Hubrettungsfahzeuge, Bild: Stock Adobe

Hubrettungsfahzeuge (mit oder ohne Leiter) verwendet die Feuerwehr, um Menschen zu retten und größere Brände zu bekämpfen. - Bild: mhp - stock.adobe.com

Der Baumaschinenhersteller XCMG investierte kürzlich strategisch in digitale Zwillinge und virtuelle Inbetriebnahme-Technologien. Diese ermöglichen es dem Unternehmen, seine neuen Maschinen anhand genauer virtueller Modelle zu entwerfen, zu validieren und zu verbessern. Mit den virtuellen Modellen iteriert das Entwicklerteam die Designs nun schneller als mit den bisher genutzten, physischen Methoden. Außerdem verringern sie Reise- und Engineering-Kosten vor Ort.

Im europäische Forschungszentrum des Herstellers arbeitet ein Team daran, die virtuelle Inbetriebnahme zu implementieren. Bei diesem Projekt ging es um die neue Hubarbeitsbühne für das Feuerwehrfahrzeug DG54m1 8X4 54m. Bei der Weiterentwicklung von mobilen Maschinen besteht eine große Herausforderung in der Steuerung von Hard- und Software: Diese Steuerung ist es, die eine präzise Zusammenarbeit aller Teilsysteme ermöglicht. Das Team wollte das Testen der Software für die elektronische Steuereinheit (ECU) so früh wie möglich im Entwicklungsprozess durchführen, um die erforderlichen Tests an der physischen Maschine zu reduzieren. Dafür benötigte das Unternehmen ein physikbasiertes Modell der Hubarbeitsbühne. Diese Modelle werden auch als digitale Zwillinge bezeichnet. Mit ihnen werden die verschiedenen Steuergeräte getestet. Die Steuergeräte wurden bereits in einer frühen Entwicklungsphase als Softwarecode getestet oder später in der Entwicklung, wenn die Software auf den Hardware-Steuergeräten in­stalliert war.

Aufbau des digitalen Zwillings

Der Hersteller verwendete Maplesim. Dieses physikbasierte Tool zur Erstellung von digitalen Zwillingen kombiniert Konstruktionselemente verschiedener ingenieurstechnischer Bereiche (Domänen) miteinander. Das Programm des Anbieters Maplesoft bietet eine Drag-and-Drop-Modellierungsumgebung für die Erstellung dynamischer Maschinenmodelle, sodass die Ingenieure und Ingenieurinnen zunächst ihre CAD-Modelle importieren. Innerhalb der Software werden die digitalen Zwillinge dann so erstellt, dass sie die Effekte aus mehreren Domänen enthalten – mechanische, hydraulische, thermische, elektrische und so weiter.

Der Baumaschinenhersteller importierte seine CAD-Modelle und erstellte ein 3D-Mehrkörper-Maschinenmodell. Zusätzliche Modellkomponenten fügte er nach dem CAD-Import hinzu, darunter Gelenke, Schieber, Zylinder, Verbindungen und mehr. In diesem Stadium der Konstruktion visualisierte das Entwicklungsteam die 3D-Simulationen der Mehrkörperdynamik seiner Hubarbeitsbühne und führte alle notwendigen Konstruktionsiterationen durch.

virtuelle Testplattform, Bild: Stock Adobe
Der Einsatz der virtuellen Testplattform reduziert die Komplexität der physischen Inbetriebnahmephase. - Bild: Wellhofer Designs - stock.adobe.com

Um die gesamte virtuelle Testplattform einzurichten, verwendete das Unternehmen den FMI-Standard (Functional Mock-Up Interface), der es ermöglicht, plattformunabhängige Modelle zu simulieren und miteinander zu interagieren. Den Maplesim Connector für FMI verwendete die Entwicklergruppe, um das gesamte Modell in eine Functional Mock-Up Unit (FMU) zu exportieren, wo es dann für die Verwendung in das Virtual Engineering Lab (VEL) der Firma Fluidon importiert werden konnte.

Das VEL, das dem Konstruktionsteam zur Verfügung gestellt wurde, ermöglicht die Co-Simulation von Ingenieurmodellen in Echtzeit. Diese Co-Simulationen können in einer Umgebung durchgeführt werden, welche die Maschinensteuerungssoftware (Software-in-the-Loop-Simulation) und die Steuerungshardware (Hardware-in-the-Loop-Simulation) umfasst. Durch die Kombination der Maplesim-FMU mit der hydraulikbasierten DSHplus-FMU verfügte das Entwicklerteam über eine detailgetreue Co-Simulation der Hubarbeitsbühne.

Diese beiden Modelle wurden in die virtuelle Testplattform des Baumaschinenherstellers integriert. Der zentrale Simulationsserver ihrer Plattform (Fluidon VEL) simuliert die digitalen Zwillings-FMUs in Echtzeit und nutzt dabei Informationen aus einer bidirektionalen Ethercat-Verbindung zu den Steuereinheiten von XCMG. Die Signalumwandlung der physikalischen Größen der Modelle in Sensor- oder Aktorsignale wird mit Hilfe von Ethercat-Klemmen realisiert.

Virtuelle Inbetriebnahme für Feuerwehrfahrzeuge

Die von XCMG geschaffene Testplattform hat weitere Vorteile für die Entwicklung:

  • Sicherheitstest ohne das Risiko von Schäden an Maschinen oder Personen
  • weniger Zeit für physische Inbetriebnahmen benötigt
  • Untersuchung der Ausrüstungskonstruktion, ohne auf physische Prototypen zu warten
  • nutzbar als virtuelle Umgebung für die Schulung von Bedienpersonal

So lief die virtuelle Inbetriebnahme

Mit der Testplattform kann der Baumaschinenhersteller nun nicht nur die Leistung der Steuerungssoftware validieren, sondern auch direkt gegen die Hardware-Steuereinheiten testen (Hardware-in-the-Loop-Test). Um die Testplattform weiter zu verbessern, nutzte die Firma auch Maplesim Insight, um eine 3D-Visualisierung der Testszenarien in Echtzeit einzubauen. Dieses Programm ist ein FMU-basiertes Tool, das der Baumaschinenhersteller mit seiner Testplattform verbunden hat, sodass die Testergebnisse in Echtzeit unter Verwendung der CAD-Informationen des Systems visualisiert werden.

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