Virtuelle Lernfabriken Industrie 4.0 für Ausbildung und Studium

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Virtuelle Lernfabriken, die auf 3D-Simulationsplattformen basieren, bieten im Hinblick auf Industrie 4.0 interessante Möglichkeiten: Die Mechatronic Simulation Wall der MHJ-Software GmbH & Co. KG ist ein Spiegelbild realer mechatronischer Systeme und kann bis zu vier unterschiedliche Stationen umfassen. Eine solche Konfiguration bietet die Möglichkeit, jede Station individuell zu programmieren.

In Universitäten, Ausbildungsstätten oder anderen Bildungseinrichtungen arbeiten Lernende im Bereich der Steuerungs- und Automatisierungstechnik entweder mit realen mechatronischen Modellen, grossen Lernfabriken oder in 2D- und 3D-Simulationsumgebungen. Reale Lernfabriken mit mehreren Stationen sind jedoch oft sehr komplex und nicht für alle Lernenden gleichermassen geeignet, weil sie unterschiedliche Kenntnisse haben. Zudem sprengt eine solche Lernfabrik das Budget vieler Bildungseinrichtungen und Ausbildungsabteilungen. Nicht zu vernachlässigen sind auch der Wartungsbedarf und die damit verbundenen Kosten sowie das Risiko von Verletzungen, Lernen und Ausprobieren der eigenen Programme ohne Aufsicht ist hier kaum möglich. Ausserdem können bei einem Fehler in der Programmierung schlimmstenfalls die mechatronischen Modelle oder Komponenten beschädigt werden. Praxisgerechter und vor allem auch kostengünstiger wird die Ausbildung mit der von der MHJ-Software entwickelten Mechatronic Simulation Wall (MSW). Hier sind reale mechatronische Lernfabriken wie zum Beispiel das LT-System von Köster Systemtechnik GmbH digitalisiert und mittels mehrerer 3D-Simulationen im Massstab 1:1 oder grösser dargestellt.

Vier Stationen, viele Möglichkeiten

Die MSW besteht aus vier grossformatigen, an der Wand montierten Bildschirmen, die jeweils mit einem eigenen Mini-PC verbunden sind. Die PCs sind miteinander vernetzt; auf jedem läuft eine erweiterte Version der Software PLC-Lab 3D Player, ebenfalls aus dem Hause MHJ. Ausserdem ist jeder PC mit einer physischen SPS verbunden oder nutzt eine Software-SPS, wie PLCSIM Advanced. Die vier Stationen der Lernfabrik simulieren die Fertigung zylindrischer Werkstücke unterschiedlicher Materialien von der Anlieferung der Rohlinge über Bearbeitung und Prüfung bis hin zur Sortierung.

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Die einzelnen Stationen können nun zunächst von einzelnen Teams bearbeitet werden. Jedes Team entwickelt das Steuerungsprogramm für die eigene Station, also zum Beispiel für das Magazin, die Bearbeitung, die Prüfung und Sortierung oder die Lagerung. Da die Schwierigkeitsgrade unterschiedlich sind, können Dozenten die Teams je nach Leistungsstand einsetzen. Dabei kann jede Station unabhängig konfiguriert sein, eine kann beispielsweise mit einer S7-Steuerung gekoppelt werden, während eine andere eine CODESYS- oder Bradley-Steuerung nutzt. Wird die MSW im Informatikunterricht genutzt, lassen sich Stationen auch direkt mit der Python-Programmiersprache steuern.

Durchgängiger Materialfluss als Simulation

Sind die Steuerungsprogramme fertig, testet jedes Team seine Station unabhängig von den anderen Stationen mithilfe der 3D-Simulation. Beim Aufspüren eventueller Fehler unterstützen praxisgerechte Tools. So können die Lernenden über das Tags-Fenster alle Eingänge und Ausgänge beobachten. Falls erforderlich, lässt sich ein Eingang oder Ausgang auf einen festen Wert setzen, ein Vorgang, der als «Forcen» bekannt ist. Diese Möglichkeit zur Kontrolle und Manipulation der Variablen erleichtert die Fehlersuche erheblich und hilft dabei, Fehler im SPS-Programm schnell zu identifizieren und zu beheben.

Wenn die einzelnen Stationen funktionieren, kann die Lernfabrik als Gesamtsystem simuliert werden. In dieser Phase tauschen dann die vier 3D-Simulationen Daten aus, um einen durchgängigen Materialfluss zu gewährleisten. Beispielsweise wird ein Werkstück, das am Ende des Förderbands von Station 1 ankommt, automatisch entfernt und am Anfang des Förderbands von Station 2 eingefügt. Gemeinsam können die Teams nun überprüfen, ob ihre Fabrik die Werkstücke korrekt produziert. Auftretende Probleme, wie zum Beispiel ein Materialstau, können zusammen besprochen werden, um gemeinsam Lösungen zu finden. Alle Abläufe werden auf der knapp 6 m langen Monitorwand dargestellt und das manchmal besser als in der Realität. So wird beispielsweise beim Bearbeiten in der realen Lernfabrik ein Bohrvorgang aus Sicherheitsgründen nur angedeutet; in der 3D-Simulation dagegen wird ein «echtes» virtuelles Loch gebohrt.

Unterschiedliche Lernszenarien

Weil eine digitalisierte Lernfabrik im Gegensatz zu einer realen Umgebung sehr flexibel ist, bietet sie noch eine Menge zusätzlicher Möglichkeiten. Ausser den vier Stationen der vernetzten Fertigungslinie enthält die MSW auch 25 kleinere, autarke Simulationsmodelle mit unterschiedlichen Schwierigkeitsgraden von einfach bis komplex, sodass es für jeden Ausbildungsstand eine passende Aufgabenstellung gibt. Ab 2025 wird es mit der neuen Software PLC-Lab 3D-Studio sogar möglich sein, eigene 3D-Simulationen aus CAD-Daten zu erstellen. Das erschliesst interdisziplinäre Ausbildungsmöglichkeiten: So können dann zum Beispiel angehende Konstrukteure die CAD-Modelle erstellen, während Auszubildende im Bereich Mechatronik, Elektrotechnik oder Automatisierung die Programmierung übernehmen. Das Spektrum möglicher Lernszenarien ist damit breit gefächert.

Die Mechatronic Simulation Wall ist ab sofort verfügbar. MHJ-Software liefert die Lizenzen zu PLC-Lab 3D Player inkl. der Option MSW. Die Hardware (Bildschirme, Mini-PCs, SPS) kann der Kunde in Eigenregie aufbauen oder aufbauen lassen. Bei der Auswahl und dem Aufbau der Komponenten steht der kostenlose Support vom Hersteller zur Verfügung.

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