Simulation – ein komplexes Thema

Simulationstools bieten nicht zuletzt im Zusammenhang mit den zunehmenden mechatronischen Konstruktionsansätzen ein großes Innovationspotenzial. Doch wirkt sich dies tatsächlich auf ihre Verbreitung aus? Wie hoch ist derzeit die Akzeptanz in der Praxis und wie einfach ist die Bedienung solcher Tools? All diese Fragen beantworten im Rahmen des Trendteils „Integrated Manufacturing" die Anbieterexperten von ABB, B&R, Eplan, Rexroth und Zuken.

eA: Werden Simulation und modellbasierter Entwurf durch die sich vermehrt durchsetzenden mechatronischen Ansätze unterstützt oder erschwert?

Enhuber: Der Anspruch mechatronischer Lösungen in der Automatisierung bedeutet, bereichsübergreifende Kompetenzen zusammenzuführen. Simulation ist eine prädestinierte Methode, um bereits in einer sehr frühen Projektphase die wesentlichen Aufgabenstellungen herauszuarbeiten. Modellbasierter Entwurf und Simulation bedeuten nicht zwangläufig dasselbe. Während beim Modell basierenden Entwurf die unmittelbare Nutung von Teilen des Modells in der Automatisierung anzustreben ist, verbindet man mit Simulation in vielen Fällen eine visuelle Aufbereitung von Prozesszusammenhängen. Simulation und modellbasierter Entwurf erfordern intensive Entwicklungsarbeiten, aber bei konsequenter Umsetzung erntet der Anwender mittelfristig auch die Früchte dieser Arbeit.

Fey: Mechatronische Ansätze scheinen auf den ersten Blick die Komplexität für die Simulation und den modellbasierten Entwurf von Maschinen und Anlagen zu erhöhen. Simulationstools, die ein modulares Engineering und die Wiederverwendung von Projektierungsdaten unterstützen, helfen dem Anwender jedoch, diese Komplexität zu meistern. Insgesamt steigern mechatronische Ansätze den Wirkungsgrad von Simulationsprojekten.

Miegel: Der Einsatz mechatronischer Elemente in Simulationssystemen stellt eine sinnvolle Weiterentwicklung bisheriger virtueller Engineering-Methoden dar. Er kann als Schlüssel zu einer signifikanten Produktivitäts- und Qualitätssteigerung im Engineering dienen, da hierdurch die durchgängige Nutzung eines gemeinsamen Datenmodells von der Angebots- bis zur Inbetriebnahmephase möglich und machbar wird. Zu berücksichtigen ist jedoch der Aufwand für den Aufbau und die Pflege mechatronischer Elementbibliotheken, zumal diese derzeit nur in proprietären Datenformaten hinterlegt werden können, d.h. für die unterschiedlichen Simulationssysteme fällt entsprechend ein mehrfacher Erstellungsaufwand an. Eine Lösung ist hier für die nahe Zukunft durch das Engineering-Austauschformat AutomationML zu erwarten.

Pesch: Der mechatronische Ansatz unterstützt den modellbasierten Entwurf in jedem Fall. Denn gerade das Zusammenwachsen der Disziplinen ist ja die Basis, um Maschinen und Anlagen durchgängig zu entwickeln. Die Mechatronik fokussiert sowohl die Elektrotechnik, die Steuerungssoftware wie auch die Mechanik – das wirkt sich positiv auf den gesamten Entwurfsprozess aus. Das daraus generierte Simulationsmodell deckt ebenfalls alle Aspekte der unterschiedlichen Disziplinen ab – das Modell entspricht zu einem hohen Maß der zu fertigenden Maschine. So lassen sich gute Rückschlüsse auf die Funktion der Anlage ableiten, auch in Richtung Ablauf, Austaktung und Materialfluss.

Prottung: Hier ist zu allererst zu klären, was unter Simulation verstanden wird. In mechatronischen Systemen sind hier verschiedenste Ansätze denkbar. So wird, je nachdem, wer gefragt wird, jeder etwas anderes unter Simulation verstehen. In der Mechanik-CAD wird darunter oft Test über Produzierbarkeit, Platzbedarf, Wärmeentwicklung und -verteilung, Materialermüdung, Verformung etc. verstanden; in der Elektrik und in der Entwicklung von Kabelbäumen die reine Funktion, wie Spannungsabfall, Querschnittsberechnung, Leitertemperatur, Übersprechen. Hier sind es teils „Berechnungen", d.h. feste Algorithmen von Eingangsgrößen, abhängig von der Stellung eines Schalters o.ä. Gesamtsysteme wie Maschinen, Fahrzeuge, Flugzeuge können nur mit speziellen Simulatoren gerechnet werden, hier ist ein hoher Aufwand für die Modellerstellung und die Anpassung der Modelle nach Messungen in Prototypen zu erwarten. Aus unserer Erfahrung mit Kundenprojekten sind die genannten Simulationstools für die jeweiligen Disziplinen noch getrennt zu sehen und daher nicht oder nur kaum durch den mechatronischen Ansatz betroffen.

eA: Welche Simulationstools für welche Einsatzbereiche bieten Sie an und welche Weiterentwicklungen sind mittelfristig zu erwarten?

Enhuber: Das B&R Automation Studio ist ein Entwicklungswerkzeug für Automatisierungslösungen. Vereinfacht formuliert ein Programmierwerkzeug. Simulationswerkzeuge müssen andere Qualitäten bieten. B&R konzentriert sich auf eine systematische Entwicklung des Produktportfolios. Aus diesem Grundsatz heraus entwickelte B&R eine Standardschnittstelle für Simulationstools, welche z.B. Winmod nutzt. Im Bereich modellbasierte Entwicklung unterstützt B&R die automatisierte Codegenerierung von Matlab/Simulink. Mittelfristig darf der Markt mehr Optionen im Zusammenspiel mit verschiedenen Werkzeugen erwarten, um individuelle Bedürfnisse deutlich besser abzudecken.

Fey: Rexroth bietet ein breites Portfolio von Dienstleistungen und Simulationstools, von der mechanischen, elektro-mechanischen oder hydraulischen Verhaltenssimulation mechatronischer Systeme bis hin zum IndraMotion MTX simulator, einer virtuellen CNC. Im Bereich der Steuerungstechnik liegt der Fokus dabei auf der Weiterentwicklung von Simulationswerkzeugen, die den Maschinen- und Anlagenbauer in der Projektierungsphase unterstützen. Die Integration von Simulationstools in das Engineering-Framework Indraworks hilft dem Konstrukteur bei der Verifikation des Automatisierungsprojekts. Indraworks machine simulator nutzt Konfigurationsdaten für die Peripheriesimulation, Indraworks 3Dview arbeitet bei der Erstellung des Simulationsmodells mit CAD-Modellen. Die gemeinsame Nutzung von Daten reduziert den Aufwand und vermeidet durch Datenkonsistenz Fehler. Rexroth betrachtet diesen Ansatz technologieübergreifend und treibt die Weiterentwicklung gerade auch mit der Integration unterschiedlicher Automatisierungstechnologien in Simulationswerkzeugen.

Miegel: ABB Robotics bietet das Simulations- und Offline-Programmiersystem Robot Studio an. Basierend auf dem Virtual Controller von ABB, ist Robot Studio eine exakte Kopie der Original-Software, die Roboter in Produktionsprozessen steuert. Hierdurch wird eine extrem genaue und realistische Simulation robotergestützter Fertigungszellen möglich. Zum Einsatz kommen echte Roboterprogramme und Konfigurationen, die exakt den in der Produktion eingesetzten Daten entsprechen. Robot Studio unterstützt anwendungsspezifische Anforderungen durch die Nutzung von Power Pacs, die speziell auf die Bedürfnisse der jeweiligen Applikation oder Industrie zugeschnitten sind. So werden z.B. Bahnschweißen und Oberflächenbearbeitung optimiert oder die spezifischen Anforderungen der Solarindustrie berücksichtigt. Für Robot Studio sind Weiterentwicklungen zum Thema virtuelle Inbetriebnahme sowie Applikationsunterstützung für den Bereich Lackieren geplant.

Pesch: Wir bieten derzeit keine speziellen Simulationstools an. Sehr wohl spielt die Simulation im durchgängigen Engineering-Prozess eine zunehmend wichtigere Rolle. Als Lösungsanbieter schaffen wir die passenden Schnittstellen zu den gängigen Systemen.

Prottung: Das Zuken-Produktportfolio bietet einerseits 3D basierende Module an, die Einbauuntersuchungen, Platzreservierun-gen etc. unterstützen. Im Bereich PCB bieten wir für CR-5000 ein EMC-Analysetool an, das auf Basis der Leiterplatten sowohl EMC-relevante Bereiche (d.h. Ein- und Abstrahlung) als auch Abhängigkeiten auf der Leiterplatte selbst (Übersprechen) inklusive What-If-Analysen zulässt. Die elektrischen Prüfungen in E³.series gehören zur Kategorie „ Berechnungen" und decken den erwähnten Bereich von Spannungsabfall, Berechnung von Sicherungsgrößen, Temperaturverhalten der Leiter etc. ab. Für CR-5000 und E³.series bieten wir eine Integration zu Synopsys Saber an – hier können, je nach Einsatzgebiet, auch Multi-Disziplin-Simulationen z.B. Elektronik, Elektrik, Hydraulik durchgeführt werden.

eA: Wie hoch ist zurzeit die Akzeptanz der Maschinen- und Anlagenbauer, Simulationstools einzusetzen, und welche Aspekte bzw. fehlende Funktionalitäten hemmen den praktischen Einsatz?

Enhuber: Mit steigender Komplexität und dem Ruf nach kürzeren Lieferzeiten steigt auch der Wunsch nach Simulationsmöglichkeiten parallel zur Entwicklung der realen Maschine oder Anlage. Hemmschuh sind die erforderlichen großen Investitionen. Oft zitiert man hier die Werkzeugkosten, wobei in der Praxis die erforderlichen Mannstunden für eine nutzbringende Simulation eine deutlich höhere Investition darstellen. Simulation ist Entwicklungsarbeit, die nicht unterschätzt werden darf.

Fey: Der modellbasierte Entwurf oder die Verhaltenssimulation von Anlagen- oder Maschinen stoßen aufgrund der mittlerweile sehr guten Ergebnisse bei der Modellierung auf hohe Akzeptanz. Rexroth hat in zahlreichen Projekten Antriebsregler und Steuerungsparameter anhand von Simulationsmodellen ausgelegt und optimiert und so durch komplette Lieferung der Parametrierung die Inbetriebnahmezeit beim Kunden deutlich verkürzt. Ein Hemmnis stellt der Initialaufwand dar. Die effiziente Nutzung von Simulationstools setzt einen durchgängigen Engineeringprozess voraus. Angefangen mit der passenden Strukturierung von CAD-Modellen zur einfachen Weiterverwendung für die Simulation bis hin zur Nutzung von Softwaretools zur Versionierung von Automatisierungsdaten reicht das Spektrum der Prozesse und Standards, die für ein effizientes Arbeiten möglichst nahtlos ineinander greifen müssen. Die Schaffung dieser Voraussetzungen ist in vielen Fällen mit dem Umstieg vom Zeichenbrett zum CAD zu vergleichen.

Miegel: Die Akzeptanz von Robot Studio als Simulations- und Offline-Programmierwerkzeug ist sehr hoch. Dies wird zum einen durch die sehr attraktive Preisgestaltung, zum anderen durch die einfache Benutzerführung unterstützt. Auch bietet Robot Studio alle Funktionalitäten und CAD-Schnittstellen, um einen noch produktiveren Einsatz von ABB-Roboterlösungen zu gewährleisten. Generell ist zu sagen, dass der Einsatz von Simulationswerkzeugen hauptsächlich durch hohe Preise (30 000 bis 50 000 Euro pro Lizenz sind keine Seltenheit), mangelnde Schulungsbereitschaft, komplexe Benutzerführung und Probleme beim Datenimport beschränkt wird. Die fehlende Möglichkeit des Austausches von Engineering-Daten zwischen den verschiedenen Simulationstools ist eine weitere große Hürde. Auch hier wird das Datenaustauschformat AutomationML künftig Abhilfe schaffen.

Pesch: Wir stellen ein zunehmendes Interesse am Thema Simulation fest. Die Krux an der Sache: Gerade im konstruktiven Sondermaschinenbau, also in der Einzelfertigung, bietet die Simulation eine hohe Absicherung, dass die individuelle Maschine die geforderten Anforderungen erfüllt. Allerdings – und das ist aus unserer Sicht der Hemmschuh – ist das Erstellen des Simulationsmodells mit aller benötigten Intelligenz entsprechend aufwändig. Teils zu aufwändig für die Losgröße 1. Anders sieht es im Serienmaschinenbau aus. Hier würde sich der Aufwand lohnen, es stellt sich jedoch die Frage, ob im Rahmen der Serie nicht genügend Erfahrungswerte gewonnen werden, die eine Simulation unnötig machen.

Prottung: Bisher haben wir im Bereich Maschinen- und Anlagenbau wenig Anfragen bezüglich Analyse oder Simulationstools. Allenfalls in der Elektronikentwicklung ist hier ein begrenztes Einsatzgebiet üblich. Die mit E³.series 2009 angebotenen Berechnungen mit festen Formeln im Gleichstrombereich hat Interesse erzeugt, hier muss allerdings noch auf Erfahrungen gewartet werden.

eA: Overengineering ist gerade im deutschen Maschinen- und Anlagenbau ein oft diskutiertes Thema. Erhöht die Nutzung von Simulationstools den Engineeringaufwand zusätzlich oder erschließen sich hier eher Rationalisierungspotenziale?

Enhuber: Über Simulation zur realen Funktion bedeutet im ersten Schritt einen zusätzlichen Engineeringaufwand, denn es muss beides geschaffen und getestet werden: das Modell und die reale Komponente. Lassen sich die Modelle in weiterer Folge unverändert nutzen, so bedeutet das Zeitgewinn. Aus gut nachvollziehbaren Gründen sind heute Maschinenkomponenten überdimensioniert. Zur Optimierung bleibt oft keine Zeit oder man hat auch schlechte Möglichkeiten, die Optimierungsziele kosteneffizient zu testen. Auch an dieser Stelle lässt sich aus einer guten Modellierung Nutzen schöpfen. Overengineering und hohes Qualitätsbewusstsein stehen einander oft sehr nahe und nur wer die Grenzen der Konstruktion sehr gut kennt, kann ohne Qualitätsverlust optimieren.

Fey: Der Einsatz von Simulationstools schafft zwar neue Arbeitsschritte beim Engineering, der Gesamtprozess wird dadurch aber wesentlich effizienter. Durch Simula- tion kann der Maschinenbauer konstruktive Maßnahmen rechtzeitig verifizieren und Zeit sparend Varianten evaluieren. Dies hilft, Maschinen besser auf die tatsächliche Anwendung anzupassen und Zusatzaufwände zur Prozess-Absicherung zu minimieren.

Miegel: Die Nutzung akkurater Simulationswerkzeuge tritt im besonderen Maße der Gefahr des Overengineering entgegen, da Angst- und Unsicherheitsentscheidungen fundierten, durch Simulation abgesicherten Entscheidungen weichen. Der Einsatz von Simulationswerkzeugen erhöht und forciert weiterhin den Grad der Standardisierung, dies führt in den meisten Fällen zu einer genau auf den Kundenbedarf zugeschnittenen Produktausprägung. Es ist allerdings darauf zu achten, dass die eingesetzten Simulationswerkzeuge den vollständigen Engineering-Prozess von der Angebots- bis hin zur Inbetriebnahme- und Produktionsphase unterstützen. Nur so lässt sich das große Rationalisierungpotenzial von Simulationstools auch tatsächlich nutzen.

Pesch: Simulation erfordert erst einmal einen zusätzlichen Aufwand – schließlich ist sie ein zusätzlicher Arbeitsschritt in der Konstruk- tion. Wenn man die Simulation konsequent und in einer frühen Prozessphase nutzt, kann im besten Fall ein Overengineering verhindert werden. Heißt – spielt man verschiedene Konstruktionsansätze durch und findet damit effizientere Methoden, so dürfte die Rechnung positiv ausgehen. Das kann man natürlich nur im Einzelfall beurteilen.

Prottung: Overengineering resultiert meist aus fehlendem Wissen über die tatsächlichen Bedürfnisse des Kunden. Hier schaffen eher korrektes Projekt-Management, exakte Spezifikationen, geplantes Qualitätsmanagement und nachvollziehbares Lifecycle-Management Abhilfe. Daher hat der Einsatz von Simulationstools hier wenig Einfluss. Ob Simulationstools den Aufwand erhöhen oder verringern ist stark abhängig von dem jeweiligen Einsatzgebiet und kann daher nicht pauschal beantwortet werden. Der Trend zur Reduzierung von Prototypen und zum Aufbau von virtuellen Prototypen ist jedoch erkennbar.

zg