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.
Warum virtuelle Inbetriebnahme?
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„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.
Wolfram Schäfer
Geschäftsführer IT Engineering Software Innovations
Gestern: die klassische Inbetriebnahme
Bei der klassischen Form der Inbetriebnahme erfolgt die Prüfung und Optimierung der Softwarefunktionen an einer realen Maschine bzw. 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 bzw. Anlage, meist in der Fabrikhalle oder spätestens beim Kunden geschehen.
Durch den seriellen Ablauf erhöht dieses Vorgehen den gesamten Zeitbedarf bis zur Übergabe an den Kunden und birgt Risiken, wie die ungeplante Überarbeitung der Software, zu wenig Zeit für Optimierungen, eine Beschädigung der realen Maschine bzw. Anlage oder die alleinige 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.
Was ist eine virtuelle Inbetriebnahme?
In einer speziellen, leistungsfähigen Software wird ein virtuelles Abbild von der zu entwickelnden Maschine bzw. 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 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.
Bewertung: Tests an virtueller Maschine – virtuelle Inbetriebnahme
Softwaretests am Rechner im Büro
Gefahrlose Prüfung kritischer Zustände
Zeitbedarf für Testszenarien
Unsystematische Testszenarien
Was ist ein digitaler Zwilling?
Der „wahre“ digitale Zwilling bietet also die Möglichkeit, alle Zustände und Verhaltensweisen einer Maschine 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 stets aktuelles, virtuelles Simulationsmodell der Maschine bzw. Anlage zur Verfügung (digitaler Zwilling).
Einsatzbereiche für virtuelle Inbetriebnahme & digitalen Zwilling
- Mechanische -, elektrische und Softwareentwicklung bis zur agilen, engen und parallelen Zusammenarbeit dieser Bereiche
- Inbetriebnahme der Maschine bzw. Anlage bis hin zu einer ganzen Fabrik
- Schulung/ Einweisung der Maschinenbediener und Servicetechniker
- Dokumentation, Visualisierung und Vertrieb vom Angebot bis zur Übergabe an den Kunden
- Wartung und 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
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 hinsichtlich Effizienz und Qualität nachhaltig gesteigert.
In der modernen, agilen Softwareentwicklung für komplexe Maschinen und 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) für die Softwareentwicklung
Entwicklung der Steuerungssoftware unabhängig von der real existierenden Maschine
- Softwareentwicklung bereits in früher Konstruktionsphase möglich
- Sehr kurze Time-to-Market (TTM)
- Zeit- und Kosteneinsparung
Test aller Funktionen der Steuerungssoftware & Simulation kritischer Zustände am virtuellen Modell
- 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
Simulationen & Tests nach Auslieferung beim Kunden vor Ort
- 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
Mögliches Optimierungspotenzial durch Einsatz von Simulationssoftware
80%
reduzierte Inbetriebnahmezeiten
20%
reduzierte Produktentwicklungskosten und ‑zeiten
10%
optimierte Anlagenperformance
20%
Projektkosten
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:
- „Digital Enterprise Suite“ von Siemens 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
- „Emulate3D“ von SimPlan AG
- „WinMOD®“ von Mewes & Partner GmbH
- u.a.
Hier werden beispielhaft die etablierten Systeme von ISG Industrielle Steuerungstechnik vorgestellt.
iT Engineering Software Innovations ist ein etablierter Engineering-Partner der ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH. Wir vertrauen aus jahrelanger Erfahrung auf die leistungsstarke und ausgereifte Simulationssoftware „ISG-virtuos“.
Wolfram Schäfer
Geschäftsführer IT Engineering Software Innovations
Beispiel: Simulationssoftware „ISG-virtuos“
ISG-virtuos ist eine offene Simulationsplattform, mit der Maschinen bzw. 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.
- 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, wodurch die Ergebnisse nicht mehr direkt vergleichbar sind. Oder es werden 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.
Bewertung: virtuelle Inbetriebnahme mit Testautomatisierung
Vergleichbare Testergebnisse
Optimale Softwarequalität
Reproduzierbare Zustände
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.
Unsere Erfahrung mit virtueller Inbetriebnahme
Grenzen
Die virtuelle Inbetriebnahme wird die reale Inbetriebnahme vermutlich nie ganz 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 die reale Maschine in der Simulation 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.
Empfehlung
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! Immer wieder wird versucht, dieses leistungsfähige System aus Kostengründen in Eigenregie einzuführen, was nicht selten zu Problemen führt.
Nach diesen Erfahrungen wird oft die Verwendung des Systems eingestellt, obwohl die Ursachen nur in einer nicht optimalen Implementierung liegen. Dieses Risiko sollten Sie nicht eingehen: Wir unterstützen Sie gerne bei der Implementierung oder der Erstellung Ihres ersten Simulationsmodells!
Ausblick
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 bzw. im 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 all Ihre Maschinen und Anlagen.