Konzeption eines digitalen Zwillings für die Kroenert GmbH & Co. KG

Um die Entwicklung des Simulationsmodells voranzutreiben setzten sich zunächst alle Beteiligten zusammen. Dabei stellte sich schnell heraus, dass die normale Vorgehensweise mit einem Top-Down-Modell und einem fest definierten Lastenheft zu keinem Erfolg führt. Wenn beispielsweise Kleinigkeiten übersehen oder Anlagenkonzepte geändert werden müssen, durchläuft das Engineering immer wieder kostenintensive Iterationen und es schleichen sich Fehler ein, die unter Umständen erst bei der Inbetriebnahme entdeckt werden. Deshalb setzte das Entwicklerteam auf eine agile Entwicklung und zerlegte das komplexe Projekt in viele kleine Teilschritte mit einer terminierten Zeit und einer definierten Funktion. Die dadurch entstehende Transparenz wurde genutzt, um das Gesamtvorhaben zu überprüfen und aufgrund neu gewonnener Erkenntnisse anzupassen. Basis bildete deshalb eine streng modularisierte, objektorientierte und auf Projekt- und Treibergeneratoren basierende Kooperationsentwicklung.

Die im März 2020 einsetzende Corona-Krise verlangte von der Entwicklermannschaft zusätzliche Kreativität. Zeitweise fanden die Entwicklung und Validierung der Module parallel über drei Standorte in ganz Deutschland verteilt statt. Hierzu wurde der Hardware-in-the-Loop-Testaufbau dupliziert und die Softwarestände über Update-Mechanismen immer wieder synchronisiert. Da es sich um Anlagen handelt, bei denen der Papier-, Folien- oder Filmfluss gekoppelt ist, mussten die Prozesse äußerst realistisch in einer simulativen Umgebung abgebildet und entwickelt werden. Denn die Reglerprozesse können nur validiert werden, wenn gleichzeitig auch der komplette Maschinenpark in einer Echtzeit-Simulation abgebildet wird. Hierbei war allerdings zu beachten, dass der prozessbedingte Steuerungstakt bei den Kroenert-Anlagen bei einer Millisekunde liegt. Das heißt, jeder Simulationsschritt musste in der Zeitspanne von maximal einer Millisekunde stattfinden. Nach dem Refa-Ablaufprinzip wird diese Leistung nur erreicht, wenn alle anderen Module – und dies sind hier bis zu zwölf Module – miteinander im Takt von einer Millisekunde simuliert werden. Gleichzeitig sollte die Simulation in Echtzeit parametriert werden können, um der hohen Variabilität des Maschinenparks gerecht zu werden.

Dies stellte die Spezialisten von HEITEC vor neue Herausforderungen, denn sowohl für die Antriebe als auch für sonstige Maschinenkomponenten und für die Prozesssimulation galt es, ein in Echtzeit parametrierbares Maschinenmodell zu entwickeln. Mit diesem ließen sich dann während der laufenden Simulation Parameter ohne Beenden und erneutes Starten der Simulation sowohl manuell als auch automatisch anpassen. Diese Controller-based Realtime-Simulation ist die neueste Entwicklung der HeiVM. Sie setzt dabei validierte mechatronische Baukästen und Kommunikationsmodule ein, die bei realen Inbetriebnahmen getestet wurden, und implementiert sie in dezidierte echtzeitfähige Controller und Controller-Emulationen. Dies hat zwei Vorteile: Erstens erhalten damit die hochsprachenbasierten Baukästen ein SPS-Interface, das die SPS- Programmierer als ihre gewohnte Arbeits- und Entwicklungsumgebung kennen und nutzen können. Zweitens übernimmt HeiVM die Architektur der Controller, was den Signalaustausch nach dem Refa-Prinzip erleichtert. Dies bedeutet aber auch, dass das virtuelle Maschinenmodell dieselbe Sprache spricht wie das Steuerprojekt.

Inzwischen sind moderne Controller in ihrer Rechenleistung soweit fortgeschritten, dass sie aufgrund ihrer Multikern- und Threadfähigkeit nicht nur die Antriebs-, Verhaltens- und Reglermodelle deterministisch beschreiben, sondern auch Simulationsaufgaben je nach Priorität und Zykluszeit gezielt festlegen können. Damit ergab sich die Möglichkeit, dass das komplette Verhaltensmodell extern abgearbeitet werden konnte und damit das für die Aufgabe geeignete echtzeitfähige Simulationstool während der virtuellen Inbetriebnahme entlastet wurde. Darüber hinaus reichte die Controllerleistung noch aus, um den komplexen Materialfluss in die Simulation zu integrieren. In der Summe ergab das einen entscheidenden Performancegewinn, dank dem es uns möglich war, eine den leistungstechnischen Anforderungen von Kroenert entsprechende Simulation zu erstellen.
 

Kundennutzen

Wir konnten bei der gemeinschaftlichen Arbeit mit Kroenert die Machbarkeit und den Einsatz digitaler Zwillinge auch für tiefgreifende Prozessaufgaben validieren, wie sie bei Kroenert Standard sind. Durch die Duplizierung des Hardware-in-the-Loop-Testaufbaus und die Synchronisation der Softwarestände über einen Update-Mechanismus war es möglich, gleichzeitig die neu entstandenen Module bei Kroenert bereits auf Funktionalität und Leistungsfähigkeit zu überprüfen, während parallel dazu das HEITEC-Team in Erlangen und im Homeoffice die Module sukzessive ergänzte und andere Module weiterentwickelt hat.

So kam es, dass bis zu drei Entwickler parallel erfolgreich an unterschiedlichen Funktionen an verschiedenen Standorten gearbeitet haben. Dadurch ergab sich ein erheblicher Effizienzschub bei der Entwicklung. Das neu gewonnene Erfolgskonzept, das in enger Zusammenarbeit gereift ist, soll nun auf den gesamten modularisierten Maschinenpark ausgeweitet werden. Die Module werden noch weiter geschärft und endgültig validiert. Ziel ist es, dass die neu entstandene Simulationsmethodik auch auf den gesamten Maschinenpark in Regler-Echtzeit voll abgebildet wird – und das auf einer einzigen Simulationseinheit, ohne den Einsatz zusätzlicher Hardware.