Weniger Risiko für Käufer und Hersteller

Arznei gegen Komplexität im Maschinenbau

Maschinenhersteller arbeiten unter Hochdruck an neuen Maschinenkonzepten und Fertigungsstrategien, um die steigende Komplexität ihrer Produkte zu bewältigen. Die Maschinenvalidierung mittels virtueller Inbetriebnahme ist ein guter Hebel für mehr Effizienz, besseren Kundendienst und neue Geschäftsmodelle.

Virtuelle Maschinensimulation und -inbetriebnahme bezieht sich auf den Vorgang der Überprüfung oder Validierung des Software-Codes von Steuerungen, HMIs und Scada-Programmen in der virtuellen Welt, bevor der Code in der Produktion eingesetzt wird. Die Software bestimmt immer mehr das Funktionieren von Maschinen, und ihre Komplexität wächst rapide. Vorteile entstehen in Form von Zeit- und Ressourceneinsparungen, wenn der Code auf einem digitalen Zwilling der Maschine simuliert werden kann. Bei der virtuellen Inbetriebnahme ist die Validierung des Programmcodes in einer kontrollierten Umgebung meist als Teil einer übergeordneten Strategie zur modularen Produktentwicklung zu verstehen. Maschinenbauer können nun die Simulation vorab durchführen, die validierte Software mit den Modulen verbinden und damit den endgültigen Code mit der individuellen kundenspezifischen Maschine verknüpfen.

Nutzt Käufern und Verkäufern

Finanziell gesehen zahlt sich die virtuelle Inbetriebnahme und Visualisierung für Unternehmen aus. Niemand kauft eine Maschine ungesehen. Nachdem aber viele unterschiedliche Softwareprogramme und Sicherheitsfunktionen für das Betreiben einer Maschine erforderlich sind, wird der Abnahmeprozess – in Anwesenheit des Kunden – zu einer besonderen Herausforderung. Die virtuelle Inbetriebnahme ist also ein praktischer Weg, um die Funktionsfähigkeit einer Maschine vor der realen Inbetriebnahme weitgehend abzusichern. Das bedeutet weniger Ungewissheit und Risiko für den Maschinenbauer und seine Kunden. Es bringt zudem die beteiligten Engineeringbereiche schon während der Entwicklung früh zusammen und stärkt die Zusammenarbeit der Disziplinen.

So läuft es ab

Zu den kritischen Elementen einer virtuellen Inbetriebnahme gehören

Kopplung von Automatisierung und Maschinenverhalten: Der virtuelle Inbetriebnahmeprozess beginnt eigentlich mit der Konzeption der Bearbeitungsvorgänge und dem gewünschten Maschinenverhalten. Schon hier kann ein Anlagenmodell verwendet werden, mit dem sich das elektro- und fluidmechanische Verhalten der Maschine definieren lässt. Auch ein physik-basiertes Kinematikmodell kann der richtige Anfangspunkt sein, indem die Kräfte abgebildet werden, die auf gleitende oder rotierende Teile wirken. Wird dies in einem geeigneten Visualisierungstool dargestellt, kann nicht nur die Kommunikation zwischen den Ingenieuren aus den Bereichen Mechanik, Elektrik und Steuerung verbessert werden, sondern auch dem Kunden vorab virtuell gezeigt werden, wie sich seine Maschine in der Realität verhalten wird.

Codegenerierung aufgrund des Verhaltensmodells: Das Verhaltensmodell der Maschine bzw. die physische Darstellung der Maschinenabläufe sollte die Fähigkeit besitzen, bereits in der Konstruktionsphase alle logischen Geräte mit ihren Attributen identifizieren zu können, die für die spätere Entwicklung der verschiedenen Codes kritisch sind. Nehmen wir als Beispiel einen Motor mit einem integrierten Schrittzähler. Unser Verhaltensmodell beschreibt einen Prozess, bei dem der Motor mit einer bestimmten Drehzahl läuft, anhält und dann die Drehrichtung umkehrt. Für die Erstellung des PLC/SPS-Codes werden wichtige Informationen über den Motor/Schrittzähler und den vorgesehenen Einsatzbereich benötigt, die nun direkt aus dem vorhandenen Mechatronikmodell übernommen werden können.

Visualisierung des realen Maschinenverhaltens: Die Simulation des gewünschten Maschinenverhaltens ist besonders nützlich, wenn der fertige Code in eine virtuelle PLC/SPS geladen wird und den Maschinenbetrieb im digitalen Zwilling abbildet. Hier steuert der echte Code das Simulationsmodell und kein Steuerungsmodell der Simulationssoftware.

Virtuelles Anwendererlebnis: Ein wesentlicher Aspekt der virtuellen Inbetriebnahme ist das Anwendererlebnis, das die Ansicht des digitalen Zwillings vermittelt: Die virtuelle Maschine reagiert auf Kommandos vom Nutzer: Wie werden die Betriebsparameter im HMI angezeigt? Funktionieren Touchscreen und andere Schnittstellengeräte? Reagiert die virtuelle Maschine während eines Notstopps oder einer normalen Abschaltung korrekt? Was passiert bei unvorhergesehenen Einsatzfällen oder sicherheitsrelevanten Ereignissen?

Vorteile und Aufgaben

Von der virtuellen Inbetriebnahme unter Einsatzes digitaler Zwillinge können sich Firmen eine Reihe von Vorteilen versprechen:

Zeit sparen: Das ist besonders nützlich bei Kunden, die viele Änderungen einbringen und schnelle Reaktionen fordern.

Kosten sparen: Früh gefundene und behobene Konstruktions- und Programmierfehler kommt Unternehmen günstiger, als spätere Korrekturen.

Geringere Risiken: Durch das laufende virtuelle Testen werden Weiterentwicklungen zu mitlaufenden Aufgaben, die kaum SPS-Programmierprobleme verursachen.

Diese Vorteile lassen sich in höhere Effizienz der Produktion übersetzen, etwa höhere Taktraten. Eine 20-prozentige Verbesserung der allgemeinen Maschinenkapazität in der Produktionsanlage oder einem Fertigungsbetrieb kann als realistisch betrachtet werden. Die Vorteile und Nutzen innovativer Technologien sind jedoch auch mit Herausforderungen verbunden. Dazu zählen die kohärente Verbindung der eingesetzten Systeme unterschiedlicher Hersteller und die Einbindung von Robotersystemen inklusive des Robotercodes mit der Steuerung. Zudem müssen die eigenständigen Systemumgebungen der Logistikkomponenten integriert werden, was meist eine gleichzeitige Koordinierung mehrerer Schnittstellen erfordert. Bewältigen Fertigungsunternehmen die Aufgaben, die mit der Umstellung auf die virtuelle Inbetriebnahme einher gehen, sind sie mit der digitalen Transformation einen großen Schritt weiter. Denn Simulation einer komplexen Maschinenleistung am Anfang des Konstruktionsvorgangs bringt Berechenbarkeit in die Inbetriebnahme. Und diese Berechenbarkeit hilft im harten globalen Wettbewerb dabei, weiter wirtschaftlich zu produzieren.