AutomationSimulation und Datenanalyse im Maschinenbau
Durch die zunehmende Globalisierung und den Druck aus Märkten im Osten und Westen ist der Maschinenbau in Europa gezwungen, sich neu zu erfinden. Während es in der Vergangenheit essentiell war, dass eine Maschine überhaupt ein Produkt erzeugen kann, geht es heute darum, möglichst energieeffizient und schnell sowie mit wenig Bedienaufwand zu produzieren. Dass der Automatisierungsgrad steigt, ist nichts Neues. Neu sind allerdings die Mittel, die dafür zur Verfügung stehen. Industriesteuerungen mit enormen Rechenleistungen machen eine immer komplexere und intelligentere Maschinensoftware möglich. Und Daten – Prozessdaten, Produktdaten, Maschinendaten, etc. – werden in großen Mengen aufgezeichnet. Sie sollen dazu beitragen, den Maschinenbau zu revolutionieren.
Einige Anbieter von Automatisierungskomponenten sind bereits dazu übergegangen, ihren Maschinenbaukunden eigene Blöcke in Simulink zur Verfügung zu stellen. So kann der Initialaufwand für die Modellierung der Anlage zusätzlich verkürzt werden. So stellt etwa der oberösterreichische Steuerungshersteller B&R Modelle seiner Servoantriebe, die ebenfalls mithilfe von Simulationsmodellen entwickelt werden, bereit.
DI Philipp Wallner
Industry Manager Industrial Automation & Machinery, The MathWorks GmbH
„Mit dem Einsatz von MATLAB und Simulink ist der Maschinenbau in Europa bestens gerüstet, um die neuen Herausforderungen in Potentiale zu verwandeln, die ihn wettbewerbsfähiger machen und neue Geschäftsmodelle erschließen.“
Industrie 4.0, Big Data, Industrial Internet of Things – bei in den großen Megatrends unserer Zeit geht es darum, die steigende Softwarekomplexität und die wachsende Datenflut zu bändigen. Diese Entwicklungen stellen sich nicht nur als Herausforderung für den heimischen Maschinenbau dar, sie bergen vielmehr auch ein enormes Potential. Nicht nur liegt hier der Schlüssel für die zukünftige Wettbewerbsfähigkeit von Hochlohnländern. Durch stärkere Wertschöpfung auf der Softwareseite und durch Auswertung von Daten als Service für den Maschinenbaukunden ergeben sich neue Geschäftsmodelle, die in der Vergangenheit undenkbar gewesen wären.
Je nach Datensatz können unterschiedliche 2D- oder 3D- Darstellungsformen gewählt werden, um die aus den Daten analysierte Information zu visualisieren.
Herausforderung oder Potential?
MathWorks entwickelt mit MATLAB und Simulink seit 1984 zwei Plattformen, die Anwender in allen Branchen dabei unterstützen, Daten zu analysieren und Softwarekomplexität zu beherrschen. Ein heutiges Auto als komplexes mechatronisches System – fast schon „ein Stück Software auf Rädern“ – kann nur mithilfe modellbasierter Entwicklung, Simulation und automatischer Codegenerierung mit der geforderten Sicherheit für die Insassen entwickelt werden. Im Finanzsektor werden auf Basis der Analyse enormer Datenmengen Vorhersagen getroffen. Mit zunehmender Bedeutung der Datenauswertung und Komplexität der Maschinensoftware kann der Maschinenbau direkt von den Erfahrungen profitieren, die MathWorks in anderen Industrien gewonnenen hat.
MATLAB ist sowohl eine Entwicklungsumgebung für die Datenauswertung als auch die Bezeichnung für die dabei verwendete Sprache
Von Messdatenauswertung bis Predictive Maintenance
MATLAB ist sowohl eine Entwicklungsumgebung für das Einlesen, Verarbeiten und Darstellen von Daten als auch der Name der die dabei verwendeten Programmiersprache. Die Daten können aus unterschiedlichen Quellen kommen, auch direkt von Messhardware oder Industriesteuerungen via OPC oder ftp. Beim Einlesen der Daten unterstützt ein Import Data Wizard Anwender. Dafür muss keine Zeile programmiert werden. Anwender können Algorithmen für die Datenauswertung oder Vorverarbeitung aus einem umfangreichen Portfolio auswählen und z. B. mit wenigen Codzeilen Schwingungsdaten einer Maschine einlesen, filtern und in die Frequenzanteile zerlegen, um einen potentiellen Lagerschaden zu detektieren.
Die Grafik zur Darstellung der Messdaten kann über Funktionsaufrufe personalisiert und als pdf-Datei oder im Webformat aus- und an Kunden, Kollegen oder Lieferanten weitergegeben werden. Eine einmal verwendete Befehlssequenzen für das Einlesen, Verarbeiten und Darstellen von Messdaten wird als Skriptdatei abgespeichert und kann beliebig oft mit unterschiedlichen Datensätzen wiederholt werden. So erfolgen Datenauswerteprozeduren, die früher mehrere Stunden gedauert haben, auf Knopfdruck. Mit interaktiven Plug-Ins – MATLAB Apps – kann schnell und ohne Programmieraufwand festgestellt werden, welche Auswertung oder visuelle Darstellung sich für den vorliegenden Datensatz am besten eignet.
Im Maschinenbau wird MATLAB bisher meist für die Auswertung bereits aufgezeichneter Messdaten verwendet. Indessen erhält die Predictive Maintenance immer größere Aufmerksamkeit. Dabei werden Größen wie Schwingungen oder Temperaturen kontinuierlich aufgezeichnet und online ausgewertet. Spitzen im Frequenzspektrum können hier beispielsweise auf Vibrationen und damit auf einen bevorstehenden Lagerschaden hindeuten. Durch den Einsatz von Predictive Maintenance lassen sich Produktionsunterbrechungen für Wartungsarbeiten verkürzen und die vorhandenen Produktionskapazitäten besser nutzen. Für die Onlineauswertung von Messdaten werden die in MATLAB entwickelten und mithilfe von aufgezeichneten Daten getesteten Algorithmen ohne zusätzlichen Benutzereingriff in C oder C++ Code übergeführt. In dieser Form laufen sie dann auf der Industriesteuerung mit und informieren Maschinenbetreiber über den aktuellen Maschinenzustand. Der oberösterreichische Anlagenhersteller Stiwa konnte mit MATLAB durch die schnelle Analyse der enormen Datenmengen, die während der Produktion anfallen, eine Verkürzung der Taktzeit um 30% erreichen.
Der Steuerungshersteller B&R stellt seinen Kunden Simulinkmodelle seiner Servoantriebe zur Verfügung.
Entwickeln und testen in der Simulation
Die grafische Umgebung von Simulink ermöglicht Anwendern das Erstellen eines Simulationsmodells für das Testen anspruchsvoller Software aus Bibliotheksblöcken. Die erforderlichen Blöcke werden aus dem „Simulink Library Browser“ in das Modell gezogen und dort verknüpft. Bei Bedarf können die vorhandenen Blöcke um eigene erweitert werden.
Im Maschinenbau werden meist nur einzelne – besonders kritische – Komponenten der Gesamtanlage modelliert und die zugehörige Software direkt im Simulationsmodell entwickelt. Der Vorteil: Muss bei herkömmlicher Entwicklungsweise das Funktionieren der Maschinensoftware an der physikalischen Anlage verifiziert werden, erfolgt dieser Schritt bei modellbasierter Entwicklung bereits vorab in der Simulation. Umfangreiche Tests, die an der Maschine zu langwierig, zu teuer oder zu gefährlich wären, sind in der Simulation problemlos möglich. Für mehrstufige Tests mit unterschiedlichen Eingangsdaten steht auch in Simulink MATLAB als Programmiersprache für Testabläufe zur Verfügung. Die Vorparametrierung von Reglern in der Simulation spart zusätzliche Zeit bei der Maschineninbetriebnahme.
Wie aus MATLAB kann auch aus Simulink automatisiert Steuerungscode für SPS oder IPC generiert werden. Unterstützt werden IEC61131-3, C und C++ Code und die Anbindung an die Entwicklungsumgebungen der gängigen Steuerungssyteme.
Das Simulationsmodell wird aus den im Simulink Library Browser vorhandenen Blöcken zusammengestellt.
Neue Herausforderungen eröffnen neue Potentiale
Der Spritzgießmaschinenhersteller Engel konnte auf Basis von Simulationsmodellen in Simulink und Testskripts in MATLAB die Gesamtentwicklungszeit verkürzen und zugleich die Regelungsqualität der Maschine erhöhen. MATLAB kommt seit über dreißig Jahren immer dort zum Einsatz, wo Daten ausgewertet und visualisiert werden. Simulink wird eingesetzt, um anspruchsvolle Software frühzeitig mittels Simulation zu verifizieren. Mit dem Einsatz dieser beiden Plattformen ist der Maschinenbau in Europa bestens gerüstet, um die neuen Herausforderungen in Potentiale zu verwandeln, die ihn wettbewerbsfähiger machen und neue Geschäftsmodelle erschließen.
Teilen: · · Zur Merkliste