Abtasttheorem

Oft auch als Nyquist-Shannon’sches Abtasttheorem bezeichnet, beschreibt das Shannon’sche Abtasttheorem den Zusammenhang zwischen der zeitlich diskreten Abtastung eines Signals und der höchsten, daraus rekonstruierbaren Frequenz. Das Theorem schreibt vor, dass ein Signal mit mindestens dem Doppelten der höchsten zu beobachtenden Frequenz erfasst werden muss, um diese nachzuweisen (SCHRÜFER 1992).

Anmerkung: Für die Beurteilung beispielsweise einer binären Steuerungsreaktion liegt die maximale gesuchte Frequenz bei dem schnellsten Signalwechsel, also der halben Steuerungsfrequenz. Wendet man darauf das Shannon’sche Abtasttheorem an, so bedeutet dies, dass für die Erfassung einer Steuerungsreaktion das Steuerungssignal mindestens mit der Steuerungsfrequenz abgetastet werden muss, um beurteilen zu können, ob die Reaktion der Steuerung korrekt erfolgt ist. Dies muss beim Entwurf von Simulationssystemen für den Steuerungstest berücksichtigt werden.

Digitaler Zwilling

Ein digitaler Zwilling ist ein virtuelles Modell eines Objektes oder Prozesses. Die Verbindung der realen und virtuellen Welt ermöglicht die Analyse von Daten zur Überwachung von Systemen (Ist-Prozess) und die Vorhersage bzw. Ableitung künftigen Verhaltens, Ergebnissen oder Zuständen. Der parallel Einsatz von realen und virtuellen Objekten / Prozessen ermöglicht das Erkennen, Verstehen und Eliminieren von Problemen, bevor sie überhaupt auftreten. So können beispielsweise Ausfallzeiten vermieden, alternative Prozesse virtuell durchgespielt oder Optimierungen in der laufenden Produktion entwickelt werden. Ein digitaler Zwilling erfordert drei Elemente:

  • das abzubildende reale Objekt,
  • den digitalen Zwilling und
  • Datenbasis, welche die beiden miteinander verbinden.

Vom Digital Prototyp zum Digitalen Zwilling 

Digitale Zwilling

Bild: machineering GmbH & Co. KG

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Der digitale Prozess-Zwilling

Betrachtet man eine Fertigung, bestehend aus mehreren verketteten Anlagen, kann mithilfe von Maschinen- und Prozessdaten  eine Prozessabbild eines Werkes erstellt und analysiert werden. Ziel dabei ist, zu jeder Zeit Statusdaten zwischen den Realen und digitalen Zwilling im laufenden Betrieb auszutauschen, die permanent von Sensoren erfasst wird. So können Unternehmen ihre Produktion ständig im Auge behalten, nachfolgende Prozessschritte digital "vorspulen" wie auch erste Abschätzungen über Materialverschleiß und Maschinenstillstand vornehmen. Bei der Prozessbetrachtung der digitalen Fertigung nimmt der Betrachter die Vogelperspektive ein und beleuchtet anhand definierter Prozessparameter seine Produktion im permanenten Abgleich mit dem realem Pendant. Es kann somit Pufferzeiten, Lagerbestände, Maschinenauslastung ermitteln und das in Echtzeit. Was er nicht kann, ist die Abbildung des realen Anlagenverhaltens auf Maschinenebene. Um dies abzubilden reichen verteilte Sensorpunkte nicht aus.

Der digitale Objekt-Zwilling

Die Basis des digitalen Zwilling auf Maschinenebene bildet ein Simulationsmodell, dem alle Eigenschaften und Funktionen des geplanten Produkts zugewiesen sind – vom Material über die Sensorik bis hin zur Bewegung und Dynamik der realen Maschine. So lassen sich beispielsweise Fehlfunktionen rechtzeitig erkennen und noch vor Produktionsstart beheben – die Entwicklung eines kostspieligen Prototyps wird überflüssig.

Weiterführende Artikel

Digitalisierung

Der Begriff Digitalisierung bezeichnet allgemein die Veränderungen von Prozessen, Objekten und Ereignissen, die bei einer zunehmenden Nutzung digitaler Geräte erfolgt. Im ursprünglichen und engeren Sinne ist dies die Erstellung digitaler Repräsentationen von physischen Objekten, Ereignissen oder analogen Medien. Im weiteren (und heute meist üblichen) Sinn steht der Begriff insgesamt für den Wandel hin zu digitalen Prozessen mittels IT. 

Echtzeitfähigkeit

Nach Schnieder liegt bei einem Rechnersystem Echtzeit vor, wenn für alle seine Prozesse die Bedingungen der Gleichzeitigkeit, Rechtzeitigkeit und Vollständigkeit erfüllt sind. Gleichzeitigkeit bedeutet, dass alle Prozesse zumindest aus Sicht einer erforderlichen Abtastung im Rechner gleichzeitig ablaufen. Rechtzeitigkeit liegt vor, wenn die maximal zulässigen Antwortzeiten der Prozesse nicht überschritten werden. Vollständigkeit liegt vor, wenn alle Prozesse zu jeder Zeit bearbeitet werden, insbesondere unter Einhaltung des Kriteriums der Rechtzeitigkeit (SCHNIEDER 1993).

Die Echtzeitfähigkeit beispielsweise für Simulationsanwendungen bedeutet, dass diese gleichzeitig, rechtzeitig und vollständig ausgeführt werden. Unterschieden werden dabei unterschiedliche Zeitlevels zur Darstellung des Maschinenverhaltens. Um die Feldbus zu emulieren, steht dem Anwender von industrialPhysics die Field Box 1 für Profinet IO oder Ethernet/IP zur Verfügung. Der große Vorteil gegenüber der klassischen virtuellen Inbetriebnahme ist, dass für die Feldbussimulation keine Ressourcen des Simulations-Rechners genutzt werden müssen. Die komplette Feldbussimulation wird extern in der Field Box geleistet. Somit entfallen Änderungen an der SPS, die bisher zusätzlich den ComTCP-Client implementieren musste.

Industrie 4.0

Industrie 4.0 ist ein Begriff , der auf die Forschungsunion der deutschen Bundesregierung und ein gleichnamiges Projekt in der Hightech-Strategie der Bundesregierung zurückgeht. Ziel ist die Produktion oder Teile davon mit modernster Informations- und Kommunikationstechnik so zu vernetzten, dass Produktionsanlagen autonom, sich situativ selbst steuernd, sich selbst konfigurierend, wissensbasiert und sensorgestützt agieren können.

Inbetriebnahme

Die Inbetriebnahme eines technischen Systems erfolgt nach Abschluss der Montage und erfolgreichen Betriebsfunktionsprüfungen. Während der Inbetriebnahmezeit, die sich, je nach Erfordernissen und Vereinbarungen, über einen mehr oder weniger langen Zeitraum hinziehen kann, werden verschiedenartige Betriebsprüfungen bei unterschiedlichen Nennbelastungen durchgeführt. Dabei wird auch die Leistungsfähigkeit des technischen Systems geprüft. Nach geprüfter Leistungsfähigkeit wird der Leistungsnachweis erbracht. Dieser Nachweis bezieht sich einerseits auf das technische System und andererseits auf die Produktion. Mit erfolgreicher Beendigung des Leistungsnachweises geht im Allgemeinen die Verantwortlichkeit für das technische System vom Hersteller auf den Kunden über. Dieser Vorgang wird auch Gefahrenübergang genannt. Danach beginnt der Betrieb des technischen Systems (BAUMANN & LOOSCHELDERS, 1982).

Hardware-in-the-Loop

Mit Hardware-in-the-Loop (HIL) wird ein bestehendes Steuergerät an einer Modellierung seiner späteren Umgebung getestet. Damit ist eine frühe Analyse des entwickelten Gerätes möglich. HIL kann als Echtzeitsimulation bezeichnet werden. Sie unterscheidet sich von der o.g. Echtzeitsimulation durch die Integration einer realen Komponente, wie beispielsweise einem Steuergerät oder einem realen Roboter.

Hochlauf

Der Hochlauf bezeichnet die Phase im Anschluss an die Abnahme, in der die Anlage beim Nutzer unter ihren nominellen, personellen, organisatorischen und technischen Randbedingungen auf dauerhafte Nennleistung gebracht wird. Während der Hochlaufphase werden im Rahmen der Optimierung und Stabilisierung des Betriebsverhaltens in organisatorischer und personeller Hinsicht auch die erst jetzt zu erkennenden technischen Unzulänglichkeiten und Frühausfälle behoben (ZEUGTRÄGER 1998, WIENDAHL et al. 2002).

Mechatroniksimulation

Bei der Simulation mit einem mechatronischen Modell (auch Mechatronikmodell) wird eine Maschine oder Anlage in einem die Disziplinen Mechanik, Elektrik und Software übergreifenden Gesamtmodell abgebildet. Das Ziel der sog. Mechatroniksimulation ist die Herstellung oder Verbesserung der Passung zwischen den Disziplinen. Durch die Möglichkeit ohne Risiko an Menschenleben oder Sachbeschädigungen, können im Mechatronikmodell in einer virtuellen Inbetriebnahme umfangreiche Testreihen gefahren werden. Dadurch lässt sich das Zusammenspiel von Mechanik, Elektrik und Software deutlich verbessern. Ein Mechatronikmodell kann vollständig im Rechner abgebildet sein oder beispielsweise im Falle einer virtuellen Inbetriebnahme in Form einer Hardware-in-the-Loop-Simulation zum Teil mit realer Hardware und simulierten Komponenten erfolgen.

Materialflusssimulation

Die Materialflusssimulation ist die Abbildung von Materialflüssen innerhalb eines Produktionsbereiches bzw. einer Fabrik. Als Materialfluss werden alle dynamischen Vorgänge und deren Verkettung beim Herstellen, Bearbeiten und Verteilen von Prozessgütern verstanden wie beispielsweise

  • Fördern, Stauen, Rutschen
  • Fallen, Abprallen an der Bande
  • Sortieren, Gruppieren, Aufreihen
  • Trennen, Stapeln
  • Greifen und Klemmen
  • Griff in die Kiste
  • Einlegen in die Maschine

Simulation

Simulation ist die Nachbildung eines dynamischen Prozesses in einem realen Modell mit dem Ziel, zu Erkenntnissen zu gelangen, die auf die Wirklichkeit übertragbar sind (Quelle: DIN 3633).

So genau wie nötig – So einfach wie möglich

  • Materialflusssimulation
  • Ablaufsimulation
  • Robotersimulation
  • Simulation von Steuerungen
  • Hardware-in-the-Loop Simulation

Für den industriellen Einsatz der Simulation ist zum Einen eine aufwandsarme Modellbildung erforderlich, damit der Aufwand niedrig bleibt. Zum Anderen muss die Modellbildung allerdings so exakt wie möglich erfolgen, damit der Nutzen der Simulation möglichst hoch ist. In der Auflösung dieses Widerspruchs liegt der Schlüssel zu einer wirksamen Simulation.

Weiterführende Informationen

Starrkörperphysik und Starrkörpersimulation

Unter der Starrkörpersimulation (engl. Rigid-Body Simulation) versteht man die zeitlich kontinuierliche Simulation der Bewegung von Starrkörpern (engl. Rigid-Body). Durch die Zuordnung von physikalische Eigenschaften lassen sich komplexe Materialflussszenarien mit wenigen Handgriffen simulieren. Durch die Starrkörpersimulation (oder auch Physiksimulation) wird eine aufwändige Programmierung von Simulationsmodellen und -szenarien überflüssig.

Die Physiksimulation bildet die Basistechnologie von industrial physics, einer mechatronischen Simulationsplattform für Produktionssysteme der Firma machineering.

Produktionsanlauf

Mit dem Begriff Produktionsanlauf wird sowohl der Anlauf einer Einzelmaschine verbunden als auch der verkettete Anlauf eines gesamten Produktionssystems für ein Produkt. Im Lebenszyklus ist der Produktionsanlauf im Übergang zwischen der Planungs- und Realisierungsphase zur Betriebsphase angesiedelt. Dabei setzt sich ein Produktionsanlauf jeweils aus einer Inbetriebnahmephase im Verantwortungsbereich des Herstellers und einer Hochlaufphase im Verantwortungsbereich des Betreibers zusammen. Zwischen Inbetriebnahme und Hochlauf liegt die Abnahme mit dem Gefahrenübergang vom Hersteller an den Betreiber.

Produktionssystem

Der Lebenszyklus von Produktionssystemen setzt sich aus folgenden drei Hauptphasen zusammen: Der Planungs- und Realisierungsphase, der Betriebsphase und der Redistributionsphase (nach WIENDAHL).

V-Modell

Das V-Modell ist ein Vorgehensmodell in der Softwareentwicklung, bei dem der Softwareentwicklungsprozess in folgenden Phasen organisiert wird:

  • Systemanalyse
  • Software-Entwurf
  • Software-Architektur
  • Software-Implementierung

Neben diesen Software-Entwicklungsphasen definiert das V-Modell auch die Vorgehensweise zur Qualitätssicherung: 

  • Integration der Module und Tests
  • Integration des Software-Systems und Tests
  • Systemqualifikation und -abnahme

Das V-Modell dient als Entwicklungsstandard für IT-Systeme in der Planung und Durchführung von IT-Projekten. 

Der Vorteil bei der Anwendung des V-Modells liegt in der permanenten Qualitätssicherung während der Entwicklungsphasen. Fehler in der Software-Entwicklung können somit zeitnah erkannt und behoben werden.

Virtuelle Inbetriebnahme

Bei einer virtuellen Inbetriebnahme (kurz: VIBN) wird mit Hilfe eines mechatronischen Modells einer Maschine oder Anlage die Inbetriebnahme am Rechner durchlaufen. Je nach Ausprägung des Simulationssystems kann hierbei ggf. die statische und in jedem Fall die dynamische Inbetriebnahme durchgeführt werden. Durch eine virtuelle Inbetriebnahme kann die Passung von Mechanik, Elektrik und Software deutlich verbessert werden und zwar vor der realen Inbetriebnahme im Feld. So wird die Auslieferungsqualität gesteigert und unkalkulierbare Zeitverluste in der Inbetriebnahme vermieden.

Eine umfassende Studie* ergab, dass sich durch den Einsatz einer virtuellen Inbetriebnahme in den frühen Phase für die Unternehmen folgende Wettbewerbsvorteile ergeben :

  • Einsparung von 75% des Zeitaufwands für die Inbetriebnahme
  • Verkürzung der Durchlaufzeit um 15 %
  • Steigerung der Qualität um 40 %
  • Senkung der Produktionskosten

 * Dr. G.Wünsch "Methoden für die virtuelle Inbetriebnahme automatisierter Produktionssysteme"

Weiterführende Informationen

 

Fachbuch

Methoden für die virtuelle Inbetriebnahme automatisierter Produktionssysteme

Autor: Dr. Georg Wünsch, Gründer der machineering GmbH & Co. KG

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Feldstudie

Studie zur virtuellen Inbetriebnahme. Wann sich der Einsatz einer Simulation zur virtuelle lohnt.

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Autor: Dr. Georg Wünsch, Gründer der machineering GmbH & Co. KG

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