Wie virtuelle Inbetriebnahme neue Standards setzt Vom Projektstress zum Planungsvorsprung

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Längst ist die Virtuelle Inbetriebnahme mehr als nur ein Schlagwort, sondern zunehmend fester Bestandteil effizienter Engineering-Prozesse. Wer ihr Potenzial verkennt, verschenkt wertvolle Chancen, denn ihr Nutzen erstreckt sich weit über die Inbetriebnahme hinweg. 

Ein gängiges Szenario aus dem Maschinen- und Anlagenbau: Die SPS wurde programmiert, der Schaltschrank verdrahtet, und unter Zeitdruck beginnt die Inbetriebnahme vor Ort. Softwarefehler, unerwartetes Verhalten von Sensoren oder fehlende Abstimmung haben dann Verzögerungen durch Nachbesserungen und Stress im Projektteam zur Folge. In dieser späten Phase sind solche Fehler besonders kritisch für Zeitpläne und für Kosten. Denn hier gilt: Mit jeder Phase verzehnfachen sich die Kosten für eine Fehlerbehebung.

Frühzeitig testen, Risiken senken, früher starten

Genau da setzt die Virtuelle Inbetriebnahme (VIBN) an. Sie verlagert die Inbetriebnahme und damit die Fehlerbehebung dorthin, wo sie am wenigsten kostet: in die frühen Engineering-Phasen.  Kern der VIBN ist dabei der digitale Zwilling. Ein detailgetreues, virtuelles Abbild der realen Maschine oder Anlage. Für einen hohen Realitätsgrad fließen neben CAD-Daten, Sensor- und Messdaten auch Verhaltensbeschreibungen in den digitalen Zwilling ein.

Während der VIBN lassen sich dann Soft- oder Hardwaresteuerungen und deren HMIs 1:1 an ihn anbinden. Neben einer parallelisierten Softwareentwicklung ermöglicht dies die frühzeitige Prüfung und Optimierung von Bewegungsabläufen und Steuerungslogik, lange bevor das erste Bauteil montiert ist.

Deterministische Echtzeitsimulation

Durch die ständige parallele Absicherung am digitalen Zwilling kann aber nicht nur eine reibungslose Auslieferung sichergestellt werden, man gewinnt auch Zeit für Qualitätssicherung und kann somit hochwertiger liefern.

Voraussetzung für reproduzierbare Ergebnisse und die Genauigkeit der VIBN ist dabei die Möglichkeit der Simulation in Steuerungsechtzeit, kurz die deterministische Echtzeitsimulation. Dies bedeutet, dass der Digitale Zwilling wie die reale Maschine mit Zykluszeiten von bis zu 1 ms reagiert. Bei der Hardware-in-the-Loop-Simulation erhält man somit replizierbare Simulationsergebnisse, und die Steuerung kann wie an der realen Anlage in Betrieb genommen werden. Diese präzise Nachbildung des Verhaltens ist speziell beim Testen von Safety-Funktionen und bei schnellen Bewegungsabläufen von Bedeutung.

Erfahrungen aus der Praxis zeigen: Dank der VIBN verkürzt sich die reale Inbetriebnahme teils von ein bis zwei Monaten auf fünf Tage. In vielen Fällen kann sie sogar früher beginnen, da Steuerungsfunktionen bereits im Vorfeld getestet wurden. Das schafft zeitliche Puffer und verbessert die Planbarkeit. In der Automobil- und Fertigungstechnik wird die Virtuelle Inbetriebnahme daher immer häufiger vorausgesetzt und auch andere Branchen erkennen ihren Nutzen und folgen diesem Beispiel.

Mehr Abstimmung, weniger Missverständnisse

Auch aufseiten der Mitarbeiter und Projektbeteiligten ergeben sich Vorteile. Die VIBN und der Digitale Zwilling fördern den Austausch zwischen den verschiedenen Disziplinen und mit dem Kunden. Neue Konzepte und Änderungen können im Rahmen der VIBN umgehend geprüft werden. Das verbessert das Verständnis für das Gesamtsystem, verhindert Missverständnisse und vermeidet Fehlentwicklungen.

Einmaliger Aufwand, langfristiger Nutzen

Auch jenseits der frühzeitigen Absicherung technischer Abläufe bietet die virtuelle Inbetriebnahme neue Möglichkeiten:

• beschleunigte Entwicklungsprozesse: Bei Neuentwicklungen reduziert die VIBN dank virtuellem Prototyping und frühzeitigen Machbarkeitsanalysen die Zahl realer Prototypen sowie Hardware- und Entwicklungskosten und beschleunigt den Time-to-Market. Bei bestehenden Anlagen lassen sich Kosten- und Prozessoptimierungen systematisch analysieren.
• immersive Marketing-Erlebnisse und belegbare Vertriebskennzahlen: Die VIBN ersetzt starre Datenblätter durch interaktive Simulationen: Machbarkeiten und Kundenwünsche lassen sich direkt am Digitalen Zwilling interaktiv prüfen. Und mit der VR-Brille eröffnet sich selbst für komplexe oder große Maschinen ein immersives Kundenerlebnis, ob auf Messen oder im Kundengespräch, ob vor Ort oder remote.
• mehr Sicherheit und Detailtiefe bei der Schulung: Durch VIBN können Fehlerfälle und Bedienvorgänge realitätsnah simuliert werden. So kann das Betreiberpersonal vor Auslieferung der Anlage sicher und ortsunabhängig geschult werden. Der Digitale Zwilling liefert dabei detaillierte Einblicke und trägt so wesentlich zum Maschinenverständnis und zur Betriebssicherheit bei.
• Service und Wartung ohne Stillstand: Auch im Bereich Maintenance und Retrofit kann die VIBN wertvolle Vorteile bieten: Fehlerfälle und Wartungseinsätze können am Digitalen Zwilling vorab remote nachgestellt und analysiert werden, ganz ohne Stillstandszeiten.

So gelingt der Einstieg

Ein häufiger Einwand ist der initiale Aufwand für die Erstellung digitaler Zwillinge für die VIBN. Tatsächlich amortisieren sich die Investitionen meist bereits mit dem ersten Projekt. Der Schlüssel liegt in der Wiederverwendbarkeit.

Da Maschinen und Anlagen oft aus modularen, standardisierten Komponenten bestehen (zum Beispiel Antriebe oder Fördertechnik), lassen sich diese, einmal modelliert, bei Folgeprojekten wiederverwenden. So entstehen neue digitale Zwillinge mit deutlich geringerem Modellierungsaufwand.

Aber auch Anbieter von Simulationssoftware und Komponentenlieferanten tragen dazu bei, den Modellierungsaufwand zu reduzieren und somit den Einstieg zu erleichtern. So bieten einige Simulationssoftwares wie zum Beispiel ISG-virtuos vorgefertigte Logikbausteine oder Simulationsmodelle etwa von Robotern oder einer Laserscanner-Einheit für den schnellen Aufbau von digitalen Zwillingen an.

Direkt einsatzbereite Simulationsmodelle

Auf Plattformen wie dem „TwinStore“ finden sich hingegen direkt einsatzbereite Simulationsmodelle, die vom Komponentenhersteller selbst zur Verfügung gestellt werden. Vertreten sind hier unter anderem: Sick, Balluff, Zimmer, KEB, Weiss und Krups.

Des Weiteren lassen sich Aufwände und Kosten durch eine skalierbare Simulationsplattform langfristig geringhalten. Einmal erstellte digitale Zwillinge können dann entlang der gesamten Engineering-Kette eingesetzt werden und müssen nicht für verschiedene Anwendungsfälle von Grund auf neu modelliert werden. Neben allen relevanten Simulationsarten (Model-, Software-, Hardware-in-the-Loop) sollte die Simulationsplattform offene Schnittstellen, zum Beispiel zu Steuerungen, VR/AR-Umgebungen und ERP-Systemen besitzen. Auch mit Blick auf künftige Anwendungen im Industrial Metaverse wird diese Flexibilität wichtiger.

Neben der Software ist ein erfahrener Technologiepartner, der nicht nur bei der Einführung unterstützt, sondern Anwender fachlich begleitet, zentral für eine erfolgreiche VIBN. Ebenso entscheidend: ein motiviertes Team, das die neue Technologie mitträgt, denn die virtuelle Inbetriebnahme bedeutet weit mehr als nur ein Toolwechsel: Sie ist Teil eines Transformationsprozesses.

Fazit und Ausblick

Virtuelle Inbetriebnahme ist weit mehr als ein Trend: Die Fähigkeit, Anlagen vorab realitätsnah zu testen, ist ein entscheidender Schlüsselfaktor für Qualität und Wettbewerbsfähigkeit im Maschinenbau. Wer heute die Weichen für virtuelle Inbetriebnahme stellt, profitiert morgen von kürzeren Projektzeiten, stabileren Prozessen und zufriedeneren Kunden. Also: Nicht warten, starten! (anm)

Der Autor, Dr.-Ing. Florian Eger, ist Department Manager Simulation Technology bei der ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH.

Weitere Informationen: https://www.isg-stuttgart.de/

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