Modellbasierte Entwicklung von Regelungsalgorithmen für ...
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MODELLBASIERTE ENTWICKLUNG, Martin Bruckner 27.06.2017
TRUMPF Maschinen Austria GmbH + Co. KG
Modellbasierte Entwicklung von
Regelungsalgorithmen für Abkantpressen
Martin Bruckner
Pasching, 27.06.2017
Leitung Sensorik und Regelungstechnik
MODELLBASIERTE ENTWICKLUNG, Martin Bruckner 27.06.2017
Modellbasierte Entwicklung von Regelungsalgorithmen
2
Vorstellung TRUMPF Maschinen Austria GmbH & Co. KG.
Einsatz von MATLAB/Simulink in der Entwicklung bei TRUMPF Österreich
Workflow bei der Entwicklung von Regelungsalgorithmen
Modulare Entwicklung in MATLAB/Simulink: Gründe/Herausforderungen
Entwicklung mit MATLAB/Simulink am Beispiel der TruBend5000
I4.0: Predictive Analytics bei TRUMPF
Inhalt
MODELLBASIERTE ENTWICKLUNG, Martin Bruckner 27.06.2017 3
TRUMPF ist…
… ein Familienunternehmen
…Innovationsführer
…Technologieführer
… international aufgestellt
seit 1923
in zwei Geschäftsbereichen
71 Tochtergesellschaften ständige Veränderung
NPI
3D
-CAD
Global
Service
FMEA
KIS
SAP
R/3
TruServices
FEM
smarT
TPM
Kenn-zahlen
Synchrone
Produktion
Virtual Reality
VR
InfoTec
ForsaT
Tru-Name
QFD
TRIZ
Modularisieru
ngIntegrierteProdukt-
entwicklungPO Re-
organisation
Produktions-
einheiten Qualitäts-
standard
SYNCHRO
4Purchasing
Excellence
Standard
Projektmgmt
Produktakte
Sales
Excellence
Innovations-
mgmt
Büro
SYNCHRO
Nutzenorientiertes Pricing
CRM
Messe-
konzept
Produkt-
mgmt.
Lieferantenmanagement
Entwicklungs-
PMStandort
Entw.konzepte
AusbildungSYNCHRO-
SpezisTechnologie
Teams
OE
LT
50:50
SYNCHRO plus
Kata
Baureihe
Lieferanten-portal
Produktpfleg
e teams
Plattform-entwicklunm
Multiprojekt-management
Rendite-programm R10
xPert
Easy WM
PurchasingExcellence
Zentral-
bereicheTalent-
programm
ERABündnis für
Arbeit bei
TWN
KVP
3. Bündnis
für Arbeit
Qualifizierung Mitarbeiter
FK-
Beurteilung
Arbeitszeit-
regelung FK-
Trainings
Kunden-
orientierung
Mitarbeiter-
portalTOP
Internationa-ler Personal-austausch 2. Bündnis
für Arbeit
Gesundheits
politik
Familientage
Gruppen-
arbeit
Bündnis
für Arbeit
Potential-
analyse
Neues
Broschüren-
konzept
MIT
Standard Hierarchie-
ebenen
Bündnis für
Arbeit bei TE
Quali in
Kurzarbeit
MINT
Programm
Bündnis für
Arbeit 2016
Mitarbeiter-
befragungenZielvereinbaru
ng
Karriere-
bausteine
Experten-
ebenen
Führungs-
strukturen
TruMatic
7000
TCL
2510 TLC 6005
Schalt-
schrank
TC 1000 R
TruLaser Cell 7000
TC 3000 RTC 500R
TLC 5005
TrumabendV-Serie
TC 200R
TC 600L
TLC 1005
TC 2000R
Tube-
matic
TC 5000R
Qualifier
TLC
Cut 5
TC L
3050
TC 6000 L
TCL
6050
Bendmaster
TruLaser
5030
TruStore
1030/3030
TruLaser
2030
Tru Tops
Fab
TC 3000 L
TC L 3040
TRB
V-Serie
TruLaser
7040 ÜFTSC1
TruLaser
3030 NEU
TruBend
7000
TruLaser
Tube 7000
TruMatic
3000 Fiber
TruBend
Cell
TruPunch3000
TruLaser
5030 Fiber
TruLaser
1030
Turbo-
Laser
TruLaser
5040 Fiber
TCL 3030
Ultrakurz-
Puls-Laser
TruTops
Boost
BrightLine
fiber
1990 1995 2000 2005 2010
* Geschäftsbereich Werkzeugmaschinen
Menschen
Methoden
Produktion in
China
VSZ Italien
Produktion in
CZTG
Russland
2. Job Shop
in China
Produktionin Mexiko
Produktion in
Polen
TG Indien
TG
NL
RepOffice
Vietnam
Job Shop
Indonesien Produktion
Taiwan
1. Job Shop
CNJoint
Venture China
TG
Deutschland
TG
Korea TG
Singapur
Ausbau
USA VSZ
Tschechien
Med. Prod.
In China
Produktion
In Japan
ProduktionFaserlaser in
GB (SPI)
Erwerb JFY
Produktion
Japan neu
Produktion
Singapur Erwerb
Codatto
TG Ungarn
Erwerb
IMM
Märkte
Maschinen*
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Unternehmenskennzahlen
4
Auf einen Blick
Geschäftsjahr 2015/16
Umsatz (in Mio. €) 2.808,5
Ergebnis vor Steuern (in Mio. €) 303,1
Umsatzrendite vor Steuern (in %) 10,8
Investitionen (in Mio. €) 137,6
F+E Aufwendungen (in Mio. €) 296,2
Mitarbeiter (Anzahl zum 30.06.2016) 11.181
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Entwicklung von TRUMPF Maschinen Austria
199120002008
2014
Geschäftsjahr 2015/16
230 Mio.€ Umsatz
550 Mitarbeiter
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Kompetenzzentrum Biegetechnologie
TruBend Cell 7000TruBend Cell 5000 Biegewerkzeuge
TruBend 5000 TruBend 7000TruBend 3000
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Kompetenzzentrum Biegetechnologie
TruBend Center Serie 5000 TruBend Center Serie 7000
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Produkte aus Blech
Lohnfertiger
Beispiel: Münzsortierer
Maschinen- und Anlagenbau
Beispiel: Druckmaschine
Gehäuse- und Apparatebau
Beispiel: Kaffeemaschine
Schaltschrankbau
Beispiel: Schaltschrank
Landmaschinenbau
Beispiel: Konsole
Fassadenbau
Beispiel: TRUMPF Empfang
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Einsatz von MATLAB/Simulink in der Entwicklung
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Systemmodellierung- und Simulation
Identifikation von dynamischen Systemen
Reglerentwurf
„Rapid Prototyping“ von Reglern durch Verwendung der automatischen
Codegenerierung
Simulation von Systemmodellen auf der Zielhardware mittels automatischer
Codegenerierung
Datenanalyse – Predictive Analytics
Anwendungsgebiete
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Workflow TRUMPF bei der Entwicklung von Regelungsalgorithmen
Physikalische Modelle der
einzelnen Komponenten Dynamisches Gesamtmodell
Simulationsmodell Automation Studio
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PLC
Einbettung der Regelung in ein bestehendes Steuerungssystem
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Workflow TRUMPF bei der Entwicklung von Regelungsalgorithmen
Plant XY
Component XY
State-Machine
Controller Observer
Plant A
Component A
Traj.Gen.
HMI
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Modulare Entwicklung in MATLAB/Simulink
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Reduktion TimeToMarket:
Entwicklungsbeschleunigung da auf „fertige“ Komponenten zurückgegriffen werden
kann
Kooperative Bearbeitung möglich
„Investitionsschutz“ – Funktionalität muss nur einmal entwickelt werden
Qualitätssicherung durch automatisierte Tests
Ziele
Modul
Modul
ModulModul
Modul
Modul
Modul
Modul
ModulModul
ModulModul
Modul
Modul
Modul
Modul
Modul
Modul
Modul
Modul
Modul
Modul
Modul
ModulModul
ModulModul
Modul
Modul
Modul
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Modulare Entwicklung in MATLAB/Simulink
13
Kooperatives Arbeiten im Team
System in Komponenten aufteilen
Nachvollziehbarkeit von Änderungen
Wiederverwendbarkeit von Komponenten
Automatisierte Qualitätssicherung getestete Komponenten
Verwaltung der Komponenten
Zentral über subversion (SVN)
Austauschbarkeit von Komponenten
Einfaches Aktualisieren von Komponenten in bestehenden Simulationen
Transparenz der Komponenten (einfacher Zugriff auf interne Daten)
Einheitliche Schnittstellen der Komponenten
Einheitliche Dokumentation der Komponenten
Notwendigkeit von Richtlinien und Konventionen
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Workflow TRUMPF bei der Entwicklung von Regelungsalgorithmen
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Erstellung von Komponenten-Bibliotheken
Mechanik, Hydraulik, Regelung,…
Komponente wird in einer eigenen Bibliothek gespeichert
Komponente getestet Regressionen verhindern
Die Aufteilung in mehrere Dateien ermöglicht den Entwicklern parallel zu arbeiten
Wir verwenden Busobjekte, um mit dem hierarchischen Simulationsaufbau einfach
arbeiten zu können
Die Parametrierung erfolgt über Strukturen die Parameter sind für die Simulation
optimiert
Ziel ist die Verwendung der Maschinenparameter-Datenbank (gleiche Parameter an
der Maschine und im Simulationsmodell)
Versionierung über SVN: abspeichern der Simulink-Dateien im .mdl Format
Modulare Entwicklung in MATLAB/Simulink - Strategie
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Entwicklung mit MATLAB/Simulink am Beispiel der TruBend5000
Eilab: 220 mm/s
Umschaltvorgang Ventile
Pressgang: 10-25 mm/s
Umschaltvorgang
Dekompression: 10 mm/s
Umschaltvorgang
Eilauf: 220 mm/s
Biegeprozess Positionsverlauf
MP
KP
UT
DP
OT
tUT
Zeit
Position
Eilab
Pressgang
Dekompression
Eilauf
Umschaltvorgang
Umschaltvorgang
Umschaltvorgang
MODELLBASIERTE ENTWICKLUNG, Martin Bruckner 27.06.2017
Entwicklung mit MATLAB/Simulink am Beispiel der TruBend5000
16
Auf Basis des Hydraulikplans, unter Berücksichtigung der Datenblätter (Ventile,
Pumpe, …), wird das dynamische System (Differentialgleichungen) und die
Ablaufsteuerung der Presse erstellt
Auf Basis des Simulationsmodells in MATLAB/Simulink wird ein Regler zur
Inbetriebnahme für den Eil- und Pressgang erstellt
Vorgehensweise
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Entwicklung mit MATLAB/Simulink am Beispiel der TruBend5000
Simulationsmodell in MATLAB/Simulink
Sicherheits-
Steuerung
Modell der
hydraulischen
Abkantpresse
Regler
enable
valvesDesired
valvesDesired
nSet
pressures
positions
velocities
valvesPosition
pressures
positions
velocities
valvesPosition
enable
nSet
valvesDesired
valvesSecure
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Entwicklung mit MATLAB/Simulink am Beispiel der TruBend5000
Komponentenmodell der hydraulischen Abkantpresse
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Entwicklung mit MATLAB/Simulink am Beispiel der TruBend5000
Hydraulikantrieb
valvesDesired
nSet
positions
velocities Fhyd
pressures
nAct
valvesAct
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Entwicklung mit MATLAB/Simulink am Beispiel der TruBend5000
Mechanische Teilsysteme
Fhyd
position
velocity
Fhyd
Fpr
ePr
ePr
y
gamma
y
yp
gamma
gammap
yL
yLp
yR
yRp
Pressbalkenmodell Ständerauffederung
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Entwicklung mit MATLAB/Simulink am Beispiel der TruBend5000
Blechmodell
y
yp
gamma
gammap
Fpr
eFpr
alpha
alphap
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Entwicklung mit MATLAB/Simulink am Beispiel der TruBend5000
Simulation – Vergleich mit Messdaten der Maschine
MODELLBASIERTE ENTWICKLUNG, Martin Bruckner 27.06.2017
Entwicklung mit MATLAB/Simulink am Beispiel der TruBend5000
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Auf Basis des Hydraulikplans, unter Berücksichtigung der Datenblätter (Ventile,
Pumpe, …), wird das dynamische System (Differentialgleichungen) und die
Ablaufsteuerung der Presse erstellt
Auf Basis des Simulationsmodells in MATLAB/Simulink wird ein Regler zur
Inbetriebnahme für den Eil- und Pressgang erstellt
Ziel ist es in Zukunft vom Lieferanten getestete Simulationsmodelle für die
Komponenten in MATLAB/Simulink zu erhalten
Der Regler kann über die Simulink-Toolbox ASTarget4Simulink von B&R in das
Automation Studio übernommen und als Funktionsblock in der Steuerung verwendet
werden
Vorgehensweise
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Entwicklung mit MATLAB/Simulink am Beispiel der TruBend5000
Codegenerierung für B&R Automation Studio
MODELLBASIERTE ENTWICKLUNG, Martin Bruckner 27.06.2017
Entwicklung mit MATLAB/Simulink am Beispiel der TruBend5000
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Auf Basis des Hydraulikplans, unter Berücksichtigung der Datenblätter (Ventile,
Pumpe, …), wird das dynamische System (Differentialgleichungen) und die
Ablaufsteuerung der Presse erstellt
Auf Basis des Simulationsmodells in MATLAB/Simulink wird ein Regler zur
Inbetriebnahme für den Eil- und Pressgang erstellt
Ziel ist es in Zukunft vom Lieferanten getestete Simulationsmodelle für die
Komponenten in MATLAB/Simulink zu erhalten
Der Regler kann über die Simulink-Toolbox ASTarget4Simulink von B&R in das
Automation Studio übernommen und als Funktionsblock in der Steuerung verwendet
werden
Messdaten zur Abstimmung des Simulationsmodells generieren
Auslegung des finalen Reglers
Vorgehensweise
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Performance Cockpit:
Volle Transparenz über
die Produktivität der
Maschinen, Kennzahlen
zur Identifikation von
Optimierungspotenzial.
Condition Guide:
Maschinenzustand immer
im Blick, Diagramme zur
Abschätzung von
Handlungsbedarf.
Vorbeugende Wartung,
Erhöhung der Maschinen-
Verfügbarkeit.
26
Industrie 4.0 Aktivitäten bei TRUMPF
Aktuelle Beispiele: Performance Cockpit und Condition Guide
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Predictive Analytics
Fehleranalyse, Fehlerdiagnose, Fehlervorhersage
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1. Bei der Entwicklung von Regelungsalgorithmen für unsere Pressen nutzen wir
MATLAB/Simulink: „Rapid Controller Prototyping“
a. Aufbau Systemverständnis
b. Schnelle Umsetzung neuer Regelungsalgorithmen
c. Verringerung der Maschinenzeiten
d. Verringerung der Entwicklungszeiten
2. Der gezeigte Ablauf wird durch die Anbindung von Automation Studio an
MATLAB/Simulink unterstützt
Codegenerierung hilft uns simulierte Prototypen einfach und schnell auf realen
Maschinen zu testen
3. Das Simulationsmodell inklusive Regler ist die Basis für Untersuchungen im Bereich
Predictive Maintenance
a. Fehlerunterstellungen (Ventilfehler, Sensorfehler,…)
b. Untersuchung von Methoden zur Fehlerdetektion
Entwicklung mit MATLAB/Simulink am Beispiel der TruBend5000
Zusammenfassung
MODELLBASIERTE ENTWICKLUNG, Martin Bruckner 27.06.2017MODELLBASIERTE ENTWICKLUNG, Martin Bruckner
TRUMPF Maschinen Austria GmbH + Co. KG
Martin Bruckner, Leitung Sensorik und Regelungstechnik
Pasching, 27.06.2017
VIELEN DANK FÜR IHRE
AUFMERKSAMKEIT