CoSBE

Entwicklung einer durchgängigen simulationsbasierten Entwicklungsplattform

Projektförderung

Hintergrund

Unterschiedlichste spezialisierte Simulationsmethoden und -werkzeuge werden bereits heute in allen Entwicklungsphasen von Komponenten, Maschinen und Anlagen eingesetzt. Von der Angebots- und Konzeptphase über die mechanische, elektronische und Software-Konstruktionsphase bis hin zur virtuellen Inbetriebnahme unterstützen Simulationen bei der Auslegung, virtuellen Prüfung und Absicherung. Die Virtuelle Inbetriebnahme (VIBN) unterteilt sich dabei in unterschiedliche Phasen, welche durch drei spezialisierte Simulationsmethoden unterstützt werden:

  • Model in the Loop (MIL): Model in the Loop (MIL) Simulation beschreibt den entwicklungsbegleitenden Test von prototypisch implementierten Steuerungsalgorithmen. MIL Simulationen werden daher bereits früh in der Entwicklung genutzt. Die Algorithmen werden nicht in einer der klassischen Steuerungssprachen (z. B. DIN-EN-61131-3-Sprachen) implementiert, sondern werden in einer Modellsprache, beispielsweise auf Basis von Automaten, entwickelt. Meist werden dabei grafisch orientierte Simulationswerkzeuge eingesetzt. Oftmals reichen bereits sehr einfache Anlagenmodelle, durch die Übergangs-bedingungen an den Automaten ausgelöst werden.
  • Software in the Loop (SIL): In einer Weiterentwicklung, der Software in the Loop (SIL) Simulation, wird die Kommunikation des Systems mit einer virtuellen Steuerung simuliert. Vorteil von SIL ist, dass die Zielhardware (Steuerung) noch nicht endgültig spezifiziert und nicht real zur Verfügung stehen muss. Darüber hinaus können aufgrund der virtuellen Zeitachse rechenintensive Prozess- und Maschinenmodelle in das Gesamtmodell integriert werden.
  • Hardware in the Loop (HIL): Hardware in the Loop (HIL) Simulation beschreibt eine weitergehende Teststufe, bei der der reale Zielsteuerungscode auf einer realen Steuerung gegen ein simuliertes Anlagenmodell getestet wird. HIL wird daher überwiegend für die virtuelle Inbetriebnahme mit dem Ziel eingesetzt, das fertige Steuerungs-programm im Zusammenspiel mit der im Projekt verwendeten Steuerungshardware zu prüfen. Analog zu MIL und SIL wird die Anlage in einem Simulationswerkzeug modelliert.

Problemstellung

In der Praxis kommen die dargestellten simulationsbasierten Lösungen nur isoliert in der entsprechenden Entwicklungsphase zum Einsatz. Übergange zwischen den Entwicklungsprozessspezifischen Simulationsmethoden/-modellen sind derzeit nicht möglich. Das gravierende Problem stellt die Überführung vorhandener Simulationsmodelle und Steuerungsfunktionen in andere, vor- oder nachgeschaltete, digitale Entwicklungsphasen dar. Nur wenige ausgewählte Informationen werden von einem Entwicklungsschritt an den nächsten nutzbar weitergegeben. In späteren Schritten müssen vernachlässigte Informationen aus vorherigen Entwicklungsschritten dann mühsam und zeitaufwendig reproduziert werden. Der aktuell praktizierte Ablauf stellt somit einen isolierten, sequenziellen und unidirektionalen Prozess dar. Aufgrund der zeitaufwendigen Simulationsmodellerstellung fehlt diesem isolierten Ansatz im Maschinen- und Anlagenbau, trotz dem steigenden Bedarf simulationsbasierter Lösungen im Entwicklungsprozess, an Akzeptanz und Umsetzbarkeit.

Zielsetzung/Ergebnisse

Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer durchgängigen simulationsbasierten Entwicklungsplattform (CoSBE, engl. „Continuous Simulation Based Engineering platform“, vgl. Abbildung 1). Diese ermöglicht durch ein durchgängiges, mitwachsendes und skalierbares Simulationsmodell, einen „Digitalen Zwilling“ der realen Maschine/Anlage während des gesamten Entwicklungsprozesses zur Verfügung zu stellen. Somit werden erstmals alle Informationen aller Simulationsmodelle in der passenden Ausprägung, Modellgenauigkeit und Modelltiefe untereinander berücksichtigt.

Weiter wird durch Adaption des mechatronischen Maschinenbaus auf die Simulationsmodelle der Entwicklungsprozess von einem unidirektionalen in einen intelligenten, bidirektionalen Prozess transformiert. Virtuelle Komponenten und virtuelle Baugruppen werden entsprechend den real verfügbaren Komponenten und Baugruppen (dem Produktkatalog der Hersteller) hinterlegt. Die Realisierung erfolgt als Simulationswerkzeug-offenes System. Durch das Einbinden der Komponentenhersteller in die Modellierung der Simulationsmodelle (MIL, SIL und HIL-Simulationen) wird erstmals eine realistische Simulation von Komponenten, Maschinen und Anlagen, d. h. das modellierte Verhalten entspricht dem realen Verhalten, ermöglicht.

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Abbildung 1: Geplante durchgängige simulationsbasierte Entwicklungsplattform zur Erstellung eines neuartigen „Digitalen Zwillings“, welcher den simulationsgestützten Entwicklungsprozess durch erstmals automatisiert generierte MIL-, SIL- und realitätsnahe HIL-Simulationen unterstützt.

Ihr Ansprechpartner

Dieses Bild zeigt Tinsel
M.Sc.

Erik-Felix Tinsel

Wissenschaftlicher Mitarbeiter "Virtuelle Methoden in der Produktionstechnik"

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