KI in Simulation, Inbetriebnahme, Betrieb und Wartung

Headerfoto
Bild: F.EE GmbH / ©alexey05/istockphoto.com

Wer immer tut, was er schon kann, bleibt immer das, was er schon ist. Was Henry Ford mit der konsequenten Entwicklung der Fließbandtechnik im Automobilbau begann, lässt sich im weiteren Sinne auch Richard E. Morley, dem Entwickler der SPS, zuschreiben. Er entwickelte im Jahr 1969 die Modicon 084. Dieses Logiksystem basiert auf einem Halbleiter und kann als Ursprungstechnologie der heute etablierten speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) verstanden werden. Inzwischen fertigen mehr als 300 Firmen weltweit SPSen für nahezu alle Einsatzzwecke. Für OEM, Maschinenbauer oder Unternehmen in der Fertigungs- und Automatisierungstechnik sind solche Technologiesprünge von jeher Chance und Herausforderung zugleich: Durch SPS-Integration sind Produktionsanlagen trotz zunehmender Technologiedichte besser beherrschbar – Monteure können von jedem beliebigen Ort in ein System eingreifen, mittels Fernwartung bzw. -diagnostik arbeiten und beispielsweise Fehler beseitigen. Ein kritischer Punkt bleibt: die Inbetriebnahme (IBN) und das Anfahren von Fertigungsanlagen nach Maschinenstopp. Szenarien, die nicht selten mit Kosten von tausenden Euro pro Minute zu Buche schlagen und die Total Cost of Ownership in die Höhe treiben.

Automation damals und heute

Wissenschaftler wiesen bereits vor Jahren auf die Inbetriebnahme als aufwandskritischen Prozess im Lebenszyklus von Produktionsanlagen hin. Vor allem die Inbetriebnahme der Steuerungstechnik gestalte sich sehr aufwendig, was teils auf Softwarefehler in der Anlagensteuerung zurückzuführen sei. Bereits damals sah man Chancen durch so genannte Hardware in the Loop (HiL)-Simulationen, Fehler frühzeitig zu entdecken und zu beseitigen. Die F.EE-Unternehmensgruppe aus dem oberpfälzischen Neunburg vorm Wald ist u.a. auf die Bereiche Fertigungs- und Automatisierungstechnik spezialisiert und befasst sich seit rund 20 Jahren mit dem Thema SPS-Simulation und Prozessoptimierung. Es war deshalb nur konsequent, dass Mitarbeitende aus Konstruktion, Elektrik und Mechanik sich dem kritischen Punkt der Inbetriebnahme widmen. Die Ingenieure wollten Möglichkeiten zum Absichern von Steuerungssoftware schaffen, kritische Betriebszustände risikofrei testen sowie komplexe Abläufe in einer frühen Projektphase simulieren. Parallel wollte man Steuer- und Regelstrategien schon in der Engineering-Phase validieren und optimieren. Entstanden ist das Simulationstool fe.screen-sim, das auf dem Prinzip des digitalen Zwillings basiert und eine virtuelle Inbetriebnahme (VIBN) ermöglicht.

In fe.screen-sim können mehrere Benutzer gleichzeitig an einem Simulationsmodell arbeiten, ohne zwischen Simulations- und Bearbeitungsmodus umzuschalten.
In fe.screen-sim können mehrere Benutzer gleichzeitig an einem Simulationsmodell arbeiten, ohne zwischen Simulations- und Bearbeitungsmodus umzuschalten. – Bild: F.EE GmbH

Virtuellen Wandel wagen

Mit der Simulationssoftware kann das digitale Abbild einer Anlage erstellt werden. Zum Einsatz kommen alle Daten aus Konstruktion, Elektrik und Mechanik. Der Check aller Funktionen und Umgebungsparameter ist damit bereits vor Fertigstellung der physischen Anlage machbar. Das Simulationstool ist nach Anbieterangaben aktuell das einzige multi-user-fähige und kann damit Querabhängigkeiten im Konstruktionsprozess auflösen – sowohl Konstrukteure als auch Programmierer können gleichzeitig am Modell arbeiten – ohne Umschalten zwischen Simulations- und Bearbeitungsmodus. Möglich wird das durch eine Architektur, die im Wesentlichen aus einer multi-user-fähigen Core-Client-Anwendung besteht, wobei der Client das Bedieninterface darstellt und sich über das Netzwerk zum Core verbindet. Im Core laufen die Berechnungen für das Simulationsmodell inklusive aufwendiger physikalischer Berechnungen, wie etwa die zur Beschleunigung oder zur Schwerkraft. Der Client, der neben der 3D-Darstellung auch alle Standard-Bedienelemente enthält, verbindet sich zum Core. Was F.EE anders macht: Mehrere Clients können sich zu einem Core verbinden. So arbeiten mehrere Anwender parallel an einem Modell und können auch große Projekte effizient aufbauen. Die herstellerübergreifende Kompatibilität mit Robotern und SPS-Steuerungen wird über entsprechende Schnittstellen erreicht. Wem die Arbeit am Bildschirm zu zweidimensional ist, der wechselt auf Knopfdruck mittels VR-Modul in die Dreidimensionalität und taucht via VR-Brille in die Simulation ein.

Problemlöser für Akteure

Die Simulationssoftware ist für große Datenmengen ausgelegt und soll die Datendurchgängigkeit der verwendeten Systeme verlustfrei sicherstellen. Zudem kann die Software durch den Funktionsumfang eine effiziente Nutzung aller Daten für die Modellerstellung bieten und die durchgängige Datenaufbereitung sowie -strukturierung während des gesamten Engineering-Prozesses absichern. Hersteller F.EE sieht darin für Maschinen- und Anlagenbauer, OEM oder industrielle Fertiger einen Meilenstein und Paradigmenwechsel zugleich: Nehmen die Flexibilitätserfordernisse zu, kann die Anwendung – verglichen mit anderen Applikationen – eine schnelle Änderung von Produktions- und Anlagenparametern bieten. Die validierte Software für SPS, Roboter und andere gekoppelte Systeme lässt sich in der Anlage einspielen. Die schnelle Anpassung von Parametern bzw. das Herstellen von Situationen im virtuellen Modell ist ein entscheidender Vorteil im Vergleich zu einem Voraufbau oder der realen Inbetriebnahme. Anwender können von der Erstinstallation bis zur Außerbetriebnahme einer Anlage flexibel und damit wirtschaftlich agieren.

Künstliche Intelligenz bietet im Sinn einer Querschnittstechnologie in nahezu allen Bereichen Potenzial. Die Entwickler bei F.EE haben bereits zahlreiche Ideen, wie sich dieses Potenzial in der VIBN-Anwendung fe.screen-sim erschließen lässt.
Künstliche Intelligenz bietet im Sinn einer Querschnittstechnologie in nahezu allen Bereichen Potenzial. Die Entwickler bei F.EE haben bereits zahlreiche Ideen, wie sich dieses Potenzial in der VIBN-Anwendung fe.screen-sim erschließen lässt. – Bild: F.EE GmbH

Flexibel im globalen Markt

Schon heute nutzen Industrieunternehmen das virtuelle Simulationstool und senken Aufwände bei der Anlageninbetriebnahme. Neben sehr kostenintensiven Erst-Inbetriebnahmen erweisen sich häufiger geopolitische, gesellschaftliche und wirtschaftliche Veränderungen als Treiber für industrielle Fertiger, die sie zwingen schneller, adäquater und mit hoher Qualität auf veränderte Kundenbedürfnisse einzugehen. Ein weiteres Problem der Gegenwart: Die Variantenvielfalt bei Bauteilen nimmt zu, während die Stückzahlen häufig geringer werden. Faktoren, die neben mehr Flexibilität in der Produktion oft auch eine zunehmende Vernetzung erfordern, um leistungsfähiger, innovativer und schneller produzieren zu können. An dieser Stelle will F.EE Möglichkeiten anbieten, zunehmend komplexeren Wertschöpfungsketten etwas entgegenzusetzen. Das Simulationstool soll zukünftig Flexibilität durch Integration künstlicher Intelligenz (KI) und selbstoptimierender Systeme sichern. Industrielle Fertiger, Logistiker und Großanlagenbauer können mit der Anwendung eine Klammer bilden, die sich von der Planungsphase einer Anlage bis zu ihrer Außerbetriebnahme über den gesamten Lebenszyklus spannt. Das soll einen bedarfsgerechten Anlagenbetrieb und damit eine signifikante Beeinflussung der Total Cost of Ownership ermöglichen.

Virtualität und KI

Bis heute halten F.EE-Ingenieure das Credo Henry Fords hoch. Die Anwendung kommt bei der virtuellen Inbetriebnahme von Neuanlagen zum Einsatz und kann beim Umbau von Anlagen wertvolles Tool für die Validierung und (Wieder-)Inbetriebnahme von Bestandsanlagen darstellen. Fehler oder Abweichungen während der virtuellen Inbetriebnahme können rechtzeitig erkannt werden. Zudem können das Suchen und Finden von Lösungen oder Verbesserungen mit dem Ziel einer zügigen physischen Inbetriebnahme, einem schnellen Ramp-on bzw. einem reibungslosen Anlagenbetrieb gelingen. Des Weiteren nutzen Ingenieure das Simulationstool, um eigene Ideen zur Maschinen- und Prozessoptimierung auf ihre Machbarkeit zu prüfen – Funktionalitäten, die es bis vor wenigen Jahren allenfalls in der Vorstellung gab. Jetzt bringt KI noch mehr Dynamik in die Industrie und damit auch in die virtuelle Inbetriebnahme (VIBN): Verhältnismäßig einfach realisierbare Funktionen sind umgesetzt und könnten in zukünftige Releases implementiert werden. Anwender können Chatbots nutzen, die intuitiv schnelle und einfache Informationen – z.B. in Anleitungen – verfügbar machen. Chatbots für die Spracheingabe sollen folgen. Gerade beim Erstellen komplexer Modelle birgt das Potenzial, da manuelle Eingaben entfallen können. Die Kombination von KI und automatisierter Modellerstellung über die API birgt vor allem für die Modellgenerierung hohes Potenzial.

Der digitale Schatten

Ein weiterer vielversprechender Ansatz: Bald sollen industrielle Fertiger und Dienstleister ihr digitales Modell als ‚digitalen Schatten‘ parallel zur physischen Anlage betreiben. Das digitale Modell bezieht dann kontinuierlich Daten aus der physischen Anlage. Wo nimmt die Wahrscheinlichkeit von Problemen zu? Wann ist mit ungeplanten Anlagenstopps zu rechnen? Fragen wie diese lassen sich prognostisch beantworten und helfen bei der Optimierung von Prozessen und damit bei der kontinuierlichen Verbesserung von Leistung, Effizienz und Sicherheit einer Anlage. Über KI-Algorithmen lassen sich bald die bestmöglichen Betriebsparameter für Anlagen und Systeme ermitteln sowie proaktive Wartungen planen. Mit der offenen Systemarchitektur ermöglicht das Simulationstool von F.EE die Integration von KI-Algorithmen. Mit dem Software Development Kit (SDK) und dem Application Programming Interface (API) haben Anwender eine Infrastruktur, um Daten aus dem Modell zu extrahieren und in das Modell zu übertragen. Mehr noch: Flexible Schnittstellen können zudem die Integration KI-gestützter Funktionen in den virtuellen Inbetriebnahmeprozess erleichtern.

Ausblicke und Einblicke

Die Verantwortlichen von fe.screen-sim bekunden den Willen, die Software auf das nächste Level zu heben. Die Ideen sind vorhanden. So machen sich die Entwickler von F.EE bereits heute Gedanken, welchen Stellenwert KI für das Simulationstool hat, wenn es um die automatisierte Generierung und damit das Erzeugen von Anlagenmodellen geht. Auch in der – bis dato aufwendigen – Erzeugung von Testdaten für virtuelle Modelle zeigt sich Potenzial. Auf lange Sicht dürfte die Kombination aus KI und Know-how dazu beitragen, diesen Prozess zu beschleunigen. Die Idee: Über die Daten fehlerhafte Messungen und Sonderereignisse simulieren, um verschiedene Szenarien der Anlage zu testen und zu verifizieren. Hinzu kommt die Optimierung virtueller Anlagen. Die Software soll künftig die Kopplung selbstoptimierender Systeme und damit die deterministische Ermittlung der optimalen Position für Roboter in Verarbeitungszellen zum Standard machen. Schon heute profitieren einige F.EE-Kunden davon. Möglich macht es KI, die künftig auch Daten zur MTM-Optimierung und -Ermittlung verarbeiten soll. Ein weiteres Dilemma, das KI im Simulationstool lösen könnte: Die Überprüfung von Anlagen nach Veränderungen. Sind diese Checks bis dato mit Risiken behaftet, könnten KI-Systeme die automatisierte Verifizierung von Modellen durch Erzeugung von Test-Szenarien aus virtuellen Modellen entscheidend vereinfachen. Stichwort Effizienzsteigerung und Qualitätssicherung: Die Analyse von Signalen und Zuständen durch KI kann die Planung von Wartungszeiträumen in Abhängigkeit von Bauteiltoleranzen und Produktabweichungen ermöglichen. Henry Ford hätte wohl seine Freude gehabt: Für die Entwickler sind das nämlich nur einige Themen auf der Entwicklungs-Roadmap.



  • Stimmung im Maschinenbau verschlechtert sich

    Stimmung im Maschinenbau verschlechtert sich

    Die Stimmung und die Aussichten im Maschinenbau haben sich laut aktueller VDMA-Konjunkturumfrage aus dem September merklich eingetrübt.

    mehr lesen: Stimmung im Maschinenbau verschlechtert sich

  • Erster photonischer Quantencomputer in Deutschland rechnet in Paderborn

    Erster photonischer Quantencomputer in Deutschland rechnet in Paderborn

    Auch wenn Quantencomputer seit einigen Jahren Gegenstand intensiver Forschung sind, ist es bisher nicht gelungen, ausreichend robuste Systeme zu realisieren.

    mehr lesen: Erster photonischer Quantencomputer in Deutschland rechnet in Paderborn

  • BuildingSmart International und IDTA unterzeichnen Kooperationsvereinbarung

    BuildingSmart International und IDTA unterzeichnen Kooperationsvereinbarung

    Die BuildingSmart International (bSI) und die Industrial Digital Twin Association (IDTA) wollen künftig auf gemeinnütziger Basis zusammenzuarbeiten, um eine offene digitale Interoperabilität in der Gebäudetechnik zu fördern.

    mehr lesen: BuildingSmart International und IDTA unterzeichnen Kooperationsvereinbarung

  • Energieverbrauch beim Umformen und in der Zerspanung reduziert

    Energieverbrauch beim Umformen und in der Zerspanung reduziert

    Daten werden benötigt, um in hochspezialisierten Prozessen Maschinen und Anlagen zu steuern.

    mehr lesen: Energieverbrauch beim Umformen und in der Zerspanung reduziert

  • Erste agile Batteriezellfertigung eröffnet

    Erste agile Batteriezellfertigung eröffnet

    Die Nachfrage nach Batteriezellen wird aktuell vor allem durch kostengetriebene Massenproduktion in Asien und Nordamerika gedeckt, was auch Auswirkungen auf den Maschinen- und Anlagenbau hat.

    mehr lesen: Erste agile Batteriezellfertigung eröffnet

  • Eclipse Foundation und DIN kooperieren

    Eclipse Foundation und DIN kooperieren

    Die Eclipse Foundation, eine der weltweit größten Open-Source-Stiftungen, und das Deutsche Institut für Normung (DIN) haben eine Absichtserklärung bekannt gegeben.

    mehr lesen: Eclipse Foundation und DIN kooperieren

  • Machine-Vision-Industrie erwartet Umsatzrückgang

    Machine-Vision-Industrie erwartet Umsatzrückgang

    Die VDMA Fachabteilung Machine Vision rechnet für die Bildverarbeitungsindustrie in Deutschland mit einem Umsatzrückgang von 10 Prozent nominal im laufenden Jahr.

    mehr lesen: Machine-Vision-Industrie erwartet Umsatzrückgang

  • Mathematische Modelle für einen effizienteren Emissionshandel

    Mathematische Modelle für einen effizienteren Emissionshandel

    Der Emissionshandel ist ein zentrales Instrument im Kampf gegen den Klimawandel. Die Einführung von CO2-Zertifikaten soll Anreize für Unternehmen schaffen, ihre Emissionen zu reduzieren.

    mehr lesen: Mathematische Modelle für einen effizienteren Emissionshandel

  • Mission KI und Xayn entwickeln KI-basiertes Prüfsystem für sicheren Datenaustausch

    Mission KI und Xayn entwickeln KI-basiertes Prüfsystem für sicheren Datenaustausch

    Um die Attraktivität von Datenräumen und den datenraumübergreifenden Austausch von Daten zu erhöhen, entwickelt das Berliner KI-Startup Xayn im Rahmen der Initiative Mission KI ein KI-basiertes Sicherheits- und Qualitäts-Monitoring. Die…

    mehr lesen: Mission KI und Xayn entwickeln KI-basiertes Prüfsystem für sicheren Datenaustausch

  • Die Welt der additiven Fertigung in Frankfurt

    Die Welt der additiven Fertigung in Frankfurt

    Bis Ende September haben sich 820 Unternehmen für die Formnext in Frankfurt angemeldet. Die Messe für Additive Manufacturing (AM) findet vom 19. bis zum 22. November 2024 statt. Besucher können…

    mehr lesen: Die Welt der additiven Fertigung in Frankfurt

  • Der IT.Connect meets Cybersecurity Day 2024

    Der IT.Connect meets Cybersecurity Day 2024

    Am 5. November 2024 wird die Congresshalle Saarbrücken im Rahmen des IT.Connect meets Cybersecurity Day zu einem Zentrum der IT- und Cybersicherheitsbranche.

    mehr lesen: Der IT.Connect meets Cybersecurity Day 2024

  • Die Krux mit der Kundenzufriedenheit

    Die Krux mit der Kundenzufriedenheit

    Syncron, ein Hersteller für Service-Lifecycle-Management (SLM), hat die Studie ‚Modernizing the Aftermarket‘ veröffentlicht.

    mehr lesen: Die Krux mit der Kundenzufriedenheit