Warum Simulation in der Steuerungstechnik kein Schwachsinn ist

So ein Schwachsinn! Das ist die Antwort mancher Kollegen, wenn es um die Themen 3D-Simulation, digitaler Zwilling oder virtuelle Inbetriebnahme in der Steuerungstechnik geht. Tatsache ist, dass viele dieser Kollegen aber nicht genau wissen, was hinter dem Thema 3D-Simulation steckt und welche Vorteile sich für Steuerungsprogrammierer daraus ergeben. Die Möglichkeiten sind bahnbrechend – wenn man sich denn traut…

Mein Zugang zur Simulation

Ich habe lange Zeit als Regelungstechniker für Präzisionsmessgeräte gearbeitet. Jeder, der ernsthaft Reglungstechnik betreibt, simuliert, und zwar lange bevor überhaupt eine Zeile Code geschrieben wird. Zuerst werden mathematische Modelle der Regelstrecke erstellt. Diese Modelle ermöglichen es erst, mit Hilfe schlauer Algorithmen effiziente Regelungen zu entwerfen. Die Tatsache, dass Regler und Regelstrecke als mathematisches Modell vorliegen, macht eine Simulation des gesamten Regelkreises naheliegend: Die Regelung wird am Modell der Regelstrecke simuliert, sprich getestet. Und testen heißt, den simulierten Regelkreis mit allen erdenklichen Störungen zu torpedieren, Modellparametern an die Grenzen zu bringen, Einschaltverhalten unter verschiedensten Bedingungen auszuprobieren, sogar Rechenungenauigkeiten im Regler werden in der Simulation getestet. Erst wenn wirklich sichergestellt ist, dass die Regelung wie gewünscht funktioniert, wird Code geschrieben und an der realen Regelstrecke getestet.

Und nun raten Sie mal: Die Regelung funktioniert dann auch tatsächlich in der Realität! Natürlich ist in den meisten Fällen ein Feintuning der Regelparameter notwendig denn das mathematische Modell bildet die Realität meistens nur näherungsweise ab. Aber die Struktur des Reglers, das Einschaltverhalten, die Reaktion auf Störungen, das alles funktioniert!

Die mathematische Modellierung einer Maschine?

Steuerungstechnische Aufgaben erfordern in den meisten Fällen kein mathematisches Modell. Hier ist Ingenieurskunst und logisches Denken gefragt. Steuerungstechniker kennen ihre Maschine und sind in der Lage, mit einem Pflichtenheft und einem Elektroplan SPS-Programme für die komplexesten Maschinen zu erstellen. Da meist bereits parallel zur mechanischen Fertigung der Maschine programmiert wird, kann das Steuerungsprogramm während der Entwicklung nur rudimentär getestet werden. Richtig getestet wird bei der Hausinbetriebnahme oder, wenn nicht anders möglich, beim Kunden.

Stopp. Beim Kunden? Das muss man wirken lassen.

Ist es wirklich so, dass wir SPS-Programme erst ganz am Schluss, nämlich dann wann die Maschine vollständig aufgebaut wurde, testen können? Viele Gespräche mit Steuerungstechniker und Führungskräften in dem Bereich haben mir eines bestätigt: Niemand will freiwillig ein bestehendes und funktionierendes SPS-Programm ändern, vor allem nicht, wenn es über die Jahre gewachsen ist. Eben weil Änderungen und deren Auswirkungen erst an der Maschine getestet werden können. Trotzdem müssen wir genau das tun.

Warum ist das so?

Vollständiges Testen von Steuerungssoftware ist nicht gerade trivial. Die mechanische Fertigung und Montage von Maschinen dauert meist lange, d.h. die Programmierung der Steuerung startet bereits bevor die Maschine tatsächlich verfügbar ist. Die Maschinen sind oft groß und können wenn überhaupt nur teilweise im Haus aufgebaut werden. Bei einem Retro-fit bestehender Anlagen – also das Aufrüsten der steuerungstechnischen Komponenten – soll die Stillstandszeit so gering wie möglich gehalten werden, testen ist also nur eingeschränkt möglich.

Es wäre jetzt falsch zu behaupten, dass Steuerungsprogramme heute nicht getestet werden. Ganz im Gegenteil! Steuerungstechniker sind kreativ und haben sich in Ihrem Code diverse Simulationsmodi und Bausteine zurechtgelegt. Das Problem dabei? Es handelt sich meist um Strukturen, die nicht auf physikalischen Grundgesetzen basieren und daher nur schwer erweiterbar bzw. auch leider sehr fehleranfällig sind.

Ich gebe Ihnen ein Beispiel: Nehmen wir ein Förderband mit je einer Lichtschranke am Anfang und am Ende des Förderbandes. Die Richtung des Förderbandes soll sich ändern, wenn eine Flasche die entsprechende Lichtschranke unterbricht. Ein einfacher Ansatz zum Testen der Funktion wäre nun ein Simulationsbaustein zu programmieren, der nach einer fixen Zeit die Signale der Lichtschranken entsprechend schaltet. Doch was ist, wenn sich die Größe der Flaschen ändert? Was, wenn zwei Flaschen auf dem Förderband sind?