Virtuelle Inbetriebnahme

Virtuelle Inbetriebnahme (VIBN)

Definition

Unter virtueller Inbetriebnahme ("VIBN") versteht man das Einspielen und Testen von Planungsdaten auf einem Rechner, dem sogenannten "virtuellen System" - zunehmend auch bekannt als "digitaler Zwilling". Je nach Ausprägung des Simulationssystems wird ggf. die statische, auf jeden Fall jedoch die dynamische IBN durchgeführt. Die mit Hilfe dieses mechatronischen Modells optimierten Programme werden im Anschluss auf das reale System (Anlage, Maschine, Roboter) übertragen. Mithilfe der VIBN werden Fehler aufgedeckt und bereits in frühen Entwicklungsphasen beseitigt. Mehraufwendungen und Kosten auf dem realen System können so von vornherein vermieden werden.

Wichtigster Bestandteil der virtuellen Inbetriebnahme ist die 3D-Simulation, die das Systemverhalten 1:1 abbildet. Von einzelnen Systemen (Maschine, Roboter) bis hin zur gesamten Fabrik ("digitale Fabrik") kann alles abgebildet werden. So können auch komplexe Zusammenhänge hinsichtlich Materialfluss und Robotersteuerung nachgebildet werden, womit die Optimierung der gesamten Produktionsplanung möglich wird. Die virtuelle Inbetriebnahme ist zwischenzeitlich in vielen Unternehmen fest etabliert.

Mithilfe der VIBN wird das Zusammenspiel von Mechanik, Elektrik und Software deutlich verbessert - und das bereits vor der realen Inbetriebnahme vor Ort. Die Auslieferungsqualität wird so immens gesteigert, unkalkulierbare Zeitverluste in der realen Inbetriebnahme beim Kunden können vermieden werden. Mit einer in früher Entwicklungsphase aufgesetzten virtuellen Inbetriebnahme werden Inbetriebnahmezeiten verkürzt, Entwicklungs- und Realisierungsaufwände reduziert sowie Prozess- und Produktqualität gesichert. Produktionskosten werden wirkungsvoll gesenkt. Exkurs: Steuerungsebenen der VIBN

Die virtuelle Inbetriebnahme ("VIBN") von Maschinen und Anlagen in der Fertigung hat einen hohen Nutzen, wenn sie richtig eingesetzt wird und einige Voraussetzungen erfüllt werden. Entwicklungs- und Inbetriebnahmezeiten werden verkürzt, eine wesentliche Effizienzsteigerung in der Produktion wird erzielt.

VIBN empfiehlt sich beispielsweise dann, wenn eine Maschine sehr komplexe Abläufe aufweist oder das Zeitfenster für eine Inbetriebnahme der realen Anlage sehr eng ist. Sie lohnt sich außerdem, wenn zum Testen einer Maschine teure Materialien eingesetzt werden müssen. Darüber hinaus können bei Erweiterung oder Umbau bestehender Anlagen Stillstandzeiten reduziert werden, was letztlich zu mehr Sicherheit in der Projektplanung führt.

Virtuelle Inbetriebnahme (VIBN)
Virtuelle Inbetriebnahme (VIBN)
Zeit- und Qualitätsgewinn durch VIBN
Zeit- und Qualitätsgewinn durch VIBN

Reale Inbetriebnahme

Die reale Inbetriebnahme ("reale IBN") eines Systems (Anlage, Maschine, Roboter) erfolgt klassischerweise nach Abschluss der Montage und bestandener Betriebsfunktionsprüfungen. Je nach Erfordernissen und Vereinbarungen werden im Zuge der realen Inbetriebnahme zahlreiche Betriebsprüfungen bei unterschiedlichen Nennbelastungen durchgeführt. Wichtige Bestandteile dabei sind die Prüfung der Leistungsfähigkeit sowie die Erbringung des Leistungsnachweises. Letzterer umfasst sowohl das technische System als auch die Produktion. Mit erfolgreicher Beendigung des Leistungsnachweises geht im Allgemeinen die Verantwortlichkeit für das technische System vom Hersteller auf den Betreiber über. Danach beginnt üblicherweise der Betrieb des technischen Systems (BAUMANN & LOOSCHELDERS, 1982).

Die Inbetriebnahme kann bis zu 25% der Gesamtdurchlaufzeit eines Projektes ausmachen. Über 70% der erforderlichen Zeit für die IBN ist für die vollständige Programmierung der Software erforderlich (VDW 1997). Insbesondere bei Anlagen, die in bestehende Produktionssysteme integriert werden, kann die Inbetriebnahme verkürzt werden, indem bereits während der Konstruktion mittels der virtuellen Inbetriebnahme mit der Programmierung begonnen wird.

Virtuelle Inbetriebnahme mit ISG-virtuos

ISG-virtuos ermöglicht durchgängig die Model-, Software- und Hardware-in-the-Loop-Simulation von Automatisierungssystemen. Letztere ist durch die Echtzeitanforderungen insbesondere bei schnellen Prozessen in den Bereichen Maschinen- und Anlagenbau sowie Robotertechnik notwendig, wenn die Simulation das Verhalten realer Systeme ohne Einschränkungen abbilden soll. Aufgrund fehlender Echtzeitfähigkeit stoßen hier viele Simulationssysteme an ihre Grenzen.

Zunehmend setzen Anlagen- und Maschinenbauer sowie Produktionsunternehmen verschiedener Branchen - über die einmalige Nutzung der digitalen Zwillinge zur Auslegung ihres Systems hinaus - erfolgreich auf das sogenannte "simulation-based engineering".

Virtuelle Inbetriebnahme

Vorteile und Grenzen

Unbestritten ist, dass die VIBN die reale Inbetriebnahme nicht vollständig ersetzen kann, da es unmöglich ist, den "Faktor Mensch" zu simulieren (falsche Verkabelung, geänderte Sensorpositionen, ...) - "Fehlbedienungen" werden erst bei der realen Inbetriebnahme sichtbar.

Anfänglich steht der 3D-Modellierung ein erhöhter Aufwand gegenüber, der sich jedoch schnell ins Gegenteil kehrt, wenn die vermiedenen Kosten zur Fehlerbeseitigung und das frühere Erreichen der Gewinnzone betrachtet werden. Erfahrungsgemäß steigert die virtuelle Inbetriebnahme die Effizienz und minimiert Kosten. Test und Entwicklung von Steuerungsprogrammen können bereits vor Fertigung der Maschine beginnen. Entwicklungszeiten werden verkürzt, Fehlerquellen rechtzeitig ausgeschaltet und Inbetriebnahmekosten minimiert. Gleichzeitig können kritische Situationen durchspielt werden, die an einer realen Anlage zu risikant wären. Ergo: Mit der virtuellen Inbetriebnahme gehen Sie "auf Nummer sicher".

Die Vorteile im Überblick: 

  • Frühzeitige Klärung von Kundenanforderungen
  • Parallele Entwicklung von Software und Mechatronik
  • Verbesserte Kommunikation zwischen mechanischem und elektrischem Engineering
  • Kein unproduktives Warten, da die Steuerung bereichsunabhängig getestet werden kann
  • Höhere Motivation der Steuerungstechniker, da sie ihre Software bereits in einer frühen Projektphase testen können und zusätzlich ein visuelles Feedback bekommen
  • Validierung von Steuerung und Benutzerschnittstellen noch vor dem ersten Prototypen
  • Einhaltung auch enger Zeitfenster für eine Inbetriebnahme des realen Systems
  • Geringere Reisekosten und familienfreundliches Arbeiten durch verkürzte IBN vor Ort
  • Vermeidung von Folgekosten aus Nacharbeiten, Kulanzen und Garantien
  • Sicherheit in der Projektplanung
  • Schnelle Erprobung vieler Bedingungen und Szenarien auch bei komplexen Abläufen
  • Einsparen teurer Materialien für Testläufe am realen System
  • Jederzeitiges Testen alternativer Steuerungskonzepte am Modell, ohne mechanischen Aufbau
  • Kapazitätstests einfach möglich
  • Tests von (Extrem-)Störfällen, die an der realen Maschine oft gar nicht möglich sind
  • Keine Beschädigungen der realen Anlage möglich
  • Reduzierung von Stillstandzeiten bei Erweiterung / Umbau von realen Systemen
  • Risiko-Minimierung bei kurzen Umbauzeiträumen
  • Integrations- und Migrationstests

"Für eine erfolgreiche VIBN sollte diese frühzeitig und durchgängig in das eigene Engineering integriert werden. Bei kundenspezifischen Entwicklungen im Sondermaschinenbau ermöglicht ein Simulationsmodell als technisches Kommunikationsmittel, eine enge Kopplung zwischen dem Lieferanten und dem Betreiber. Beide Beteiligten können ihre Vorstellungen iterativ am Modell abgleichen. Im Serienmaschinenbau ist der Einsatz der Simulationsmodellen bereits in der Angebotsphase von Nutzen, um dem Betreiber eine realistische Darstellung des angebotenen Produkts am bewegten 3D-Modell vorführen zu können. Sowohl für den Sonder- als auch für den Serienmaschinenbau, kann ein sequenzielles Engineering mittels VIBN aufgehoben werden. Die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Disziplinen werden durch eine frühzeitige Zusammenführung der Teilergebnisse am Simulationsmodell sichtbar. Interdisziplinäre Teams, die sich anhand des Simulationsmodells verständigen, entwickeln Teillösungen in agilen, kurzen Zyklen."

VDMA Leitfaden Virtuelle Inbetriebnahme