Virtuelle Inbetriebnahme: Digitale Zwillinge im Anlagen- und Maschinenbau

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Viele Unternehmen stehen heute vor der Entscheidung, eine Softwarelösung zur virtuellen Inbetriebnahme im Workflow zu etablieren und stellen sich die Frage, ob dieses Vorhaben den Erfolg bringt. So ging es auch der F.EE-Unternehmen­s­gruppe, mit rund 1.100 Mitarbeitenden einer der Marktführer in der Fertigungs- und Automatisierungstechnik.

Virtuelle Inbetriebnahme: Die F.EE-Unternehmensgruppe nutzt ihre über 40-jährige Erfahrung für die Entwicklung von Produkten und Dienstleistungen in den Bereichen Automatisierungstechnik, Robotik, Schaltschrankbau, Informatik und Industriesoftware.

Probleme bei realer Inbetriebnahme

„Als Spezialist für Automatisierungstechnik beschäftigen wir uns seit rund zwanzig Jahren mit dem Thema SPS-Simulation und der fortlaufenden Optimierung des Inbetriebnahmeprozesses“, erklärt Franz Weinzierl, technischer Geschäftsführer der F.EE GmbH. Auf dem herkömmlichen Weg – also vor Einführung der virtuellen Inbetriebnahme – galt es, in kurzer Zeit eine nur wenig getestete SPS-Software in Betrieb zu nehmen –und das mit der Herausforderung, vor Ort oft umfassendere
Programmanpassungen durchzuführen. „Es blieben Softwarefehler bis in späte Projektphasen unerkannt, die unter hohem Kosten- und Zeitaufwand, auch bei schon in Produktion befindlichen Anlagen, beseitigt werden mussten. Diese Umstände waren für uns – auch im Sinne der Kundenzufriedenheit – zwingend verbesserungswürdig“, erläutert Weinzierl.

Das Ziel lautete deshalb, durch die Einführung der virtuellen Inbetriebnahme Möglichkeiten zum Absichern der Steuerungssoftware, dem risikofreien Testen kritischer Betriebszustände und komplexer Abläufe sowie zur Validierung und Optimierung von Steuer- und Regelstrategien in einer frühen Projektphase zu schaffen.

Hohe Anforderungen an die virtuelle Inbetriebnahme

Im ersten Schritt wurden die Anforderungen an ein Simulationstool für den Maschinen- und Anlagenbau definiert. „Ein wichtiges Kriterium war hier die Übereinstimmung von virtuellem und realem Modell. Je nach Projekt muss sowohl eine sehr idealisierte als auch detaillierte Anlagensimulation realisierbar sein“, erklärt Weinzierl. Eine offene und leistungsfähige Softwarearchitektur und Programmiersprache stellt die Grundlage dar, um große Anlagen mit einer Vielzahl von speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPSen) in nur einer Simulationsumgebung abbilden zu können, ohne dass sich dabei die Hardware-Anforderungen oberhalb von handelsüblichen PCs bewegen. Auch die „Multi-User-Fähigkeit“, die das gleichzeitige Arbeiten mehrerer Benutzer an einer Simulation möglich macht, muss gewährleistet sein. Am Ende der ersten Phase und der anschließenden Marktanalyse war klar: F.EE entwickelt eine eigene 3D-Simula­tionssoftware für die virtuelle Inbetriebnahme namens „fe.screen-sim“, die sich in die im Hause F.EE bereits vorhandene „fe.screen – Software for Industry“-Produktreihe eingliedern sollte.

Erstes Projekt brachte Durchbruch

Im Jahr 2014 konnte das Simula­tionstool sein Können erstmals unter Beweis stellen. F.EE erhielt den Auftrag eines Automobilherstellers für die Integration einer Elektrohängebahn mit circa 500 Transport- und 250 Montagefahrzeugen. Die gesamte Anlage inklusive acht SPSen wurde bei F.EE simuliert. So konnten in Zusammenarbeit mit dem Kunden alle Fahr- und Sonderfahrweisen, Speicher- sowie Ein- und Ausschleuse-Logiken im Vorfeld getestet werden. „Die reale Inbetriebnahme inklusive Produktionsstart liefen absolut problemlos, und wir konnten nach rund einer Woche bereits mit dem Verfügbarkeitstest beginnen“, erläutert Weinzierl den Erfolg des Projekts.

Frühzeitiges Einbinden

Nach und nach wurden F.EE-intern die für die virtuelle Inbetriebnahme erforderlichen Strukturen etabliert. „Wir haben die Erfahrung gemacht, dass die frühestmögliche Einbindung des Kunden und aller Engineering-Beteiligten – also auch der Mechanik und Elek­trokonstruktion – in den Workflow der virtuellen Inbetriebnahme ein wesentlicher Erfolgsfaktor für deren Einführung und fortlaufende Etablierung im Unternehmen ist. Je früher alle Beteiligten einen gemeinsamen Prozess definieren, desto effektiver kann dieser am Ende auch realisiert werden“, stellt Weinzierl heraus.

Kundenwünsche erfordern Flexibilität

Für die digitalen Zwillinge sind bei F.EE Mitarbeitende mit einem Grundverständnis für Anlagenfunktionalität und SPS-Programmierung verantwortlich. Die Art der Modellerstellung wird vom Kunden und den bereitgestellten Informationen bestimmt. „Idealerweise erhalten wir 3D-Daten aus den Engineering-Tools. Über eine direkte TCP-Verbindung mit „fe.screen-sim“ können alle Informationen digital übernommen werden. Dabei ist die Möglichkeit des bidirektionalen Datenaustausches – also die Rückübertragung der im Simulationstool ausgeführten Änderungen in die CAD-Software – essenziell“, erklärt Weinzierl. „Fe.screen-sim“ gewährleistet auch, dass lediglich idealisierte Modelle erstellt werden können, falls etwa nur eine Simulation der Signale gefordert ist.

Virtuelle Inbetriebnahme als Erfolgsfaktor

Die Vorteile des Einsatzes von digitalen Zwillingen sind für F.EE klar erkennbar. „Besonders die Möglichkeit, bereits in einer frühen Projektphase Machbarkeitsanalysen durchführen und die SPS-Software inklusive Notfall-, Ein- und Auslagerstrategien komplett testen zu können, steigert die Softwarequalität zur Auslieferung enorm. Dadurch entfallen kosten- und zeitaufwändige Nacharbeitsmaßnahmen an der realen Anlage“, erläutert Weinzierl. Darüber hinaus sei der digitale Zwilling mittels VR-Technologie auch für Schulungszwecke nutzbar, und die Multi-User-Fähigkeit stelle insbesondere im Sondermaschinenbau einen erheblichen Vorteil dar.

„Durch das erworbene Know-how bei der Arbeit mit Simulationslösungen verschiedenster Hersteller sowie der praxisorientierten Weiterentwicklung von fe.screen-sim in Verbindung mit den im Rahmen des Einführungsprozesses gesammelten Erfahrungen sind wir heute für unsere Kunden in allen Bereichen der virtuellen Inbetriebnahme ein kompetenter Ansprechpartner.“ Auch für die Mitarbeitenden sei diese mittlerweile ein absolut notwendiger Prozess innerhalb der Toolchain. „Mit Hilfe des digitalen Zwillings nehmen wir heute Anlagen innerhalb von fünf Tagen vor Ort in Betrieb, für die wir früher drei Wochen gebraucht haben“, so der technische Geschäftsführer.

Von Werner Pospiech.

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