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.

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Warum virtuelle Inbetriebnahme?

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„Guten Tag, 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“
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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

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Softwaretests in Fabrikhalle

Softwaretests werden erst nach Fertigstellung der Maschine bzw. Anlage in der Fabrikhalle oder sogar erst beim Kunden durchgeführt, meist unter schwierigen Umgebungsbedingungen.
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Risiko des Lieferverzugs

Prozess der Inbetriebnahme mit Änderungen, Optimierungen oder bei Problemen verlängert die Lieferzeit der Maschine bzw. Anlage an den Kunden; dadurch drohen Konventionalstrafen.
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Keine Prüfung kritischer Zustände

Bei der Inbetriebnahme besteht immer das Risiko, bei Fehlern oder Prüfung kritischer Zustände die Maschine oder Anlage zu beschädigen (Kostenrisiko, Zeitverzug, Imageverlust).
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Unsystematische Testszenarien

Die Inbetriebnahme wird nicht immer in gleicher Form oder bei hohem Zeitdruck möglicherweise nicht umfassend durchgeführt.
Die Inbetriebnahme kann bis zu 25% der Gesamtdurchlaufzeit eines Projektes betragen. Dieser Umstand hat zur Entwicklung von Simulationsmodellen zur virtuellen Inbetriebnahme (VIBN) geführt. Ursprünglich stand primär die Verkürzung der Inbetriebnahmezeit im Vordergrund. Doch dann haben auch die Aspekte zur Steigerung der Softwarequalität und die Reduzierung der gesamten Entwicklungszeit bis zur Markteinführung (Time-to-Market) deutlich an Bedeutung gewonnen.

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.

So wird die gesamte Maschine bzw. 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. Während der Programmierung der Software für die Maschinensteuerung können nun jederzeit die Funktionen und das mechanische und dynamische Verhalten der Maschine am virtuellen Modell simuliert werden: Das ist die virtuelle Inbetriebnahme.

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Bewertung: Tests an virtueller Maschine - virtuelle Inbetriebnahme

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Softwaretests am Rechner im Büro

Softwaretests und die Inbetriebnahme werden bereits während der Entwicklung unter optimalen Bedingungen am Rechner durchgeführt.
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Gefahrlose Prüfung kritischer Zustände

Am Simulationsmodell können umfangreiche Tests durchgeführt werden: Kritische, irreguläre oder in der Realität schwierig herzustellende Zustände können gefahrlos überprüft werden.
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Zeitbedarf für Testszenarien

Bei umfangreichen Testszenarien entsteht ein erhöhter Zeitbedarf, sobald neue Softwarestände vorliegen, die z. B. Einfluss auf unterschiedliche Funktionen der Maschine/ Anlage haben.
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Unsystematische Testszenarien

Die Testszenarien werden möglicherweise nicht immer in gleichem Umfang und in gleicher Form durchgeführt und sind abhängig vom Bediener des Simulationsmodells.

Was ist ein digitaler Zwilling?

Der digitale Zwilling beinhaltet das oben beschriebene Abbild einer Maschine bzw. Anlage.  Er ist dadurch charakterisiert, dass alle Zustände und Verhaltensweisen mit den Sensordaten in Echtzeit simuliert werden: Er verhält sich demnach in allen Betriebsarten genau wie die reale Maschine mit all ihren Komponenten. Darüber hinaus umfasst der digitale Zwilling zusätzlich z. B. die gesamte Dokumentation von der Entwicklung, über die Bedienung und Wartung bis zur Entsorgung.

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

    1. In der Simulationssoftware wird ein virtuelles Modell (Kinematik und Logik/ Verhalten) der Maschine bzw. Anlage erstellt.
    2. Das virtuelle Modell verhält sich exakt wie die reale Maschine.
    3. 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.
    4. Am virtuellen Modell können die gesamte Softwareentwicklung (Funktionstests, Weiterentwicklungen) bis zur Inbetriebnahme durchgeführt werden.
    5. Die finale Inbetriebnahme der realen Maschine birgt nun keine unvorhergesehenen Risiken mehr und erfolgt sehr schnell.
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Vorteile der virtuellen Inbetriebnahme (VIBN) für die 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

Mögliches Optimierungspotenzial durch Einsatz von Simulationssoftware

reduzierte
Inbetriebnahmezeit

reduzierte
Produktentwicklungskosten

optimierte
Anlagenperformance

reduzierte
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.
Wir sind Engineering Partner von isg-virtuos aus Überzeugung.
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

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.

Deshalb entfaltet die virtuelle Inbetriebnahme in der Praxis 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.

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Bewertung: Virtuelle Inbetriebnahme mit Testautomatisierung

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Vergleichbare Testergebnisse

Definierte Testszenarien liefern zuverlässige und miteinander vergleichbare Ergebnisse, ohne Abhängigkeit vom Bediener des Simulationsmodells.
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Optimale Softwarequalität

Gewährleistung einer optimalen Softwarequalität, durch die im Entwicklungsprozess regelmäßige Durchführung umfangreicher, zuvor festgelegter Testszenarien.
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Reproduzierbare Zustände

Die Testergebnisse sind durch definierte Simulationsszenarien einfach reproduzierbar und „diskutierbar“, inklusive Protokollierung.
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Simulationsvorgabe im Lastenheft

Die definierten Simulationsszenarien können als Bestandteil des Anforderungsmanagements bereits ins Lastenheft aufgenommen werden.

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.

Logo von ISG dirigent - Software von Industrielle Steuerungstechnik GmbH

Unsere Erfahrung mit virtueller Inbetriebnahme

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.

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!

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.