Virtuelle Inbetriebnahme bei einer Exzenterpresse

Die Komplexität von Maschinen und Anlagen erhöht sich. Dazu kommt: Um langfristig wettbewerbsfähig zu bleiben, ist es notwendig, die Time-to-Market und somit die Entwicklungszeiten zu reduzieren. Die Verwendung modellbasierter Entwicklungsmethoden ist dafür ein Ansatz. Dabei wird der gesamte Entwicklungsprozess von der Anforderungsdefinition bis in die Phase des Betriebs durch Modelle begleitet und unterstützt.

Ein zentraler Baustein hierfür ist die Hardware-in-the-Loop-Simulation (HiL-Simulation). Dabei werden die reale Steuerungshardware sowie die zugehörigen Regelungsalgorithmen mit dem virtuellen Abbild der Maschine verknüpft. So lassen sich während der Maschinenauslegung die später verwendeten Regelungsalgorithmen einbeziehen. Die Maschinenqualität lässt sich damit deutlich verbessern, da Hardware und Software ideal aufeinander abgestimmt sind. Weiterhin ermöglicht die HiL-Simulation die Durchführung einer virtuellen Inbetriebnahme. Damit beginnt die Erprobung der Steuerungsapplikation, bevor die Anlage aufgebaut ist. Zudem werden sicherheitskritische Zustände überprüft, die in der Realität Sach- und Personenschäden zur Folge haben könnten.

Bei der Durchführung einer HiL-Simulation sind einige technologische Aspekte zu berücksichtigen: Da die Steuerungsapplikation auf der realen Steuerungshardware in Echtzeit ausgeführt wird, die Simulation der Regelstrecke in der Regel jedoch nur langsamer als in Echtzeit möglich ist, stellt die Synchronisierung zwischen Steuerungshardware und Simulation eine Herausforderung dar. Grundsätzlich stehen dafür zwei Möglichkeiten zur Verfügung: die Ausführung der HiL-Simulation in Echtzeit oder das gezielte Angleichen der Ausführung der Steuerungsapplikation an die Simulationsgeschwindigkeit.

In der Praxis wird zumeist die erstgenannte Option verwendet. Diese Vorgehensweise besitzt jedoch einen gravierenden Nachteil: Um das dynamische Verhalten der Maschine möglichst genau untersuchen zu können, wird ein detailgetreues Modell der Anlage benötigt. Diese Modelle können nicht ohne eine aufwendige Vereinfachung – und damit einhergehend eine Reduktion der Modellgüte – auf der Echtzeithardware ausgeführt werden.

Vorteilhafter ist die unmittelbare Verwendung des bereits vorhandenen komplexen Simulationsmodells der Maschine. Daher hat Bosch Rexroth für die Embedded-Steuerung XM auf Basis des Opencore-Interfaces Firmwarefunktionen entwickelt, die es ermöglichen, den internen Steuerungstakt extern vorzugeben. So wird die Steuerungsgeschwindigkeit an den Ablauf der Simulation angepasst. Für die Bedienung der virtuellen Inbetriebnahme in der Simulation stehen innerhalb der Modelica-Bibliothek MLPI4Modelica Kopplungskomponenten bereit, die Funktionen zum Verbindungsaufbau zwischen Steuerung und Simulationsumgebung, zum Datenaustausch sowie zur Wahrung der Synchronisierung gekapselt beinhalten. Durch diese kostenlos verfügbare Bibliothek werden in vielen Simulationstools einfach HiL-Simulationen aufgebaut. Dazu sind Modellkomponenten notwendig, deren Verwendung sich am nachfolgenden Beispiel demonstrieren lässt.

Der Aufbau einer HiL-Kopplung lässt sich am Beispiel an einer hydraulischen Exzenterpresse in SimulationX von ESI ITI zeigen. Das Pressenmodell ist in vier Subsysteme gegliedert: Mechanik, Hydraulik, Interface zur Steuerung und elektrischer Hauptantrieb der Hydraulikpumpe.

Im mechanischen Subsystem werden die Exzenterkinematik, die bewegten Massen sowie die auftretenden Kräfte des Umformprozesses betrachtet. Beim hydraulischen Subsystem handelt es sich um einen geschlossenen hydraulischen Kreislauf. Ein Radialkolbenmotor, der mit der Exzenterkinematik verbunden ist, wird über eine im Fördervolumen verstellbare Axialkolbenpumpe mit Öl versorgt. Die Pumpe wird per Asynchronmotor mit konstanter Drehzahl betrieben. Der Verstellwinkel der Pumpe steuert die Position des Radialkolbenmotors und damit des Pressenpleuels. Zudem sind im Hydraulik-Subsystem Speiseeinheit und Überdruckabsicherung notwendig. Im dritten Subsystem wurde der sonst im Modell übliche Regelungsalgorithmus durch ein Interface zur Steuerung ersetzt. In diesen Komponenten werden die Modellvariablen den entsprechenden Steuerungsparametern zugeordnet und die Austauschschrittweite mit der Steuerung konfiguriert.

In diesem Beispiel für die virtuelle Inbetriebnahme werden die Regelungsalgorithmen auf der realen Steuerungshardware ausgeführt, während das Verhalten der Anlage in Abhängigkeit von den Stellgrößen der Steuerungsapplikation innerhalb der nicht echtzeitfähigen Simulationsumgebung auf einem Standard-PC berechnet wird. Durch die vorgefertigten Komponenten innerhalb der MLPI4Modelica-Bibliothek wird die Offline-Simulation um die Steuerungsintegration erweitert. Durch die virtuelle Inbetriebnahme ist es nun möglich, Auswirkungen von Änderungen innerhalb der Steuerungsapplikation zu untersuchen, verbunden mit dem Ziel, die optimale Parametrierung des Reglers zu bestimmen.

Die nötigen Funktionen sind standardmäßig Teil der verwendeten Embedded Steuerung XM von Bosch Rexroth, so dass keine steuerungsseitigen Modifikationen notwendig sind. Durch diese Methodik der nicht echtzeitfähigen virtuellen Inbetriebnahme wird ein beliebig komplexes Simulationsmodell der Anlage so mit der Steuerungshardware gekoppelt, dass die HiL-Simulation konsistent und deterministisch abläuft. Das steigert die Güte der virtuellen Inbetriebnahme und es entfällt der Aufwand, das Modell für die Ausführung auf einer speziellen Echtzeithardware anzupassen. Die HiL-Simulation kann innerhalb derselben Umgebung durchgeführt werden wie die reine Offline-Simulation. do