Moderne Techniken eröffnen der Automatisierungsindustrie die Modellierung auf Systemebene

Philipp Wallner, Global Technology Manager, Bernecker + Rainer Industrie, und Johannes Friebe, MapleSim Europe Director, Maplesoft

Der Druck auf die Industrie, ihre Entwicklungszyklen immer weiter zu verkürzen, nimmt ständig zu. Auf der anderen Seite stellen immer mehr Entwicklungsingenieure fest, dass sie sehr viel Zeit sparen können, wenn sie die Eigenschaften ihrer Systeme ermitteln, bevor überhaupt die ersten Prototypen gebaut werden. So lassen sich z.B. Aktuatoren von Anfang an richtig dimensionieren, wenn man die zu erwartenden Kräfte und Beschleunigungen innerhalb des Systems kennt. Während die Modellierung auf Systemebene in der mechatronischen Entwicklung gerade in den Bereichen Automobilbau und Luft- und Raumfahrt schon weit verbreitet ist, setzt sie sich in der Automatisierungsindustrie nur zögernd durch. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass immer noch die Ansicht herrscht, die Modellierung auf Systemebene sei zeitraubend und erfordere bei der Erstellung der Modelle ein hohes Maß an mathematischem Fachwissen. In der Vergangenheit war das tatsächlich der Fall. Der typische Ablauf (Abb. 1) sah so aus, dass die Systemgleichungen manuell hergeleitet werden mussten, was zeitaufwändig und fehleranfällig war und gewöhnlich zu äußerst komplexen Blockschaltbildern führte. Jüngste Fortschritte in der Entwicklungstechnologie ermöglichen jedoch einen besseren und moderneren Ansatz zur Modellierung und Simulation auf Systemebene.

MapleSim und B&R Automation Studio
Bei einer Entwicklung auf der Grundlage einer Simulation ist die Erstellung eines geeigneten Modells der Maschine oder des Systems ein wichtiger Schritt. MapleSim ist ein fortschrittliches Werkzeug zur physikalischen Modellierung und Simulation, das moderne Techniken einsetzt, um den Zeitaufwand für die Entwicklung der Modelle und deren Analyse drastisch zu verringern und gleichzeitig schnelle, präzise Simulationen zu liefern. Das Modell ist jedoch nur der Anfang.

B&R Automation Studio ist eine integrierte technische Entwicklungsumgebung, bei der die Aspekte Steuerung, Antrieb, Kommunikation und Visualisierung eines Entwicklungsprojekts in einer gemeinsamen Umgebung bearbeitet werden. Durch den Einsatz eines Add-ons, des MapleSim Connectors für B&R Automation Studio, können die mit MapleSim entwickelten physikalischen Modelle schnell und einfach an die B&R-Controllerhardware übergeben werden. So lassen sie sich sofort für Hardware-in-the-Loop-Simulationen einsetzen, die das Verhalten der Maschine in Echtzeit in einer absolut sicheren Testumgebung emulieren.

MapleSim enthält für die Erstellung der Modelle eine grafische Oberfläche, die den allgemein üblichen Systemschaltbildern sehr ähnlich ist. Dies heißt, dass das Wissen über die Struktur des Modells häufig ausreicht, um ein physikalisches Modell zu erzeugen, das in Automation Studio auf der B&R-Hardware läuft. Dieser Prozess, der in Abb. 2 gezeigt wird, ergibt Modelle auf Systemebene, die den weiteren Vorteil haben, leicht verständlich zu sein, was eine schnellere und effizientere Zusammenarbeit bei den Projekten erlaubt.
Außerdem liefert MapleSim die Systemgleichungen in symbolischer Form. Dies hilft, die aufwendigen Berechnungen der Bewegungspfade bei der Lösung der Probleme zur inversen Kinematik zu automatisieren.

Anwendungsbeispiel: B&R Reaktionsrad-Pendel
Das inverse Pendel ist ein bekanntes Beispiel zur Demonstration der Modellierung auf Systemebene und der Strategien für geschlossene Regelkreise. In diesem Fall wird der B&R-Aufbau des Reaktionsrad-Pendels (Reaction Wheel Pendulum) dazu herangezogen, ein MapleSim-Modell des inversen Pendels (Abb. 3) zu erstellen. Die Erzeugung des MapleSim-Modells geht schnell und einfach, und es kann anschließend direkt in B&R Automation Studio importiert werden, um das Modell und die Steuerstrategien zu überprüfen.

Das Modell des Aufbaus nutzt die umfangreiche MapleSim-Bibliothek von 3D-Multibody-Komponenten, einschließlich starrer Träger, Massen und Drehgelenke. Ein MapleSim-Anwender benötigt nur wenig Erfahrung, um ein Modell dieser Komplexität innerhalb weniger Minuten zu entwickeln.
In diesem ersten Testbeispiel wird der Modellcode erzeugt und mit dem benötigten Lösungsmodul exportiert. Diesen Vorgang zeigt Abb. 4. Der mit MapleSim Connector für B&R Automation Studio erzeugte Code ist Eigentum des Anwenders. Es fallen keine Lizenzgebühren an. Dieses Werkzeug wandelt die Differentialgleichungen, die der Bewegung des Modells zu Grunde liegen, in C-Code um, der unter Automation Studio lauffähig ist. Außerdem nimmt MapleSim eine spezielle Optimierung des symbolischen Codes vor, die die Ausführung beschleunigt, ohne Kompromisse bei der Genauigkeit des Modells zu machen.

Mit diesem sehr effizienten Prozess dauert die eigentliche Modellierung, Erzeugung des Codes und Übergabe nur noch wenige Minuten. Möglich wird diese enorme Beschleunigung durch die intuitive Art der Modellierung in MapleSim sowie dessen Fähigkeiten zur automatischen Codeerzeugung. Da der von MapleSim gelieferte C-Code direkt in Automation Studio übernommen werden kann, besteht der letzte Schritt nur noch darin, das MapleSim-Modell der Anlage auf der Hardwareplattform im Rahmen des normalen Workflows von Automation Studio zu überprüfen.

Modellierung auf Systemebene in MapleSim
MapleSim setzt eine Kombination modernster Technologien, z.B. zur physikalischen Modellierung, symbolische Berechnungen und Modelica^® ein, um der Modellierung auf Systemebene eine Reihe von Vorteilen zu eröffnen:
• schnelle, einfache Entwicklung komplexer physikalischer Modelle, einschließlich Multi-Domain- und Multi-Body-Anwendungen
• automatisch erzeugte, leicht zugängliche Modellgleichungen, die zu Modellen führen, die vollständig parametrisch und leicht zu analysieren sind
• erweiterte Analysen mit Hilfe einer leistungsfähigen Programmiersprache und einer Umgebung zur Dokumentation der Entwicklungen
• Einrichtungen zur Erzeugung hochoptimierten Codes für die Anlagenmodelle
• Unterstützung des Modelica-Standards für die Modellierung sowie ausgewählte spezielle Modellierungs-Frameworks für besondere Anwendungsbereiche

Von der Architektur her ist MapleSim eine Modellierungsumgebung, die mit Maple, der bekannten Software für technische Berechnungen, verbunden ist (Abb. 5). Maple stellt eine leistungsfähige Engine für symbolische Berechnungen bereit, die den Ausdruck und die algebraische Struktur der Gleichungen effizient bearbeitet. Für die Ingenieure bedeutet dies, dass sie ihre Berechnungen ohne Näherungen oder Vereinfachungen in einer automatisierten, fehlerfreien Umgebung durchführen können.
 
Mathematisch werden die MapleSim-Modelle im Allgemeinen durch gewöhnliche Differentialgleichungen (ODE) oder differential-algebraische Gleichungen (DAE) definiert. MapleSim enthält eine Option zur schnellen Direkteingabe mathematischer Gleichungen für die Definition benutzerdefinierter Komponenten.
Außerdem bereitet MapleSim die Gleichungen und den Code weiter auf, um den Rechenaufwand während der Simulation zu minimieren. Dadurch liefert MapleSim besonders schnellen aber auch sehr robusten Code, da die mathematische Vereinfachung von sich aus zu einer Verringerung der Komplexität führt.

Schlussfolgerung
Die Kombination von MapleSim mit B&R Automation Studio ermöglicht die effiziente Integration der Modellierung auf Systemebene in die Werkzeugkette von B&R. Die wirkliche Leistung und das Potenzial liegen jedoch im weiteren Konzept, dass dieser Initiative zu Grunde liegt. Die Integration einer benutzerfreundlichen und kosteneffizienten Modellierungsphase auf Systemebene in den Workflow der Automatisierung wird es den Ingenieuren schon bald ermöglichen, Niveau und Differenziertheit der virtuellen Simulationen und der Tests vor der Übertragung in die Hardware wesentlich zu verbessern.

Maplesoft, MapleSim und Maple sind Warenzeichen der Waterloo Maple Inc. Modelica ist ein eingetragenes Warenzeichen der der Modelica Association.


Abbildung 1: Herkömmlicher Arbeitsablauf bei der Modellierung auf Systemebene.
Abbildung 2: Der moderne Ansatz von MapleSim zur Modellierung auf Systemebene ist effizienter und intuitiver.
Abbildung 3: Der Aufbau mit dem Reaktionsrad-Pendel und das MapleSim-Systemmodell.
Abbildung 4: Erzeugung des C-Codes aus dem MapleSim-Modell und Einsatz auf einer B&R SPS oder einem Industrie-PC.
Abbildung 5: Mit Maple können Sie technische Berechnungen schneller und intuitiver durchführen.

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