Virtuelle Inbetriebnahme (VIBN)
Der digitale Zwilling bei der SPS-Programmierung
Im Maschinen- und Anlagenbau werden die Zeitfenster zwischen erster Anfrage und gefordertem Abnahme- bzw. Liefertermin immer kürzer. Dies verlangt einen Entwicklungsprozess, der mit den ersten Kundengesprächen beginnt und frühzeitig verwertbare Ergebnisse liefert. Bei der agilen Softwareentwicklung für ereignisbasierte Systeme und für SPS-Systeme steht mit der virtuellen Inbetriebnahme (VIBN) bzw. dem digitalen Zwilling ein leistungsfähiges Tool zur Verfügung, diese Herausforderungen zu meistern. Erfahrungsgemäß entfallen rund 2/3 der Inbetriebnahmezeit auf die Softwareentwicklung.
Durch die Erstellung eines virtuellen Modells bzw. digitalen Zwillings zur Simulation des Verhaltens der Maschine, kann die Softwareentwicklung zu einem deutlich früheren Zeitpunkt beginnen, als bisher üblich.Die Inbetriebnahmezeit wird dadurch um bis zu 80 % verkürzt. Der Softwareentwicklungsprozess wird planbarer und besser strukturiert. Zusätzlich wird die Softwarequalität durch frühzeitige Funktionstests weiter erhöht. Konsequent eingesetzt, profitieren darüber hinaus auch die mechanische Entwicklung und die Elektrokonstruktion bis hin zum Vertrieb von einem solchen Simulationsmodell. Damit erreichen Sie in Ihrem Entwicklungsprozess methodisch und qualitativ das nächste Level.
Warum virtuelle Inbetriebnahme?
„Guten Tag,
ich bin der digitale Zwilling von Wolfram Schäfer, Geschäftsführer der iT Engineering Software Innovations GmbH.
Ich möchte Ihnen gerne schildern, warum wir von der virtuellen Inbetriebnahme so überzeugt sind.
Früher mussten wir immer warten, bis wir an die Maschine konnten, um unsere entwickelte Software zu testen, Fehler zu beheben, zu optimieren und die Inbetriebnahme durchzuführen.
Das mussten wir dann alles unter hohem Zeitdruck, in der zugigen und lauten Fabrikhalle machen. Der Auslieferungstermin an den Kunden blieb aber bestehen, auch wenn die Montage uns viel zu spät die Maschine zur Verfügung stellen konnte. Das war nicht immer leicht. Doch seitdem wir von der Maschine mit ISG-virtuos ein virtuelles Simulationsmodell erstellen können, obwohl die Maschine noch gar nicht ganz fertig ist, ist alles viel besser.
Während der Softwareentwicklung können wir laufend testen, ohne das Risiko, die reale Maschine zu gefährden. Außerdem können wir Szenarien simulieren, die wir in der Realität nur schwierig nachbilden könnten. Das steigert die Softwarequalität nachhaltig und beschert uns wesentlich ruhigere Nächte. Die Inbetriebnahme an der realen Maschine ist dann fast nur noch Formsache. Unsere Kunden sind begeistert, weil sie das Simulationsmodell der Maschine zu testzwecken immer noch haben, obwohl die Maschine bereits beim Kunden steht, egal wo auf der Welt.
Lassen Sie sich überzeugen. Wir beraten Sie gerne und erstellen auch für Sie ein Simulationsmodell Ihrer Maschine zur virtuellen Inbetriebnahme.
Also, vielleicht bis bald.
Ihr
Wolfram Schäfer“
Gestern: die klassische Inbetriebnahme
Bei der klassischen Form der Inbetriebnahme erfolgt die Prüfung und Optimierung der Softwarefunktionen an einer realen Maschine/ Anlage oder einem Roboter. Dabei werden Funktions- und Leistungstests durchgeführt, aber auch Sicherheitsszenarien oder kritische Zustände simuliert. Das alles kann erst nach Fertigstellung der Maschine/ Anlage, meist in der Fabrikhalle oder spätestens beim Kunden geschehen. Dieses Vorgehen erhöht durch den seriellen Ablauf den gesamten Zeitbedarf bis zur Übergabe der Maschine/ Anlage an den Kunden und birgt Risiken (ungeplante Überarbeitung der Software, wenig Zeit für Optimierungen, Beschädigung der realen Maschine/ Anlage, nur Überprüfung „sicherer“ Szenarien etc.).
Bewertung: Tests an der realen Maschine – klassische Inbetriebnahme
Softwaretests in Fabrikhalle
Risiko des Lieferverzugs
Keine Prüfung kritischer Zustände
Unsystematische Testszenarien
In einem modernen, agilen Entwicklungsprozess gepaart mit Methoden zur Erfüllung nicht-funktionaler Anforderungen ist die Erzeugung eines Simulationsmodells zur virtuellen Inbetriebnahme der konsequente Schritt auf ein höheres Niveau.
Softwaretests in Fabrikhalle
Risiko des Lieferverzugs
Keine Prüfung kritischer Zustände
Unsystematische Testszenarien
Was ist eine virtuelle Inbetriebnahme?
In einer speziellen, leistungsfähigen Software (z. B. ISG-virtuos o. a.) wird ein virtuelles Abbild von der zu entwickelnden Maschine/ Anlage aufgebaut. Dabei werden mechanische, elektrische und dynamische Eigenschaften des zu simulierenden Systems realitätsnah abgebildet. Ziel ist es, eine 3D-Simulation des Gesamtsystems mit einem identischen Verhalten zur (künftigen) realen Maschine/ Anlage zu erzeugen. Unterstützung bietet dabei die Software mit umfangreichen Bibliotheken von typischen Elementen und Bauteilen. Teilweise bieten Zulieferer fertige, virtuelle Modelle ihrer Bauteile mit allen relevanten Eigenschaften zum Einspielen in das Simulationsmodell an.
Auf diese Art und Weise wird die gesamte Maschine/ Anlage virtuell abgebildet, auf Wunsch bis hin zu einer ganzen Fabrik („digitale Fabrik“).Der Rechner, auf dem die Simulationssoftware installiert ist, wird nun mit der realen Maschinensteuerung (Steuerungsprogramme für SPS oder Software für ereignisbasierte Systeme) verbunden. Dabei reagiert die Simulationssoftware mit dem erzeugten virtuellen Modell 1:1 identisch, wie (künftig) die reale Maschine/ Anlage. Während der Programmierung der Software für die Maschinensteuerung können nun jederzeit die Funktionen und das mechanische und dynamische Verhalten der Maschine/ Anlage am virtuellen Modell simuliert werden: Das ist die virtuelle Inbetriebnahme.
Bewertung: Tests an virtueller Maschine – virtuelle Inbetriebnahme
Softwaretests am Rechner im Büro
Gefahrlose Prüfung kritischer Zustände
Zeitbedarf für Testszenarien
Unsystematische Testszenarien
Softwaretests am Rechner im Büro
Zeitbedarf für Testszenarien
Gefahrlose Prüfung kritischer Zustände
Unsystematische Testszenarien
Was ist ein digitaler Zwilling?
Der digitale Zwilling beinhaltet das oben beschriebene Abbild einer Maschine/ Anlage. Er ist dadurch charakterisiert, dass alle Zustände und Verhaltensweisen mit den Sensordaten in Echtzeit simuliert werden: Er verhält sich also in allen Betriebsarten genau wie die reale Maschine mit allen ihren Komponenten. Darüber hinaus umfasst der digitale Zwilling zusätzlich z. B. die gesamte Dokumentation von der Entwicklung, über die Bedienung/ Wartung bis zur Entsorgung. Der „wahre“ digitale Zwilling bietet also die Möglichkeit, alle Zustände und Verhaltensweisen einer Maschine/ Anlage stets in der aktuellen Konfiguration, also genau wie die reale Maschine, über den gesamten Produktlebenszyklus zu simulieren. Damit könnten sogar z. B. noch nicht vorhandene Datensätze als Grundlage für Machine Learning erzeugt werden – die Möglichkeiten sind beeindruckend!
Im Idealfall steht über den gesamten Lebenszyklus ein immer aktuelles, virtuelles Simulationsmodell der Maschine/ Anlage zur Verfügung (digitaler Zwilling).
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Einsatzbereiche für die virtuelle Inbetriebnahme bzw. den digitalen Zwilling
- Mechanische Entwicklung, elektrische Entwicklung und Softwareentwicklung bis hin zu einer agilen, engen und parallelen Zusammenarbeit dieser Bereiche (neue Form des Entwicklungsprozesses)
- Inbetriebnahme der Maschine/ Anlage bis hin zu einer ganzen Fabrik
- Schulung/ Einweisung der Maschinenbediener und Servicetechniker
- Dokumentation/ Visualisierung/ Vertrieb vom Angebot bis zur Übergabe an den Kunden
- Wartung/ Service bis zur Validierung neuer Austauschbaugruppen
- Support durch Simulation und Beurteilung des Maschinenverhaltens von Anlagen beim Kunden
- Weiterentwicklung von Funktionen, neuen Softwareständen oder ganzen Maschinenbaureihen
Branchen
Maschinen-/ Anlagenbau
Automatisierung
Automobilindustrie
Logistik
Maschinen-/ Anlagenbau
Automatisierung
Automobilindustrie
Logistik
Virtuelle Inbetriebnahme in der Softwareentwicklung
Zu Beginn entsteht durch die Generierung des Simulationsmodells ein erhöhter Aufwand. Dieser Investition stehen allerdings mögliche Kosten und Risiken gegenüber, die bei Software- oder Konstruktionsfehlern oder gar durch Beschädigung der Maschine während der Inbetriebnahme entstehen können. Ganz abgesehen davon, wird der Prozess der Softwareentwicklung zweifelsfrei hinsichtlich Effizienz und Qualität nachhaltig gesteigert. In der modernen, agilen Softwareentwicklung für komplexe Maschinen/ Anlagen führt mittelfristig kein Weg an der virtuellen Inbetriebnahme vorbei. Hersteller, die diese fortschrittliche Technologie einsetzen, werden gegenüber ihren „klassisch arbeitenden“ Mitbewerbern stets im Vorteil sein.
Ablauf der virtuellen Inbetriebnahme
- In der Simulationssoftware wird ein virtuelles Modell (Kinematik und Logik/ Verhalten) der Maschine bzw. Anlage erstellt.
- Das virtuelle Modell verhält sich exakt wie die reale Maschine.
- Die Steuerung der Maschine wird über den realen Feldbus direkt mit dem PC (Windows mit TwinCAT 3.1) verbunden, auf dem die Simulationssoftware mit dem virtuellen Modell der Maschine installiert ist. Die Simulation erfolgt in Echtzeit.
- Am virtuellen Modell können die gesamte Softwareentwicklung (Funktionstests, Weiterentwicklungen) bis zur Inbetriebnahme durchgeführt werden.
- Die finale Inbetriebnahme der realen Maschine birgt nun keine unvorhergesehenen Risiken mehr und erfolgt sehr schnell.
Vorteile der virtuellen Inbetriebnahme (VIBN) in der Softwareentwicklung
- Softwareentwicklung bereits in früher Konstruktionsphase möglich
- Sehr kurze Time-to-Market (TTM)
- Zeit- und Kosteneinsparung
- Vermeidung von Risiken durch Beschädigung der realen Maschine
- Steigerung der Softwarequalität
- Komfortable Durchführung kritischer Tests, die nur mit hohem Aufwand an realer Maschine provoziert werden könnten oder – noch risikoreicher – niemals durchgeführt werden
- Schulung der Maschinenbediener
- Simulation von Bearbeitungsabläufen an einer „Schattenanlage“
- Test/ Inbetriebnahme am Rechner im Büro möglich, statt in lauter Werkstattumgebung
- Ortsunabhängige Weiterentwicklung der Software möglich
- Angebot von Funktionserweiterungen als innovativer Service und zur Unterstützung des Vertriebs
- Vermeidung von Reisezeiten und ‑kosten, insbesondere von teuren Spezialisten
- Analyse von Fehlern
- Vermeidung von Stillstandzeiten der Maschine beim Kunden
Kunden, die ISG-virtuos einsetzen, berichten von
Der Trend geht zum Einsatz von Simulationswerkzeugen
Simulationssysteme für virtuelle Inbetriebnahme
Am Markt sind verschiedene Simulationssysteme zur virtuellen Inbetriebnahme bzw. zur Generierung eines digitalen Zwillings verfügbar (Auflistung nicht vollständig):
- „Digital Enterprise Suite“ von Siemens AG
- „Emulate3D“ von SimPlan AG
- „fe.screen-sim“ von F.EE GmbH Informatik + Systeme
- „industrialPhysics“ von machineering GmbH & Co. KG
- „ISG-virtuos“ von Industrielle Steuerungstechnik GmbH
- „RF::Suite®“ von EKS InTec GmbH
- „Visual Components 4.2“ von Visual Components GmbH
- „WinMOD®“ von Mewes & Partner GmbH
- u.a
Wir sind Engineering Partner von isg-virtuos aus Überzeugung. Nachfolgend werden beispielhaft die etablierten Systeme von ISG Industrielle Steuerungstechnik näher vorgestellt.
Beispiel: Simulationssoftware „ISG-virtuos“
ISG-virtuos ist eine offene Simulationsplattform, mit der Maschinen/ Anlagen bis hin zu kompletten Produktionssystemen inklusive aller Komponenten (Steuerungen, Roboter, Materialfluss etc.) in deterministischer Echtzeit überprüft und optimiert werden können. Die Simulationen werden aus virtuellen Komponenten erstellt, die – abgelegt in entsprechenden Bibliotheken – jederzeit wiederverwendet und ausgetauscht werden können. So müssen virtuelle Anlagen (z. B. für modulare Maschinenkonzepte) nicht jedes Mal neu erstellt werden, sondern können durch einfachen Austausch der Komponenten konfiguriert werden. Dieser Vorgang kann auch komplett automatisiert werden.
ISG-virtuos deckt Simulationen von Model-in-the-Loop (MiL) über Software-in-the-Loop (SiL) bis hin zu Hardware-in-the-Loop (HiL, auch HITL, HWIL) alle Simulationsbereiche ab. Beim Systemtest wird die deterministische Steuerungsechtzeit mit garantierten Antwortzeiten von z. B. 1 ms durch die direkte Anbindung realer Steuerungen über gängige Feldbusse und den Einsatz von Echtzeit-Betriebssystemen erreicht.
- Die harte Echtzeitfähigkeit (Steuerungsechtzeit < 1 ms) ermöglicht die Hardware-in-the-Loop-Simulation (HiL).
- Externe Schnittstellen: Automatisierte Modellerstellung mit XML-Dateien; Export in gängige Dateiformate; Import von CAD-Daten für 3D Darstellung (z. B. aus CATIA, IGES, Solid Edge, SolidWorks, Pro/E, NX, STEP, Parasolid ..).
Morgen: virtuelle Inbetriebnahme mit Testautomatisierung
Bei der manuellen Ausführung von Tests im Rahmen der virtuellen Inbetriebnahme treten erfahrungsgemäß häufig folgende Probleme auf:
- Die Testszenarien werden nicht immer identisch ausgeführt bzw. es schleichen sich Abweichungen ein und dadurch sind die Ergebnisse nicht mehr direkt vergleichbar. Oder Fehler in der Software werden übersehen, da nicht immer alle denkbaren Variationen durchgespielt werden.
- Bei häufig durchzuführenden Tests (z. B. Regressionstests) entsteht ein hoher Zeitaufwand.
Deshalb entfaltet in der Praxis die virtuelle Inbetriebnahme erst mit der Anbindung eines Systems zur Testautomatisierung die volle Wirkung. Mit der automatisierten Ausführung definierter Testszenarien werden stets fehlerfreie und vergleichbare Resultate ermittelt. Außerdem werden mehr Testzyklen in kürzerer Zeit durchgeführt (z. B. mannlos auch über Nacht). Dadurch können Fehler während der SPS-Programmierung noch früher erkannt und beseitigt werden.
Bewertung: virtuelle Inbetriebnahme mit Testautomatisierung
Vergleichbare Testergebnisse
Optimale Softwarequaltität
Reproduzierbare Zustände
Simulationsvorgabe im Lastenheft
Vergleichbare Testergebnisse
Reproduzierbare Zustände
Optimale Softwarequaltität
Simulationsvorgabe im Lastenheft
Beispiel: Software zur Testautomatisierung „ISG-dirigent“
ISG-dirigent bietet als System die automatisierte Durchführung der Tests von Steuerungssoftware auf der Zielhardware in Verbindung mit dem virtuellen Simulationsmodell (in ISG-virtuos). Es führt einmal erstellte Testabläufe jederzeit selbstständig und reproduzierbar durch. Die Modellierung der Testbausteine erfolgt grafisch unterstützt; spezielle Programmierkenntnisse sind nicht erforderlich. Die Testbausteine sind in verschieden Entwicklungsphasen einsetzbar und bilden die Modularität der Maschinen und Anlagen ab.
iT Engineering Software Innovations ist ein etablierter Engineering-Partner von ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH, Stuttgart. Wir vertrauen aus jahrelanger Erfahrung auf die leistungsstarke und ausgereifte Simulationssoftware „ISG-virtuos“.
Mehr Infos zur ISG Industrielle Steuerungstechnik.
Unsere Erfahrung mit virtueller Inbetriebnahme
Die virtuelle Inbetriebnahme wird vermutlich nie ganz die reale Inbetriebnahme ersetzen können. Denn bei der virtuellen Inbetriebnahme werden keine Montage-/ Verkabelungsfehler etc. oder defekte Bauteile erkannt, die nur an der realen Maschine vorhanden sein können. Außerdem ist die virtuelle Inbetriebnahme immer nur so gut, wie das entsprechende virtuelle Simulationsmodell. Sind bereits dort Ungenauigkeiten oder Fehler „eingebaut“, so wird in der Simulation die reale Maschine nur unzureichend abgebildet. Um dies zu vermeiden, sind bei der Erstellung des Simulationsmodells die entsprechende Erfahrung mit dem Tool und Sorgfalt bei der Abbildung der Realität sehr wichtig.
Bei der Implementierung einer Simulationssoftware in der Entwicklung bzw. bei der Erstellung des ersten virtuellen Modells sollte deshalb unbedingt ein erfahrener Experte hinzugezogen werden, damit Sie schnell und zuverlässig von den Vorteilen dieser Methode profitieren! Es wird immer wieder versucht, dieses leistungsfähige System aus Kostengründen in Eigenregie einzuführen, was nicht selten zu Problemen führt. Danach wird manchmal die Verwendung des Systems eingestellt, obwohl die Ursachen nur in einer nicht optimalen Implementierung liegen. Dieses Risiko sollten Sie bitte nicht eingehen: Wir unterstützen Sie gerne bei der Implementierung oder der Erstellung Ihres ersten Simulationsmodells!
Konsequent weitergedacht ermöglicht das Simulationsmodell der virtuellen Inbetriebnahme eine noch agilere Arbeitsweise aller Entwicklungsabteilungen. Die mechanische Konstruktion, die Elektrokonstruktion und die Softwareentwicklung können parallel ihren jeweiligen Entwicklungsstand im Simulationsmodell/digitalen Zwilling abbilden, testen und optimieren. Sogar der Vertrieb kann die Visualisierungen oder Leistungsanalysen bei der Abstimmung mit dem Kunden einsetzen. Mit dieser unternehmensweiten Veränderung im Entwicklungsprozess profitieren Sie auf allen Ebenen optimal von den Vorteilen der virtuellen Inbetriebnahme bzw. des digitalen Zwillings und sind den meisten Mitbewerbern einen deutlichen Schritt voraus.
Unser Angebot
Die Erstellung eines korrekten virtuellen Modells in der Simulationssoftware ist eine Aufgabe, die Einarbeitungszeit, Sachverstand und Erfahrung erfordert. iT Engineering Software Innovations unterstützt Sie dabei als kompetenter Engineering-Partner.
- iT Engineering Software Innovations erstellt in Zusammenarbeit mit Ihren Experten das virtuelle Modell in der Simulationssoftware und führt die virtuelle Inbetriebnahme durch.
- Auf Ihren Wunsch erhalten Sie das virtuelle Modell Ihrer Maschine (zusätzlich sind Lizenzen von „ISG-virtuos“ bzw. optional zusätzlich von „ISG-dirigent“ erforderlich), damit Sie selbst die Inbetriebnahme durchführen bzw. optional die Testautomatisierung nutzen können.
- iT Engineering Software Innovations unterstützt Sie über die virtuelle Inbetriebnahme hinaus bei der Softwareentwicklung für alle Ihre Maschinen und Anlagen.