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Anlagen virtuell planen

Engineering, Inbetriebnahme und Betrieb erleichtern

Märkte verändern sich immer schneller. Damit jetzt Unternehmen die richtigen Entscheidungen treffen können, brauchen sie flexible, schnelle und vor allem durchgängig digitalisierte Prozesse. Der Erlanger Automatisierungsspezialist Heitec zeigt mit der konsequenten Digitalisierung seiner Engineering-Methoden, wie Planungsrisiken verringert, Anlagen schneller in Betrieb genommen und Prozesse während des laufenden Betriebes optimiert werden können.



Bild: Heitec AG

Die digitale Planung mit modernen Engineering-Methoden und die Anwendung von Technologiebaukästen stellen das Fundament der Anlage dar. Heitec entwickelt seit mehr als zehn Jahren toolübergreifende Schnittstellen und praxiserprobte Technologieobjekte, mit denen sich eine Planungssimulation näher an die Realität führen lässt. Die Technologieobjekte beschreiben physische Komponenten wie Aktoren, Sensoren, Antriebe, Roboter, Förderbänder oder andere technologische Komponenten in ihren kommunikativen, sensorischen und verarbeitenden Möglichkeiten. In einem mechatronischen Ansatz werden Mechanik, Elektrik, Pneumatik/Hydraulik und Software als eine Einheit betrachtet. Die getesteten und standardisierten Module lassen sich in eine virtuelle Umgebung integrieren und vereinfachen die Arbeit der Projekteure und Inbetriebsetzer. Aus den Basismodulen können mittels Geräte- und Stücklisten sowie den Elektroplänen, der Steuerungssoftware, der Aktorik und Sensorik virtuelle Maschinen oder Anlagen erstellt werden.

Digitaler Zwilling unterstützt die Planung

Das digitale Framework Heitec 4.0 unterstützt bei Planung, Betrieb und Optimierung von Anlagen, Maschinen und Prozessen. Aus den oben beschriebenen Technologieobjekten bildet das Modul HEIVM 4.0 virtuelle Modelle von Automatisierungskomponenten – sogenannte Digitale Zwillinge – die zur Planung und Konfigurierung sowie zur Inbetriebnahme einer Anlage verwendet werden können. Mit dem digitalen Zwilling wachsen reale und virtuelle Welt zusammen. Bei der Programmierung von Steuerungen und Robotern verhalten sich die virtuellen Modelle bezüglich ihres zeitlichen und funktionalen Verhaltens und der Kommunikationsschnittstellen absolut identisch zu ihren physischen Vorbildern. Sie haben eine grafische Repräsentation, die aus verfügbaren oder nachkonstruierten CAD-Daten abgeleitet wurde. Gleichzeitig ist für jeden digitalen Zwilling auch die entwickelte Automatisierungssoftware in einer verifizierten Form im Objektmodell hinterlegt. Damit wird es möglich, diese virtuellen Objekte nach der Planung, Simulation und Inbetriebnahme von Anlagen auch dem Prozess-Owner zur Verfügung zu stellen, der dann selbst als kompetenter Fertigungstechnologe die Anlage zusammenstellen und in Betrieb nehmen kann. Er kann, ausgehend von den CAD-Daten der Vorprodukte zusammen mit dem Modul HEIVM 4.0, die Automatisierung seiner Anlage virtuell testen. Weitet man die virtuelle Anlage in den Bereich Logistik aus, können auch Materialflüsse mit dem Ergebnis simuliert werden, dass die Anlagensoftware besser an das reale Anlagenlayout und die Arbeitsabläufen angepasst werden kann. Gleichzeitig erleichtert dies die Inbetriebnahme sowie das Testen von alternativen Lösungen. Mit Blick auf die Gesamtanlage können auf diese Weise schon während der Konzeptphase Takt- und Bearbeitungszeiten optimiert werden. Bei der Auslegung erstmals gebauter Maschinen verkürzt dies alles die Durchlaufzeit um vier bis sechs Wochen.

Der digitale Zwilling optimiert die Produktion

Meist stehen bei der Inbetriebnahme einer Anlage viele Vorprodukte, die verarbeitet werden sollen, noch nicht oder nicht in ausreichender Menge zur Verfügung. Mit dem digitalen Zwilling und den CAD-Daten der Vorprodukte kann man aber die Automatisierung der Anlage auch unter Volllast simulieren und testen. Gleiches gilt auch für den Umstieg auf neue Produkte und der Schulung neuer Mitarbeiter. Auch hier spielt der digitale Zwilling seine Stärken aus. Genau dies macht den Unterschied in der Vorgehensweise: Bisher baute man zuerst die Mechanik und automatisierte dann die Maschine. Jetzt geschieht beides zeitgleich virtuell. Mit der Methodik im Engineering verfolgt Heitec ein anderes Entwicklungsparadigma. In Zukunft kann der Kunde nicht nur die reale Anlage bei dem Maschinenbauer bestellen, sondern auch gleich den digitalen Zwilling mit dazu. Mit den während der Produktion aus der realen Anlage erfassten Informationen wie Auftragsdaten, Qualitätsdaten, Sensorwerten, Fehlermeldungen et cetera in Verbindung mit dem digitalen Zwilling der Anlage, besteht die Möglichkeit, zum Beispiel die Produktion der letzten Schicht im Büro parallel zur weiterlaufenden Produktion zu analysieren. Resultierend aus den Ergebnissen lassen sich so alle Engpässe der Produktionsanlage erkennen und sporadisch auftretende Probleme analysieren. Mit den gewonnenen Erkenntnissen können die richtigen Maßnahmen risikolos am virtuellen Modell getestet werden. Die konsequente Nutzung des digitalen Frameworks über den gesamten Lebenszyklus einer Anlage hält die Produktivität und die Verfügbarkeit der Anlage hoch.

Virtuelle Inbetriebnahme einer Etikettiermaschine

In der neuen Maschinengeneration setzt ein mittelständischer Anbieter von Etikettiersystemen für die Getränke- und Nahrungsmittelindustrie auf einen vollständig modularen Aufbau in Pacdrive 3-Technologie von Schneider Electric. Dabei werden die bisher mechanisch gekoppelten Teile der Antriebstechnik wie Einlaufschnecke, Ein- und Auslaufsterne auf Servotechnik umgestellt. Dies erleichtert, den Produktwechsel noch einfacher und flexibler zu gestalten. Je nach Flaschentischgröße lassen sich bis zu sechs Aggregate platz- und energiesparend kombinieren. Die Maschinen sind so ausgelegt, dass sie bis zu 1.200 Flaschen pro Minute etikettieren, das sind pro Stunde 72.000 Stück. Heitec hatte bei der Entwicklung der neuen Maschinengeneration verschiedene Aufgabenpakete wie den Ein- und Auslauf und die verschiedenen Aggregate in die Gesamtmaschine zu integrieren. Dazu wurde ein virtuelles Modell der Anlage entwickelt. Das Entwicklungsprojekt wurde gemeinschaftlich geplant, doch für Inbetriebnahme stand nur wenig Zeit zur Verfügung. Trotzdem musste die Synchronität aller Komponenten unter Volllast getestet werden. Hier spielte das virtuelle Anlagenmodell seine Stärken aus: Da die reale Inbetriebnahme am virtuellen Modell geschah, konnten alle gegenwärtigen und künftigen Betriebsabläufe in der entsprechenden Produktionsumgebung in Echtzeit abgebildet und mit der Original-Automatisierungssoftware gesteuert werden. In einem Vorabtest des Produktdurchlaufs können so Störungen frühzeitig erkannt und ohne Aufwand beseitigt werden. Auf diese Weise entdeckt man im Zusammenspiel der vielen verschiedenen digitalen Komponenten konzeptionelle Schwachstellen der Konstruktion. So hatte beispielsweise der Übergang zwischen Einlaufstern und Hauptantrieb einen mechanischen Versatz von wenigen Zehntel Millimeter, welcher bei sehr hohen Anlagengeschwindigkeiten von 50.000 bis 70.000 Flaschen pro Stunde zu Resonanzen und damit zum Trudeln der Flaschen führte. Da alles am virtuellen Modell getestet wurde, gab es keine Probleme, dies konstruktiv am CAD-Modell auszubessern, neue Zeichnungen zu erstellen und mit den entsprechenden Bibliothekselementen abzugleichen. In der Praxis läuft die Anlage jetzt ohne Probleme.

Vorteile von modernen Engineering-Methoden und virtuellen Modellen:

  • Qualifizierte Planung von Produktionsanlagen mit digitalen Möglichkeiten reduzieren Planungsfehler. Produktionsanlaufkurven werden kürzer, die Produktqualität und die Stückzahl werden früher erreicht.
  • Bestehende Produktionsanlagen können rund um die Uhr ohne Anlagenstillstände optimiert werden.
  • Neue Produkte können ohne Anlagenstillstände getestet, die Typenintegration kann vorbereitet werden.
  • Umrüstzeiten und Risiken bei Komponentenwechsel können erheblich minimiert werden.
  • Bediener können am digitalen Zwilling qualifiziert werden.

 

Vorteile für Maschinen- und Anlagenbauer:

  • Entwicklungs- und Konstruktionsergebnisse werden am digitalen Modell vor der Fertigung von Komponenten und Maschinenteilen im Zusammenhang getestet.
  • Fehler aller Art werden bei der Inbetriebnahme am virtuellen Modell frühzeitig erkannt, im besten Fall vor dem Beginn der Fertigung von Maschinen.
  • Die Softwarequalität von Standards für Serienmaschinen oder Sonderapplikationen wird am virtuellen Modell auf Produktionsqualität getestet.
  • Mit dem digitalem Zwilling gibt es eine Dokumentation in 3D.
  • Änderungen und Erweiterungen können am digitalen Zwilling vorgenommen werden.
  • Schulungen und Qualifizierung von Mitarbeitern erfolgt am digitalen Zwilling erheblich intensiver.


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