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Virtuelle Realität "As Built"

Anlagenplanung in 3D

Angesichts der Komplexität verfahrenstechnischer Anlagen ist bereits die Dokumentation des Ist-Zustands eine Herausforderung. Methoden des 'Digital Engineering' unterstützen Unternehmen durch virtuelle 3-D-Modelle, den Anlagenstand zu dokumentieren und Auswirkungen von Umbauten sicherer vorherzusagen. Eine entsprechende Anwendung setzt BASF bereits in zwei Virtual Reality-Stationen in Ludwigshafen ein.

Forscher vom Fraunhofer IFF haben für BASF ein virtuell-interaktives
Schulungsmodell der Salpetersäureanlage entwickelt. Bild: Dirk Mahler / Fraunhofer IFF

Mit mehr als 113.000 Beschäftigten an sechs Verbundstandorten und 380 Produktionsstandorten ist BASF SE der weltweit größte Chemiekonzern. Am Hauptsitz in Ludwigshafen betreibt das Unternehmen 250 verfahrenstechnische Anlagen. Um den Überblick über die komplexen Anlagen zu verbessern, sollen Informationen und Anlagendaten digital zur Verfügung stehen − im aktuellen Zustand. Um dieses Ziel zu erreichen, hat der Chemiekonzern mit dem Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung (IFF) mehrere Projekte zu Virtual Reality-Anwendungen (VR) durchgeführt. Zukünftig soll zu jeder realen Anlage ein virtuelles Modell existieren, das über den gesamten Lebenszyklus gepflegt wird. Planungsingenieure, Verfahrenstechniker, Montagekoordinatoren, Sicherheitsfachkräfte, Assetmanager − jeder, der an einer Anlage spezifische Aufgaben zu erledigen hat, soll in Zukunft das virtuelle Modell ‘befragen’ können. Sind entsprechende Daten erst einmal verknüpft, können digitale Abbilder in der Form von Bildern oder Zahlen, Zeichnungen oder Simulationen als Entscheidungsgrundlage dienen − etwa bei der Planung neuer Anlagen oder Anlagenerweiterungen und -umbauten.

Dabei ist der schnelle Zugriff auf aktuelle Daten besonders hilfreich, wenn Modifikationen einer Anlage besonders schnell realisiert werden müssen. Um das virtuelle Modell eines baulichen Ist-Zustands schnell und mit überschaubarem Aufwand aufzeichnen zu können, existiert mit dem 3DLaserscanning bereits eine bewährte Technologie. Dabei wird die Anlage per Laser abgetastet und die Messergebnisse werden als Referenzpunkte in einem dreidimensionalen Bezugsrahmen gespeichert. Nach der Überführung in das CAD-System stehen die Daten zur weiteren Verarbeitung und Visualisierung zur Verfügung. Ein auf solchen Messungen basierendes Modell kann Bauteile mit den zugehörigen Informationen realitätsgetreu abbilden. Durch die räumliche Darstellung können verdeckte Bauteile oder hintereinander stehende Komponenten auf dem Bildschirm besser gesehen werden. Auch lassen sich die Platzverhältnisse in der Anlage durch den Betrachter sicher erfassen. Denn eine dem natürlichen Blickfeld entsprechende Perspektive gestattet, in der Anlagenplanung schnell zu prüfen, ob das Planungsmodell den Anforderungen entspricht.

Design Reviews mit Virtual Reality-Werkzeugen

Einen vielversprechenden Einsatzbereich für diese Technologie stellen Design Reviews dar, die in der Regel Bestandteil des Planungsprozesses von Anlagen sind. Für den Umbau einer verfahrenstechnischen Anlage führten die Digital Engineering-Forscher des IFF mit den Projektverantwortlichen von BASF ein gemeinsames Design Review durch. Dabei ermöglicht die 360-Grad-Projektionsfläche im ‘Virtual Development and Training Centre’ am Magdeburger Institut mit einer Höhe von sechs Metern die nahezu originalgetreue Projektion einer Anlage. Für den Betrachter entsteht der Eindruck, in der Installation zu stehen. Die dreidimensionalen Daten aus den BASF-Planungstools inklusive der Metadaten der Anlagenkomponenten wurden dazu in die Virtual Reality- Software des Forschungsinstitutes überführt. Für die Ludwigshafener war es das erste Mal, dass ein virtuelles Design Review die Grundlage für Umbaumaßnahmen einer im Betrieb befindlichen Fabrik bildete: Beim Austausch eines Tanks mussten der Stahlbau des Behälters, Zugänge und Bedienwege sowie verschiedene Rohrleitungen, Pumpen und andere Apparate verändert werden. Anlagenbetreiber, Anlagenplaner, Rohrleitungsbauer, Verantwortliche für Maschinen und Apparate, Stahlbauer und Sicherheitsbeauftragte betrachteten die im virtuellen Modell originalgetreu wiedergegebenen Anlagendetails aufs Genaueste.

Dabei galt es zu prüfen, ob die Bedienelemente gut erreichbar und bei Revisionen leicht zugänglich sind. Änderungswünsche wurden durch Institutsmitarbeiter direkt in das System eingegeben. Alle umgesetzten Anforderungen wurden dokumentiert, das 3D-Planungsmodell konnte in der gleichen Projektphase angepasst werden. Dabei unterstützte die großflächige Visualisierung die Projektbeteiligten dabei, sich über geplante Maßnahmen auszutauschen. Der Chemiekonzern war von den Ergebnissen des Projekts überzeugt und errichtete im Anschluss in Ludwigshafen zwei Virtual Reality- Stationen, um Design Reviews mithilfe der neuen Lösung zukünftig vor Ort vornehmen zu können. Damit entwickelt sich die Virtual Reality- Darstellung zu einem Standardwerkzeug in der Anlagenplanung, das fest in die Planungsabläufe integriert ist.

Virtuelle Lernobjekte, reale Lerneffekte

Nach dem Umbau einer Anlage ändern sich auch die Anforderungen im Umgang mit den Systemen. Da Fehlbedienungen in der Prozessindustrie mitunter fatale Folgen verursachen können, haben gerade im Chemieanlagenbau Qualifizierungen und kontinuierliche Sicherheitsschulungen hohe Priorität. Ein virtuelles Anlagenmodell lässt sich auch für Mitarbeiterschulungen einsetzen. Dabei lassen Schulungen sich in simulierten Umgebungen ohne Bindung an Ort oder Zeit durchführen − und Sicherheit und Arbeitsschutz werden in keiner Phase beeinträchtigt. Um die Möglichkeiten der neuen Technologien auszuloten, wurde in Ludwigshafen auch eine virtuell-interaktive Lernumgebung eingerichtet. Dabei wurde ein gleichzeitig stattfindender Umbau einer Produktionsanlage zum Anlass genommen, ein entsprechendes Lernprogramm zu entwickeln. Dieses erlaubt der Betriebsmannschaft, die Anlage schon vor Inbetriebnahme virtuell zu begehen und kennenzulernen. Dazu stellten die Wissenschaftler in der Messwarte eine mobile Virtual Reality-Trainingsstation auf. Im Trainingsmodul lässt sich das 3D-Modell der Anlage zusammen mit Daten etwa zu Apparatenummer, Temperatur, Druck und Medium sowie Schulungsunterlagen darstellen. Der Schulungsinhalt floss ebenfalls in das Trainingsmodul ein. Das Unternehmen konnte durch den Einsatz der Technologie Zeit und Geld sparen, da sich Schichtarbeiter mit der Funktionsweise vertraut machen, Zugangswege erkennen, verfahrenstechnische Aspekte studieren und nicht zuletzt neue Sicherheitsvorschriften kennenlernen konnten, bevor die Anlage fertiggestellt war.

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