Generierung des Digitalen Zwillings für den Sondermaschinenbau mit Losgröße 1

Abstract

Vom Maschinenbau erwartet der Markt kundenspezifische und kurzfristig lieferbare Maschinen und Anlagen in hoher Qualität bei zunehmender Komplexität, bedingt durch einen zunehmenden Automatisierungsgrad. In den letzten Jahren optimierten innovative Anlagenhersteller dafür ihren Entwicklungsprozess durch Softwaretools für die Projektierung und durch Generatoren für die weitgehend automatische Erstellung von anlagenspezifischer Software und Parameterlisten für die Automatisierungsgeräte. Obwohl die dabei genutzten einzelnen Softwarebausteine immer wieder verwendet werden und man diese weitgehend als fehlerfrei erwarten darf, ist die neue automatisch generierte Kombination dieser oft nicht fehlerfrei. Bis zum Einsatz der virtuellen Inbetriebnahme, welche die reale Steuerung an einem virtuellen Abbild der realen Maschine, der sog. „virtuellen Maschine“, betreibt und testet, konnten solche Fehler häufig erst bei der Inbetriebnahme der Anlage erkannt werden und waren dann aufwändig unter Zeitdruck zu korrigieren. Der Aufbau einer solchen virtuellen Maschine ist heute eine manuelle, zusätzliche und teure Aufgabe für Experten, obwohl doch die reale Maschine selbst samt Steuerungstechnik weitgehend automatisch im Engineeringprozess konfiguriert, parametriert und programmiert werden kann. Im Rahmen der Arbeit wird daher zunächst dargestellt, nach welchen Prinzipien sich Maschinen und Anlagen heute auf Basis eines Baukastens aus wiederverwendbaren mechatronischen Baugruppen erstellen lassen, um dann der Frage nachzugehen, wie sich die mechatronische Aufteilung in Baugruppen auf die virtuelle Maschine übertragen lässt. Durch die anschließende Überführung von mechatronischen Baugruppen in cyber-physische Systeme (CPS) wird eine 1:1-Beziehung zwischen realer und virtueller Baugruppe umgesetzt, was den im Maschinenbau eingeführten Engineeringprozess im Kern unverändert lässt, den zu verändern bereits frühere andere Ansätze in der Praxis hat scheitern lassen. Zudem entsteht durch die CPS-Sichtweise die Möglichkeit, kinematische Ketten und Querbeziehungen aus der virtuellen Maschine zu erkennen und so die Erstellung des Simulationsmodells erstmals ganzheitlich zu automatisieren.

The market expects customer-specific and quickly available machines and systems of high quality and increasing complexity from mechanical engineering, which is caused by an increasing degree of automation. In recent years, innovative plant manufacturers have optimized their development processes with software tools for commissioning and generators for the largely automatic creation of plant-specific software and parameter lists for automation devices. Although the individual software modules used for this are used again and again and can be expected to be largely error-free, the new automatically generated combination of these is often not error-free. Until the use of virtual commissioning, which operates and tests the real controller on a virtual image of the real machine, the so-called "virtual machine", such errors could often only be detected when the system was commissioned and then had to be corrected under time pressure. Today, setting up such a virtual machine is a manual, additional and expensive task for experts, even though the real machine itself, including the control technology, can be configured, parameterized and programmed largely automatically in the engineering process. In the context of this dissertation, the principles according to which machines and systems can today be created from reusable mechatronic modules on the basis of a modular system will therefore first be presented, in order to then investigate the question of how the mechatronic division into modules can be transferred to the virtual machine. Through the subsequent conversion of mechatronic assemblies into cyber-physical systems (CPS), a 1:1 relationship between the real and the virtual assembly is implemented, which leaves the engineering process introduced in mechanical engineering unchanged in its core, which has already failed in practice in other approaches to change. In addition, the CPS perspective makes it possible to recognize kinematic chains and cross-relationships from the virtual machine, thus automating the creation of the simulation model holistically for the first time.