Inbetriebnahme einer CNC-Maschine inkl. Bearbeitung mit

Transcrição

Inbetriebnahme einer CNC-Maschine
mit der Beckhoff-CNC
- Hardware-in-the-Loop Simulation in
Echtzeit (1ms) mit ISG-virtuos -
ISG-virtuos – SINDEX 2014
© ISG 2014
1
SINDEX - 2014
ISG
Steuerungs- und
Simulationskompetenz
VIBN
Virtuelle Inbetriebnahme
wirtschaftlicher Nutzen
ISG-virtuos
Hardware-in-the-Loop
in Steuerungsechtzeit (1ms)
ISG-virtuos
& TwinCAT 3
mit der Beckhoff CNC / PLC
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2
ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH
Geschäftsfelder
ISG
Industrielle Steuerungstechnik GmbH
Dr.-Ing. Dieter Scheifele
Geschäftsfeld
ISG-kernel (seit 1987)
Steuerungssoftware
CNC, RC, Motion Control
Kunden
Steuerungshersteller sowie
Maschinen- und Anlagenbauer
Geschäftsfeld
ISG-virtuos (seit 2005)
Simulationssoftware
virtuelle Inbetriebnahme (VIBN),
Hardware-in-the-Loop in Echtzeit (1ms),
Simulation-Based-Engineering
Kunden
Maschinen- und Anlagenbauer,
Engineering-Büros (Integratoren),
Anlagenbetreiber
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ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH
ISG-virtuos - Anwender / Technologiepartner
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- wirtschaftlicher Nutzen -
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Klassische Inbetriebnahme im sequentiellen Workflow
Engineering
Konstruktion
konstruktionsspezifische
Schwerpunkte
• CAD
• FEM
• MKS
Beschaffung
Montage
Maschine / Anlage
für die Inbetriebnahme
(noch) nicht verfügbar
Inbetriebnahme
CNC, PLC …
Inbetriebnahme inkl.
Factory Acceptance Test
Auslieferung
Produktionsstart
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Phasen der Inbetriebnahme
Inbetriebnahme
CNC, PLC …
V
Grundinbetriebnahme
B
S
T
Abnahme
Technologie-Optimierung
Grundinbetriebnahme
• PLC-Funktionalität
• CNC-Funktionalität
• grundlegende Tests
Test Installation/Verkabelung
Test Sicherheit
Bedienoberfläche / HMI
• Bediensequenz
• Sonderfunktionen
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Konsequenzen der Terminüberschreitung im sequentiellen Workflow
Engineering
Konstruktion
Beschaffung
Montage
IBN
Abnahme (FAT)
Technologie-Optimierung
Verzögerung:
• Nachträge
• Klärungsbedarf
• …
Verzögerung:
• Nachträge
• Lieferengpässe
• Korrekturen
Test / Sicherheit
keine weitere
Verzögerung
mehr möglich!
Auslieferung,
Δ Start Produktion
Mangelhafte Erfüllung der Kundenanforderungen und schlechte Qualität:
„Nachbesserungen“ beim Kunden während des Produktionsstarts
zusätzliche nicht geplante Kosten / Imageschaden
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VIBN - Reduzierung der Durchlaufzeiten und Kosten
Engineering
Konstruktion
Beschaffung
Montage
virtuelle Inbetriebnahme
CNC, PLC …
Puffer für
Optimierung
oder
Verkürzung der
Lieferzeiten *1)
Auslieferung
Produktionsstart
reale Maschine
benötigt für:
• Installationstest
• Technologie
• Abnahme
*1) Inbetriebnahmezeiten bis zu 80% reduzierbar (Erfahrungswerte der „best practice“-Kunden)
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Wesentliche wirtschaftliche Vorteile
Inbetriebnahmezeit - Reduzierung um bis zu 80%
•
•
kürzere Projektdurchlaufzeiten
reduzierte Hallenbelegungszeit
Softwarequalität - wesentliche Steigerung bei gleicher Manpower
•
•
•
Test von regulären und irregulären Betriebszuständen, HMI
Performance kann durch alternative Abläufe risikofrei gesteigert werden
Frühzeitige Fehlerbehebung spart Folgekosten
Risikominimierung im Projektmanagement
•
•
•
Qualität wird bereits im Büro realisiert
Kunde erhält schon frühzeitig einen Eindruck über den Projektverlauf
Abweichende Anforderungen werden rechtzeitig berücksichtigt
Kostenminimierung bei der Inbetriebnahme vor Ort beim Kunden
•
•
•
Vermeidung von Kollisionen sowie Fehlfunktionen und Ablaufproblemen
Endlostest mit virtuellen Werkstücken und realen Produktionsdaten
Erhebliche Verkürzung der Anbindung an weitere Automatisierungssysteme
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HILS in Steuerungsechtzeit
ISG-virtuos
- Hardware-in-the-Loop
in Steuerungsechtzeit (1ms) -
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ISG-virtuos – Anforderungen und Grundprinzipien der Lösung (HILS)
reale Maschine
reale Steuerung
• CNC
• PLC
• motion control
Wirtschaftliche Prozessoptimierung
1. keine aufwendige und nicht
konforme Emulation der
Steuerungsfunktionalität
Einsatz der realen CNC/PLC
Feldbus
2. Inbetriebnahme (virtuell) und
„factory acceptance tests“
ohne Einschränkung
virtuelle Maschine
virtuelle Maschine verhält
sich für die CNC/PLC wie
die reale Maschine
3. kein paralleler Engineeringbzw. Simulationsprozess
Verwendung originaler
Engineering-Daten
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Warum Hardware-in-the-Loop und Steuerungsechtzeit?
PC-Betriebssystem (MS-Windows)
reale Maschine
reales Verhalten
reale
Steuerungen
Feldbus
(Slave)
Visualisierung
Echtzeit-Simulationskern (Solver)
∆ϑm =
ϑ Öl
, ein
− ϑW
ln(
realer Feldbus
120
 4

 5
SimulationRechner
Bedienung
− 12
0 .77
15
, aus
ϑ Öl
ϑ Öl
− ( ϑ Öl , aus − ϑ W
− ϑ W , aus
)
, aus − ϑ W , ein
Logik
− 12 . 185
45   1
5  =  45
4   5
, ein
)
Dynamik
, ein
0 . 98
15
55 
444  +
4 
120
 4
− 12
0 . 77
45 
5
MF


Kinematik
15
4 
 5
Echtzeit-Betriebssystem (< 1ms)
Das reale / originale Steuerungssystem soll ohne Änderungen verwendet bzw. getestet werden
deterministisches, realistisches Verhalten der Simulation wie die reale Maschine am Feldbus
reproduzierbares Modellverhalten auch nach mehreren Simulationsläufen für Regressionstests
Herstellerunabhängig, da Anbindung über etablierte Feldbussysteme
identische Steuerungskonfiguration (inklusive I/O-Adressen) wie an der Originalmaschine
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Wie definiert ISG-virtuos Steuerungsechtzeit?
Real-time classes and application areas (IAONA classification)
common
solutions
ISG-virtuos
Building technology, control and
automation levels, trouble-free
processes, storage systems
Conveying systems,
simple controls,
majority of all automated systems
Machine tools, fast processes,
robots
Highly dynamic processes,
electronic drives
1µs
10µs
100µs
1ms
10ms
100ms
1s
10s
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TwinCAT 3 als ideale Echtzeit-Plattform für ISG-virtuos
Windows 32/64 bit
Engineering / Modell
Test-Panel
ADS
3D-Visualisierung
- TwinCAT Transport Layer
reale Steuerungen
reales Verhalten
Dynamik
Logik
EtherCAT
Profibus DP
Profinet
CANopen
FOCAS
SERCOS
…
MF
Kinematik
Solver
TwinCAT 3
ADD
– TwinCAT Device Driver
realer Feldbus
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Ein Simulationssystem für mehrere (verschiedene) Steuerungen
EtherCAT
Profibus DP
…
Unterschiedliche Simulations- bzw. Visualisierungs-Szenarien
Simulations-PC mit der Möglichkeit zur Anbindung mehrerer Feldbusse gleichzeitig und damit auch mehrerer
realer Steuerungen
mehrere Steuerungen mit mehreren Simulation-PCs und einer gemeinsamen Visualisierung möglich
automatische Generierung einer Multi-Slave-Konfiguration zur Repräsentation der Antriebs- und
I/O-Busteilnehmer aus der Steuerungskonfiguration
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Simulation von komplexen (verteilten) Automatisierungslösungen
SPS
SPS
CNC
Leitrechner
Feldbus
SPS
SPS
CNC
CNC
CNC
fieldbus
CNC
fieldbus
fieldbus
fieldbus
Feldbus
Simulation-PC
simulation system
manufacturing
cell
transport
dynamics
logics
dynamics
dynamics
3D-visualisat.
plant, cell…
Leitrechner
Simulation-PC
Simulation-PC
Simulation-PC
logics
logics
kinematics
machine tool
kinematics
kinematics
fieldbus
Zusammenführung der 3D-Sim.
Durchgängiger Test / Simulation komplexer Automatisierungslösungen
Simulationssystem einfach über Feldbusmechanismen erweiterbar
Kombination der Hardware-in-the-Loop-Simulation mit realen Automatisierungssystemen
übergeordnete 3D-Visualisierung der kompletten Anlage
„Factory Acceptance Tests“ bereits in der Inbetriebnahmephase
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Modulbibliothek - wiederverwendbare Komponentenmodelle
Know-how-Aufbau/-Schutz bei
Anwendern / Kunden
firmeneigene Bibliothek im
Rahmen von „customizing“
validierte Teil-/Submodelle
effizientes Engineering durch
Wiederverwendung
reale Komponente
virtuelle Komponente
Prozessoptimierung im
Engineering durch automatische
Generierung der Modelle
Lösungs- / Know-how-Bibliothek
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Modulbibliothek – wiederverwendbare Modelle für die 3D-Visualisierung
3D-CAD-System
3D-Geometrie-Bibliothek
3D-Visualisierung
Virtuelles Komponentenlager
wiederverwendbare Komponenten / Baugruppen für 3D-Modelle (direkter Import aus CAD-Systemen)
Basis für modulare Baukastensysteme
komfortable Erzeugung neuer Konfigurationen sowie Adaption bestehender Komponenten
automatische Generierung der 3D-Modelle aufgrund der auftragsspezifischen Maschinenkonfiguration
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Einfacher Konfigurationsvorgang - entsprechend der Maschinenkonfiguration
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Abtragssimulation und Kollisionserkennung / -vermeidung
Abtragssimulation
• Präzise, fotorealistische Darstellung
• Arbeitsfortschritt in Steuerungsechtzeit
Kollisionserkennung
• Definition von Körperpaaren
• Anzeige und Meldung von Kollisionen
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Umfangreiche Diagnose- und Testfunktionen
Diagnose- und Testwerkzeuge
(Online):
Anzeigen, Taster, Schalter,
Schieberegler ...
“Scope”-Funktionalität zum
Anzeigen der Prozessdaten in
Echtzeit
Performanceoptimierung anhand
der erfassten Echtzeitdaten
Mitschreiben („tracking“) der
Prozessdaten
Bereitstellung der Prozessdaten
zur weiteren Analyse im *.csv –
Format
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Engineering-Prozess
ISG-virtuos & TwinCAT 3
- Virtuelle Inbetriebnahme
mit der Beckhoff CNC / PLC -
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Engineering-Prozess
Inbetriebnahme – durchgängige Plattform CNC/PLC und ISG-virtuos
Simulations-PC
mit ISG-virtuos
Beckhoff
CNC / PLC
Windows 32/64 bit
Windows 32/64 bit
I/OKonfiguration
I/OKonfiguration
HMI der Steuerung
ADS
Engineering/Modell
CNC
direkte Übernahme
der Konfiguration
Test-Panel
ADS
3D-Visualisierung
Dynamik
SPS
Logik
MF
Kinematik
Solver (Echtzeit-Modellberechnung)
TwinCAT 3 runtime
ADD
TwinCAT 3
ADD
EtherCAT
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Engineering-Prozess
Import von 3D-Geometriedaten
Engineering-Schritte
Import der 3D-CAD-Daten
visuelle Kontrolle der Ergebnisse
optionale Neugliederung des Modells
Erzeugung von wiederverwendbaren
Komponenten / Baugruppen
Engineering-Unterstützung
Direkter Import aus
CATIA, Inventor
NX, SolidWorks
Parasolid, STEP
VRML, IGES
Filtern und Optimieren der 3D-Daten
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Engineering-Prozess
Aufbau des kinematischen Modells
Gliederung der Module entsprechend der
kinematischen Kette (Freiheitsgrade)
Aufbau des Modells aus Modulbausteinen
Parametrierung und Verbindung zu 3D-Visual.
Test durch konfigurierbare Control-Panels
Engineering-Unterstützung
Umfangreiche Modulbibliothek mit
zugeschnittenen Kinematik-Bausteinen
einfache Anwendung durch „Cut & Paste“
sowie „Drag & Drop”
kein „Spezial-Know-how“ benötigt
direkte Übernahme der Parameter
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Engineering-Prozess
Modellierung der Maschinenfunktionen – Funktionale Einheiten (FE)
Gliederung in Funktionale Einheiten (FE)
mit modularem hierarchischem Aufbau
FE3
FE4
FE1
FE2
Zuordnung der Steuerungs-Ein- und Ausgänge
zu den jeweiligen FE
FE..
Typische Funktionale Einheiten (FE) eines BAZ
Steuerungseingänge
Steuerungsausgänge
„Achse_einfahren“
„Achse_eingefahren“
FE
„Achse_ausfahren“
Wirkkette zwischen E/As
„Achse_ausgefahren“
Werkzeugmagazin
Werkzeugspannvorrichtung
Werkzeugspindel
Schutztüren
Werkzeugbruchkontrolle
Zentralschmierung, Hydraulik-/Pneumatik
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Engineering-Prozess
Modellierung der Maschinenfunktionen – Realisierung der Wirkketten (FE)
Steuerungsausgänge
Steuerungseingänge
Aufbau der Wirkkette aus Bausteinen (Library)
„Achse_einfahren“
„Achse_eingefahren“
„Achse_ausfahren“
„Achse_ausgefahren“
Zuordnung der internen Signale zu den
Steuerungseingängen bzw. –ausgängen
Definition von Parametern
Speichern als Submodell in der Bibliothek
Test der FE mit zugehörigem Bedien-Panel
Eingehender
Test der FE
durch Steuern
und Anzeigen
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Engineering-Prozess
Feldbusanbindung – Protokolle / Konfiguration
Realisierte Feldbussysteme
Reale Maschine
Feldbus (EtherCAT)
EtherCAT
SW
Profibus DP
HW
Profinet
SW
CANopen
HW
Ethernet-IP
SW
Inklusive Safety-Funktionalität
Feldbus-Komponenten, Slaves
(E/A und Antriebe)
Feldbus-Komponenten, Multi-Slave
(E/A und Antriebe)
gleiches Maschinenverhalten
Virtuelle Maschine
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Engineering-Prozess
Feldbusanbindung – Generierung der I/O-Konfiguration
Eigenschaften / Nutzen
automatische Generierung der Feldbus-I/OKonfigurationen in ISG-virtuos (Multislave)
1.
2.
direkte Übernahme von Master-Konfigurationen aus
TwinCAT
bzw. Import der Masterkonfigurationen für Profibus-/
Profinet (*.cfg)
Zentraler I/O-Baustein in ISG-virtuos für alle
benötigten Feldbus-I/Os
Mischbetrieb zwischen realen und virtuellen
Feldbus-Teilnehmern über Checkboxes einfach
konfigurierbar
I/O-Konfigurationen mehrerer Steuerungen
können kombiniert werden
alle benötigten Tasks werden automatisch als
TwinCAT-Projekt instanziiert
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Engineering-Prozess
Feldbusanbindung – Verbindung der I/Os mit dem Simulationsmodell
Eigenschaften / Nutzen
Verbindung der Feldbus-I/Os mit dem Modell
durch komfortable „Connect“-Funktionalität
automatische Bereitstellung der Feldbus-I/Os
als Liste im Auswahlfenster
Ein Klick auf das benötigte I/O-Signal realisiert
die Verbindung
Bit-Splitting für einfachen Zugriff auf benötigte
Feldbus-Informationen
Verbindung
I/O-Input/Output
Taktzeiten für die Feldbus-I/Os können flexibel
parametriert werden (bis 1 ms)
Feldbus-I/O-Liste
Engineering-Vorgang durch XML-basierte
Schnittstelle (ecf- oder csv-Datei)
automatisierbar
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„best practice“ – Lösungen
ISG-virtuos im Anlagen- und Maschinenbau (Fa. HEITEC AG)
Motivation / Zielsetzung
kurze Projektlaufzeiten
steigende Variantenvielfalt und hohe Umrüstzeiten
Kosten- und Termindruck
Einsatz der virtuellen Anlage/Maschine für die
Inbetriebnahme mit realen Steuerungen
Visualisierung des Automatisierungsprozesses in 3D
Hauptvorteile – Anwender und Betreiber
kurze Inbetriebnahmezeiten und bessere SW-Qualität
Test auch extremer Situationen ohne Risiken
Wiederverwendbarkeit der mechatronischen Module
Generierung verbesserter Abnahmekriterien
Optimierung von Service und Wartung
Schulung und Weiterqualifikation von Mitarbeitern
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„best practice“ – Lösungen
ISG-virtuos für komplexe Bearbeitungszentren (BAZ) – Fa. Grob / Daimler
Motivation / Zielsetzung
BAZ für die Serienfertigung von Motorblöcken
(2 WZ-Spindel, 2 WZ-Magazine mit je 34 Werkzeugen)
Optimierung der Produktivität in Abhängigkeit von
Maschine und steuerungstechnischen Komponenten
Optimierung von Taktzeiten und professionelle
Beherrschung von Störsituationen
Reduzierung der Inbetriebnahmezeiten
Hauptvorteile - Hersteller
deutlich reduzierte Inbetriebnahmezeiten
umfangreicher Test der Funktionalität
Optimierung und Test von alternativen Abläufen
Hauptvorteile - Betreiber
Optimierung der Taktzeiten (NC-Programme)
Kollisionskontrolle
Training des Fachpersonals ohne Maschinenbelegung
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Inbetriebnahme- und Testsystem
Beckhoff CNC und ISG-virtuos – Aufbau des Inbetriebnahme-Systems
Engineering und Test-Panel
Maschinenbedienung
3D-Visualisierung
Simulationsumfang (WOMAJET F2):
Kinematik (X, 2xY / Gantry, Z)
Safety-Klemmen (4x EL1904, 4xEL2904)
EK1100
EL6900 (Safety-PLC)
Safety-Antriebe (2x AX5805)
Logik
EtherCAT
virtuelles Maschinenbedienfeld
Zuführung und Entnahme von Werkstücken
Abtrag mit Wasserstrahl als Werkzeug
C6640-030
Simulations-PC
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Beckhoff CNC und ISG-virtuos - Maschinenbedienung
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Beckhoff CNC und ISG-virtuos – Kinematik- und Abtragssimulation in 3D
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36
Beckhoff CNC und ISG-virtuos – TwinCAT Device-PLC in Echtzeit
© ISG 2014
37
Beckhoff CNC und ISG-virtuos – Simulation des Maschinenverhaltens
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38
Beckhoff CNC und ISG-virtuos – TwinSafe-Applikationen
© ISG 2014
39
Beckhoff CNC und ISG-virtuos – Simulation und Test von TwinSafe
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40
Durchgängige Engineering-Plattform
Unser Angebot
TwinCAT 3 ist eine ideale Plattform für die Automatisierungstechnik
Das Engineering von Projekten mit TwinCAT 3 wird durch das Automation
Interface und den ECAD-Import wesentlich erleichtert
ISG-virtuos ergänzt nahtlos die Engineering-Unterstützung in TwinCAT 3
um die Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen mit den originalen
Steuerungskomponenten und in Steuerungsechtzeit (1ms)
Fachdiskussion kann am Teststand für TwinCAT 3 und ISG-virtuos in der
Halle 2 (D.04) vertieft werden
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41
Durchgängige Engineering-Plattform
Ihre Ansprechpersonen zu ISG-virtuos
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Inbetriebnahme einer CNC-Maschine inkl. Bearbeitung mit

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