Perfekte Kombi für eine reibungslose Inbetriebnahme

Produktionsanlagen sind komplexe Systeme aus verschiedenen, miteinander verbundenen Modulen wie Bearbeitungs-, Montage- und Verpackungsstationen. Die Inbetriebnahme ist als Endphase der Entwicklung ein kritischer Moment, da Fehler, die erst spät im Prozess entdeckt werden, erhebliche Kosten und Zeitverzögerungen verursachen können. Die Inbetriebnahme erfolgt üblicherweise rein virtuell oder rein physisch. Bei der virtuellen Inbetriebnahme werden Anlagenmodelle als virtuelle Anlage in Hardware-in-the-Loop-Simulationen verwendet, um eventuelle Probleme im Steuerungsprogramm zu identifizieren. Dabei wird die Steuerung über das zu verwendende Feldbussystem mit der Simulation verbunden. Bei der physischen Inbetriebnahme wird die physische Anlage direkt aufgebaut und getestet. Die virtuelle Inbetriebnahme erfolgt zeitlich vor der physischen Inbetriebnahme. Beide Ansätze zeigen jedoch vor allem bei modularen Produktionsanlagen Einschränkungen.

Schritt für Schritt zur realen Anlage

Denn verschiedene Module und Komponenten kommen oft von verschiedenen Herstellern. Das kann zu Verzögerungen bei der Lieferung führen und die Effizienz der Inbetriebnahme beeinträchtigen. Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems ist die hybride Inbetriebnahme (HIBN), bei der die virtuelle und die physische Inbetriebnahme miteinander kombiniert werden. Die HIBN soll es ermöglichen, ausgehend von der virtuellen Inbetriebnahme die virtuellen Komponenten schrittweise durch physische zu ersetzen, ohne die Steuerungskonfiguration zu ändern. Dadurch entsteht eine hybride Anlagenkonfiguration, die sowohl virtuelle als auch physische Komponenten beinhaltet. Sie ermöglicht es, die physische Anlage schrittweise in Betrieb zu nehmen, während die Funktion der Anlage – wie zuvor bei der virtuellen Inbetriebnahme – in der virtuellen Umgebung überwacht wird. Voraussetzung hierfür ist ein simulationsfähiges Anlagenmodell.

Das technische Konzept sieht ein Gateway als Bindeglied zwischen der Steuerung, der Simulation und den physischen Komponenten vor. Es stellt die Kommunikation zwischen der Steuerung und den virtuellen und physischen Komponenten her und übernimmt die Aufgaben eines Netzwerkswitches. Im Unterschied zu einem herkömmlichen Netzwerkswitch hat das Gateway eine spezielle Eigenschaft – es leitet die Feldbustelegramme, die von der Steuerung gesendet werden, sowohl an die virtuellen als auch an die physischen Komponenten weiter. Dabei werden die Telegramme der Komponenten zusammengeführt und alle Informationen in einem Telegramm gebündelt, das an die Steuerung gesendet wird. Dies stellt ein reibungsloses Zusammenspiel aller beteiligten Komponenten sicher.

Virtuelles und physisches Zusammenspiel testen

Eine prototypische Umsetzung des Konzepts der HIBN erfolgt am ISW der Universität Stuttgart, um die technische Machbarkeit zu demonstrieren. Dabei wird unter anderem das Profinet-Feldbusprotokoll als Beispiel verwendet, um das Zusammenspiel von virtuellen und physischen Komponenten zu testen. Die Tests erfolgen an einer Beispielanlage mit industriellen Komponenten; sie bietet eine realistische Umgebung, um die Funktionalität und Effektivität der HIBN in der Praxis zu überprüfen. Die Experimente befassen sich mit verschiedenen Konfigurationen der hybriden Inbetriebnahme; das Konzept wird je an einem Förderband, am gesamten Förderbandsystem und der gesamten Anlage ohne physische Stückgüter angewandt. So lassen sich Erkenntnisse darüber gewinnen, wie die HIBN in verschiedenen industriellen Kontexten angewendet werden kann und welche technischen Herausforderungen dabei zu bewältigen sind. Die Ergebnisse tragen dazu bei, das Verständnis für die Potenziale und Grenzen der HIBN zu vertiefen und sind eine Grundlage für künftige Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten auf diesem Gebiet.

Vorteile der hybriden Inbetriebnahme

In den Experimenten sind mehrere Vorteile der HIBN gegenüber den rein virtuellen oder physischen Ansätzen identifizierbar. Beispielsweise lassen sich durch die Verwendung virtueller Repräsentationen Lieferverzögerungen einzelner physischer Komponenten besser kompensieren. Eine umfassende Vorabinbetriebnahme von Modulen ist möglich, da das physische Modul in die virtuelle Anlage eingefügt wird und die Gesamtleistung der Anlage im Vorfeld getestet werden kann. Die HIBN kann auch die Kosten für Funktionstests reduzieren, indem der physische Materialfluss durch einen virtuellen ersetzt wird; mehr gründlichere Tests führen zu einer höheren Qualität der Steuerungssoftware. HIBN eignet sich für Branchen mit komplexen, materialflussintensiven Produktionsanlagen. Die Anwendungsbereiche erstrecken sich von der physischen Einzelkomponente bis hin zur Gesamtanlage.

Mit dem zunehmenden Einsatz virtueller Inbetriebnahmen und der damit verbundenen steigenden Verfügbarkeit von Simulationsmodellen ist zu erwarten, dass die Bedeutung der HIBN in Zukunft weiter zunehmen wird.