Maschinensteuerung: Virtuelle Inbetriebnahme für neue Hubarbeitsbühne

• Im Vergleich zu Baumaschinen vergangener Jahre können aktuelle Technologien in neuen Maschinen ein erstaunliches Maß an Leistung und Sicherheitsmerkmalen bieten.
• Die traditionellen mechanischen Systeme wurden durch leistungsstarke, bereichsübergreifende technische Produkte ersetzt, die es den Bauunternehmern ermöglichen, schneller und sicherer als je zuvor zu arbeiten.
• Bei der Weiterentwicklung dieser Produkte besteht die größte Herausforderung für die Hersteller jedoch in der Steuerung dieser Maschinen — der Hard- und Software, die es ermöglicht, dass jedes Teilsystem der Maschine präzise zusammenarbeitet.
• Mit digitalem Zwilling und Technologien für die virtuelle Inbetriebnahme kann der Baumaschinenhersteller XCMG nun das Testen der Software für die elektronische Steuereinheit einer Hubarbeitsbühne frühzeitig in den Entwicklungsprozess implementieren.

Als Hersteller von Baumaschinen ist sich XCMG der Notwendigkeit bewusst, ständig neue Technologien einzuführen, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Als Teil des Ziels, weltweit zu den drei führenden Baumaschinenherstellern zu gehören, investiert das Unternehmen stark in die Forschung und Entwicklung neuer Maschinentechnologien. Kürzlich hat das Unternehmen strategisch in digitale Zwillinge und Technologien für die virtuelle Inbetriebnahme investiert. Damit ist es möglich, neue Maschinen anhand genauer virtueller Modelle zu entwerfen, zu validieren und zu optimieren. Diese virtuellen Modelle geben XCMG die Werkzeuge, um ihre Designs viel schneller zu iterieren als herkömmliche, physische Methoden und reduzieren die Notwendigkeit für physische Reisen und Engineering-Kosten vor Ort.

Im europäischen Forschungszentrum von XCMG arbeiteten die Ingenieure an der Implementierung der virtuellen Inbetriebnahme ihrer neuen Hubarbeitsbühne. Das Team wollte das Testen der Software für die elektronische Steuereinheit (ECU) so früh wie möglich im Entwicklungsprozess implementieren, um die erforderlichen Tests an der physischen Maschine zu reduzieren. Um diese Tests durchzuführen, benötigten sie ein physikbasiertes Modell ihrer Hubarbeitsbühne. Diese Modelle, auch als digitale Zwillinge bezeichnet, sollten als Plattform dienen, an der sich verschiedene Steuergeräte testen ließen. Die Steuergeräte konnten bereits in einer frühen Entwicklungsphase als Softwarecode getestet werden oder später in der Entwicklung, wenn sie auf den Hardware-Steuergeräten selbst installiert waren.

Erstellen des digitalen Zwillings

Zur Erstellung des digitalen Zwillings ihrer Hubarbeitsbühne verwendete XCMG MapleSim, ein physikbasiertes Tool zur Erstellung von digitalen Zwillingen, das Konstruktionselemente verschiedener ingenieurstechnischer Bereiche (Domänen) miteinander kombiniert. MapleSim bietet den Anwendern eine Drag-and-Drop-Modellierungsumgebung für die Erstellung dynamischer Maschinenmodelle, so dass die Ingenieure zunächst ihre CAD-Modelle importieren können. Innerhalb von MapleSim lassen sich die digitalen Zwillinge so erstellen, dass sie die Effekte aus mehreren Domänen enthalten — mechanisch, hydraulisch, thermisch, elektrisch usw. Die Ingenieure bei XCMG importierten ihre CAD-Modelle und verwendeten MapleSim für die Erstellung eines 3D-Mehrkörper-Maschinenmodells. Zusätzliche Modellkomponenten fügte man nach dem CAD-Import hinzu, darunter Gelenke, Schieber, Zylinder, Verbindungen und mehr.

In diesem Stadium der Konstruktion konnten die XCMG-Ingenieure 3D-Simulationen der Mehrkörperdynamik ihrer Hubarbeitsbühne visualisieren und alle notwendigen Konstruktionsiterationen durchführen.

FMI-Standard ermöglicht Simulation plattformunabhängiger Modelle

Um die gesamte virtuelle Testplattform einzurichten, verwendete XCMG den FMI-Standard (Functional Mock-Up Interface), der es ermöglicht, plattformunabhängige Modelle zu simulieren und miteinander zu interagieren. Der MapleSim Connector für FMI wurde verwendet, um das gesamte MapleSim-Modell in eine Functional Mock-Up Unit (FMU) zu exportieren, wo es dann für die Verwendung in Fluidon’s Virtual Engineering Lab (VEL) importiert werden konnte. Das VEL, das XCMG erhielt, ermöglicht die Co-Simulation von Ingenieurmodellen in Echtzeit. Diese Co-Simulationen lassen sich in einer Umgebung durchführen, die Maschinensteuerungssoftware (Software-in-the-Loop-Simulation) und Steuerungshardware (Hardware-in-the-Loop-Simulation) umfasst. Durch die Kombination der MapleSim FMU mit der hydraulikbasierten DSHplus FMU verfügten die Ingenieure bei XCMG über eine detailgetreue Co-Simulation ihrer Hubarbeitsbühne.

Die Umgebung zum Testen von Steuerungen

Diese beiden Modelle flossen in die virtuelle Testplattform von XCMG mit ein. Der zentrale Simulationsserver ihrer Plattform (Fluidon VEL) simuliert die digitalen Zwillings-FMUs in Echtzeit und nutzt dabei Informationen aus einer bidirektionalen EtherCAT-Verbindung zu den Steuereinheiten von XCMG. Die Signalumwandlung der physikalischen Größen der Modelle in Sensor- oder Aktorsignale wird mit Hilfe von EtherCAT-Klemmen realisiert.

Verwendung der Testplattform für die virtuelle Inbetriebnahme

Mit der Testplattform kann XCMG nun nicht nur die Leistung der Steuerungssoftware validieren, sondern auch direkt gegen die Hardware-Steuereinheiten testen (Hardware-in-the-Loop-Test). Beide Steuerungsteststrategien bilden die Hauptvorteile eines Ansatzes für die virtuelle Inbetriebnahme und ermöglichen es XCMG nun, den Zeitaufwand für Tests an physischen Prototypen zu reduzieren. Ihre Testplattform kann schnell Simulationen verschiedener Testszenarien durchführen und so mögliche Probleme bei der Inbetriebnahme viel früher im Entwicklungsprozess aufzeigen.

Um die Testplattform weiter zu verbessern, nutzte XCMG auch MapleSim Insight, um eine 3D-Visualisierung der Testszenarien in Echtzeit einzubauen. MapleSim Insight ist ein FMU-basiertes Tool, das XCMG mit seiner Testplattform verbunden hat. Testergebnisse lassen sich so in Echtzeit unter Verwendung der CAD-Informationen des Systems visualisieren. Durch die Nutzung des Echtzeit-Feedbacks von MapleSim Insight konnte XCMG die Leistung seiner Steuergeräte schnell überprüfen und potenzielle Probleme finden, die mit 2-D-Diagrammen und numerischen Simulationsdaten nur schwer zu erkennen wären.

Virtuelle Inbetriebnahme für Feuerwehrfahrzeuge der nächsten Generation

Die von XCMG geschaffene Testplattform erschließt eine Vielzahl von Leistungsmerkmalen für die Entwicklung ihrer Baumaschinen:

• Sicherheitstests. Durch das virtuelle Testen einer Vielzahl von Szenarien kann XCMG die Sicherheit seiner Hubarbeitsbühnen gewährleisten, ohne die Sicherheit des Bedieners zu gefährden oder Schäden an einer teuren physischen Maschine zu riskieren.
• Weniger Zeit mit physischer Inbetriebnahme. Die virtuelle Testplattform ermöglicht es XCMG, viel früher im Entwicklungsprozess mit der Inbetriebnahme zu beginnen, was die Gesamtzeit bis zur Markteinführung verkürzt und die Komplexität der physischen Inbetriebnahmephase reduziert.
• Auf digitalen Zwillingen basierende Konstruktionsverbesserungen. Die von XCMG erstellten digitalen Zwillinge stehen bereit, um Ausrüstungskonstruktionen weiter zu untersuchen, und Simulationen können Ergebnisse liefern, ohne auf einen physischen Prototyp warten zu müssen.
• Bedienerschulung – Da die Testplattform die genaue Leistung der Hubarbeitsbühne simuliert, kann XCMG diese virtuelle Umgebung nutzen, um die Bediener an ihrer Ausrüstung zu schulen. Die Bediener würden das Softwaremodell steuern und bekämen ein Echtzeit-Feedback über die Reaktion des Systems, einschließlich 3-D-Visualisierungen.

Neue Produkte in kürzerer Zeit entwickeln

Indem XCMG die wachsende Notwendigkeit simulationsbasierter Technologien für die Maschinenkonstruktion erkannte, hat das Unternehmen nun erfolgreich eine virtuelle Testumgebung für die Konstruktion und Inbetriebnahme seiner Hubarbeitsbühne entwickelt. Die Vorteile dieser auf virtuellen Inbetriebnahmen basierenden Systeme werden es XCMG ermöglichen, neue Produkte in kürzerer Zeit zu entwickeln und damit wettbewerbsfähiger zu machen. Diese Technologien verbessern weiterhin die von XCMG angebotenen Produkte und verschaffen dem Unternehmen strategische Vorteile auf dem Weg zu seinem Ziel, einer der drei weltweit führenden Baumaschinenhersteller zu werden.

Bild: Durch den Einsatz digitaler Zwillinge von Maplesoft konnte XCMG seine Steuerungsstrategien optimieren, die Leistung der Maschine verbessern und die Sicherheitsanforderungen gewährleisten – und das alles in einem Bruchteil der Zeit, die im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen erforderlich ist. Bildquelle: Maplesoft

Weitere Informationen: https://de.maplesoft.com/index.aspx, https://www.fluidon.com/ und https://xcmg-europe.de/

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