Requirements on Simulation Software for Virtual Commissioning of Discrete Manufacturing Systems

Abstract

Tämä diplomityö tutkii kappaletavaratuotantojärjestelmien virtuaalista käyttöönottoa 3D simulointiohjelmiston kehityksen näkökulmasta. Pääkohteena ovat tuotantosolu- ja tuotantolinjatason simulaatiot, joka rajaa pois tehdastason haasteet, kuten liitynnät ERP-järjestelmiin, kuin myös kone- ja prosessitason yksityiskohdat kuten esimerkiksi sähkömekaanisten komponenttien tai kappaleiden työstön simuloinnin. Tutkimuskysymykseksi asetettiin “Mitä vaatimuksia kappaletavaratuotantojärjestelmien virtuaalinen käyttöönotto asettaa simulointiohjelmistoille, ja miten työnantajan uutta simulointiohjelmistoa voitaisiin kehittää tukemaan paremmin tätä simuloinnin osa-aluetta?” Tähän kysymykseen vastauksen etsiminen johti kirjallisuusselvitykseen kappaletavaratuotantojärjestelmien virtuaalisesta käyttöönotosta, yleisten simulointiohjelmistoihin kohdistuvien vaatimusten määrittelyyn, työnantajan uuden simulointiohjelmiston arviointiin vaatimuksia vasten, ehdotelmaan uusiksi ominaisuuksiksi, ja yhden näistä uusista ominaisuuksista osittaiseen toteutukseen tämän diplomityön puitteissa. Tämä diplomityö määrittelee 26 yleistä toiminnallista vaatimusta simulointiohjelmistolle, joiden täyttäminen mahdollistaa sen tehokkaan hyödyntämisen virtuaaliseen käyttöönottoon. Nämä vaatimukset kattavat paljon erilaisia käyttökohteita, mutta ovat silti helposti johdettavissa simulointiohjelmistojen käytännön ominaisuuksiin kuten kinemaattisiin ketjuihin tai rajapintaan ulkoisille ohjaimille. Uuden simulointiohjelmiston arviointi osoitti, että se täyttää jo hyvin suurimman osan vaatimuksista, ja tässä työssä ehdotetut neljä uutta ominaisuutta täyttäisivät suurimman osan lopuista vaatimuksista. Yksittäisten vaatimusten tärkeys riippuu kuitenkin paljon käyttökohteesta. Osana tätä diplomityötä suunniteltiin ja toteutettiin simulointiohjelmistoon uusi rajapinta ulkoisia ohjaimia varten. Tämä laajennettava rajapinta mahdollistaa ohjelmiston soveltamisen virtuaaliseen käyttöönottoon sekä ohjelmistopohjaisten-, että fyysisten ohjaimien kanssa. Suorituskykymittaukset Beckhoffin PLC:n kanssa osoittivat, että uusi rajapinta kykenee selvästi parempaan vasteaikaan ja kaistanleveyteen verrattuna vanhaan rajapintaratkaisuun.

This thesis explores virtual commissioning of discrete manufacturing systems from a viewpoint of 3D simulation software development. The focus is on commissioning at work cell and production line levels, which excludes plant level concepts such as ERP (Enterprise Resource Planning) system integration and machine or process level considerations such as electromechanical component or material removal simulation. The research question was defined as “What requirements does virtual commissioning of discrete manufacturing systems place on simulation software, and how the employer’s new simulation software product can be improved to better support this field of simulation?” Answering this question led to literature research on virtual commissioning of discrete manufacturing systems, defining general requirements for simulation software, evaluating the simulation software product against the requirements, proposal of new features, and a partial implementation for one of the new features. This thesis identifies 26 general functional requirements that a simulation software product should fulfill to facilitate efficient virtual commissioning. The requirements cover a wide variety of use cases, but are still clearly traceable to concrete simulation software features such as kinematic chains or external controller interface. Evaluation of the new simulation software product against these requirements revealed already good support for most areas, while proposed four new features would fulfill most of the remaining requirements. However, the importance of individual requirements depends heavily on the use case. A new external controller interface was designed and implemented as part of the thesis project. This extensible interface enables the simulation software product to be easily used in both software-in-the-loop and hardware-in-the-loop configurations for virtual commissioning. Performance tests done with the new interface and a Beckhoff soft PLC demonstrated significant improvement in response time and bandwidth when compared to an older interface solution.