Heitec: Erfahrungen mit der virtuellen Inbetriebnahme in der Anlagen-Projektierung

Die Variantenvielfalt von Produkten nimmt künftig noch weiter zu, während die Losgröße sinkt und der Druck in puncto Kosten und Termine zunimmt. Zudem ist es schon heute im Produktionsumfeld Alltag, dass sich die Aufgabenstellung noch in der Projektphase ändert. Diesen Randbedingungen begegnet die Firma Heitec mit dem Konzept der „virtuellen Maschine“ und verfolgt damit eine Reihe von Zielen, etwa die effektive Spezifizierung der Aufgabenstellung, Erhöhung des möglichen Standardisierungsgrades und eine Verbesserung der Softwarequalität. Weitere Ziele sind stabile und nachvollziehbare Abnahmekriterien und optimale Voraussetzungen für Service und Wartung. Die virtuelle Maschine bietet zudem die Chance, Mitarbeiter bereits vor dem eigentlichen Anlagenbetrieb auszubilden und einzuarbeiten sowie Prozess-Know-how zu sammeln.

Die Inbetriebnahme von virtuellen Maschinen

Im Gegensatz zur virtuellen Maschine besteht der klassische Weg darin, aus der Aufgabenstellung die Prozessbeschreibung abzuleiten und danach die Mechanik zu konstruieren, es folgen Elektroplanung und Softwareentwicklung, Tests und schließlich die Inbetriebsetzung. Diese sequenziellen Abläufe im Engineering sind insbesondere für den normalen Betrieb der Anlage ausreichend. Schwieriger ist es, die Software in Störfällen zu testen. Weit mehr als zwei Drittel einer Steuerungssoftware gewährleistet heute die Sicherheit und Funktionsfähigkeit einer Anlage. Mit der virtuellen Maschine lassen sich Optimierungsschritte risikoarm umsetzen und auf Funktionsfähigkeit überprüfen.
Die „virtuelle Inbetriebnahme“ beziehungsweise die Inbetriebnahme einer virtuellen Maschine ist deshalb ein wichtiger Baustein im modernen En­gineering-Prozess. Für die Optimierung ist ein mechatronischer Ansatz zu wählen. Das heißt, Mechanik, Elektrik, Pneumatik oder Hydraulik und Software sind als eine Einheit zu betrachten. Durch die Aufteilung der Maschinen- oder Anlagenteile in Funktionen (mechatronische Module) kommt der Anlagenbau dem Ideal der Wiederverwendbarkeit (Standardisierung) näher. Die dafür notwendigen Funktionsbeschreibungen, Schaltpläne, Softwaremodule, Hydraulikpläne und so weiter charakterisieren die entsprechende mechatronische Komponente. Die so einmal entstandenen Komponenten können immer wieder eingesetzt werden. Sind diese entsprechend mit dem dazugehörenden Simulationsmodell getestet, kann der Anwender sicher sein, dass die Funktionsfähigkeit gegeben ist. Die Entwicklungszeiten werden sich entsprechend reduzieren.
Für die Inbetriebnahme virtueller Maschinen nutzt die Firma Heitec das Entwicklungstool Vituos von der Stuttgarter Firma ISG. Es besteht aus einer Anlagen- und Maschinensimulation sowie einer 3D-Visualisierung. Beide Systeme werden miteinander gekoppelt, um eine virtuelle Maschine zu ermöglichen. Das Know-how von Heitec liegt dabei im Engineering bei der Entwicklung in zwei Aspekten. Zum ersten in der Entwicklung einzelner Objekte und Subobjekte in Bibliotheken. Sie bilden die Basis für Elektro- und Software-Konstruktion sowie die Modellerstellung in der virtuellen Welt. Zum zweiten entwickelt Heitec Methoden zur Automatisierung im Engineering – automatische Generierung von E-Plänen, Softwareprojekten und virtuellen Maschinen.

Start ins Anlagenprojekt

Bei den meisten Anlagenprojekten sind anfangs nur sehr grobe Informationen vorhanden. Wir starten unser Projekt mit der Übernahme eines nicht endgültigen Layouts der Anlage, also einer lückenbehafteten Beschreibung der Gesamtheit und einzelner Stationen. Hinzu kommen meist sehr knappe Kosten- und Terminvorgaben. Nach der Analyse der Aufgabenstellung erfolgt die Abstimmung über die Realisierung. Ist die Anlage mit bei uns in den Bibliotheken vorhandenen Objekten weitestgehend realisierbar, können wir eine Interpretation mit der Geräte- oder Stückliste des Maschinenbauers beginnen und einen erheblichen Teil des Engineering-Prozesses automatisieren. Es entstehen E-Pläne für die Schaltanlagenfertigung, Softwareprojekte sowie die Abbildung der dezentralen Peripherie in dem Modell der virtuellen Maschine. Ergebnis ist keine hundertprozentige Projektlösung, jedoch ist in erheblich kürzerer Zeit ein flexibler Projektstand erreicht. Änderungen seitens der Endkunden und dem Anlagenbauer sind noch jederzeit möglich.
Bei Neuentwicklungen legen wir sehr viel Augenmerk auf die Modularisierung. Mit diesem Vorgehen erweitern wir unsere Bibliotheken – immer unter der Prämisse, dass wir den mechatronischen Blickwinkel behalten. Aktuell hat die Firma Heitec verschiedene Projekte in unterschiedlichen Branchen mit Modellen von virtuellen Maschinen in der Projektierung, an dieser Stelle seien drei Beispiele erwähnt: eine Prüfanlage für Alufelgen, eine Montagelinie für Solarmodule und eine Vliesstoffproduktionsanlage. Bei der Räderprüfanlage konnten wir den zum Zeitpunkt maximal möglichen Automatisierungsgrad ausschöpfen, da dieses Projekt komplett innerhalb der Heitec-Gruppe realisiert wurde. In diesem Projekt wurden mit dem Kunden die Details besprochen, während wir bereits das Basismodell im CAD konstruierten. Diese Daten wurden in die virtuelle 3D-Plattform importiert, gefiltert und mit den Objekten der virtuellen Maschine verbunden. Basis für die virtuelle Maschine war die Geräteliste des Maschinenbaukonstrukteurs, die als Excel-Datei zur Verfügung stand. Aus dieser Geräteliste wurde über eine Interpretationsmethode der Elektroplan für die virtuelle Maschine automatisiert erstellt. Die virtuelle Inbetriebsetzung hatte bereits stattgefunden, obwohl das Projekt noch nicht den Konstruktionstisch verlassen hatte. In der Produktion von Rädern hat die Typenvielfalt stark zugenommen, so dass das Verhältnis Produktionszeit zu Umrüstzeit unwirtschaftlich geworden ist. Bei hoher Umrüstzeit und ständigem Typenwechsel sinkt die reale Produktionszeit, da die Umrüstung an der Maschine erfolgen muss. Mit der virtuellen Maschine und der entsprechenden Automatisierungsumgebung können mit einem gewissen Entwicklungsaufwand die Umrüstungen bereits im Büro des Produktionsplaners erfolgen. Ein Download der erstellten Rezeptur in die Maschine kann die Umrüstzeit mit der verbundenen Produktion erheblich reduzieren.

Virtuelle Modelle als Schlüssel zur Effizienz

Im zweiten Projekt, eine Montagelinie für Solarmodule, wurde ohne jegliche Maschinendaten ein virtuelles Modell aus vorhandenen Objekten erstellt. Ziel war herauszuarbeiten, dass eine virtuelle Inbetriebsetzung gegenüber einer realen Vorinbetriebnahme Vorteile bieten kann. Es zeigte sich, dass nicht nur aufwändige Probe-Aufbauten reduziert werden können, sondern die virtuelle Inbetriebnahme auch dazu dienen kann, Anlagenbediener und Wartungspersonal qualifiziert zu schulen. Beim dritten Projektbeispiel handelt es sich um das Retrofit einer Produktionsanlage für Vliesstoffe. Der Kunde hatte zwei große Probleme: Zum einen waren wichtige Komponenten zum Austausch nicht mehr verfügbar, zum anderen stiegen die Umrüstzeiten wegen einer zunehmenden Produktvielfalt stark an. Die Wirtschaftlichkeit nahm ab und die Personalkosten für die Umrüstungen stiegen. Heitec-Ingenieure entwickelten und testeten die Software für das neue Konzept. Hier war Vorgabe des Kunden, die Anlage durch die Umrüstmaßnahmen immer nur minimal stillzulegen. Dazu musste die Zeit zur Wiederinbetriebnahme drastisch reduziert werden. Im Projekt entwickelten die Ingenieure neue Funktionen und gestalteten die Produktionsleitsoftware wesentlich intelligenter, als dies bis dato an der Anlage verfügbar war. Dafür waren jedoch mehr Informationen nötig, weswegen neue Schnittstellen und neue Bussysteme erforderlich wurden.
Für Heitec als Dienstleistungsunternehmen ist das Konzept der virtuellen Maschine und der damit verbundenen neuen Möglichkeiten im qualifizierten und automatisierten Prozess der Projektentwicklung eine entscheidende Methode, um den Gegebenheiten auf dem Markt, etwa zunehmender Kosten- und Termindruck, auch künftig entgegenzutreten. 

Autor: Harald Preiml ist Vorstand der Heitec AG in Erlangen.