Es gibt verschiedene Arten von digitalen Zwillingen, je nach Grad der Digitalisierung des Prozesses oder Systems [1]:

• Komponenten-/Teilezwilling: Er repräsentiert ein einzelnes Teil und ermöglicht die Analyse von Eigenschaften wie Effizienz, Haltbarkeit und Leistung.
• Anlagenzwilling: Er modelliert eine Reihe von interagierenden Komponenten, wobei der Schwerpunkt auf funktionalen Beziehungen und Leistungsoptimierung liegt.
• Systemzwilling: Er umfasst das Zusammenwirken mehrerer Anlagen und ermöglicht so eine umfassende Bewertung und Optimierung des Systemverhaltens.
• Prozesszwilling: Er ermöglicht die Beobachtung des Zusammenwirkens mehrerer Systeme im Gesamtprozess.

Darüber hinaus kann ein digitaler Zwilling gemäß der in [2] vorgeschlagenen Klassifizierung ein System auf der Grundlage spezifischer Zwecke modellieren, um nur einige zu nennen: digitale Zwillingsmodelle für die Überwachung, Diagnose, Vorhersage und Steuerungsautomatisierung. Im ersten Fall liefern die Modelle eine „virtuelle Nachbildung” eines physischen Systems und ermöglichen durch kontinuierliche Überwachung seines Zustands die Identifizierung von Ineffizienzen. Digitale Zwillinge für Diagnosezwecke werden eingesetzt, um Wartungskosten zu senken und die Zuverlässigkeit von Systemen zu verbessern. In ähnlicher Weise können digitale Zwillingsmodelle für Vorhersagen genau vorhersagen, wann eine Komponente ausfallen könnte, und so eine proaktive Wartung ermöglichen.

Digitale Zwillingsmodelle für die Steuerungsautomatisierung ermöglichen effizientere Automatisierungssysteme. Dank Feedback-Sensorsignalen ist Echtzeitüberwachung und -kontrolle mit Anpassung der Systemparameter zur Aufrechterhaltung einer konstanten Leistung möglich. Automation Studio™ fügt sich perfekt in den Bereich der digitalen Zwillinge ein. Die Software ermöglicht die Modellierung, Simulation und umfassende Analyse ganzer Systeme [3, 4, 5, 6] und ermöglicht die Bewertung der Wechselwirkungen zwischen einzelnen Komponenten und den verschiedenen in der realen Maschine eingesetzten Technologien, wie z. B. hydraulischen, elektrischen und pneumatischen Subsystemen usw. Sobald die „virtuelle Nachbildung“ des realen Systems in Automation Studio™ entwickelt ist, kann zudem eine Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) durchgeführt werden. FMEA ist eine systematische und proaktive Methode zur Bewertung eines Produkts oder Prozesses, um mögliche Fehlerquellen zu identifizieren und die relativen Auswirkungen verschiedener Fehlerarten zu bewerten. Der Einsatz von Automation Studio™ vereinfacht die Analyse erheblich, da mehrere Fehlerarten direkt in die Komponenten integriert werden können und automatisierte Leistungsschätzungen unter Fehlerbedingungen möglich sind.

In diesem Beitrag wurde ein vorläufiger digitaler Zwilling eines automatischen Systems mit Hilfe der Simulationssoftware Automation Studio™ entwickelt. Das Modell des Systems fällt in die Kategorie „digitale Zwillingsmodelle für Steuerung und Automatisierung“, da es das Ziel verfolgt, eine „virtuelle Nachbildung“ der Automatisierung zu schaffen. Insbesondere wurde ein SPS-basiertes Steuerungskonzept erstellt, indem die Steuerung verdrahtet und der Kontaktplan-Code so nah wie möglich an der physikalischen Automatisierung geschrieben wurde.
 

2. METHODIK UND WERKZEUGE

Ein entscheidender Schritt bei der Implementierung eines digitalen Zwillings ist die Entwicklung eines „virtuellen Modells“, das die physische Maschine genau widerspiegelt. Aus diesem Grund muss das Modell in einer fortschrittlichen Simulationssoftware entwickelt werden, die die Nachbildung des Verhaltens der Maschinenkomponenten, einschließlich elektrischer, mechanischer und pneumatischer Elemente, ermöglicht. Die Präzision, mit der diese Elemente reproduziert werden, ermöglicht eine detaillierte Bewertung der Maschinenleistung in verschiedenen Betriebsszenarien, die Identifizierung potenzieller Verbesserungsbereiche und das Testen von Änderungen der Betriebsbedingungen ohne Eingriff in die physische Maschine.

Das für die Entwicklung des simulierten Modells verwendete Werkzeug ist Automation Studio™, eine Software von Famic Technologies Inc. die für die Erstellung und Simulation von Multidomänensystemen entwickelt wurde. Automation Studio™ ermöglicht die Erstellung integrierter elektrischer, pneumatischer, hydraulischer und automatisierter Schaltpläne in einer einheitlichen Entwicklungsumgebung. Die Schnittstelle unterstützt die Modellierung komplexer Prozesse durch die Verwendung von Standardkomponentenbibliotheken und gewährleistet so die Einhaltung aktueller Industriestandards. Es kann eine virtuelle Simulation des Betriebs der entworfenen Modelle durchgeführt werden, die Leistungs- und Diagnoseanalysen liefert. Darüber hinaus unterstützt Automation Studio™ die automatische Erstellung technischer Dokumentationen und ist mit den Standards IEC, NEMA und ISO kompatibel, wodurch es sich für die Prozesssteuerung und technische Optimierung eignet. Zusätzlich kann die Software über OPC UA- und TCP/IP-Verbindungen mit anderen Geräten oder Software verbunden werden, was für eine vollständige Implementierung digitaler Zwillinge sehr nützlich ist.

3. VIRTUALISIERUNG UND SIMULATION DES AUTOMATISIERTEN SYSTEMS

Bei dem untersuchten System handelt es sich um eine automatische Bördelanlage mit elektropneumatischen Antrieben und SPS-basierter Steuerung. Die Anlage ist schematisch in Abb. 1 dargestellt und besteht aus vier pneumatischen Antrieben (A, B, C und D) zum Klemmen, Stoppen und Anbringen der Bördelung an einer Rohrseite. Die Bördelung erfolgt in zwei Schritten, wobei der Schaltzylinder D die Position des Zylinders C entlang einer Linearführung antreibt. Das Bedienfeld der automatischen Station ist schematisch in Abb. 1 dargestellt und besteht aus einer SPS, Drucktastern, Kontrollleuchten und einem HMI-Touchpanel. Der automatische Zyklus folgt der Buchstabenfolge A+/B-/C+/C-/D+/C+/C-/A- B+ D-. Derzeit wird die Bewegungsschrittfolge mit Ein-/Aus-Elektroventilen und SPS-basierter Steuerung modelliert. Für zukünftige Entwicklungen sind jedoch proportionale pneumatische Antriebe zur besseren Steuerung der Klemmung und Bördelung des Rohrs vorgesehen.

Abbildung 1 – Darstellung des Anlagenaufbaus

Zunächst wird der Zylinder B ausgefahren, um als Anschlag für das vorrückende Rohr zu dienen. Dann fährt der Zylinder A aus und klemmt das Rohr fest (Schritt 1), woraufhin sich der Zylinder B zurückzieht (Schritt 2). Der Zylinder C fährt zum ersten Mal aus (Schritt 3), um den vorläufigen Bördelvorgang durchzuführen, und zieht sich dann zurück (Schritt 4). Der Zylinder D führt den Werkzeugwechsel durch (Schritt 5) und der Bördelzylinder C führt den zweiten Bördelvorgang durch (Schritt 6) und fährt dann zurück (Schritt 7). Danach fahren die Zylinder A und D zurück und Zylinder B beginnt die Vorwärtsbewegung, um in die Ausgangsposition zurückzukehren (Schritt 8). Im implementierten Kontaktplan werden die Schritte 3, 6 und 4, 7 als zwei Schritte betrachtet, die zweimal im Zyklus ausgeführt werden, anstatt als vier verschiedene Schritte, da sie die Wiederholung derselben Bewegungen sind.

3.1 Pneumatik und Elektrik Schaltpläne

Der Pneumatikkreislauf des Systems wurde dank der großen Auswahl an Komponenten in der allgemeinen Bibliothek von Automation Studio™ modelliert (Abb. 2). Um die Systemmodellierung weiter zu verbessern, konnten aktuelle Herstellerkomponenten verwendet werden, da diese in den umfangreichen Online-Herstellerkatalogen von Automation Studio™ verfügbar sind. Ein weiterer möglicher Ansatz wäre gewesen, die Parameter und Kennlinien der generischen Komponenten anhand der Daten in den Datenblättern der tatsächlich im System verwendeten Komponenten anzupassen.

Abbildung 2 – Pneumatikschaltplan

Der elektrische Schaltplan (Abb. 3) besteht aus einer SPS Siemens SIMATIC S7-1200, die die Bibliothek „Illustrated Components” nutzt, welche eine sehr realistische virtuelle Darstellung der physischen Steuerung S7-1200 bietet. Die Start-, Stopp-, Reset- und Not-Aus-Taster sind mit den entsprechenden Klemmen der digitalen Eingangskarte der SPS verdrahtet. Der Not-Aus-Taster ist aus Sicherheitsgründen als Öffnerkontakt angeschlossen. Zu den Eingängen gehören auch die Endschalter der Aktuatoren, die für die Entwicklung des automatischen Systems unerlässlich sind. Auf der Ausgangsseite befinden sich die Magnete der Wegeventile.

Abbildung 3 – Elektrik Schema

3.2 Kurzer Einblick in den Code des Kontaktplans (Siemens-Kontaktplan)

Die Steuerungslogik wurde in Kontaktplan entwickelt, derselben Sprache, die auch in der realen Maschine verwendet wird. Dieser Ansatz ermöglicht es, den Code in der virtualisierten Umgebung von Automation Studio™ zu testen und anschließend auf das reale System zu übertragen. Darüber hinaus bietet Automation Studio™ Unterstützung für OPC-Konnektivität, wodurch die Integration in das reale System ermöglicht wird. Über diese Verbindung können SPS-Variablen ihren Entsprechungen in Automation Studio™ zugeordnet werden, wodurch ein Datenaustausch zwischen dem virtuellen System und der SPS möglich ist.

Der Kontaktplan-Code wurde mit FC-Unterprogrammen entworfen. Daher umfasst das System einen SPS-Kasten, der alle erstellten Unterprogramme aktiviert. Die Verwendung von Unterprogrammen in der SPS-Programmierung ist nützlich, um bestimmte Funktionen auszuführen, sodass jedes Unterprogramm einzeln auf seine Funktionalität getestet werden kann, was große Vorteile bei der Fehlersuche und Fehlerbehebung im Code bietet. 

Es wurde eine Start/Stopp-Subroutine entwickelt, die für das Starten und Stoppen des Systems zuständig ist. Die Speicher „Start“ und „System_is_running“ wurden zur Überwachung der Startbedingung und des „Laufs“ des Systems implementiert. Außerdem wurde eine Notfall-Subroutine implementiert, die alle notfallbezogenen Funktionen und die Maschinensicherheit verwaltet. Zu diesen Funktionen gehören die Aktivierung der Notfallleuchte und das Auslösen eines Alarms. Im Notfall werden die Aktuatoren durch Deaktivierung der 2/2-Wege-Ventile sofort gestoppt. In ihrer stabilen (deaktivierten) Position blockieren diese Ventile den Durchfluss von Druckluft zu den Aktuatoren. Daher müssen diese Ventile während des normalen Systembetriebs aktiviert bleiben, um den Druckluftstrom zu ermöglichen.

Spezifische Subroutinen wurden entwickelt, um die Kontrollleuchte und die Animation der pneumatischen Betätigungen zu steuern. Auf diese Weise kann der Bediener alle Zustände der Automatisierung erkennen und überwachen und die Bewegungen der Aktuatoren in der HMI visualisieren. Automation Studio™ bietet alle Arten von Sensoren (Reedschalter, Näherungssensoren, Drucksensoren, lineare Wegsensoren, Encoder, Durchflussmesser usw.). Für jeden davon sind boolesche, ganzzahlige oder reelle Datentypen verfügbar, die zur Visualisierung und Überwachung an die HMI gesendet werden können.

Der Hauptalgorithmus der Steuerungslogik ist in Abb. 4a als Unterprogramm dargestellt. Dieses Unterprogramm nutzt die allgemeine Regel der Schritt-Übergangs-Methode: Ein neuer Schritt wird gesetzt, wenn der aktuelle Schritt gesetzt ist und wenn die durch den Übergang festgelegte Bedingung wahr ist. Wenn der neue Schritt gesetzt ist, wird der vorherige Schritt zurückgesetzt.

Im entwickelten Kontaktplan-Code gibt es eine geringfügige Änderung aufgrund der Einbindung der "Loop_memory"-Spule. Da die beiden Bördelvorgänge aus Sicht des Zylinders C identisch sind, wurde diese "Loop_memory"-Spule hinzugefügt, damit die Schritte 3 und 4 der automatischen Sequenz zweimal ausgeführt werden können.

Anschließend wurde in einer weiteren Unterroutine (Abbildung 4b) jeder Schritt des Verfahrens einem SPS-Ausgangsanschluss zugeordnet.
 

Abbildung 4 – Unterprogramme Schritt/Übergang (a) und Aktionen (b)

3.3 HMI für die Systemüberwachung und -steuerung

Die HMI ist in Abb. 5 dargestellt. Dank der HMI- und Bedienfelder aus der Automation Studio™-Bibliothek konnte eine umfassende visuelle Darstellung des Systems erstellt werden. Diese Bibliothek enthält mehrere Komponenten, die die Anforderungen des Systems erfüllen. Eine besonders nützliche Funktion, die zum Einsatz kam, ist die Möglichkeit, Animationen zu Bildern hinzuzufügen. Diese Funktion ermöglichte die Erstellung von Animationen für die Zylinderstangen, die Rohrbewegungen und andere dynamische Elemente des Systems. Wie in Abb. 5 dargestellt, kann der Bediener über die HMI die Anzahl der zu bördelnden Rohre eingeben und den Status des Systems sowie die Anzahl der bereits gebördelten Rohre kontinuierlich überwachen. Wenn sich das System im Ausgangszustand befindet, befinden sich alle Aktuatoren in der vollständig eingefahrenen Position, mit Ausnahme von Zylinder B, der vollständig ausgefahren ist, und die Anzeigeleuchte „System bereit“ leuchtet.

Abbildung 5 – Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) und Ausgangszustand des automatischen Systems

Beim Systemstart führen alle Aktuatoren den Zyklus gemäß der oben beschriebenen Reihenfolge aus. Die HMI in Abb. 6 zeigt das automatische System während der vorläufigen Bördelbearbeitung am Rohr. Danach fährt Zylinder D aus, um das Bördelwerkzeug zu wechseln, und Zylinder C führt die endgültige Bördelbearbeitung durch (Abb. 7).

Abbildung 6 – Vorläufige Bördeloperation

Abbildung 7 – Finale Bördeloperation

Anschließend kehrt das System in seinen Ausgangszustand zurück, der Zähler für gebördelte Rohre wird um eins erhöht und das System ist wieder bereit für einen neuen Zyklus (Abb. 8).

Abbildung 8 – Letzter Schritt des Zyklus


4. SCHLUSSFOLGERUNGEN

Die Virtualisierung eines automatischen Systems wurde in diesem Beitrag als erster Schritt zur Implementierung eines digitalen Zwillings vorgestellt. Die Software Automation Studio™ wurde als umfangreiches und umfassendes Werkzeug zur Entwicklung eines präzisen digitalen Modells der Automatisierung eingesetzt. Als Fallstudie wurde eine automatisierte Bördelstation analysiert und ein SPS-basiertes Steuerungskonzept im digitalen Zwilling erstellt, indem die SPS „virtuell“ verdrahtet und die Kontaktplanlogik genau wie in der physischen Automatisierung geschrieben wurde. Auf diese Weise wurde eine „virtuelle Replik” der automatischen Station und der SPS entwickelt. Die „virtuelle Replik” des automatischen Systems ist nun bereit für die Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) sowie für die Implementierung der OPC-Konnektivität und die Integration in das reale System.

REFERENZEN

[1] A. V. Volosova, P. F. Yurchik, V. B. Golubkova, B. S. Subbotin and A. V. Vasiliev, "Using a Digital Twin in Ultra-Large-Scale System," 2023 Intelligent Technologies and Electronic Devices in Vehicle and Road Transport Complex (TIRVED), Moscow, Russian Federation, 2023, pp. 1-5, doi: 10.1109/TIRVED58506.2023.10332708

[2] R. Rayhana, L. Bai, G. Xiao, M. Liao and Z. Liu, "Digital Twin Models: Functions, Challenges, and Industry Applications," in IEEE Journal of Radio Frequency Identification, vol. 8, pp. 282-321, 2024, doi: 10.1109/JRFID.2024.338799

[3] A.P. Moreira, H.A. Lepikson, L. Schnitman, and G.L. Bezerra Ramalho, “Designing a new artificial lift method using computational simulation and evolutionary optimization, IEEE Access, 8, 2019, doi: 10.1109/ACCESS.2019.2938992

[4] N. Hodzic, E. Ekinovic  and M. Redzic, “The application of software automation studio in design and work simulation of hydraulic systems,'' Proc. 18th Int. Res./Expert Conf., Budapest, Hungary, 2014, pp. 357_36.

[5] R. B. Pandhare and R. M. Metkar, “Design of semi-automatic hydraulic broaching machine - A review,'' Int. J. Eng. Res. Technol., 5 (2), pp. 1-6, 2017

[6] C. He, G. Jingnan, and S. Guangbin, “Application of automation studio in hydraulic system design,'' Mach. Tool Hydraul., 18, pp. 53-55, 2010