Entwicklungsmethodik für SPS-gesteuerte mechatronische Systeme

Jens Bathelt

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Diss. ETH Nr. 16879 Entwicklungsmethodik für SPS-gesteuerte mechatronische Systeme Abhandlung zur Erlangung des Titels Doktor der Technischen Wissenschaften der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich vorgelegt von Jens Bathelt Dipl. Technomathematiker, Universität Duisburg geboren am 3. Juni 1968 von Dortmund-Hörde, Deutschland Angenommen auf Antrag von Prof. Dr. Konrad Wegener, Referent Prof. Dr. Jürgen Gausemeier, Korreferent 2006

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Extrait

Diss. ETH Nr. 16879
Entwicklungsmethodik
für SPS-gesteuerte mechatronische Systeme
Abhandlung
zur Erlangung des Titels
Doktor der Technischen Wissenschaften
der
Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich
vorgelegt von
Jens Bathelt
Dipl. Technomathematiker, Universität Duisburg
geboren am 3. Juni 1968
von Dortmund-Hörde, Deutschland
Angenommen auf Antrag von
Prof. Dr. Konrad Wegener, Referent
Prof. Dr. Jürgen Gausemeier, Korreferent
2006III
Vorwort
Die vorliegende Dissertation entstand während meiner Zeit als wissenschaftlicher Mitarbei-
ter und Assistent am Zentrum für Produkt-Entwicklung (ZPE) der ETH Zürich.
Für die vielfältige Unterstützung dieser Arbeit durch Professoren, Kollegen, Studenten und
Industriepartner möchte ich mich an dieser Stelle bedanken. Insbesondere hervorzuheben ist
Prof. Markus Meier, der mich als Quereinsteiger mit offenen Armen am ZPE empfangen und
unterstützt hat. Bis zu seinem tragischen Tod im April 2005 hat er mich als Doktorvater betreut
und gefördert, indem er ein inspirierendes Umfeld zwischen Mensch, Industrie und Hochschule
schuf. Prof. Konrad Wegener danke ich für die erreichte Kontinuität am ZPE und meiner For-
schungsprojekte mit der Industrie. Als Erstgutachter hat er durch konstruktive Kritik die vorlie-
genden Arbeit bereichert. Prof. Jürgen Gausemeier danke ich für das Interesse an dieser Arbeit,
sein wertvolles Feedback zur Dissertation und die Übernahme des Korreferats.
Bei meinen Kollegen bedanke ich mich für das freundschaftliche Arbeitsklima und die in-
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 ermöglicht. 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 Jönsson 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 für die Unterstützung bei der ELVAN-Implementation.
Der Kommission für Technologie und Innovation (KTI) gebührt der Dank für die finanzielle
Unterstützung meines Forschungsprojektes EVA (Early Virtual mAchine). Die teilnehmenden
Industriepartner haben im Rahmen eines offenen, freundschaftlichen und konstruktiven Klimas
Praxisbeispiele, Wissen und Erfahrungen aus der Praxis, Steuerungshardware und Entwurfs-
software zur Verfügung gestellt: Erwin Pfister + Heinz Studer (Rieter), Urs Müller + Marc
Mouthon (Gritec), Hansruedi Wipf + Martin Triet (Brütsch) und Dr. Stefan Dierssen + Jens By-
land (Intelliact). Auch ausserhalb des EVA-Projekts wurde meine Forschung durch die Indu-
strie unterstützt. In unkomplizierter Art und Weise bekam ich wertvolle Industriekontakte sowie
Hard- und Software von Hans Menzi (SIEMENS). Jürgen Mewes (Mewes & Partner) danke ich
für die bereitgestellte Simulationssoftware.
Zürich, im Oktober 2006 Jens BatheltIV
„Der Weg ist das Ziel.“
Konfuzius (551 v.Chr. - 479 v.Chr.)V
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis ....................................................................................................... VII
Zusammenfassung .................................................................................................................IX
Abstract ..................................................................................................................................XI
1 Einführung .......................................................................................................................... 1
1.1 Problemstellung ............................................................................................................ 1
1.2 Zielsetzung und Anforderungen ................................................................................... 5
1.3 Aufbau der Arbeit ......................................................................................................... 6
2 Stand der Technik .............................................................................................................. 7
2.1 SPS-gesteuerte mechatronische Systeme ...................................................................... 7
2.2 Konstruktion ............................................................................................................... 10
2.3 Steuerungstechnik ....................................................................................................... 15
2.4 Interdisziplinäre Entwicklung ..................................................................................... 20
2.4.1 Buur ................................................................................................................. 24
2.4.2 Stone ................................................................................................................ 25
2.4.3 Kallenbach ....................................................................................................... 27
2.4.4 Flath ................................................................................................................. 29
2.4.5 Molt .................................................................................................................30
22.4.6 O MEN / CAMeL ........................................................................................... 31
2.4.7 Schemebuilder ................................................................................................. 34
2.4.8 Process Oriented Analysis (POA) ................................................................... 35
2.4.9 Osmers ............................................................................................................. 37
2.4.10 eM-PLC ........................................................................................................... 38
2.5 Handlungsbedarf ......................................................................................................... 40
2.5.1 Beschreibung des interdisziplinären Konzeptes durch eine gemeinsame Sprache
für SPS-gesteuerte mechatronische Systeme (A1.1) ....................................... 40
2.5.2 Reibungsloser Übergang vom gemeinsam erstellten Konzept zum Steuerungs-
und Konstruktionsentwurf (A1.2) .................................................................... 41
2.5.3 Verbesserung der Konsistenz interdisziplinär relevanter Daten im domänenspe-
zifischen Entwurf (A1.3) ................................................................................. 42
2.5.4 Planmässiges Vorgehen zur Entwicklung SPS-gesteuerter Systeme (A2) ...... 43
2.5.5 Unterstützung der Konstruktion und Steuerungstechnik durch Software (A3) 43
2.5.6 Fazit ................................................................................................................. 44
3 Interdisziplinäre Entwicklung SPS-gesteuerter mechatronischer Systeme ................ 45
3.1 Neue Methoden ........................................................................................................... 46
3.1.1 EFS: Erweiterte Funktionsstruktur .................................................................. 46
3.1.2 EFS zur Ableitung des SFC, der I/O-Liste und der Baugruppen .................... 48
3.1.3 EFS als Brücke zwischen der Konstruktion und der Steuerungstechnik ......... 51
3.2 Adaption des planmässigen Vorgehens ...................................................................... 54
3.3 Neue Software zur Unterstützung der Methoden ........................................................ 62VI
4 Fallstudie ........................................................................................................................... 73
4.1 Die Kämmmaschine der Firma Rieter im Spinnprozess ............................................. 73
4.2 Erstellung der EFS in ELVAN ................................................................................... 76
4.3 Nutzung der in ELVAN definierten EFS .................................................................... 82
4.3.1 Der Weg zum Konstruktionsentwurf ............................................................... 82
4.3.2 Der Weg zum Steuerungsentwurf 86
4.3.3 Der Weg zur virtuellen Inbetriebnahme .......................................................... 89
5 Abschliessende Betrachtungen ........................................................................................ 91
5.1 Diskussion ................................................................................................................... 91
5.2 Ausblick ...................................................................................................................... 94
5.2.1 Verallgemeinerung der Entwicklungsmethodik .............................................. 94
5.2.2 Rapid Virtual Prototyping ...............................................................................94
Anhang: Benutzerhandbuch der Software ELVAN .......................................................... 97
Referenzen ......................................................