Virtueller Stresstest Roboter unter Strom

Nicht nur komplexe Bauprojekte zeigen, wie wichtig es ist, möglichst früh alle Szenarien der späteren Nutzung durchzuspielen und die Planung darauf auszurichten. Wie ein Bauherr kann auch die Industrie genauer und kostengünstiger planen, wenn sie ihre Produkte früh im Entwicklungsprozess einem sogenannten virtuellen Stresstest unterzieht.

Drei große Unternehmen und vier Forschungseinrichtungen haben es sich gemeinsam auf die Fahnen geschrieben, so eine Prüfmethode zunächst für die Automatisierungsindustrie zu entwickeln: Das Projekt »EffektiV« (Effiziente Fehlersimulation mit virtuellen Prototypen zur Qualifikation intelligenter Motion-Control-Systeme in der Industrieautomatisierung) wird darüber hinaus vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Forschungsprogramms IKT 2020 mit mehr als sieben Millionen Euro gefördert.

Das Projekt hat im Oktober 2013 begonnen und ist auf drei Jahre angelegt. Damit möglichst viele Kompetenzen in den Stresstest einfließen und die Methode breit anwendbar ist, arbeiten drei große Unternehmen und vier Forschungseinrichtungen aus Deutschland zusammen. Robert Bosch leitet das Konsortium, Infineon Technologies ist Entwicklungspartner und Siemens Anwendungspartner. Die Aufgabe der Forschungspartner übernehmen das FZI Forschungszentrum Informatik, die Universität Bremen, die Universität Paderborn und die Eberhard-Karls-Universität in Tübingen.

Im ersten Schritt entwickelt das Forschungsteam ein Prüfverfahren für Motion-Control-Systeme. Das sind Systeme, die in der Automatisierungsindustrie elektronisch die Bewegungen beispielsweise von Förderbändern und Roboterarmen regeln. Motion-Control-Systeme bestehen aus einer großen Zahl an Komponenten, die reibungslos ineinander greifen müssen. Doch was geschieht, wenn während des Betriebs bei einer dieser Komponenten ein Fehler auftritt? Zum Beispiel könnten einzelne Chips in einem Steuergerät ausfallen, ein Motor könnte sich aufgrund eines Lagerschadens erhitzen oder ein Sensor fehlerhafte Daten liefern. Solche Fehler dürfen weder zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen, noch einzelne Bauteile zerstören. Ebenso muss verhindert werden, dass beispielsweise ein ausschlagender Roboterarm Menschen verletzen kann.

Derzeit arbeitet die Automatisierungsindustrie noch mit klassischen Hardware-Prototypen. Das heißt, die unterschiedlichen Komponenten werden relativ spät im Entwicklungsprozess zusammengefügt und dann als Gesamtsystem getestet. Virtuelle Modelle lassen sich viel früher und umfassender überprüfen als die bisherigen Hardware-Prototypen. Das kann die Zahl der Entwicklungszyklen reduzieren und kostspielige Nachbesserungen vermeiden. Gerade bei neuen, sehr komplexen Produkten ist das Risiko einer spät entdeckten Fehlfunktion groß und ein Stresstest deshalb besonders sinnvoll.

Tests an virtuellen Prototypen

Mit der im Projekt EffektiV entwickelten Methode lassen sich Motion-Control-Systeme anhand virtueller Prototypen schon in einer frühen Entwicklungsphase auf Herz und Nieren prüfen. Vor dem realen Prototyp wird ein virtuelles Modell des Systems erstellt. An diesem Modell lassen sich alle relevanten Fehlerszenarien durchspielen, was Fehler vermeiden hilft und das Gesamtsystem robuster und sicherer machen kann.

Auch wenn die Methode für die Automatisierungsindustrie entwickelt wird, soll sie in vielen weiteren Industriezweigen anwendbar sein. Zum Beispiel kann sie helfen, in Fahrzeugen das Elektronische Stabilitätsprogramm wie auch Fahrerassistenz- oder Airbagsysteme noch sicherer zu machen. Generell soll das Projekt auch als Vorstufe zu »Industrie 4.0« dienen, jene stark vernetzte und komplexe Industrieproduktion der Zukunft. Produkte steuern dort ihren Fertigungsprozess selbst, je nach individueller Nachfrage. Ermöglicht wird diese Entwicklung durch so genannte cyber-physische Systeme, die reale Objekte mit der virtuellen Welt verbinden.