DE202014104791U1

DE202014104791U1 - Simulator für eine Blasformanlage

Info

Publication number: DE202014104791U1
Application number: DE202014104791.3U
Authority: DE
Original assignee: Kautex Maschinenbau GmbH
Current assignee: Kautex Maschinenbau System De GmbH
Priority date: 2013-10-10
Filing date: 2014-10-07
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2024-10-08

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Simulator umfassend – ein Steuerungssystem für eine real existierende Blasformanlage mit einer Bedieneinheit, einer Anlagensteuerungssoftware sowie mindestens einer I/O-Schnittstelle, – eine computersimulierte virtuelle Blasformanlage umfassend ein Verhaltensmodul, ein Visualisierungsmodul und eine Anzeigeeinheit zur Visualisierung der virtuellen Blasformanlage – sowie eine Verbindung zwischen der virtuellen Blasformanlage und dem Steuerungssystem über die mindestens eine I/O-Schnittstelle.

Description

Die Erfindung betrifft einen Simulator.
Im Zusammenhang mit der Simulation spricht man von dem zu simulierenden System und von einem Simulator als Implementierung des Simulationsmodells, das die Struktur, die Funktion und das Verhalten des zu simulierenden Systems abbildet. Bekannte Felder für den Einsatz von Simulatoren sind typischer Weise Strömungs-, Verkehrs-, Wetter- und Klimasimulationen.
Auf Grund des steigenden Wettbewerbs sind Anlagenbauer von Blasformanlagen gezwungen, Einsparpotenziale im Produktlebenszyklus aufzudecken. Bis jetzt ungenutzte Einsparpotenziale liegen dabei in der Phase der Inbetriebnahme einer Blasformanlage. Deren Dauer kann auf Grund des hohen Risikos der Funktionsüberprüfung der Anlagensteuerungssoftware des Steuerungssystems nur schwer eingeschätzt werden, da der Zusammenschluss der Blasformanlage und der Anlagensteuerungssoftware in diesem Zeitraum zum ersten Mal stattfindet. Hierbei können Fehler auftreten, die eine (Re-)Programmierung der Anlagensteuerungssoftware nach sich ziehen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Simulator bereitzustellen, mit dem die Zeit der Inbetriebnahme der realen Blasformanlage verkürzt, die Risken von Fehlern in dem Steuerungssystem der Blasformanlage reduziert werden und mit dem die Bedienung der Blasformanlage überprüft und trainiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Simulator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, einen Simulator für die virtuelle Inbetriebnahme von Blasformanlagen zu schaffen. Der Simulator erlaubt dadurch eine Vorverlagerung von Tests des realen Steuerungssystems der Blasformanlage bereits in der Entwicklungsphase der Anlagensteuerungssoftware, die sonst nur mit der realen zu steuernden Blasformanlage möglich wären. Der Simulator simuliert eine vollständige Blasformanlage, die als Blackbox an das Steuerungssystem anschließbar ist, und dessen Erprobung ermöglicht (siehe 1a).
Die durch vorverlagerte Tests frühzeitige Kontrolle hilft rechtzeitig Planungs- oder Programmierfehler aufzudecken und diese ohne den zeitlichen Druck der realen Inbetriebnahme im Vorfeld zu beheben und deren Lösung zu dokumentieren. Mit dem Simulator lassen ich darüber hinaus Optimierungen von verfahrenstechnischen Abläufen der Blasformanlage in Bezug auf deren zeitliche und logische Abfolgen, Schulungen von Bedienpersonal und Präsentationen einer real zu liefernden Anlage beim Kunden durchführen.
Durch den Simulator lassen sich die Kosten für ein Bedienungstraining der komplexen, realen Blasformanlagen erheblich reduzieren, ohne auf das originalgetreue, für die Blasformanlage bestimmte Steuerungssystem zu verzichten. Im Rahmen von Schulungen kann auf die virtuelle Blasformanlage zur Verdeutlichung von Einstellungsparametern zurück gegriffen werden. Die innerhalb der Schulung vermittelten Inhalte können direkt mit dem Bedienpersonal überprüft und der Lernerfolg bestätigt werden. Bisher konnte das Bedienpersonal erst vor Ort in der Produktion der realen Blasformanlage das vermittelte Wissen überprüfen. Abgesehen von der direkten Lernkontrolle werden mit Nutzung des Simulators Ressourcen in Form von elektrischer Energie und Kunststoffgranulat eingespart, die für den Test der Einstellungen bei Schulungen ansonsten verbraucht werden. Zusätzlich entstehen für das Training an einer realen Blasformanlage Kosten für Personal, Verschleiß und Materialaufbereitung. Der Durchsatz einer solchen Blasformanlage liegt bei bis zu einer Tonne Kunststoffgranulat in der Stunde mit erheblicher elektrischer Heizleistung. Für den Betrieb einer solchen Anlage muss zusätzlich eine Vorheizzeit von 18 Stunden und das An- und Abfahren mit anderen Materialien berücksichtigt werden.
Bei dem Steuerungssystem handelt es sich vorzugsweise um eine softwarebasierte SPS-Steuerung für Blasformanlagen, die mit der computersimulierten, virtuellen Blasformanlage zusammenwirkt. Das Steuerungssystem verfügt über computerbasierte Schnittstellen, so dass ein unmittelbarer Anschluss an die computersimulierte, virtuelle Blasformanlage möglich ist.
Sofern das Steuerungssystem softwarebasiert ausgeführt ist, kann der gesamte Simulator innerhalb einer echtzeitfähigen Software auf einem Personal Computer abgearbeitet werden. Im Gegensatz zur Hardwareimplementation stehen bereits viele I/O Schnittstellen als Softwareschnittstellen zur Weitergabe der Signale zur Blasformanlage zur Verfügung. Insbesondere entfällt die Notwendigkeit, Schnittstellenmodule zur Anbindung der Blasformanlage an das Steuerungssystem zu entwickeln. Das Steuerungssystem umfasst eine Bedieneinheit, die der Ein- und Ausgabe der Steuerungsbefehle dient.
Die virtuelle Blasformanlage weist ein Verhaltensmodul und ein Visualisierungsmodul auf, mit dessen Hilfe die virtuelle Blasformanlage auf der Anzeigeeinheit visualisiert wird. Die computersimulierte virtuelle Blasformanlage umfasst ein Verhaltensmodul und ein Visualisierungsmodul und eine Anzeigeeinheit zur Visualisierung der virtuellen Blasformanlage. Das Verhaltensmodul der virtuellen Blasformanlage enthält Parameter, die die zu simulierende, reale Blasformanlage beschreiben, insbesondere die Struktur, Funktion und deren Verhalten; es ersetzt die gesamte Blasformanlage in ihrer Mechanik und Elektronik. Beide Module können auf einem Rechner während der Simulationslaufzeit gleichzeitig ausgeführt werden, aber auch zwecks Rechenlastaufteilung auf getrennten Rechner-Systemen.
Funktionen der virtuellen Blasformanlage werden in dem Verhaltensmodul in einer der folgenden Gruppen abgelegt:

– Basis
– Maschinenfunktionen
– Sicherheit
– Kinematik
– Bedienen und Beobachten
– I/O

Innerhalb dieser Gruppen bilden sogenannte Komponenten die abgrenzbaren Funktionseinheiten mit allen ihren Schnittstellen ab. Bei einer Komponente kann es sich zum einen um eine abgrenzbare, auch wiederkehrende Funktion der realen Blasformanlage oder auch um Hilfsfunktionen handeln, die für die virtuelle Abbildung des Prozesses oder der 3D-Darstellung nötig sind. Komponenten erzeugen bzw. verarbeiten Informationen im Verhaltensmodul; die Komponenten verarbeiten und erzeugen jedoch nicht nur Signale zum Datenaustausch mit dem Steuerungssystem, sondern auch interne Signale, die die physikalischen Abhängigkeiten der Maschinenfunktionen, die Einbindung eines Materialmodells oder die Positionserzeugung für die 3D-Visualisierung ermöglichen.
Beispiele für Komponenten sind:

– Artikelgreifer
– Schließeinheit
– Schlauchentnahmegreifer
– Extruder
– Formteilbewegung
– Höhenverstellung
– Materialdarstellung
– Kinematik.

Eine computersimulierte Blasformanlage wird beispielsweise über 30 Komponenten definiert.
Das in bevorzugter Ausführungsform in den Simulator implementierte Materialmodell beschreibt den verfahrenstechnischen Zusammenhang zwischen den Eingangsgrößen der Schmelzeaufbereitung und -verarbeitung. Die Eingangsgrößen sind insbesondere die Temperatur der einzelnen Heizzonen und die Drehzahl des Extruders. Die Ausgangsgrößen sind insbesondere der Massedruck, die Massetemperatur und die Förderleistung der Schmelze.
Mit Hilfe des Materialmodells können realitätsnahe Umgebungsbedingungen für die virtuelle Produktion mit dem Simulator erzeugt werden, welche insbesondere für eine virtuelle Inbetriebnahme von Bedeutung sind.
Die Verbindung zwischen der virtuellen Blasformanlage und dem Steuerungssystem geschieht über die Ein- und Ausgangsdaten (I/O-Daten) des Steuerungssystems. Im realen Fall sind die elektrischen Einrichtungen der Blasformanlage mit dem Steuerungssystem verdrahtet. Da die Simulation die elektrischen Einrichtungen ersetzt, entsteht eine real-virtuelle Anlagenkonfiguration des Simulators, wie sich aus 1 zu dieser Anmeldung ergibt. Werden sämtliche I/O-Daten korrekt innerhalb der Simulation erzeugt und verarbeitet, ist es möglich, das Steuerungssystem einer realen Blasformanlage unverändert mit der virtuellen Blasformanlage zu verbinden.
Die Anzeigeeinheit des Simulators ist vorzugsweise als Projektor oder als berührungsempfindlicher Bildschirm ausgestaltet. Die Darstellung der Blasformanlage ist interaktiv und stellt den extrudierten Schlauch sowie bei erfolgreicher Produktion auch einen daraus hergestellten Artikel dar. Im Gegensatz zur Realität kann sich der Bediener mit Hilfe eines Zeigegeräts innerhalb der virtuellen Blasformanlage gefahrlos im Schutzbereich bewegen und somit Prozesse beobachten, die sich an der realen Blasformanlage durch das vorhandene Schutzgitter und den Abstand nicht oder nicht richtig beobachten lassen. Des Weiteren erlaubt es das Visualisierungsmodul Teile der Darstellung der Blasformanlage unsichtbar zu schalten um Vorgänge, die an der realen Blasformanlage nicht beobachtet werden können, sichtbar zu machen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1b eine prinzipielle Darstellung des erfindungsgemäßen Simulators, wobei links im Bild die virtuelle Blasformanlage und rechts im Bild das reale Steuerungssystem für die Blasformanlage dargestellt ist.
2 zeigt, dass das Steuerungssystem eine Standard-SPS sowie eine Bedieneinheit (HMI) umfasst. Des Weiteren zeigt 2, dass die virtuelle Blasformanlage ein Verhaltensmodul (M) und ein Visualisierungmodul (V) umfasst. An die virtuelle Blasformanlage ist eine Interaktionsvorrichtung zur Visualisierung und Bedienung der an der Blasformanlage angebrachten Bedienelemente, wie beispielsweise Schalter, angeschlossen. Die Interaktionsvorrichtung ist als Interaktions-Bildschirm (Touchpanel) ausgeführt.
Die Bedieneinheit (HMI) kann als berührungsempfindliche Anzeigeeinheit mit einem Anlagebedienpult ausgeführt sein.
Über eine Datenverbindung tauschen die virtuelle Blasformanlage und das Steuerungssystem Steuersignale von dem Steuerungssystem an die virtuelle Blasformanlage sowie Rückmeldungen von der Blasformanlage an das Steuerungssystem aus.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Steuerungssystem einen berührungsempfindlichen Bildschirm umfasst. Das Anlagenbedienpult ist an das computerbasierte Steuerungssystem angeschlossen, damit eine realistische Anlagenbedienung durchgeführt werden kann.
Die Anzeigeeinheit zur Visualisierung der virtuellen Blasformanlage weist einen Projektor auf, mit dessen Hilfe das 3D-Modell der virtuellen Blasformanlage an eine Leinwand projiziert werden kann. Die virtuelle Blasformanlage verfügt darüber hinaus über eine Schnittstelle, an die eine vor der Projektionswand stehende Interaktionsvorrichtung zur Bedienung von Bedienungselementen, die unmittelbar an der computersimulierten Blasformanlage angebracht sind, angeschlossen ist. Die Interaktionsvorrichtung ist als Interaktions-Bildschirm (Touchpanel) ausgeführt.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Simulators, bei dem das Steuerungssystem einen berührungsempfindlichen Bildschirm umfasst. Das Anlagenbedienpult ist an das computerbasierte Steuerungssystem angeschlossen, damit eine realistische Anlagenbedienung durchgeführt werden kann.
Die Anzeigeeinheit zur Visualisierung der virtuellen Blasformanlage umfasst einen Flachbildschirm.
Sämtliche Komponenten des Simulators sind auf einem Fahrgestell angeordnet, so dass der Simulator eine mobile Einheit bildet.

Claims

Die Erfindung betrifft einen Simulator umfassend – ein Steuerungssystem für eine real existierende Blasformanlage mit einer Bedieneinheit, einer Anlagensteuerungssoftware sowie mindestens einer I/O-Schnittstelle, – eine computersimulierte virtuelle Blasformanlage umfassend ein Verhaltensmodul, ein Visualisierungsmodul und eine Anzeigeeinheit zur Visualisierung der virtuellen Blasformanlage – sowie eine Verbindung zwischen der virtuellen Blasformanlage und dem Steuerungssystem über die mindestens eine I/O-Schnittstelle.
Simulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungssystem softwarebasiert ausgeführt ist.
Simulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungssystem als Bedieneinheit ein Bedienpult der real existierenden Blasformanlage aufweist.
Simulator nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigeeinheit als berührungsempfindlicher Bildschirm ausgeführt ist.
Simulator nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigeeinheit einen Projektor zur Projektion der virtuellen Blasformanlage aufweist.
Simulator nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die virtuelle Blasformanlage über eine Schnittstelle mit einer Interaktionseinrichtung zur Bedienung von Bedienungselementen, die unmittelbar an der computersimulierten Blasformanlage angebracht sind, verbunden ist.
Simulator nach Anspruch 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Interaktionseinrichtung als Teilbereich des berührungsempfindlichen Bildschirms ausgestaltet ist.
Simulator nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhaltensmodul der virtuellen Blasformanlage derart eingerichtet ist, dass es mechanische und elektronische Komponenten der virtuellen Blasformanlage und deren Funktion und Verhalten beschreibt.
Simulator nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass das Visualisierungsmodul der virtuellen Blasformanlage derart eingerichtet ist, dass es eine Darstellung, insbesondere eine 3D-Darstellung der durch das Verhaltensmodul beschriebenen Blasformmaschine erzeugt.
Simulator nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass die virtuelle Blasformanlage ein Materialmodell umfasst, das derart eingerichtet ist, dass es den verfahrenstechnischen Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgangsgrößen der Schmelzeverarbeitung der simulierten Blasformanlage beschreibt.