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TECHNOLOGY FOR FUTURE CONCEPTS
Virtuelle Inbetriebnahme von Sondermaschinen unter Verwendung von Simscape Methoden
Roger Feist und Dennis Preljević
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▪ UnternehmensvorstellungHistorie, Produktspektrum
▪ Motivation und ProblembeschreibungKomponenten eines Walzwerkes, Risikofaktor Inbetriebnahme, Mathematische Modellbildung
▪ LösungsansatzModellbildung mit Simscape, virtuelle Inbetriebnahme, Vorstellung der Toolkette
▪ Virtuelle IBN am Beispiel eines BundtransportsystemsVorstellung des Modells, mögliche Fehlerquellen
▪ Zusammenfassung und FazitVorteile einer virtuellen IBN, weitere Einsatzgebiete
Inhalt
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▪ Organisation
▪ Zu 100 % in Familienbesitz
▪ Eigentümergeführt in 7. und 8. Generation
▪ Rund 380 Mitarbeiter
▪ Eine Produktionsstätte – weltweite Vertretungen
▪ Serviceunternehmen in China und USA
▪ Produktfamilien
▪ OPTIMILL® Walzwerkanlagen
▪ OPTIFOIL® Folienschneidmaschinen
▪ OPTIROLL® Automatisierungssysteme
▪ OPTIPURE® Walzölmanagementanlagen
▪ OPTILINK® Digitale Anlagenvernetzung
Vorstellung des Unternehmens
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1452 1888 1927
1987 2016
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Anforderungen an ein NE-Metall Walzwerk
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▪ Hohe Prozessgeschwindigkeiten
▪ Beste Materialqualität
▪ 24/7 Verfügbarkeit
▪ Geringe Instandhaltungskosten
▪ Minimierung der Nebenzeiten wie Bund- oder Walzenwechsel
→ Nutzen aller Optimierungsmöglichkeiten
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Relevante Fachgebiete für ein NE-Metall Walzwerk
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▪ Interdisziplinäre Fachgebiete
▪ Mechanik, Kinematik
▪ Elektrik, Regelungstechnik
▪ Hydraulik, Pneumatik
▪ Sensorik
▪ Metallurgie
▪ Umformtechnik
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▪ Korrekte Auslegung mechanischer Komponenten
▪ Programmierung von Steuer- und Regelungsalgorithmen ohne Maschinenzugriff
▪ Berücksichtigung der zahlreichen Systemschnittstellen
▪ Funktionaler Test der Steuer- und Regelungs-algorithmen erst beim Kunden
▪ Erster Belastungstest neuer mechanischer Komponenten erst beim Kunden
Folgen
▪ Hohes Fehlerrisiko bei Neuentwicklungen
▪ Hoher Zeitaufwand bei der Inbetriebsetzung
▪ Hohe Kosten bei Fehlfunktionen
Herausforderungen für die Konstruktion
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Zielstellungen
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▪ Schließung der Lücke zwischen Konstruktion und Steuerungsprogrammen
▪ Modularität bezüglich des Detaillierungsgrades der Simulation
▪ Nutzung der vorhandenen 3D CAD Daten
▪ Automatisierung des Workflows
▪ Verwendung des realen Steuerungscodes
▪ Einsatz von Zielsystem-Hardware
▪ Visualisierung der Anlage sowie den Starrkörperbewegungen
▪ Möglichkeit der Kundenschulung
▪ Nutzung für Marketingzwecke
3D CAD DatenHydraulikschemen Kenndaten
Elektro-Komponentenliste
Starrkörper-modelle
VR Umgebung
Dynamische Modelle Elektrik
Dynamische Modelle Hydraulik
Steuer-und Regelungsprogrammen
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PowerSystems Electronics Fluids Multibody Driveline
Simscape
▪ Physikalische Modellierung
▪ Bereitstellung einer große Baustein-Bibliothek
▪ Modularer Aufbau der Simulation
▪ Leichte Kombination interdisziplinärer Fachgebiete
▪ Greifbare Simulationsergebnisse
▪ Einfache Codegenerierung für Echtzeitsimulationen
▪ Leichte Integration in Simulink
▪ Hohe Flexibilität durch Verwendung der Simscape Language
Lösungsansatz mit Simscape
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Virtuelle Inbetriebnahme
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3D CADProgramm
VRUmgebung
Modell-steuerung
Anlagen-steuerung
MATLABSimulinkSimscape
Bedienpult
Export .fbx
Exp
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.stp
Modelltask
Kolli
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Sensor Status
Steuerung Trigger
▪ Anforderungen an virtuelle IBN
▪ Echtzeitlauffähiges Modell
▪ Bereitstellung realer Schnittstellen
▪ Anbindung an Anlagensteuerung
▪ Abbildung der Mechanik zur Kollisionserkennung
▪ Abbildung der Sensorik
▪ Visualisierung der Bauteilbewegungen
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Virtuelle Inbetriebnahme – Toolkette
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3D CAD ProgrammModell-Modellsteuerung
▪ Konstruktion der mechanischen Komponenten
▪ Bereitstellung der Elementeigenschaften
▪ Massen, Schwerpunkte
▪ Trägheitsmomente
▪ Gelenke
▪ Ausführung der Simscape-Modelle
▪ Schnittstelle zur Anlagensteuerung
▪ Echtzeitlauffähiges System
MATLAB/Simulink Simscape
▪ Modellierung der physikalischen Systemmodelle
▪ Abbildung der Bewegungskoordinaten
▪ Berechnung physikalischer Größen
▪ Optimierung der Steuer- und Regelungsalgorithmen
VR Umgebung
▪ Visualisierung der 3D CAD Daten
▪ Abbildung der mechanischen Störkanten
▪ Abbildung der Sensorik
▪ Kollisionserkennung
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Bundtransportsystem – Komponenten
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▪ Bundwagen
▪ Zylinder zum Anheben der Seitenschilde
▪ Hydraulikmotor zum Verfahren des Wagens
▪ Sensoren zur Endlagenbestimmung
▪ Sensor zur Positionskalibrierung
▪ Bundablagen
▪ 3 Ablagen als Puffersystem
▪ Sensoren zur Bunderfassung
▪ Haspel
▪ Auf- und Abwicklung des Materials
▪ Sensoren zur Positionsüberwachung
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Bundtransportsystem – virtuelle IBN
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▪ Simscape Modell
▪ Hydrauliksimulation
▪ Zylinder der Seitenschilde
▪ Ventilsystem und Pumpensystem
▪ Einlesen der Steuerungssignale von der Steuerung
▪ Senden der Positionswerte an die Steuerung
▪ Anpassung der Massewerte
▪ VR Umgebung
▪ Endlagendetektion der Zylinder
▪ Näherungssensoren für Bundablagenerkennung
▪ Bauteilkollisionserkennung
▪ Visualisierung des Prozesses
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Bundtransportsystem – Ergebnisse
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▪ Steuerungsprogramm
▪ Kontrolle der Ablauflogik
▪ Prüfung der Sensorbelegung
▪ Hydrauliksimulation
▪ Systemdrucküberwachung
▪ Prüfung des Systemverhaltens
▪ Prüfung der Komponentenauslegeung
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Zusammenfassung
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Problemstellung
Zielstellung
Virtuelle IBN mit Simscape
▪ Vollständige IBN erst beim Kunden möglich
▪ Hohes Fehlerrisiko
▪ Großer Zeitaufwand für IBN
▪ Kosten bei Fehlfunktion
▪ Schnittstelle 3D Daten und Steuerungsprogramm
▪ Simulation der Anlage
▪ Visualisierung der Anlage
▪ Modularität der Toolkette
▪ Testen der Steuer- und Regelungsalgorithmen schon vor Fertigstellung der Mechanik
▪ Zeiteinsparung während der IBN beim Kunden
▪ Risiko- und Kostenminimierung
▪ Vollständige Modularität durch die verwendete Toolkette
▪ Visualisierung der Anlage in Echtzeit ermöglicht lateralen Einsatz
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Dipl.-Ing. Roger FeistGeschäftsbereichsleiter Digital Solutions
E-Mail: [email protected]: +49(0)2732/799-760
Dennis Preljević, M.Sc. Ingenieur Digital Solutions
E-Mail: [email protected]: +49(0)2732/799-604
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