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Digitalisierung Virtuelle Inbetriebnahme: So viel Potenzial bietet sie der Fertigung

Ein Gastbeitrag von Matthias Wilhelm 7 min Lesedauer

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Visual Components GmbH
Schneider Electric GmbH
PSI Software SE | Business Unit Discrete Manufacturing

Die virtuelle Inbetriebnahme verändert die Fertigungslandschaft nachhaltig. Mittels Computersimulationen lassen sich Produktions­systeme nicht nur testen, sondern auch optimieren, noch bevor sie überhaupt physisch gebaut werden. Die Vorteile sind vielfältig: Der Einrichtungsprozess vereinfacht sich und die Kosten sinken, zugleich steigen die Effizienz sowie die Qualifikation der Mitarbeiter und die Produktionsleistung verbessert sich.

Die virtuelle Inbetriebnahme optimiert die Fertigungsplanung, indem sie frühzeitige Systemtests ermöglicht und Produktionszeiten beschleunigt. (Bild: Virtuelle Inbetriebnahme)
Die virtuelle Inbetriebnahme optimiert die Fertigungsplanung, indem sie frühzeitige Systemtests ermöglicht und Produktionszeiten beschleunigt.
(Bild: Virtuelle Inbetriebnahme)

Es ist wohl einer der wichtigsten und gleichzeitig kritischsten Termine im Kalender vieler Fertigungsunternehmen: der Factory Acceptance Test (FAT). Die FAT-Deadline hängt oft von den Zeitplänen für Anlagenabschaltungen oder Produkteinführungen ab. Wird sie verpasst, führt das zu kostspieligen Verzögerungen. Ein Grund für die Verzögerung ist häufig die Inbetriebnahme. Lange war es nicht möglich, die Steuerungssoftware vor der physischen Entwicklung der Hardware zu testen. Heute kann die virtuelle Inbetriebnahme (VIBN) dabei helfen und somit auch, die FAT-Termine einzuhalten und zu bestehen sowie in manchen Fällen sogar eine virtuelle FAT durchzuführen.

Speicherprogrammierbare Steuerung in der Fertigungsindustrie

Seitdem die Speicherprogrammierbare Steuerung Einzug in die Fertigungsumgebung gehalten hat, gibt es kaum eine Fertigungsmaschine und automatisierte Anlage, die sich nicht auf Software stützt. So kann die SPS beispielsweise Daten von Sensoren lesen und Ausgänge auslösen, die mit einem Stellantrieb oder einer Robotersteuerung verbunden sind, anhand dessen sie die Maschine durch den gewünschten Arbeitsablauf führen kann.

Die Simulation des Roboterverhaltens in der realen Welt durch die Verbindung mit virtuellen oder physischen Robotersteuerungen.(Bild: Visual Components)
Die Simulation des Roboterverhaltens in der realen Welt durch die Verbindung mit virtuellen oder physischen Robotersteuerungen.
(Bild: Visual Components)

Um das SPS-Programm vollständig zu testen, war schon immer eine Maschine erforderlich. Das heißt, erst nachdem ein Maschinenprototyp oder die Maschine gebaut war, konnte der Prozess der Inbetriebnahme beginnen. Doch wo es Software gibt, gibt es auch Bugs, Auslassungen sowie Zeitprobleme. Diese zu beheben braucht Zeit und die Auswirkungen auf den Projektplan lassen sich nur schwer abschätzen. Dass der Projektfortschritt ins Stocken gerät, ist somit fast unvermeidlich. Die VIBN ordnet diese Reihenfolge neu und reduziert damit die Auswirkungen der Inbetriebnahme auf den kritischen Projektpfad.

Worum es bei der VIBN geht

Der Begriff „virtuelle Inbetriebnahme“ beschreibt das Einrichten, Testen und Validieren des Designs und des Betriebs eines Systems in einer virtuellen Umgebung auf einem Computer. In anderen Worten handelt es sich dabei um den Einsatz von Software, um die Steuerungssoftware vor dem Bau der physischen Maschine zu testen und zu validieren. Die VIBN stellt also sicher, dass Software und Hardware richtig eingestellt sind und in der realen Welt wie geplant funktionieren. Dadurch entfällt ein Großteil der Arbeiten für die Inbetriebnahme im kritischen Projektpfad, denn diese können bereits vor beziehungsweise parallel zum Bau der Maschine stattfinden.

Virtuelle Inbetriebnahme: Maschinen in der Software erstellen

Zur statischen Darstellung der Maschine wird eine 3D-CAD Software verwendet. Damit die virtuelle Maschine jedoch so funktioniert, wie es die physische tun würde, benötigt sie außerdem Kinematik – also die Bewegungen, die sie ausführen wird – und ein Steuerungssystem, das die Eingänge, Ausgänge, das Timing oder die Abläufe bestimmt.

Roboter bilden dabei eine besondere Herausforderung, weil sie in der Regel über fünf bis sieben Achsen verfügen und sich ohne die Einschränkungen von Führungen und Schienen durch den Raum bewegen können. Dabei unterstützen können Softwares zur Robotersimulation.

Virtuelle Maschine versus digitaler Zwilling

Durch die Verknüpfung der Simulationen mit externen Steuerungssystemen und PLCs kommt man den realen Produktionsprozessen so nah wie möglich.(Bild: Visual Components)
Durch die Verknüpfung der Simulationen mit externen Steuerungssystemen und PLCs kommt man den realen Produktionsprozessen so nah wie möglich.
(Bild: Visual Components)

Oft gilt die virtuelle Maschine als Synonym für den digitalen Zwilling. Doch es gibt grundlegende Unterschiede:

  • 1. Die Maschine wurde nicht physisch gebaut, also kann es keinen digitalen Zwilling von ihr geben: Das virtuelle Modell steht für sich allein.

  • 2. Ein digitaler Zwilling ist über Daten mit dem physischen System verbunden, das er modelliert oder darstellt, so dass Werte aus der realen Welt in das virtuelle System einfließen können.

  • 3. Das Ziel der virtuellen Inbetriebnahme auf einer virtuellen Maschine liegt darin, Fehler und Probleme aufzudecken, bevor die Maschine gebaut wird; das Ziel eines digitalen Zwillings ist hingegen, das physische System für Tests und die Bewertung von Szenarien nachzubilden.

Es besteht jedoch die Möglichkeit, das VIBN-Layout in einen digitalen Zwilling umzuwandeln oder das digitale Modell als das Original und die physische Maschine als Zwilling oder Nachbildung des virtuellen Layouts zu betrachten, sobald sie in Betrieb genommen wurde. Dies erhöht die Rentabilität der investierten Zeit und Mühe sogar noch, da noch mehr virtuelle Experimente und Teste möglich werden.

Die Vorteile der virtuellen Inbetriebnahme im Überblick:

  • Früherkennung: Probleme, wie die Fehlplatzierung von Robotern in einer Produktionslinie, lassen sich bereits im Voraus erkennen und korrigieren.

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  • Verkürzte Vorlaufzeit: Die Inbetriebnahme kann 25 Prozent der gesamten Projektlaufzeit betragen. Wenn ein Teil davon virtuell parallel zum Bau oder früher durchgeführt wird, wird diese verkürzt. Durch die frühzeitige Problemerkennung und -behebung können Hersteller außerdem die Fertigstellung besser vorhersagen.

  • Kosteneinsparungen: Probleme bereits in der Planungsphase anzugehen, kann nicht nur erhebliche Kostenüberschreitungen vermeiden, sondern wirkt sich auch positiv auf die Budgetierung aus, da weniger Mittel für “Unvorhergesehenes” gebraucht werden.

  • Innovativere Gestaltung und Umsetzung: Oft erkennt das Team nach dem Bau der Maschinen Verbesserungsmöglichkeiten an der Konstruktion, zum Beispiel eine verkürzte Zykluszeit durch andere Greifabläufe. Eine nachträgliche Änderung ist aber teuer und zeitintensiv. Bei der VIBN können diese Ideen einfacher berücksichtigt werden und führen zu einer besseren Leistung der Anlage.

  • Ausbildung: Um den ROI zu maximieren, muss die Anlage schnellstmöglich in Betrieb gehen. Ein wichtiger Schritt ist dabei die Schulung des Teams im Bereich der Nutzung und Wartung. Bei der VIBN kann diese bereits am digitalen Modell der Hardware stattfinden. Eine Schulung an der physischen Maschine ist zwar weiterhin empfehlenswert, doch wenn das Team bereits mit den Abläufen vertraut ist, erleichtert dies den Lernprozess.

  • Verbesserte Sicherheit: Bei der regulären Inbetriebnahme müssen Schutzvorrichtungen von sich bewegenden Geräten wie Robotern oft geöffnet werden, um notwendigen Zugang zu gewähren. Die virtuelle Überprüfung von Bewegungspfaden, Abläufen, Zeitplanung und Ausnahmebehandlungen verringert die daraus entstehenden Risiken.

Schritt-für-Schritt: Virtuelle Inbetriebnahme mit der richtigen Software

Grundlage für die virtuelle Inbetriebnahme sind Fabrikplanungslösungen wie Visual Components, die 3D-Simulation der Fertigung bieten. Dabei gilt es folgende Schritte zu beachten:

  • 1. Verständnis schaffen: Das beteiligte Team ist mit der Relevanz eines genauen Modells vertraut und stellt die nötigen Informationen bereit. Denn bei Unstimmigkeiten wird die VIBN keine akkuraten Informationen liefern und die Schlussfolgerungen werden eventuell nicht ausreichend auf die reale Welt übertragbar sein.

  • 2. System analysieren: Verantwortliche verschaffen sich ein klares Bild über die Ziele und Funktionen des Produktionssystems sowie über alle technischen Unterlagen, Spezifikationen und Anforderungen an die Maschinen und Steuerungssysteme.

  • 3. Modell erstellen: Die Planer erstellen ein genaues 3D-Modell des Produktionssystems. Bei Visual Components erfolgt das mit einer Kombination aus CAD-Daten und Modellen aus dem eigenen e-Catalog. Letzterer enthält über 3.000 Komponenten. Anschließend erfolgt die Integration unter anderem kinematischer und elektrischer Daten, um eine genaue digitale Darstellung der geplanten Anlage zu erhalten.

  • 4. Steuerlogik integrieren: Die SPS und die Robotersteuerung werden mit dem digitalen Modell verbunden. Dadurch können Steuerungssequenzen, Reaktionen und das gesamte Systemverhalten getestet werden. Visual Components bietet für diesen Schritt Konnektivität zu den gängigsten Robotermarken und SPS-Systemen wie KUKA, ABB, Fanuc und Siemens.

  • 5. Simulieren und testen: Das Modell durchläuft verschiedene Betriebsszenarien, um die Leistung zu testen und es mit realen Daten zu validieren. Damit das System mit unvorhergesehenen Problemen umgehen kann, sollten auch Ausnahme- und Fehlersituationen geprüft werden.

  • 6. Optimieren: Die Ergebnisse der Simu­lationsläufe sind die Basis, um Leistungsschwächen in der Steuerungslogik zu identifizieren und zu beheben. Anschließend werden die Tests solange wiederholt, bis dass das virtuelle Modell optimal funktioniert.

  • 7. Sicherheit und Konformität überprüfen: Weitere Test stellen sicher, dass die Steuerungslogik und das Systemdesign funktionieren und die relevanten Industrienormen sowie Sicherheitsvorschriften eingehalten werden. Ein besonderes Augenmerk sollte dabei auf der Sicherheit der Industrieroboter liegen. Diese Kontrollen und Tests sind in Sektoren mit strengen Sicherheits- und Konformitätsanforderungen äußerst wichtig.

  • 8. Physisch in Betrieb nehmen: Die VIBN verkürzt die physische Inbetriebnahme zwar deutlich, ersetzen kann sie sie jedoch nicht. Die getestete und verifizierte Steuerungslogik muss in diesem Schritt vom Modell auf das reale System übertragen und das System bei der Inbetriebnahme genauestens überwacht werden, um sicherzustellen, dass es wie geplant funktioniert.

  • 9. Kontinuierlich verbessern: Nachdem das physische System in Betrieb ist, werden Betriebsdaten gesammelt und mit den Prognosen aus der virtuellen Inbetriebnahme verglichen, um Bereiche mit Verbesserungsbedarf zu identifizieren. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse helfen, das Modell und die Steuerungslogik weiterzuentwickeln.

  • 10. Dokumentieren: Die VIBN ist kein einmaliger Prozess. Sie wird bei nötigen Änderungen oder Optimierungsbedarf am physischen System erneut durchgeführt. Um die Fehlersuche bei Upgrades oder bei der Skalierung zu unterstützen, wird jeder Schritt des virtuellen Inbetriebnahme-Prozesses dokumentiert, angefangen beim ersten Entwurf bis hin zur endgültigen Implementierung.

Die virtuelle Inbetriebnahme ermöglicht es den Herstellern, durch eine effiziente digitale Planung wertvolle Zeit, Kosten und Ressourcen einzusparen. Sie ist damit nicht nur ein wichtiger Faktor im digitalen Wandel der Fertigungsindustrie und Baustein der Industrie 4.0, sondern auch ein Schlüsselfaktor, um sich einen Wettbewerbsvorteil zu verschaffen und den ROI zu maximieren. 

Der Autor Matthias Wilhelm ist Sales Director DACH/Team Lead DACH bei Visual Components.

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