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Entwicklungsmethodik für SPS-gesteuerte - ETH E

1. ueeessssssssssssssseennennnnnnnnsnnennennnnnnnnnnnnnnnn 41 2 5 3 Verbesserung der Konsistenz interdisziplin r relevanter Daten 1m dom nenspe ZU ISChen ENWUH Al essen 42 2 5 4 Planm ssiges Vorgehen zur Entwicklung SPS gesteuerter Systeme A2 43 2 5 5 Unterst tzung der Konstruktion und Steuerungstechnik durch Software A3 43 23 0 FAZ wre See engen ee 44 3 Interdisziplin re Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme 45 31 Neue Moode zer E ee 46 3 11 EFS Erweiterte Funkti nsstruktur ainireti 46 3 1 2 EFS zur Ableitung des SFC der I O Liste und der Baugruppen 48 3 1 3 EFS als Br cke zwischen der Konstruktion und der Steuerungstechnik 51 3 2 Adaption des planm ssigen Vorgehens uuccssesssesseseeeeeseeneesnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnen 54 3 3 Neue Software zur Unterst tzung der Methoden 0 ccccceessseseeecccceeeeeeeeeeeeeeeeaaaes 62 VI A Kallstudie coer 73 4 1 Die Kammmaschine der Firma Rieter im Spinnprozess ueesessssssssssseeeeeeeennnnn 73 4 2 Erstellung der EPS WELVAN sites eee ENN 76 4 3 Nulzungsder in ELVAN definierten EFS au Ham ent aaenaans 82 4 3 1 Der Weg zum Konstruktionsentwurf ueessssssssssnnnnnnnnnnnnssnnnennnnnneeeenennnnnnnnn 82 43 2 Der Wee Zum Steuerunssentwurt ars ae 86 4 3 3 Der Weg zur virtuellen Inbetriebnahme 222222222222200seeeeeeennnnnnnnnnn 89 5 Abschliessende Betr
2. Abbildung 36 Kontextmen der Inputs 4 8 SPS ID bearbeiten Mit Hilfe dieser Funktion im Kontextmen kann die Identit t der Funktionen und ber gangsbedingungen in der SPS ge ndert werden Mit dem Erstellen der Funktionen und bergangsbedingungen bestand im Fenster Funktion hinzuf gen beziehungsweise bergangsbedingung hinzuf gen die M glichkeit die SPS Identit t des Shapes zu definieren Wurde n dieser Zeile kein Eintrag erstellt so wurde von ELVAN automatisch eine Default SPS ID f r das Shape definiert Dieser Eintrag kann jedoch jederzeit ber das Kontextmen durch Anklicken der entsprechenden Funktion oder bergangsbedingung mit der rechten Maustaste ge ndert werden 130 Benutzerhandbuch der Software ELVAN 4 9 In der Hierarchie zeigen Durch Aktivieren dieser Funktion im Kontextmen wird im Fenster Funktionshierarchie das betreffende Shape angezeigt Abbildung 37 1 Entsprechendes Shape mit der rechten Maustaste anklicken 2 Kontextmen gt In der Hierarchie zeigen 3 Im Fenster Funktionshierarchie wird der entsprechende Eintrag blau hervorgehoben Tr I r Funkt E Ciir LILII IS E Systemfunktion erf llen SFC Start Flementarfunktion 11 erf llen bergangsbedingungen f Ubergangsbedingung 11 12 SFC Start Elementar funktion 12 erf llen Elementar funktion 3 erf llen Ubergangsbedingungen Hauptfunktion 2 erf llen Hauptfunktion 3 erf llen Ubergangsbed
3. Gestaltung unter Beachtung der Prinzipien der automatischen Steuerung Musterbau Erprobung Systemrealisierung Bild 22 Phasenmodell mechatronischer Systeme nach Kallenbach 41 f r Stellantriebe ist in 42 ein analoges Phasenmodell dargestellt Analog zur VDI 2221 Bild 7 wird m ersten Arbeitsabschnitt die Aufgabenstellung pr zisiert Anschliessend wird eine hierarchische Funktionsstruktur inklusive St rfunktionen erstellt Die Gestaltung des physikalisch heterogenen Gesamtsystems umfasst die Zerlegung der Gesamt funktion in Teilfunktionen und das Gestalten der Elemente die diese Teilfunktionen m glichst optimal erf llen Zur Verk rzung der Entwicklungszeit fordert Kallenbach eine Sammlung be w hrter Funktionsstrukuren Funktionsstrukturspeicher und wissensbasierte Entscheidungs hilfen zur Auswahl der Funktionsstrukturen auf unterschiedlichen Hierarchieebenen Eine Analyse der Funktions Gestalt Beziehungen ber geeignete Entwurfswerkzeuge optimiert die gesamte Gestalt des Systems Durch das Gliedern in realisierbare Subkomponenten ergibt sich eine Aufteilung in die Dom nen Mechanik Elektrik und Softwaretechnik Pro Komponente Stand der Technik 29 folgt eine Phase der Strukturfestlegung der Prinzipauswahl und der Variantenbildung mit an schliessender Bewertung und Auswahl Kallenbach fordert die Entwicklung offener Entwurfs systeme die durch gut strukturierte Datenspeicher den Entwurf effektiv unterstutzen ohne
4. WEG wae doCentRollOpening 2 00 diCentRollOpen Weg Zentrierrolle a B57 O O O OOOO O en s pon eae E doPushFullCanFrwd 1 20 diPushFullCanFrontPos Waban oe ae Weg Kolben volle Kanne volle Kanne ee Wechsel volle diPushFullCanBackPos Kanne WinMOD Projekt fi Erweiterte_1_O_Liste Symbol Adresse Kommentar Produktmodul Simulationsmodul BMK Geschw Stellzeit Hub A_Herstellerbe Op globale Operanden 7 dicentRollClosed xEO S Positioniert K Kannenwechsel Zentrierrolle B58 is Peripherie Treiber DOr diPushEmptyCanBackPos xEO 1 Zylinder Grun Kannenwechsel Yorratskanne B52 Ei externe Dateien y diPushEmptyCanFrontPos XE0 0 Kannenwechsel Yorratskanne B51 Y diPushFullCanBackPos xE0 3 Kannenwechsel Kanne B54 7 diPushFullCanFrontPos xE0 2 Leerkannena Kannenwechsel Kanne BS3 v doCentRollOpening xA8 0 Positionierun Kannenwechsel Zentrierrolle vol 35_270 Festo DGS 2 doPushEmptyCanfrwd xA8 2 Kannenwechsel Yorratskanne O4 2s_0 5m Festo DGS 31 doPushFullCanFrwd XA8 1 Kannenwechsel Kanne Yoz 5s_0 8m Festo DGS 1 y diNotSkStop xE3 4 Test Sicherheitskreis Watch Dog KOS doWatchDog xA9 0 Sicherheitsrel Test Sicherheitskreis Watch Dog KO6 0 001 Siemens Q14 Bild 67 Abbildung des Maschinenverhaltens in WinMOD nach dem Import der erweiterten WO Liste Startet man nun die Ablauflogik wie in Bild 66 dargestellt in Kombination mit WinMOD m ssen die
5. 4 3 2 Fl sse anlegen Dies erfolgt analog der n Abschnitt 4 2 2 dargestellten Flussdefinition 4 3 3 bergangsbedingungen anlegen l A Im Fenster ELVAN_Addon_de CH das Element Ubergangsbedingung selektieren und per drag amp drop auf das vorbereitete Arbeitsblatt setzen Darauf ffnet sich das Fenster Ubergangsbedingung hinzuf gen Abbildung 21 bergangsbedingung benennen durch eine entsprechende Eingabe im Feld Text des Shapes Optional dazu kann der bergangsbedingung auch eine Identit t f r die SPS Steuerung gegeben werden Dabei ist zu beachten dass diese Identit t nur aus maximal 24 Zeichen bestehen und keine Leerschl ge oder Sonderzeichen enthalten darf Mit Ok best tigen bergangsbedingung nach Wunsch ausrichten bergangsbedingung mit entsprechendem Informationsfluss dynamisch verkn pfen berganesbedineung hinzuf gen Text des Shapes Ubergangsbedingung D 1 ID f r SPS optional Max Ad Zeichen leer und Sonderzeichen sind nicht erlaubt Ok Abbrechen Abbildung 21 bergangsbedingung anlegen 4 4 Unterfunktionen hinzuf gen l 2 Die Funktion der Unterfunktionen hinzugef gt werden sollen mit der rechten Maustaste anklicken Kontextmen gt Unterfunktionen hinzuf gen Abbildung 22 118 Benutzerhandbuch der Software ELVAN Ubergangsbedingung HH 1 FFooergens bedingung 0 1 l Zur ck zur Yaterfunktion SPS ID bearbeiten Aktor definieren K
6. Abbildung 49 zeigt die beiden I O Listen aus dem Simatic und dem WinMOD Export mit dem Byte Offset 5 f r die Outputvariabeln Byte Offset Andern Sele Aktueller Offset Neuer Offset 5 Abbrechen p Abbildung 48 Fenster Byte Offset ndern Abbildung 49 zeigt das angepasste Byte Offset f r die Outputvariabeln in den exportierten I O Listen f r WinMOD und Simatic El Microsoft Excel WinMOD_105 Datei Bearbeiten Ansicht Einf gen Format Extras Date Au A WW ne BU SUR ee ee Ale PETI cad E E symbols Editor TAT Be o poeno Di Bebete fom anih 2 Symbolname Adresse Typ 126 cycle Execution OB 1 OB 1 Operanden in WinMOD peo a eet ae Wea ne aa I 0 0 BOOL ee 2 ia LER ame send ze CEN 126 d i_arpeitsstel lung_uU_ I O 2 BOOL 3 2 di objekt_anwesend_S_E AEU 1 BE 125 di_grundstellung_unt 10 I 0 3 BOOL 4 aldi arbeitsstellung U4 E0 2 EI ee I 0 4 BOOL 126 di grundsteilung nt 14 I 0 5 BOOL en m a I 125 di_arbeitsstellung_U_15 I 0 6 BOOL _arbeitsstellung 128 di_grundstellung_ nt_16 I 9 7 BOOL 7 amp ldi_grundstellung Unt_14 xEO S EI f 26 do_ein_unterfunktion 4 Q 5 0 Bool 7ldi_arbeitsstellung U 15 xE0 B EI do_ein_Unterfunktion 6 Q 5 1 a 3 aldi grundstellung Unt 16 XED7 BI 126 do ein unt u 2 2222 EA 10 9 do_ein Unterfunktion_4 KASD BO 9126 TIME_TCK SFC 54 SFC 11 10 do_ein_Unterfunktion_6
7. Durch diese inhaltliche Trennung ergibt sich eine Reihenfolge bei der Betrachtung der funktionalen und zeitabh ngigen Aspekte 2 4 9 Osmers Osmers schlagt in 57 eine VR gestutzte Projektierung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme vor Bild 30 zeigt die dazu notwendigen Schritte unter Verwendung einer prototypen haften Erweiterung des VR Toolkits der Firma Superscape LTD 38 Stand der Technik Erweiterung des VR Toolkits der Firma Superscape 3 Bild 30 Projektierung und Spezifikation VR gest tzter SPS Programme nach Osmers 57 Vordefinierte Geometrie wird aus einer Betriebsmittelbibliothek ausgewahlt und in der VR Umgebung platziert Dieser Schritt beinhaltet auch das Anbringen vordefinierter Aktoren und Sensoren Anschliessend werden Parameter wie z B die Stellgeschwindigkeit eines Aktors in der VR Umgebung definiert Wenn alle Aktoren und Sensoren platziert sind kann die I O Liste abgeleitet werden Unter Verwendung der Variablen der I O Liste k nnen die logischen Abl u fe in der VR Umgebung programmiert werden Eine Soft SPS innerhalb der VR Umgebung er m glicht nun eine erste virtuelle Inbetriebnahme 1m Stile der Virtuellen Maschine Bild 16 Es ist auch m glich AWL Code Abschnitt 2 3 zu erzeugen in SIMATIC 65 zu kompilieren und auf eine SPS von SIEMENS zu laden ber das Multiple Protocol Interface MPI von SIE MENS l sst sich die SPS mit der VR Umgebung koppeln und eine virtuelle Inbetriebnahme mit
8. ELVAN installieren Das ELVAN Release besteht aus drei Dateien e EVASetup msi e Setup exe e Setup Ini Um die Installation zu beginnen wird die Date Setup Exe mit Doppelklick ge ffnet Darauf erscheint das Fenster des ELVAN Setup Assistenten welches den Benutzer ber seine Schritte informiert und durch die Installation f hrt Abbildung 1 Name Size Type Date Modified i EYASetup msi 1195KB Windows Installer F 21 05 2006 21 00 ge Setup Exe 112KB Application 29 03 2003 01 23 Setup Ini IKB Configuration Settings 21 05 2006 20 54 f ELVAN Visio addon Willkommen beim Setup Assistenten yon ELVAN visio addon Der Installer wird Sie durch die zur Installation von ELVAN Visio addon erforderlichen Schritte f hren WARNONG Dieses Programm ist durch US amerikanische Urheberechtsgesetze und internationale Urheberrechtsvertr ge gesch tzt Unbefugte Yervielfaltiqung oder unbefugter Wertneb dieses Programme oder eines Teils davon wird sowohl strat als auch ztvilrechtlich verfolgt und kann schwere Strafen und Schadenersatzforderungen zur Folge haben Abbildung 1 ELVAN Setup Assistent Die drei Schaltfl chen Abbrechen Zur ck und Weiter am unteren rechten Ende der Fenster ELVAN Visio addon Abbildung 1 dienen der Navigation durch die Installation welche vier Schritte umfasst Durch Anklicken der Schaltfl che Abbrechen wird die Installation Benutzerhandbuch der Software ELVAN 103 vollst ndig abgebrochen Anklicke
9. Function Block Diagram FUP Funktionsplan e IL Instruction List AWL Anweisungsliste e LD Ladder Diagram KOP Kontaktplan 18 Stand der Technik Die Hochsprache ST hnelt der Programmiersprache PASCAL Sie stellt Operatoren wie z B SIN OR MOD und Anweisungen wie z B IF CASE FOR WHILE fur die prozedurale Programmierung zur Verfugung FBD heisst zwar auch Funktionsplan FUP in der deutschen bersetzung darf aber nicht mit den Funktionspl nen der Normen DIN 40719 6 19 oder DIN EN 60848 22 verwechselt werden FBD erlaubt das boolsche Verschalten von Logikgattern Bild 47 IL setzt sich aus einer Folge von Anweisungen zusammen Jede Anweisung muss e1 nen Operator z B AND mit optionalen Modifizierern enthalten Der Modifizierer N zeigt z B die boolesche Negation des Operanden auf den der Operator wirkt an So ist die Anweisung ANDN B als aktueller Wert aktueller Wert AND NOT B zu verstehen LD kommt den Programmierern entgegen die schon Steuerungen in Relaistech nik entwickelt haben Ein bestehender Relaisstromlaufplan kann via LD meist direkt f r eine SPS implementiert werden 79 Aktoren werden dabei ber Relais Sensoren ber Kontak te angesprochen Zur Implementierung dieser Sprachen kommen SPS Programmierumgebungen wie z B SIMA TIC von SIEMENS 65 oder das Automation Studio von B amp R 7 zum Einsatz Dabei sind alle f nf genormten Programmiersprachen miteinander
10. State Chart Bild 28 POA Toolbox 60 Nach der Zielformulierung wird eine Hierachie von Flussdiagrammen erstellt in denen die Pro zesse des Produktionssystems spezifiziert werden Der Schwerpunkt liegt hier auf den Schnitt stellen zwischen den Prozessen mit ihren Material und Informationsflussen Eine Analyse der Kosten kann ber das Value Flow Diagram durchgef hrt werden indem zus tzlich Werte und Kosten in das Flussdiagram eingetragen werden Eine Optimierung der verwendeten Resour cen wie z B Energie ist durch das Resource Flow Diagram m glich Einem Prozess innerhalb eines Flussdiagramms kann ein Zustandsdiagramm State Chart zu geordnet werden Dieses beschreibt alle Zust nde und Zustands berg nge des jeweiligen Pro zesses Basierend auf den Zustandsdiagrammen k nnen nun Simulationsmodelle und Programme f r die Steuerung abgeleitet werden Eine Methode zur Ableitung einer der f nf Stand der Technik 37 SPS Programmiersprachen 23 existiert nicht Analog zu den Flussdiagrammen k nnen die Zustandsdiagramme hierarchisch aufgebaut werden Bild 29 J Flow diagram Functional hierarchy Bild 29 Hierarchie der Prozesse und Zust nde in POA Ein Flussdiagramm enth lt mindestens einen Prozess Einem Prozess kann wiederum ein Flussdiagramm oder ein Zustandsdiagramm zugeordnet werden Ein Zustandsdiagramm enth lt mindestens zwei Zust nde welche wieder ein Zustandsdiagram enthalten k nnen
11. Werte wie z B der aktuellen Temperatur sind die so genannten analogen I O s hinzugekom men Das SPS Programm spricht alle Ein und Ausg nge ber vordefinierte Variablen an In der Praxis und in dieser Arbeit hat es sich bew hrt einen Pr fix m Variablennamen zu verwenden der die I O s kennzeichnet e di f r digitale Inputs e ai f r analoge Inputs e do for digitale Outputs e ao for analoge Outputs 10 Stand der Technik So heisst z B eine Eingangsvariable einer Lichtschranke zur Detektion von Personen diPer sonDetected Diese Input und Outputvariablen werden parallel zur Programmierung in der SPS Programmierumgebung inklusive eindeutiger Bitadressierung in der so genannten V O Liste angelegt Beispiele f r solche I O Listen zu einem SPS Programm finden sich in Bild 49 in Bild 50 und in Bild 65 2 2 Konstruktion Der Produktentwicklungsprozess der Konstruktion ist n Bild 7 der VDI Richtlinie 2221 73 bersichtlich dargestellt welche auch f r andere Dom nen anwendbar st Die begriffliche bertragbarkeit der VDI 2221 auf die Verfahrenstechnik Feinwerktechnik und Softwareent wicklung st n 73 nachgewiesen Das planm ss ge Vorgehen aus Bild 7 kann dar ber hinaus z B auch fur die Entwicklung von Lehrveranstaltungen 2 eingesetzt werden Arbeitspakete Arbeitsergebnisse Phasen Aufgabe Kl ren und pr zisieren der Aufgabenstellung Rarer der Aufgabenstellung 2 Anforderungsliste Y e
12. Zus tzlich werden Funktio nen mit Unterfunktionen gefiltert da hier auch schon eine Konkretisierung stattgefunden hat Somit verbleiben alle Elementarfunktionen welche keine Aktorfunktionen sind n der Excelta belle Bild 51 nach dem Export aus ELVAN Bei der virtuellen Inbetriebnahme durch die Virtuelle Maschine Bild 16 wird mit der Eventsi mulation die Br cke zwischen der SPS der Steuerungstechnik und dem 3D Modell der Kon struktion geschlagen Zur effizienten Erstellung dieser Eventsimulation lasst sich eine erweiterte I O Liste von der EFS ableiten Bild 52 Interdisziplinare Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme 71 Nomos eena ness doCentRollOpening XA8 0 Typ BI JB BO Defaultwert 0 jo 10 Kommentar PostoniertKanne 222 Positionierung Kanne Kannenwechsel Simulationsmodul _ _ _ Zentrierrole Zeentrierrotle Stellzeit GeschwindigkeitWeg 8 Y01 Herstellerbezeichnung der Aktoren und Sensoren Festo DGS 25 Bild 52 Erweiterte I O Liste zur automatischen Kopplung der Eventsimulation WinMOD 50 mit einer SPS und zus tzlichen Aktor und Sensorinformationen zur Unter st tzung der Modellerstellung einer Eventsimulation In der erweiterten I O Liste sind analog zur I O Liste f r SIMATIC Bild 49 die notwendigen Informationen zu den I O s abgelegt In Bild 52 ist ein Beispiel f r die Eventsimulation Win MOD 50 dargestellt Eine Exceltabelle in diesem Format erlaubt das automatisc
13. beschriebenen Aktordefinition Dabei ist einzig im Fenster Aktor unter der Rubrik Typ beim Eintrag Aktor statt der Artikelnummer der Eintrag Dummy anzuw hlen 4 5 5 Aktor l schen l Die entsprechende Aktorfunktion mit der rechten Maustaste anklicken 2 Kontextmen gt Aktor l schen Abbildung 23 rechts 3 Darauf erscheint das Fenster Aktor l schen Abbildung 24 4 L schungsvar ante w hlen Nur diesen Link l schen oder Aktor mit allen seinen Referenzen l schen Dabei l scht der erste Befehl nur die Verkn pfung zwischen dem gew hlten Aktor und der zugeh rigen Funktion Mit dem zweiten Befehl wird der gew hlte im Projekt definierte Aktor ganz aus selbigem gel scht 5 Mit Ok best tigen 4 5 6 Aktorname im Kontextmen Durch Anklicken der Aktorfunktion mit der rechten Maustaste erscheint das Kontextmen mit dem Eintrag Aktor Name Aktor Anklicken dieses Eintrags mit der linken Maustaste ffnet das Fenster Aktor worin die bestehenden Aktordefinitionen ge ndert und erweitert werden k nnen Abbildung 28 zeigt den Aktornamen m Kontextmen exe fie fatd Fa Gehe zu den Hauptfunktionen Zur ck zur Vaterfunktion 5P5 ID bearbeiten J Aktor l schen 2 In der Hierarchie zeigen EL Aktor Mame do Susschneiden 3 Kopieren FEN Einf gen Ansicht Format Shape Hilfe Abbildung 28 Aktornamen 1m Kontextmen 4 6 Sensor definieren Sensoren k nnen sowohl den bergangsbeding
14. dass es einfacher wird diese Funktionen zu beschreiben und zu interpretieren Dies wird anhand der Gegen berstellung einiger Funktionen einer Druckmaschine offensicht lich Bild 9 Stand der Technik 13 Bild 9 Pragmatische Funktion Stapel im Anleger handhaben Stapel in Anleger einfuhren Hilfsstapel im Anleger bilden Stoff verzweigen Haupt mit Hilfsstapel im Anleger vereinen Stoff verknupfen Pragmatische Funktionen im Vergleich zu konstruktionsmethodischen Funktionen fur einen Anleger einer Druckmaschine aus 25 Obwohl die pragmatischen Funktionen konkreter sind als die Konstruktionsmethodischen wer den die einzelnen Teill sungen f r den Anleger der Druckmaschine noch nicht vorweggenom men Im Arbeitsabschnitt 3 der VDI Richtlinie 2221 Bild 7 werden Prinziplosungen erarbeitet Zum Sammeln und Kombinieren der Prinziplosungen eignet sich der Morphologische Kasten wie er in Bild 10 dargestellt ist Bild 10 Kombination von Einzell sungen zu Gesamtlosungen im Morphologischen Kasten nach Pahl und Beitz 59 Pro Zeile ist jeweils eine Funktion F aus dem vorhergehenden Arbeitsabschnitt 2 einzutragen Dann werden verschiedene Einzell sungen E zur Umsetzung der einzelnen Funktionen disku tiert kombiniert und bewertet 14 Stand der Technik Das Bilden von Modulen in Arbeitsabschnitt 4 vor den arbeitsintensiven Gestaltungsschritten ist insbesondere bei komplexen Produkten wichtig um eine effiziente
15. ger pers nlicher Kommentar des EFS Bearbeiters ausgegeben Die Spalte Produktmodul beschreibt die Zugeh rigkeit der Variabel auf eine bestimmte Hauptbaugruppe n der EFS Das Simulationsmoduil fasst die verschiedenen Inputs und Outputs einer einzelnen Komponente wie beispielsweise eines bestimmten Aktors zu einer Gruppe zusammen In der Spalte Stellzeit Weg Geschwindigkeit werden die genaueren Angaben des Komponentenverhaltens wiedergegeben BMK steht f r das Betriebsmittelkennzeichen der Komponente und die Herstellerbezeichnung spezifiziert die verwendete Komponente EJ Microsoft Excel WinMOD_IOS ial Datei Bearbeiten Ansicht Einf gen Format Extras Daten Fenster Adobe PDF Frage aaa 7 h aa Zr a SO Al MAD 100 gt Wi Arial z710 z F X UE S23 3 000 sa 0 E LADRE P47 v fe A B C D E F G H J K Nr Symbolname Adresse Typ Default Kommentar Produktmodul Simulationsmodul StellzeitWeg BMK Herstellerbezeichnung 1 Operanden in WinMOD wert Geschwindigkeit 2 _1ldi objekt anwesend S1 xEOO BI 5b Lichtvorhang Langstell IPRXSensor GF I loos S1 di soric nb dmm 3 2 di_objekt_anwesend S6 XE0 1 Bi f Lichtschranke nei 2 MPOS Sensor HF1_4 Dos 52 Festo DAPZ SB M 4 3 di arbeitsstelung U9 XEQ 2 e P Auslaf BLT Unterfunktion 11 erfu 3 0 05s Fife AG 9 5 Aldi grundstellung Unt 10 XEO S TB Jausa 6 5 di arbeitsstellung_U_13 MEO 4 Bi
16. hrt zus tzlich zu inkonsistenten Entw rfen wodurch zus tzliche Kosten und Zeit aufw nde generiert werden In der vorliegenden Arbeit wird eine Entwicklungsmethodik f r SPS gesteuerte mechatroni sche Systeme vorgestellt n der die Steuerungstechnik bereits in der fr hen Konzeptphase me thodisch einbezogen und mit der Konstruktion w hrend des Entwicklungsprozesses synchronisiert wird Schon bei der Beschreibung der notwendigen Funktionalit t des Systems k nnen mit der in dieser Arbeit pr sentierten Erweiterten Funktionsstruktur EFS nicht nur die klassischen Funktionen des elektromechanischen Subsystems der Konstruktion sondern auch die Ablauflogik der SPS abgebildet werden Neben existierenden Methoden zur Modularisierung und Konkretisierung des elektromechani schen Subsystems um den Konstruktionsentwurf im CAD einzuleiten wird eine neue Methode zur Initialisierung des Entwurfs n der Steuerungstechnik vorgestellt Diese Methode erlaubt das automatisierte Ableiten eines genormten SPS Programms ausgehend von der interdisziplin r erstellten EFS nderungen der Aktorik oder Sensorik betreffen sowohl den CAD Entwurf als auch das SPS Programm Da diese nderungen in der dom nenspezifischen Entwurfssoftware durchgef hrt und nicht systematisch der jeweils anderen Dom ne kommuniziert werden kommt es zu inkon sistenten Komponentenentw rfen Basierend auf der EFS wird ein neuer Ansatz zur Identifika tion der interdiszip
17. Ans tze f r die weitere Verwendung einer Konzeptbeschreibung fokussieren oft auf den reibungslosen ber gang vom Konzept zur Modellbildung und analyse Bild 33 Anforderungen Produkt L sungskonzept Bild 33 bergang vom L sungskonzept zum dom nenspezifischen Entwurf 42 Stand der Technik Der bergang vom Konzept zum dom nenspezifischen Entwurf bedingt eine Extraktion der do m nenspezifischen Daten so dass die dom nenspezifischen Entwurfswerkzeuge eingesetzt werden k nnen Dies deckt sich mit der Forderung von Kallenbach Abschnitt 2 4 3 an ein me chatronisches Entwufssystem in der die dom nenspezifische Entwurfssoftware methodisch und mittels Softwareschnittstellen eingebettet ist Typisch f r diese Problematik ist der Sche mebuilder Ansatz Abschnitt 2 4 7 Nachdem die Funktionen und deren Umsetzung in Sche mebuilder definiert wurden k nnen automatisch MATLAB Simulink Modelle generiert werden Der Einstieg in die dom nenspezifischen Entwurfswerkzeuge wird nicht unterst tzt 2 3 3 Verbesserung der Konsistenz interdisziplin r relevanter Daten im dom nenspezifischen Entwurf A1 3 Der Handlungsbedarf die dom nen bergreifende Konsistenz beim concurrent engineering zu gew hrleisten besteht ganz allgemein f r alle mechatronischen Systeme 62 72 Wenn die interdisziplin re Konsistenz zwischen der Steuerungstechnik und der Konstruktion thematisiert wird geschieht dies in der Regel iterativ Zuerst wi
18. Aufteilung der Konstruk tionsarbeit zu erleichtern concurrent engineering innerhalb der Konstruktion und durch Struk turierung bestimmte Entwicklungsschwerpunkte besser erkennen zu k nnen 73 In Abschnitt 2 4 2 wird eine Methode vorgestellt die eine Modularisierung aufgrund der ablauf bezogenen Darstellung einer Funktionsstruktur erm glicht S nd die modularen Strukturen n Arbeitsabschnitt 4 der VDI Richtlinie 2221 Bild 7 erstellt k nnen die Module auf mehrere Konstrukteure verteilt werden um die Entw rfe in den nach folgenden Arbeitsabschnitten 5 7 zu erarbeiten und zu dokumentieren Dazu wird in der Regel ein CAD System verwendet FOD Function Oriented Design 15 ist eine Software die die Konzeptphase basierend auf der VDI 2221 Bild 7 unterst tzt und eine CAD Ankopplung anbietet In Bild 11 ist die Modell struktur der Software FOD illustriert Zur Erfassung der Anforderungs Funktions Struktur und Constraintmodelle existsiert jeweils ein eigener Editor Zur gezielten Wiederverwendung von Teilmodellen k nnen diese ber den Bibliotheksmanager als Komponente abgelegt werden Ubergreifendes Constraint Modell Parametrik i Referenzen E a oO _ Kategorie 1 A Anforderung 1 Anforderung 2 Kategorie 2 LL Anforderung 1 Ver Anforderung 2 TE Anforderungsmodell Funktionsmodell Strukturmodell CAD Kopplung EEE A Bibliothekskomponenten Bild 11 Modellstruktur d
19. Betrachtungen 91 5 Abschliessende Betrachtungen 5 1 Diskussion Das n Abschnitt 1 2 definierte Ziel die Steuerungstechnik fr hzeitig n den Entwicklungspro zess SPS gesteuerter mechatronischer Systeme einzubinden wurde mit einer EFS basierten Entwicklungsmethodik in Kapitel 3 angegangen Die n dieser Arbeit vorgestellte Erweiterung der Funktionsstruktur erlaubt neben der klass schen Beschreibung der konstruktiven Funktio nalitaten des Systems auch die Beschreibung der SPS Ablauflogik gemeinsam durch die Kon struktion und die Steuerungstechnik Die Einbettung der EFS Methoden Abschnitt 3 1 in ein planm ss ges Vorgehen Abschnitt 3 2 strukturiert den interdisziplin ren Entwicklungspro zess In Abschnitt 3 3 wurde die neu entwickelte Software ELVAN pr sentiert Sie unterst tzt das Erfassen und Nutzen der EFS Neben dem Einstieg in die dom nenspezifischen Entwurfs werkzeuge erleichtert ELVAN auch das Erstellen virtueller Prototypen Die konsequente Parallelisierung der Steuerungstechnik mit der Konstruktion f hrt zu einer Zeiteinsparung der gesamten Entwicklungsdauer m Vergleich zum traditionell sequentiellen Vorgehen ohne per se die Aufw nde zu verringern Kosteneinsparungen lassen sich durch die Verbesserung der Konsistenz im Entwurf realisieren indem teure Fehlerbehebungen vermieden werden Abschnitt 1 1 Das planm ss ge Vorgehen aus Abschnitt 3 2 impliziert drei Mechanis men um dom nen bergreifende Inkonsistenzen
20. Bild 19 Regel Dominant flow nach Stone 67 Hier wird jeder Fluss der Funktionsstruktur verfolgt bis der entsprechende Fluss entweder das System verl sst oder aber n einen anderen Flusstyp umgewandelt wird Die Funktionen durch 26 Stand der Technik die der untersuchte Fluss verlauft werden dann anschliessend in potentielle Module zusammen gefasst Dabei hat Stone diese und die beiden folgenden Heuristiken auf elektromechanische Systeme mit Material und Energiefl ssen angewandt In der zweiten Heuristik Branching flow Bild 20 werden Fl sse identifiziert die sich in parallele Funktionsflussketten verzweigen Lae eee eee ee eee ee ee ee ee ee ee ee eee ee ee al Bild 20 Regel Branching flow nach Stone 67 Die Funktionen jedes einzelnen Astes dieser Flussverzeigung werden wiederum gruppiert und stellen so weitere m gliche Module dar Die Heuristik Conversion transmission Bild 21 besch ftigt sich mit Funktionen die die Eingangsflusse in Ausgangsflusse einer anderen Form wandeln sowie mit Funktionsflussket ten die diese gewandelten Fl sse weiterleiten Stand der Technik 27 conversion transmission pair i 1 I l I convert transmit I I flow A to transport flow B flow B l i1 conversion transmission chain l I I I convert f transmit I I function I flow Ato pasau flow B transport N flow B flow B N L eee m m m m m m en mn al Bi
21. Die EFS als Br cke bei interdisziplin r relevanten nderungen im domdnenspezifi schen Entwurf Dabe spielen die Aktoren und Sensoren im Kontext der EFS Bild 38 eine zentrale Rolle um festzustellen welche Baugruppen im CAD und welche I O s in der SPS Programmierumgebung jeweils betroffen s nd Nach dem dom nenspezifischen Entwurf erm glicht die Virtuelle Maschine Bild 16 eine erste E genschaftsabsicherung Dabei werden die Daten aus dem 3D CAD mit der Software aus der SPS Programmierumgebung ber eine Eventsimulation gekoppelt 17 In Bild 43 ist der ent sprechende Prozessbaustein f r den Einstieg in die Systemintegration dargestellt 60 Interdisziplinare Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme SPS gesteuertes mechatronisches Anforderungen Produkt 2 Eigenschaftsabsicherung Virtuelle Phasen Meilensteine Aufgaben T tigkeiten Resultate dom nenspezi fischer Entwurf En Komponenten entwurf Dom nen e Software von der SPS zusammen Programmierumgebung auf eine f hrung SPS laden e Aufsetzen der Eventsimulation und diese mit der SPS verknupfen e 3D CAD Modell in einer Visualisierungssoftware verwenden und mit der Eventsimulation verknupfen 2 Erster Gesamt entwurf Bild 43 Neuer vordefinierter Prozessbaustein fur die Dom nenzusammenf hrung in Anleh nung an 1 Der erste Gesamtentwurf entspricht hier einer Virtuell
22. Durch sie kann der Benutzer seinen Arbeitsfortschritt sofort erkennen Zudem wird er sich im Modell einfach zurechtfinden Abbildung 10 bietet eine bersicht ber die in ELVAN verwendeten Darstellungsformen der Shapes und ihre Bedeutung 110 Benutzerhandbuch der Software ELVAN Funktion mit UF Funktion mit Unterfunktionen EF Elementarfunktion ohne Aktor ohne Adel Elementarfunktion mit Aktor EF mit Akt Aktorfunktion EF mit Aktor 28 2 e eS ee Aktorfunktion mit EF mit Dummy Aktor Dummy Aktor u nn ee Materialfluss Haterlalflusse Referenzierter Materialfluss Aaterlalfluss Ol Energiefluss Energiefluss j gt Referenzierter EnerglaflussiIN gt Energiefluss Energialuss OUT oe Informationsfluss Informationsiuss j gt Referenzierter lnformationsfluss IN p Informationsfluss nformationsfluss OUT gt Ubergangsbedingung bergangsbedingung Ubergangsbedingung N Referenzierte i gangsbedingung bergangsbedingung bergangsbedingung OUT bergangsbedingung mit hinterlegter Tea logischer Verkn pfung bergangsbedingung mit hinterlegtem Bane Sensor Q ON ON om ge aD E HR ON SS ON ime aD E D Ubergangsbedingung mit hinterlegtem __ Pt DureripSaneor Dummy Sensor te Sensor ohne Typdefinition und ohne kein Sensor hintanen Inputs Sensor mit Typdefinition und Inputs Sensor mit hinterl
23. E und Schmidt J Integration mechatronischer Systeme 4 VDI Mechatronik Tagung 2001 Innovative Produktentwicklungen Frankenthal 12 und 13 September VDI Berichte 1631 VDI Verlag D sseldorf Deutschland 2001 Kallmeyer F Eine Methode zur Modellierung prinzipieller L sungen mechatroni scher Systeme HNI Verlagsschriftenreihe Band 42 Prof Dr Ing J rgen Gausemei er Hrsg Rechnerintegrierte Produktion Bonifatius Verlag Paderborn Deutschland 1998 K ckerling M Methodische Entwicklung und Optimierung der Wirkstruktur mecha tronischer Produkte HNI Verlagsschriftenreihe Band 143 Prof Dr Ing J rgen Gausemeier Hrsg Rechnerintegrierte Produktion Bonifatius Verlag Paderborn Deutschland 2004 Kreusch K Verifikation numerischer Steuerungen an virtuellen Werkzeugmaschi nen Shaker Verlag Aachen Deutschland 2002 KTVCTI F rderagentur f r Innovat on des Bundesamtes f r Berufsbildung und Tech nologie http www bbt admin ch kti profil d Bern Schweiz 2006 Leumann A und Wieland F Kommerzialisierbarkeit von Methoden und Tools Se mesterarbeit Zentrum f r Produkt Entwicklung ETH Z rich Schweiz 2005 Meier M Dierssen S und Bathelt J Die Virtuelle Maschine oder wie Inbetriebnah me vor Montage m glich ist CPK 2004 4 Chemnitzer Produktionstechnisches Kol loquium Chemnitz Deutschland 2004 Meyer U Creux S und Marin A Grafische Methoden der P
24. EFS ba sierend auf der in Abschnitt 3 1 1 vorgestellten Methode Dazu sollten Aktoren und Sensoren die typischerweise in einer Firma Verwendung finden schon im Vorfeld angelegt werden Sol che firmenspezifischen Anpassungen k nnen von einem Administrator in Access durchgef hrt werden Bild 48 Interdisziplinare Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme 67 e Definition der e Entity Instanzen e Attribute e Sprachen e Grosse amp Reihenfolge der GUI Elemente Verzeichnis f r die Daten eines konkreten Projektes Diagramm vsd datadictionary mdb EFS_data mdb eEntities Attribute Relationen Sprachdefinitionen a component data mdb EVA exe Add On datadictionary mdb z B typische Aktoren Sensoren die in der jeweiligen Firma verwendet werden Globales Verzeichnis Bild 48 Firmenspezifische Anpassung von ELVAN Dabei werden neben den vordefinierten Aktoren und Sensoren in component _data mdb auch Sprachversionen und GUI Elemente in datadictionary mdb ber Access verwaltet Diese Dateien dienen nun als schreibgesch tzte Datenbank allen Benutzern innerhalb einer Fir ma Wird nun z B ein Aktor ber die EFS in Visio ausgew hlt dann instanziert ELVAN diesen Aktor und speichert ihn in der Datei EFS_data mdb Aus Bild 44 ist ersichtlich dass das EFS Tool ELVAN nicht nur zur Modellierung der EFS An wendung findet Auch Tools der nachgelagerten
25. Feld kann der Default Outputname manuell durch Aktivieren und Texteingabe ge ndert werden Wichtig dabei ist dass es sich um einen im Projekt eindeutigen Namen handelt Eintrag Hauptbaugruppe gt Durch Aktivieren dieses Felds kann eine Hauptbaugruppe aus einer vorgegebenen Auswahl angew hlt werden Das Hinzuf gen zus tzlicher Hauptbaugruppen wird in Kapitel 5 beschrieben Eintrag BMK gt Hier kann das Betriebsmittelkennzeichen des Outputs durch Aktivieren und Texteingabe festgelegt werden Eintrag Speicheradresse gt Beschreibt die Speicheradresse in der SPS und wird in ELVAN automat sch vergeben Sie ist unver nderlich Eintrag Kommentar gt Hier kann ein pers nlicher Kommentar des Anwenders durch Aktivieren und Texteingabe hinterlegt werden He Aktor Typ Qutputs Inputs Name Aktorfunktion Wert Mame Hauptbaugruppe BMK Speicheradresse Kommentar do_ein_Aktorfunktion ROBOlap 0 3 k Abbrechen Abbildung 26 Aktor Outputs definieren E 122 Benutzerhandbuch der Software ELVAN 4 5 3 Aktor Inputs definieren 18 Registerkarte Inputs w hlen Abbildung 27 Gem ss der vorangegangenen Typdefinition in Kapitel 4 5 1 wurden f r diese Rubrik automatisch Default Werte gesetzt Nach Bedarf k nnen einige davon nun manuell ver ndert und erg nzt werden 19 Eintrag Name gt In diesem Feld kann der Default Inputname manuell durch Aktivieren und Texteingabe ge ndert werden Wichtig dabei ist dass es s
26. Inputvariabeln definiert sind 134 Benutzerhandbuch der Software ELVAN E Source Editor Datei Bearbeiten Format Ansicht JFUNCTION_BLOCK FB C com Block comment CRIP SET s Graph version 4000 warningLevel Al FBInterface Standard SSBLevel Array AsmMsqlevel No TargetMachine AssoostdB lock Runtime lock Fo 72 critayvail F Sskipon F AckReg T Syncawail F FermIlMan F END_CPIPSET C SETTINGS FrogLang FBD w INITIAL_STEP Init C _ NUM 1 C com Initesrc Start END_STEP STEP Unterfunktion_l1 C _ NUM 2 3 C com Unterfunktion_lleunterfunktion 11 erfullen 3 do ein_Unterfunktion_4 Cs EWD_ STEP STEP Unterfunktiaon_L _erfuell _NuM 3 9 C com Unterfunktion_L _erfuellgeunterfunktion 12 erf llen do_ein_Unterfunktion_s Cs END_STEP TRANSITION UEbergangsbedingung_oO_1 _Num 1 FROM Init To Unterfunktion_11 CONDITION di_objekt_anwesend_s_1 3 END_TRANSITION TRANSITION UEbergangsbedingung_11_1 _NuM 2 1 FROM Unterfunktion_11 TQ Unterfunktion_l _erfuell EHND_TRANSITION TRANSITION UEbergangsbedingung_1_o _NumM 3 FROM Unterfunktion_L _erruell TO Init _IUMP CONDITION t di_objekt_anwesend_s_1 3 END _TRANSITION END_FUMNCT ION _ BLOCK Abbildung 45 SPS Programm Source 5 1 3 WinMOD Diese Funktion exportiert die erweiterte I O Liste WinMOD_IOS im MS Excel Format welche in die WinMOD Simulationsumgebung importiert werden kann
27. KAS BO _ 12 11 do ein Unterfunktion 7 5 Bo JE Abbildung 49 Gesetztes Byte Offset f r die Outputvariabeln Referenzen 137 Referenzen 1 3 8 9 10 11 12 Bathelt J J nsson A Bacs C Dierssen S und Meier M Applying the new VDI de sign guideline 2206 on mechatronic systems controlled by a PLC ICEDOS Interna tional Conference on Engineering Design Melbourne Australien 2005 Bathelt J Frey U Fankhauser M J nsson A Dierssen S und Meier M A new Guideline to Develop a Lecture Using the VDI 2221 Frame Applied on a Mecha tronic Course ICEDOS International Conference on Engineering Design Melbourne Australien 2005 Bathelt J J nsson A Bacs C Kunz A und Meier M Conceptual design approach for mechatronic systems controlled by a programmable logic controller PLC ICEDO3 International Conference on Engineering Design Stockholm Schweden 2003 Bathelt J Jonsson A Bacs C und Meier M Modularisierung SPS gesteuerter me chatronischer Systeme 1 Paderborner Workshop Intelligente mechatronische Systeme ver ffentlicht in der HNI Verlagsschriftenreihe Band 122 Prof Dr Ing J r gen Gausemeier Hrsg Rechnerintegrierte Produktion Bonifatius Verlag Pader born Deutschland 2003 Bathelt J und Jonsson A How to Implement the Virtual Machine Concept Using xPC Target Nordic MATLAB Conference Kopenhagen D nemark 2003 Be
28. Kopplung von Service und Entwicklung auf der Basis moderner Kommunika tions Technologien VDI Verlag Reihe 20 Nr 297 Deutschland 1999 FESTO Fluiddraw http www fluiddraw de Deutschland 2006 Referenzen 139 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 Flath M Methode zur Konzipierung mechatronischer Produkte HNI Verlagsschrif tenreihe Band 108 Prof Dr Ing J rgen Gausemeier Hrsg Rechnerintegrierte Pro duktion Bonifatius Verlag Paderborn Deutschland 2002 GEPA VersionWorks for Automation http www versionworks de Landau Deutschland 2006 Gritec Institut f r angewandte Technologie AG http www gritec ch Schiers Schweiz 2006 Haberfellner R Nagel P Becker M B chel A und von Massow H Systems engi neering Methodik und Praxis Verlag Industrielle Organisation Hrsg W F Daenzer F Huber 11 durchgesehene Aufl Z rich Schweiz 2002 Hahn M OMD Ein Objektmodell f r den Mechatronikentwurf VDI Verlag Rei he 20 Nr 299 D sseldorf Deutschland 1999 Hahn M L ckel J und Wittler G Eine Entwurfsmethodik f r mechatronische Systeme Tagungsband zu den 3 Magdeburger Maschinenbautagen Band 2 Seite 1 12 Magdeburg Deutschland 1997 Intelliact Intelliact Mediator http www intelliact ch Z rich Schweiz 2006 ISO 11898 1 Road vehicles Controller area networ
29. Sie beinhaltet s mtliche Information die zur Erstellung der Maschinensimulation in WinMOD notwendig ist Die erweiterte I O Liste wird wie folgt exportiert Men gt gt Exportieren gt WinMOD Abbildung 40 Darauf erscheint im Projektverzeichnis die MS Excel Date1 WinMOD_IOS Abbildung 46 Diese Datei kann nun in die WinMOD Simulationsumgebung importiert werden l 2 Bea Benutzerhandbuch der Software ELVAN 135 EFS Projekt allgemein Datei Bearbeiten Ansicht Favoriten Extras ae zw ck Q wi P Suchen Wey Ordner ie Adresse C Dokumente und Einstellungen EFS Projekt v Wechseln zu A 3 Diagramm gt EFS_Data error_log Datei und Ordneraufgaben A 2 Microsoft Yisio Zeichnung Microsoft Office Access Anwe Textdokument 103 KB 564 KB 19 KB mi Datei umbenennen 4 3 Datei verschieben WinMOD_IOS y TER H Microsoft Excel Arbeitsblatt Datei kopieren H 23KB Ue Datei im Web ver ffentlichen Abbildung 46 MS Excel Liste WinMOD_IOS Abbildung 47 zeigt ein Beispiel einer solchen aus ELVAN exportierten erweiterten I O Liste In der linken Spalte werden die I O s fortlaufend numeriert In der folgenden Spalte sind die Variabelnamen aufgelistet und danach folgt die Speicheradresse der Variabel Die Spalte Typ kennzeichnet die Var abelart Dabei steht BI f r bin rer Input und BO f r bin rer Output Danach folgt der Variabel Defaultwert Unter Kommentar wird ein allf ll
30. cal subsystem but also control sequences of the PLC A new method to initialise the domain specific embodiment design uses the data collected in the EFS The control engineer can derive a standardised PLC program from the EFS automati cally It is shown how the mechanical engineer can combine existent methods to derive modules and concretising the electromechanical subsystem with the EFS in order to start CAD model ling Changing actuators or sensors has an impact on the PLC program and the CAD model Those changes are carried out either by the control or the mechanical engineer in the domain specific software and not transmitted systematically to the other domain An approach based on the EFS shows how to identify the impact caused by changes crossing the domain The VDI guideline 2206 describes a design methodology for mechatronic systems in general The definition and usage of the EFS is embedded into the structured procedure of the VDI 2206 by the definition of predefined process modules This shows how to enable concurrent enginee ring throughout the development process One of the process modules describes how to setup a virtual prototype efficiently The defined working steps are leading to a linkage between the XII PLC software and the CAD geometry by the data from the used actuators and sensors collected in the EFS Established tools during the domain specific embodiment design phase are CAD Systems and the PLC programming en
31. cylinder_ down seperate_ rs fleece 5 do_press_cylinder_ up T E100OMS_ dd ww www ee ee eee eeee remove remaining fleece R do sucker down is do_sucker_up remove_rema ining fleece Cycle Execution di_fleeces_moved di_rolls_removed rr a _do_leverage_down do_leverage_up remove _empty roll R do_leverage_down eupty roii s _ do_leverage up do_press_cylinder_d do _press_cylinder_up do_sucker down Q do_sucker_up do_handie_down do_hande_ up 67_STO_3 e A Je e U BEE TWE_TCK SFC 64 ISFC 64 Read the System Time get_new_roll R do handle down do handle up Press F1 to get Help NUM 4 ZlCompile E72 SIMATIC 300 Station CPU312C 1 FBi DBi lt Offline gt l 114 4 gt gt Compile Decompile Messages A Variables A Addresses Forward Cross References A Backward Cross References Press F1 for help Bild 50 I O Liste und SFC nach dem Import in SIMATIC Das SFC wird nun kompiliert und bei Bedarf erweitert Zus tzlich lassen sich auch die vier an deren SPS Programmiersprachen in Kombination mit dem SFC verwenden Abschnitt 2 3 Durch das Laden des Kompilates auf die integrierte Soft SPS PLCSIM kann jederzeit ein erster Test der Software durchgef hrt werden In dieser Soft SPS lassen sich per Mausklick Inputva riablen ndern und der aktuelle Step im SFC anzeigen Dadurch l sst sich die Ablauflogik
32. e Gehe zu den Hauptfunktionen e Zur ck zur Vaterfunktion e Unterfunktionen anzeigen Das Kontextmen in Abh ngigkeit der Shapes beinhaltet folgende Eintr ge Unterfunktionen hinzuf gen Aktor definieren Aktor l schen Aktor Name Sensor definieren Sensor l schen Sensor Name Logische Funktion definieren Name Input SPS ID bearbeiten In der Hierarchie zeigen S mtliche obengenannten Funktionen werden in den Kapiteln 4 4 bis 4 9 beschrieben 3 3 Fenster Funktionshierarchie Im Fenster Funktionshierarchie wird die Hierarchie der EFS als Baumstruktur dargestellt Es ist interaktiv das heisst durch Anklicken eines Eintrags in diesem Fenster wechselt die Ansicht automatisch auf das entsprechende Arbeitsblatt und aktiviert das entsprechende Shape Sind dem Shape weitere Definitionen hinterlegt wie das bei den Aktoren Sensoren und Inputs der Fall ist ffnet sich bei Auswahl dieser Shape Arten zudem das shapespezifische Bearbeitungsfenster Die Funktionsstruktur umfasst alle Shape Arten ausser den drei Fluss Typen sowie die den Shapes hinterlegten Aktoren Sensoren und Inputs Die bergangsbedingungen werden jeweils der Funktion zugewiesen von welcher der zugeh rige Informationsfluss ausgeht Noch nicht dynamisch verkn pfte bergangsbedingungen und Sensoren werden in der Funktionsstruktur nicht abgebildet Die Abbildung dieser beiden Shapes erfolgt somit erst nach erfolgter dynamischer Verkn pfung Abbildu
33. erst nach einer definierten bergangsbedingung relevant wird Wird z B eine Flaschenabf llanlage modelliert besteht dann die M glichkeit vor der Funktion Flasche f l len die bergangsbedingung Flasche in Abf llposition zu definieren Mit Hilfe dieser ber gangsbedingungen wird die typische Sensorik Abschnitt 2 3 einer SPS abgebildet Der dazugeh rige Input Abschnitt 2 3 f r die SPS ist oft sofort klar und kann dann auch der ber gangsbedingung zugeordnet werden So kann man m Beispiel der Flaschenabf llanlage der Ubergangsbedingung Flasche in Abf llposition direkt die Inputvariable diBottleInFillPosi tion Abschnitt 2 3 zuordnen Sobald definiert ist welcher Sensor zum Einsatz kommt kann auch dieser der bergangsbedingung hinterlegt werden Aktoren die von einer SPS angesteuert werden erhalten von ihr Informationen Bild 5 Diese Aktoren wandeln den Informationen entsprechend ihre Versorgungsenergie in eine Energie um die auf das Grundsystem wirkt Dies spiegelt sich auch in der Funktionsstruktur wieder Funk tionen die solch einen Aktor repr sentieren haben mindestens einen Informationsfluss und e1 nen Versorgungs Energiefluss als Eingang Mindestens ein Energiefluss wirkt von der Aktorfunktion auf eine andere Funktion des Grundsystems Solche Funktionen werden in dieser Arbeit Aktorfunktion genannt Sie sind Elementarfunktionen Abschnitt 2 2 der EFS da die entsprechenden Aktoren ei
34. fallweise auszupr gen ist Im Gegensatz zur VDI 2221 73 schliesst hier der Ausdruck Entwurf die Konzeptphase aus Bild 7 mit ein Anforderungen Produkt L sungskonzept A Domanenspezifischer Entwurf Elektrotechnik Informationstechnik Modellbildung und analyse Bild 15 Das V Modell der VDI 2206 72 Basierend auf den Anforderungen wird dom nen bergreifend im Systementwurf das Losungs konzept erarbeitet Im domanenspezifischen Entwurf findet eine Partitionierung der Aufgaben statt und jede Dom ne arbeitet ihren Entwurf aus Bei der Entwicklung SPS gesteuerter mecha tronischer Systeme wird dazu haupts chlich das CAD in der Konstruktion und die SPS Programmierumgebung in der Steuerungstechnik verwendet Wahrend der Systemintegration wird der Komponentenentwurf der einzelnen Dom nen zu einem Gesamtentwurf integriert um das Zusammenwirken untersuchen zu k nnen Das Produkt st das Ergebnis eines durchlaufe nen Makrozyklus Wobei unter dem Wort Produkt n cht ausschliesslich das real existierende Er zeugnis fur den Kunden verstanden wird sondern die zunehmende Konkretisierung des zukunftigen Produktes Produktreife Reifegrade sind z B das Labormuster das Funktionsmu ster und das Vorserienprodukt 72 So fuhrt das mehrmalige Durchlaufen des V Modells der 2 Stand der Technik VDI 2206 zu einer zunehmenden Produktreife In der Modellbildung und analyse Bild 15 wird der Entwurf flankiert Die Systemeigens
35. gar nicht erst entstehen zu lassen oder fr her zu detektieren e EFS in der interdisziplinaren Konzeptphase e Propagation von nderungen im dom nenspezifischen Entwurf e berpr fung des Komponentenentwurfs Bild 15 durch die Virtuelle Maschine Durch die gemeinsame Konzeption des SPS gesteuerten mechatronischen Systems ber die EFS wird eine konsistente Beschreibung erzwungen Mit Hilfe der Software ELVAN wird die Konsistenz der Beschreibung auch bei einer nderung der EFS sichergestellt Weiter kann die EFS n ELVAN auch noch w hrend des dom nenspezifischen Entwurfs eingesetzt werden um festzustellen inwieweit eine nderung die andere Dom ne betrifft ELVAN unterst tzt ausser dem den Export einer erweiterten I O Liste zur Kopplung der SPS ber eine Eventsimulation 92 Abschliessende Betrachtungen mit der CAD Geometrie Dadurch kann schlussendlich vor der realen Inbetriebnahme die glo bale Konsistenz des Systems berpr ft werden Neben der Konsistenzsicherung auch bei nderungskonstruktionen bietet die EFS einen An satz um neue Konzepte von SPS gesteuerten mechatronischen Systemen zu entwickeln Dabei wird dem Potential der Steuerungstechnik fr her und st rker Rechnung getragen was innova tive Konzeptionen bei Neukonstruktionen erleichtert Innovative Produkte k nnen prinzipiell auch beim heutigen Vorgehen Bild 2 entwickelt werden da der L sungsraum nicht durch das sequentielle Vorgehen eingeschr nkt wird
36. gef llten Kanne die Maschine Dazu m ssen leere Kannen zugef hrt und leere Wickel abgef hrt werden Der Prozess selber bei dem die Kurzfasern zur Qualit tssteigerung aus dem Vlies herausgek mmt werden f hrt dazu dass diese Kurzfasern abgef hrt werden m ssen Auch die Vliesreste die beim Abwickeln ent stehen m ssen aus der Maschine entfernt werden Im EFS Tool ELVAN sind die Hauptfunktionen der Kammmaschine wie in Bild 56 dargestellt modelliert Fallstudie 71 Volle Wickel N Kanne nicht voll amp Maschine sarten JH Veicka bain ieee 2 g 2 Anlage P Vliesreste OUT Vliese bereitstellen antreiben en Leere Wickel OUT gt Arbeitskanne w H H veisiame leer i Vliese lt Volle Kanne OUT K Vliese von anng n Ge Erot ee eeo besooo o Erot Kurzfasern Kurzfasern OUT gt bereitstellen i Leere Kanne IN BR trennen Gestrecktes Band B nder Band e ooo oo Erot peo oooo 2 e oo ooo Erot eee gt B nder transportieren transportieren Gestrecktes Band Bander Pd e o o e Erot e oo 0 060 e B nder Band strecken doublons _ Doubliertes Band Bild 56 Die Hauptfunktionen der Kammmaschine in ELVAN Hier bietet es sich an zuerst die Hauptfunktionen zusammen mit dem Materialfluss zu model lieren Aus den vollen Wickeln muss das Vlies bereitgestellt werden Dabei fa
37. gen In der Hierarchie zeigen Technologie Mechanische Sensoren Sensor Maschine_starten CH ga et xX m Typ Endtaster Sensor DAPZ SB M 110AC DSM RO diButStart ShapeSheet anzeigen o Ausschneiden Kopieren ie i 3 lt ET G Einf gen Ansicht Format Shape JOA BAIM Hauptbaugruppe Kanne nicht voll amp Wickel nicht leer Maschine starters i BMK Sp e i ch er adr esse eee ae ee ae ee E ee ee E eee ee ae ee ee ee ee eee eee ae ee ee ee eee Kommentar Olga Loe ee EEE Che eRe eee ere eee er ee Cee reer er ee eee reer ee cree reece errr errr errr er TITTIE ITATTA TITA ere er ere rer eer rere rer nr ee errr re er ere creer er cre TT Arbeitskanne w H H aveistanne leer Volle Kanne OUT Vliese von ose ew Erot se eee ete ee eee Erote J gt Kurzfasern Kurzfasern OUT gt Leere Kanne IN trennen Bild 57 Definition eines Sensors der Kammmaschine in ELVAN Bei der Auswahl des mechanischen Endtasters wurde die automatisch generierte Inputvariable zu diButStart ge ndert Unmittelbar nach der Definition des Sensors erscheint ein graphischer Editor in dem die in Bild 57 rechts unten gezeigte Logik vorgeschlagen wird Das Negieren oder eine logische Verkn pfung mit weiteren Inputvariablen ist wie in Bild 47 gezeigt m glich In diesem Beispiel des Startknopfes reicht es aus die voreingestellte Logik zu quittier
38. in Kombination verwendbar Bild 14 zeigt die empfohlene Verteilung der SPS Programmiersprachen auf die Phasen des Softwareentwicklungsprozesses Zus tzlich ist in dem Bild von Bonfatti Monari und Sampieri 8 der Abstraktionsgrad der Sprachen illustriert Stand der Technik 19 level of language high C A AND NOTB low analysis design coding Bild 14 Verteilung der f nf normierten SPS Programmiersprachen DIN EN 61131 3 23 auf die verschiedenen Phasen im Entwicklungsprozess f r SPS Software in Anleh nung an 8 Die Nahe zu GRAFCET pr destiniert SFC als Programmiersprache f r den Einstieg n die Soft wareentwicklung Werden Abl ufe in SFC dargestellt sind sie zudem auch f r Mitarbeiter ausserhalb der Steuerungstechnik einfacher nachvollziehbar F r das weitere Ausprogrammie ren stellt das Beiblatt 1 zur DIN EN 61 131 3 24 Leitlinien f r die Anwendung und Implemen tierung zur Verf gung Durch die DIN EN 61131 3 23 w rd der Top down Entwurf unterst tzt bei dem ein Entwurf durch funktionelle Zerlegung mittels SFC stattfindet Dieser funktionale Zerlegungsprozess wird so lange durchgef hrt bis jede Funktionalit t entweder als ein Element in einer vorhandenen Bibliothek gefunden werden kann oder bis sie n einer der textuellen oder grafischen Sprachen algor thmisch ausgedr ckt werden kann Das System wird dann bottom up mittels funktionaler Komposition implementiert d h durch Zusammen setzen
39. k nnen f r verschiedene Zust nde eines Systems durchgef hrt wer den Dadurch kommt es zu einer redundanten Verwendung von Funktionen und Zust nden In 27 ist z B die Funktionsspezifikation eines Bordnetzes im Zustand Motor l uft und Motor steht oder startet dargestellt Die Funktion Elektrische Energie bereitstellen und der Zustand Energiespeicher voll st in beiden Funktionsspezifikationen enthalten Analog zu den active purpose functions von Buur Abschnitt 2 4 1 sind je nach Zustand lediglich eine Auswahl al ler m glichen Funktionen und Zust nde aktiv Analog zu den Zust nden k nnen auch Funk tionshierarchien modelliert werden Die Prinziplosungen werden durch Wirkprinzipien und L sungselemente nach der Methode von Kallmeyer 43 spezifiziert Eine Bewertung der Prin ziplosungen durch Ermittlung der Z elgr ssenerf llung f hrt schlussendlich zu der Auswahl e1 ner Prinzipl sung 2 4 5 Molt In 53 stellt Molt eine Softwarespezifikationstechnik f r automatisierte Anlagen vor Dazu wird das n Bild 24 dargestellte Vorgehen vorgeschlagen Prinzipl sung Massstabgerechte Zeichnungen Softwaredesign Bild 24 Spezifikation automatisierter Anlagen nach Molt 53 Die Anforderungen werden aus der Sicht des Anlagenbedieners aufgenommen und als UML Use Case Diagramm 37 dokumentiert In der Anforderungsanalyse werden die zu projektie Stand der Technik 31
40. m Feld Text des Shapes 4 Optional dazu kann der Gesamtfunktion auch eine Identit t f r die SPS Steuerung gegeben werden Dabei ist zu beachten dass diese Identit t nur aus maximal 24 Zeichen bestehen und keine Leerschlage oder Sonderzeichen enthalten darf 5 Mit Ok bestatigen Benutzerhandbuch der Software ELVAN 115 Funktion hinzuf gen Text des Shapes Systemfunktion erf llen ID f r SPS optional Max 2a Zeichen leer und Sonderzeichen sind hicht erlaubt Ok Abbrechen Abbildung 18 Gesamtfunktion hinzuf gen 4 2 2 Einf gen eines Flusses l Im Fenster ELVAN_Addon_de CH den gew nschten Flusstyp selektieren und per drag amp drop auf das vorbereitete Arbeitsblatt setzen 2 Fluss nach Wunsch ausrichten 3 Optional kann der Fluss durch einfache Texteingabe ber die Tastatur bei aktivem Shape benannt werden Andernfalls wird ihm von ELVAN automatisch eine Nummer zugewiesen 4 Fluss mit Gesamtfunktion dynamisch verkn pfen 5 F r jeden zu modellierenden Fluss d e Punkte 1 b s 4 ausf hren Die Reihenfolge der Punkte 2 bis 4 ist unwesentlich und kann nach Belieben vertauscht s werden 4 2 3 Einf gen eines Sensors 1 Im Fenster ELVAN_Addon_de CH das Element Sensor selektieren und per drag amp drop auf das vorbereitete Arbeitsblatt setzen Darauf ffnet sich das Fenster Sensor hinzuf gen Abbildung 19 Sensor benennen durch eine entsprechende Eingabe m Feld Text des Shapes Mit Ok best tige
41. n chsten Abschnitt 3 1 beschrieben Unter Verwendung der aktuellen Entwicklungs richtlinie f r mechatronische Systeme 72 werden diese Methoden anschliessend im Abschnitt 3 2 in ein planmassiges Vorgehen eingebettet Zur Unterst tzung der hier vorgestell ten Methodik beschreibt der letzte Abschnitt 3 3 eine Software welche m Rahmen dieser Dis sertation entstanden ist 46 Interdisziplinare Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme 3 1 Neue Methoden In Abschnitt 3 1 1 wird die Erweiterte Funktionsstruktur EFS vorgestellt welche es erlaubt auch Aspekte der Steuerungstechnik schon in einer fruhen Phase der Produktentwicklung mit einfliessen zu lassen Die Methode in Abschnitt 3 1 2 zeigt anschliessend wie aus der EFS das SFC und die I O Liste Abschnitt 2 3 abgeleitet werden kann Zus tzlich ist es m glich die Baugruppen fur den Einstieg ins CAD Modellieren aus der EFS in Anlehnung an Stone 67 ab zuleiten In Abschnitt 3 1 3 wird die EFS genutzt um interdisziplin r relevante nderungen zu managen 3 1 1 EFS Erweiterte Funktionsstruktur Die Erweiterung der Funktionsstruktur besteht im Wesentlichen aus bergangsbedingungen wie sie von Petrinetzen oder dem SFC aus Abschnitt 2 3 bekannt s nd Informationsfl sse k n nen in der EFS bergangsbedingungen enthalten So kann in der ablaufbezogenen Darstellung der Funktionsstruktur Abschnitt 2 2 mit Hilfe dieser Erweiterung ausgedr ckt werden dass eine Funktion
42. plin hinaus anregen Sie positioniert sich erg nzend zu den Richtlinien VDI 2221 und VDI 2422 Analog der Richtlinie VDI 2221 werden in der Richtlinie VDI 2206 die Methoden zur Entwicklung mechatronischer Systeme beschrieben Die mechatronischen Ans tze der Richt linie VDI 2422 die vor dem Hintergrund des Einzugs der Mikroelektronik in die Ger tetechnik entstand werden erweitert und zu einem durchg ngigen dom nen bergreifenden Leitfaden aus gebaut 72 In der VDI 2206 wird ein flexibles Vorgehensmodell vorgeschlagen das sich im Wesentlichen auf drei Elemente st tzt e allgemeiner Probleml sungszyklus auf der Mikroebene e V Modell auf der Makroebene e vordefinierte Prozessbausteine zur Bearbeitung wiederkehrender Arbeitsschritte bei der Entwicklung mechatronischer Systeme Der Probleml sungszyklus auf der Mikroebene stammt aus dem Systems Engineering 30 Durch Aneinanderreihen und Verschachteln von Vorgehenszyklen l sst sich die Prozesspla nung flexibel an die Eigenheiten jeder Entwicklungsaufgabe anpassen Der Mikrozyklus der Stand der Technik 21 VDI 2206 soll vor allem dem im Prozess stehenden Produktentwickler bei der Bearbeitung vor hersehbarer und damit planbarer Teilaufgaben aber auch bei der L sung pl tzlich auftretender unvorhersehbarer Probleme unterstutzen 72 Das V Modell auf der Makroebene ist n Bild 15 dargestellt Es beschreibt das generische Vor gehen beim Entwurf mechatronischer Systeme das
43. renden Ger te der Fertigungsanlage bestimmt Anschliessend wird in dem Layout der Anlage die Platzierung der Ger te skizziert und sp ter in massstabgerechten Zeichnungen dokumen tiert In der Prinzipl sung von Molt wird die Softwarespezifikation mit dem skizzierten Layout verkn pft Dazu f hrt er Diagramme mit den folgenden Elementen ein e Funktionsobjekte e Aktionsobjekte die eingehende Signale verarbeiten und Ausgangssignale bereitstellen e Bedingungsobjekte beinhalten einen Zustand e Datenobjekte beinhalten Daten die von Aktionsobjekten gesendet oder empfangen werden e Ports spezifizieren die Schnittstellen der Funktionsobjekte e Kan le transportieren Informationen zwischen den Funktionsobjekten ber die Ports Aktoren und Sensoren werden durch frei w hlbare Symbole im Anlagenlayout eingetragen und ber Ports mit den Funktionsobjekten verkn pft Das Konzept der Vererbung aus der objekt orientierten Programmierung wird f r die oben genannten Objekte unterst tzt Hierarchische Strukturen sind m glich indem Funktionsobjekte rekursiv durch Diagramme mit obigen Ele menten verfeinert werden Alternativ kann die Funktionalit t der Funktionsobjekte informell beschrieben werden Die exakte formale Beschreibung des Verhaltens geschieht anschliessend im Softwaredesign Dieser Ansatz verkn pft das informell beschriebene logische Verhalten der Fertigungsanlage mit dessen Layout in der Konzeptphase Vor der Konzipierung der Software
44. schon spezifiziert ist Bild 3 zeigt zwei Beispiele solcher Systeme wie sie n der Industrie Verwendung finden 8 Stand der Technik Steuerungstechnik Elektromechanische ee ae ea eee ee ee Sensoren Aktoren Grenzlinie Grundsystem Konstruktion gt Material 7 Energie gt Information Bild 5 Prinzipieller Aufbau SPS gesteuerter mechatronischer Systeme inklusive Material Energie und Informationsfl ssen Die SPS sendet Informationen ber ihre Ausg nge an die Aktoren Diese wirken direkt auf das Grundsystem Sensoren erfassen Zustandsgr ssen des Grundsystems und senden Informationen ber die Eing nge an die SPS Das Grundsystem kann Material und Energiefl sse erhalten und weitergeben Die SPS ist in der Lage Informationen mit anderen Informationsverarbeitern wie z B einer weiteren SPS oder einem MMI Mensch Maschine Interface auszutauschen Tradi tionell befasst sich der Konstrukteur mit dem elektromechanischen Subsystem begrenzt durch die elektromechanische Grenzlinie in Bild 5 Also mit allen Teilsystemen durch die Material und Energie fliesst Die Steuerungstechnik arbeitet oberhalb dieser Grenzlinie Fur beide Do m nen ist die Aktorik und Sensorik relevant Neben der Auslegung und Auswahl der Aktoren und Sensoren ist aus der Sicht der Konstruktion vor allem die geometrische Auspr gung und Anordnung interessant Dem gegen ber muss die Steuerungstechnik vor allem Kenntnis ber die Belegun
45. ssen eines Systems 73 Sie werden durch ein Substantiv und ein Verb im Infinitiv beschrieben wie z B Fl ssigkeit f rdern 74 Da die Funktionsstruktur ein wichtiges Ele ment in dieser Arbeit darstellt wird 1m Folgenden n her darauf eingegangen Die Funktionsstruktur FS l sst sich hierarchisch oder ablaufbezogen darstellen 25 10 In der hierarchischen Darstellung befindet sich die Gesamtfunktion auf der obersten Hierarchie ebene und erf llt die Gesamtaufgabe des Produktes 73 10 59 Hauptfunktionen beschrei ben einen Hauptzweck eines Produktes 73 und dienen unmittelbar der Gesamtfunktion 59 In der hierarchischen Darstellung der Funktionsstruktur stellen Hauptfunktionen somit Unter funktionen 25 der Gesamtfunktion dar Elementarfunktionen s nd nach Pahl und Beitz 59 Funktionen die sich nicht weiter gliedern lassen und allgemein anwendbar sind Betrachtet man die hierarchische Darstellung der Funktionsstruktur aus der Sicht der Graphentheorie ergibt sich ein Baum dessen Wurzel die Gesamtfunktion ist und dessen Bl tter Elementarfunktionen sind In der ablaufbezogenen Darstellung werden Fl sse zwischen den Funktionen eingetragen Dabei wird zwischen Material Energie und Informationsfl ssen unterschieden 10 59 In Bild 8 sind beide Darstellungen gegenubergestellt 12 Stand der Technik i Gesamtfunktion Funktion 1 Funktion 2 Information Energie i Energie E
46. werden Wird der Abbruch ber die Schalttaste Ok ausgel st so werden die bis zu diesem Zeitpunkt vorgenommenen Einstellungen gespeichert Sobald der Aktor Typ und der Aktor Zustand definiert wurden setzt ELVAN automatisch eindeutige Default Werte zur Benennung des Aktors 1m Projekt sowie f r die Aktor Outputs und Inputs Diese k nnen bei Bedarf umbenannt werden Um nderungen an einem bereits definierten Aktor vorzunehmen kann das Fenster Aktor ber den Eintrag Aktor Name Aktor m Kontextmen Aktorfunktion mit rechter Maustaste anklicken ge ffnet werden Im EFS Projekt k nnen nur Aktoren modelliert werden welche n ELVAN bereits vordefiniert und hinterlegt wurden Um zus tzliche Aktoren in ELVAN zu hinterlegen m ssen die in Kapitel 5 beschriebenen Schritte durchgef hrt werden 4 5 1 Aktor Typ und Aktor Zustand definieren l Die entsprechende Funktion mit der rechten Maustaste anklicken 2 Kontextmen gt Aktor definieren Abbildung 23 links Dieser Eintrag ist im Kontextmen nur vorhanden wenn die betreffende Funktion keine Unterfunktionen aufweist und wenn der Funktion noch kein Aktor hinterlegt wurde Darauf erscheint das Fenster Aktor Registerkarte Typ w hlen Abbildung 25 5 Eintrag Aktion gt W hlen zwischen Neuen Aktor hinzuf gen wenn der gew nschte Aktor m Projekt bisher keiner Funktion hinterlegt wurde oder bestehenden Aktor verwenden falls der gew nschte Aktor bereits einer anderen Elementa
47. wird die geometri sche Auspr gung der Anlage skizziert Im Fokus sind hier Produktionssysteme und nicht ein zelne SPS gesteuerte Maschinen Eine Schnittstelle zu einer der f nf genormten SPS Programmiersprachen 23 ist in dieser Softwarespezifikation nicht vorgesehen 2 4 6 O MEN CAMeL Im Vordergrund des Objektorientierten Mechatronik Entwurfs O MEN 32 steht das dyna mische Verhalten der Bewegung mechatronischer Systeme Bild 25 zeigt das vorgeschlagene Vorgehen beim Entwurf mechatronischer Systeme 32 Stand der Technik er Mechatronische Beschreibungsform Komposition in CAMeL der Mechatronik Modellbildung ige elemente Synthese Spezifikation Lastenheft j Konstruktion Teilfertigung Montage Labor Feldversuch Entwurf und Ausarbeitung in CAD Beschreibungsform der Geometrie Bild 25 Vorgehensmodell f r den Entwurf mechatronischer Systeme in Anlehnung an 6 32 und 68 Nach der Formulierung der Anforderungen wird in der Konzeption eine Funktionshierarchie er stellt Den Funktionen werden L sungselemente zugeordnet wobei die Funktionen in drei Funktionstypen aufgeteilt werden e Kinematikfunktionen e Dynamikfunktionen e Mechatronikfunktionen Aktorik Sensorik und Steuerungsfunktionen Die verwendete Modellrepr sentation setzt sich aus vier Ebenen zusammen e Geometrieebene CAD e Topologiebene Darstellung der Anordnung und Kopplungen von Bauteilen e Verhaltensebene mathemati
48. 25 mit der Anweisung auf Arbeitsstellung zu fahren Einschalten assoziiert wurde In der Funktion Zwischenkannenschieber einfahren ist definiert dass dieser Pneumatikzylinder zur ck auf die Grundstellung Ausschalten fahren soll Dadurch wird die Outputvariable doPush 80 Fallstudie EmptyCanFrwd automatisch bei der ersten Funktion auf l TRUE und bei der zweiten Funktion auf 0 FALSE gesetzt II in Bild 59 Gehe zu den Hauptfunktionen Zur ck zur Vaterfunktion ale SPS ID bearbeiten x Aktor l schen Aktor Typ Outputs Inputs Aktion Neuen Aktor hinzuf gen Technologie Pneumatik ee In der Hierarchie zeigen ShapeSheet anzeigen Zwischenkannenschieber Ausschneiden 3 Kopieren Typ Monostabil Zylinder_P Wert Name Hauptbaugruppe oo DGS 25 etna 1 doPushEmptyCanFrwd Auslauf Ansicht Format Zustand Aktor Pre Seh 7 Shape Einschalten 1 NT Pussi Hilfe Zwischen Built in Sensor kannenschieber 8 Etrans ausfahren Ok Abbrechen Name Hauptbaugruppe BMK Speicheradresse gt diPushEmptyCanBackPos Auslauf 0 3 os Schiebearm ausgefahren os S os v diPushEmptyCanFrontPos Auslauf 0 2 Zwischen ji kannenschieber Ok Abbrechen L schen einfahren alt Schlebearm eingefahren OUT 7 Bild 59 Definition eines Aktors der Kammmaschine in
49. 3 4 Hier wird die Steuerungstechnik schon in der Konzeptphase eingebunden Anschliessend findet ein strukturierter bergang in die Entwurfsphase statt wo die Konzepte innerhalb der Dom nen ausgearbeitet werden Die Steuerungstechnik und die Konstruktion entwerfen nach wie vor das Produkt mit hren dom nenspezifischen Werkzeugen Zus tzlich findet eine Parallelisierung und Synchronisation zwischen den Dom nen statt Das Ziel dieser Arbeit ist es den in Bild 4 gezeigten Workflow durch eine angepasste Entwick lungsmethodik f r SPS gesteuerte mechatronische Systeme zu erreichen Eine Methodik be steht nach Pahl Beitz 59 aus einem planm ss gen Vorgehen unter Einschluss mehrerer Methoden und Hilfsmittel Im Kontext der in Abschnitt 1 1 dargelegten Problematik lassen sich die Anforderungen A1 A3 an die Probleml sung wie folgt auflisten 6 Einf hrung e Al Methoden zur Verbesserung der interdisziplin ren Zusammenarbeit zwischen Kon struktion und Steuerungstechnik e Al l Beschreibung des interdisziplinaren Konzeptes durch eine gemeinsame Sprache e A1 2 Reibungsloser bergang vom gemeinsam erstellten Konzept zum Steuerungs und Konstruktionsentwurf e A1 3 Verbesserung der Konsistenz interdisziplin r relevanter Daten im dom nenspezi fischen Entwurf e A2 Planm ssiges Vorgehen zur Entwicklung SPS gesteuerter Systeme insbesondere f r die Konzept und Entwurfsphase inklusive der Phasen berg nge e A3 Die Methodik
50. 32 zeigt den Sensornamen im Kontextmen Gehe zu den Hauptfunktionen Zur ck zur Yaterfunktion Sensor l schen dS In der Hierarchie zeigen b Sensor Sensor_7 amp Ausschneiden 3 Kopieren J Einf gen Ansicht Format Shape Abbildung 32 Sensorname im Kontextmen Benutzerhandbuch der Software ELVAN 127 4 7 Logische Funktion definieren F r die automatische Generierung des SFC in ELVAN m ssen die Inputs logisch verkn pft werden Dies geschieht im Logikeditor Wird einer bergangsbedingung ein Sensor hinzugef gt so ffnet sich das Fenster des Logikeditors automatisch Andernfalls kann der Logikeditor ber das Kontextmen ge ffnet werden Die Bearbeitung der Inputs kann jederzeit unterbrochen und zu einem sp teren Zeitpunkt fortgesetzt werden Mit der Schalttaste Ok werden s mtliche bisherigen Eintr ge gespeichert Ein erneutes ffnen des Logikeditors kann jederzeit ber das Kontextmen erfolgen 1 Die entsprechende Ubergangsbedingung mit der rechten Maustaste anklicken Kontextmen gt Logische Funktion definieren Abbildung 33 links Darauf erscheint das Fenster W hlen Sie zwei Inputs Abbildung 33 rechts Eintrag Gatter gt Art der logischen Verkn pfung w hlen UND oder ODER Eintr ge Input 1 und Input 2 gt Gew nschte Inputs ausw hlen Mit der Auswahl des Eintrags Kein wird nur ein Input logisch verkn pft Eintrag Negieren gt Anklicken um den zugeh rigen Input zu negiere
51. Allerdings f hrt der sp te Einbezug der Software entwicklung dazu dass innovative interdisziplin re L sungen mehrere Iterationen des heutigen Vorgehens Bild 2 bedingen Da der Entwicklung nur ein beschr nktes Zeitbudget zur Verf gung steht hat das parallele interdisziplinare Vorgehen Bild 4 ein h heres Potential innova tive mechatronische Produkte hervorzubringen Wird z B bei der traditionellen Konzeption in der Konstruktion eine Kurvenscheibe als L sung einer ben tigten Bewegungsfunktion fixiert und anschliessend entworfen hatte die Steuerungs technik schon beim Beschreiben der Funktion in der EFS eine elektronische Kurvenscheibe vor schlagen k nnen In modernen Steuerungen k nnen neben den typischen SPS Sequenzen Abschnitt 2 3 auch komplexe Bewegungszusammenh nge ber Kurvenscheiben Editoren 64 7 programmiert werden Eine Umsetzung der elektronischen Kurvenscheibe anstelle der schon entworfenen mechanischen Kurvenscheibe hat einen grossen Einfluss auf die ent sprechende Baugruppe Die mechanische Kurvenscheibe muss einem neuen Antriebskonzept weichen Dies f hrt entweder zu einer Iteration im Entwicklungsprozess oder zur Umsetzung der mechanischen Variante Die EFS kann zus tzlich als dom nen bergreifendes Kommunikationsmittel eingesetzt werden Heutzutage kommen verschiedene Beschreibungsformen wie Tabellen Ablaufdiagramme Pro zessdiagramme hierarchische Darstellungen Skizzen und allgemeine Flussdia
52. Diss ETH Nr 16879 Entwicklungsmethodik fur SPS gesteuerte mechatronische Systeme Abhandlung zur Erlangung des Titels Doktor der Technischen Wissenschaften der Eidgen ssischen Technischen Hochschule Z rich vorgelegt von Jens Bathelt Dipl Technomathematiker Universitat Duisburg geboren am 3 Juni 1968 von Dortmund Horde Deutschland Angenommen auf Antrag von Prof Dr Konrad Wegener Referent Prof Dr Jurgen Gausemeier Korreferent 2006 III Vorwort Die vorliegende Dissertation entstand w hrend meiner Zeit als w ssenschaftlicher Mitarbei ter und Ass stent am Zentrum f r Produkt Entwicklung ZPE der ETH Z rich F r die vielf ltige Unterst tzung dieser Arbeit durch Professoren Kollegen Studenten und Industriepartner m chte ch mich an dieser Stelle bedanken Insbesondere hervorzuheben ist Prof Markus Meier der mich als Quereinsteiger mit offenen Armen am ZPE empfangen und unterst tzt hat Bis zu seinem tragischen Tod im April 2005 hat er mich als Doktorvater betreut und gef rdert indem er ein inspirierendes Umfeld zwischen Mensch Industrie und Hochschule schuf Prof Konrad Wegener danke ich f r die erreichte Kontinuit t am ZPE und meiner For schungsprojekte mit der Industrie Als Erstgutachter hat er durch konstruktive Kritik die vorlie genden Arbeit bereichert Prof J rgen Gausemeier danke ich f r das Interesse an dieser Arbeit sein wertvolles Feedback zur Dissertation und die bernahme d
53. ELVAN Der gew hlte Pneumatikzylinder DGS 25 enth lt zwei Sensoren zur Detektion der Arbeits und Grundstellung des Zylinders Der zweiwertige Status der Sensoren kann ber die SPS Adressen 0 2 und 0 3 oder ber die Inputvariablen diPushEmptyCanBackPos und diPush EmptyCanFrontPos im SPS Programm abgefragt werden III in Bild 59 Diese Inputvariablen stehen nun im gesamten ELVAN Projekt zur logischen Verkniipfung in Ubergangsbedingun gen zur Verf gung In der Ubergangsbedingung Schiebearm ausgefahren wurde nach der Definition des Pneumatikzylinders DGS 25 dessen zweite Inputvariable diPushEmptyCan FrontPos ohne zus tzliche boolesche Operationen verwendet IV in Bild 59 Dadurch wird der Zwischenkannenschieber unmittelbar nach Erreichen der Arbeitsstellung w eder eingefah TEN Fallstudie 81 Die Unterfunktionen in Bild 58 veranschaulichen die zunehmende Konkretisierung der EFS be zunehmender Hierarchiestufe von der Gesamtfunktion bis zur Aktorfunktion ELVAN aktuali siert beim Definieren von Funktionen automatisch die in Bild 60 gezeigte hierarchische Darstel lung der EFS Vliese k mmen SFC Start Vliese bereitstellen Viiese von Kurzfasern trennen B nder transportieren B nder doublieren Band strecken Band transportieren Kanne bereitstellen Leere Kanne einschieben Leere Kanne lagern Leere Kanne nachr cken fwischenkanne lagern Zwischenkanne nachr cken Aktor Zwischenka
54. Ermitteln von Funktionen und deren Strukturen J Funktionsstrukturen gt D S Suchen nach L sungsprinzipien Strukturen 2 monzenipnase E 5 w pl sungen C 22 lt o 2 Gliedern in realisierbare Module D T xo O N Modulare Strukturen S O V 3 D Gestalten der massgebenden Module g Entwurfsphase I L C gt E O 6 Gestalten des gesamten Produkts 2 w Gesamtentwurf L 5 W Ausarbeitungsphase Dokumentation Weitere Realisierung Bild 7 Planm ssiges Vorgehen in der Konstruktion nach VDI 2221 73 Bas erend auf der gegebenen Aufgabe wird 1m ersten Arbeitsabschnitt die Anforderungsliste er stellt Durch entwicklungsbegleitende Pr zisierung und gegebenenfalls Modifizierung der Auf gabenstellung kann es laufend zu Anpassungen der Anforderungsliste kommen Dies ist durch Stand der Technik 11 eine Informationsbrucke zwischen Anforderungsliste und Arbeitsabschnitten in Bild 7 gekenn zeichnet Die zweite Br cke links n Bild 7 stellt sicher dass die Arbeitsabschnitte nicht starr nacheinander ablaufen m ssen Um schrittweise eine Optimierung zu erreichen werden die Ar beitsabschnitte h ufig iterativ durchlaufen 73 Im zweiten Arbeitsabschnitt werden Funktionsstrukturen erstellt um mit Hilfe dieser abstrakten Beschreibung des Systems die Suche nach konkreten L sungen vorzubereiten Funktionen be schreiben hier l sungsneutral die Beziehungen zwischen Eingangs Ausgangs und Zustands gr
55. I O Liste und das SFC f r die Kammmaschine wie in Bild 65 dargestellt Fallstudie 87 4 S7 GRAPH Source FB2 Kette 1 E65_ultimate SIMATIC 300 Station CPU312C 1 om Datei Bearbeiten Einf gen Zielsystem Test Ansicht Extras Fenster Hilfe Diele S ellela bela oo lt a mE alain diCcentRol T 1 5 1Closed Riegel _ eingefah ren Zwischenkannenschieber ausfahren Kannen schieb doPushEmptyCanFrwd diPushEmp tyCanFront T 3 6 Pos Schieber _ausgefa hren Zwischenkannenschieber einfahren Kannen schieb R doPushEmptyCanFrwd diPushEmp T 1 T Schieber SFC _eingefa hren E0 4 diCentRollClosed BOOL E0 3 diPushEmptyCanBack Pos BOOL E0 2 diPushEmptyCanFrontPos BOOL Lh R ck Ubersetzungsmeldungen A Variablen A Operanden A Rickwartsverweise Dr cken Sie F1 um Hilfe zu erhalten Bild 65 WO Liste und SFC aus ELVAN nach dem Import in SIMATIC Im Hauptfenster ist der SFC Ausschnitt zu der Funktion Zwischenkanne nachr cken Bild 58 visualisiert Der Buchstabe S spezifiziert in der Ablaufsprache das Setzen Set der Outputvariablen doPushEmptyCanFrwd auf den Wert 1 TRUE Nachdem dieser Pneuma tikzylinder ausgefahren ist diPushEmptyCanFrontPos wird doPushEmptyCanFrwd mit der Anweisung R Reset auf den Wert 0 zur ckgesetzt Die Abl ufe k nnen nach dem Import in SIMATIC im Debug Modus zusammen mit der Soft SPS PLCSIM Schritt f
56. Inputvariablen nicht mehr manuell ge ndert werden Die simulierten Sensorsignale werden nun aufgrund des Maschinenmodells in WinMOD berechnet und an die Soft SPS PLC SIM gesendet Kombiniert man nun diese Simulation mit der Geometrie aus dem CAD 90 Fallstudie Bild 64 erhalt man eine Virtuelle Kammmaschine nach dem in Bild 16 dargestellten Konzept Zur Visualisierung der Maschine und ihrer Bewegungen wurde die Software Mediator 33 ein gesetzt Die Anwendung des neuen vordefinierten Prozessbausteins f r die Domanenzusam menf hrung Bild 43 ergibt den in Bild 68 gezeigten virtuellen Prototypen zur berpr fung der Systemeigenschaften S7 PLCSIM D bathelt 3X Start tart 2 es Stop Fenster Tor Bild 68 Die Virtuelle Kammmaschine Neben der Analyse der Steuerungslogik kann hier das Maschinenverhalten s muliert und visua lisiert werden Vor der realen Inbetriebnahme der K mmmaschine testet diese Virtuelle K mm maschine die dom nen bergreifend konsistente Umsetzung der in der EFS definierten Funktionen In diesem Kapitel wurde der Einsatz aller in Bild 53 gezeigten Tools beschrieben Ausgehend von der in ELVAN definierten EFS der K mmmaschine Abschnitt 4 2 hat dieser Abschnitt exemplarisch aufgezeigt wie die EFS nachfolgend zum Vorteil der Konstruktion und der Steuerungstechnik genutzt werden kann Anregungen f r weitergehende Schritte werden m n chsten Kapitel gegeben Abschliessende
57. L i diCanNotOverfilled i 126 doCentRollOpening Q 0 2 BOOL i END TRANSITION Q 0 3 BOOL j END_ STTIO l jr O Liste SFC Bild 49 I O Liste und SFC im SIMATIC Format nach dem Export aus ELVAN In dieser I O Liste sind alle Input und Outputvariablen aufgelistet Jede Variable ist als Input 1 oder Output Q markiert Eine konsistente Defaultadressierung wird in ELVAN automatisch erzeugt Dabei entspricht der erste Wert dem Byte und der zweite dem Bit D h ein I O auf der Adresse 0 2 referenziert auf das erste Byte und innerhalb dieses Bytes auf das dritte Bit Schlussendlich muss auch der Typ z B BOOL n dieser I O Liste definiert sein In der ASCII Date der Firma SIEMENS f r das SFC werden zuerst die Steps aufgelistet In diesen Steps werden Outputvariablen f r die Aktoren gesetzt Dabei steht R f r Reset und f hrt dazu dass die entsprechende Outputvariable den Wert 0 FALSE zugewiesen bekommt Den Wert 1 TRUE nimmt die Outputvariable bei einem S an was stellvertretend f r Set steht Am Ende der Datei sind dann die Transitionconditions aufgef hrt Sie enthalten die logisch verkn pften Inputvariablen aus den bergangsbedingungen in ELVAN Nach dem Import dieser beiden Dateien pr sentiert sich das SFC in SIMATIC wie in Bild 50 dargestellt Interdisziplin re Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme 69 seperate fleece do press
58. O fAntriebskopf Dummy LPM 7 6 di grundstellung_Unt 14 xeos BL fT JAntriebskopf 8 7 di arbeitsstellung U15 xeos BLD La ngsteil BLT Unterfunktion_13_erfu_6 0 05s 23 9 __8ldi grundstellung Unt 16 EL BOP l ngsteil BLT Unterfunktion 13 erfu 7 0 05s 10 9 do_ein Unterfunktion 4 so Bob Aslan LPM Unterfunktion 11 erfu 4 3s 0 5m Yo 11 _10ldo ein Unterfunktion 6 XAB T Bop Anntriebskopf LPM Unterfunktion_12_erfu_6 12 11 do ein Unterfunktion 7 W522 BO OT Lmgstell LPM Unterfunktion 13_erfu 7 1s0 4m vos 13 14 15 Linear Pneumatic Monostabil Zylinder_P 17 Monostable 18 Mechanic Position Sensor Endtaster 19 Abbildung 47 Erweiterte I O Liste WinMOD_IOS 136 Benutzerhandbuch der Software ELVAN 5 1 4 Byte Offset andern Mit dieser Exportfunktion kann das Byte Offset f r die Outputvariabeln gesetzt werden Sie erleichtert die Konfiguration des Speicherkopplers zum Datenaustausch zwischen Simatic und WinMOD Das Byte Offset f r die Inputvariabeln ist in ELVAN unver nderlich 0 Das gew hlte Byte Offset f r die Outputvariabeln wird im Simatic sowie im WinMOD Export ber cksichtigt Das Byte Offset f r die Outputvariabeln wird wie folgt gesetzt 1 Men gt gt Exportieren gt Byte Offset ndern Abbildung 40 2 Darauf ffnet s ch das Fenster Byte Offset ndern Abbildung 48 3 Eintrag Neuer Offset gt Die gew nschte Zahl in das Feld eingeben 4 Mit Ok best tigen
59. O In der Hierarchie zeigen Ausschneiden Energieeinganc FUN dene cn Kopieren Einf gen Ansicht i Format Shape gt z Enerc OUT ee j s Hilfe Abbildung 22 Unterfunktionen hinzuf gen Damit wurde in ELVAN automatisch ein neues Arbeitsblatt angelegt Das Arbeitsblatt auf dem nun die Unterfunktionen der gew hlten Funktion modelliert werden k nnen Auch dieses Arbeitsblatt wurde nach der Vaterfunktion benannt im vorliegenden Beispiel Hauptfunktion 1 erf llen Wiederum wurden auf das neu angelegte Arbeitsblatt s mtliche Fl sse welche zur bergeordneten Gesamtfunktion geh ren bertragen und referenziert Auch sollen die referenzierten Fl sse wieder mit den entsprechenden Hauptfunktionen dynamisch verkn pft werden Bei Informationsfl ssen mit dynamisch verkn pften bergangsbedingungen wurden diese automatisch mitreferenziert 4 4 1 Unterfunktionen anlegen Nun k nnen die Unterfunktionen durch drag amp drop des Elements Funktion definiert werden Dies geschieht analog w e das Anlegen der Gesamtfunktion Abbildung 17 und der Hauptfunktionen l Im Fenster ELVAN_Addon_de CH das Element Funktion selektieren und per drag amp drop auf das vorbereitete Arbeitsblatt setzen 2 Darauf ffnet s ch das Fenster Funktion hinzuf gen 3 Unterfunktion benennen durch eine entsprechende Eingabe im Feld Text des Shapes 4 Optional dazu kann der Unterfunktion auch eine Identit t f r
60. Phasen m Entwicklungsprozess s nd angebun den So l sst sich aus der EFS automatisch bas erend auf der Methode aus Abschnitt 3 1 2 die VO Liste und das SFC ableiten In Bild 49 ist ein Beispiel f r die SPS Programmierumgebung SIMATIC 65 von SIEMENS dargestellt 68 Interdisziplinare Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme 126 doPushFullCanFrwd i 126 diPush2EmptyCanFrontPos I 0 0 BOOL i 126 diPush2EmptyCanBackPos I 0 1 BOOL 3 126 diPushEmptyCanFrontPos I 0 2 BOOL STEP V2_Kannen schieber_ _NUM 16 i a2 eae LEUNNENPEILALBSCHBOR I 0 3 BOOL _COM v2 _ Kannen schieber einfa Leerk 126 diCentRollClosed I 0 4 BOOL i 126 diCentRollOpen I 0 5 BOOL annen schieber einfahren 126 diPushFullCanFrontPos I 0 6 BOOL i doPush2EmptyCanFrwd R 126 diPushFullCanBackPos I 0 7 BOOL i 126 di_ein Hauptmotor st_12 I 1 0 BOOL END_STEP i 126 di_ein Weitleuchte e 13 I 1 1 BOOLI 126 diStripTransportok T 1 2 BOOL i i 126 di grundstellung Ban 15 I 1 3 BOOL i i TRANSITION Sicherheitskrei _NUM TR En gt i 126 diNotSkStop I1 4 BOOL FROM Unterstuetzung Bandtrans i 126 diButStart I 1 5 BOOLI 126 diButNotStop I 1 6 BOOL TO Hauptmotor_stoppen gt j 126 diLapEmpty I 1 7 BOOL CONDITION NOT diButNotStop OR pS i NOT diNotSkStop OR diLapEmpty OR l ey ye Q 0 0 BOON diCanFull OR NOT 126 doPushEmptyCanFrwd Q 0 1 BOO
61. Projekt Datei Bearbeiten Ansicht Favoriten Extras I Zur ck gt wi gt Suchen J Ordner itz C Dokumente und Einstellungen EFS Projekt Projekt 1 Kopie von Projekt 1 Adresse Datei und Ordneraufgaben mij Ordner umbenennen ay Ordner verschieben ed EEE ee Abbildung 16 he eines EFS Projekts unter einem neuen Namen 4 2 Erstellen der Gesamtfunktion Auf der obersten Hierarchiestufe der EFS befindet sich die Gesamtfunktion Sie erf llt die bergeordnete Aufgabe des abzubildenden Systems Zus tzlich zur Gesamtfunktion k nnen auf dieser Hierarchiestufe die Material Energie und Informationsfl sse sowie eine allf llige System berwachung abgebildete werden Abbildung 17 zeigt ein Beispiel einer Gesamtfunktion mit den zugeh rigen Material und Energiefl ssen sowie einem Sensor Materialeingang GF Materialausgang GF gt Energieeingang GF Energieausgang GF gt Abbildung 17 Modellierung einer Gesamtfunktion 4 2 1 Einf gen der Gesamtfunktion Mit dem Offnen oder neu Anlegen von ELVAN wurde das erste Arbeitsblatt Gesamtfunktion generiert Darauf kann nun die Gesamtfunktion folgendermassen modelliert werden 1 Im Fenster ELVAN_Addon_de CH Abbildung 6 das Element Funktion selektieren und per drag amp drop auf das vorbereitete Arbeitsblatt setzen 2 Darauf ffnet s ch das Fenster Funktion hinzuf gen Abbildung 18 3 Gesamtfunktion benennen durch eine entsprechende Eingabe
62. Schritt f r Schritt visualisieren Ist das SPS Progamm fertig wird es auf die SPS des mechatro nischen Systems geladen Damit ist der in Bild 44 skizzierte Weg von der EFS ber das SFC bis zur SPS beschrieben Zur Unterst tzung der Losungsfindung in der Konstruktion ist es in ELVAN m glich einen Morphologischen Kasten Abschnitt 2 2 von der EFS als Exceltabelle wie in Bild 51 darge stellt abzuleiten Im Morphologischen Kasten werden zu gegebenen Funktionen verschiedene Te ll sungen gesucht Dies geschieht mit Vorteil im Team Die Teill sungen werden bewertet und zu einem funktions bergreifenden L sungskonzept vereint Bild 40 und Bild 61 70 Interdisziplinare Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme Morphologischer Kasten ssungskonzepte fe Etrans Arbeitskanne OUT Zwischenkanne f hren gt Arbeitskanne c D re c c x N Q lt c M Bild 51 Ausschnitt aus einem von ELVAN generierten Morphologischen Kasten in Excel Wird der Morphologische Kasten von der EFS abgeleitet werden zus tzlich zum Funktions namen die ein und ausgehenden Fl sse eingetragen Dar ber hinaus werden auch die zu den Funktionen assoziierten Sensoren neben den Fl ssen exportiert um die zu diskutierende Funk tion in einen Kontext zu stellen Aktorfunktionen mit spezifiziertem Aktor werden nicht mehr aufgelistet da hier die Umsetzung der Funktion schon definiert ist
63. VAN z B f r den Eingang diPushEmptyCanFrontPos Bild 59 amp Bild 65 das dritte Bit im ersten Byte EO 2 vergeben In Bild 66 ist im Hauptfenster der Schritt S14 markiert nachdem in der Soft SPS der Input E0 2 gesetzt wurde Innerhalb der Steuerungstechnik l sst sich so das SPS Programm in SIMATIC kompilieren und berpr fen bevor es auf die SPS geladen wird Die berpr fung des Steuerungsentwurfs im Zusammenspiel mit dem Konstruktionsentwurf wird anhand der Kammmaschine im n chsten Abschnitt beschrieben Fallstudie 89 4 3 3 Der Weg zur virtuellen Inbetriebnahme Um das Maschinenverhalten mit einzubeziehen m ssen die Signale an die Aktoren abgefangen und in Abh ngigkeit des stmulierten Maschinenverhaltens Sensorsignale an die SPS gesendet werden In diesem Fallbeispiel wurde dazu WinMOD mit PLCSIM verkn pft ELVAN unter st tzt dies durch den Export einer erweiterten I O Liste Bild 52 Diese Liste enth lt nicht nur die I O s der Kammmaschine sondern auch zusatzliche Informationen zu den Aktoren und Sen soren um das Aufsetzen der Eventsimulation zu erleichtern In Bild 67 ist das WinMOD Modell der Maschine zusammen mit den importierten Input und Outputvariablen der Kamm maschine dargestellt WinMOD41 WinMOD Projekt Kannenwechsel_PLC_ sim lt RUN gt Datei Bearbeiten Ansicht Konfiguration Start Stop Script Fenster SHa Ban phe At REG wWQQahB ti m s Mes Bande Kannenwechsel AKTOREN
64. achtungen sssssssssssssssnsssnnnnnnsssssnnnnssnnnnnnnnsssssnnnnssnnnnnnssssnsnssssssnee 91 Sell OTS IAS S O er are esse ee 91 9 2 AUS DICK ee cn eee eee nee ae ea are 94 5 2 1 Verallgemeinerung der Entwicklungsmethodik 2222222222222000eeeeeeeeeeenn 94 3 2 2 Rapid Viral Prolioiypine een 94 Anhang Benutzerhandbuch der Software ELVAN ssssssssssssssssssnnnssnnnnnnsssssnnnnssnnnnnnnnnen 97 Rel al 1174 2 geen ee ro et re ee ar NOS REY Bo A SET SA OE Oe 137 VII Abk rzungsverzeichnis AS EES Ablaufsprache englisch SFC AW Deg cdubededienties Anweisungsliste englisch IL BIH use Blekinge Tekniska H gskola englisch Blekinge Institute of Technology CAD sinne Computer Aided Design CAMeL Computer Aided Mechatronics Laboratory DIN vastness Deutsches Institut fur Normung ERS ers Erweiterte Funktionsstruktur extended function structure ELVAN 23 EarLy Virtual mAchine applicatioN Please Eidgen ssische Technische Hochschule EVYAsiss sn Early Virtual mAchine 00 D eee meee Function Block Diagram deutsch FUP FMS cenre Function means structure NIT een Function means tree Pam Funktionsstruktur function structure PUP mes Funktionsplan englisch FBD POD acceded Function Oriented Design GRAFCET GRAphe Fonctionnel de Commande Etape Transition GU Derien Graphical User Interface eee EEA Instruction List deutsch AWL VO Liste Liste aller Input und Out
65. agramm wird die EFS modelliert Dabei sorgt die an das Diagramm verkn pfte Datenbank EFS Data in MS Access f r Datenkonsistenz Im Fehler Logbuch error_log werden die Fehlermeldungen die w hrend der Modellierung auftreten aufgezeichnet Abbildung 12 zeigt die im Projektverzeichnis angelegten Dateien EFS Projekt Datei Bearbeiten Ansicht Favoriten Extras Zur ck us wi pe Suchen Wey Ordner ERBE Adresse C Dokumente und Einstellungen Noelle Eigene Dateien ELWAN ERS Projekt jee aea h A ath Er B Datei und Ordneraufgaben Microsoft Yisio Zeichnung la Microsoft Office Access Anwe L a en se 540 KB EFS Data Neuen Ordner erstellen ee Ordner im Web ver ffentlichen error_log Textdokument E7 Ordner freigeben 1 KB Abbildung 12 Komponenten des EFS Projekts Eine Umbenennung der Dateien im Projekt darf nur f r die MS Visio Date Diagramm erfolgen Dies kann ber den MS Explorer vorgenommen werden 4 1 2 Umbenennen der MS Visio Datei Diagramm im EFS Projekt 1 MS Explorer starten 2 Projektverzeichnis ffnen 3 Gew nschte Datei mit rechter Maustaste anklicken 4 Kontextmen gt Umbenennen Abbildung 13 Alternativ zu den Schritten 3 und 4 kann die Umbenennung auch ber Aktivieren gt Befehlstaste F2 erfolgen Neuer Name ber die Tastatur eingeben 6 Mit Enter Taste oder linker Maustaste best tigen N EFS Projekt EIER x Datei Bearbeiten Ansic
66. ann die Rekursion gestoppt werden Abschnitt 3 1 1 Steht der Aktor mit seinen Outputvariablen fest w rd dieser wie in Bild 46 gezeigt in ELVAN definiert Interdisziplinare Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme 65 JE A ktor EIER Typ Outputs Inputs Aktion Neuer Aktor hinzuf gen od Technologie Typ Reversierbar 1 Drehzahl Aktor PSA115 Zustand des Aktors Auschalten f Vorw rts C R ckw rts Aktor Typ Outputs Inputs Name UF8_133 Name Hauptbaugr BMK Speic Kommer do vorwaerts UF amp 151 ROBOlap 199 0 Ok Abbrechen do rueckwaerts UF6 15 ROBOlap Bild 46 Einen neuen Aktor einer Aktorfunktion zuweisen Dabe muss zuerst die verwendete Technologie wie Drehmotoren oder Hydraulikzylinder ge w hlt werden Anschliessend wird der Typ wie z B Bi oder Monostabiler Zyliner definiert Schlussendlich kann man einen spezifischen Aktor aus der Datenbank selektieren Dazu ist eine kleine Auswahl von Aktoren und Sensoren in ELVAN vordefiniert Bei der Anwendung von ELVAN empfiehlt es sich im vorhinein firmenspezifische Listen ber Access in ELVAN zu de finieren Bild 48 Da zugekaufte Aktoren auch Sensorik beinhalten k nnen werden neben den Outputvariablen auch die zugeh rigen Inputvariablen angelegt Diese Inputvariablen stehen nun auch bei der Formulierung der bergangsbedingungen zur Verf gung Je nach angestreb tem Zusta
67. auf das Arbeitsblatt ge ffnet In ELVAN wurde dieses Kontextmen erweitert um die Modellierung der EFS zu unterst tzen Die Erweiterung wurde 1m obersten Teil des Kontextmen s angef gt unterhalb davon ist der Fensterinhalt mit dem von MS Visio identisch Abbildung 4 zeigt das Kontextmen in MS Visio links und das erweiterte Kontextmen in ELVAN rechts Zur ck zur YakerFunktion UnterFunktionen hinzuf gen o 5P5 ID bearbeiten Aktor definieren In der Hierarchie zeigen Ausschneider Zeichnung kopieren 3 Kopieren 4 Einf gen 4 Einf gen Ansicht Ansicht Format Format Shape Shape Abbildung 4 Kontextment in MS Visio und ELVAN Benutzerhandbuch der Software ELVAN 105 In ELVAN existieren verschiedene erweiterte Kontextments Sie wurden auf die Besonderheiten der betreffenden Shapes sowie auf die Hierarchiestufen der EFS angepasst Wie durch den Namen bereits angedeutet steht das Kontextmen im Kontext der entsprechenden Hierarchiestufen Zeichnungsblatter oder Shapes Die Eintrage sind jeweils nur vorhanden wenn sie m Kontext der Aktivierung relevant sind Die auf die Hierarchiestufen und Zeichnungsblatter angepasste Erweiterung dient der vereinfachten Navigation durch dieselben Sie lasst den Anwender durch einfaches Anklicken des Eintrags der gew nschten Hierarchiestufe auf das entsprechende Zeichnungsblatt wechseln Dazu geh ren die folgenden Eintr ge
68. auto matisieren In Abschnitt 3 3 wird eine neue Software vorgestellt die neben der Definition der EFS Abschnitt 3 1 1 und dessen Nutzung Abschnitt 3 1 2 auch deren konsistente Verwal tung erm glicht 3 2 Adaption des planm ssigen Vorgehens Der angestrebte Workflow wie er in Bild 4 dargestellt ist deckt sich mit den Zielen der Ent wicklungsrichtlinie VDI 2206 fur mechatronische Systeme 72 Wie aus Bild 15 ersichtlich Interdisziplinare Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme 55 wird auch in der VDI 2206 ein gemeinsamer Systementwurf zur Erstellung des Konzeptes und ein paralleles Arbeiten 1m domanenspezifischen Entwurf vorgeschlagen Durch das Eintragen der beiden Hauptentwurfswerkzeuge CAD und SPS Programmierumgebung Abschnitt 2 4 wird aus dem V Modell der VDI 2206 Bild 15 das in Bild 39 dargestellte V Modell 1 SPS gesteuertes mechatronisches Produkt Anforderungen A Domanenspezifischer Entwurf k 3D CAD a SPS Programmierumgebung Modellbildung und analyse Bild 39 Angepasstes V Modell f r SPS gesteuerte mechatronische Systeme 1 In diesem Abschnitt wird aufgezeigt wie durch die Verwendung der EFS Abschnitt 3 1 1 im Systementwurf ein planm ssiger bergang in den dom nenspezifischen Entwurf bewerkstelligt werden kann Dazu wird ein neuer vordefinierter Prozessbaustein Abschnitt 2 4 f r die Doma nenverzweigung in Bild 41 vorgeschlagen Zusatzlich wird zur Eigenschaftsabsic
69. bbildung 23 rechts siehe auch Kapitel 4 5 5 Darauf erscheint das Fenster Aktor l schen Eintrag Aktor mit allen seinen Referenzen l schen w hlen Abbildung 24 siehe auch 4 5 6 Die Vaterfunktion mit der rechten Maustaste anklicken 7 8 9 Kapitel 4 5 5 10 Mit Ok bestatigen i SFC Start g mH H oberaanasbedhguns 9 4 Zur ck zur Yaterfunktion Unterfunktionen anzeigen SPS ID bearbeiten 9 Aktor definieren In der Hierarchie zeigen Ausschneiden 3 Kopieren Einf gen Ansicht Format Shape Hilfe i SFC Start H 4h bergangsbedingung 1 BHE oe ree An Hauptfunktion x a 1 erf llen 4 Zur ck zur Yaterfunktion SPS ID bearbeiten In der Hierarchie zeigen Aktor Hauptfunktion_1_erfue_3 Ausschneiden E Kopieren Einf gen Ansicht Format Shape Hilfe Abbildung 23 Kontextmen Aktor definieren l schen 4 5 Aktor definieren Aktor l schen W hlen Sie eine Loschungsvariante Mur diesen Link l schen Fr Aktor mit allen seinen Referenzen l schen Abbrechen Abbildung 24 Aktor l schen Aktoren k nnen per Definition nur Elementarfunktionen hinzugef gt werden Nur wenn keine Unterfunktionen bestehen kann einer Funktion ein Aktor hinterlegt werden Die Definition 120 Benutzerhandbuch der Software ELVAN eines Aktors 1m Fenster Aktor kann jederzeit unterbrochen und zu einem spateren Zeitpunkt fortgesetzt
70. bedarf diese Forschungslucke durch Methoden zu schliessen die in ein planmassiges Vorgehen eingebettet sind und durch Software unterst tzt werden Interdisziplinare Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme 45 3 Interdisziplinare Entwicklung SPS gesteuerter mecha tronischer Systeme Ziel dieser Arbeit ist es die interdisziplinare Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme zu verbessern Insbesondere soll die gemeinsame Konzeption inklusive des nachfol genden dom nenspezifischen Entwurfs erleichtert werden In diesem Kapitel wird dazu ein An satz zur Erf llung der Anforderungen A1 A3 aus Abschnitt 1 2 vorgestellt Bild 34 der die in Abschnitt 2 5 6 festgestellte Forschungsl cke schliesst A1 3 1 Neue Methoden A1 1 3 1 1 EFS Erweiterte Funktionsstruktur A1 2 3 1 2 EFS zur Ableitung des SFC der O Liste und der Baugruppen A1 3 3 1 3 EFS als Br cke zwischen der Konstruktion und der Steuerungstechnik A2 3 2 Adaption des planm ssigen Vorgehens A3 3 3 Neue Software zur Unterst tzung der Methoden Bild 34 Die Anforderungen Al A3 aus Abschnitt 1 2 in Relation zu den Abschnitten in diesem Kapitel Die Struktur der Abschnitte in diesem Kapitel ergibt sich aus den Anforderungen und spiegelt die Definition der Entwicklungsmethodik nach Pahl Beitz 59 Neue Methoden zur Beschrei bung und Nutzung der interdisziplin ren Konzeption SPS gesteuerter mechatronischer Systeme sind im
71. ceeeeeeeeeeaeseeeeseseeeees 120 43 2 AKO Outputsdelinteren ee 121 453 3 SILO Re npu AG ICRI einen 122 45 4 Tiinterie Serve nes Dummy AktOrS as 123 AD Dd AKO TOSCO ee ee een 123 4 5 6 AKtOMmame 1m Kontextmen sans ded ineiendd OER 123 4 6 9ENSOL deIInIerens ae enable 123 4 6 1 5en801 Ly PACHET Oa 124 4O 2 Sensor Inputs definere er T A N 125 4 6 3 Hinterlegen eines Dumimy SEnsors u 125 A OAL Sensor loschen 2 2 2226 Dass Ea 126 4 6 5 Sensorname im Kontextmen ussseseeeesssssesennsssennnnnnnnnnnnnnnnnnnnennennnnennennnnennnn 126 A Logische Funktion elinieren van 127 4 7 1 Logische Verkn pfung bearbeiten uussssssssnnnnnnsssssennenneneeeeeneennnnnnnnn 127 OAD MOUS DE AL DE er ee ee ir ndee 129 4 8 8P8 ID BALD en ee 129 2 9 Inder Hierarchie Zeisen esse 130 SA OT Lunktionen see ea EEE 131 5 1 OEE UO KOM EXPO ETE seen een 131 31 12 Morphologischer Kasten a 131 IEZ SUIT ATIC een 132 1 WINOD ee ee 134 3 1 4 BYO Net andee een 136 100 Benutzerhandbuch der Software ELVAN 1 Einleitung 1 1 Was ist ELVAN ELVAN EarLy Virtual mAchine applicatioN ist eine Software zur Erfassung und Nutzung der Erweiterten Funktionsstruktur EFS welche den interdisziplinaren mechatronischen Produktentwicklungsprozess unterst tzt ELVAN wurde im Kontext des KTI Forschungsprojekts EVA am Zentrum f r Produktentwicklung der ETH Zurich in Zusammenarbeit mit vier Industriepartnern Br tsch Elektron
72. ch eige ne Softwareentwicklungen war wichtig um die in Abschnitt 3 1 pr sentierten Methoden durch gangig durch Tools zu unterst tzen Diese Erweiterungen sind in C als Visio Add On realisiert Zur konsistenten Verwaltung der Daten wie Aktor Sensorinformationen und I O s wird Access m Hintergrund verwendet In Bild 45 sind links unten die vordefinierten Master Shapes in einer eigenen Schablone f r Funktionen bergangsbedingungen Material Energie und Informationsfl sse zusammenge fasst Diese Shapes k nnen analog zu den vorinstallierten Visio Shapes per Drag amp Drop in den Zeichnungen verwendet werden Das Anlegen von Unterfunktionen findet ber das Kontext men der jeweiligen Funktion statt Dabei wird ein neues Zeichenblatt Sheet erzeugt in dem neben der neuen Unterfunktion weitere Unterfunktionen definierbar s nd Bei der Verwendung von Werkzeugen wie Visio zur hierarchischen und ablaufbezogenen Dar stellung der Funktionsstruktur m ssen jeweils zwei Zeichnungen gemacht werden Dabei wird eine Funktion redundant n beiden Darstellungen eingetragen Dies f hrt neben dem h heren Aufwand vor allem zu Konsistenzproblemen bei nderungen Deshalb bestand die erste Erwei terung der Visio Software darin die Funktionshierarchie automatisch abzuleiten und st ndig eine aktuelle Darstellung in einem eigenen Fenster anzuzeigen Links oben in Bild 45 Trifft man beim Definieren von Unterfunktionen auf eine Aktorfunktion k
73. chaften werden mit Hilfe von Modellen und rech nerunterst tzten Werkzeugen zur Simulation abgebildet und untersucht Ein Beispiel f r solch eine Modellbildung findet sich in 38 W hrend des Entwurfs muss fortlaufend eine Eigen schaftsabsicherung Bild 15 anhand des spezifizierten L sungskonzepts und der Anforderun gen stattfinden Eine berpr fung der gew nschten Systemeigenschaften von SPS gesteuerten mechatronischen Systemen l sst sich z B mit der Virtuellen Maschine 45 17 realisieren Bild 16 3D Visualisierung Ru i WIE i Fle Edt View Smdsln Format Took Heb DEU 2B QS dD Noma vj i D hei aa 14 th Driver for the DEVA011 three Axis Quadrature SessionTime SampleTime k velocity AvyTET Gain MinTET MaxTET in Vienllode TimeLog Bild 16 Das Konzept der Virtuellen Maschine aus 5 In der Virtuellen Maschine ist die Maschinensteuerung so mit einer Maschinensimulation ver kn pft dass die Simulation Aktorsignale empf ngt verarbeitet und virtuelle Sensorsignale in Echtzeit wieder an die Steuerung zur cksendet Zus tzlich sind Geometriedaten aus dem CAD angeh ngt so dass Bewegungen visualisiert und Events wie Notknopf gedr ckt oder Werk zeug Werkstuck Kollision direkt an die Simulation oder weiter an die Steuerung bermittelt werden k nnen Je nach Fragestellung k nnen dabei in der Eventsimulation
74. che Verkn pfung bergangsbedingung Andern L schen Ast hinzuf gen AND Gatter hinzuf gen OR Gatter hinzuf gen di_objekt_anwesend_5_1 Abbrechen Abbildung 34 Kontextmen der Logikfunktion Im Logikeditor k nnen beliebig viele Logikfunktionen miteinander verkn pft werden Abbildung 35 zeigt ein Beispiel f r eine komplizierte logische Verkn pfung Editor f r Boolesche Verkn pfung bergangsbedingung di_objekt_anwesend_f_1 AND NOT di_objekt_anwesend_f_1 OR di_objekt_anwesend_f_2 OR di_objekt_anwesend_d_6 OR NOT di_objekt_anwesend_l_7 OR NOT di_objekt_anwesend_g_4 OR di_objekt_anwesend_f_3 OR di_objekt_anwesend_f_5 Abbrechen Abbildung 35 Komplizierte logische Verkn pfung Benutzerhandbuch der Software ELVAN 129 4 7 2 Inputs bearbeiten 16 Bei aktivierter Funktion durch Mausklick auf den Input Ast diesen aktivieren 17 Mit rechtem Mausklick auf den Input Ast das Kontextmen der Inputs ausw hlen Abbildung 36 18 Eintrag ndern gt Durch Anklicken dieses Eintrags ffnet sich das Fenster Inputs Darin kann der gew nschte Input ausgew hlt werden 19 Eintrag L schen gt Durch Anklicken dieses Eintrags wird der Input mitsamt seinem Ast gel scht 20 Eintrag Negieren gt Durch Anklicken dieses Eintrags wird der Input negiert 21 Mit Ok best tigen Editor f r Boolesche Verkn pfung bergangsbedingung 0 1 di_objekt_anwesend_5_1 Abbrechen
75. chern des Diagramms in ELVAN mit Men gt Datei gt Speichern Abbildung 15 wird das gesamte Projekt gespeichert Alternativ dazu kann die Tastenkombination Ctr S oder das Icon al in der Men leiste verwendet werden W Diagramm Microsoft Visio el Datei Bearbeiten Ansicht Einf gen i Neu i ffnen Ctrl o qag Als Webseite speichern Dateisuche Abbildung 15 Speichern eines EFS Projekts Mit der Bearbeitung und dem Speichern des MS Visio Diagramms in ELVAN wird das gesamte Projekt ver ndert inklusive Datenbank und Fehler Log F r die Erstellung einer Sicherheitskopie muss aus diesem Grund das gesamte Projektverzeichnis kopiert und unter einem neuen Namen abgespeichert werden 4 1 5 Speichern eines EFS Projekts unter einem neuen Namen Um ein Duplikat des Projekts unter einem neuen Namen anlegen zu k nnen muss das gesamte Verzeichnis kopiert und neu angelegt werden Abbildung 16 Dies wird im MS Explorer folgendermassen ausgef hrt l MS Explorer starten 2 Projektverzeichnis mit rechter Maustaste anklicken 3 Kontextmen gt Kopieren 114 Benutzerhandbuch der Software ELVAN Mit rechter Maustaste in das Explorer Fenster klicken Kontextmen gt Einf gen Mit linker Maustaste best tigen Zum Umbenennen das kopierte Verzeichnis mit rechter Maustaste anklicken Kontextmen gt Umbenennen Neuen Namen eingeben 0 Mit Enter Taste oder linker Maustaste bestatigen 2220 2 08 EFS
76. chnik In diesem Kapitel wird der Stand der Technik in Bezug auf die Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme beleuchtet Zunachst geht der Abschnitt 2 1 auf die Spezialisierung ein die sich durch die SPS ergibt Da die Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme wesentlich durch die Dom nen Konstruktion und Steuerungstechnik gepr gt ist 1 3 4 wird anschliessend der dom nenspezifische Entwurf beschrieben Typischerweise wird dabei heutzutage zuerst der Konstruktionsentwurf Abschnitt 2 2 und anschliessend der Steue rungsentwurf Abschnitt 2 3 mit entsprechenden R ckkopplungen realisiert Bild 2 Das Ziel einer gemeinsamen parallelen interdisziplinaren Entwicklung mechatronischer Systeme Bild 4 ist nicht neu Ans tze dazu werden in Abschnitt 2 4 pr sentiert Im Hinblick auf die Ziele der Arbeit liegt dabei der Schwerpunkt auf der interdisziplinaren Konzeption inklusive strukturiertem bergang zu den dom nenspezifischen Entwurfswerkzeugen f r die Entwick lung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme Abschliessend werden die Anforderungen aus Abschnitt 1 2 dem Stand der Technik n Abschnitt 2 5 gegen bergestellt um den verbleibenden Handlungsbedarf aufzuzeigen 2 1 SPS gesteuerte mechatronische Systeme In Bild 5 st der prinzipielle Aufbau SPS gesteuerter mechatronischer Systeme dargestellt Er unterscheidet sich vom Aufbau anderer mechatronischer System lediglich dadurch dass der Steuerungstyp des Systems
77. cker M Mechatronischer Entwurf eines reversierenden hydraulishen Antriebsak tors fur die aktive Fahrzeugfederung VDI Verlag Reihe 12 Nr 555 D sseldorf Deutschland 2003 Bernecker Rainer Industrie Elektronik GmbH B amp R Automation Studio http www br automation com Eggelsberg Osterreich 2006 Bonfatti F Monari P D und Sampieri U IEC 1131 3 Programming Methodology CJ International Frankreich 1997 Bosch Packaging http pa bosch com Deutschland 2006 Breiing A und Flemming M Theorie und Methoden des Konstruierens Springer Verlag Berlin Heidelberg Deutschland 1993 Br tsch Elektronik AG http www brel ch Uhwiesen Schweiz 2006 Buur J und Andreasen M Design models in mechatronic product development Journal of Design Studies Vol 10 Nr 3 1989 138 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Referenzen Buur J A Theoretical Approach to Mechatronics Design Technical University of Denmark Dissertation D nemark 1990 Buur J Design models and methods for mechatronics Mechatronic Design in Tex tile Engineering 27 32 Kluwer Academic Publishers Niederlande 1995 CADsys FOD Function Oriented Design Chemnitz Deutschland 2006 Counsell J Porter I Dawson D und Duffy M Schemebuilder computer aided knowledge based design of mechatronic systems Journal of A
78. ckler Blekinge Tekniska H gskola BTH Karlskrona SE Wissenschaftlicher Mitarbeiter Eidgen ssische Technische Hochschule ETH Z rich Zurich CH Doktorand am ZPE Zurich 1m Oktober 2006 Jens Bathelt
79. das Setzen der Outputvariablen Der Aktor mit seinen Variablen verbleibt unver ndert in der EFS so dass weder die I O Liste noch die Baugruppenhierarchie ge ndert werden m ssen Aller dings ndern sich die Aktionen im SFC da nun die Outputvariablen mit anderen Werten belegt sind Loschen eines Sensors in der Baugruppenhierarchie Entscheidet sich die Konstruktion fur das Entfernen eines Sensors wird dies durch ein Loschen des entsprechenden Einzelteils in der Baugruppenhierarchie und der EFS reflektiert In der EFS fuhrt dies zur Beseitigung aller Inputvariablen des Sensors Eine Aktualisierung der I O Liste Abschnitt 3 1 2 in einer SPS Programmierumgung wie z B von B amp R 7 oder SIEMENS 65 generiert spezifische Fehlermeldungen beim Kompilieren des Quellcodes Um wieder e1 nen konsistenten Gesamtentwurf zu erreichen muss der Steuerungstechniker nun berall dort aktiv werden wo der Kompiler die nunmehr ung ltige Verwendung der gel schten Inputvaria blen 1m Quellcode anzeigt In diesem Abschnitt wurden die Beziehungen zwischen den Entitaten der Baugruppenhierar chie der EFS und des SFC beschrieben Zusatzlich wurden anhand von Bild 38 die Auswirkun gen diskutiert falls eine der Entit ten erzeugt ge ndert oder gel scht wird Zur konsistenten Verwaltung der Entit ten bietet sich eine Unterst tzung durch Software an Dort lassen sich dann unter Verwendung von Bild 38 die Implikationen die sich bei nderungen ergeben
80. den Entwickler bei der L sungssuche zu stark einzuengen Gleichzeitig mu ein derart gestaltetes Entwufssystem durch dom nenspezifische Entwurfssoftware erweiterbar sein 2 4 4 Flath Flath stellt n 27 eine integrierte Methode zur Funktions und Prinzipl sungsmodellierung me chatronischer Produkte vor welche eine Spezifikationssprache zur Abbildung von Funktions spezifikationen und Prinzipl sungen und ein Vorgehensmodell Bild 23 umfasst Anforderungen und Zielgrossen erstellen Zustande ermitteln Funktionale Erstellen von Spezifikation lt Prinziplosungsmodellen Bewerten der Prinziplosungen Ausgew hlte Prinzipl sung Bild 23 Vorgehensmodell der Produktkonzipierung nach Flath Nach der Erstellung der Anforderungen und Zielgr ssen werden zuerst die Zust nde ermittelt in denen sich das Produkt befinden kann Dabei ist eine Hierarchisierung von Zust nden m g lich In der anschliessenden funktionalen Spezifikation werden Funktionen definiert die die berg nge zwischen den Zust nden beschreiben Diese alternative Verwendung des Funktions begriffes ber cksichtigt die zeitliche Abfolge von unterschiedlichen Systemzust nden ohne die Ein und Ausgangsbeziehungen einer Funktion mit Material Energie und Informationsfl ssen 30 Stand der Technik zu beschreiben In der Notation von Flath wird zwischen erw nschten und unerw nschten Zu st nden und Funktionen unterschieden Funktionsspezifikationen
81. den dom nenspezifischen Entwurf genutzt wer den kann Das Ableiten eines virtuellen Prototypen der Textilmaschine aus den Daten der ELVAN des CAD und der SPS Programmierumgebung runden diese Fallstudie ab Insgesamt zeigt diese Arbeit auf wie die Steuerungstechnik gemeinsam mit der Konstruktion durch die Verwendung der EFS ein SPS gesteuertes mechatronisches System effizient und parallel entwickeln kann XI Abstract The collaboration when developing mechatronic products in particular across the domain borders is challenging Mechatronic systems controlled by a PLC like textile or packaging machines are usually designed sequentially Firstly the mechanical engineer is working on the machine concept and building the MCAD model followed by the control engineer implemen ting the software for the control The potential of the control software is neglected in the early design phase due to that sequential procedure In addition the lacking synchronisation between the domains leads to inconsistencies in the design implying higher costs and a longer develop ment time This work presents a design methodology for mechatronic systems controlled by a PLC where the control engineers are methodically involved in the early conceptual phase and synchronized with the mechanical engineers throughout the development process The developed Extended Function Structure EFS does not only contain the traditional functions of the electromechani
82. der Regel Conversion transmission von Stone 67 Alle drei Regeln der Heuristik identifizieren die Funktion Anlage antreiben als eigenst ndi ges Modul Dies deckt sich mit der Hauptbaugruppe Antriebskopf aus Abschnitt 4 1 Die Regel Dominant flow vereint die Hauptbaugruppen Ansetzeinheit Langsteil und Auslauf zu einem potentiellen Modul Eine feinere Unterteilung ergeben die Regeln Branching flow und Conversion transmission so dass die Heuristik von Stone zwar nicht zwingend eine Modula Fallstudie 85 risierung vorschreibt aber gute Anhaltspunkte fur eine solche gibt In ELVAN wurden die vier Hauptbaugruppen wie in Bild 63 gezeigt angelegt L Diagramm vsd Microsoft Visio HE Datei Bearbeiten Ansicht Einf gen Format Extras Shape Fenster Frage hier einc Funktionshierarcl A x i E Exportieren Sensor Vliese bereitstellen Afi Hauptbaugruppe Vilese von Kurzfasern trennen B nder transportieren B nder doublieren Band strecken Band transportieren Kanne bereitstellen Anlage antreiben Volle Kanne Leere Wickel lt EVA Addon Shapes O Nach Shapes suchen Geben Sie Ihren Suchbegriff hier eir Vliesreste Hauptbaugruppe Name MEE F H ELVAN Addon_de CH Abk rzung Nummer Funktion Material Kommentar _ ai aE e uas Energiefuss L schen E badingung fluss Bild 63 Hauptbaugrup
83. die Events einfach verkn pft und das Verhalten der Maschine grob linearisiert werden 17 Zur weitergehenden Betrachtung des Systemverhaltens k nnen dazu aber auch Modelle aus der flankierenden Mo dellbildung und analyse integriert werden 40 5 Neben dem allgemeinen Probleml sungszyklus auf der Mikroebene und dem V Modell auf der Makroebene st tzt sich die VDI 2206 auf vordefinierte Prozessbausteine zur Bearbeitung wie Stand der Technik 23 derkehrender Arbeitsschritte bei der Entwicklung mechatronischer Systeme Der vordefinierte Prozessbaustein fur den Systementwurf ist in Bild 17 gezeigt Anforderungen Produkt Phasen Meilensteine Aufgaben T tigkeiten Resultate Planen und Kl ren der Aufgabe 1 e Abstraktion zum Erkennen entwurf der wesentlichen Probleme e Aufstellen der Funktionsstruktur Gesamtfunktion Teilfunktion e Suche nach Wirkprinzipien L sungs elementen fur die Teilfunktionen Wirkstruktur Baustruktur e Konkretisieren zu prinzipiellen Losungsvarianten e Bewerten und Ausw hlen e Festlegung des dom nen bergreifenden L sungs konzepts Anforderungs liste L sungs 2 konzept dom nenspezi fischer Entwurf Bild 17 Vordefinierter Prozessbaustein f r den Systementwurf der VDI 2206 72 Die aufgef hrten Aufgaben und T tigkeiten lehnen sich an das Vorgehen von Pahl und Beitz 59 an Parallelen zur Konzeptphase Bild 7 nach VDI 2221 73 sind offensich
84. die SPS Steuerung gegeben werden Dabei ist zu beachten dass diese Identit t nur aus maximal 24 Zeichen bestehen und keine Leerschl ge oder Sonderzeichen enthalten darf 5 Mit Ok best tigen Den Unterfunktionen k nnen weitere Unterfunktionen hinzugef gt werden Somit lassen sich beliebig viele Hierarchiestufen und damit eine beliebige Detaillierung erstellen und abbilden Benutzerhandbuch der Software ELVAN 119 4 4 2 Loschen eines Arbeitsblatts von Unterfunktionen Das Arbeitsblatt kann nur geloscht werden wenn zuerst samtliche darauf abgebildeten und definierten Unterfunktionen mit Aktivieren gt Delete gel scht wurden Alternativ dazu k nnen die Unterfunktionen auch im Fenster Funktionshierarchie auf analoge Weise gel scht werden 1 Durch das Hinzuf gen von Unterfunktionen zu einer bestimmten Funktion wurde diese zur Vaterfunktion Gleichzeitig wurde ein neues Arbeitsblatt erstellt das den Namen der Vaterfunktion tr gt Soll dieses neu erstellte Arbeitsblatt gel scht werden so muss dies auf der Hierarchiestufe der Vaterfunktion ausgef hrt werden Die Vaterfunktion mit der rechten Maustaste anklicken Kontextmen gt Aktor definieren Abbildung 23 links siehe auch Kapitel 4 5 Dieser Eintrag st m Kontextmen nur vorhanden wenn auf dem zu l schenden Arbeitsblatt keine Unterfunktionen vorhanden sind Darauf erscheint das Fenster Aktor Mit Ok best tigen Kontextmen gt Aktor l schen A
85. dingung oie y Abbildung 8 Dynamisch verkn pfte bergangsbedingung Sensoren werden mit Funktionen verkn pft Die daf r vorgesehenen Stellen auf den Funktionen sind mit blauen Kreuzen x und die auf den und Sensoren mit einem blauen Kasten m markiert Bei erfolgter dynamischer Verkn pfung erscheint das Fenster Sensor hinzuf gen worin der Sensor benannt werden kann Abbildung 9 zeigt einen dynamisch verkn pften Sensor Sensor Abbildung 9 Dynamisch verknupfter Sensor Benutzerhandbuch der Software ELVAN 109 einem nicht gef llten roten K stchen Q dargestellt Ist dieses Symbol bei der Modellierung Eine gelungene Verkn pfung wird w hrend der Erstellung bei s mtlichen Shape Arten mit erschienen so wurde die dynamische Verkn pfung angelegt und in die Datenbank bertragen Im Laufe der Modellierung k nnen die dynamischen Verkn pfungen durch drag amp drop der Su entsprechenden Shapes wieder gel st und ge ndert werden Zur berpr fung ob zwischen ZWI zwei bestimmten Shapes eine dynamische Verkn pfung besteht muss lediglich das entsprechende Shape aktiviert und auf die roten K stchen berpr ft werden Bei der dynamischen Verkn pfung darf die Befehlstaste Ctr nicht bet tigt werden A N Andernfalls funktioniert ELVAN nicht mehr fehlerfrei 3 6 Graphische Kennzeichnung der Shape Zustande Die graphische Kennzeichnung der Shape Zust nde dient der erleichterten Modellierung einer EFS in ELVAN
86. e concep tual design state of the art and future trends Journal of Computer Aided Design Vol 24 pp 981 996 Elsevier Science Ltd Hrsg 2002 Weck Manfred Werkzeugmaschinen Fertigungssysteme Band 3 1 Automatisie rung und Steuerungstechnik 1 Vierte grundlegend neu bearbeitete und erweiterte Auf lage VDI Verlag D sseldorf Deutschland 1995 Werner G tz Hydraulik n Theorie und Praxis Robert Bosch GmbH Gesch ftsbe reich Automationstechnik Schulung Omega Fachliteratur Ditzingen Deutschland 1997 Lebenslauf Name Geburtsdatum Nationalitat Zivilstand Kinder Sep 1984 Juli 1987 Juli 1987 Aug 1987 Aug 1987 Juli 1988 Sep 1988 Juni 1989 Sep 1989 Sep 1992 Nov 1993 Dez 1993 Okt 1989 Sep 1995 Sep 1995 Juli 2001 Juni 2003 Sep 2003 seit Feb 2001 143 Jens Bathelt 3 Juni 1968 deutsch geschieden Bj rn 1991 Ronja 1993 UHDE GmbH Hoechst Dortmund D Ausbildung zum Technischen Zeichner UHDE GmbH Hoechst Dortmund D Technischer Zeichner Fachoberschule f r Technik Dortmund D Fachhochschulreife n der Fachrichtung Maschinentechnik DDS ENGINEERING DANISCO Kopenhagen DK Technischer Zeichner Gerhard Mercator Universit t Duisburg D Fachgebundene Hochschulreife Institut f r Mechatronik IMECH Moers D Studentische Hilfskraft Gerhard Mercator Universit t Duisburg D Diplom Technomathemat k Precisionsoft AG Au ZH CH CAD Softwareentwi
87. egtem mE una erg eta Dummy Sensor und Inputs a Abbildung 10 bersichtstabelle ber die verschiedenen Shapes und ihre Abbildung Sensoren Benutzerhandbuch der Software ELVAN 111 4 Erstellen der EFS in ELVAN 4 1 Offnen und Speichern von EFS Projekten 4 1 1 Offnen eines neuen EFS Projekts 1 MS Visio starten 2 In MS Visio ELVAN starten mit Men gt Datei gt Neu gt ELVAN 3 Darauf ffnet sich das Fenster Ordner suchen Abbildung 11 In diesem Fenster kann ein bestehendes Verzeichnis ausgewahlt oder mit Hilfe der Funktion Neuen Ordner erstellen ein neues Verzeichnis angelegt werden 4 Mit OK bestatigen Ordner suchen Wahlen Sie ein Projektyerzeichnis Desktop En G Eigene Dateien E vg Arbeitsplatz Metzwerkumgebung l Papierkorb 5 EFS Projekt Neuen Ordner erstellen i i Abbrechen Abbildung 11 Anlegen eines Projektverzeichnisses Wird ein bestehendes Verzeichnis angewahlt so werden die unter diesem Verzeichnis bestehenden Dateien berschrieben Dabei erscheint ein Hinweisfenster welches noch einmal AN die Best tigung zum Uberschreiben abfragt Damit wurde ein neues EFS Projekt angelegt Im ausgew hlten oder neu erstellten Projektverzeichnis finden sich nun s mtliche notwendigen Projektkomponenten Dies sind die folgenden drei Dateien e Diagramm in MS Visio e Datenbank in MS Access e Fehler Log in ASCII 112 Benutzerhandbuch der Software ELVAN In der MS Visio Datei Di
88. einer realen SPS durchf hren Dieses Vorgehen setzt einen Konstruktionsentwurf vor der SPS Programmierung voraus und entspricht somit dem traditionellen Workflow Bild 2 2 4 10 eM PLC Die Software eM PLC 69 von Tecnomatix UGS ist spezifisch auf die Entwicklung SPS ge steuerter mechatronischer Systeme zugeschnitten Bild 31 Stand der Technik 39 eM PLC virtuelle Zelle SIMATIC upload upload Soft SPS PLCSIM Eigenschafts mm absicherung Reale SPS Eigenschaftsabsicherung j OPC Bild 31 Verwendung des Programms eM PLC in Kombination mit SIMATIC in Anlehnung an 69 Nach dem Import des CAD Modells wird die Kinematik des Systems in eM PLC definiert An schliessend legt der Ingenieur die Ablauflogik durch die sogenannte SOP sequence of opera tions fest Das Tool eM PLC ist nun in der Lage das SFC Abschnitt 2 3 von der SOP automatisch abzuleiten Anschliessend wird das generierte SFC in die SPS Programmierum gebung SIMATIC 65 importiert Erg nzungen am SPS Programm finden nun je nach Bedarf in SIMATIC statt Eine erste Eigenschaftsabsicherung Bild 15 durch eine Virtuelle Maschine Bild 16 kann durch die Kopplung der Soft SPS PLCSIM Bild 31 von SIMATIC mit dem 3D Modell in eM PLC geschehen Schlussendlich wird auch das Erstellen einer zweiten Virtu ellen Maschine mit einer realen SPS unterst tzt Dabei kann die im Produkt verwendete SPS ber OPC Open Process Control mit eM PLC kommuni
89. en Fallstudie 79 Nach der Definition der Hauptfunktionen werden diese sukzessive konkretisiert So enth lt die Funktion Kanne bereitstellen unter anderem die Unterfunktion Zwischenkanne nachr k ken welche wiederum die in Bild 58 gezeigte Unterfunktionen enth lt Hre eingefahren IN Zwischenkanne IN Zwischen Zwischenkanne e Epneu IN kannenschieber Etras s gt f hren ausfahren AE a ausgefahren Arbeitskanne OUT Zwischen kannenschieber einfahren Schiebearm eingefahren OUT v Bild 58 Unterfunktion Zwischenkanne nachricken In der Funktion Zwischenkanne nachr cken wird die leere Zwischenkanne auf die Arbeitspo sition geschoben wodurch aus dieser Kanne die zu f llende Arbeitskanne wird Die Ein und Ausgangsfl sse dieser Funktion wie z B Zwischenkanne IN und Arbeitskanne OUT sind auf dieser Hierarchieebene lediglich referenziert Definiert wurden sie schon mindestens eine Hierarchiestufe h her ELVAN legt diese Flussreferenzen automatisch beim Definieren e1 ner Unterfunktion an Somit ist die Konsistenz s mtlicher Fl sse ber alle Hierarchiestufen hin weg sichergestellt Auf dieser Hierarchieebene ist den zwei Funktionen mit Informationsfluss jeweils eine Aktorinformation hinterlegt In Bild 59 I ist dargestellt wie der Funktion Zwischenkannenschieber ausfahren der monostabile Pneumatikzylinder DGS
90. en Maschine mit deren Hilfe eine erste Eigenschaftsabsicherung ber eine virtuelle Inbetriebnahme m glich ist Dazu sind die folgen den T tigkeiten n tig e Software von der SPS Programmierumgebung auf eine SPS laden Die Hardwarekonfiguration der Steuerung einschliesslich der Kommunikationswege ber Interdisziplinare Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme 61 die I O s zu den Aktoren Sensoren muss in der SPS Programmierumgebung definiert sein Ist der Entwurf der Software abgeschlossen wird diese auf die SPS geladen e Aufsetzen der Eventsimulation und diese mit der SPS verkn pfen In der Eventsimulation werden die Signale der Steuerung an die Aktoren empfangen und simulierte S gnale der Sensoren zur ckgeschickt Dazu muss das Verhalten des mechatroni schen Systems n der Eventsimulation abgebildet werden Zur Verkn pfung der Eventsimu lation mit der SPS m ssen auch in der Eventsimulation dieselben O s definiert werden Wird z B die SPS Programmierumgebung SIMATIC 65 zusammen mit der Eventsimula tion SIMIT 66 verwendet k nnen die I O s direkt von SIMATIC bernommen werden Ansonsten k nnen die I O s auch wie in Abschnitt 3 1 2 beschrieben von der EFS abgele tet werden e 3D CAD Modell in einer Visualisierungssoftware verwenden und mit der Eventsimu lation verkn pfen Bei grossen 3D CAD Modellen lohnt es sich zuerst die Modelle im CAD zu vereinfachen 1 17 So lassen sich z B im CAD S
91. en kardieren B nder strecken Band wickeln Vliese k mmen Bander strecken Band vorspinnen ON A On A Q N Vorgarn ringspinnen Das Rohmaterial wie z B Baumwolle oder Wolle wird in Ballenform angeliefert Diese Stapel faserballen werden in einem ersten Schritt geputzt Dabei werden die Fasern im Ballen zuerst vom Ballenoffner grob voneinander gel st Anschliessend werden die Rohfasern von Schmutz und Fettresten bei der Wolle oder von Resten der Samenkapseln bei der Baumwolle befreit Die entstehenden Flocken werden gemischt Einen ersten Schritt zum parallelisieren der Fasern stellt das Kadieren dar Durch ein Harken der losen Fasern in den Flocken ensteht ein Band Zur Erh hung der Gleichm ssigkeit oder zum Herstellen von Mischfasern werden mehrere Bander zu einem Band verstreckt Das K mmen ist ein optionaler Schritt im Ringspinnprozesss um qualitativ hochwertige und feine Garne zu erhalten indem durch Ausscheidung von Kurzfasern die durchschnittliche Faserl nge erh ht wird Dazu werden vorbereitend Vlieswickel produ ziert Auch wenn das optionale K mmen nicht stattfindet wird das Band ein zweites Mal ge streckt bevor es zu einem Vorgarn versponnen wird Abschliessend wird beim Ringspinnen das Vorgarn um den Faktor 40 50 gestreckt und gleichzeitig verdreht Fallstudie 75 Die f r diese Fallstudie ausgew hlte vollautomatisierte Kammmaschine der Firma Rieter ist n Bild 54 dargestellt Der Kammvorgang wird ledig
92. ende Anteil an Software in mechatronischen Produkten schl gt sich auch in der prozentualen Aufteilung der Herstellungskosten nieder Wie aus Bild 1 von 63 er sichtlich ist der Softwareanteil der Herstellungskosten mechatronischer Produkte in den letzten Jahrzehnten von weniger als 5 auf 40 gestiegen Damit erreicht die Steuerungstechnik durch die Entwicklung von Software dasselbe Gewicht wie die Konstruktion mechanischer Kompo nenten Herstellungskosten in Prozent 100 Software 80 Steuerungstechnik E 60 e nik 40 Konstruktion 20 Mechanik K ey RN 1970 1980 1990 2000 Bild 1 Entwicklung der Produktanteile in der Mechatronik 63 2 Einf hrung Die historische Dominanz der Konstruktion spiegelt sich auch heute noch im Entwicklungspro zess mechatronischer Produkte Bild 2 w eder Trotz der immer st rkeren Beeinflussung des mechatronischen Produktes durch Software wird die Steuerungstechnik erst spat im Entwick lungsprozess einbezogen Steuerungstechnik o o I o Konstruktion _____ Konzeptphase Entwurfsphase Bild 2 Heutiger Workflow 3 Traditionell wird in der Konstruktionsabteilung das mechatronische System konzipiert und an schliessend mittels CAD Computer Aided Design entworfen Die Maschinenablaufe werden vom Maschinenhersteller typischerweise unter Verwendung der Sprachen aus der DIN EN 61131 3 23 implementiert und auf eine Speicherprogram
93. ensorik in seiner Hauptbaugruppe verbaut werden soll Nicht nur f r das concurrent engineering innerhalb der Konstruktion sondern auch f r das top down Modellieren mittels CAD ist die Identifikation der Hauptbaugruppen wichtig um den Konstruktionsentwurf zu starten Typischerweise werden alle CAD Modelle n einem PDM System so verwaltet dass alle Konstrukteure Zugriff auf den jeweils aktuellen publizierten Stand aller Baugruppen des Projektes haben Interdisziplinare Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme 51 3 1 3 EFS als Brucke zwischen der Konstruktion und der Steuerungs technik Wie in Abschnitt 2 5 beschrieben sind beim Entwurf mechatronischer Systeme vor allem An derungen problematisch die nicht nur f r eine Dom ne relevant sind sondern sich dom nen ubergreifend auswirken Aktoren und Sensoren stellen ein Bindeglied zwischen der SPS Software der Steuerungstechnik und dem CAD Modell des Grundsystems der Konstruktion dar Bild 5 Die Geometrie der Aktoren und Sensoren wird von der Konstruktion im CAD model liert Aus Sicht der Steuerungstechnik interessieren die korrespondierenden Input und Output variablen Uber die Inputvariablen lassen sich die Sensorinformationen im Steuerungscode adressieren Die Aktoren werden tiber die Outputvariablen angesteuert Anderungen dieser in terdisziplin r relevanten Daten in der Konstruktion oder der Steuerungstechnik betreffen je weils auch die andere Dom ne F hrt
94. er Software FOD 15 Stand der Technik 15 Im Anforderungseditor ist es m glich neben einem digitalen Pflichtenheft alle Projektdoku mente strukturiert im Anforderungsmodell abzulegen FOD unterst tzt 1m Funktionseditor die hierarchische und ablaufbezogene Darstellung der Funktionsstruktur Der Bauteileditor dient zur Erfassung der Baugruppenhierarchie welche im Strukturmodell abgelegt wird Zusatzlich lassen sich uber den Constraintmanager Parameter der Anforderungs Funktions und Struktur modelle miteinander verkn pfen Dar ber hinaus stehen Schnittstellenmodule f r verschiedene CAD Systeme zur Verf gung Dadurch k nnen Baugruppen im CAD bidirektional mit den Baugruppen 1m FOD verbunden werden Somit eignet sich FOD zur durchg ngigen Unter st tzung des Entwicklungsprozesses n der Konstruktion nach VDI 2221 Bild 7 Allerdings fehlt die direkte Unterst tzung zur Unterscheidung der Material Energie und Informations flusse im Funktionseditor Fur den Entwicklungsprozess der Steuerungstechnik welcher im n chsten Abschnitt beschrieben wird ist FOD nicht ausgelegt 2 3 Steuerungstechnik Wie in Abschnitt 1 1 dargestellt zieht die Konstruktion die Steuerungstechnik in der Regel nicht vor Abschluss der Konzeptphase Bild 7 hinzu Oft steigt die Steuerungsstechnik erst nach der Entwurfsphase ein Zu Beginn werden oft verschiedene Diagramme erstellt um die Aufgabenstellung aus Sicht der Steuerungstechnik zu erfassen Dadurch erh
95. er die Befehlstaste F2 und anschliessender Texteingabe umbenannt werden Gel scht wird ein aktiviertes Shape mit der Befehlstaste Delete Alternativ dazu k nnen die Shapes auch im Fenster Funktionshierarchie nach Aktivierung des entsprechenden Eintrags auf analoge Weise umbenannt und gel scht werden ey In ELVAN k nnen neben den ELVAN Shapes auch s mtliche Visio Shapes abgebildet werden Dies erlaubt eine Erweiterung des Modells zu Informationszwecken Die Visio Shapes werden in ELVAN nicht dynamisch verkn pft und verursachen somit keinen Konflikt mit der Datenbank Bedingt durch die geforderte Datenkonsistenz m ssen die Shapes im Projekt eindeutige Namen tragen Das gilt n cht nur f r Shapes vom gleichen Typ sondern f r alle Shapes innerhalb des Projekts 3 5 Dynamische Verkn pfung der ELVAN Shapes Durch die dynamische Verkn pfung wird die Datenkonsistenz in der modellierten EFS gew hrleistet und die automatische Generierung der Arbeitsergebnisse aus der EFS f r die Fachdisziplinen erm glicht Wird eine solche Verkn pfung angelegt so l st sie einen entsprechenden Eintrag n der ELVAN hinterlegten Datenbank aus S e findet an den daf r vorgesehenen Stellen am Shape statt Folgende Verkn pfungen sind in der EFS zul ssig e Fl sse werden ausschliesslich mit Funktionen verkn pft Die daf r vorgesehenen Stellen an den Funktionen sind mit blauen Kreuzen x markiert Die Fl sse werden mit ihren Anf ngen bei e
96. ert werden falls sie sich dom nen ber greifend auswirken Das Nachf hren der nderung in der EFS zeigt auf ob und wo diese nde rung die jeweilig andere Dom ne betrifft Abschnitt 3 1 3 Hier empfiehlt sich die konsequente Verwaltung aller EFS Daten zusammen mit allen dom nenspezifischen Entwurfsdaten auf e1 nem PDM System Insgesamt werden die Vorteile des EFS bas erten Entwicklungsprozesses nicht durch zus tzliche Arbeitsschritte erkauft sondern durch das Ersetzen schon existierender Arbeitsschritte 5 2 Ausblick 5 2 1 Verallgemeinerung der Entwicklungsmethodik Diese Arbeit fokussiert auf Systeme die als Steuerung eine SPS verwenden Gleichwohl hat der EFS Ansatz das Potential auf andere mechatronische Systeme verallgemeinert zu werden Die Ablauflogik der Steuerung wie sie in der EFS enthalten ist findet sich z B auch in eingebette ten Systemen embedded systems Die in Abschnitt 3 1 1 definierte EFS kann analog f r diese Systeme eingesetzt werden Da SFC eine typische SPS Programmiersprache ist muss das Ab leiten eines Programms von der EFS Abschnitt 3 1 2 f r ein eingebettetes System auf die ge w nschte Programmiersprache angepasst werden Die Konstruktion kann die Methoden aus Abschnitt 3 1 unver ndert bernehmen Die Aktorik und Sensorik stellt bei allen mechatronischen Systemen ein Bindeglied zwischen der Steuerung und des Grundsystems dar Bild 5 Somit ist die Idee dom nen bergreifende nderungen be
97. es Korreferats Bei meinen Kollegen bedanke ich mich f r das freundschaftliche Arbeitsklima und die n teressanten Diskussionen welche meinen Horizont erweitert haben Auch ausserhalb der For schungsarbeit wird mir die mannigfaltige Bereicherung im Privaten in bester Erinnerung bleiben Dr Andreas Kunz hat mir einen guten Start in der VR Gruppe am ZPE erm glicht Dr Stefan Dierssen hat mich in die Prinzipien der Virtuellen Maschine eingeweiht Christian Bacs scheute kein Risiko und hat meine Forschung als Student Praktikant und Doktorand bereichert Dr Anders J nsson verdanke ich interessante Herausforderungen beim Aufbau einer virtuellen Maschine an der BTH in Schweden und erfreue mich des kontinuierlichen Austauschs Josef Meile danke ich herzlich f r die Unterst tzung be der ELVAN Implementation Der Kommission f r Technologie und Innovation KTI geb hrt der Dank fur die finanzielle Unterst tzung meines Forschungsprojektes EVA Early Virtual mAchine Die teilnehmenden Industriepartner haben im Rahmen eines offenen freundschaftlichen und konstruktiven Kl mas Praxisbeispiele Wissen und Erfahrungen aus der Praxis Steuerungshardware und Entwurfs software zur Verf gung gestellt Erwin Pfister Heinz Studer Rieter Urs Muller Marc Mouthon Gritec Hansruedi Wipf Martin Triet Br tsch und Dr Stefan Dierssen Jens By land Intelliact Auch ausserhalb des EV A Projekts wurde meine Forschung durch die Indu strie unterst tz
98. esteuertes mechatro nisches System konzipieren kann Bild 4 muss eine von beiden Dom nen akzeptierte les und schreibbare Konzeptbeschreibungssprache verwendet werden Die dom nenspezifischen An s tze aus Abschnitt 2 2 und Abschnitt 2 3 fokussieren naturgem ss entweder auf die Konstruk tion oder die Steuerungstechnik Die von Buur 1989 in 12 geforderte Erweiterung der funktionellen Sicht um den Aspekt Zeit wurde in einigen Ans tzen erreicht indem die funktio Stand der Technik 41 nelle Sicht mit einer zeitabh ngigen Darstellung hierarchisch verkn pft wurde So werden z B nach Flath Abschnitt 2 4 4 zuerst die Zust nde des Systems ermittelt um anschliessend die Zustands berg nge durch Funktionen zu beschreiben In der POA Abschnitt 2 4 8 werden zuerst die Prozesse in einer funktionellen Hierarchie beschrieben Zustandsdiagramme k nnen dann einem Prozess zugeordnet werden Bild 29 Die Trennung zwischen zeitabhangigen und zeitunabh ngigen Aspekten bleibt bestehen Eine direkte Unterst tzung SPS gesteuerter me chatronischer Systeme bietet keiner der Ans tze 2 3 2 Reibungsloser bergang vom gemeinsam erstellten Konzept zum Steuerungs und Konstruktionsentwurf Al 2 In Abschnitt 2 2 und Abschnitt 2 3 sind bew hrte Ans tze beschrieben um innerhalb einer Do m ne von einem dom nenspezifischen Konzept den dom nenspezifischen Entwurf im CAD oder der SPS Programmierumgebung zu starten Existierende interdisziplin re
99. g der I O s zu der Aktorik und Sensorik besitzen Bei der Entwicklung SPS gesteu erter Systeme stellen die Aktoren die Sensoren und die SPS in der Regel Zukaufteile dar und m ssen nicht mitentwickelt werden Das Programmieren der SPS wird in Abschnitt 2 3 beschrieben Die Ausf hrung des SPS Pro grammes wird auf der SPS zyklisch wiederholt Bild 6 Stand der Technik 9 Eingange Inputs A oor K berpr fung der Eing nge Ausf hrung des Programms Ausg nge Outputs Br ee Aktualisierung der Ausg nge AO O AO 1 AO 2 0 1 1 Bild 6 Eingabe Verarbeitungs und Ausgabeteil einer SPS Eine SPS arbeitet nach dem EVA Prinzip sie besitzt also einen Eingabe Verarbeitungs und Ausgabeteil Die Aktoren und Sensoren sind tber die Ausgange Outputs und Eingange In puts mit der SPS verdrahtet Die SPS liest die Werte aller Eingange am Anfang eines Zykluses ein man spricht in diesem Zusammenhang auch vom Einlesen des Prozessabbildes Anschliessend f hrt sie die gespei cherten Programme auch Bausteine oder Netzwerke genannt aus und setzt am Ende die Aus g nge Dann startet der Zyklus von Neuem ein Programmende gibt es nicht Die ersten Speicherprogrammierbaren Steuerungen hatten lediglich digitale Ein und Ausg nge digitale I O s die ausschliesslich die boolschen Werte 0 und 1 akzeptierten Damit lassen sich z B Ventile de aktivieren oder Grenzschalter abfragen Zum Ubermitteln kontinuierlicher
100. gramme zum Einsatz Dabei werden dom nenspezifische Notationen verwendet Die EFS st tzt sich auf be w hrte graphische Elemente die intuitiv von der Steuerungstechnik und der Konstruktion inter pretiert werden k nnen Dadurch erleichtert sie die Kommunikation zwischen den Dom nen Abschliessende Betrachtungen 93 Schlussendlich dient die EFS auch der Dokumentation des SPS gesteuerten mechatronischen Systems Die in der EFS inharente I O Liste dokumentiert die verwendete Aktorik und Senso rik Der prinzipielle Aufbau des Systems l sst sich ber die EFS jederzeit nachvollziehen Im Gegensatz zur Umsetzung der Funktionen ndern sich die Funktionen selber selten Je h her die Funktion in der Hierarchie steht desto abstrakter und l sungsneutraler beschreibt sie die Funk tionalit t des Systems und ist somit seltener von nderungen betroffen Die EFS bietet somit ber mehrere Maschinengenerationen eine stabile Basis zur Dokumentation des Systems Insgesamt ergibt sich eine Verbesserung bei der Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme durch die Anwendung der Methodik aus Kapitel 3 in den folgenden Themenfeldern l k rzere Entwicklungszeiten kontinuierliche Konsistenz 2 3 innovative Konzeption 4 dom nen bergreifende Kommunikation 5 Stabile Dokumentation Quantitative Aussagen zu den Themenfeldern unter Punkt 1 k rzere Entwicklungszeiten und Punkt 2 kontinuierliche Konsistenz lieferte eine Befragung
101. hapes lassen sich dynamisch verkn pfen Dabei sorgt die hinterlegte Datenbank f r die Datenkonsistenz in der EFS Die dynamische Verkn pfung wird in Kapitel 3 5 beschrieben Zur Unterst tzung einer konsistenten Modellierung der EFS werden dynamisch verkn pfte Fliisse und Ubergangsbedingungen iiber alle Hierarchiestufen referenziert Die referenzierten Shapes werden in ELVAN durch eine zum urspr nglichen Shape unterschiedliche Einfarbung gekennzeichnet Neben den referenzierten Flussen wurde in ELVAN auch eine grafische Benutzerhandbuch der Software ELVAN 107 Unterscheidung von bergeordneten Funktionen und Elementarfunktionen hinterlegten Aktoren und Dummy Aktoren hinterlegten Sensoren und Dummy Sensoren sowie die Definition von logischen Verkn pfungen oder eines Sensors bei einer bergangsbedingung implementiert In Kapitel 3 6 werden s mtliche Darstellungsformen der ELVAN Shapes aufgelistet Durch Anklicken wird ein Shape aktiviert Ein aktives Shape ist in Visio durch gr ne gelbe oder rote Markierungen gekennzeichnet Die Aktivierung erlischt durch Mausklick auf ein anderes Shape oder auf das Arbeitsblatt Aktivierte Shapes k nnen mit Hilfe der folgenden vier Befehle durch Tastenkombina tion ausgerichtet werden Ctrl H Spiegeln an der vertikalen Achse Ctrl J Spiegeln an der horizontalen Achse Ctri L 90 Drehung im Gegenuhrzeigersinn CtrI R 90 Drehung im Uhrzeigersinn Ein aktiviertes ELVAN Shape kann b
102. he Importie ren der Schnittstellenvariablen zur SPS in WinMOD Dar ber hinaus k nnen zus tzliche Kommentare in WinMOD importiert werden So z B Informationen ber die Aktortechnologie und den Aktortyp wie sie schon in ELVAN bei der Definiton der Aktoren Bild 46 hinterlegt sind Auch Aktor Parameter wie die Stellzeit eines Pneumatikzylinders k nnen in ELVAN verwaltet werden In Abh ngigkeit dieser zus tzlichen Informationen kann nun in WinMOD das passende Aktorelement Makro ausgew hlt parametrisiert und mit den entsprechenden I O s verkn pft werden Weitere Informationen wie das Modul indem dieser Aktor verwendet wird helfen den Aktor in einen Kontext zu stellen Analoges gilt f r die Sensoren Mit Hilfe dieser erweiterten I O Liste kann durch den direkten Import der I O s und der gezielten Bereit stellung von erg nzenden Informationen zu der Aktorik und Sensorik der Aufwand zur Erstel lung der Eventsimulation reduziert werden Insgesamt ergeben sich f r das EFS Tool ELVAN im Kontext der anderen Tools Bild 44 die folgenden Schlusselfunktionalitaten e Vordefinierte Master Shapes in einer eigenen Schablone f r Funktionen Ubergangsbedin gungen Material Energie und Informationsfl sse e Assoziative Funktionshierarchie 22 Interdisziplin re Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme e Konsistente Verwaltung der Funktionen Aktoren Sensoren bergangsbedingungen Out putvariablen und Inputvariable
103. herung uber eine virtuelle Inbetriebnahme durch die Virtuelle Maschine Abschnitt 2 4 ein neuer vordefi nierter Prozessbaustein pr sentiert der einen planm ssigen bergang vom dom nenspezifi schen Entwurf zur Systemintegration beschreibt F r den Systementwurf g bt es n der VDI 2206 schon einen vordefinierten Prozessbaustein Bild 17 Die erste Anpassung ergibt sich durch die Verwendung der EFS anstelle der Funktionsstruktur aus der Konstruktionslehre Die zweite Anpassung in Bild 40 ergibt sich durch den Einschub der Dom nenverzweigung nach dem Systementwurf 56 Interdisziplin re Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme SPS gesteuertes mechatronisches Produkt 17 47 Phasen Meilensteine Aufgaben T tigkeiten Resultate how y Planen und Kl ren oem der 3D C Anforderungs a System entwurf Anforderungen mien L sungs elementen f r die Teilfunktionen Wirkstruktur Baustruktur e Konkretisieren zu prinzipiellen Losungsvarianten e Bewerten und Ausw hlen e Festlegung des dom nen ubergreifenden Losungs konzepts Losungs gt L konzept Dom nen verzweigung Bild 40 Angepasster vordefinierter Prozessbaustein f r den Systementwurf 1 Wie auch schon in der VDI 2221 73 Abschnitt 2 2 f r die Konzeptphase in der Konstruktion empfohlen werden Funktionen eines Systemes definiert um basierend auf der Anforderungs liste den L sungsraum ab
104. ht Favoriten Extras Q zw ck amp E f Suchen Key Ordner E Adresse my C Dokumente und Einstellungen Noelle Desktop EFS Projekt v Wechseln zu Datei und Ordneraufgaben 3 al wi Datei umbenennen error_log EFS_Data dy Datei verschieben I Datei kopieren HA Datei im Web ver ffentlichen Offnen Drucken In Adobe PDF konvertieren 5 In Adobe PDF konvertieren und per E Mail senden G Datei in E Mail versenden d Datei drucken x Datei l schen ffnen mit gt ndere Orte Mit Norton AntiVirus pr fen Senden an gt Details y Ausschneiden Kopieren Verkn pfung erstellen L schen Eigenschaften Abbildung 13 Umbenennen der Dateien des EFS Projekts 4 1 3 ffnen eines bestehenden EFS Projekts 1 MS Visio starten i 2 ffnen eines bestehenden EFS Projekts mit Men gt Datei gt ffnen Benutzerhandbuch der Software ELVAN 113 Darauf ffnet sich das Fenster ffnen Abbildung 14 Die MS Visio Datei Diagramm anw hlen 5 ber Schalttaste ffnen oder mit Doppelklick die Datei ffnen aR ffnen Suchen in E EFS Projekt vl E FR el x Gii E Extras r epa 2 Diagramm E zuletzt verwende 7 Desktop Eigene Dateien Arbeits platz Dateiname Netzwerk 3 Dateityp alle Wisio Dateien vl Abbildung 14 ffnen einer bestehenden Datei 4 1 4 Speichern eines EFS Projekts Durch das Abspei
105. i verschieben error_log as gt Morphologischer Kasten oe Textdokument 4 Microsoft Excel Arbeitsblatt N Datei kopieren 19 KB S 31 KB a Datei im Web ver ffentlichen 7 ALD Abbildung 41 MS Excel Datei Morphologischer Kasten 3 Diese Datei kann nun ge ffnet werden und dient als Entwurfsvorlage f r die L sungsfindung Abbildung 42 zeigt ein Beispiel eines solchen aus ELVAN exportierten Morphologischen Kastens In der ersten Spalte A sind die Elementarfunktionen und in der zweiten Spalte B die zugeh rigen Fl sse bergangsbedingungen und Sensoren aufgelistet In der dritten Spalte C findet sich die Benennung selbiger Die Richtung des Flusses gibt Aufschluss ob es sich dabei um einen Funktionseingang oder ausgang handelt vgl Legende In die leeren Felder k nnen verschiedene L sungskonzepte eingetragen werden A B C D F G H 1 Morphologischer Kasten L sungskonzepte Materialeingang GF IN h bergangsbedingung 1 0 OUT Lu lt Materialfluss 1 Energieeingang GF IN Materialfluss 2 B Energiefluss 1 Materialfluss 2 Energiefluss 1 Materialausgang GF OUT Energieausgang GF OUT 17 Legende i wens Gr gt Trans Abbildung 42 Morphologischer Kasten nach dem Export aus ELVAN Hauptfunktion 3 erf llen Hauptfunktion 2 erf llen Unterfunktion 12 erf llen BEN 5 1 2 Simatic Diese Funktion exportiert die zwei notwendigen Listen f r den Upload de
106. ich um einen im Projekt eindeutigen Namen handelt 20 Eintrag Hauptbaugruppe gt Durch Aktivieren dieses Felds kann eine Hauptbaugruppe aus einer vorgegebenen Auswahl angew hlt werden Das Hinzuf gen zus tzlicher Hauptbaugruppen wird in Kapitel 5 beschrieben 21 Eintrag BMK gt Hier kann das Betriebsmittelkennzeichen des Inputs durch Aktivieren und Texteingabe festgelegt werden 22 Eintrag Speicheradresse gt Beschreibt die Speicheradresse in der SPS und in ELVAN wird automatisch vergeben Sie ist unver nderlich 23 Eintrag Kommentar gt Hier kann ein pers nlicher Kommentar des Anwenders durch Aktivieren und Texteingabe hinterlegt werden HE Aktor Typ Outputs Inputs Built in Sensor Mame Hauptbaugruppe BMK Speicheradresse Kommentar di arbeitsstellung 4 24 ROBOlap 1 1 di grundstellung Akt 25 ROBOlap Ok Abbrechen Abbildung 27 Aktor Inputs definieren Die optionale Detailinformation wird in die Erweiterte I O Liste bertragen und dient der vereinfachten Erstellung der Eventsimulation Die Generierung der Erweiterten I O Liste aus ELVAN wird in Kapitel 5 2 3 beschrieben Benutzerhandbuch der Software ELVAN 123 4 5 4 Hinterlegen eines Dummy Aktors Falls die Technologie und der Typ eines Aktors schon fixiert die weiteren Attribute des Aktors aber noch unklar sind kann ein Dummy Aktor angelegt werden Das Hinterlegen eines Dummy Aktors verl uft analog zu der in den Kapiteln 4 5 1 bis 4 5 3
107. iert Gr ssere Systeme lassen s ch ber hierarchische Ver schachtelung modellieren Die DIN 40719 6 ist mittlerweile durch die aktuelle Norm DIN EN 60848 22 ersetzt worden In dieser Norm wird der Funktionsplan GRAFCET GRAphe Fonctionnel de Commande Etape Transition standardisiert GRAFCET hnelt im Ersche nungsbild dem Funktionsplan nach DIN 40719 ist aber klarer spezifiziert und orientiert sich an der SPS Programmiersprache SFC Sequential Function Chart aus der DIN EN 61131 3 23 Sind die Abl ufe ber GRAFCET konzipiert k nnen sie einfach als SFC Programm implemen tiert werden Analog zur grafischen Entwurfssprache GRAFCET f r die funktionale Beschrei bung des Verhaltens einer SPS implementiert SFC die Abl ufe schrittweise ber Aktionen und Transitionen Bild 13 Transitionsbedingung 0 3 Schritt 14 Aktion 1 1 Transitionsbedingung 1 Schritt 2 Aktion 2 1 e Aktion 2 2 Bild 13 SFC Struktur nach DIN EN 61131 3 23 Der Status der Sensoren wird in den Transitionen abgefragt und logisch verknupft In den Ak tionen werden Befehle an die Aktoren spezifiziert Zusatzlich besteht die Moglichkeit inner halb einer Aktion ein weiteres Unterprogramm in SFC oder einer anderen Sprache aufzurufen Neben SFC sind dazu vier weitere SPS Programmiersprachen in der DIN EN 61131 3 normiert e SFC Sequential Function Chart AS Ablaufsprache ST Structured Text ST Strukturierter Text e FBD
108. ierung und Einbindung der Simulationserstellung in den Entwicklungsprozess soll den effizienten Einsatz virtueller Prototypen erm glichen Da bei werden neben dem CAD Modell auch vordefinierte Simulationsmodule auf einem PDM System verwaltet und mit den entsprechenden Baugruppen Einzelteilen verkn pft Basierend auf den Daten des dom nenspezifischen Entwurfs kann dann bei Bedarf eine Simulation fur die Virtuelle Maschine nach Dierssen 17 automatisch aus dem PDM System abgeleitet werden 97 Anhang Benutzerhandbuch der Software ELVAN ELVAN Version 2 1 3 Benutzerhandbuch 98 Benutzerhandbuch der Software ELVAN Inhaltsverzeichnis Msc Einleitune ante en ee ae E EONS EAEE EEE 100 Petes WAS ASE ELVAN ee een 100 1 2 F r wen ist diese Gebrauchsanweisung uussssssssssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnneeenennnnnnenn 100 1 3 Konventionen innerhalb dieses Handbuchs 22222200ssssnennssesseeeeeeeennnn 101 2 Installation 2 5 102 2 1 Installationsyorausseizungeen a snn ee enge 102 PLM ch VG Obs Install Fear 102 3 Ben utzeroberllache a 2 ee e 104 3 1 MS V TS LO ee ee nern 104 3 2 Erweitertes Kontextmen rechte Maustaste 22uussssennnssssssneeeeesnnnnnnnnnnenenennnnn 104 3 3 Fenster Funiktiofishier rchie sine ea na 105 3 NOI I FINES A Seren ee een 106 3 5 Dynamische Verkn pfung der ELVAN Shapes ccccccccccccceeeeeeeeceeeeeseesesseeees 107 3 6 Graphische Kennzeich
109. igende Energiefluss analysiert wird Dabei werden die Funktionen Ban der transportieren und B nder doublieren zu einem potentiellen Modul zusammengefasst Die restlichen Hauptfunktionen stellen jeweils eigene m gliche Module dar Die Anwendung der Regel Conversion transmission Bild 21 f hrt analog zur Regel Bran ching flow zu einer weiteren Unterteilung des dominanten Flussmodules wobei die folgenden Funktionen den dominanten Fluss jeweils wandeln 84 Fallstudie e Vlies bereitstellen e Vlies k mmen e B nder doublieren e B nder strecken e Kanne bereitstellen Zusammen mit den Transportfunktionen ergeben sich nach der Regel Conversion transmission sechs potentielle Module wie in Bild 62 dargestellt Volle Wickel N i j vice 1 Peer OUT gt antreiben bereitstellen an 1 ee Erot l i J Wickel OUT gt Antriebskopf 3 Ansetzeinheit a Vliese Volle Kanne OUT Vliese von e gt Kurzfasern trennen I TI 11 l Band af o ee E E Erote transportieren Kurzfasern OUT gt bereitstellen Leere Kanne IN B nder transportieren f l Le Gestrecktes Band i B nder Langste il F pe C iC gt ee Erot eeeeee BR i B nder Band strecken d doublieren MJ _ Doubliertes Band i EEE SE DE HE Bild 62 Module der Kammmaschine nach
110. ik AG GRITEC Institut f r angewandte Technologie AG Intelliact AG und Rieter Textile Systems AG entwickelt Die Besonderheit der Software besteht in der automatischen Generierung von dom nenspezifischen Entwurfshilfsmitteln oder resultaten aus der EFS F r die Programmierumgebung der Steuerungstechnik k nnen die Liste der Steuerungsinputs und outputs V O Liste und die Steuerungssoftware in Form eines Sequential Function Chart SFC automatisch generiert werden Zur Unterst tzung der L sungsfindung in der Konstruktion kann ein leerer Morphologischer Kasten abgeleitet werden Dieser enth lt eine Liste der aktuellen noch nicht weiter spezifizierten Elementarfunktionen und deren Fl sse Zum erleichterten rationelleren Aufsetzen der Eventsimulation f r die Virtuelle Maschine kann eime Erweiterte I O Liste generiert werden welche s mtliche f r die S mulationserstellung relevante Information enth lt und in die Simulationsumgebung importiert werden kann Somit steht die Software im Kontext der Hauptentwurfswerkzeuge des Computer Aided Design CAD der SPS Programmierumgebung und den Tools der Virtuellen Maschine Als Basistool f r ELVAN dient die MS Office Software Visio Sie eignet sich sehr gut zur Darstellung von Funktionsstrukturen und unterst tzt damit die Abbildung einer EFS Die EFS spezifischen Erweiterungen sind in C als Visio Add On realisiert Zur konsistenten Verwaltung aller Entwurfsdaten wird MS Access im Hinte
111. inem Funktionsausgang oder mit ihren Enden bei einem Funktionseingang auf die daf r vorgesehen Stellen der Funktionen plaziert Bei dynamisch verkn pften aktivierten Fl ssen ist in der Verkn pfungsstelle ein gef lltes rotes K stchen m dem ein beim Funktionseingang und ein x beim Funktionsausgang eingeschrieben ist zu sehen Abbildung 7 zeigt dynamisch verkn pfte 108 Benutzerhandbuch der Software ELVAN Materialfl sse wobei der Funktionseingang aktiviert ist In der Verkn pfungsstelle ist das rote Kastchen zu sehen Funktionseingang Funktion 7 Funktionsausgang gt Abbildung 7 Dynamisch verkn pfte Fl sse bergangsbedingungen werden ausschliesslich mit Informationsfl ssen verkn pft Die daf r vorgesehene Stelle auf dem Informationsfluss befindet sich in seiner Mitte und ist bei selektiertem Informationsfluss mit einer gelben Raute sonst mit einem blauen Kreuz x markiert Auf den bergangsbedingungen ist die Verkn pfungsstelle mit einem blauen Kasten m gekennzeichnet Bei erfolgter dynamischer Verkn pfung erscheint das Fenster Ubergangsbedingung hinzuf gen worin die bergangsbedingung benannt und eine SPS ID festgelegt werden kann Abbildung 8 zeigt eine dynamisch verkn pfte bergangsbedingung Sind wie in der Abbildung aufgezeigt bei der Aktivierung der bergangsbedingung die vier roten K stchen zu sehen so besteht die dynamische Verkn pfung ai aar Hs Ubergangsbe
112. ingabe ge ndert werden Wichtig dabei ist dass es sich um einen m Projekt eindeutigen Namen handelt 11 Eintrag Name gt In diesem Feld kann der Default Inputname manuell durch Aktivieren und Texteingabe ge ndert werden Wichtig dabei ist dass es sich um einen im Projekt eindeutigen Namen handelt 12 Eintrag Hauptbaugruppe gt Durch Aktivieren dieses Felds kann eine Hauptbaugruppe aus einer vorgegebenen Auswahl angew hlt werden Das Hinzuf gen zus tzlicher Hauptbaugruppen wird in Kapitel 5 beschrieben 13 Eintrag BMK gt Hier kann das Betriebsmittelkennzeichen des Inputs durch Aktivieren und Texteingabe festgelegt werden 14 Eintrag Speicheradresse gt Beschreibt die Speicheradresse in der SPS und wird in ELVAN automat sch vergeben Sie ist unver nderlich 15 Eintrag Kommentar gt Hier kann ein pers nlicher Kommentar des Anwenders durch Aktivieren und Texteingabe hinterlegt werden a0 HS Sensor Typ Inputs Name Sensor y Name Hauptbaugruppe BMK Speicheradresse Kommentar di_objekt_anwesend_U 7 ROBOlap 0 2 Ok Abbrechen Abbildung 30 Sensor Inputs definieren 4 6 3 Hinterlegen eines Dummy Sensors Falls die Technologie und der Typ eines Sensors schon fixiert die weiteren Attribute des Sensors aber noch unklar sind kann ein Dummy Sensor angelegt werden Das Hinterlegen eines Dummy Sensors verl uft analog zu der in den Kapiteln 4 6 1 bis 4 6 2 beschriebenen Sensordefinition Dabei ist einzig i
113. ingung wT 1 Obergangsbedingung 1 Sensoren l A Zur ck zur Waberfunkkion e nterfunktionen anzeigen ale SPS ID bearbeiten Materialtransformation 5 Aktor definieren k i ee In der Hierarchie zeigen j Hauptfunktion amp Ausschneiden sae a Energleeingang GF IN 4 3 pn 2 erf llen 4 Einf gen i Ansicht Format Shape Energleausgang GF OUT b s 4 0 ied gt l Abbildung 37 Shape in der Hierarchie zeigen Benutzerhandbuch der Software ELVAN 131 5 Funktionen Das Icon in der Men leiste beinhaltet zwei ELVAN spezifische Funktionen Zum einen die Funktion Neu und zum anderen die Funktion Exportieren Unter der Funktion Neu k nnen g nzlich neue Hauptbaugruppen Aktoren und Sensoren in ELVAN vordefiniert und hinterlegt werden Uber die Funktion Exportieren werden die Arbeitsergebnisse aus der EFS aufbereitetet und in der Form ausgegeben in welcher sie in die unterschiedlichen Arbeitsumgebungen der Fachdisziplinen importiert werden k nnen Uber diese Funktion werden eine Vorlage f r den Morphologischer Kasten die I O Liste und das SFC f r die Programmierumgebung Simatic und eine erweiterte O Liste f r die Simulationsumgebung WinMOD generiert Dazu besteht die M glichkeit das Byte Offset f r d e Outputvariabeln zu bestimmen 5 1 Funktion Exportieren Die Funktion Exportieren beinhaltet die vier Unterfunktionen Morphologischer Kasten Simatic WinMOD und By
114. k Part 1 Data link layer and physical signalling Beuth Verlag Berlin Deutschland Dezember 2003 ISO 8159 Textiles Morphology of fibres and yarns Vocabulary Beuth Verlag Berlin Deutschland April 1987 1Xtronics CAMeL View TestRig http www ixtronics com Paderborn Deutsch land 2006 Jeckle M Rupp C Hahn J Zengler B und Queins S UML 2 glasklar Carl Hanser Verlag M nchen Wien Deutschland 2004 Jonsson A Bathelt J und Broman G Implications of modelling one dimensional impact by using a spring and damper element Proceedings of the I MECH E Part K Journal of Multi body Dynamics Vol 219 No 7 Professional Engineering Publi shing London Oktober 2005 Jonsson A Bathelt J und Broman G Interacting with real time simulations virtual reality in industry applications IPT EGVE Zurich Schweiz 2003 Jonsson A Lean Prototyping of Multi body and Mechatronic Systems Dissertation Series No 2004 08 Blekinge Institute of Technology Karlskrona Schweden 2004 140 41 42 43 44 45 46 47 43 49 Referenzen Kallenbach E Saffert E Schaffel C und Birli O Zur Gestaltung integrierter mecha tronischer Produkte Tagung Mechatronik m Maschinen und Fahrzeugbau 10 12 M rz 1997 Moers VDI Berichte 1315 VDI Verlag D sseldorf Deutschland 1997 Kallenbach E Z ppig V Birli O Feindt K Str hla T Saffert
115. ktionen und bergangsbedingun gen Die Erstellung der EFS erstreckt sich bei einer Neuentwicklung ber einen l ngeren Zeitraum So m ssen parallel zur Definition der Unterfunktionen auch ber L sungsprinzipien nachge dacht werden wie die Funktionen zu erf llen sind 72 73 und 59 Dadurch wird eine noch l sungsneutrale Gesamtfunktion durch das Anwachsen der Funktionshierarchie immer konkre ter Die oben implizierte Reihenfolge muss zudem nicht immer zwingend eingehalten werden Die Fl sse der Gesamtfunktion k nnen z B schon definiert werden ohne dass d e Funktions hierarchie besteht Auch bergangsbedingungen k nnen oft schon zwischen Hauptfunktionen Abschnitt 2 2 eingetragen werden Bei der Definition der Fl sse und der bergangsbedingun gen hat es sich bew hrt in der folgenden Reihenfolge vorzugehen 1 Mater alfl sse 2 Energiefl sse 3 Informat onsfl sse 4 bergangsbedingungen 48 Interdisziplin re Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme Insgesamt beschreibt die EFS die funktionalen Zusammenh nge 1m gesamten mechatronischen System und besteht aus den folgenden Elementen e Funktionen analog zur FS Bild 8 e Material Energie und Informationsfl sse zwischen den Funktionen analog zur FS e Hierarchie zwischen den Funktionen analog zur FS e Ubergangsbedingungen auf den Informationsfl ssen neu in der EFS e Aktor und Sensordefinitionen neu in der EFS e definierte I
116. ld 21 Regel Conversion transmission nach Stone 67 Die Wandelfunktionen k nnen eigenst ndige Module bilden Wenn den Wandelfunktionen Funktionen folgen die die gewandelten Fl sse weiterleiten ohne dass sie diese wandeln so werden diese Funktionen ebenfalls 1m entsprechenden Modul integriert Die Anwendung der drei Heuristiken auf die Funktionsstruktur des Systems fuhrt zu verschie denen Vorschlagen zur Modularisierung Abschliessend werden die potentiellen Module an hand der Anforderungen bewertet und die entg ltigen Module ausgew hlt 67 Diese Methode erlaubt somit das strukturieren elektromechanischer Subsysteme Die ausge w hlten Module k nnen als Baugruppen im CAD ausmodelliert werden Der Softwareentwurf bleibt unbeeinflusst 2 4 3 Kallenbach Das in Bild 22 dargestellte Phasenmodell von Kallenbach 41 zur Entwicklung mechatroni scher Systeme basiert auf dem Vorgehen der VDI Richtlinie 2221 73 28 Stand der Technik Aufgabe Anforderungsbeschreibung Prazisierung der Aufgabenstellung Spezifikation Verfahrensprinzip Funktionsstruktur Systemstudie Technisches Prinzip Gestaltung Komponentenvorauswahl Komponentenentwurf Teilfunktion n Teilfunktion Teilfunktion 1 Teilstruktur 1 Gestaltung des physikalisch heterogenen Gesamtsystems Funktionenintegration Funktionentrennung Gesamtsystemsimulation Innozens und Invar anz Teilstruktur 2 Teilstruktur n Systemimplementeirung
117. ldung 20 zeigt beispielhaft modellierte Hauptfunktionen mit zugeh rigen lokalen und referenzierten Fl ssen bergangsbedingungen und einem Sensor SFC Start bergangsbedingung er H F ergangsbedingung 0 1 Sensor HF 1 Hauptfunktion 1 erf llen Materialfluss 1 Materialfluss 2 Hauptfunktion A 3 erf llen Hauptfunktion 2 erf llen Energieeingang GF IN Energiefluss 1 Energieausgang GF OUT i Is Abbildung 20 Modellierung der Hauptfunktionen Ab dieser Hierarchieebene k nnen nun f r die Modellierung der EFS s mtliche ELVAN Shapes 0 bis n Mal rekursiv eingesetzt werden 4 3 1 Hauptfunktionen anlegen Dies geschieht analog w e das Anlegen der Gesamtfunktion Abbildung 17 nur k nnen ab dieser zweiten Hierarchiestufe beliebig viele Funktionen modelliert werden 5 Benutzerhandbuch der Software ELVAN 117 Im Fenster ELVAN_Addon_de CH das Element Funktion selektieren und per drag amp drop auf das vorbereitete Arbeitsblatt setzen Darauf ffnet sich das Fenster Funktion hinzuf gen Hauptfunktion benennen durch eine entsprechende Eingabe im Feld Text des Shapes Optional dazu kann der Hauptfunktion auch eine Identit t f r die SPS Steuerung gegeben werden Dabei ist zu beachten dass diese Identit t nur aus maximal 24 Zeichen bestehen und keine Leerschl ge oder Sonderzeichen enthalten darf Mit Ok best tigen
118. lich durch die periodische Auswechslung der Wickel und Kannen unterbrochen Ansetzeinheit Antriebskopf Bild 54 K mmmaschine mit Hauptbaugruppen Die K mmmaschine besteht aus den folgenden Hauptbaugruppen e Ansetzeinheit e Antriebskopf e Langsteil e Auslauf In der Ansetzeinheit werden die Wickel aufgenommen und das Vlies abgewickelt Uber den Antriebskopf wird die mechanische Energie f r den K mmprozess bereitgestellt Im L ngsteil findet das K mmen statt und im Auslauf werden die Kannen mit dem resultierenden Band ge f llt Zur Steuerung der Kammmaschine kommt die SPS Power Panel PP41 von B amp R 7 zum Ein satz Der Informationsaustausch mit den Aktoren und Sensoren findet ber den CAN Bus Con troller Area Network 34 statt Zur Veranschaulichung der in Kapitel 3 vorgestellten 76 Fallstudie Methodik wird in den folgenden zwei Abschnitten die EFS f r den Prozessschritt des Kammens erstellt und anschliessend genutzt 4 2 Erstellung der EFS in ELVAN Bei der Erstellung der EFS Abschnitt 3 1 1 wird zuerst die Gesamtfunktion definiert Im vor liegenden Beispiel der Kammmaschine lautet sie Vlies k mmen Bild 55 Vliese kammen Vliesreste Kurzfasern Bild 55 Gesamtfunktion der Kammmaschine Die Materialfl sse sind durch den Ringspinnprozess gegeben Volle Wickel mit dem Vlies wer den verarbeitet und das resultierende Band verl sst n der
119. lin ren Auswirkungen solcher nderungen vorgestellt Auf Basis der VDI Richtlinie die eine Entwicklungsmethodik f r allgemeine mechatronische Systeme beschreibt wird in dieser Arbeit das Erstellen und Nutzen der EFS in ein planm ssiges Vorgehen der VDI 2206 ber vordefinierte Prozessbausteine eingebettet Dadurch wird aufge zeigt wie eine Parallelisierung der Steuerungstechnik mit der Konstruktion im Entwicklungs prozess erreicht werden kann Einer der Prozessbausteine fokussiert dabei auf die effiziente Erstellung virtueller Prototypen Es werden Arbeitschritte definiert die zu einer Verknupfung der SPS Software mit der CAD Geometrie tiber die in der EFS gesammelten Daten zur verwen deten Aktorik und Sensorik f hren F r den Entwurf SPS gesteuerter mechatronischer Systeme hat s ch das CAD n der Konstruk tion und die SPS Programmierumgebung in der Steuerungstechnik bew hrt Eine Software zur dom nen bergreifenden Konzeption fehlt Das hierf r neu entwickelte Tool ELVAN EarLy Virtual mAchine applicatioN unterst tzt die neuen Methoden zur interdisziplinaren Beschrei bung des Konzeptes und f gt sich in die bestehende Softwarelandschaft zur Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme ein Anhand einer Textilmaschine wird die vorgestellte Entwicklungsmethodik exemplarisch erlau tert Zuerst wird in der Software ELVAN die EFS der Maschine formuliert Anschliessend wird gezeigt wie die EFS mit Hilfe von ELVAN f r
120. llen Vliesreste und leere Wickel an Aus dem bereitgestellten Vlies werden nun die qualitatsvermindernden Kurzfasern aus dem Vlies entfernt Die entstehenden Bander werden transportiert und doubliert wodurch das doublierte Band entsteht Dieses Band wird gestreckt und in einer Kanne abgelegt Die Funktion Kanne bereitstellen st f r den Austausch der gef llten Kannen mit neuen leeren Kannen verantwortlich Die f r den K mmprozess n tige mechanische Energie wird uber die Funktion Anlage antrei ben bereitgestellt Diese Funktion erh lt die Information zum Starten der Maschine falls die bergangsbedingung Maschine starten erf llt ist Dieser Informationsfluss ist mit der spezi ellen Funktion SFC Start verkn pft welche den Ausgangspunkt des SPS Programmes kenn 78 Fallstudie zeichnet Falls die Wickel leer sind wird ber den entsprechenden Informationsfluss ein Wickelwechsel in der Funktion Vliese bereitstellen angestossen Analoges gilt f r den Wech sel der Kannen sobald die Ubergangsbedingung Arbeitskanne voll erf llt ist Wie in Abschnitt 3 1 1 erw hnt lassen sich den bergangsbedingungen Sensoren zuordnen In Bild 57 ist die Hinterlegung eines Startknopfes f r die bergangsbedingung Maschine starten dargestellt Zur ck zur Vaterfunktion Sensor A SP5 ID bearbeiten Typ Inputs Sensor l schen Logische Funktion definieren Aktion Neuen Sensor hinzuf
121. llte Eintrag f r diese Funktion Die weitere Verfolgung des Mate rialflusses Arbeitskanne f hrt zu der zweiten in Bild 51 aufgelisteten Funktion Band in Arbeitskanne ablegen Hier wurde in ELVAN ein Sensor spezifiziert welcher feststellt ob die Kanne mit dem gestreckten Band gef llt st In Bild 61 ist die Suche nach der geeigneten Umsetzungen dieser zwei Funktionen exempla risch dargestellt Die effektiv realisierte L sung ist hier im Morphologischen Kasten nicht ein getragen um die Rechte der Firma Rieter zu wahren ar aegischer Kasten 2sungskonzepte Zwischenkanne IN DE p Arbeitskanne OUT Zwischenkanne f hren Walzenrollenbahn ber Schienen gef hrt P gt Verschiebbare Asymmetrische Gestrecktes Band IN Umlenkrolle rotierende lt Arbeitskanne IN Rand Umlenkrolle Erot IN Rand p Arbeitskanne eas Kanne gt gt Bild 61 L sungsvarianten f r zwei Unterfunktionen der Kammmaschine je D 2 Bo je je 2 pa lt S gt f m Fallstudie 83 Der Zweck der Funktion Zwischenkanne f hren ist es die Kanne unter Zuhilfenahme der Translationsenergie n Richtung Arbeitsposition zu f hren Das erste L sungskonzept sieht dazu eine passive Walzenrollenbahn vor In der zweiten Variante wird die Kanne ber Schienen gef hrt Die Funktion Band in Arbeitskanne ablegen wird erst relevant wenn die Arbeits kanne korrekt po
122. lt der Steuerungs techniker einen Einblick in die grunds tzlichen Abl ufe und Abh ngigkeiten zwischen den Ak toren und Sensoren Dies geschieht entweder direkt auf Pap er oder n allgemeinen 2D Graphiktools wie Visio 52 Zum Teil kommen auch Speziall sungen zum Einsatz 26 54 Neben nicht standardisierten Flussdiagrammen finden dazu Funktionsdiagramme 75 19 80 und Funktionspl ne 22 18 77 80 Anwendung In Bild 12 sind beide Diagramm typen der Praxis gegenubergestellt Der Funktionsplan Bild 12 zur Beschreibung der Steue rungsaufgabe darf nicht mit der SPS Programmiersprache FUP Funktionsplan verwechselt werden 16 Stand der Technik HYDRAULIK HAUPTVENTIL WAHLSCHALTER AUTOMATIK AUTOMATIK EIN R1 S5 n INS ABLAUFKETTE GEL SCHT Ani FM 5 ZYLINDER 1 AB 2 i a S4 ZYLINDER 1 AUF S1 1N4 ies ZYLINDER 3 VOR Y ei 7 3 S6 _ TREL I zum MX Lolth of 4 u D FAFA aw Y1 2 a zl ee T S2 j a Et S3 1N7 a ZYLINDER 1 AUF Pepe eke T WER a 3 Signallinie IA et zummensznee Bidet deh led za SERE 7 el IE eS 2 Funktionsdiagramm nach VDI 3260 Funktionsplan nach DIN 40719 6 Bild 12 Funktionsdiagramm nach VDI 3260 und Funktio
123. lteile eines SPS gesteuerten me chatronischen Systems sind Aktoren oder Sensoren Uber Aktorfunktionen und Ubergangsbe dingungen sind diese Einzelteile in der EFS inklusive ihrer Output und Inputvariablen dokumentiert Da die Funktionen innerhalb der Aktorfunktion nicht weiter diskutiert werden Interdisziplinare Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme 53 ist die Aktorfunktion eine Elementarfunktion Abschnitt 3 1 1 Jeder Aktorfunktion ist ein Schritt Bild 13 im SFC zugeordnet Das in der Aktorfunktion definierte Verhalten des Aktors impliziert die Werte der Outputvariablen fur die Aktionen innerhalb des Schrittes im SFC Die Transitionsbedingungen inklusive der verwendeten Inputvariablen entsprechen den Ubergangs bedingungen in der EFS Die Aktoren und Sensoren mit ihren Output und Inputvariablen stellen den Dreh und Angel punkt zur Propagation interdisziplin r relevanter nderungen dar Aktor und Sensordefinitio nen finden sich sowohl in der EFS als auch in der Baugruppenhierarchie der Konstruktion Die Output und Inputvariablen werden neben der EFS auch im SFC und der I O Liste in der Steuerungstechnik verwendet Die Zukaufteile Aktoren Abschnitt 2 4 konnen selbst wieder um Sensoren zur Uberwachung des Aktorstatus beinhalten So enthalten Drehmotoren oft einen Encoder 5 zur Messung der aktuellen Drehzahl Fur diese aktoreigene Sensorik ist in Bild 38 eine Beziehung zwischen der Entit t Aktor und der Entit t Sens
124. m Fenster Sensor unter der Rubrik Typ beim Eintrag Sensor statt der Artikelnummer der Eintrag Dummy anzuw hlen 126 Benutzerhandbuch der Software ELVAN 4 6 4 Sensor loschen 1 Das entsprechende Shape mit der rechten Maustaste anklicken 2 Kontextmen gt Sensor l schen Abbildung 31 links 3 Darauf erscheint das Fenster Sensor l schen Abbildung 31 rechts 4 Loschungsvariante w hlen Sensor mit allen seinen Referenzen l schen oder Nur diesen Link l schen Dabei l scht der erste Befehl nur die Verkn pfung zwischen dem gew hlten Sensor und der zugeh rigen Funktion Mit dem zweiten Befehl w rd der gew hlte m Projekt definierte Sensor ganz aus selbigem gel scht 5 Mit Ok best tigen ie Gehe zu den Hauptfunktionen Zur ck zur Waterfunkkian Sensor l schen Bach In der Hierarchie zeigen fe SensorfSensor_ Ausschneiden Sensor l schen 53 Kopieren 4 Einf gen Ansicht W hlen Sie eine L schungsvariante Wur diesen Link l schen Sensor mit allen seinen Referenzen Format l schen shape Tr Hite Abbrechen Abbildung 31 Sensor l schen 4 6 5 Sensorname im Kontextmen Durch Anklicken des entsprechenden Shapes mit der rechten Maustaste erscheint das Kontextmen mit dem Eintrag Sensor Name Sensor Anklicken dieses Eintrags mit der linken Maustaste ffnet das Fenster Sensor worin die bestehenden Sensordefinitionen ge ndert und erweitert werden k nnen Abbildung
125. man diese nderung in der EFS nach kann man feststellen inwieweit die andere Dom ne betroffen ist Bild 37 e Steuerungshardware e Baugruppenhierarchie e Ablauflogik Solidmodelle auch von e Input und Outputvariablen e Aktoren und Sensoren SPS Programmierumgebung Bild 37 nderung interdisziplin rer Daten via EFS Einen pr ziseren berblick ber die wichtigsten Entit ten im interdisziplin ren nderungswe sen verschafft das Bild 38 Die Abh ngigkeiten zwischen diesen Entit ten sind in diesem Struk turdiagramm nach UML 2 56 37 dargestellt 52 Interdisziplinare Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme Gesamtbaugruppe Gesamtfunktion 0 1 ge Baugruppe Baugruppenhierarchie Bild 38 Strukturdiagramm nach UML 2 f r die wichtigsten Entit ten und Beziehungen im in terdisziplinaren Anderungswesen Innerhalb der Baugruppenhierarchie des CAD sind die Baugruppen analog zu den Funktionen hierarchisch strukturiert Die Gesamtbaugruppe stellt die elektromechanischen Funktionaliaten der Gesamtfunktion zur Verfugung Unterhalb der Gesamtbaugruppe befinden sich die Haupt baugruppen welche als Baugruppe rekursiv wieder Baugruppen oder am Ende der Baugruppen hierarchie Einzelteile enthalten Ausser der 1 1 Relation zwischen der Gesamtbaugruppe und der Gesamtfunktion kann innerhalb der Hierachie die Beziehung zwischen den Baugruppen und Funktionen nicht a priori festgelegt werden Einige der Einze
126. me Konzeptbeschreibung ohne domanenubergreifende Namenskonvention der Baugruppen Aktoren Sensoren und SPS Var ablennamen f hrte zu teuren Inkonsistenzen 1m Entwurf Br tsch ist Dienstleister in der Dom ne Steuerungstechnik und wird von Firmen wie z B Rieter oder Gritec beauftragt Neben der reinen Implementation von SPS L sungen bietet Br tsch auch die Konzeption und die Inbetriebnahme an Br tsch erlebt die gespiegelte Variante der von der Firma Gritec geschilderten Probleme Allerdings hat Br tsch weniger Einfluss auf das ge meinsame Vorgehen mit der Konstruktion da Brutsch im Gegensatz zu Gritec Auftragnehmer ist Intelliact berat und unterstutzt Kunden bei der Integration von CAD PLM Losungen und der Virtuellen Maschine 17 Durch die kommerzielle Umsetzung der Virtuellen Maschine traten bei der virtuellen Inbetriebnahme Inkonsistenzen zu Tage die ansonsten erst bei der realen In betriebnahme aufgefallen w ren Der Wunsch der Kunden diese dom nen bergreifenden In konsistenzen m glichst schon m Entwurf zu vermeiden war die Motivation der Firma Einfuhrung 3 Intelliact diese Entwicklungsproblematik im Rahmen des KTI Forschungsprojektes gezielt an zugehen 1 2 Zielsetzung und Anforderungen Die im letzten Abschnitt geschilderten Probleme f hren dazu den Workflow aus Bild 4 anzu streben Steuerungstechnik Konstruktion Sy N Konzeptphase Entwurfsphase Bild 4 Angestrebter Workflow
127. mierbare Steuerung SPS geladen Beispiele fur solche SPS gesteuerten mechatronischen Systeme sind Textilmaschinen 61 und Verpackungsmaschinen 9 wie sie in Bild 3 dargestellt sind Einfuhrung 3 r MIEI FIFIFIPIF Textilmaschine Kammmaschine Bild 3 Zwei Beispiele SPS gesteuerter mechatronischer Systeme Die SPS ist ein Ablaufsteuerung 79 in der die Ablauflogik programmiert wird Obwohl dem Konstrukteur die notwendigen Maschinenabl ufe schon in der Konzeptphase bewusst sind startet die Steuerungstechnik mit dem Programmieren der Sequenzen in der Regel erst nach dem Entwurf der Konstrukteure Dieses sequentielle Vorgehen bei der Entwicklung f hrt zu teiloptimierten Produkten die langwierige Iterationen mit kosten und zeitintensiven Entwick lungsprozessen nach sich z ehen 72 Die Randbedingungen und das Potential der Steuerungs technik wird dabei in der Konzeptphase vernachl ssigt Fehler im Konzept die die Steuerungstechnik betreffen k nnen w hrend der Konzeptphase nicht entdeckt werden und f hren sp ter zu kostspieligen nderungen in der Konstruktion Dar ber hinaus fehlt eine Syn chronisation der interdisziplin ren Daten in der Entwurfsphase Wird zum Beispiel ein zus tzlicher Sensor zur berpr fung des Verschlusses einer grossen Klappe aus Stabilitatsgrinden im CAD hinzugef gt so muss dies in der Steuerungstechnik be r cksichtigt werden Bei der reinen Softwareentwicklung w rde der Kompile
128. n Sensor nach Wunsch ausrichten Sensor mit Gesamtfunktion dynamisch verkn pfen EEE i Sensor hinzuf gen Text des Shapes Sensor GF Ok Abbrechen Abbildung 19 Einf gen eines Sensors Damit wurde ein Sensor angelegt Die Definition des Sensors sowie der zugeh rigen Inputvariabeln wird in Kapitel 4 6 beschrieben 116 Benutzerhandbuch der Software ELVAN 4 3 Erstellen der Hauptfunktionen Mit dem Erstellen der Gesamtfunktion wurde in ELVAN automatisch ein neues Arbeitsblatt angelegt Das Arbeitsblatt auf dem nun die Hauptfunktionen modelliert werden k nnen Es wird nach der Gesamtfunktion benannt 1m vorliegenden Beispiel Systemfunktion erfullen Auf diesem neuen Arbeitsblatt befindet sich die Funktion SFC Start welche die Initialisierung fur die spatere automatische SFC Generierung aus der EFS darstellt Mit dieser Funktion werden ausschliesslich Informationsfl sse dynamisch verbunden Zudem wurden auf das neu angelegte Arbeitsblatt s mtliche Fl sse welche zur bergeordneten Gesamtfunktion geh ren bertragen und referenziert Die referenzierten Fl sse sollen in der Folge durch den Benutzer mit den entsprechenden Hauptfunktionen dynamisch verknupft werden Sie sind durch ihre F rbung sowie die Zus tze In bei einem Funktionseingang oder Out bei einem Funktionsausgang zu erkennen Damit ist eine unbeschrankte Detaillierung und somit ein sequentieller und hierarchischer Aufbau der EFS m glich Abbi
129. n e Logikeditor zur Definition von nicht trivialen Ubergangsbedingungen e Export des SFC und der dazugeh rigen I O Liste e Export des Morphologischen Kastens e Export der erweiterten I O Liste f r WinMOD Die hier aufgelisteten Funktionalit ten sind nicht im Lieferumfang von Visio enthalten und zei gen die Erweiterungen Visios durch ELVAN auf Der praktische Einsatz des EFS Tools ELVAN in Verbindungen mit den anderen Tools aus Bild 44 w rd anhand eines Beispieles aus der Industrie 1m n chsten Kapitel diskutiert Fallstudie 73 4 Fallstudie In diesem Kapitel wird die Entwicklungsmethodik aus Kapitel 3 exemplarisch auf eine K mm maschine der Firma Rieter 61 angewandt Bild 44 zeigt die dazu notwendigen Tools auf Die in dieser Fallstudie konkret eingesetzte Software ist in Bild 53 eingetragen SPS Programmierumgebung SIMATIC von SIEMENS SFC amp I O Liste K SPS PLCSIM von SIEMENS EFS Tool Eventsimulation ELVAN WinMOD von Mewes Morphologischer Kasten amp 3D CAD NX von UGS Visualisierungssoftware Mediator von Intelliact Hauptbaugruppen Bild 53 Verwendete Software zur beispielhaften Anwendung der neuen Entwicklungsmetho O Liste amp Aktor Sensor Informationen dik auf eine Kammmaschine Neben dem neu entwickelten EFS Tool ELVAN Abschnitt 3 3 kam das 3D CAD NX von UGS 71 und die SPS Programmierumgebung SIMATIC von SIEMENS 65 zum Einsatz Zur Eigenschaftsabsicherung mittels einer vir
130. n Mit Ok best tigen 8 Darauf erscheint das Fenster Logikeditor Hier kann die bereits getroffene Auswahl weiter pr zisiert werden Kapitel 4 7 1 und 4 7 2 Mm Sa WJbergangsbedingung Gehe zu den Hauptfunktionen Zur ck zur Yaterfunktion 4 5P5 ID bearbeiten Sensor definieren gt Logische Funktion definieren Ausschneiden W hlen Sie zwei Inputs 3 Kopieren Einf gen Ansicht objekt_anwesend 5_1 Format Input 2 Kein Shape Abbrechen Ei Abbildung 33 Logische Funktion definieren 4 7 1 Logische Verkn pfung bearbeiten 9 Durch Mausklick die Logikfunktion aktivieren 10 Mit rechtem Mausklick das Kontextmen des Logikeditors ausw hlen Abbildung 34 11 Eintrag ndern gt Durch Anklicken dieses Eintrags ndert die Art der logischen Verkn pfung von UND auf ODER und umgekehrt 12 Eintrag L schen gt Durch Anklicken dieses Eintrags wird die aktivierte Funktion gel scht 13 Eintrag Ast hinzuf gen gt Durch Anklicken dieses Eintrags wird der Funktion ein Ast f r einen zus tzlichen Input hinzugef gt 128 Benutzerhandbuch der Software ELVAN 14 Eintrag AND Gatter hinzuf gen gt Durch Anklicken dieses Eintrags wird der urspr nglichen Logikfunktion eine weitere UND Logikfunktion hinzugef gt 15 Eintrag OR Gatter hinzuf gen gt Durch Anklicken dieses Eintrags wird der urspr nglichen Logikfunktion eine weitere ODER Logikfunktion hinzugef gt Editor fiir Booles
131. n der Schaltfl che Weiter bringt den Benutzer in der Installation einen Schritt vorw rts und die Schaltfl che Zur ck einen Schritt zur ck Mit dem Beginn der Installation wird das Fenster Installationsordner w hlen ge ffnet Darin wird der Ordner n dem das ELVAN Visio addon gespeichert werden soll festgelegt Dazu kann durch Anklicken der Schaltfl che Durchsuchen ein bereits auf dem Computer bestehender Ordner ausgew hlt werden Durch Anklicken der Schaltfl che Speicherplatzbedarf wird der Benutzer ber den zuk nftig von ELVAN belegten Speicherplatz informiert Der Benutzer kann zudem w hlen ob er das ELVAN Visio addon f r alle oder nur f r den aktuellen Benutzer freigeben m chte Abbildung 2 j ELVAN Visio addon Installationsordner w hlen Der Installer wird ELYAN Visio addon in folgendem Ordner installieren Um in diesem Ordner zu installieren klicken Sie auf weiter Um in einem anderen vorhandenen Ordner zu installieren geben Sie diesen ein oder klicken Sie auf Durchsuchen Ordner C Programme ETHZNELVAN Visio addon Speicherplatzbedarf Installieren Sie ELVAN Visio addon nur f r den aktuellen Benutzer oder fur alle Benutzer dieses Computers Alle Benutzer Aktueller Benutzer Abbrechen Weiter gt Abbildung 2 ELVAN Setup Konfiguration Nach vollendeter Installation best tigt der Setup Assistent die erfolgreiche Installation von ELVAN Abbildung 3 j ELVAN Visio addon In
132. n zur Partitionierung des interdisziplin ren Konzeptes f r das CAD und die SPS Programmierum gebung 2 3 Unterst tzung der Konstruktion und Steuerungstechnik durch Software A3 Dem grossen Einfluss von Entscheidungen auf das geplante Produkt n der Konzeptphase ste hen wenig bis keine Softwarel sungen gegen ber 78 Dieser Trend kehrt sich bei fortschrei tender Produktreife um Es stehen dann viele Tools zur Verf gung die M glichkeiten der Einflussnahme auf das Produkt nehmen daf r ab Insbesondere n der fr hen Konzeptphase n der Anforderungen auf funktionale Beschreibungen abgebildet werden besteht ein grosses Manko an softwaretechnischer Unterst tzung 78 FOD Bild 11 bietet hier eine durchg ngige Unterst tzung durch Software im Entwurf Allerdings beschr nkt sich FOD auf die Dom ne Konstruktion Die dom nen bergreifende Software von Osmers Abschnitt 2 4 9 und eM PLC Abschnitt 2 4 10 greifen erst ab dem Konstruktionsentwurf Die drei verbleibenden Ans tze 44 Stand der Technik in Bild32 mit Softwareunterstutzung CAMeL Abschnitt 2 4 6 Schemebuilder Abschnitt 2 4 7 und POA Abschnitt 2 4 8 bieten keine Schnittstelle zu einer SPS Programmierumgebung 2 5 6 Fazit Insgesamt ergibt die Analyse der vorhandenen Ansatze zur Entwicklung SPS gesteuerter me chatronischer Systeme in diesem Kapitel dass keiner der Ans tze die in Abschnitt 1 2 formu lierten Anforderungen erf llt Somit besteht Handlungs
133. nd speech electrical signal generate so nd speech stat TRANSFORMATION FUNCTIONS ACTIVE PURPOSE FUNCTIONS Q SRE es is e Signal CHAE AW ex al Calling sianal is detected Signal is speech transmitted sound Acoustical signal speech is generated received sound Acoustical Si ringing 5 ANN Bild 18 Funktionen eines Telefons nach Buur 13 Stand der Technik 25 Fur die Zust nde 1 sending number 2 calling und 3 speaking sind die Transformati onsfunktionen dargestellt Zusatzlich sind die Zweckfunktionen und die je nach Zustand 0 3 aktiven Zweckfunktionen aufgefuhrt Sp ter hat Buur das Mechatronic Design Concept in 14 pr sentiert Es stellt eine Prinzip l sung dar die durch vier Eigenschaften beschrieben wird 1 Zust nde und berg nge 2 Abl ufe 3 Hierarchie 4 Timing Buur hat somit wichtige Kriterien f r d e Beschreibung von mechatronischen Konzepten for muliert 2 4 2 Stone Stone schl gt in 67 eine Modularisierung basierend auf der ablaufbezogenen Darstellung einer Funktionsstruktur Bild 8 vor Dazu hat er die drei heuristischen Regeln Dominant flow Branching flow und Conversion transmission entwickelt um potentielle Module aus einer Funktionsstruktur abzuleiten Die Heuristik Dominant flow ist in Bild 19 illustriert Te dominant flow module material energy
134. nd des Aktors werden automatisch die entsprechenden Outputvariablen f r die SPS gesetzt Sensoren sind analog zu den Aktoren ber die Technologie und den Typ klassifiziert und k n nen entsprechend ber das Kontextmen definiert werden Bild 57 Wird in einer bergangs bedingung mehr als nur der Zustand einer Inputvariable abgefragt k nnen ber einen Logikeditor in ELVAN die boolschen Beziehungen der Inputvariablen definiert werden Bild 47 66 Interdisziplinare Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme OR NOT AND Boolescher Ausdruck Editor reset 3 ER a di rueckwaerts UF a di objekt anwesend foo gt amp gt 1 _ nne Sb diL opiekt anwesend Dian ndern TEILLA PAA EAS INGE ARE UUT L schen Input hinzuf gen AND Gatter hinzuf gen EVA Addon OR Gatter hinzuf gen Input Name di_objekt_anwesend_blah_30 v Sensor di lansamg UF10 55 di objekt anwesend blah 30 Input di _objekt_ anwesend foo_31 di_objekt_anwesend_foo_33 Hauptbaugruppe di_rueckwaerts_UF3 di_schnell_UF10_56 BMK di_vorwaerts UF3 Speicheradresse Kommentar Ok Abbrechen Bild 47 Logikeditor zur Definition von nicht trivialen Ubergangsbedingungen Beliebig viele AND und OR Gatter mit jeweils beliebig vielen negierten Inputvariablen k n nen hier entsprechend der DIN EN 60617 12 21 verschachtelt werden Die bisher beschriebene Funktionalit t in ELVAN erlaubt das effiziente Definieren der
135. nd symbols Abbildung 44 zeigt ein Beispiel einer solchen aus ELVAN exportierten I O Liste Die erste und die beiden letzten Zeilen sind simaticspezifisch und bezeichnen die Konfiguration der SPS In den dazwischen liegenden Zeilen befindet sich die eigentliche I O Liste welche wie folgt aufgebaut ist In der zweiten Spalte sind die Variabelnamen aufgelistet In der dritten Spalte wird zwischen Input I und Output Q unterschieden In der vierten Spalte findet sich die Angabe des Speicherplatzes und n der f nften Spalte wird die Art der Variabel benannt symbols Editor Seles Datei Bearbeiten Format Ansicht m 126 Cycle Execution 126 di_objekt_anwesend_s_1 126 dj_objekt_anwesend_s_4 126 di_arbeitsstel lung_u_ 126 di_grundstel lung_unt_10 1126 di_arbeitsstel lung_u_13 126 di_grundstel lung_Unt_14 126 di_arbeitsstellung_uU_15 Foe eee eee 126 do_ein_Unterfunktion_4 126 do_ein_Unterfunktion_ amp 126 do_ein_unterfunkt jon_ 126 G7_s5TD_3 126 TIME_TCK DOO HAHAHAHAHA PIH Si el fe 64 Read the system Time E mon on an G O DO O O O O a LA TI Wh mM on lt Abbildung 44 I O Liste symbols Abbildung 45 zeigt ein Beispiel einer solchen aus ELVAN exportierten SPS Software Die ersten drei Abschnitte beinhalten globale Programmeinstellungen Danach folgt das eigentliche Programm in dem zuerst die Steps und anschliessend die Iransitionconditions mit den zugeh rigen Output und
136. nergie BURROS Funktion 1 Funktion 4 Information Funktion 2 Energie Funktion 3 Material Funktion 3 1 Funktion 4 Funktion 4 1 Energie Material Hierarchische Darstellung Ablaufbezogene Darstellung einer Funktionsstruktur einer Funktionsstruktur Bild 8 Hierarchische und ablaufbezogene Darstellung einer Funktionsstruktur In diesem Beispiel ist die Funktion 1 gleichzeitig Hauptfunktion Unterfunktion und Elementar funktion Die Hauptfunktionen 1 bis 4 auf der ersten Hierarchiestufe sind rechts in Bild 8 exem plarisch ablaufbezogen dargestellt Bew hrt hat sich in dieser Arbeit die Formulierung von pragmatischen Funktionen nach Eisenhut 25 Die pragmatische Funktion beschreibt den Zweck die Aufgabe eines Produktes oder eines Teils eines Produktes Sie wandelt eine gegebene Eingangs in eine gew nschte Ausgangsgr e um indem sie Eigenschaften ver ndert Die Pragmatische Funktion wird immer l sungsneutral formuliert und beinhaltet mindestens ein Verb und ein Objekt auf das sich das Verb bezieht 6 Die Formulierung kann durch Subjekt Adjektiv oder Adverb pr zisiert werden Der Abstraktionsgrad bei den pragmatischen Funktionen ist nicht so gross wie bei der Formu lierung der traditionellen Funktionen aus der Konstruktionsmethodik Dadurch sollen L sungen ausgeschlossen werden die 1m aktuellen Kontext keinen Sinn machen Der wesentliche Vorteil besteht dar n
137. ng 5 zeigt das Fenster Funktionshierarchie 106 Benutzerhandbuch der Software ELVAN archi Systemfunktion erf llen SFC Start Ubergangsbedingungen u en nn in u ee bergangsbedingung 0 1 SensorUEbergangsbedingung_O 4 di_objekt_anwesend_U 6 di_arbeitsstellung_H_7 Hauptfunktion 1 erf llen Elementar funktion 11 erf llen Ubergangsbedingungen bergangsbedingung 11 12 Elementar funktion 12 erf llen Elementar funktion 3 erf llen Sensoren Sensor HF 1 SensorSensor_HF_1_6 bergangsbedingungen Ubergangsbedingung 1 0 Hauptfunktion 2 erf llen Aktor Hauptfunktion_2_erfue_3 Hauptfunktion 3 erf llen Sensoren Sensor GF SensorSensor_GF_1 bergangsbedingung rH l overoanosteainguna 0 1 aterialtransformation 2 Materialausgang GF OUT Hauptfunktion Cie 3 erf llen Energietransformation 1 alig i wEnergieausgang GF OUT jun s sjaniacad gt Abbildung 5 Funktionshierarchie 3 4 Die ELVAN Shapes In diesem Shape Fenster finden sich alle zur Abbildung einer EFS notwendigen Formvorlagen Es beinhaltet je ein Shape zur Abbildung der Funktionen der Material Energie und Informationsfliisse der Ubergangsbedingungen und der Sensoren Die Shapes lassen sich einfach per drag amp drop auf das Arbeitsblatt plazieren und erm glichen damit eine einfache Erstellung der EFS Abbildung 6 zeigt die ELVAN Shapes Abbildung 6 ELVAN Shapes Die ELVAN S
138. ngekauft werden und nicht mehr im Detail betrachtet werden m ssen Interdisziplinare Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme 47 Abschnitt 2 4 Dadurch ergibt sich als eine Abbruchbedingung f r die rekursive top down Modellierung der hierarchischen Funktionsstruktur das Auftreten von Aktorfunktionen Analog zu den Sensoren k nnen hier auch die Outputvariablen fur die SPS und der spezifische Aktor definiert und der Aktorfunktion zugeordnet werden Im Beispiel der Flaschenabfullanlage kann die Funktion Flasche f llen eine Unterfunktion Fl ssigkeit f r Flasche freigeben haben Diese Unterfunktion stellt in diesem Fall gleichzeitig eine Aktorfunktion dar Hier kann z B ein Ventil mit einer boolschen Outputvariable doVentilOpen zugeordnet und auf 1 gesetzt wer den Das Beschreiben des Konzeptes unter Verwendung der EFS l uft insgesamt wie folgt ab e Zuerst wird die Gesamtfunktion Abschnitt 2 2 des mechatronischen Systems definiert e Anschliessend ergibt sich die Funktionshierarchie durch das rekursive Definieren von Unterfunktionen Unterfunktionen von Aktorfunktionen werden nicht mehr angelegt e Die entsprechenden Material Energie und Informationsfl sse werden zwischen den Funk tionen eingetragen Auch die bergangsbedingungen k nnen nun festgehalten werden e Abschliessend folgt die Zuordnung der entsprechenden Input und Outputvariablen sowie der jeweiligen Sensoren und Aktoren zu ihren Aktorfun
139. nnenschieber bergangsbedingungen Schiebearm ausgefahren Zwischenkannenschieber einfahren Zwischenkanne f hren bergangsbedingungen Arbeitskanne bereitstellen Wolle Kanne ausstossen Ubergangsbedingungen Anlage antreiben amp Bild 60 Hierarchische Darstellung der EFS f r die Kammmaschine Uber das Kontextmenu der Funktion Zwischenkannenschieber ausfahren Bild 59 l sst sich diese Funktion gezielt ber die Hierarchieansicht erreichen Bild 60 Unterhalb der Aktorfunk tion kann auf die Aktordefinition und die nachfolgenden bergangsbedingungen direkt zuge griffen werden Nachdem n diesem Abschnitt die Erstellung der EFS f r die K mmmaschine gezeigt wurde beschreibt der Folgende wie ELVAN die nachfolgende Nutzung der EFS unter st tzt 82 Fallstudie 4 3 Nutzung der in ELVAN definierten EFS ELVAN bietet nach der Definition der EFS Unterst tzung zum Starten des Konstruktionsent wurfs des Steuerungsentwurfs und der virtuellen Inbetriebnahme Bild 53 In den folgenden drei Abschnitten werden diese Wege anhand der Kammmaschine beschrieben 4 3 1 Der Weg zum Konstruktionsentwurf ELVAN sammelt alle noch nicht weiter spezifizierten Elementarfunktionen im Morphologi schen Kasten Aus der Funktion Zwischenkanne nachr cken Bild 58 wird somit lediglich die Funktion Zwischenkanne f hren zur weiteren Diskussion exportiert Es ergibt s ch der n Kapitel 3 in Bild 51 dargeste
140. nput und Outputvariablen neu in der EFS Die Ablauflogik der SPS ist tiber die Informationsfliisse und den Events der Inputs via Uber gangsbedingung und Outputs via Aktorfunktion abgebildet Die spezifizierten Aktoren und Sensoren mit den zugeordneten Output und Inputvariablen sind hinterlegt Schlussendlich sind die funktionellen Zusammenh nge des Grundsystems Bild 5 aus den traditionellen Elementen der EFS ersichtlich Im dom nenspezifischen Entwurf verwendet jede Dom ne ihre eigenen Werkzeuge hauptsach lich CAD n der Konstruktion und eine SPS Programmierumgebung n der Steuerungstechnik Wie nun aus der interdisziplinaren Beschreibung des mechatronischen Systems durch die EFS die relevanten Informationen f r den Entwurf in den beiden Dom nen Konstruktion und Steuerungstechnik abgeleitet werden k nnen wird im n chsten Abschnitt beschrieben 3 1 2 EFS zur Ableitung des SFC der I O Liste und der Baugruppen Beim Programmieren der SPS in der Steuerungstechnik sind lediglich die Informationsfl sse Bild 5 der EFS relevant Die Ablauflogik des Systems ist in der EFS ber diese Informations fl sse modelliert Streicht man nun alle Funktionen in der EFS die lediglich Material und Energiefl sse haben erh lt man eine Beschreibung dieser Ablauflogik 4 Durch die Verwen dung der entsprechenden V O s ergibt sich wie in Bild 35 dargestellt ein SFC Abschnitt 2 3 Interdisziplinare Entwicklung SPS gesteuerter mechatr
141. nsplan nach DIN 40719 aus 80 In der Vertikalen k nnen m Funktionsdiagramm die Wege der Aktoren eingetragen werden n der Horizontalen die Schritte ber so genannte Signallinien ist der Signalfluss der beteiligten Sensoren repr sentiert Solche Funktionsdiagramme nach VDI 3260 75 werden oft auch Weg Schrittdiagramm genannt Ist anstelle der Schritte das zeitliche Verhalten eingetragen spricht man auch von einem Weg Zeitdiagramm Obwohl die VDI 3260 ersatzlos zur ckgezogen wur de sind n hr Funktionsdiagramme genormt wie sie auch heute noch zum Einsatz kommen So bietet z B der Funktionsdiagrammeditor der Software Fluiddraw 26 von der Firma FESTO die M glichkeit solche Diagramme zu erstellen Insbesondere f r kleinere Teil Systeme kann das Zusammenspiel einiger Aktoren und Sensoren ber Funktionsdiagramme gut veranschau licht werden Anstelle der VDI 3260 empfiehlt der VDI die Anwendung von DIN 40719 6 18 da sich um fangreiche Steuerungen mit Hilfe der Funktionsdiagramme nicht mehr in allen Details ber sichtlich darstellen lassen 80 Der Funktionsplan nach DIN 40719 6 Bild 12 ist Stand der Technik 17 ablauforientiert und besteht haupts chlich aus Ubergangsbedingungen und Aktionen Uber gangsbedingungen berpr fen den Status definierter Sensoren Falls die bergangsbedingung erf llt ist wird eine Aktion ber einen oder mehrere Aktoren ausgef hrt Dadurch wird der Ab lauf Schritt f r Schritt dokument
142. nung der Shape Zustande ccccccccccccccceeeeeeeeeaeeeesseseeees 109 4 Erstellen der EFES n ELVAN u 22 22 35 ae 111 4 1 ffnen und Speichern von EFS Projekten uuaneeseseeseenennennennnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 111 4 1 1 Offnen eines neuen EFS Projekts essione einariinoierseiessni in 111 4 1 2 Umbenennen der MS Visio Datei Diagramm im EFS Projekt 112 4 1 3 Offnen eines bestehenden EFS Projekts ccccccccccccceeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeees 112 A JA Speichern eines EF S PrOjekts erinan Hs a 113 4 1 5 Speichern eines EFS Projekts unter einem neuen Namen sseeeeeeeeees 113 4 2 Erstellen der Gesamt inkl on aa ae ea 114 4 2 1 Einf gen der Gesamitunkti n u lnusa aan na ae 114 4 2 2 PANTS EN eines Flusses as a 115 4 23 MAP UNS CE e neS CIS OL S ns 115 4 3 Erstellen der Hau prin kU onen en ETE T 116 Aa AULT KAO Me MANIC OGM iner 0 5 sad a EN 116 AD 2 FUSSE Anke 8 CIN os chet cza cates ot ccotstlcoucaigiaien E T E AN 117 4 3 3 bergangsbedingungen anlegen uuusssssssssnnnnnnnnnnnnsssnnnnnnnnenenneennnnnnnnn 117 4 4 Untertunktionen hinzuf gen use 117 44 A Jnterfunkuonen anlesen see 118 4 4 2 L schen eines Arbeitsblatts von Unterfunktionen 0c cece eccecececsceececeees 119 Benutzerhandbuch der Software ELVAN 99 Ae IN KLOP de MET een 119 4 5 1 Aktor Typ und Aktor Zustand definieren cccceccccccccc
143. ol genden T tigkeiten vorgeschlagen e I Q Liste von der EFS ableiten und in der SPS Programmierumgebung definieren Uber die Input und Outputvariablen der I O Liste weiss der Steuerungstechniker welche Aktorik und Sensorik in der Software adressiert werden kann Diese I O Liste wird nun wie in Abschnitt 3 1 2 beschrieben von der EFS abgeleitet Anschliessend m ssen die erhaltenen Input und Outputvariablen in der SPS Programmierumgebung angelegt werden e Ablauflogik aus der EFS ableiten und in der SPS Programmierumgebung abbilden Die Ablauflogik beschreibt das Verhalten des SPS gesteuerten mechatronischen Systems 58 Interdisziplinare Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme aus der Sicht der Steuerung Durch Vernachlassigung der rein elektromechanischen Funk tionen wird diese Ablauflogik aus der EFS abgeleitet Abschnitt 3 1 2 Anschliessend kann diese z B als SFC zusammen mit der I O Liste ein erstes kompilierbares Ger st fur die Steuerungstechnik bieten e Steuerungstechniker den SPS Softwaremodulen zuordnen Zur Unterst tzung des concurrent engineering in der Steuerungstechnik lassen sich nach dem Aufsetzen des Softwareprojektes in der SPS Programmierumgebung einzelne Soft waremodule den verschiedenen Steuerungstechnikern zuordnen 4 e Hauptbaugruppen aus der EFS ableiten und im PDM oder CAD System anlegen Durch die wachsende Integration von Funktionen Wirkprinzipien L sungselementen und Technologien s
144. onischer Systeme 49 Ubergangsbedingung U1 Aktorfunktion A1 Information Energie Funktion F1 Energie Energie bergangsbedingung U2 Energie Aktorfunktion A2 ep meinimme een i Verwendung der Inputvariable von U1 Verwendung der Outputvariable von A1 Verwendung der Inputvariable von U2 Verwendung der Outputvariable von A2 eee euaon Material Ausschnitt einer verallgemeinerten EFS Abgeleitetes SFC Bild 35 Ableitung eines SFC aus einer EFS SFC eignet sich gut zur konzeptionellen Darstellung der Ablauflogik vgl auch Bild 14 Damit lassen sich die wesentlichen Aspekte zur Steuerung des Systems tber die SPS abbilden Da SFC im Gegensatz zur EFS eine Programmiersprache ist l sst es sich kompilieren und auf eine SPS laden Typischerweise sind aber nicht alle Aspekte f r die Steuerungstechnik in der EFS abge bildet So muss z B oft noch ein Mensch Maschinen Interface programmiert werden Manche Uberwachungsfunktionen ergeben sich erst beim Programmieren Auch das Fehlermanagement fur Fehler innerhalb und ausserhalb der Software ist in der EFS noch nicht zwingend definiert Uber die EFS soll der Steuerungstechnik via SFC die grunds tzliche Ablauflogik zur Verf gung stehen Basierend auf dem SFC kann dann wie n Bild 14 dargestellt die SPS ausprogrammiert werden Dazu k nnen alle f nf IEC 1131 3 Sprachen 23 kombiniert zum Einsatz kommen Zus tzlich muss die S
145. or und Sensormodelle anzulegen Wird ein konkreter Aktor ausgew hlt sind damit auch die Parameter der Aktor und Sensormodelle definiert Die Eventsimulationen SIMIT 66 und WinMOD 50 erlauben eine Automatisie rung der Modellerstellung SIMIT Modelle k nnen als XML Dateien vordefiniert und beim Export der erweiterten I O Liste aus ELVAN zu einer projektspezifischen XML Datei fusio niert werden Ein analoges Vorgehen ist mit der aktuellen WinMOD XTE Version 5 m glich Mittels WinMOD Komponentenbibliotheken und firmenspezifischen Standards k nnen Win MOD Projekte n wesentlichen Teilen automatisch aus den ELVAN Daten generiert werden Dieses Vorgehen erm glicht die schnelle Erstellung virtueller Prototypen zur Begutachtung der Abl ufe und zur berpr fung der korrekten Verwendung der I O s Zur Analyse des dynami 96 Abschliessende Betrachtungen schen Verhaltens eines mechatronischen Systems bieten sich Tools wie MATLAB Simulink an In 5 wird gezeigt wie die entsprechende Virtuelle Maschine aufgebaut sein kann Durch den modularen Aufbau der Simulation konnen Aktor und Sensormodelle ausgetauscht werden ohne dass das Grundsystem davon betroffen ist Das automatisierte Anlegen der dynamischen Aktor und Sensormodelle ist analog zum Vorgehen bei der Eventsimulation aus ELVAN vor stellbar Im Rahmen einer Dissertation wird momentan die Thematik des rapid virtual prototyping an der ETH Z rich untersucht Eine Standardis
146. or modelliert Eine nderung die sich auf einen aktoreigenen Sensor auswirkt hat somit auch auf den Aktor einen entspre chenden Einfluss Anderungen k nnen sein e Neudefinition einer Entit t e ndern einer Entit t e L schen einer Entit t F r jeden der drei F lle wird im Folgenden ein Beispiel skizziert Zuerst wird dabei eine nde rung im SFC beschrieben Dann folgt ein Beispiel wo von einer nderung in der EFS ausge gangen wird Schlussendlich wird der Einfluss einer interdisziplin r relevanten nderung in der Baugruppenhierarchie durch die Konstruktion dargelegt Neue Inputvariable im SFC Wird in der Steuerungstechnik eine neue Inputvariable zur Uberwachungen eines bestimmten Systemverhaltens angelegt und in einer Transitionsbedingung verwendet so f hrt dies auch zu einer neuen Inputvariablen inklusive Ubergangsbedingung und Sensor in der EFS Der Sensor muss nun ebenfalls als Einzelteil in der Baugruppenhierarchie vorhanden sein 54 Interdisziplinare Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme Andern einer Aktorfunktion in der EFS Die EFS kann durch die Steuerungstechnik oder die Konstruktion angepasst werden In diesem Szenario ist ein Drehmotor der links und rechts herum laufen kann einer Aktorfunktion so hin terlegt dass er startet und rechts lauft Wird nun in der Aktorfunktion anstelle des Rechtslaufs definiert dass der Motor hier links herum laufen soll beeinflusst dies in der EFS lediglich
147. pen der K mmmaschine in ELVAN Die Partitionierung der EFS in mehrere Hauptbaugruppen erleichtert das Concurrent Engineering innerhalb der Konstruktion Wie in Abschnitt 3 2 zu Bild 41 beschrieben k nnen diese Hauptbaugruppen auf mehrere Konstrukteure verteilt werden um synchron den Kon struktionsentwurf der Maschine zu starten Bild 64 zeigt die Hauptbaugruppe Auslauf wie sie m CAD entworfen wurde 86 Fallstudie 3P NX 3 Gateway 10334520ugm000_ 02 prt Modified J Ele Edt View Format Tools Assemblies Information Analysis Preferences Application Window Help Select objects and use MB3 or double click an object A Bild 64 Der Auslauf der Kammmaschine als CAD Modell in NX von UGS 71 Die Hauptbaugruppen Ansetzeinheit Langsteil und Antriebskopf wurden analog im CAD mo delliert Dieses Vorgehen erleichtert nicht nur das Concurrent Engineering innerhalb der Kon struktion Durch das im Folgenden beschriebene automatische Ableiten des SFC und der I O Liste aus der EFS in ELVAN kann die Steuerungstechnik gleichzeitig mit der Konstruktion den Steuerungsentwurf starten 4 3 2 Der Weg zum Steuerungsentwurf ELVAN verfolgt beim Export wie in Abschnitt 3 1 2 beschrieben die Informationsfl sse und generiert jeweils eine ASCIH Datei zur Ablauflogik in SFC und zur Deklaration aller Input und Outputvariablen in der I O Liste Bild 49 Nach dem Import in die SPS Programmierum gebung SIMATIC 65 pr sentiert sich die
148. putvariablen ISO ee International Organization for Standardization ersssseriza Jupiter Tesselation KOP aus Kontaktplan englisch LD i Geert ree Kommission fur Technologie und Innovation ED Ladder Diagram deutsch KOP MCAD nosinis Mechanical Computer Aided Design MMI 48 Mensch Maschine Interface OMEN ee Objektorientierten Mechatronik Entwurfs OMM Objektorientiertes Mechatronikmodell OPC een Open Process Control PDM 4200 Product Data Management Vill PER ee Programmable Logic Controller deutsch SPS og SY eee ee Product Lifecycle Management POA ee Process Oriented Analysis SEC tes Sequential Function Chart deutsch AS SPS sareen Speicherprogrammierbare Steuerung S Terrana Structured Text Strukturierter Text UM Unified Modeling Language VDE Verein Deutscher Ingenieure N Reret Virtuelle Realit t VRM Deiane Virtual Reality Modeling Language AN res Extensible Markup Language ZIP Zentrum f r Produkt Entwicklung IX Zusammenfassung In der Mechatronik stellt das gemeinsame Entwickeln vor allem dom nen bergreifend eine Herausforderung dar Traditionell werden SPS gesteuerte mechatronische Systeme wie z B Textil oder Verpackungsmaschinen zuerst in der mechanischen Konstruktion mittels MCAD entworfen bevor die SPS in der Steuerungstechnik programmiert wird Dadurch wird das Po tential der Steuerungstechnik anfangs vernachl ssigt Die ungen gende Synchronisation der Dom nen f
149. r info control actuation info feedback position controller FMS info setting power Power supply Actuator power power mech rot modulator info cantral Bild 27 Wirkprinzip eines Servosystems aus 16 Schemebuilder unterst tzt die Suche nach anderen Funktionstr gern einer Funktion F r die Funktion Drehmoment aus Strom erzeugen wird z B auch der Funktionstr ger Gleichstrom motor angeboten Es existieren Visio Schablonen zur Mechanik Elektrik und Hydraulik Des weiteren k nnen generische Bondgraphen modelliert werden Zur weiteren Analyse kann Schemebuilder MATLAB Simulink Modelle generieren Der Export einer der f nf genormten SPS Programmiersprachen 23 ist in Schemebuilder nicht implementiert 2 4 8 Process Oriented Analysis POA Die Prozessorientierte Analyse POA beruht auf statischen und dynamischen Diagrammen Flow diagram und State chart die in Verbindung mit einem strengen Regelwerk als Pro zessmodell dienen um ganze Produktionssysteme Fabriken zu entwerfen 49 Die Entwick 36 Stand der Technik lung einzelner Maschinen steht nicht im Vordergrund Die Software POA Toolbox Bild 28 unterstutzt die Prozessorientierte Analyse POA Toolbox Static Anz aly sis Tools fr EN VED Lue Value Flow Diagram Flow Diagram Le RFD Resource Flow Resource Flow Diagram LT F PL Sason modsi gt simulation Model gt Real Time Control
150. r Schritt durch laufen werden Bild 66 88 Fallstudie dm Datei Bearbeiten Einf gen Zielsystem Test Ansicht Extras Fenster Hilfe ojja a e seles fail er d wel aoe TE Ele Of i zixl m en ul T15 say o PLCSIM SimView1 E0 4__ 2 De WE simulati Bearbeiten Ansicht Einkioen Zk EEE Riegel_ simulation Bearbeiten Ansicht Einf gen Zi eingefah o PENEN mani RE T T 2min 2 Zwischenk annen_ u a ei 7 schieb s ao 1 L M RUN pp EEE a ann T16 FIFUN E STOP MPES a m eae eee se Schieber STOP LJ MRES 2 _ausgefa uY T 19s2 es PT fp T T 19s2 0 ee x EB 1 Zwischenk 5 einfahren F A0 I ELI Schieber _eingefa hren l eee Inputs E02 bene Bild 66 Die Soft SPS PLCSIM im Zusammenspiel mit der Ablauflogik der Kammmaschine Der aktuelle Schritt S14 wird gr n eingef rbt und das Weiterschalten zum n chsten Schritt kann durch das ndern von Inputvariablen in der PLCSIM erzwungen werden Dadurch werden im darauf folgenden Schritt Outputvariablen im SFC gesetzt Das ndern der Inputvariablen simu liert dabei den Informationseingang von den Sensoren an die SPS Die resultierenden nderun gen f r die Outputvariablen der Aktoren werden im entsprechenden Outputfenster der Soft SPS angezeigt Das Setzten der Inputvariablen und das Ablesen der Outputvariablen erfolgt dabei nicht ber den Variablennamen sondern ber die Adressierung der Ein und Ausg nge Bild 6 in der SPS So hat EL
151. r die Aktoren und Sensoren zu verbreiten Abschnitt 3 1 3 auf alle mechatro nischen Systeme anwendbar 532 2 Rapid Virtual Prototyping Das Verwalten der interdisziplin ren Daten in ELVAN zusammen mit dem planm ss gen Vor gehen insbesondere durch den vordefinierten Prozessbaustein in Bild 43 beschleunigt das Er stellen der Virtuellen Maschine Bild 16 Die Exportfunktion in ELVAN zur Generierung der Abschliessende Betrachtungen 95 erweiterten I O Liste Bild 52 kann direkt zur Kopplung der Eventsimulation mit der Steuerungslogik eingesetzt werden Zus tzlich werden die notwendigen Informationen ber die verwendeten Aktoren und Sensoren in der Exceltabelle bereitgestellt Basierend auf diesen An gaben mussen die Aktor und Sensormodelle in der Eventsimulation noch manuell ausgewahlt und verknupft werden Hier ergibt sich eine Moglichkeit zur Automatisierung der Simulations erstellung Bild 69 zeigt die zu simulierenden Elemente des mechatronischen Systems bei der Erstellung eines virtuellen Prototyps bestehend aus Steuerung Simulation und Visualisierung Bild 16 Steuerung Sensoren Aktoren Grundsystem L Simulierte Elemente im virtuellen Prototyp i Bild 69 Simulation eines mechatronischen Systems im Rahmen der virtuellen Inbetriebnah me nach Bild 16 Die Klassifikation der Aktoren und Sensoren ber die verwendete Technologie und dessen Typ Bild 46 bietet eine Grundlage um vordefinierte Akt
152. r eine zus tzliche nicht verwendete Variable melden Die fehlende Integration von CAD und SPS Programmier umgebung erlaubt solche Konsistenzpr fungen nicht 62 4 Einf hrung Analoge Problemstellungen hatten auch die Firmen Rieter Textile Systems 61 Gritec 29 Br tsch 11 und Intelliact 33 In einem von der KTI 46 gef rderten Forschungsprojekt wur de die geschilderte Problematik gemeinsam mit der ETH Zurich und den Industriepartnern an gegangen Rieter ist ein weltweit tatiges Unternehmen und entwickelt SPS gesteuerte Textilmaschinen F r die Entwicklung der SPS Software und der CAD Modelle gibt es jeweils die Abteilungen Konstruktion und Steuerungstechnik innerhalb der Firma Hier ist der Workflow aus Bild 2 mit vielen Zyklen zwischen Konstruktion und Steuerungstechnik anzutreffen Die Synchronisation auch global ber Standorte hinweg war bei der Firma Rieter die gr sste Motivation an der Teilnahme des Projektes Gritec ist Dienstleister in der Domane Konstruktion und arbeitet bei der Realisation von SPS gesteuerten mechatronischen Systemen mit externen Partnern zusammen Hier steht das Pro blem der gemeinsamen Beschreibungssprache 1m Vordergrund Gritec beschreibt alle Maschi nenablaufe inklusive der verwendeten Aktoren und Sensoren und deren Variablennamen in MS Excel Die externen Partner leiten daraus eine eigene Beschreibung der Abl ufe ab und verge ben neue SPS konforme Variablennamen Die fehlende gemeinsa
153. rd der Konstruktionsentwurf erstellt an schliessend das SPS Programm So kann z B mit der Software eM PLC Abschnitt 2 4 10 durch eine Verkn pfung der SPS mit der Geometrie die interdisziplin re Konsistenz des Ge samtentwurfs berpr ft werden Insbesondere wird eine Einigkeit zwischen der Steuerugstech nik und der Konstruktion ber die verwendeten Aktoren und Sensoren auf der elektromechanischen Grenzlinie Bild 5 erzwungen Der gleichzeitige Start der Dom nen mit einem kontinuierlichen Abgleich falls z B die Steuerungstechnik innerhalb der Ablauflogik e1 nen zus tzlichen Sensor verwendet wird nicht unterst tzt Innerhalb der Domanen existiert schon Software zur Wahrung der Konsistenz innerhalb der Konstruktion und Steuerungstechnik Die Verkn pfung eines Produktdatenmanagement Systems wie z B das PDM System Teamcenter von UGS 70 mit einem CAD System er laubt es innerhalb der Konstruktion Anderungen des CAD Modelles anderen Konstrukteuren zur Verf gung zu stellen Durch die Vergabe von Lese und Schreibrechten fur die einzelnen Baugruppen lassen sich Konflikte durch redundante Anderungen vermeiden und geometrische Constraints an benachbarte Baugruppen definieren Analog lassen sich mit Managementsyste men fur Quellcode wie z B VersionWorks for Automation 28 oder Visual SourceSafe 51 in Verbindung mit SPS Programmierumgebungen wie z B SIMATIC 65 oder B amp R Auto mation Studio 7 nderungen in der Software ve
154. rfunktion hinterlegt wurde Eintrag Technologie gt Je nach Aktorauspr gung die passende Technologieart anw hlen 7 Eintrag Typ gt Je nach Aktorauspr gung die passende Typbeschreibung der Technologieart ausw hlen Eintrag Aktor gt Je nach Aktorauspr gung die entsprechende Artikelnummer ausw hlen 9 Zustand Aktor gt Definieren in welchen Zustand der Aktor versetzt werden soll gt 2 Aktor Ansnnnunssnsnnunnunsnes Aktion Neuen Aktor hinzuf gen ke Technologie Pneumatik Typ Monostabil Zylinder_P gt Aktor _Dummy LPM v Zustand Aktor C Auschalten Einschalten Ok Abbrechen Abbildung 25 Aktor Typ und Aktor Zustand definieren Benutzerhandbuch der Software ELVAN 121 4 5 2 Aktor Outputs definieren 10 Registerkarte Outputs wahlen Abbildung 26 11 12 13 14 15 16 17 Gem ss der vorangegangenen Typdefinition in Kapitel 4 5 1 wurden f r diese Rubrik automatisch Default Werte gesetzt Nach Bedarf k nnen einige davon nun manuell ver ndert und erg nzt werden bergeordneter Eintrag Name gt In diesem Feld kann der Default Aktorname manuell durch Aktivieren und Texteingabe ge ndert werden Wichtig dabei ist dass es sich um einen 1m Projekt eindeutigen Namen handelt Eintrag Wert gt Der Wert bezieht sich auf den definierten Aktor Zustand und kann aus Konsistenzgr nden ausschliesslich unter der Rubrik Typ ver ndert werden Eintrag Name gt In diesem
155. rgrund verwendet 1 2 F r wen ist diese Gebrauchsanweisung Dieses Handbuch kann sowohl als Einstiegshilfe f r den Erstbenutzer als auch als Nachschlagewerk f r den erfahrenen Benutzer gebraucht werden Dem Einsteiger wird empfohlen die verschiedenen Kapitel in der vorgegebenen Reihenfolge durchzuarbeiten Da ELVAN eine Erweiterung des Microsoft Office Programms Visio darstellt werden die Kenntnisse von MS Visio in diesem Handbuch vorausgesetzt Benutzerhandbuch der Software ELVAN 101 1 3 Konventionen innerhalb dieses Handbuchs e Alle Namen und Meldungen die von der Software angezeigt werden sind kursiv dargestellt e Aufeinanderfolgende Interaktionsschritte werden durch einen Pfeil gt getrennt Zum Beispiel bedeutet die Anweisung Datei gt Neu gt ELVAN die Ausf hrung der folgenden drei Interaktionsschritte e Im Men den Eintrag Datei w hlen e Im Untermen den Eintrag Neu w hlen e Im Unter Untermen den Eintrag ELVAN w hlen Tips werden mit diesem Zeichen markiert gt gt Hinweise werden mit diesem Zeichen markiert Warnungen werden mit diesem Zeichen markiert 102 Benutzerhandbuch der Software ELVAN 2 Installation 2 1 Installationsvoraussetzungen Mindestens 800 MHz Prozessor Mindestens 512 MB RAM Mindestens 4 MB freier Festplattenspeicher Windows XP Service Pack 2 Net 1 1 Mindestens Visio Service Pack 2 Visio 2003 mit Net 1 1 Programmierunterstutzung 2 2
156. rozessanalyse Carl Hanser Verlag Deutschland 2005 Mewes amp Partner GmbH http www winmod de 2006 Microsoft Visual SourceSafe http msdn microsoft com ssafe 2006 Microsoft Visio http office microsoft com Vvisio 2006 Molt T Eine dom nen bergreifende Softwarespezifikationstechnik f r automatisier te Anlagen HNI Verlagsschriftenreihe Band 121 Prof Dr Ing J rgen Gausemeier Hrsg Rechnerintegrierte Produktion Bonifatius Verlag Paderborn Deutschland 2003 Referenzen 141 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 NASKITA Graftor Grafcet editor http www naskita com 2006 Nagy Z Porter I und Bradshaw A Schemebuilder cross domain modelling examp le International Journal of Electrical Engineering Education ISSN 0020 7209 Vol 41 Issue 4 pp 341 349 Oktober 2004 OMG Object Management Group Unified Modeling Language UML version 2 0 formal 05 07 04 http www uml org Needham USA August 2005 Osmers U Projektieren speicherprogrammierbarer Steuerungen mit Virtual Reali ty Forschungsberichte aus dem Institut f r Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik der Universitat Karlsruhe Band 87 Karlsruhe Deutschland 1998 Otto K N A Process for Modularizing Product Families ICEDOI International Conference on Engineering Design Glasgow England 2001 Pahl G und Bei
157. rwalten Steuerungstechniker k nnen f r die Stand der Technik 43 verschiedenen Softwaremodule Lese oder Schreibrecht zugewiesen bekommen Anderungen in der Software konnen so konsistent publiziert werden Arbeiten zwei Steuerungstechniker am selben Modul werden die Anderungen entweder konsistent fusioniert oder das inkonsistente Codefragment wird vor dem check in angezeigt 2 5 4 Planm ssiges Vorgehen zur Entwicklung SPS gesteuerter Systeme A2 Das planm ss ge Vorgehen ist ein wesentlicher Bestandteil jeder Entwicklungsmethodik 59 So strukturieren d e meisten Ans tze auch den Ablauf innerhalb des Entwicklungsprozesses be zogen auf hren Beitrag zur Verbesserung der Entwicklung mechatronischer Systeme Die Richtlinie VDI 2206 72 bietet hierzu einen guten Rahmen zur weiteren Detaillierung und Spe zialisierung des Vorgehens durch die Erweiterung existierender und oder Formulierung zusatz licher vordefinierter Prozessbausteine Bild 17 In der VDI 2206 sind Prozessbausteine f r die Arbeitsschritte Systementwurf Modellbildung und analyse dom nenspezifischer Entwurf Systemintegration und Eigenschaftsabsicherung beschrieben Allerdings ist die notwendige Aufteilung der Funktionserfullung unter den beteiligten Dom nen Partitionierung lediglich erw hnt Ein planm ss ges Vorgehen zur Erreichung dieser Partitionierung wird nicht angege ben Analog dazu findet sich auch in den anderen Ans tzen kein planm ss ges Vorgehe
158. s SFC in die Simatic Programmierumgebung im ASCII Format Dies sind zum einen die I O Liste symbols und zum anderen die eigentliche Software Source In der I O Liste finden sich s mtliche im Projekt vorkommenden Inputs und Outputs mit ihren genauen Spezifikationen Die Software beinhaltet neben dem eigentlichen Ablaufprogramm die simatic spezifische Konfiguration der SPS Mit dem Import beider Listen in die Simatic Programmierumgebung ist die SPS fertig programmiert und betriebsbereit Die beiden Listen werden wie folgt exportiert Benutzerhandbuch der Software ELVAN 133 1 Men gt gt Exportieren gt Simatic Abbildung 40 2 Darauf erscheinen im Projektverzeichnis die ASCII Listen Source und symbols Abbildung 43 3 Diese beiden Listen k nnen nun in die Simatic Programmierumgebung importiert werden Abbildung 43 zeigt die beiden ASCII Listen Source und symbols EFS Projekt allgemein LER Datei Bearbeiten Ansicht Favoriten Extras au zw ck gt wi S Suchen Er Ordner EHE Adresse C Dokumente und Einstellungen EFS Projekt v wechseln zu la Diagramm M EFS_Data gt F Datei und Ordneraufgaben A E Microsoft Yisio Zeichnung P Microsoft Office Access Anwe Textdokument i 103 KB 564 KB Se Neuen Ordner erstellen a Ordner im Web ver ffentlichen E en Source n symbols 3 GR7 Datei asc Datei E7 Ordner freigeben gt KB gt KB Abbildung 43 ASCII Listen Source u
159. sche Beschreibung des Systemverhaltens e Verarbeitungsebene Codegenerierung zur numerischen Berechnung der Modelle Das objektorientierte Mechatronikmodell OMM 31 setzt sich aus den letzten drei Ebenen zusammen Zur integrativen Modellierung Analyse und Synthese des OMM wurde die Soft Stand der Technik 33 ware CAMeL Computer Aided Mechatronics Laboratory entwickelt Die aktuelle Version 6 kann bei der Fima 1Xtronics 36 bezogen werden Neben dem OMM l sst sich hier auch die Geometrie des mechatronischen Systems visualisieren Bild 26 ta Modelling Workbench Uebung 1 gt gt Halbachse File Edit Wem Model Tools Help nn talad Bl ATP Sca HHalbachse I half slel d treet Ba excitatior teloint Ba kinematic excitation excitedPosition kActive E street l e 2 tzJJo nt Street Ht escitedyelocity TzJaint Excitation Bild 26 Modellieren mit CAMeL 36 CAMeL unterstutzt den modellbasierten Entwurf mechatronischer Systeme bestehend aus den folgenden drei Phasen e Modellphase e Pr fstandsphase e Prototypenphase Nach der Modellbildung unterst tz diese Software SIL Software in the Loop und HIL Hard ware in the Loop Simulationen 72 in der Pr fstandsphase F r den Bau von Prototypen bietet 1Xtronics auch Steuerungshardware mit Aktor und Sensorschnittstellen an 34 Stand der Technik OMEN stellt in Verbindung mit CAMeL ein strukturiertes softwareunterstutz
160. sitioniert ist Das Band muss hier unter Zuhilfenahme der Rotationsenergie gleichm ssig n der Kanne abgelegt werden In beiden L sungskonzepten st ein lokaler Aktor zur Bewegung der Umlenkrolle vorstellbar F llt die Entscheidung f r eine weitere Konkreti sierung der zweiten L sung mit einem lokalen Drehmotor f r die asymmetrische Umlenkrolle so f hrt dies zu weiteren Unter und Aktorfunktionen mit zus tzlichen Fl ssen in der EFS Die ses Beispiel zeigt wie der Morphologische Kasten des EFS Tools ELVAN sukzessive zur Ver vollst ndigung der EFS verwendet werden kann Auch bestehende Maschinenkonzepte k nnen so modernisiert werden indem die Ist EFS aufgenommen wird und mit Hilfe des Morphologi schen Kastens nach neuen L sungen gesucht wird Wie in Abschnitt 3 1 2 beschrieben l sst sich die Heuristik von Stone 67 zur Modularisierung des elektromechanischen Subsystems auf die EFS anwenden Der dominierende Fluss in der Kammmaschine ist der Materialfluss ausgehend vom vollen Wickel bis zur vollen Kanne Die Anwendung der Regel Dominant flow Bild 19 auf die Hauptfunktionen der Kammmaschine Bild 56 f hrt daher zu zwei potentiellen Modulen e Ein potentielles Modul welches die Funktion Anlage antreiben beinhaltet e Das Modul des dominanten Flusses bestehend aus allen restlichen Hauptfunktionen Die Regel Branching flow Bild 20 f hrt zu einer weiteren Unterteilung des zweiten Moduls indem der sich verzwe
161. soll durch Software als Hilfsmittel fur die Konstruktion und Steuerungs technik unterst tzt werden 1 3 Aufbau der Arbeit Nach der Einf hrung in die Problemstellung dieser Arbeit und der Formulierung von Anforde rungen zur Probleml sung in diesem Kapitel wird im n chsten Kapitel der Stand der Technik in diesem Kontext analysiert und diskutiert Zuerst findet eine Beschreibung des prinzipiellen Aufbaus SPS gesteuerter mechatronischer Systeme statt Dom nenspezifische und dom nen bergreifende Ans tze zur Probleml sung folgen Diese werden abschliessend zur Identifika tion des Handlungsbedarfs den Anforderungen gegentbergestellt Der in Kapitel 2 aufgezeigte Handlungsbedarf f hrt zu der in Kapitel 3 vorgestellten Entwick lungsmethodik fur SPS gesteuerte mechatronische Systeme Dabei werden existierende An s tze wie die VDI Richtlinie 2206 Abschnitt 2 4 mit neu entwickelten Methoden neuen Vorgehensweisen und einer neuen Software verkn pft Zur Veranschaulichung der n Kapitel 3 erzielten Forschungsresultate werden diese n Kapitel 4 auf eine Textilmaschine angewandt Es handelt sich dabei um die n Bild 3 dargestellte K mm maschine der Firma Rieter Dabei wird die neu entwickelte Software in Kombination mit existierenden Entwurfswerkzeugen eingesetzt Kapitel 5 fasst schlussendlich die Ergebnisse dieser Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf zuk nftigen Forschungsbedarf Stand der Technik 7 2 Stand der Te
162. sor definieren Dieser Eintrag ist im Kontextmen nur vorhanden wenn dem entsprechenden Shape noch kein Sensor hinterlegt wurde Darauf erscheint das Fenster Sensor Registerkarte Typ w hlen Abbildung 29 5 Eintrag Aktion gt W hlen zwischen Neuen Sensor hinzuf gen wenn der gew nschte Sensor im Projekt bisher keiner Funktion hinterlegt wurde oder bestehenden Sensor verwenden falls der gew nschte Sensor im Projekt bereits einem anderen Shape hinterlegt wurde Eintrag Technologie gt Je nach Sensorauspr gung die passende Technologieart anw hlen 7 Eintrag Typ gt Je nach Sensorauspr gung die passende Typbeschreibung der Technologieart ausw hlen 8 Eintrag Sensor gt Je nach Sensorauspr gung die entsprechende Artikelnummer ausw hlen u Sensor Typ Inputs Nevcccseccsccecsesssces Aktion Neuen Sensor hinzuf gen rl Technologie Induktive Sensoren Typ N hrungssensoren nl Sensor _Dummy IPRX gt Ok Abbrechen Abbildung 29 Sensor Typ definieren Benutzerhandbuch der Software ELVAN 125 4 6 2 Sensor Inputs definieren 9 Registerkarte Inputs wahlen Abbildung 30 Gem ss der vorangegangen Typdefinition in Kapitel 4 6 1 wurden f r diese Rubrik automatisch Default Werte gesetzt Nach Bedarf k nnen nun einige davon manuell ver ndert und erg nzt werden 10 bergeordneter Eintrag Name gt In diesem Feld kann der Default Sensorname manuell durch Aktivieren und Texte
163. ssembly Automation ISSN 0144 5154 MCB UP Ltd Vol 19 Issue 2 pp 129 138 1999 Dierssen S Systemkopplung zur komponentenorientierten Simulation digitaler Pro dukte VDI Verlag Reihe 20 Nr 358 D sseldorf Deutschland 2002 DIN 40719 6 Schaltungsunterlagen Regeln f r Funktionspl ne Beuth Verlag Berlin Deutschland ersetzt durch DIN EN 60848 g ltig bis 1 4 2005 DIN 40719 11 Schaltungsunterlagen Zeitablaufdiagramme Schaltfolgediagram me Beuth Verlag Berlin Deutschland August 1978 ersatzlos zur ckgezogen DIN 60000 Textilien Grundbegriffe Beuth Verlag Berlin Deutschland Januar 1969 DIN EN 60617 12 Graphische Symbole fur Schaltplane Teil 12 Binare Elemen te Ersatz fur DIN 40900 12 1992 09 Beuth Verlag Berlin Deutschland April 1999 DIN EN 60848 2002 GRAFCET Spezifikationssprache f r Funktionsplane der Ab laufsteuerung Ersatz f r DIN 40719 6 Beuth Verlag Berlin Deutschland Dezem ber 2002 DIN EN 61131 3 Speicherprogrammierbare Steuerungen Teil 3 Programmierspra chen Beuth Verlag Berlin Deutschland Dezember 2003 DIN EN 61131 3 Beiblatt 1 Speicherprogrammierbare Steuerungen Leitlinien f r die Anwendung und Implementierung von Programmiersprachen f r Speicherpro grammierbare Steuerungen Beuth Verlag Berlin Deutschland April 2005 Eisenhut A Service Driven Design Konzepte und Hilfsmittel zur informationstech nischen
164. stallation beendet ELVAN Visio addon wurde erfolgreich installiert Klicken Sie auf Schlie en Pr fen Sie mit Windows Update ob wichtige Aktualisierungen f r NET Framework zur Verf gung stehen Schlie en Abbildung 3 Erfolgreiche ELVAN Installation 104 Benutzerhandbuch der Software ELVAN 3 Benutzeroberflache 3 1 MS Visio Die Men s und Symbolleisten in MS Visio sind mit den Men s und Symbolleisten in anderen Microsoft Office Programmen vergleichbar so dass der Benutzer die vertraute Arbeitsumgebung vorfindet Die Zeichnungsumgebung von MS Visio umfasst das Zeichenblatt Formschablonen Shapes Men s und Symbolleisten Die Zeichnung wird auf dem Zeichenblatt erstellt welches die gedruckte Seite darstellt und ein Gitter zum Positionieren der Shapes enth lt In ELVAN finden sich zus tzlich zur Zeichnungsumgebung von MS Visio zwei Teilfenster sowie eine Erweiterung des Kontextmen s Das erweiterte Kontextmen wird durch Anklicken eines bestimmten Shapes oder des Arbeitsblatts mit der rechten Maustaste aufgerufen Das eine Teilfenster bietet eine bersicht ber die Hierarchie in der erstellten EFS das Andere enth lt die zur Modellierung der EFS notwendigen ELVAN Shapes Die genannten zus tzlichen Elemente von ELVAN werden in den folgenden Unterkapiteln 3 2 bis 3 4 detailliert beschrieben 3 2 Erweitertes Kontextmen rechte Maustaste In MS Visio wird das Kontextmen durch Mausklick rechte Taste
165. strakt zu beschreiben Anschliessend lassen sich z B mit dem mor phologischen Kasten 59 Teill sungen den Funktionen zuordnen und bewerten Mit Hilfe der EFS kann nun auch die Ablauflogik f r die Steuerungstechnik und die Aktorik Sensorik integral beschrieben werden Dadurch l sst sich nicht nur der fr he Einbezug der Steuerungstechnik sondern auch ein planm ssiger bergang in die n chste Phase sicherstellen Bild 41 In der Dom nenverzweigung werden von dem gemeinsam erstellten L sungskonzept Bild 40 und Bild 41 die initialen Daten f r beide Dom nen im dom nenspezifischen Entwurf abgeleitet Interdisziplinare Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme 57 SPS gesteuertes mechatronisches Anforderungen Produkt AT Phasen Meilensteine Aufgaben T tigkeiten Resultate Systementwurf L sungs T konzept O Liste von der EFS ableiten und in verzweigung der SPS Programmierumgebung definieren e Ablauflogik aus der EFS ableiten und in der SPS Programmierumgebung abbilden e Steuerungstechniker den SPS Softwaremodulen zuordnen e Hauptbaugruppen aus der EFS ableiten und im PDM oder CAD System anlegen e Konstrukteure den Hauptbaugruppen zuordnen Erster 2 Komponenten domanenspezi entwurf fischer Entwurf Bild 41 Neuer vordefinierter Prozessbaustein f r die Dom nenverzweigung 1 F r den Einstieg in die SPS Softwareentwicklung und das CAD Modellieren werden die f
166. t In unkomplizierter Art und Weise bekam ich wertvolle Industriekontakte sowie Hard und Software von Hans Menzi SIEMENS J rgen Mewes Mewes amp Partner danke ich f r die bereitgestellte Simulationssoftware Z rich m Oktober 2006 Jens Bathelt IV Der Weg ist das Ziel Konfuzius 551 v Chr 479 v Chr Inhaltsverzeichnis ADKUPZUNESVEEZ CICIMIS u a Vil AMS AMM CNLAS SUNG sorsien een a evcleeateks a aa E IX ADS ACI 2 nenne a OEE eae Teasta XI 1 3E ntuhrun zen ae en else less aA aa EE S 1 121 Problemstelli s sn ee EA EE er l 1 2 Zielsetzung und Anforderungen asus 5 Lo AutBaudeP Arber 6 2 Shand der Technik ur 7 2 SPS gesteuerte mech tronische Systeme u a EE es 7 PLE OS TOTO are T neon ene T E AO 10 2 OLUCTUNGSTECMNIK aier a e a a ae a 15 24 Interdisziplinare Entwicklung serisinin A AA a 20 DAL BOUN arinean T E A hate ean 24 212 OE ee esse 25 24 3 Kallenbach ee ATE A E OT 27 244 Klausuren 29 24 Moll nenne ee ee ee 30 24 0 0 MEN CAM une ce No ca na tena een 31 2 4 7 DCO DUJE rss a A 34 2 48 Process Orncnted Analysis POA J aussen a a ir 35 2 I O TS ee re ee een 37 22 10 amp M DEG een 38 Zed andlunssped tt ans es ee 40 2 5 1 Beschreibung des nterdisziplin ren Konzeptes durch eine gemeinsame Sprache f r SPS gesteuerte mechatronische Systeme A1 1 uusesseseennnnnn 40 2 5 2 Reibungsloser bergang vom gemeinsam erstellten Konzept zum Steuerungs und Konstruktionsentwurf Al 2
167. t das bottom up design nicht mehr ausreichend 72 Zun chst m ssen Kenntnisse der Grobstruktur erlangt werden um diese anschliessend zu verfeinern top down design Durch das Ableiten der Hauptbaugruppen aus der EFS Abschnitt 3 1 2 kann diese grobe Struktur im CAD System oder falls vorhanden im PDM System angelegt werden Zus tzlich erf hrt die Konstruktion die Zuordnung der Aktoren und Sensoren zu den Hauptbaugruppen e Konstrukteure den Hauptbaugruppen zuordnen Analog zur Steuerungstechnik l sst sich das concurrent engineering innerhalb der Konstruktion unterst tzen indem die abgeleiteten Hauptbaugruppen den verschiedenen Konstrukteuren zugeordnet werden 4 Somit k nnen nun Konstruktion und Steuerungstechnik gleichzeitig den dom nenspezifischen Entwurf beginnen In dieser Phase wird die Synchronisation beider Dom nen wichtig nde rungen die sich auf die jeweilig andere Dom ne auswirken sollten umgehend kommuniziert werden 62 Wie in Abschnitt 3 1 3 beschrieben leistet die EFS dazu ihren Beitrag um inter disziplin r relevante nderungen im dom nenspezifischen Entwurf Bild 42 zu identifizieren und gezielt zu verbreiten Interdisziplinare Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme 59 SPS gesteuertes mechatronisches Anforderungen Produkt Eigenschaftsabsicherung Entwurf SPS Programmierumgebung Modellbildung und analyse Domanenspez Bild 42
168. te Offset ndern Sie werden in den folgenden Unterkapiteln 5 1 1 bis 5 1 4 beschrieben Alle Exportfunktionen werden wie folgt ausgel st e Men gt gt Exportieren gt gew nschte Funktion Abbildung 40 Diagramm Microsoft Visio Morphologischer Kasten Simatic winMoD Funktionshierarchie Byte Offset ndern Abbildung 40 Funktion Exportieren 5 1 1 Morphologischer Kasten Diese Funktion exportiert eine Vorlage zur Erstellung des morphologischen Kastens 1m MS Excel Format Dabei werden alle Elementarfunktionen die ber Fl sse verf gen und welchen noch kein Aktor hinterlegt wurde abgebildet Als zus tzliche Information sind alle den entsprechenden Elementarfunktionen zugeh rigen Sensoren bergangsbedingungen und Fl sse abgebildet und gekennzeichnet Der Morphologische Kasten wird wie folgt exportiert l Men gt gt Exportieren gt Morphologischer Kasten Abbildung 40 2 Darauf erscheint 1m Projektverzeichnis die MS Excel Date Morphologischer Kasten Abbildung 41 132 Benutzerhandbuch der Software ELVAN EFS Projekt allgemein Sele Datei Bearbeiten Ansicht Favoriten Extras ae zur ck amp wi JO Suchen I Ordner fsi Adresse C Dokumente und Einstellungen EFS Projekt v Wechseln zu A 3 i Diagramm EFS_Data Datei und Ordneraufgaben A Microsoft Visio Zeichnung P Microsoft Office Access Anwe 103 KB 564 KB mi Datei umbenennen Ir Date
169. tes Vorgehen zur Modellbildung und Untersuchung mechatronischer Systeme dar Die Konzeptphase im Sinne der etablierten Vorgehensweisen des Maschinenbaus wird nicht durchlaufen 44 2 4 7 Schemebuilder Schemebuilder ist ein wissensbasiertes Entwurfswerkzeug f r die Konzeption mechatronischer Systeme 55 Visio 52 kann als Userinterface eingesetzt werden um die schemes Schema ta zu definieren Schemebuilder bietet dazu die folgenden Konstrukte an e Functions Funktionen z B Drehmoment aus Strom erzeugen e Means Funktionstr ger z B Drehstrommotor e Function means tree FMT hierarchische Darstellung der Funktionen und Funktionstrager e Function means structure FMS ablaufbezogene Darstellung der Funktionen und Funkti onstr ger e Working principles Wirkprinzipien die ber einen FMT in Kombination mit einer FMS beschrieben werden k nnen e Components L sungselemente z B die konkrete Festlegung auf einen Drehstrommotor eines bestimmten Herstellers Die obige Aufz hlung impliziert das Vorgehen in der Konzeptphase von der Gesamtfunktion bis zur Gesamtl sung bestehend aus L sungselementen In Bild 27 ist z B das Wirkprinzip e1 nes Servosystems durch einen FMT und eine FMS beschrieben Stand der Technik 35 e function types feedback control e input type info setting output type power actuation transmission sensor Load controller Power supply power Actuator FMT modulator position senso
170. teuerungstechnik wissen ber welche Input und Outputvariablen sie die jeweiligen Aktoren und Sensoren ansprechen kann Dies ist in der I O Liste Abschnitt 2 3 festgehalten Durch die Auflistung aller I O s der EFS kann nun der Steuerungstechnik auch die VO Liste zur Verf gung gestellt werden Die zweite wichtige Dom ne beim Entwurf SPS gesteuerter mechatronischer Systeme ist die Konstruktion Kapitel 2 Mit Hilfe des CAD wird hier die Geometrie des elektromechanischen Subsystems bestehend aus Aktoren Sensoren und dem Grundsystem modelliert Bild 5 Aus gehend von der EFS k nnen ber die Heuristik von Stone Abschnitt 2 4 2 Baugruppen iden 50 Interdisziplinare Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme tifiziert werden Bild 36 Bei der Suche nach Losungsprinzipien f r die Funktionen der EFS bietet der Morphologische Kasten Abschnitt 2 2 Unterstutzung EFS ohne Informationsflusse Identifizierte Baugruppen Bild 36 Die EFS als Ausgangspunkt f r den Konstruktionsentwurf Nach Stone 67 werden die Material und Energiefl sse der EFS bez glich der drei Regeln Dominant flow Branching flow und Conversion transmission h n untersucht Die ermit telten Hauptbaugruppen k nnen dann einzelnen Konstrukteuren zugeordnet werden Zus tzlich lassen s ch alle Aktoren und Sensoren hren Hauptbaugruppen ber die EFS zuordnen Dadurch weiss der Konstrukteur schon vor dem CAD Entwurf welche Aktorik und S
171. tlich In der VDI 2206 existieren weitere Prozessbausteine zur konkreteren Beschreibung der Modellbil dung und analyse des dom nenspezifischen Entwurfs der Systemintegration und der Eigen schaftsabsicherung In den folgenden Abschnitten werden weitere Ans tze im Kontext dieser Arbeit beschrieben 24 Stand der Technik 2 4 1 Buur Buur fordert in 12 eine interdisziplin r akzeptierte les und schreibbare Konzeptbeschrei bungssprache zur l sungsneutralen und funktionalen Beschreibung mechatronischer Systeme In 13 konkretisiert Buur die Beschreibung einer mechatronischen Funktion durch die folgen den Komponenten Zust nde states und bergangsbedingungen transitions die die Logik abbilden welche Transformationsfunktionen wann ausgef hrt wird Transformationsfunktionen transformation functions die wie in 59 beschrieben Mate rial Energie und Informationen transformieren Zweckfunktionen purpose functions die die notwendigen Effekte zur Verf gung stellen um die Transformationen auszuf hren Akt ve Zweckfunktionen active purpose functions die f r jeden moglichen Zustand des Systems aus den Zweckfunktionen ausgewahlt werden mussen Am Beispiel eines Telefons zeigt Buur in Bild 18 diese funktionelle Darstellung STATES 2 TRANSITIONS PURPOSE FUNCTIONAL STRUCTURE aA 2 CALLING BR gt t oz ma eg Preaek J rate detect ar calling sound calling signal 4 7 SPEAKING NUMBER sou
172. tuellen Inbetriebnahme Bild 43 der Kamm maschine wurde WinMOD 50 mit der Soft SPS PLCSIM 65 und Mediator 33 kombiniert Bevor in Abschnitt 4 2 und Abschnitt 4 3 die Erstellung und Nutzung der EFS f r die Kamm maschine beschrieben wird erl utert der folgende Abschnitt die Funktion der Kammmaschine im Kontext des Spinnprozesses 4 1 Die K mmmaschine der Firma Rieter im Spinnprozess Die Firma Rieter versteht sich als Systemanbieter f r den gesamten Spinnprozess von der Sta pelfaser bis zum Garn Stapelfasern auch Spinnfasern oder im englischen staple fibre sind Textilfasern mit begrenzter L nge 20 35 Wolle und Baumwolle enthalten z B Stapelfasern Im Gegensatz dazu stellen Endlosfasern auch Filamente oder im englischen filament Tex 74 Fallstudie tilfasern praktisch unbegrenzter Langer dar 20 35 So konnen Chemiefasern wie Polyester und Elasthan theoretisch endlos lang ausgesponnen werden Es existieren hauptsachlich zwei Spinnverfahren das Ring und das Rotorspinnen Das Rotor spinnen umfasst weniger Prozessschritte und zeichnet sich durch eine hohere Produktivitat aus Es eignet sich zur Herstellung groberer Garne die weniger reissfest sind Da die Kammmaschine im Rotorspinnprozess nicht zur Anwendung kommt wird 1m Folgenden der Ringspinnprozess vertieft Um hochwertige Garne zu erhalten sind im Ringspinnprozess die folgenden Schritte n tig 61 l Stapelfaserballen putzen Flock
173. twurf des Parallelroboters TRIPLANAR 4 VDI Mechatronik Tagung 2001 Inno vative Produktentwicklungen Frankenthal 12 und 13 September VDI Berichte 1631 VDI Verlag D sseldorf Deutschland 2001 UGS eM PLC http www ugs com products tecnomatix production execution em plc shtml Plano Texas USA 2006 UGS Teamcenter http www ugs com products teamcenter Plano Texas USA 2006 UGS NX http www ugs com products nx Plano Texas USA 2006 VDL 2206 Entwicklungsmethodik fur mechatronische Systeme Beuth Verlag Ber lin Deutschland Juni 2004 VDI 2221 Methodik zum Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme und Produkte Beuth Verlag Berlin Deutschland Mai 1987 VDI 2803 Funktionenanalyse Grundlagen und Methode Beuth Verlag Berlin Deutschland Oktober 1996 VDI 3260 Funktionsdiagramme von Arbeitsmaschinen und Fertigungsanlagen Beuth Verlag Berlin Deutschland Dezember 1994 ersatzlos zur ckgezogen der VDI empfiehlt die Anwendung von DIN 40719 6 VDVVDE 2422 Entwicklungsmethodik f r Ger te mit Steuerung durch Mikroelek tronik Beuth Verlag Berlin Deutschland Februar 1994 VDVVDE 3684 Herstellerneutrale Konfiguration von Antriebssystemen Beschrei bung ereignisgesteuerter Bewegungsabl ufe mit Funktionspl nen Beuth Verlag Berlin Deutschland September 1997 Wang L Shen W Xie H Neelamkavil J und Pardasani A Collaborativ
174. tz W Engineering design a systematic approach Springer Berlin Deutschland 1999 POA Process Oriented Analysis http www poa texma org Toolbox toolbox html 2006 Rieter Textile Systems http www rieter com main textile Winterthur Schweiz 2006 Schatz B Fahrmair M von der Beeck M Jack P Kespohl H Koc A Liccardi B Scheermesser S und Z ndorf A Entwicklung Produktion und Service von Software fur eingebettete Systeme in der Produktion Abschlussbericht der Vordringlichen Ak tion des Bundesministeriums f r Bildung und Forschung Deutschland Februar 2000 Schon A Konzept und Architektur eines Assistenzsystems f r die mechatronische Produktentwicklung Dissertation Lehrstuhl f r Konstruktionsmethodik der Fried rich Alexander Universitat Erlangen N rnberg Deutschland 2000 SIEMENS CamTool Projektierungshandbuch Bestellnummer 6AU1900 1AB32 OAAO Deutschland Dezember 2004 SIEMENS SIMATIC http www automation siemens com simatic N rnberg Moorenbrunn Deutschland 2006 SIEMENS SIMIT http www siemens de simit Erlangen Deutschland 2006 Stone R Towards a Theory of Modular Design Dissertation University of Texas at Austin USA 1997 142 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 Referenzen Toepper S L ckel J Moritz W Kuhlbusch W und Scharfeld F Modellgest tzter En
175. und der Tools der Virtuellen Maschine Bild 16 In Bild 45 sieht man einen Screenshot des EFS Tools ELVAN E Diagramm vsd Microsoft Visio Seles feb Datei Bearbeiten Ansicht Einf gen Format Extras Shape Fenster T Standard as Funktionshierarchie O x GF SFC Start HF 1 UF 1 Aktor UF1_ 3 UF2 Ubergangsbedingungen T2 Bedingung T2 erf llt Ssensor T2_2 H Bem 2 Bedingung T2 erf llt a a l Zur ck zur Vaterfunktion ale SPS ID bearbeiten Nach Shapes suchen Geben Sie Ihren Suchbegriff hier ein amp Sensor l schen ps Logische Funktion definieren Pixel In der Hierarchie zeigen H ELVAN Addon _de CH Sensorj T2_2 zal di_objekt_anwesend_T_2 ShapeSheet anzeigen Ausschneiden Kopieren Fi Einf gen Ansicht Format Shape Breite 8 5 mm H he 6 104 mm Winkel 0 deg Zeichenblatt 2 3 Bild 45 Screenshot von ELVAN 64 Interdisziplinare Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme ELVAN erweitert das MS Office Programm Visio 52 um EFS spezifische Funktionalitaten Visio 52 eignet sich gut zur Darstellung von Flussdiagrammen Bei der ablaufbezogenen Dar stellung der Funktionsstruktur lassen sich Funktionen und Fl sse dynamisch verbinden Die In tegration von Visio in MS Office und die Erweiterbarkeit hat dazu gef hrt Visio als Basistool fur die softwaretechnische Unterst tzung zu w hlen Vor allem die Erweiterbarkeit dur
176. und Hinzuf gen der neu definierten Elemente zur Bibliothek in der umgekehrten Reihen folge n der s e n den vorangegangenen Schritten definiert wurden Wenn w hrend des Entwurfs darauf geachtet wurde k nnen viele der neuen Bibliothekselemente in k nftigen Systementwicklungen wieder verwendet werden Dies tr gt zur Zuverl ssigkeit Instandhalt 20 Stand der Technik barkeit Benutzbarkeit und Anpassbarkeit der Software bei 24 Zum Schluss werden durch Anwenden der Konfigurationselemente die Zuordnung der Programme zu den Ressourcen und der Ressourcen zu den Konfigurationen vervollstandigt die Tasks fur die Programmausfuhrung festgelegt die Zugriffspfade fur die Kommunikation mit den Informationssystemen eingerich tet und das SPS Programm auf die SPS geladen 2 4 Interdisziplin re Entwicklung Im Fokus dieser Arbeit steht die interdisziplin re Entwicklung SPS gesteuerter mechatroni scher Systeme Sind mehrere Dom nen bei der Entwicklung eines Produktes beteiligt reicht die Strukturierung des Vorgehens nach VDI 2221 73 n cht mehr aus Im Sinne einer Partitionie rung weist die VDI 2422 76 die Funktionserf llung den einzelnen Dom nen zu Eine detail lierte Anweisung wie eine integrierte Wirkstruktur erzeugt werden kann erfolgt aber nicht 44 Die aktuelle VDI Richtlinie 2206 72 soll die Grundz ge des Entwickelns mechatroni scher Systeme vermitteln und zu einer ganzheitlichen Sichtweise ber die einzelne Fachdiszi
177. ungen als auch den Sensor Shapes hinzugef gt werden Die Definition eines Sensors m Fenster Sensor kann jederzeit unterbrochen und zu einem sp teren Zeitpunkt fortgesetzt werden Wird der Abbruch ber die Schalttaste Ok ausgel st so werden die bis zu diesem Zeitpunkt vorgenommenen Einstellungen abgespeichert Sobald der Sensor Typ definiert wurde setzt ELVAN automatisch eindeutige Default Werte zur Benennung des Sensors im Projekt sowie f r die E E 124 Benutzerhandbuch der Software ELVAN Sensor Inputs Diese k nnen bei Bedarf umbenannt werden Um nderungen an einem bereits definierten Sensor vorzunehmen kann das Fenster Sensor ber den Eintrag Sensor Name Sensor im Kontextmen Sensor oder bergangsbedingung mit rechter Maustaste anklicken ge ffnet werden Im EFS Projekt k nnen nur Sensoren modelliert werden welche in ELVAN bereits vordefiniert und hinterlegt wurden Um zus tzliche Sensoren in ELVAN zu hinterlegen m ssen die in Kapitel 5 beschriebenen Schritte durchgef hrt werden Wird der Sensor einer Ubergangsbedingung hinzugef gt so ffnet sich automatisch das Fenster des Logikeditors Darin kann die logische Verkn pfung s mtlicher zur bergangsbedingung geh riger Inputs erstellt werden Der Logikeditor wird in Kapitel 4 7 beschrieben 4 6 1 Sensor Typ definieren 1 Das entsprechende Sensor Shape oder die entsprechende bergangsbedingung mit der rechten Maustaste anklicken 2 Kontextmen gt Sen
178. uristisch und nicht algorithmisch sind 67 lassen sich die Hauptbaugruppen nicht automatisch herleiten Gleichwohl lassen sich die Hauptbaugruppen im EFS Tool markieren In Abschnitt 3 1 3 wird aufgezeigt wie nderungen im dom nenspe zifischen Entwurf durch die Aktualisierung der EFS der jeweils anderen Dom ne mitgeteilt werden k nnen Im Beispiel aus Abschnitt 3 1 3 bei dem ein Sensor im CAD entfernt wird Interdisziplinare Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme 63 f hrt diese Anpassung im EFS Tool unmittelbar zu einer L schung der entsprechenden Input variablen Die Verwendung einer aktuellen automatisch abgeleiteten I O Liste f hrt nun zu den beschriebenen Konsistenzmeldungen n der SPS Programmierumgebung Zum Aufsetzen der Eventsimulation werden wiederum die I O s zur Kommunikation mit der SPS ben tigt Bild 43 Zus tzlich m ssen die Eigenschaften der Aktoren und Sensoren be kannt sein um das Modell f r die Eventsimulation zu erstellen Da die verwendeten Aktoren und Sensoren m EFS Tool erfasst sind k nnen diese Informationen zus tzlich zu den I O s exportiert werden Der upload auf die SPS das Ex und Importieren der Geometrie und die Ver kn pfung der SPS mit der Visualisierungssoftware ber die Eventsimulation in Bild 44 ist in 17 und in Bild 43 beschrieben Somit steht das neu entwickelte EFS Tool im Kontext der bei den Hauptentwurfswerkzeuge 3D CAD und SPS Programmierumgebung Abschnitt 2 4
179. vironment A tool supporting the common conceptual design phase is missing ELVAN EarLy Virtual mAchine applicatioN is filling that gap It supports the new methods based on the EFS and harmonises with established design tools to develop mechatronic systems controlled by a PLC A case study does exemplify the presented design methodology by the use ofan textile machine Firstly the EFS for the machine is modelled in ELVAN Secondly it is shown how the domain specific embodiment design can gain by the usage of the EFS defined in ELVAN Finally a vir tual prototype of the textile machine is derived from the data collected in ELVAN the CAD model and the PLC programming environment In summary this work has shown how the control and the mechanical engineer can collaborate efficiently and concurrently by using the EFS when developing a mechatronic system controlled by a PLC Einfuhrung l 1 Einf hrung 1 1 Problemstellung In den letzten Jahrzehnten hat die Komplexit t der Produkte im Maschinenbau kontinuierlich zugenommen Rein mechanische L sungen wurden durch mechatronische Produkte ersetzt die neben der Mechanik zus tzlich Elektronik und Softwaretechnik beinhalten Der X by wire An satz bei dem rein mechanische Teill sungen durch mechatronische Teill sungen ersetzt wer den zeigt dass auch bei existierenden mechatronischen Produkten der rein mechanische Anteil immer weiter reduziert wird 72 Der immer gr sser werd
180. von 16 n der Automatisation tati gen Unternehmen 47 Danach wird die potentielle Verk rzung der Entwicklungsdauer von der Anforderungsliste bis zur Inbetriebnahme durch die Parallelisierung nach Kapitel 3 mit 5 10 angegeben Dieser Punkt beeinflusst in erster Linie den Faktor Zeit und nicht die Entwick lungskosten Im Vergleich zum heutigen Vorgehen wurden die Aufwande in der Konstruktion und der Steuerungstechnik bez glich des ersten Punktes als gleichhoch angenommen Die po tentielle Zeiteinsparung in der Entwicklung durch die verbesserte Konsistenz zweiter Punkt wurde mit zus tzlichen 3 10 beziffert Dieser Punkt f hrt neben k rzeren Entwicklungszeiten vorallem zu Kosteneinsparungen da sich Zeiteinsparungen wegen konsistenter Entw rfe direkt in geringeren Aufwanden wiederspiegeln Dar ber hinaus steigen die Kosten zur Bereinigung inkonsistenter Entw rfe im Verlaufe des Projekts berproportional Das Erstellen und Pflegen der EFS resultiert nicht zwingend zu einem Mehraufwand im ver gleich zum heutigen Vorgehen Die Steuerungstechnik konzipiert die SPS Software schon heu te mit ablauforientierten Diagrammen wie GRAFCET Abschnitt 2 3 In der Konstruktion ist 94 Abschliessende Betrachtungen analog dazu heute schon das Erstellen der Funktionsstruktur vorgesehen Abschnitt 2 2 Das Erstellen der EFS ersetzt diese beiden dom nenspezifischen Arbeitsschritte nderungen im Entwurf m ssen heute manuell bewertet und kommunizi
181. yse VDI Richtlinie 2803 74 kombiniert werden Dazu werden die Ist Funktionen des bestehenden Produktes analysiert und eine Ist EFS aufgestellt Anschliessend wird basierend auf den neuen Anforderungen und der Ist EFS eine Soll EFS er stellt Mit dieser Soll EFS kann nun der Systementwurf weitergefuhrt werden Bild 40 Im n chsten Abschnitt wird erl utert wie das in diesem Abschnitt pr sentierte planm ss ge Vorge hen in Kombination mit den in Abschnitt 3 1 vorgestellten Methoden durch Software unter st tzt werden kann 3 3 Neue Software zur Unterst tzung der Methoden Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Software zur Erfassung und Nutzung der EFS implemen tiert Dieses EFS Tool ist in Bild 44 m Kontext der anderen Entwurfswerkzeuge dargestellt SPS Programmierumgebung Eventsimulation Visualisierungssoftware Morphologischer Kasten amp Hauptbaugruppen Bild 44 Tools im Kontext SPS gesteuerter mechatronischer Systeme Im EFS Tool l sst sich die EFS wie in Abschnitt 3 1 1 beschrieben modellieren Der bergang zum dom nenspezifischen Entwurf wird unterst tzt indem das SFC und die I O Liste f r die SPS Programmierumgebung automatisch aus der EFS generiert wird Abschnitt 3 1 2 Zur Unterst tzung der L sungsfindung in der Konstruktion kann ein Morphologischer Kasten von der EFS abgeleitet werden Dieser enth lt eine Liste der aktuellen Elementarfunktionen und de ren Fl sse Da die Regeln von Stone he
182. ystem NX von UGS 71 Features wie Rundungen oder Bohrungen und kleine Einzelteile w e Schrauben und Muttern herausfiltern Danach kann die Geometrie ber VRML oder JT Dateien vom CAD in eine Visualisierungssoft ware wie z B Mediator 33 importiert werden Je nach Bedarf wird in der Visualisie rungssoftware noch die Kinematik der Maschine und Texturen Licht definiert Bei der Verkn pfung mit der Eventsimulation m ssen zumindest die Positionswerte der Aktoren an die Visualisierungssoftware bermittelt werden um die Bewegungen im Zusammenspiel mit der SPS darstellen zu k nnen Dar ber hinaus k nnen Events z B Kollisionen in der Visualisierungssoftware definiert werden d e dann zur ck an die Eventsimulation gesendet werden 1 Nach der erfolgreichen virtuellen Inbetriebnahme kann nun die Systemintegration wie in der VDI 2206 72 beschrieben fortgesetzt werden In diesem Abschnitt und in den VDI Richtlinien 2221 und 2206 73 72 wird das planm s s ge Vorgehen von der Anforderungsliste bis zum Gesamtentwurf des Produktes beschrieben Diese Vorgehensweise l sst sich nicht nur bei Neukonstruktionen anwenden Auch nderungs konstruktionen bei denen ein bestehendes Produkt zusammen mit neuen Anforderungen ein neues Produkt ergeben soll lassen sich so durchf hren Die n Abschnitt 3 1 1 vorgestellte EFS 62 Interdisziplinare Entwicklung SPS gesteuerter mechatronischer Systeme kann hier gut mit der Funktionenanal
183. zieren Dieses Vorgehen ist sicherlich f r Unternehmen interessant die noch nicht vom sequentiellen Workflow aus Bild 2 auf den parallelen Workflow aus Bild 4 umstellen wollen Analog zum Vorgehen von Osmers Abschnitt 2 4 9 wird die Steuerungstechnik erst nach der Fertigstellung eines CAD Modells einbezogen 40 Stand der Technik 2 5 Handlungsbedarf Der Vergleich der Anforderungen aus Abschnitt 1 2 an eine Entwicklungsmethodik f r SPS gesteuerte mechatronische Systeme mit dem Stand der Technik ist in Bild 32 zusammengefasst Die Reihenfolge der Eintr ge in der Tabelle entspricht der Reihenfolge des Auftretens in dieser Arbeit Stand der Technik 3 SPS Progr Anforderungen AA Boschreibungssprache 7 7 A1 2 Konzept gt Entwurf V A1 3 Konsistenter Entwurf rrr vivv A2 Planm ssiges Vorgehen V V V IvIviviviviviviv A3 Softwareunterst tzung V V V l l l l l viviviviv jr Anforderung erf llt YW Anforderung teilweise erf llt Anforderung nicht erf llt VDI 3260 Funktionsdiagr DIN EN 60848 GRAFCET rie lt a O gt K NONNE SILLA Edenit NARTA O MEN CAMeL zZ L zZ Q Bild 32 Bewertung des Stands der Technik im Vergleich zu den Anforderungen 2 3 1 Beschreibung des interdisziplin ren Konzeptes durch eine gemein same Sprache f r SPS gesteuerte mechatronische Systeme A1 1 Damit die Konstruktion gemeinsam mit der Steuerungstechnik ein SPS g

Entwicklungsmethodik für SPS-gesteuerte - ETH E

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