OptiPlant

Kombinierte Optimierung und Virtuelle Inbetriebnahme von materialflussintensiven Produktionssystemen mit Multiskalen-Netzwerk-Modellen

Projektförderung

Hintergrund

Die zeitdeterministische Hardware-in-the-Loop-Simulation (HILS) von Maschinen in einem materialflussintensiven Produktionssystem, wie beispielsweise aus den Bereichen der Getränke- oder Verpackungstechnik (Sondermaschinenbau), ist vielversprechend: Die von Maschine zu Maschine individuelle Auslegung und Inbetriebnahme ist fehleranfällig und erfordert in vielen Fällen eine kosten- und zeitintensive Nachbesserung im Steuerungscode beim Kunden vor Ort. Bei der Eingliederung neuer Maschinen in bestehende Produktionssysteme entstehen kostenintensive Stillstände der vollständigen Anlage. Zusätzlich führt die zunehmende Forderung nach umfangreicheren und schnell wechselnden Produktionspaletten zu einer höheren Komplexität des Steuerungssystems. Im Bereich des Sondermaschinenbaus, in dem Maschinen speziell nach Kundenwunsch konstruiert und gefertigt werden, kann der Einsatz simulationsbasierter Methoden den Engineering-Prozess beschleunigen, Kosten senken und die Fehleranfälligkeit stark verringern. Ein Einsatz simulationsbasierter Methoden bei der Betrachtung der einzelnen Maschinen erfolgt allerdings heutzutage in diesem Bereich weder im Kontext der Anlage (Materialfluss) noch in Verbindung mit dem realen Steuerungssystem. Ziel ist es, die Erfahrungen, welche im Bereich der HILS von CNC-Maschinen für Leistungserbringungs-Tests und zur Steuerungsvalidierung gesammelt wurden, auf die Getränketechnik mit ihren speziellen Anforderungen zu übertragen.

Gesamtkonzept des Forschungsvorhabens „OptiPlant“ (c)
Gesamtkonzept des Forschungsvorhabens „OptiPlant“

Zielsetzung/Ergebnisse

Im Forschungsvorhaben soll eine der HILS vorgeschaltete mathematische Durchsatzoptimierung auf Basis des Flussmodells (virtuelle Durchsatzoptimierung) in Kombination mit einer Leistungserbringung im Rahmen der Virtuellen Inbetriebnahme am realen Steuerungssystem unter Einsatz des Multiskalen-Netzwerk-Modells (Echtzeit-Materialflusssimulation) entwickelt werden. Das Forschungsvorhaben erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen der Mathematik und der Ingenieurwissenschaft. Es sollen ingenieurswissenschaftliche Fragestellungen im Bereich der Virtuellen Inbetriebnahme von Materialflusssystemen mit innovativen Modellierungsansätzen aus der Mathematik an praxisrelevanten Simulationsszenen erforscht werden. Echtzeit-Materialflusssimulation Die Beschreibung von virtuellen Maschinen bei der HILS erfordert die Umsetzung von zeitdeterministischen und recheneffizienten Algorithmen. Derzeit gibt es kein Materialflussmodell, das eine zeitdeterministische Berechnung der Dynamik von Materialflüssen mit einer großen Anzahl bewegter Objekte (im Bereich der Getränketechnik ca. 20.000 – 50.000 Flaschen pro Stunde) garantiert. Der Einsatz eines Multiskalen-Netzwerk-Modells zur Simulation des Materialflusses im Rahmen einer HILS ist vielversprechend und neuartig. Dieses umfasst die Kopplung eines physikbasierten Materialflussmodells mit einem Flussmodell auf unterschiedlichen Modell-Skalen. Virtuelle Durchsatzoptimierung Darüber hinaus soll auf Basis des Flussmodells eine mathematische Durchsatzoptimierung des Transportsystems durchgeführt werden, um den optimalen betrieblichen Durchsatz zu finden. Durchsatzoptimierungen werden bislang nur entkoppelt von der Machbarkeit in der Realisierungsphase durchgeführt. Darüber hinaus finden sich hier meist nur ereignisdiskrete Materialflusssimulationen, die das Anlagenlayout nicht betrachten. Nach der mathematischen Optimierung kann das entstehende Layout im Rahmen einer virtuellen Inbetriebnahme mit einer Materialflusssimulation überprüft und die Steuerung validiert werden.

Durchsatzoptimierung (c)
Durchsatzoptimierung

Ihr Ansprechpartner

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M.Sc.

Annika Kienzlen

Wissenschaftliche Mitarbeiterin "Virtuelle Methoden in der Produktionstechnik"