Simulation
Digitaler Zwilling auf Tastendruck
Der Bereich Maschinenbau ist seit jeher einem ständigen Wandel unterworfen. Seit langem erfährt er Veränderungen durch den immer stärkeren Einsatz von softwarebasierten Lösungen. Mit einer neuen Virtualisierungslösung stellt Siemens nun zusätzliche (Funktions-)Bausteine speziell für die Antriebstechnik zur Verfügung. Auf Basis dieser Bausteine lassen sich antriebsnahe Lösungen bereits in der Engineering- und Projektierungsphase realitätsnah simulieren - unter dem Motto, virtuell für die Zukunft zu gestalten.
Seit Jahrzehnten werden die Vorteile der digitalen Fabrik und komplett digitalisierter Arbeitsabläufe diskutiert, angefangen bei der Planung neuer Anlagen und Maschinen bis hin zu deren Einsatz in der Produktionsumgebung. Unternehmen wie Siemens arbeiten in diesem Zusammenhang kontinuierlich an praxisnahen Lösungen - und stellen damit ihre Innovationskraft unter Beweis. "Totally Integrated Automation", "Internet of Things" (IoT), "Cloud" oder "Edge Computing" sowie weitere Errungenschaften beweisen tagtäglich, dass moderne Automatisierung stark auf softwarebasierte Lösungen setzt. Der wesentliche Mehrwert für die Industrie liegt - im Gegensatz zu reinen Hardware-basierten Lösungen - darin, dass sich diese Lösungen schneller optimieren und flexibel an die jeweiligen Anforderungen anpassen lassen.
Hiervon profitiert auch die Antriebstechnik in hohem Maße. In den letzten Jahren sind Anwender unterschiedlichster Branchen dem Trend gefolgt, antriebsbezogene Parameter systematisiert in übergeordneten Cloud-Systemen, wie beispielsweise "Mindsphere" von Siemens, zu nutzen. Zusammengefasst: Digitalisierungsstrategien und der Einsatz von Software prägen heute mehr denn je den Stand der Antriebs- und Automatisierungstechnik und erhöhen die Nachfrage nach noch mehr Funktionalität.
Digitalisierung ist mehr als nur das "Internet der Dinge"
Dieses "mehr" bezieht sich auf Virtualisierung und Simulation, denn Digitalisierung ist weit mehr als nur das Internet der Dinge. Wer eine lückenlose Digitalisierung anstrebt, braucht funktionierende Lösungen für die Planung oder Virtualisierung von Maschinen und Anlagen bereits zu Beginn des Engineering-Workflows. Deshalb stellt Siemens die für die Virtualisierung notwendigen Geräteinformationen zur Verfügung - gerade auch für die Antriebstechnik. SINAMICS DriveSim Basic heißt die neue Siemens-Lösung, mit der erstmals einzelne Antriebe als autonome Funktionsbausteine emuliert werden.
Die vier Hauptelemente bei der Entwicklung von SINAMICS DriveSim Basic waren Kompatibilität, Validität, Benutzerfreundlichkeit und Geschwindigkeit der Simulation - Elemente, die sich in dieser Lösung deutlich widerspiegeln. Unterm Strich können Endanwender mit dieser Lösung ihre Entwicklungsphase deutlich verkürzen.
Der virtuelle Antrieb steht als standardisiertes FMU-Modell (Functional Mockup Unit) zur Verfügung, das den großen Vorteil hat, dass es mit vielen auf dem Markt befindlichen Simulationsprogrammen kompatibel ist. Viele zeitbasierte Simulationswerkzeuge "verstehen" diese FMU, unabhängig davon, ob der Anwender mit Siemens-Lösungen wie z.B. SIMIT, Simcenter Amesim, NX Motion - oder einem anderen allgemein verbreiteten Tool (z.B. Matlab Simulink) simuliert. Zusammen mit anderen virtuellen Siemens-Lösungen (zum Beispiel SIMATIC S7-PLCSIM Advanced oder NX Mechatronics Concept Designer) lÃ?sst sich ein nahtloser, modellbasierter Entwicklungsprozess realisieren.
Der Anwender profitiert unmittelbar von dem antriebs- und steuerungsbezogenen Erfahrungswissen, das direkt aus der Geräteentwicklungsumgebung SINAMICS in das Modell einfließt. Der wesentliche Unterschied zu bereits am Markt existierenden Lösungen besteht darin, dass die Modelle im Siemens-Testfeld anhand realer SINAMICS-Antriebskonfigurationen validiert wurden. Der Abgleich der virtuellen und realen Instanzen erfolgt über die gleichen Testvektoren, die im Rahmen des Freigabeprozesses auch an den realen Geräten erstellt werden. Kurz und bündig: Mit diesen Funktionsbausteinen erhält der Anwender auf Knopfdruck verifizierte und validierte digitale Zwillinge der von ihm eingesetzten Hardware der Antriebstechnik.
Im Vordergrund steht dabei immer die Benutzerfreundlichkeit. Während Anwender von Simulationsprogrammen gewohnt sind, die für die Simulationsaufgabe erforderlichen Modelle selbst aus den Angaben des Geräteherstellers zu generieren, erhalten Sie mit SINAMICS DriveSim Basic nun eigenständige und geprüfte Einheiten. Der eigentliche Clou ist, dass die Modelle exakt der vorhandenen Antriebsdokumentation, also den Funktionsplänen, entsprechen, mit denen die Anwender bereits vertraut sind. Im Gegensatz zum realen Produkt muss der Kunde nur den Teil des Antriebs konfigurieren, den er für seine Simulation tatsächlich benötigt. Der Anwender kann selbst entscheiden, wie genau das Modell sein soll. Der Antrieb muss nicht mehr vollständig in Betrieb genommen werden - ein aufwändiger Prozess, zumal die nötigen Informationen in der Konstruktionsphase beim Kunden häufig nicht vorhanden sind. Durch die Konzentration auf das Wesentliche kann erheblich Zeit eingespart werden. Dies beschleunigt die gesamte Planungsphase der Antriebsumgebung und erhöht zudem die Qualität der gewonnenen Informationen und damit die Planungsqualität.
Die Zeitersparnis für den Anwender kann erheblich sein: Der Hersteller schätzt, dass Kunden etwa eine Woche benötigen, um Antriebe manuell in Simulationsprogrammen zu emulieren â€" vorausgesetzt natürlich, der Kunde verfügt über entsprechendes Know-how bei der Simulation von Antrieben. Tests und Validierungen am realen Antrieb würden den größten Teil der Zeit in Anspruch nehmen, zumal der Antrieb in einem so frühen Konstruktionsstadium, in dem die Simulation zum Einsatz kommt, vielleicht noch gar nicht genau definiert - und schon gar nicht gekauft - ist. Das bedeutet, dass mit der neuen Simulationslösung die Kundenapplikation mit noch unbestimmtem Antrieb entworfen werden kann, ohne dass man sich zu früh im Entwurfsprozess auf eine bestimmte Antriebskonfiguration festlegen muss.
Schnelleres Engineering mit SINAMICS DriveSim Basic
Die Handhabung ist denkbar einfach: SINAMICS DriveSim Basic bietet für jeden Siemens-Antrieb, z.B. den SINAMICS S120 oder G120, einschließlich der Motoren, ein und dieselbe FMU-Datei. Diese FMU-Datei kann direkt in das eingesetzte Simulationsprogramm importiert werden. Damit stehen die für die Simulation benötigten Antriebsparameter zur Verfügung und auch die Schnittstellen, die für den realen physikalischen Antrieb verwendet werden. So können Antriebskonstellationen in Anlagen und Maschinen gezielt simuliert, angepasst und optimiert werden, bevor ein reales Produkt ausgewählt wurde. Und zwar, bevor ein Konstrukteur den ersten Tastendruck gemacht hat. Die Simulation sollte sich auf die Antriebsumgebung, d.h. die Unterstützung der spezifischen Kundenapplikation konzentrieren und nicht auf die virtuelle Inbetriebnahme aller Feinheiten des Antriebs. Ob virtuelle Inbetriebnahme der SPS-Steuerung mit den bekannten PROFIdrive-Telegrammen oder eine komplexe Mechanik an der virtuellen Antriebswelle - für beide Szenarien bildet SINAMICS DriveSim Basic das Antriebssystem zuverlässig nach. Das sorgt für den notwendigen Detaillierungsgrad, ohne dass sich der Anwender mit der komplexen Antriebskonfiguration beschäftigen muss. Das reduziert den Ressourceneinsatz auf allen Ebenen und macht den gesamten Entwicklungsprozess transparent.
Basierend auf solchen Virtualisierungslösungen wird sich die Zukunft der Automatisierungs- und Antriebstechnik hin zu durchgängigen digitalen Engineering-Prozessen entwickeln und damit den häufig genutzten Ansatz des "Copy & Paste" von bestehenden Lösungen ergänzen. Das bedeutet: Die Konstruktion neuer Anlagen und Maschinen sowie deren (antriebsbezogene) Detaillösungen basieren heute oft auf bereits realisierten Projekten. Mit den neuen Möglichkeiten, die durch Virtualisierung und Simulation, wie sie hier beschrieben sind, können validierte Antriebslösungen ohne großen Aufwand entworfen werden. Dabei dürfen die Vorteile von verteilten Mitarbeitern oder Teams, die am gleichen Modell arbeiten, nicht außer Acht gelassen werden. Das kann auch bedeuten, dass z. B. ein Testfeld nicht mehr benötigt wird. Neben der kürzeren Zeit können auch hohe logistische Kosten zum Teil entfallen. Stehen beispielsweise neue Antriebslösungen voll digital zur Verfügung, müssen sie zum Testen nicht um den halben Globus transportiert werden.
Die Simulation und Virtualisierung von Anlagen oder Maschinen spielt also eine große Rolle, wenn es darum geht, bekannte und etablierte Ansätze neu zu bewerten und neue Strategien schnell und sicher zu erstellen. Daher ist es sinnvoll, dass Anwender zunächst die benötigte Hardware inklusive der zugehörigen Softwaresteuerung simulieren und die zugehörige Topologie virtuell testen. Durch den Einsatz eines solchen "digitalen Zwillings" lassen sich auch die Time-to-Market- und Customizing-Zyklen deutlich beschleunigen â€" mit der oben beschriebenen, einfach zu bedienenden Bibliothek SINAMICS DriveSim.
Virtualisierung erhöht die Kosteneffizienz
Hersteller von Anlagen und Maschinen stehen vor der Herausforderung, dass Kunden Lösungen und Produkte bestellen, sich aber nicht in gleichem Maße finanziell an der Planung und Entwicklung beteiligen wollen. Lückenlos digitalisierte Komplettlösungen sind ein absolutes Muss, wenn sie ihre Wirtschaftlichkeit und damit ihre Wettbewerbsfähigkeit verbessern wollen. Zunehmend können die aus der Vergangenheit bekannten Versuchsaufbauten und aufwändigen und teuren Prototypen entfallen. Diese Vorteile gewinnen mit der Weiterentwicklung und Reifung von Simulationsmodellen immer mehr an Bedeutung.
Vor diesem Hintergrund arbeitet Siemens mit Hochdruck daran, die beschriebene Virtualisierungslösung weiter auszubauen. Vereinfacht ausgedrückt: Anwender von Simulationsprogrammen müssen nur noch die Signalleitungen und das Applikationsmodell an die von ihnen ausgewählten Antriebe anschließen und können diese dann sofort virtuell in Betrieb nehmen. Letztlich hat diese Digitalisierungsstrategie das Ziel, den Antrieb virtuell in Betrieb zu nehmen.
Software als Highway in die Zukunft
Mit SINAMICS DriveSim Basic gibt Siemens eine antriebsbezogene Antwort auf die steigenden Anforderungen rund um das Thema Virtualisierung und Simulation - und zwar unabhängig von einem bestimmten Tool. Und die nächsten Schritte sind bereits definiert. Die softwaretechnischen Möglichkeiten werden immer komplexer und damit auch die Vorteile bei der Entwicklung innovativer Anlagen und Maschinen. Gemeinsam mit Partnern aus der Industrie will Siemens seine Führungsrolle aktiv ausbauen und Softwarelösungen in eine erfolgreiche Zukunft führen. Und zwar nicht nur aus dem Entwicklungslabor, sondern auch "live" aus dem Feld.
Begleiten Sie Siemens auf diesem Weg, wenn Sie Teil dieses Innovationsprozesses sein wollen. Das bedeutet, dass die Anwender gemeinsam mit den Antriebslieferanten bestimmte Merkmale aus dem realen Antriebsportfolio definieren und die Erhöhung des Modell-Detailgrades in die von ihnen gewünschte Richtung beeinflussen können. Eines ist sicher: Die Virtualisierung bietet völlig neue Produktentwicklungsstrategien für den gesamten Bereich des Maschinenbaus. Softwarelösungen wie SINAMICS DriveSim Basic bieten eine solide Basis und gestalten damit die Zukunft der Automatisierungs- und Antriebstechnik mit.
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