Beschreibung

System und Verfahren zur Erzeugung eines Verhaltensmodells zur Simulation eines Automatisierungssystems

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Erzeugung eines Verhaltensmodells zur Simulation eines Automatisierungssystems. Ein derartiges System kommt insbesondere bei der Planung und der Projektierung von Systemen für die Fertigungs- und/oder Prozessautomatisierung zum Einsatz.

Fertigungstechnische Anlagen sind heute sehr komplex und zu einem hohen Grad automatisiert. Die zur Steuerung der Komponenten dieser Anlagen benötigte Steuerungssoftware weist e- benfalls eine erhebliche Komplexität auf. Für eine reibungslose Inbetriebnahme eines automatisierungstechnischen Systems ist es daher wünschenswert, dass die Steuerungssoftware bereits vor der Inbetriebnahme eines Automatisierungssystems getestet werden kann. Für diesen Zweck werden verstärkt Simu- lationen der Automatisierungsanlage im Vorfeld durchgeführt.

Derartige Simulationen können bereits durchgeführt werden, wenn die in Hardware ausgeführten Komponenten des Automatisierungssystems noch gar nicht vorhanden sind. In diesem Fall wird ein Rechner eingesetzt, um das Verhalten der Anlagenkomponenten nachzubilden. Ziel dieser Nachbildung ist es, das zu simulierende Steuerungsprogramm mit sinnvollen Eingangssignalen zu belegen, die in Abhängigkeit der vom Steuerungsprogramm generierten Ausgangssignale erzeugt werden.

Für eine in Automatisierungssystemen in der Regel eingesetzte speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ist die Umwelt nur in Form von Eingangssignalen sichtbar, die in Abhängigkeit des implementierten Steuerungscodes mit entsprechenden Ausgangs- Signalen beantwortet werden. In einer realen Anlage erhält das Steuerungsprogramm seine Eingangswerte von Sensoren und liefert die Ausgangssignale an Aktoren des Automatisierungssystems. In einer Simulation muss dieses Verhalten der Senso-

ren und Aktoren durch ein geeignetes Verhaltensmodell nachgebildet werden.

Ein geeignetes Verhaltensmodell zu erstellen ist nicht trivi- al, da neben dem Zeitverhalten der Sensoren und Aktoren des nachzubildenden Automatisierungssystems auch der Einfluss des Materialflusses innerhalb der Automatisierungsanlage auf die Sensor- und Aktorsignale berücksichtigt werden muss.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einem Benutzer die Erstellung eines zur Simulation eines Automatisierungssystems geeigneten Verhaltensmodells zu erleichtern, wobei eine möglichst hohe Genauigkeit der mit dem Verhaltensmodell erzielbaren Simulationsergebnisse angestrebt wird.

Diese Aufgabe wird durch ein System zur Erzeugung eines Verhaltensmodells zur Simulation eines Automatisierungssystems gelöst mit

- einer CAD Anwendung zur Erstellung einer CAD Zeichnung des Automatisierungssystems, ersten Mittel zur Definition eines Interaktionsbereiches für mindestens eine Komponente des Automatisierungssystems anhand der CAD Zeichnung, wobei der Interaktionsbereich die geometrischen Grenzen festlegt, innerhalb derer die zugehörige Komponente sensorisch oder aktorisch wirksam ist, zweiten Mitteln zur Definition mindestens eines Werkstückquellenbereiches in der CAD Zeichnung, innerhalb dessen ein Entstehen neuer vom Automatisierungssystem zu bearbei- tenden Werkstücke simuliert werden soll, dritten Mittel zur Definition der Abmaße der neuen Werkstücke,

- vierten Mittel zur Definition mindestens eines Werkstücksenkenbereiches in der CAD Zeichnung, innerhalb dessen ein Entfernen der Werkstücke simuliert werden soll, fünften Mittel zur Erzeugung des Verhaltensmodells des Automatisierungssystems durch Verknüpfung des Interaktionsbereiches und der Abmaße der neuen Werkstücke derart, dass

bei der Simulation des Automatisierungssystems ein im Werkstückquellenbereich erzeugtes und im Werkstücksenkenbereich entferntes Werkstück bei einem Eintritt in den Interaktionsbereich automatisch die Simulation der sensori- sehen oder aktorischen Wirkung der dem Interaktionsbereich zugehörigen Komponente auslöst.

Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Erzeugung eines Verhaltensmodells zur Simulation eines Automatisierungs- Systems gelöst mit folgenden Verfahrenschritten:

Erstellung einer CAD Zeichnung des Automatisierungssystems in einer CAD Anwendung,

Definition eines Interaktionsbereiches für mindestens eine Komponente des Automatisierungssystems anhand der CAD Zeichnung, wobei der Interaktionsbereich die geometrischen Grenzen festlegt, innerhalb derer die zugehörige Komponente sensorisch oder aktorisch wirksam ist, Definition mindestens eines Werkstückquellenbereiches in der CAD Zeichnung, innerhalb dessen ein Entstehen neuer vom Automatisierungssystem zu bearbeitenden Werkstücke simuliert werden soll,

Definition der Abmaße der neuen Werkstücke, Definition mindestens eines Werkstücksenkenbereiches in der CAD Zeichnung, innerhalb dessen ein Entfernen der Werkstücke simuliert werden soll,

Erzeugung des Verhaltensmodells des Automatisierungssystems durch Verknüpfung des Interaktionsbereiches und der Abmaße der neuen Werkstücke derart, dass bei der Simulation des Automatisierungssystems ein im Werkstückquellenbe- reich erzeugtes und im Werkstücksenkenbereich entferntes Werkstück bei einem Eintritt in den Interaktionsbereich automatisch die Simulation der sensorischen oder aktorischen Wirkung der dem Interaktionsbereich zugehörigen Komponente auslöst.

Das erfindungsgemäße System ermöglicht es, im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Systemen zur Erzeugung von Verhaltensmodellen, Sensorsignale nicht nur in Abhängig-

keit vordefinierter Zeitintervalle zu generieren, sondern im Automatisierungssystem vorhandene beispielsweise auf den Ma- terialfluss zurückzuführende Ereignisse als Ursache für ein Sensorsignal zu berücksichtigen. Durch die Erfindung wird darüber hinaus eine höchstmögliche Datenkonsistenz erreicht, da die beim Entwurf des Automatisierungssystems erzeugten CAD Daten auch für die Erstellung des Verhaltensmodells verwendet werden.

So wird der Interaktionsbereich, in dem eine Komponente des Automatisierungssystems sensorisch oder aktorisch wirksam ist, direkt in einer CAD Zeichnung des Automatisierungssystems definiert. Für eine als Aktor ausgeführte Komponente gibt der Interaktionsbereich die geometrischen Grenzen an, innerhalb derer der Aktor wirken kann. Der Interaktionsbereich beschreibt also die geometrischen Abmaße, in denen der Aktor beispielsweise auf ein Werkstück zugreifen kann, um dessen Position oder Ausrichtung zu verändern oder die Gestalt des Werkstücks durch Montagevorgänge oder materialbear- beitende Prozesse zu modifizieren.

Ist hingegen die Komponente als Sensor ausgeführt, so beschreibt der Interaktionsbereich dass vom Sensor erfasste Volumen. Sobald ein Werkstück in diesen besagten Interaktions- bereich eintritt, kann der Sensor ein entsprechendes Eingangssignal für das zu testende Steuerungsprogramm generieren.

Der Interaktionsbereich kann direkt in der CAD Zeichnung des Automatisierungssystems definiert werden. Dies ist sehr vorteilhaft, da die CAD Zeichnung die Abmaße des Automatisierungssystems beschreibt und daher eine geeignete Grundlage zur Definition derartiger Grenzen darstellt.

Der Materialfluss innerhalb der Anlage wird dadurch simuliert, dass Werkstückquellen definiert werden können, die die Erzeugung neuer Werkstücke nachbilden, und Werkstücksenken,

an denen die neu erzeugten Werkstücke schließlich wieder aus dem Automatisierungssystem entfernt werden können.

Das System stellt dem Anwender darüber hinaus die Möglichkeit zur Verfügung, die Abmaße der von den Werkstückquellen generierten Werkstücke zu definieren. Für die Verhaltenssimulation müssen diese Abmaße bekannt sein, da anhand der Abmaße und der geometrischen Ausmaße des Interaktionsbereiches festgestellt werden kann, ob bzw. wann sich ein Werkstück in dem Interaktionsbereich eines Sensors oder Aktors befindet.

Sobald sich die Abmaße des Werkstücks in dem Erfassungsbereich eines Sensors oder dem Wirkbereich eines Aktors befinden, wird ein dem Sensor bzw. Aktor zugehöriger Programmcode gestartet, der die entsprechende Funktionalität der Komponente nachbildet. Auf diese Art und Weise können Eingangs- bzw. Ausgangssignale ereignisgesteuert innerhalb der Verhaltenssimulation nachgebildet werden. Komplexe Automatisierungssysteme können daher mit einem derartigen System sehr viel einfa- eher und auch genauer nachgebildet werden, als dies mit herkömmlichen Verhaltenssimulationen gelingt, bei denen Sensor- und Aktorsignale lediglich zeitabhängig nachgebildet werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter- ansprüchen beschrieben und werden im Folgenden erörtert.

Eine hohe Konsistenz zwischen den bei der Planung verwendeten CAD Daten und der für die Simulation verwendeten Daten wird in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung dadurch erzielt, dass die dritten Mittel zur Extraktion der Abmaße aus weiteren CAD Zeichnung der Werkstücke, insbesondere aus in den weiteren CAD Zeichnungen definierten Hüllboxen der Werkstücke ausgebildet sind. Bei einer derartigen Ausführungsform werden nicht nur die Interaktionsbereiche aus einer CAD Anwendung importiert sondern zusätzlich auch die geometrischen Abmaße der Werkstücke.

Alternativ hierzu kennzeichnet sich eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung dadurch, dass die dritten Mittel zur automatischen Definition der Abmaße der neuen Werkstücke in Abhängigkeit von in der CAD Zeichnung des Automati- sierungssystems definierten Abmaße des Werkstückquellenbereiches ausgebildet sind. Hierbei werden die Abmaße der neuen Werkstücke, die von einer Werkstückquelle generiert werden, automatische dadurch festgelegt, dass der Anwender innerhalb der CAD Zeichnung des Automatisierungssystems die geometri- sehen Abmaße des Werkstückquellenbereiches festlegt. Beispielsweise können die Abmaße exakt den vom Anwender definierten Abmessungen besagten Werkstückquellenbereiches entsprechen .

Die Verwendung von Werkstückquellen und Werkstücksenken innerhalb der Simulation macht die Nachbildung eines Aktors besonders einfach, der eine Veränderung der Werkstückgestalt vornimmt. Entsprechend weist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung das System sechste Mittel zur Nachbildung eines die Gestalt eines Werkstücks verändernden Aktors durch eine Kombination aus einem Werkstücksenkenbereich und einem Werkstückquellenbereich auf. Beispielsweise kann ein Aktor, der an einem Werkstück einen spanenden Prozess vornimmt, dadurch nachgebildet werden, dass ein Rohling zunächst in einen Werk- stücksenkenbereich verschwindet und das Resultat des Zerspanungsprozesses schließlich in einem auf den Senkenbereich folgenden Werkstückquellenbereich entsteht.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das System eine Bibliothek zum Speichern von Teilmodellen des Automatisierungssystems auf, die jeweils das Zusammenwirken einiger der Komponenten des Automatisierungssystems nachbilden, wobei das System siebte Mittel zur Erstellung des Verhaltensmodells durch Verschalten der Teilmodelle aufweist. Auf diese Art und Weise ist es möglich, beispielsweise schon in anderen Simulationen verwendete Verhaltensmodelle, die bereits Teile des zu simulierenden Automatisierungssystems nachbilden, zu einem Gesamtsimulationsmodell zu kombinieren.

Die Schnittstellen dieser einzelnen Teilmodelle werden wiederum durch Werkstücksenken bzw. Werkstückquellen gebildet. Dies geschieht in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung dadurch, dass die siebten Mittel zur Verschaltung der Teilmodelle über als Werkstückquelle oder als Werkstücksenke ausgebildete Schnittstellen eingerichtet sind.

Eine übersichtliche Datenhaltung zu den zu simulierenden Komponenten des Automatisierungssystems wird in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung dadurch ermöglicht, dass das System achte Mittel zur Zuordnung jeweils eines Ressourcenobjektes zu Komponenten des Automatisierungssystems und zu vom Automatisierungssystem zu bearbeitenden Werkstücken umfasst, wobei jedem Ressourcenobjekt ein die zugehörige Komponente bzw. das zugehörige Werkstück als Aktor, Sensor oder Werkstück kennzeichnender Parameter zugeordnet werden kann.

Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn in weiterer vorteilhafter Ausführung der Erfindung das System neunte Mittel zur Zuordnung eines Parameters zu jedem einem Werkstück zugeordneten Ressourcenobjekt aufweist, wobei der Parameter eine Werkstückquelle und/oder eine Werkstücksenke für das besagte Werkstück kennzeichnet. Auf diese Art und Weise kann ein Anwender des Systems festlegen, welche Werkstückquelle das einem Ressourcenobjekt zugeordnete Werkstück erzeugt bzw. in welcher Werkstücksenke besagtes Werkstück innerhalb des Automatisierungssystems entwendet werden soll.

Eine ähnliche Funktionalität kann in einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch erzielt werden, dass das System zehnte Mittel zur Zuordnung eines Parameters zu jedem einer Werkstückquelle und zu jedem einer Werkstücksenke zugeordneten Ressourcenobjekt aufweist, wobei der Parameter den jeweiligen Werkstückquellen bzw. Werkstücksenken jeweils mindestens ein Werkstück zuordnet.

In weiterer vorteilhafter Ausführung der Erfindung ist das System als Engineeringsystem ausgebildet. Ein derartiges Engineeringsystem ermöglicht es, die in einer frühen Planungsphase entstehenden CAD Daten auch während der Simulation des geplanten Automatisierungssystems zu verwenden und somit eine höchstmögliche Datenkonsistenz in der Planungsphase zu ermöglichen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in der Figur dar- stellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert.

Die Figur zeigt eine CAD Zeichnung 1 eines Automatisierungssystems, die in ein Engineeringsystem importiert wird, um ein Verhaltensmodell für eine Simulation des Automatisierungssystems zu generieren. Da es an dieser Stelle nur um die Erläuterung des Prinzips der Anmeldung gehen soll, ist hier ein sehr einfaches Automatisierungssystem gezeigt, dass lediglich aus einem Förderband 8 besteht, auf dem Werkstücke 5 trans- portiert werden, die von einem Sensor 6 erfasst werden und von einem Aktor 7 in irgend einer Weise bearbeitet werden. Die Geometrie des Förderbandes 8, des Sensors 6 und des Aktors 7 wurde bereits in einer CAD Anwendung im Vorfeld definiert. Anschließend wurde die CAD Daten in ein Engineering- System importiert.

Innerhalb des Engineeringsystems können nun Interaktionsbereiche 2,3,4 für die Sensoren 6 und Aktoren 7 des Automatisierungssystems definiert werden. Es ergibt sich ein erster Interaktionsbereich 3, der den Wirkbereich des Förderbandes 8 festlegt. Er beschreibt die geometrischen Grenzen, in denen das von einem hier nicht dargestellten Motor angetriebene Förderband 8 eine translatorische Bewegung von Werkstücken 5 bewirkt, die sich in dem Wirkbereich 3 befinden.

Die Werkstücke 5 werden in einem hier ebenfalls nicht dargestellten Werkstückquellenbereich erzeugt. Auch diesen Werkstückquellenbereich legt der Anwender innerhalb der in das

Engineeringsystem importierten CAD Zeichnung 1 fest. Befindet sich nun ein Modell eines Werkstücks 5 im Wirkbereich 3 des Förderbandes 8, so wird dessen Bewegung von links nach rechts mit der Geschwindigkeit des Förderbandes 8 simuliert.

Ebenfalls innerhalb der importierten CAD Zeichnung 1 wird ein Erfassungsbereich 2 des Sensors 6 definiert. Dieser Erfassungsbereich 2 legt wiederum die geometrischen Grenzen fest, innerhalb derer der Sensor 6 das Vorhandensein von Werkstü- cken 5 detektieren kann. Sobald also das Werkstück 5 in diesen Erfassungsbereich 2 eintritt, wird der Sensor 6 ein binäres Signal an eine Steuerung des Automatisierungssystems aussenden. Das Aussenden dieses Signals wird also ereignisgesteuert initiiert. Ein Computerprogrammcode, der das Verhal- ten des Sensors 6 simuliert, wird in der Verhaltenssimulation dann gestartet, wenn eine überlappung der geometrischen Abmaße des Werkstücks 5 und des Erfassungsbereichs 2 detektiert wird.

Beim weiteren Transport des Werkstücks 5 auf dem Förderband 8 tritt das Werkstück schließlich in den Wirkbereich 4 des Aktors 7. Dieser ebenfalls in der importierten CAD Zeichnung 1 definierte Interaktionsbereich bestimmt die geometrischen Grenzen des Volumens, innerhalb dessen der Aktor 7 auf das Werkstück 5 einwirken kann. Auch hier wird der Computerpro- grammcode der das Verhalten des Aktors 7 simuliert, ereignisgesteuert ausgeführt, wenn eine vollständige oder teilweise überlappung der Abmaße des Werkstücks 5 mit dem Wirkbereich 4 des Aktors 7 festgestellt wird.

Aus dem in der CAD Zeichnung 1 projektierten Wirk- bzw. Erfassungsbereichen und der mit ihnen verknüpften Verhaltensweisen wird also ein Verhaltensmodell für ein Simulationssystem erstellt, mit dem das Verhalten des Automatisierungssys- tems bzw. des Steuerungsprogramms, das das Automatisierungssystem steuert, simuliert wird. Diese Erstellung erfolgt automatisch, ohne dass der Benutzer eingreifen muss. Hierbei greift das Simulationssystem auf die geometrischen Informati-

onen aus der CAD Zeichnung 1 zu, um die Interaktionsbereiche 2,3,4 einzulesen. An einer in der Figur nicht dargestellten Werkstückquelle bringt die Simulation neue Werkstücke 5 in die Anlage ein. Die Simulation überprüft automatisch anhand der Position des Werkstücks 5, welche Interaktionsbereiche 2,3,4 aktiv sind und wendet die in Form eines entsprechenden Computerprogrammcodes definierten Aktionen auf das Werkstück 5 bzw. auf das Prozessabbild an. Eine solche Simulation kann nicht nur wie in der Figur dargestellt die Position des Werk- Stücks 5 ändern, sondern auch interne Zustände des Werkstücks 5 wie beispielsweise Gewicht, Seriennummer und ähnliches modifizieren. Diese inneren Zustände können wiederum von Sensoren ausgelesen werden.

Innerhalb des Wirkbereiches 4 des Aktors 7 können auch physikalische Gesetzmäßigkeiten simuliert werden, die der Interaktion des Aktors 7 mit dem Werkstück 5 zugrunde liegen. Hierbei können physikalische Parameter wie Trägheit, Drehmomente, Schlupf und Beschleunigungen bzw. Kollisionen mit ihren Stö- ßen und Bewegungsseinschränkungen für die Werkstücke 5 berücksichtigt werden. Die für diese Berücksichtigung benötigten physikalischen Größen können ebenfalls der CAD Zeichnung 1 des Automatisierungssystems bzw. der Antriebssteuerung entnommen werden, ohne dass der Anwender hierzu eine aufwendige Projektierung durchführen muss. Beispielsweise kann die Wirkung der Gravitation innerhalb der Simulation dadurch berücksichtigt werden, dass ein die komplette Anlage umfassendes Wirkfeld definiert wird, dass den in diesem Wirkfeld vorhandenen Werkstücken die Erdanziehungskraft auferlegt.

Die Erfindung ermöglicht es, ein Steuerungsprogramm mit einer Anlagen- und Materialflusssimulation zu verknüpfen. Hierdurch lassen sich der Steuerungsablauf und die Vollständigkeit der Sensorik und Aktorik verifizieren. Mit relativ einfachen Mit- teln der vorgestellten Methodik kann ein sehr realistisches Verhaltensmodell generiert werden. Dieses Verhaltensmodell geht über eine einfache Bewegungssimulation hinaus. Auf diese Art und Weise können auch Extremsimulationen simuliert wer-

den, wie z.B. ein Stau von Werkstücken vor einer Bearbeitungsstation, ein Anlagenverhalten im Fehlerfall oder ein Ausfall der Sensorik oder der Aktorik. Auf eine aufwendige Modellierung des Verhaltens in Form von Algorithmen kann hierbei verzichtet werden. Vielmehr kann der Anlagenplaner in seiner gewohnten CAD dominierten Umgebung bleiben und dort realistische Verhaltensmodelle generieren.

Hierbei ist eine Nachprogrammierung der Dimensionen und Plat- zierung realer Objekte nicht mehr erforderlich. Es findet auch keine spezifische Aufbereitung der CAD Daten für die Simulation statt. Das System nimmt automatisch die Daten der Objekte des Automatisierungssystems aus der CAD Anwendung. Auf diese Art und Weise werden alle Daten über die Anlage stets in einer einheitlichen Form und Version für alle Anwendungen verwendet. Dadurch ist die Konsistenz und die Synchronisierung der Daten über den gesamten Produktlebenszyklus gewährleistet .