Virtuelle Inbetriebnahme

Andreas Mühlbauer,

Der hilfreiche Zwilling

Ein digitaler Zwilling ist vielseitig. Er kann mehr, als einfach eine komplette Anlage abzubilden. Er kann auch den Stresspegel bei den Anlagenbauern senken. Dank integrierter virtueller Inbetriebnahme sorgt er für verbesserte Arbeitsbedingungen.

Abstimmung mithilfe des digitalen Zwillings. © ISG Industrielle Steuerungstechnik

Eine virtuelle Inbetriebnahme (VIBN) ist der klassische Anwendungsfall für den digitalen Zwilling im Maschinen- und Anlagenbau. Mit ihr lassen sich jedoch nicht nur signifikante Effizienzsteigerungen und kürzere Projektzeiten erreichen. Durch die Vorverlagerung von Aufgaben aus der Ausführungs- in die Engineeringphase entspannt sich die Arbeitssituation während der Errichtung und dem Hochfahren einer Anlage deutlich. Die Techniker haben sehr viel mehr Zeit, die Anlage zu testen und zu optimieren, ohne dadurch den Übergabetermin zu gefährden. Zudem stehen die Engineeringdaten für Forschung und Entwicklung oder für ähnlich gelagerte Aufträge auch noch dann zur Verfügung, wenn die Anlage beim Kunden bereits läuft. Nicht zu vergessen: Dank VIBN lässt sich die gesamte Wertschöpfungskette digital abbilden und sowohl technologisch als auch organisatorisch – beispielsweise hinsichtlich der Lieferketten – optimieren.

Den Druck aus dem Kessel nehmen

Am Ende eines Anlagenbauprojekts geht es zumeist sehr hektisch zu. Die Inbetriebnehmer stehen unter immensem Druck, was akut oder langfristig zu gesundheitlichen Problemen führen kann. Zudem machen gestresste Mitarbeiter mehr Fehler. Können sie jedoch einen Teil ihrer Arbeitsaufgaben vorziehen, indem sie das zu liefernde Produktionssystem virtuell in Betrieb nehmen und austesten, entspannt das die Situation später auf der Baustelle erheblich.

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Außerdem haben die Verantwortlichen so die Möglichkeit, die (virtuelle) Anlage viel umfänglicher und intensiver zu prüfen – mit entsprechend positiven Auswirkungen auf die Qualität. Dazu kommt, dass die Mitarbeiter in der frühen Projektphase noch nicht vor Ort sein müssen, sondern im Büro oder Homeoffice arbeiten können. Die Lärmbelastung ist dort viel geringer als auf der Baustelle. Sie können sich auf ihre Aufgaben konzentrieren, ohne gestört zu werden.

Teamarbeit leicht gemacht

Dank des zeitigeren Informationsaustauschs zwischen den verschiedenen Disziplinen – Mechanik, Elektrik und Software – läuft die Abstimmung strukturierter ab, Passungenauigkeiten oder Missverständnisse werden schneller erkannt und behoben. Doch auch für die Zusammenarbeit mit dem Kunden ist ein Simulationsmodell ein sehr effektives Kommunikationsmittel: Anlagenbauer und der spätere Betreiber können iterativ ihre Ideen und Vorschläge am Modell testen und sich gegenseitig inspirieren. Es findet en passant ein für alle Beteiligten vorteilhafter Wissensaustausch statt.

Durch die VIBN findet die Sicherheitsbetrachtung zu einem sehr frühen Zeitpunkt statt, und man kann bei Bedarf gegensteuern. Als Faustregel gilt: Die Fehlerkosten wachsen in jeder weiteren Projektphase auf das Zehnfache an. Im Umkehrschluss lassen sich diese Kosten also signifikant reduzieren, je zeitiger ein Fehler behoben wird. Die eigene Fertigung wird damit hinsichtlich der Kosten, aber auch der Durchlaufzeit effizienter, der Kunde profitiert von einer gesteigerten Prozessqualität.

Auch abseits des eigentlichen Baus einer Anlage – von der Konzeption bis hin zum Go-live – bringt eine VIBN enorme Vorteile mit sich.

Für den Vertrieb: Der Sales-Ingenieur muss nicht auf Material einer bestehenden Anlage zurückgreifen, die sehr wahrscheinlich nicht dem entspricht, was der aktuelle Kunde möchte. Stattdessen zeigt er ihm ein bewegtes, bereits individuell angepasstes 3D-Modell und kann sogar verschiedene Designs mit ihm durchspielen.

Im Service sowie in Forschung & Entwicklung: Auch bei Bestandsanlagen dient die VIBN dazu, alternative Szenarien hinsichtlich ihrer Machbarkeit, Kosteneffekte und Prozess- optimierung zu testen. Bei Neuentwicklungen verkürzt sich die Time-to-Market erheblich.

In der Aus- und Weiterbildung: Neue Mitarbeiter können sehr praxisnah eingearbeitet werden – an digitalen Anlagen, deren Pendants real existieren. Ebenso lässt sich der digitale Zwilling zur Schulung des Bedienpersonals und in der Ausbildung einsetzen.

Die mitwachsende Komponentenbibliothek

Im Maschinen- und Anlagenbau kommen viele Standardkomponenten zum Einsatz. Selbst Sonderanlagen lassen sich in der Regel zu 80 bis 90 Prozent aus verfügbaren Modulen aufbauen. Liegt der digitale Zwilling einmal vor, lässt er sich immer wieder von neuem benutzen. Die späteren Anwender haben zudem die Sicherheit, dass es sich dabei um praxiserprobte Einheiten handelt. Noch größer ist das Einsparpotenzial im Hinblick auf sowohl den zeitlichen sowie finanziellen Aufwand, wenn sich mehrere Anlagenbauer und Bauteil-Lieferanten ihre virtuellen Komponenten teilen.

Das gelingt am einfachsten über die plattformbasierte, modulare Online-Komponentenbibliothek TwinStore, die sich stetig erweitern lässt. Sie wächst mit jedem neuen digitalen Zwilling und stellt fertige Teilmodelle zur direkten Integration in verschiedenste Einsatzszenarien zur Verfügung. Damit reduzieren sich die Modellierungszeiten. Zudem erhöht sich die Aussagekraft der virtuellen Inbetriebnahme, da die Modelle existierender Komponenten und Anlagen die Realität ideal abbilden. Als Online-Plattform ist ein orts- und zeit-unabhängiger Zugriff gegeben. Den Anlagenbauern bieten sich zugleich neue Erlösquellen – durch die Bereitstellung der digitalen Zwillinge oder von Simulationsmodellen und Dienstleistungen wie vorausschauender Wartung.

Simulationstechnologie als Teil der Wertschöpfung

Für die VIBN fallen einmalig finanzielle Aufwände für die Hard- und Softwareausrüstung an. Dazu kommen projektbezogene Ausgaben für eigenes Personal oder Dienstleis-ter, die die Simulationsmodelle erstellen und die einzelnen Tests der virtuelle IBN konfigurieren. Bei den Aufwänden für das Durchführen der VIBN selbst handelt es sich jedoch nicht um zusätzliche Kosten, kompensieren sie doch spätere Aufwände bei der realen Inbetriebnahme. Idealerweise haben sich die VIBN-spezifischen Kosten bereits nach dem Anfahren der ersten Anlage amortisiert. Doch maximale Effizienzgewinne erzielt man durch die Wiederverwendung der digitalen Bauteile und der ebenfalls modular aufgebauten Simulationsmodelle. Die virtuelle Steuerung sollte jedoch nicht Bestandteil der Simulation, sondern via Schnittstelle verbunden sein. Entscheidend ist die Durchgängigkeit der eingesetzten Simulationsmethoden – von Model-in-the-Loop über Software-in-the-Loop bis hin zu Hardware-in-the-Loop. Es ist beispielsweise häufig der Fall, dass die Konstrukteure am Projektbeginn noch nicht einschätzen können, welche Antriebstechnik sich am besten eignet. Deshalb arbeiten sie zunächst mit diversen Simulationsmodellen, die sie später durch den digitalen Zwilling ersetzen.

Eine in die digitale Wertschöpfungskette integrierte VIBN zahlt sich für alle Beteiligten aus: Neben Zeitgewinnen und immensen Kosteneinsparungen stehen eine verbesserte Qualität der Produktionssysteme, ihre schnelle Anpassbarkeit sowie neue Möglichkeiten zur Anlagen- und Prozessoptimierung auf der Habenseite. Weitere Pluspunkte sind praxisnahe Schulungen und eine reduzierte Time-to-Market.

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