Die virtuelle Inbetriebnahme ist wichtiger Bestandteil der Industrie 4.0. Sie dient dazu, Planungsdaten auf einer virtuellen Maschine, dem sogenannten "digitalen Zwilling" einzuspielen und zu erproben, bevor diese auf die reale Maschine übertragen werden. Wie man mit Hilfe dieser erstaunlichen Technologie bereits in den frühen Entwicklungsphasen Fehler aufdeckt und Kosten senkt, erklärt der folgende Artikel.
Um zu erklären, wie die virtuelle Inbetriebnahme funktioniert, erfolgt zunächst eine Abgrenzung von der klassischen Form beziehungsweise der sogenannten realen Inbetriebnahme. Bei dieser werden die entwickelten Softwarefunktionen an der realen Maschine beziehungsweise Anlage geprüft und optimiert. Während dieses Prozesses erfolgen verschiedene Funktions- und Leistungstests sowie Simulationen von Sicherheits-Szenarien und kritischen Zuständen.
Die reale Inbetriebnahme kann erst nach der Fertigstellung der Maschine vorgenommen werden. Dadurch verlängert sich der Zeitraum, der vergeht, bis die Maschine an den Kunden übergeben werden kann. Außerdem birgt dieses Vorgehen diverse Risiken. So kann es zu Beschädigungen an der Maschine oder ungeplanten Überarbeitungen der Software kommen.
Bei der virtuellen Inbetriebnahme (VIBN) dagegen erfolgt das Einspielen und Testen auf einem Rechner beziehungsweise einer virtuellen Maschine, die auch als "digitaler Zwilling" bezeichnet wird. Erst im Anschluss werden die an diesem Modell optimierten Programme auf die reale Anlage oder Maschine übertragen. Die virtuelle Planung ermöglicht, dass Fehler schon in den frühen Phasen der Entwicklung entdeckt und beseitigt werden können. Mehraufwände und Kosten, die bei einem direkten Einsatz am realen System entstehen würden, lassen sich so vermeiden.
In einer speziellen Software wird für die virtuelle Inbetriebnahme ein Abbild von der zu entwickelnden Maschine erstellt. Dabei bildet man virtuell sämtliche mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Systems realitätsgetreu nach – und erhält eine 3D-Simulation der künftigen realen Maschine, die sich genau wie diese verhält. Dabei bieten die meisten VIBN-Softwares Unterstützung, indem sie typische Bauteile und Komponenten zur Verfügung stellen. Viele Zulieferer bieten zudem fertige virtuelle Zwillinge ihrer Bauteile an, die einfach in die Simulation integriert werden können.
Ziel der VIBN ist es also, das komplette Maschinensystem virtuell abzubilden. Dabei können nicht nur einzelne Maschinen oder Anlagen wie beispielsweise Roboter abgebildet werden, sondern sogar ganze Fabriken. Der digitale Zwilling – also das Abbild der Maschine oder Anlage – verhält sich genau wie die reale Maschine und ihre einzelnen Komponenten. Er kann also alle Verhaltensweisen über den gesamten Lebenszyklus der Maschine in Echtzeit simulieren. Außerdem umfasst der digitale Zwilling alle Informationen der realen Maschine – beispielsweise zu Entwicklung, Bedienung, Wartung und Entsorgung.
Anschließend wird der Rechner, auf dem die Simulation erstellt wurde, mit dem Steuerungsprogramm der realen Maschine verbunden. In der Folge zeigt das virtuelle Modell in der Software 1:1 identische Reaktionen wie die künftige reale Maschine. Das virtuelle Modell kann nun auf Wunsch programmiert werden. So lassen sich Funktionen für die Maschinensteuerung und ihr mechanisches Verhalten am virtuellen Modell simulieren und testen.
Gerade in der Produktion von Maschinen und Anlagen hat die virtuelle Inbetriebnahme einen hohen Nutzen. Voraussetzung ist, dass das Verfahren richtig eingesetzt wird. Bei korrekter Durchführung verkürzen sich durch die VIBN die Zeiten für Entwicklung und Inbetriebnahme. Die Folge sind deutliche Effizienzsteigerungen in der Fertigung.
Besonders empfehlenswert ist der Einsatz von VIBN dann, wenn es sich um eine sehr komplexe Maschine handelt oder für die Testung der echten Maschine teure Materialien nötig wären. Auch wenn die zur Verfügung stehende Zeit für eine Inbetriebnahme der realen Maschine knapp bemessen ist, lohnt sich die virtuelle Inbetriebnahme. Außerdem kann man mit der VIBN Stillstandzeiten beim Umbau bestehender Anlagen verkürzen. Letztendlich führt dies zu einer höheren Planungssicherheit.
Die Einsatzbereiche für die virtuelle Inbetriebnahme sind vielfältig. Anwendung findet das Verfahren vor allem im Rahmen der Automatisierung in der industriellen Fertigung, also in Branchen wie dem Maschinen- und Anlagenbau, der Automobilindustrie und der Logistik. Hier kommen digitale Zwillinge in der Entwicklung mechanischer und elektrischer Maschinen und Anlagen, sowie in der Softwareentwicklung zum Einsatz.
Digitale Zwillinge erweisen sich insbesondere in den folgenden Bereichen als hilfreich:
Zwar ist es so, dass der Aufwand für die Generierung des virtuellen Modells am Anfang recht hoch ist. Diese Investition lohnt sich aber angesichts der möglichen Kosten, die durch Software- oder Konstruktionsfehler sowie Beschädigungen während einer realen Inbetriebnahme entstehen könnten. Zudem steigen Qualität und Effizienz der gesamten Softwareentwicklung.
Die VIBN birgt zahlreiche Vorteile für die Entwicklung von Steuerungssoftware für komplexe Maschinen und Anlagen. So kann die Software bereits in einer frühen Phase der Konstruktion und vollkommen unabhängig von der künftigen Maschine entwickelt werden. Dies hat eine sehr kurze Time-to-Market und damit enorme Zeit- und Kosteneinsparungen zur Folge.
Am digitalen Zwilling können sämtliche Funktionen der Steuerungssoftware – inklusive der Simulation kritischer Zustände – getestet werden. Das vermeidet Risiken wie die Beschädigung der realen Maschine und erhöht zudem die Softwarequalität. Außerdem lassen sich so problemlos auch kritische Testungen durchführen, die aufgrund hoher Aufwände oder Risiken an der realen Maschine nicht durchgeführt werden können. Hinzu kommt, dass die Schulung der Maschinenbediener mit der Simulationssoftware sehr viel einfacher fällt. Auch die Inbetriebnahme erfolgt äußerst komfortabel im Büro statt in der lauten Werkstatt oder Fabrikhalle.
Ein weiterer Vorteil ist die ortsunabhängige Entwicklung und Weiterentwicklung der Steuerungssoftware. So hat man die Möglichkeit, Simulationen und Tests vor Ort beim Kunden, aber auch im eigenen Werk durchzuführen. Das Maschinensystem kann so – ohne jegliche Reisekosten – weiterentwickelt werden, auch die Fehleranalyse ist problemlos "aus der Ferne" möglich. Das vermeidet nicht nur Stillstandzeiten der Maschine beim Kunden, sondern eröffnet zudem die Möglichkeit, dem Kunden innovative Services wie Funktionserweiterungen anzubieten.
Trotz all dieser Vorteile sind sich die Experten weitestgehend einig, dass die virtuelle Inbetriebnahme die reale niemals komplett ersetzen können wird. Denn natürlich kann die VIBN keine Montagefehler wie beispielsweise unsachgemäße Verkabelungen oder defekte Bau- oder Industrieersatzteile an der realen Maschine erkennen.
Hinzu kommt, dass die virtuelle Inbetriebnahme sich immer nur innerhalb der Grenzen des virtuellen Modells bewegt. Befinden sich in diesem Fehler oder Ungenauigkeiten, ist auch die Simulation unzureichend. Damit es gar nicht erst zu solchen Fehlern kommt, sollten bei der Erstellung des Simulationsmodells nur Fachkräfte zum Einsatz kommen, die über Erfahrung im Umgang mit dem Tool verfügen und die nötige Sorgfalt an den Tag legen.
Insbesondere in der Entwicklung komplexer Maschinen und Anlagen ist die virtuelle Inbetriebnahme inzwischen unersetzbar geworden. So verzeichnen Hersteller, die die VIBN anwenden, entscheidende Wettbewerbsvorteile gegenüber Unternehmen, die immer noch ausschließlich auf die klassische Inbetriebnahme setzen.
Denkt man die Möglichkeiten der virtuellen Inbetriebnahme weiter, so ermöglichen Simulationsmodelle eine noch agilere Arbeitsweise in der gesamten Entwicklung. So können die Softwareentwicklung sowie die mechanische und elektronische Konstruktion ihre Entwicklungsstände parallel in ein- und demselben digitalen Zwilling abbilden, testen und optimieren. Darüber hinaus ergeben sich Potenziale für den Vertrieb, der die Visualisierungen und Leistungstests für die Kundenkommunikation nutzen kann. Unternehmen profitieren daher auf allen Ebenen – sowohl im Entwicklungsprozess als auch in anderen Unternehmensbereichen – von den Vorteilen der virtuellen Inbetriebnahme.
