Plattformbibliothek zur Co-Simulation

Andreas Mühlbauer,

Fabriken virtuell in Betrieb nehmen

Für den Maschinen- und Anlagenbau ist eine Simulationsplattform ein leistungsfähiges Werkzeug, um mit digitalen Zwillingen kostengünstig ganze Anlagen einschließlich des Steuerungssystems zu konfigurieren sowie virtuell auszutesten und in Betrieb zu nehmen.

Mithilfe digitaler Zwillinge und einer Simulationsplattform lassen sich ganze Fabriken virtuell in Betrieb nehmen. © ISG

Die steigende Komplexität von Maschinen und Anlagen führte in den vergangenen Jahren immer mehr dazu, dass man die Steuerungssoftware erst an der realen Anlage abschließend programmiert hat. Mit der Entwicklung digitaler Zwillinge und der virtuellen Inbetriebnahme ist es gelungen, diesen Prozess wieder in die Engineering-Phase zu verschieben. Die virtuellen Komponenten, Baugruppen und Steuerungen eines mechatronischen Systems bilden dabei ihre realen Vorbilder eins zu eins ab, von den Parametern über die Schnittstellen bis hin zum Verhalten. Besonders zu Beginn des Engineerings sind hochauflösende Simulationsmodelle in einer Model- oder Software-in-the-Loop-Simulation für einzelne Prozesse vorteilhaft, um kostengünstig und unkompliziert verschiedene Konstruktionen oder Steuerprozesse durchzuspielen. Die Hardware-in-the-Loop-Simulation (HILS) dient dann dem Testen der realen Steuerungshardware. Bei der HILS wird über den industriellen Echtzeit-Feldbus der digitale Zwilling mit dem Steuerungssystem verbunden. Das Verhalten der Feldbuskomponenten wird so simuliert, dass es keinen Unterschied zum Verhalten realer Feldbuskomponenten gibt. Praxiserfahrungen bestätigen, dass diese digitalen Testsimulationen die Entwicklungsprozesse und Inbetriebnahmen signifikant beschleunigen, zur Qualitätsverbesserung beitragen und Kosten senken. Geht es nun aber darum, entweder die gesamte Fabrik virtuell in Betrieb zu nehmen oder in einer Maschinenbetrachtung den Fertigungsprozess näher zu beleuchten, reicht es nicht aus, idealisierte Simulationsmodelle zu verwenden, sondern man muss die Modellkomplexität massiv steigern.

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Es gilt, alle Interaktionen und Wechselwirkungen zwischen den mechatronischen Prozessen, der Steuerung und dem Bedienverhalten abzubilden und gleichzeitig die Modelltiefe signifikant zu erhöhen. Hierbei werden hochentwickelte Simulationsmodelle aus Mechanik, Elektrik und Softwaretechnik zu einem Gesamtmodell zusammengeführt. Man spricht von einer gekoppelten oder Multidomain-Simulation. Die Herausforderung liegt nicht nur darin, dass diese in Echtzeit erfolgen muss, sondern dass zur Abbildung physikalischer Effekte eine größere Modelltiefe der digitalen Zwillinge benötigt wird als bisher. Deshalb ist es notwendig, die bei der HILS nutzbare Rechenleistung zu steigern. Die Lösung ist eine Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation, deren charakteristische Merkmale Partitionierung, Parallelisierung, Synchronisierung, Datenaustausch und Integrationsschnittstellen sind.

Aus realen Komponenten und Baugruppen werden virtuelle Modelle für die Simulationsumgebung erstellt. © ISG

Multicore-Simulation in Echtzeit

Die Echtzeit-Berechnung komplexer Simulationsmodelle wird durch Parallelisierung möglich. Das bausteinbasierte Systemmodell wird in verschiedene Teilmodelle zerlegt – automatisiert durch das System oder manuell durch den Anwender. Parallele Rechenkerne ermöglichen es, die Gesamtmodellberechnung signifikant zu beschleunigen. Selbst komplexeste Anlagen lassen sich dabei abbilden. Dazu gehören die Beschreibung des jeweiligen Prozesses, das Simulieren des Maschinenverhaltens, etwa hinsichtlich Logik, Kinematik und Dynamik sowie die Verhaltenssimulierung industrieller Steuerungskomponenten einschließlich ihrer Sensorik und Aktorik. Die Modellierungsumgebung zeigt auf, wie das Gesamtmodell auf die einzelnen Rechenkerne verteilt ist und gestattet es, Anpassungen und Umkonfigurationen vorzunehmen. Die Plattform ist somit die Basis für funktionale Lösungen, die es erlauben, verschiedene Modelle miteinander zu kombinieren, unabhängig, ob es sich um SILS- oder HILS-Modelle handelt.

Offenes Bibliothekskonzept zur Integration von Modellen

Eine Simulationsplattform bietet den höchsten Mehrwert für den Anwender, wenn sie über standardisierte Integrationsschnittstellen zur Einbeziehung von Simulationsmodellen Dritter verfügt. Über diese Integrationsschnittstellen lassen sich spezifische Bibliotheken in Simulationslösungen nahtlos integrieren. Den Maschinenbauern bietet dies die Möglichkeit, die Hard- und Softwarekomponenten einer Anlage durchgängig ohne Systembruch zu simulieren, bis hin zur virtuellen Inbetriebnahme ganzer Fabriken. Die modulare Bibliothek wächst kontinuierlich und stellt fertige Teilmodelle zur direkten Integration in verschiedenste Einsatzszenarien zur Verfügung. Dies reduziert nicht nur die notwendigen Modellierungszeiten, sondern erhöht auch die Aussagekraft einer virtuellen Inbetriebnahme, da vorgefertigte Modelle von Simulations- und Komponentenexperten die Realität ideal abbilden. Auch dem Anlagen- und Maschinenbauer bietet das offene Bibliothekskonzept neue Möglichkeiten, wenn er dem Anlagenbetreiber das Simulationsmodell seiner Produktionsanlage zur Verfügung stellt. Nachfolgend sind vier Business Opportunities skizziert.

1. Schulung des Betreiberpersonals

Es ist bereits gang und gäbe, dass Maschinenbauer den Betreibern der Anlagen den digitalen Zwilling ausliefern, damit diese ihn für die Schulung ihres Personals nutzen können. Die Vorteile liegen auf der Hand: Am Rechner lassen sich kritische Situationen simulieren, die man in der Realität auch zu Übungszwecken aus Sicherheitsgründen, oder weil die Produktion laufen muss, nicht verursachen kann. Mit dem Training in der virtuellen Welt können sich die Bediener allerdings gut auf einen Ernstfall vorbereiten, um dann richtig zu reagieren und die Anlage schnellstmöglich wieder anlaufen zu lassen. Durch die Schulung erhöht sich auch die Produktivität der Anlage – kann doch der Anlagenbetreiber nach der realen Inbetriebnahme der Maschine sofort loslegen, ohne zunächst einen „Bediener-Crashkurs“ absolvieren zu müssen und die Anlage dabei zu blockieren.

 2. Service „Predictive Maintenance“

Anlagen sind regelmäßig zu warten. Zumeist übernimmt das der Maschinenbauer oder ein darauf spezialisierter Dienstleister. Mit einem digitalen Zwilling der Anlage und dem zusätzlichen Einsatz eines Predictive Maintenance Tools können die Wartungsunternehmen dem Kunden als zusätzlichen Service eine vorausschauende Wartung anbieten. Dabei geht es darum zu erkennen, wenn sich ein Problem gerade beginnt zu entwickeln. Die virtuelle Anlage dient als „Golden Reference“ – weichen die Parameter der realen Anlage davon ab, dann ist gegebenenfalls ein Eingreifen notwendig. Das zugrunde liegende Predictive Analytics-Modell berücksichtigt sowohl die aktuellen Betriebsdaten als auch verfahrenstechnische Zusammenhänge und relevante Einflussfaktoren der Anlagenperipherie. Durch den Vergleich mit historischen Daten, z. B. durch eine integrierte KI-Lösung, kann ermittelt werden, wie sich die Daten höchstwahrscheinlich weiterentwickeln und erlaubt so ein Gegensteuern, bevor der Schadensfall eintritt. Ein ebenfalls auf Predictive Maintenance basierendes Geschäftsmodell besteht darin, dass sich der Dienstleister nicht die Wartungsmaßnahmen, sondern eine garantierte Anlagenverfügbarkeit vergüten lässt. An ihm liegt es dann, die Maschine entsprechend in Stand zu halten.

3. Kompass zur besten technischen Lösung

Heute gibt es kaum noch Maschinen von der Stange. Die Regel ist eher die an Kundenwünsche angepasste Einzelanfertigung. Genau hier liegt oft die Schwierigkeit für den Besteller – was ist denn die für ihn optimale Lösung? Der Anlagenbauer kann mit ihm dafür bereits vor der Angebotsphase ein Vor-Projekt durchführen, bei dem sie verschiedene Konfigurationen auf der Simulationsplattform durchspielen. Der Aufwand ist dabei umso geringer, je mehr digitale Komponenten bereits in den Bibliotheken vorhanden sind. Es ist zudem zu erwarten, dass der Käufer dann auch diesen Maschinenbauer mit der Realisierung der Anlage beauftragt.

 4. Retrofitting digital

Statt neu zu bauen, lohnt es sich in vielen Fällen, vorhandene Anlagen durch den Austausch veralteter Komponenten zu modernisieren oder für ein neues Produkt umzurüsten. Analog zum Engineering einer Neuentwicklung lässt sich der Aufwand dafür deutlich reduzieren, wenn der Betreiber das Retrofitting zunächst virtuell auf der Simulationsplattform vollzieht. Voraussetzung dafür: Sein Anlagenbauer stellt ihm gegen entsprechende Gebühren die digitalen Zwillinge und Simulationsmodelle zur Verfügung.

 Ortsunabhängiger Zugriff, Redundanz und Wissenstransfer

Eine offene und multicore-fähige Simulationsplattform ermöglicht Co-Simulationen in Echtzeit. Konstrukteure können so einerseits umfangreiche Testläufe mit unterschiedlichen virtuellen Steuerungen durchführen, um mit relativ geringem Aufwand und in kurzer Zeit das für die jeweilige Anlage optimale Steuerungssystem zu finden. Andererseits lässt sich nun eine Gesamtanlage durchgängig simulieren und damit virtuell in Betrieb nehmen. Die Plattform sollte erweiterbare Simulationsbibliotheken enthalten, die es zudem gestatten, über entsprechende Schnittstellen hochspezialisierte, technologiespezifische Simulationslösungen Dritter zu integrieren. Es zeigt sich zudem, dass eine gemeinsame, mitwachsende Online-Plattform sehr krisensicher ist. Stichworte dafür sind ortsunabhängiger Zugriff, Redundanz und Wissenstransfer. Den Anlagenbauern bieten sich zudem neue Erlösquellen – durch die Bereitstellung der digitalen Zwillinge, von Simulationsmodellen und Dienstleistungen wie vorausschauender Wartung.

Dr. Christian Daniel, Business Manager Simulation Technology und Dr. Christian Scheifele, Leiter F&E Simulation Technology, beide ISG Industrielle Steuerungstechnik

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