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Industrielle Automation 2/2015

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Industrielle Automation 2/2015

KOMPONENTEN UND SOFTWARE

KOMPONENTEN UND SOFTWARE Milch virtuell abfüllen Hardware-in-the-Loop (HIL)-Simulationen für den Test von Anlagensteuerungen Mauro Gargiulo, Roberto Borsari, Georg Wünsch Um Stillstandzeiten von Anlagen kontinuierlich zu reduzieren, wird eine intelligente Anlagen steuerungssoftware ein - gesetzt. Jedoch ist ihre Entwicklung und Erprobung nicht nur zeitaufwändig, sondern auch teuer. Diesem Problem wirkt eine Simulationsumgebung für die virtuelle Inbetriebnahme von Getränkeabfüllanlagen entgegen und steigert dabei gleichzeitig die Effizienz. In Zeiten veränderter Marktbedingungen sieht sich die Lebensmittelindustrie mit neuen Herausforderungen konfrontiert. Steigender Kostendruck und intensivierter Wettbewerb verpflichten Unternehmen, Abläufe zu optimieren und Time-to-Market- Intervalle zu verkürzen. Tetra Pak widmet sich u. a. mit dieser Prämisse der Entwicklung der Simulationsumgebung Tetra Pak Simulation Environment (TSE) für die virtuelle Erprobung von Getränkeabfüllanlagen. Als Anbieter von Verarbeitungs- und Verpackungssystemen für Getränkeprodukte machte sich das Unternehmen vor allem mit Milchkartons weltweit einen Namen. Herausforderungen frühzeitig annehmen Mit TSE verfolgt Tetra Pak zwei primäre Ziele. Einerseits unterstützt eine derartige Simulationsumgebung die Entwicklung der Anlagensteuerungssoftware von Getränke- Mauro Gargiulo, Leiter Systems Engineering für Verpackungsmaterial, Tetra Pak Packaging Solutions AB in Lund, Schweden; Roberto Borsari, Forming & Virtual Verification, Tetra Pak Packing Solutions in Modena, Italien; Georg Wünsch, Leiter Entwicklung, machineering GmbH & Co. KG in München abfüllanlagen. So kann das TSE neue Konzepte bereits vor dem Prototyp-Status simulieren und evaluieren sowie entwicklereigene Codes virtuell testen und optimieren. Andererseits sollen mit dem TSE Hardwarein-the-Loop (HIL)-Simulationen der speicher programmierbaren Steuerung (SPS) mitsamt der auf ihr installierten Anlagensteuerungssoftware möglich sein. Der Trend hin zu HIL-Tests zeichnet sich seit einiger Zeit vor allem in der deutschen und italienischen Verpackungsindustrie ab, weil eine virtuelle Inbetriebnahme der Anlagen Testautomatisierung und Regressionstests erlaubt. Diese stellen sicher, dass die Software später unter realen Bedingungen verlässlich funktioniert. Für den Anwender ergeben sich daraus entscheidende Vorteile. Zum einen verringert sich die kosten- und zeitintensive Montage von echten Anlagen als Prototyp erheblich, da die Arbeitsumgebung des Steuergerätes virtuell simuliert wird. Zum anderen besteht kein Zerstörungsrisiko, wie es bspw. beim Testen der Not-Aus-Funktion realer Maschinen der Fall wäre. Schließlich entstehen weniger Kosten für Füll- und Arbeitsmaterial. Individuell wählbare Addons sorgen für eine große Variantenvielfalt der Anlagen. Entsprechend entpuppt sich der Testaufwand im Vorfeld der obligatorischen oder optionalen Software-Updates als sehr umfangreich. Auch hier helfen HIL- Simulationen, Probleme frühzeitig zu identifizieren. Ähnlich wichtig sind Softwaretests, wenn Kunden neue Komponenten in bereits bestehende Anlagen integrieren möchten. Methodische HIL- und Modellierungskompetenz Auf der Suche nach dem optimalen Projektpartner bewertete Tetra Pak das Leistungsportfolio verschiedener Anbieter von HIL- Verfahren und Automatisierungslösungen sowie von Maschinenherstellern. Schnell kristallisierte sich heraus, dass die ambitionierte Vision des Unternehmens nicht mit bereits am Markt erhältlichen Lösungen realisiert werden konnte, sondern Schritt für Schritt neu aufgebaut werden musste. Nicht zuletzt deshalb wurde besonderer Wert auf fundierte ingenieurstechnische Unterstützung über das gewöhnliche Standardprodukt hinaus gesetzt. Dank des methodischen HIL- und Model - lierungs-Know-hows fiel die Entscheidung zugunsten von Dspace. Beinahe die gesamte für das Projekt benötigte HIL-Werkzeugkette findet sich im Produktportfolio des Anbieters von Hard- und Software-Lösungen wieder; zum Beispiel mit ControlDesk Next Generation, Real-Time Interface für Multiprozessorsysteme oder mit der Testautomatisierungssoftware AutomationDesk. Auch starke und skalierbare Hardware für Multiprozessorstrukturen ist verfügbar. Zudem kommen die branchenübergreifenden Erfahrungen zugute, die das Paderborner Unternehmen über viele Jahre in den Bereichen Automotive, Aerospace, Robotics und E-Drives sammeln konnte. Ebenfalls wichtig für die Vergabe des Projekts war die räumliche Nähe, die eine enge Kooperation im Entwicklungsprozess fördert. Visualisierung und Simulation Für realistische Simulationsszenarien nach den Vorstellungen von Tetra Pak verwendet das TSE den HIL-Simulator des Paderborner Spezialisten mit zwei Prozessorboards, analogen und digitalen Ein- und Ausgangsboards sowie einer Failure Insertion Unit. Darüber hinaus setzt sich die Simulationsumgebung aus dem Host-PC, dem System zur virtuellen Anlagensimulation in 3-D 40 INDUSTRIELLE AUTOMATION 2/2015

escha.net 01 Tetra Pak Getränkeabfüllanlage: Wenn der erste Prototyp steht, hat seine Anlagensteuerung bereits eine Reihe virtueller Tests erfolgreich gemeistert (Virtual Plant Simulation System, VPSS) sowie der sogenannten Kontrollumgebung mit der zu validierenden speicherprogrammierbaren Steuerung und der Bedienoberfläche der Anlage (Human Machine Interface, HMI) zusammen. Im Testfall ersetzen die Simulationswerkzeuge von Dspace und industrial Physics (Werkzeug der Firma machineering) die reale Anlage. Während sich letzteres beispielsweise für die 3-D-Berechnung und Visualisierung der virtuellen Maschine, den Paketfluss und die Transportbänder verantwortlich zeigt, lassen sich die Werkzeuge unter anderem für die Simulation von Thermodynamik und Fluidmechanik einsetzen. Ist harte Echtzeit in kleinen Simulationsschrittweiten gefordert, etwa zur Simulation von Füllprozessen oder zur Anwendung in Motion-Control-Aufgaben, führt kein Weg an den Werkzeugen des Paderborner Unternehmens vorbei. Zusammenfassung Die Simulationsumgebung Tetra Pak Simulation Environment unterstützt effektiv und lange vor dem Aufbau des ersten Prototyps den Entwicklungsprozess der Steuerungssoftware von Getränkeabfüllanlagen. Als Kernstück des Systems ermöglicht der Hardware-in-the-Loop (HIL)-Simulator verlässliche Tests der SPS unter realen Prüfbedingungen und trägt dazu bei, die Effizienz der Anlage nachhaltig zu steigern. www.dspace.de Bauraumoptimiert I/O-Verteiler Ø8mm snap 4-, 10-fach | 3-, 4-polig Anschluss: Festkabel | M12x1 IP67 kompakte Bauform variable Befestigungsmöglichkeiten 02 Mithilfe physikalischer Berechnungen durch das Simulationswerkzeug industrialPhysics entsteht die Anlage virtuell auf dem Bildschirm

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