Firmware-Simulationsmodelle

Für mehr Datenvielfalt im digitalen Zwilling

Simulationsmodelle sollen die Datenvielfalt im digitalen Zwilling anreichern. Je tiefer die mathematischen Modelle dabei ins Detail gehen, desto realer verhalten sich die damit beschriebenen Komponenten im Fehlerfall. KEB bietet für die Berechnungen ein Simulationsmodell der eigenen Firmware an.
KEB Firmware-Simulationsmodell in einer Simulationsumgebung inklusive der Anbindung an eine KEB PLC und das Softwaretool COMBIVIS studio 6 mit Parametrierumgebung
KEB Firmware-Simulationsmodell in einer Simulationsumgebung inklusive der Anbindung an eine KEB PLC und das Softwaretool COMBIVIS studio 6 mit ParametrierumgebungBild: KEB Automation KG

Die Begriffe ‚Digitaler Zwilling‘ und ‚Simulationsmodelle‘ werden oftmals synonym verwendet, unterscheiden sich jedoch voneinander. Ein Simulationsmodell ist ein mathematisches Modell einer Komponente oder eines Systems, das zur Berechnung von Simulationen genutzt wird. Diese eignen sich für Tests, um etwa Fehlerfälle aufzudecken oder das Systemverständnis zu vertiefen. Dies kann zum größten Teil unter reproduzierbaren Bedingungen erfolgen. Ein Digitaler Zwilling hingegen ist ein weit gefächerter Begriff: In der IDTA (Industrial Digital Twin Association) wird der Digitale Zwilling als ‚Datenabbild eines Assets‘ bezeichnet. Dabei werden digitale Zwillinge für die Industrie 4.0 anhand der Konzepte der AAS (Asset Administration Shell, Verwaltungsschale) umgesetzt. In der AAS werden sämtliche „Daten und Funktionalitäten eines bestimmten Assets – wie Merkmale, Eigenschaften, Zustände, Parameter, Messdaten und Fähigkeiten“ beschrieben. Die AAS setzt sich aus einzelnen Teilmodellen zusammen, die aktuell Identifikation, Typenschild, Dokumentation und Simulation umfassen. Im Teilmodell Simulation werden die hinterlegten Simulationsmodelle eines Assets durch festgelegte Merkmale beschrieben und reichern die Datenvielfalt des digitalen Zwillings an.

Anwendungsfall: virtuelle Inbetriebnahme

Drive Controller bzw. Antriebsregler können in unterschiedlichen Detailtiefen, die in der Regel vom Anwendungsfall bestimmt werden, als zeitbasiertes Simulationsmodell abgebildet sein. Als Anwendungsfall wird beispielhaft auf eine virtuelle Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen eingegangen. Bei einer virtuellen Inbetriebnahme mit dem Fokus auf eine Hardware-in-the-Loop-Simulation (HIL-Simulation) werden z.B. Simulationsmodelle von Antriebskomponenten, Maschinen- und Anlagenteilen in einen HIL-Simulator integriert. Der enthält zudem eine emulierte Feldbus- oder Realtime-Ethernet-Schnittstelle, an die eine reale PLC (Programmable Logic Controller) angeschlossen ist. Die Service- und Prozessdaten von der bzw. an die PLC werden über diese Schnittstelle an die einzelnen Simulationsmodelle verteilt. Die virtuelle Inbetriebnahme soll in diesem Fall etwa Programmierfehler im Steuerungscode aufdecken bzw. das Verhalten der simulierten Maschine testen und validieren.

Ideal ist nicht immer ideal

Das Ergebnis der virtuellen Inbetriebnahme hängt davon ab, in welcher Detailtiefe etwa die Antriebskomponenten modelliert sind. Kommen überwiegend Simulationsmodelle zum Einsatz, bei denen das Verhalten der Komponente durch Re-Engineering entwickelt wurde, können sich diese Modelle im Falle einer fehlerhaften Konfiguration nicht entsprechend verhalten. Da das Verhalten für ideale Voraussetzungen nachgebaut wurde, werden Firmware-Fehler nicht nachträglich in die Simulationsmodelle integriert. Besonders bei der virtuellen Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen ist das Verhalten der Simulationsmodelle von Antriebsreglern und weiteren Komponenten im Fehlerfall hilfreich oder gar zwingend erforderlich. Denn eventuelle Konfigurationsfehler können so erst bei der realen Inbetriebnahme auftreten. Je detaillierter sich also das SimulationmodellI im Fehlerfall verhält, desto weniger Iterationsschleifen sind für die Entwicklung von Maschinen und Anlagen nötig. Ideale Simulationsmodelle liefern hier nur unzureichende Ergebnisse. Darüber hinaus müssen Funktionserweiterungen der Drive Controller nachträglich in die Simulationsmodelle integriert werden. Für möglichst hohe Genauigkeit sollte anstelle des Re-Engineerings die Original-Firmware genutzt werden.

Firmware-Simulationsmodelle

Bei KEB ist die Idee entstanden, den realen Code der Antriebsregler-Firmware in Simulationsmodellen wiederzuverwenden – „u.a. um die Ungenauigkeiten der Re-Engineering-Methode zu vermeiden“, sagt Manuel Brose, Softwareentwickler bei KEB Automation. Dadurch werden sowohl das reale Verhalten des Antriebsreglers berücksichtigt als auch neue Funktionen und Funktionserweiterungen automatisch in den Simulationsmodellen integriert. „Diese Art von Modellen bezeichnen wir bereits als Firmware-Simulationsmodelle“, so Brose. Deren Schnittstellen richten sich nach den digitalen und analogen Ein- und Ausgängen, Messschnittstellen, z.B. zur Erfassung des Motorstroms eines Motorsimulationsmodells, und nach den Feldbus- bzw. Realtime-Ethernet-Schnittstellen. Bei einer virtuellen Inbetriebnahme reagiert das Simulationsmodell sehr detailgetreu auf eventuelle Konfigurationsfehler, da die Firmware-Simulationsmodelle das Objektverzeichnis des realen Antriebsreglers enthalten.

Wie reale Komponenten

Firmware-Simulationsmodelle eignen sich für jene Simulationsanwendungen, in denen sich die Modelle auch im Fehlerfall wie reale Komponenten verhalten müssen. Dieser Bereich kann bei KEB bereits für ausgewählte Antriebsregler und Simulationsplattformen abgedeckt werden. Zukünftig wird das Portfolio der Firmware-Simulationsmodelle um weitere KEB Drives ergänzt. Neben anderen Simulationsplattformen wird auch auf die Bereitstellung der Firmware-Simulationsmodelle als FMUs (Functional Mock-up Units) eingegangen.

www.keb.de

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