Viele Firmen sind vom Nutzen paralleler Engineering-Workflows überzeugt, warten aber aufgrund des Implementierungsaufwandes noch mit der Umstellung auf die virtuelle Inbetriebnahme. Dabei beschleunigen Maßnahmen wie die Integration von Bestandsdaten und Schnittstellen-gestützte Automatisierung die Modellerstellung deutlich.
In vielen Unternehmen folgt der Engineering-Prozess einem klassischen Workflow: Eine Anlage wird zunächst geplant und konstruiert, bevor die Erstellung der Schaltpläne und Anlagenelektrik, die Softwareentwicklung, Montage, elektrische Verdrahtung sowie Inbetriebnahme folgt. Im Anschluss wird die entwickelte SPS- und Roboter-Software im Handbetrieb an der realen Anlage getestet beziehungsweise finalisiert, um das definierte Verhalten für den anschließenden Automatikbetrieb sicherzustellen. Dahingehend wird im Hinblick auf das weiter voranschreitende digitale Engineering sowie der damit verbundenen Workflow- und Datenstrukturoptimierung ein Umdenken in vielen Unternehmen stattfinden müssen, um weiterhin erfolgreich am Markt zu bestehen.
Parallel statt sequenziell bearbeiten
Mit dem Einsatz einer Software für die Erstellung eines digitalen Anlagenzwillings – wie die Anwendung fe.screen-sim des Neunburger Softwareherstellers F.EE – wird der Engineering-Workflow von einem sequenziell geprägten Arbeitsablauf in Richtung parallele Bearbeitung verändert. Davon versprechen sich die Unternehmen kürzere Durchlaufzeiten, die Prozessabsicherung in einer frühen Phase der Konstruktion und eine schnelle und kostengünstige Inbetriebnahme auf Basis einer offline mit dem digitalen Zwilling getesteten Software. „Wir stellen häufig fest, dass sich bedingt durch die Abstimmung der am Engineering-Prozess beteiligten Abteilungen auch die interne Kommunikation in den Betrieben während der Implementierung der virtuellen Inbetriebnahme sehr zum Positiven verändert“, sagt Dipl.-Ing. Peter Meier, Leiter der Abteilung ‚Softwareentwicklung Simulation und Virtuelle Inbetriebnahme‘ bei der F.EE-Unternehmensgruppe.
Vorhandene Daten nutzen
Doch selbst Fachleute, die die Vorteile der virtuellen Inbetriebnahme für ihre Unternehmen erkannt haben, fürchten mitunter den mit der Implementierung verbundenen Aufwand und fragen sich, wie das Simulationstool bestmöglich zu ihren Engineering-Workflows passt. „Dabei ergeben sich hier auch hervorragende Möglichkeiten hinsichtlich der Nutzung vorhandener Daten sowie einer automatisierten Modellerstellung“, erläutert Meier.
Das Ziel der virtuellen Inbetriebnahme stellt die möglichst detailgetreue Simulation der realen Anlage dar.(Bild: F.EE GmbH)
Datenbestand birgt großes Potenzial
Um das Ziel der virtuellen Inbetriebnahme zu erreichen, nämlich den Aufbau eines weitgehend der physischen Anlage entsprechenden Modells, werden viele Informationen und Daten benötigt. Das reicht von den Anlagenlayouts bis hin zu Technologie-Schemen der Förderelemente wie auch gegebenenfalls vollständige Roboter-Offline-Programme. Und das 3D-Modell muss in einem für die Simulationssoftware lesbaren Format zur Verfügung gestellt werden. Neben dem Handling großer Datenmengen stellt dabei die häufig fehlende Datendurchgängigkeit der verwendeten Systeme inklusive Informationsverluste und Medienbrüche eine Herausforderung dar. Dennoch ist es sinnvoll, bei der Erstellung digitaler Zwillinge auf bereits im Prozess vorhandenes Datenmaterial zurückzugreifen, da damit unter anderem enorme Zeitersparnisse einhergehen. Die effiziente Nutzung dieser Daten für die Modellerstellung hängt somit vom Funktionsumfang der verwendeten Simulationssoftware ab. „Einen weiteren wichtigen Optimierungsfaktor stellt die durchgängige Datenaufbereitung und -strukturierung während des gesamten Engineering-Prozesses dar“, fügt Peter Meier hinzu. Sollten in einem frühen Stadium des Engineering-Prozesses noch keine für die Modellierung verwendbaren Daten vorliegen, wird zuerst ein idealisiertes Modell – beispielsweise zur ersten Absicherung der SPS-Programmierung – aufgebaut, welches im Laufe der Projektumsetzung immer detaillierter wird.
Konstruktionsdaten ohne Konvertierung nutzen
Die Einbindung bereits vorhandener CAD-Daten aus der mechanischen Konstruktion in ein Simulationstool bildet – bedingt durch die damit verbundene Zeitersparnis – einen entscheidenden Baustein, um den digitalen Zwilling effizient zu erstellen. Zur Vermeidung von Informationsverlusten ist eine native Anbindung gängiger CAD-Systeme an die Simulationssoftware von Vorteil. Dadurch entfällt die häufig verlustbehaftete Konvertierung in ein Zwischenformat und es wird sichergestellt, dass der digitale Zwilling alle Daten zur Anlage enthält. Weitere Nebeneffekte des direkten Datenimports sind die damit einhergehende Optimierung interner Abläufe sowie die Reduzierung des abteilungsübergreifenden Abstimmungsaufwandes mit gleichzeitiger Sicherstellung eines bestmöglichen Informationsflusses. Für die Anbindung der verwendeten Komponenten an die SPS-Steuerung wird die E/A-Konfiguration der elektrischen Konstruktion an die SPS und von dort an das Modell übergeben. Eine sinnvolle Namensgebung erleichtert das Mapping der SPS-Variablen mit dem Modell enorm und ermöglicht auch hier die Implementierung automatischer Abläufe.
Um Aufgaben der virtuellen Inbetriebnahme zu automatisieren, bringt die Anwendung fe.screen-sim eine Programmierschnittstelle (Application Programming Interface, API) mit. Die wohl meisten im Engineering-Workflow eingesetzten Programme verfügen heute über eine Makro-Schnittstelle, die einen Datenaustausch über die API ermöglicht – und zwar nicht mittels Filetransfer, sondern über eine bidirektionale Kommunikation zwischen zwei verschiedenen Programmen. „Durch die API können eigene Makros, Anwendungen, Tools sowie Informationen in die Simulationslösung eingebunden und Modelle automatisiert erstellt werden“, erläutert Peter Meier. Neben der direkten makrobasierten Datenübernahme aus einem CAD-System in die F.EE-Anwendung lässt sich auch das Interface in Excel mittels Visual Basic for Applications-Code (VBA) einbinden. Das ermöglicht die automatische Durchführung sich wiederholender Arbeitsschritte in der Simulation. Ist zum Beispiel ein Bezeichnungssystem etabliert, das die Herstellung eines Algorithmus zwischen mechanischer Konstruktion und Elektroplanung ermöglicht, können auch darauf basierend Modelle automatisiert erstellt werden.
Die native Anbindung gängiger CAD-Programme an das Simulationstool erleichtert die Erstellung der digitalen Zwillinge enorm. (Bild: F.EE GmbH)
Zentrale Datenhaltung entscheidend
Neben der Möglichkeit des Datenaustausches über die API kommt zunehmend auch einer übergreifenden Infrastruktur zur zentralisierten Datenhaltung eine entscheidende Bedeutung zu. Ziel ist, alle im Engineering-Prozess anfallenden Informationen zentral zu halten und für die Modellerstellung zu nutzen. Diese zentrale Digitalisierungsplattform dient somit als Informationsquelle für den digitalen Zwilling und stellt das Produkt- und Prozesswissen im Unternehmen dar. „F.EE hat bereits eine Vielzahl von Betrieben erfolgreich bei der Einführung der virtuellen Inbetriebnahme und der Integration von Simulationstools in den Engineering-Workflow unterstützt“, sagt Peter Meier. So können Unternehmen vom Know-how im Umgang mit Simulationstools verschiedener Hersteller sowie den Vorteilen der virtuellen Inbetriebnahme in Verbindung mit einem optimierten digitalen Engineering-Workflow profitieren.
Besucher der diesjährigen Automatica in München können das F.EE-Team vom 27. bis 30. Juni 2023 an Halle B6, Stand 318 treffen
„Der Automatisierungsgrad steigt mit jedem Projekt“
Jörg Thomas ist Technischer Leiter (CTO) der Firma und auf den Bau von Prüfständen und Montageanlagen für KFZ-Lenkungen, elektrisch unterstützte Rack- und Column-EPS-Systeme sowie deren Komponenten spezialisiert. (Bild: Klotz GmbH)
Die Klotz GmbH nutzt seit 2019 das Simulationstool fe.screen-sim für die virtuelle Inbetriebnahme ihrer Spezial- und Sondermaschinen. Im Interview berichtet Klotz-CTO Jörg Thomas, wann eine virtuelle Inbetriebnahme ausnahmsweise nicht sinnvoll ist – und wie der Aufbau einer Bibliothek hilft, den Arbeitsaufwand von früher einer Woche auf heute drei Minuten zu senken.
Wie hat der Einsatz von fe.screen-sim den Workflow bei der Klotz GmbH verändert? Thomas: Durch den Einsatz des Systems können wir mögliche Probleme und Fehler bereits in der Planungs- und Konstruktionsphase identifizieren und beheben, was die Effizienz der Projekte steigert. Die Qualität der SPS-Software wurde erhöht, da automatisierte Tests ohne Gefährdung von Personen durchgeführt werden können. Die virtuelle Inbetriebnahme verkürzt damit die Inbetriebnahmezeit, ermöglicht Codeanpassungen während der Anlagenverlagerung, spart Kosten und erhöht die Flexibilität. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die Kommunikation der Abteilungen im Unternehmen durch die gleichzeitige Arbeit auf einer Plattform deutlich verbessert hat, was wiederum zu einer effektiveren Arbeitsweise führt.
Wird jede Anlage bei Ihnen virtuell in Betrieb genommen? Thomas: Klotz strebt an, rund 90 Prozent seiner Anlagen virtuell in Betrieb zu nehmen. Ziel ist, die Inbetriebnahme schneller, sicherer und kostengünstiger durchzuführen sowie den Workflow zu optimieren und die Produktqualität zu verbessern. Ausnahmen bilden Anlagen mit zu komplexen externen Schnittstellen oder zu einfachen kleinen Modulen, bei denen keine virtuelle Inbetriebnahme erforderlich ist.
Wie hoch ist der Automatisierungsgrad bei der Erstellung der virtuellen Modelle? Thomas: Der Automatisierungsgrad bei der Erstellung unserer digitalen Zwillinge steigt mit jedem Projekt. Klotz hat eine große Bibliothek mit über 800 Standardobjekten und Plug-ins entwickelt, um die automatisierte Virtualisierung von CAD-Modellen zu ermöglichen. Die CAD-Daten werden automatisiert mit der Bibliothek verglichen und die Anlagenmodelle vollautomatisch generiert. Was zu Beginn einen Mitarbeiter eine Woche lang beschäftigt hat, wird heute bei Standardanlagen in drei Minuten erledigt.
Welche Hauptvorteile sehen Sie in den offenen Programmierschnittstellen und wie nutzen Sie diese? Thomas: Sie bieten uns die Möglichkeit, eigene Schnittstellen zu entwickeln und Plug-ins oder SceneObjects zu schreiben, um unsere Modellierung in fe.screen-sim flexibel zu erweitern. Zudem können wir unsere Prozesse automatisieren und dadurch Zeit und Ressourcen sparen. Die API ermöglicht einen einfachen Zugriff von außen für Teilehandling und automatisches Testen. Sie kann auch verwendet werden, um externe Software zu verbinden und somit den Workflow zu optimieren.
Das vollständige Interview ist auf der Website von F.EE zu lesen.
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