Automatisierungstechnik Lernen mit digitalen Zwillingen für die Industrie

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Universalgelehrte wie früher gibt es heute nicht mehr, zu komplex ist unsere Welt und zu individuell die Aufgaben, die von Spezialisten mit tiefem Fachwissen gelöst werden müssen. Das gilt auch für die Automatisierungstechnik. Hier greift eine neue Lernmethode.

Für Anlagenerstellung und Programmierung sind immer umfangreichere Kenntnisse erforderlich und schnelle Weiterentwicklungen machen eine herkömmliche Ausbildung schwierig. Eine neue Lernmethode mit virtuellem Inhalt, bei der mit digitalen Anlagenzwillingen der Aufbau und die Programmierung auch selbst erstellter Anlagen möglich ist, erlaubt ein flexibles Lernen nach dem neusten Stand der Automatisierungstechnik. Weiterer Vorteil: kostenträchtige mechanische Trainingsmodelle entfallen und interdisziplinäre Ausbildungsinhalte werden möglich.

Automatisierungstechnik: Lern- und Ausbildungsmethoden verändern sich

Mit dem technischen Fortschritt müssen auch die Lern- und Ausbildungsmethoden sich verändern, um mit dem Wandel Schritt halten zu können. Auch hier hat die Digitalisierung Einzug gehalten und nutzt die Vorteile von Virtualisierung und digitalen Zwillingen für die Ausbildung von SPS-Programmierern. Die Software PC-Lab 3D Studio von MHJ-Software bildet dabei typische mechatronische Lernanlagen ab, die immer auf dem aktuellen Stand der Technik sind. Um die Praxisnähe weiter zu steigern, haben die Entwickler spezielle Schnittstellen und Plug-ins geschaffen, mit denen sich die Open Source 3D-Software Blender nahtlos in den Workflow mit PLC-Lab integrieren lässt (Bild 1). Statt wie bisher einzelne, vorkonfigurierte Anlagen zu nutzen, können jetzt individuelle, selbst gestaltete Anlagen oder Anlagenteile verwendet werden. Die Software bietet nun Lernmöglichkeiten vom angehenden Konstrukteur, um Modelle zu erstellen, bis zum Auszubildenden im Bereich Mechatronik, Elektrotechnik oder Automatisierung, der die Programmierung der einzelnen Arbeitsabläufe übernimmt.

Digitaler Zwilling mit realen Vorteilen

In einer virtuellen Umgebung verschiedene Anlagenszenarien zu Übungszwecken abzubilden, hat gleich eine ganze Reihe von Vorteilen. Zum einen kann man flexibel und schnell auf neue Trends in der Automatisierungstechnik reagieren, zum anderen kostet eine Erweiterung des Digitalen Zwillings im Vergleich zu realen Übungsanlagen nichts und ist zudem absolut sicher. Dozenten im Bereich Steuerungstechnik können auf den Lehrplan zugeschnittene mechatronische Modelle entwickeln, Maschinenbauer über eine virtuelle Inbetriebnahme ihre Anlagen oder Maschinen in Betrieb nehmen, indem sie diese mit einer Steuerung koppeln und so das Steuerungsprogramm auf seine Funktionalität überprüfen. Bei realen Übungsanlagen werden Verfahren wie Bohren und Fräsen aus Kosten- und Sicherheitsgründen meist nur simuliert, da hier Dämpfe, Späne und ähnliches entstehen können. Im Digitalen Zwilling dagegen kann virtuell tatsächlich „gebohrt und entgratet“ werden und Fehler in Anlagengestaltung oder Programmierung auch für tiefe Bohrungen komplett simuliert werden. So erkennt man möglicherweise Fehler, die bei nur angedeutetem Bohren unentdeckt bleiben wie vorzeitige Anschläge, fehlende Kühlung oder wenn Späne nicht richtig abgeführt werden. Daraus können Auszubildende viel lernen, ohne dass eine Gefahr entsteht, wenn ein Bohrer abreißt oder sich ansammelnde Späne die Mechanik blockieren. Typische weitere Szenarien, die abgebildet werden, sind beispielsweise der Transport, die Bearbeitung, Sortierung und Erkennung von unterschiedlichen Werkstücken. Aber auch Aufgaben wie Qualitätsprüfungen, komplette oder vereinfachte Fertigungsprozesse, Einlagerungen, Füllstandsregelungen, Pick-&-Place-Aufgaben bis hin zu präziser Positionierung über Antriebe sind virtuell umsetzbar. Das spart gegenüber realen Übungsanlagen enorme Kosten und auch viel Montagezeit, die man besser für Lerninhalte nutzen kann. 

Um solche Möglichkeiten weiter zu diversifizieren und auch spezielle Lösungen für unterschiedliche Branchen neben den Standardaufgaben zu erstellen, wurde die Trainingsplattform für die Zusammenarbeit mit Blender erweitert. Dazu gehören ein schneller Importmechanismus, eine Asset-Bibliothek mit industriellen Bauteilen sowie ein Plugin, das das Hinzufügen von Verhaltenslogik zu 3D-Objekten erlaubt. Damit können nun auch individuelle Anlagen erstellt und neue Objekte gestaltet bzw. importiert werden.

Lernprogramm nach Anforderungen aufbauen

Mit Blender verwendet PC-Lab 3D Studio eine weit verbreitete und etablierte 3D-Software, die eine große User-Community hat und noch dazu kostenlos ist. Der damit aufgebaute digitale Zwilling wird dann ins PC-Lab 3D Studio importiert und steht für eine realistische Anlagenprogrammierung und eine realistische 3D-Simulation bereit. Die Anlagenansichten können frei im Raum gewählt werden, so dass der „Anlagenbetreiber“ immer freien Blick auf alle Arbeitsabläufe hat. Damit der Einstieg leichter fällt, steht in Blender bereits eine Objektbibliothek mit Standardobjekten zur Verfügung, wie Aktoren (Schiebezylinder), Sensoren (optisch, magnetisch, kapazitiv) oder Förderbänder, Rutschen, Rollbahnen etc. Aus diesen lässt sich bereits eine Vielzahl unterschiedlicher Anlagenkonfigurationen schnell zusammenstellen, indem beispielsweise Förderbänder per Drag-and-drop einfach aneinandergefügt werden. 

Für neue Aufgaben oder als Übung für Konstrukteure und Fortgeschrittene können auch beliebige individuelle Objekte entworfen werden. So können auch sehr spezielle Anlagen für eine branchenspezifische, praxisnahe Ausbildung erstellt werden. Bildungseinrichtungen können einen Digitalen Zwilling als fachübergreifendes, gemeinsames Projekt einsetzen, bei dem verschiedene Fachdisziplinen zusammenarbeiten. Konstrukteure entwerfen die Konstruktionszeichnungen und kooperieren mit Elektrotechnikern, Mechatronikern und Fachinformatikern, um den Digitalen Zwilling zu realisieren.

Schritt für Schritt zum digitalen Zwilling

Die Simulationsumgebung ist so aufgebaut, dass der Einstieg leichtfällt. Der Ablauf lässt sich in nur sechs Schritte unterteilen:

(1) Zuerst wird ein 3D Modell mit Blender erstellt,

(2) dann die Objekte vorbereitet; haben sie später dynamische Funktionen, werden sie mit spezifischen Key-Words gekennzeichnet.

(3) Die Objekte werden dann als 3D-Modell exportiert.

(4) Die Datei wird ins PLC-Lab 3D Studio importiert

(5) und dann die Fähigkeiten (Skills) den Objekten zugewiesen und konfiguriert (Bild 2).

(6) Abschließend folgt die virtuelle Inbetriebnahme: Das 3D-Modell wird in den RUN-Zustand geschaltet und mit einer SPS oder Soft-SPS verbunden.

Die Schritte 1-3 werden in Blender, die weiteren Schritte 4-6 mit PLC-Lab 3D Studio umgesetzt. Bei der Simulation werden jetzt oft Fehler entdeckt. Mechanische Probleme beim Aufbau der Anlage wie beispielsweise schlecht positionierte Paketabweiser, die zu einem Stau führen oder überstehende Begrenzungsbleche oder nicht richtig eingestellte Sensoren oder falsche Aktoren sind in Blender dann meist einfach zu beheben. Danach muss man das Projekt erneut importieren und hat eine neue, verbesserte Anlage zur Verfügung. Dann gilt es Programmierfehler zu beheben wie zu langsame oder zu kurze Schieberbewegungen, um Pakete vom Förderband in die richtige Abteilung zu drücken oder die mangelhafte Abstimmung der Förderbandgeschwindigkeit, um Ware zu vereinzeln. Auch solchen Problemen kann man in der Simulation schnell auf die Schliche kommen. Läuft die Anlage, können dann die Abläufe über ein Feintuning der ablaufrelevanten Parameter noch weiter optimiert werden. Reichen die Standard-Objekte aus der Bibliothek (Bild 4) für den reibungslosen Ablauf nicht aus, können auch an dieser Stelle noch eigene Objekte hinzugefügt werden.

Lernen mit unterschiedlichen Steuerungsprogrammen

Die Vorgehensweise entspricht dabei weitgehend jener, die in der Automatisierungstechnik auch bei komplexen Anlagen in der Industrie angewendet wird. Als Grundlage für das Blender-Modell können auch CAD-Daten importiert werden. Die Flexibilität von PLC-Lab gilt auch für die große Bandbreite gängiger industriell eingesetzter Softwareprodukte, mit denen das System kompatibel ist, darunter u.a. S7-PLCSIM aus dem TIA Portal oder Reale S7-300/1200(G2) /1500 Steuerungen von Siemens, Codesys V3 basierte Steuerung koppelbar über OPC/UA und viele mehr. PLC-Lab 3D Studio in Verbindung mit der 3D-Software Blender eignet sich damit ideal zum Lernen mit unterschiedlichen Steuerungsprogrammen, wie sie auch in der industriellen Praxis üblich sind. (anm)

Weitere Informationen: https://www.mhj-online.de/

Der Autor, Dipl.-Chem. Andreas Zeiff ist für das Redaktionsbüro Stutensee tätig.

Alle Bilder: MHJ Software