung 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Arbeitsplatzes zur Hybriden Inbetriebnahme von Roboterzellen im Karosserierohbau (oben) und die Realisierung auf Basis des Simulationssystems Delmia Automation (unten). Bei der Realisierung legen wir großen Wert darauf, mit den Standardsystemen unserer Kunden und damit auch unseres eigenen Entwicklungsprozesses zu arbeiten, um hier für zukünftige Kundenprojekte kompatibel zu sein.

Abb.1: Aufbau eines Arbeitsplatzes zur Hybriden Inbetriebnahme von Roboterzellen

Vorteile bzw. Nutzen der Hybriden Inbetriebnahme

Da die Hybride Inbetriebnahme erst bei der Erstellung der SPS- und Roboterprogramme und damit erst sehr spät im Planungs- und Entwicklungsgprozess zum Einsatz kommt, kann das grundlegende Konzept der Anlage sowie der eingesetzten Fertigungsverfahren nicht mehr beeinflusst werden. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel einer solchen Anlage. Dennoch ergeben sich eine Reihe von Nutzenpotentialen insbesondere im Hinblick auf die Qualität der Programmentwicklung und der realen Inbetriebnahme selbst. Im Einzelnen sind dies:

Die reine digitale Absicherung ist heute ein Standardprozess in der Konstruktion von Roboterzellen. Die Untersuchung des Zusammenspiels mehrerer Roboter und der übergeordneten Anlagensteuerung ist heute in der digitalen Welt noch schwierig. Es gibt häufig den Fall, dass Roboter sehr dicht gepackt stehen und sich dann gegenseitig behindern, das bemerkt man häufig erst auf der Baustelle. Dann sind Änderungen aber zeit- und kostenintensiv. Der Einsatz der Hybriden Inbetriebnahme soll hier deutliche Verbesserungen bringen.
In diesem Zusammenhang spielt auch die frühzeitige Absicherung der SPS- und Roboterprogramme, inbesondere bei der Integration von Änderungen in laufende Anlagen, eine wichtige Rolle.
Auch die Integration neuer Komponenten und deren Zusammenspiel mit der bestehenden Anlage sollen im virtuellen System überprüft und optimiert werden. Dann soll anschließend die reale Anlage nur noch kurz angehalten werden, so dass der Stückzahlverlust minimiert werden kann.
Ein weiteres Thema ist die Taktung der Anlagen. Die Taktung soll schon am virtuellen Abbild der Anlage festgestellt und optimiert werden können.

Um diese Nutzenpotentiale heben zu können und die Übertragbarkeit der Simulationsergebnisse auf die Realität sicherstellen zu können, muss zum einen das mechatronische Anlagenmodell die Realität so genau widergeben, dass für Bussystem, SPS und Robotersteuerung kein Unterschied zwischen Modell und Realität besteht. Dazu gehört auch der permanente Abgleich des digitalen Modells mit dem realen Aufbau der Anlage. Zum anderen müssen bei der Hybriden Inbetriebnahme die realen Steuerungs- und Roboterprogramme verwendet werden können.

Abb. 2: Der Nutzen der Hybriden Inbetriebnahme wird in der Planung hochflexibler Anlagen erwartet

Abb. 3: Im Rahmen der Hybriden Inbetriebnahme realisierte Testszenarien

Status und Ausblick

Zur Zeit werden die Simulationssysteme Delmia Automation (Dassault Système) und Process Simulate Commissioning (Siemens PLM Software) detaillierten Tests unterzogen. Diese Systeme haben ihren Ursprung in der Erstellung der digitalen Produkt- und Anlagenmodelle und weniger im Entwurf der zugehörigen Automatisierungstechnik.
Daher besteht heute zum einen ein noch erheblicher Aufwand in der Anreicherung der Anlagenmodelle um die zugehörigen automatisierungstechnischen Verhaltensmodelle (mechatronische Modelle). Ohne entsprechend mächtige Bibliotheken mechatronischer Komponenten ist ein wirtschaftlicher Einsatz nur in komplexen Szenarien denkbar, in denen das Fehlerrisiko höher zu bewerten ist als der Mehraufwand in der Modellerstellung. Im Rahmen des vom BMBF geförderten Forschungsprojektes AVILUS wird in einem Teilprojekt genau dieser Aufgabenstellung Rechnung getragen. Hier soll ein erster Ansatz für eine neutrale Repräsentation mechatronischer Komponenten entstehen.
Zum anderen gibt es aktuell noch erhebliche Einschränkungen bezüglich der Realzeitfähigkeit (speziell in der Graphik und in der Logikabarbeitung) des virtuellen Maschinenablaufs. Hier setzt KUKA auf ein virtuelles Zeitmanagement, das in einer Art Zeitlupe die Performance-Probleme egalisieren und damit das Echtzeitproblem relativieren soll.
Zur Lösung dieser Aufgabenstellungen und damit zur Etablierung der Hybriden Inbetriebnahme im praktischen Einsatz werden bei KUKA sowohl im Rahmen interner als auch geförderter Forschungsprojekte weitere Anstrengungen unternommen.
Abbildung 3 zeigt bei KUKA Systems bisher realisierte Testszenarien.