Machen Sie das Beste aus Ihrer Maschine: Einsatz der Virtuellen Inbetriebnahme zur Reduzierung von Zykluszeiten ohne Hardware-Upgrades

Fallstudie:
Machen Sie das Beste aus Ihrer Maschine: Einsatz der Virtuellen Inbetriebnahme zur Reduzierung von Zykluszeiten ohne Hardware-Upgrades

Herausforderung
Um die Leistungsanforderungen für eine neue Spritzgießmaschine zu erfüllen, sahen sich die Ingenieure von Niigon Machines Ltd. mit kostenintensiven Upgrade-Optionen konfrontiert. Die Maschine, die bereits beim Endkunden in Betrieb war, musste eine niedrigere Zykluszeit erreichen. Die traditionellen Ansätze von Niigon würden eine größere, kostspielige Aufrüstung des mechanischen Systems erfordern und einen erheblichen Teil der Maschinenstillstandszeit für die Installation beanspruchen.

Lösung
Um übermäßige Hardwarekosten und Maschinenstillstandszeiten zu vermeiden, ging Niigon eine Partnerschaft mit Maplesoft ein, um einen virtuellen Inbetriebnahmeansatz zu verfolgen. Zur Reduzierung der Maschinenzykluszeit erstellten die Maplesoft-Ingenieure ein dynamisches Modell der Maschine, das als leistungsstarke Testplattform für die Optimierung des Maschinensteuerungscodes dienen konnte. Durch die Verwendung eines digitalen Zwillings der Maschine war das Steuerungsteam in der Lage, eine optimierte Lösung zu entwickeln, zu verfeinern und zu testen. Sie waren in der Lage, innerhalb der bestehenden Anforderungen zu bleiben, ohne zusätzliche Kosten oder Maschinenstillstand zu verursachen.

Ergebnis
Die Spritzgießmaschine erfüllt nun alle Anforderungen und Spezifikationen des Kunden mit einem um über 25 % gesteigerten Durchsatz auf der exakt gleichen Hardware. Die virtuelle Inbetriebnahme bot Niigon eine neue Möglichkeit, die beste Leistung auf der vorhandenen Hardware zu erreichen, und das zu einem Bruchteil der Kosten für eine mechanische Neukonstruktion. Die Ingenieure bei Niigon setzen nun Techniken der virtuellen Inbetriebnahme ein, um eine neue Generation von Maschinen zu entwickeln, die eine schnellere, besser vorhersagbare Leistung bei deutlich kürzerer Inbetriebnahmezeit erreichen.


In der Automatisierungsbranche sind Geschwindigkeit und Effizienz alles. Ingenieure sind ständig auf der Suche nach neuen Techniken, um die Produktionsgeschwindigkeit zu erhöhen, ohne dabei Abstriche bei der Sicherheit oder Qualität zu machen. Um die Maschinenleistung zu verbessern, suchen viele Ingenieure nach neuen Motoren, Hydrauliken und anderen Komponenten, die anspruchsvolleren Anforderungen standhalten können. Mit dem Aufkommen der virtuellen Inbetriebnahme machen die Ingenieure von Niigon Machines Ltd ihre aktuellen Maschinen schneller, sicherer und effizienter, indem sie simulationsbasierte Konstruktionsprinzipien zur Optimierung ihrer Produkte nutzen.

Als Anbieter von modernen Spritzgießmaschinen liefert Niigon modulare, anpassbare Maschinen, um die Anforderungen eines extrem wettbewerbsintensiven Marktes zu erfüllen. Kürzlich lieferte Niigon eine neue Maschine aus, die zwei Spritzaggregate parallel betreibt und sowohl eine hydraulische als auch eine elektrische Ansteuerung nutzt, um die Formen zusammenzupressen (Abbildung 1). Nach der Auslieferung verlangte der Endkunde einen schnelleren Durchsatz, als es mit der Maschine derzeit möglich war.


Bild 1: Ein vereinfachtes Modell der neuen Spritzgießmaschine von Niigon, die mit zwei parallel laufenden Spritzgießeinheiten arbeitet.


In der aktuellen Konfiguration wurde die Maschinengeschwindigkeit durch unerwünschte Schwingungen begrenzt, die bei höheren Produktionsgeschwindigkeiten auftraten und es notwendig machten, die Maschine langsamer als die Kundenspezifikation zu betreiben. Diese Schwingungen, die auf die mittlere Platte wirken, traten während des Teils des Maschinenzyklus auf, in dem sich die Platten zusammenschließen. Die Ingenieure bei Niigon untersuchten eine Reihe von Optionen, um die Konfiguration der Maschine zu verbessern. Mit den derzeitigen technischen Möglichkeiten würde eine Lösung den Ersatz der hydraulischen Komponenten durch elektrische Gegenstücke erfordern, was mit Kosten für die Hardware, Hunderten von Entwicklungsstunden und erheblichen Verlusten aufgrund von Maschinenstillstand verbunden wäre.

Eine neue Herangehensweise: Virtuelle Inbetriebnahme

Angesichts hoher Kosten und knapper Fristen beschloss Niigon, einen neuen Ansatz zur Maschinenoptimierung in Betracht zu ziehen. Sie schlossen sich mit Maplesoft zusammen, einem führenden Anbieter von Simulations- und virtuellen Inbetriebnahmelösungen, um eine Optimierung ihrer Steuerungsstrategien mit simulationsbasierten Techniken zu untersuchen. Im Erfolgsfall könnte Niigon ihr Problem lösen, indem sie ihre Steuerungen präzise optimierten, um die unerwünschten Schwingungen zu minimieren - ohne neue Hardware.

Um so schnell wie möglich Ergebnisse zu erhalten, nahm Niigon die Dienste von Maplesoft Engineering Solutions in Anspruch, um ein simulationsbasiertes Upgrade der Maschine zu entwickeln und zu implementieren. Die Experten von Maplesoft entwickelten zunächst ein validiertes Maschinenmodell, untersuchten die zugrundeliegenden Ursachen der Schwingungen und nutzten dann das Simulationsmodell als virtuelle Testplattform für die Optimierung der Maschinensteuerungen. Durch die virtuelle Optimierung der Steuerung war Niigon in der Lage, mehrere Strategien zu entwickeln, zu testen und zu optimieren, ohne die physische Maschine offline zu nehmen oder eine Beschädigung der Maschine während des Tests zu riskieren. Sobald eine geeignete Strategie entwickelt war, wurde die physische Maschine aus der Ferne mit der neuen Software aktualisiert.

Entwicklung des Modells

Um das Simulationsmodell - auch als digitaler Zwilling bezeichnet - zu erstellen, stellte Niigon Maplesoft eine Vielzahl von Betriebsdaten der Maschine zur Verfügung, darunter Geschwindigkeits-, Positions- und Drehmomentdaten von verschiedenen Komponenten. Mit MapleSim (Bild 2), dem Modellierungs- und Simulationstool von Maplesoft, wurde ein dynamisches Modell erstellt, das den Betrieb der physischen Maschine nachbildet. Um die erforderliche Genauigkeit zu erreichen, umfasste das Modell Schlüsselkomponenten der physischen Maschine, einschließlich hydraulischer und mechanischer Systeme, die in derselben Mehrdomänenumgebung in MapleSim modelliert wurden.


Abbildung 2: Ein Beispiel für den MapleSim-Arbeitsbereich, der die Modelltopologie für einen Teil der Spritzgießmaschine zeigt.


Durch den Vergleich der physischen Maschinendaten mit den Modellergebnissen erstellten die Ingenieure von Maplesoft ein Simulationsmodell, das die an der physischen Maschine beobachteten Schwingungen genau nachbildete. Mit diesem Modell konnten sie nun die Ursache für die Schwingungen untersuchen und eine Reihe von Strategien simulieren, die diese aus dem Betrieb eliminieren könnten.

Optimierung des Steuercodes

Niigon war nun bereit, ihr Simulationsmodell zu nutzen, um neuen, optimierten Steuerungscode für die Maschine zu entwickeln. Als Kunde von B&R Industrial Automation nutzte Niigon für den Steuerungsentwurf Automation Studio, das MapleSim-Modelle für die virtuelle Inbetriebnahme einfach importieren kann. Das MapleSim-Modell wurde über den B&R MapleSim Connector, mit Automation Studio verbunden, wodurch Niigon die Auswirkungen ihres Steuerungscodes an einem simulationsbasierten Echtzeitmodell simulieren konnte (Bild 3).


Bild 3: Beispiel für die Verbindung zwischen MapleSim (rechts) und der Steuerungssystem-Entwicklungssoftware (links), bestehend aus B&R Automation Studio und der Human-Machine-Interface-Software (HMI) selbst. Die Ingenieure bei Niigon nutzten das Simulationsmodell aus MapleSim als virtuelle Testplattform für Echtzeittests innerhalb von Automation Studio und verwendeten den daraus resultierenden Steuerungscode für den Einsatz in ihrem HMI-System.


Durch das Testen mit einer virtuellen Maschine konnte Niigon unzählige Iterationen von Steuerungsstrategien außerhalb des Standorts und ohne die physische Maschine durchführen. Mit einem Mausklick konnten sie die Reaktion ihrer Maschine auf verschiedene Steuerungsstrategien visualisieren, sowohl in Form von spezifischen Sensordaten als auch in Form von Echtzeit-3D-Visualisierungen ihrer Maschine. Nachdem sie ihre Steuerungsstrategien virtuell optimiert hatten, waren sie bereit für den Einsatz an der physischen Maschine.

Der letzte Schritt: Aktualisierung der Maschine


Bild 4: Die physikalische Spritzgussmaschine, entwickelt von Niigon.


Ausgerüstet mit den vielversprechenden Ergebnissen ihrer modellbasierten Optimierungen waren die Ingenieure von Niigon und Maplesoft bereit, ihre Lösung an der physischen Maschine zu implementieren (Abbildung 4). In einer typischen Inbetriebnahmesituation könnten die Ingenieure Wochen oder Monate brauchen, um sich auf eine geeignete Steuerungskonfiguration zu einigen. Da Niigon ihre Tests jedoch auf der virtuellen Maschine durchführte, benötigten sie weniger als zwei Tage Maschinenstillstand, um die Optimierungen am Maschinenbetrieb zu implementieren.

Nach der Implementierung von zwei wichtigen Optimierungsstrategien gelang es Niigon Machines, die Maschinenzykluszeit um über 25 % zu reduzieren (Abbildung 5) und die Oszillationsprobleme während der Produktion effektiv zu beseitigen. “Wir dachten zunächst, dass dies mit Software unmöglich zu erreichen sei” bemerkte Billy Jiang, ein Steuerungsdesigner für dieses Projekt. “Es war unglaublich, als wir diese Ergebnisse zum ersten Mal erhielten.”


Abbildung 5: Durch die Optimierung des Maschinensteuerungscodes bemerkten die Ingenieure eine deutliche Reduzierung der Schwingungen beim Vergleich des Hydrauliksystems ohne optimierten Regler (grün) und mit der neuen Regelstrategie (rot).


Durch den Einsatz der virtuellen Inbetriebnahme als Automatisierungstechnologie war Niigon in der Lage, eine Maschine zu liefern, die die Leistungsanforderungen des Kunden übertraf, mit weniger Maschinenstillstandszeiten und weniger als 25 % der Kosten von hardwarebasierten Lösungen. Seit der Optimierung der Spritzgießmaschine hat der Endkunde einen zweiten Mitarbeiter an seiner Linie eingesetzt, um mit der erhöhten Produktion Schritt zu halten.

Die Zukunft der virtuellen Inbetriebnahme bei Niigon

“Für mich besteht absolut kein Zweifel. Ohne Simulation werden Sie nie das Beste aus Ihrem mechanischen System herausholen.”

Marc Ricke

Controls Engineering & IT Manager, Niigon Machines Ltd.

Innerhalb weniger Monate wurde die Maschinensimulation von einer kaum in Betracht gezogenen Option zu einem wichtigen Werkzeug für zukünftige technische Entwicklungen bei Niigon. Marc Ricke, ein Steuerungsingenieur bei Niigon, ist von der zusätzlichen Leistung überzeugt, die die Simulation für die gesamte Produktlinie bringen kann. “Für mich ist das ein absolutes Muss. Ohne Simulation werden Sie nie das Beste aus Ihrem mechanischen System herausholen.”

Bei der weiteren Umsetzung der virtuellen Inbetriebnahmeprozesse bei Niigon wird Marc auch weiterhin Maplesoft Engineering Solutions für Beratung, Schulung und Software nutzen. “Die Qualität des Services, den wir erhalten haben, kann nicht unterschätzt werden. In erster Linie waren sie immer darauf bedacht, uns zu helfen, unsere Probleme so schnell wie möglich anzugehen und zu lösen.”

Was kommt als nächstes für Niigon? Während sie nicht genau sagen können, was in der Entwicklung ist, ist Marc zuversichtlich, dass die Simulation ihnen einen starken Wettbewerbsvorteil in ihren zukünftigen Produkten verschaffen wird. Er glaubt, dass die Kunden in Zukunft die Vorteile der simulationsbasierten Maschinenentwicklung nachfragen werden.

“Am Anfang wurde die CAD-Modellierung als unnötig angesehen, und einige Leute glaubten, sie kämen ohne sie aus. Heutzutage würde man nicht einmal mehr über die Notwendigkeit der CAD-Modellierung diskutieren. Wir hoffen, dass die Leute hier in zwei Jahren die Simulation genauso sehen.”

Kontaktieren Sie Maplesoft, um zu erfahren, wie MapleSim bei Ihren Projekten angewandt werden kann.