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Der VIBN-Ansatz von ISG

Simulationsplattform für digitale Zwillinge

Durch vorgezogene Tests an digitalen Modellen hilft die virtuelle Inbetriebnahme, die Qualität der Steuerungssoftware zu verbessern und Produktionsstarts zu beschleunigen. Doch die dabei entstehenden digitalen Zwillinge können auch als Basis für neue Geschäftsprozesse und -modelle dienen.

Simulationsverfahren für die virtuelle Inbetriebnahme (Bild: ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH)

Simulationsverfahren für die virtuelle Inbetriebnahme (Bild: ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH)

Als digitaler Zwilling ist das computergestützte Modell eines materiellen oder immateriellen Objekts zu verstehen, das sich für verschiedene Aufgaben einsetzen lässt. Bei einem digitalen Zwilling im Produktionsumfeld ist es oft unerheblich, ob das Gegenstück in der realen Welt bereits existiert oder noch nicht. Der digitale Zwilling kann den Lebenszyklus einer Produktionsanlage von Design, Bau, Betrieb und Wiederverwertung begleiten. Bei der virtuellen Inbetriebnahme (VIBN) wird die Produktionsanlage durch ihr digitales Abbild als virtuelle Anlage beschrieben. Besteht diese Abbildung aus virtuellen Komponenten, die das gleiche Verhalten wie reale Komponenten hinsichtlich Schnittstellen, Parametrierung und Betriebsarten aufweisen sowie reproduzierbare Tests inklusive Safety ermöglichen, dann sind die Ergebnisse in beide Richtungen zwischen der realen und der virtuellen Repräsentanz im Sinne eines Digitalen Zwillings übertragbar.

Die Simulationsverfahren

Wird die Steuerungsfunktionalität ersatzweise nicht im originalen Programm-Code, sondern durch Ersatzmodelle abgebildet, dann spricht man bei der VIBN von der Model-in-the-Loop-Simulation (MiLS). Bei der Software-in-the-Loop-Simulation (SiLS) wird das Steuerungsprogramm in einer virtuellen Steuerung (SPS, CNC, RC) getestet, die in der Regel auf dem Simulationssystem ablauffähig ist. Diese Methode wird oft als Vorstufe zur HILS eingesetzt, um Steuerungsprogramme bereits in einer frühen Phase des Engineerings ohne den Anspruch an die deterministische Echtzeit überprüfen zu können. Bei der Hardware-in-the-Loop-Simulation (HILS) werden eine oder mehrere Steuerungen über reale Feldbusse an das Verhaltensmodell der Maschine oder Anlage angeschlossen. Neben der 3D-Visualisierung werden dabei auch echtzeitkritische Abläufe sowie die exakte Performance der Anlage inklusive Safety überprüft. Das wesentliche Ziel liegt hier auf der Verkürzung der realen Inbetriebnahme und der Möglichkeit, das Simulationssystem als Digitalen Zwilling für Optimierungen und Schulungen ohne Gefährdung des Bedieners und der Produktionseinrichtung anhand der originalen Produktionsdaten nutzen zu können.

Modellierung einer Anlage aus virtuellen Baugruppen (Bild: ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH)

Modellierung einer Anlage aus virtuellen Baugruppen (Bild: ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH)

Baukasten für konfigurierbare Lösungen

In den letzten Jahren wurden Simulationstechnologien rasant weiterentwickelt, wobei vorwiegend Simulationsplattformen gefragt sind, die über die VIBN hinausgehen und als digitale Zwillinge einen Mehrwert in unterschiedlichen Phasen der Produktentstehung und Nutzung bieten. Zu den wichtigsten Eigenschaften einer Simulationsplattform gehört die Möglichkeit, die unterschiedlichen Simulationsverfahren anzuwenden, ohne dass die Verhaltensmodelle der Maschinen oder Anlagen für dieses Verfahren jedes Mal neu aufgebaut werden müssen. Applikationsspezifische Simulationsszenarien werden bei der Simulationsplattform ISG-virtuos aus virtuellen Komponenten und zusammengesetzten Baugruppen aufgebaut, um ihre Vorbilder abzubilden. Nutzer haben so die Möglichkeit, Ihre Produktstruktur in Form virtueller Komponenten und Baugruppen abzubilden und in einer Bibliothek zwecks Wiederverwendung abzulegen. Von einer unterstützten manuellen Konfiguration über Templates für die Simulationsszenarien bis zu einer komplett automatischen Erstellung der Anlagenkonfiguration sind individuelle Ausbaustufen möglich.

Nutzen der VIBN und der digitalen Zwillinge im Anlagen- und Maschinenbau (Bild: ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH)

Nutzen der VIBN und der digitalen Zwillinge im Anlagen- und Maschinenbau (Bild: ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH)

Online-Bibliothek

Simulationsplattformen, inklusive eines firmenübergreifenden Baukastens für virtuelle Komponenten, erhöhen die Wiederverwendbarkeit von Simulationsmodellen und Templates für eigene Projekte. Echte Komponenten werden bei der Simulationsplattform ISG-virtuos in ihre digitale Repräsentanz überführt, indem entweder die plattformintegrierte Modellierungs- und Bausteinbibliothek für einen diskreten Modellaufbau oder das Software-Development-Kit (SDK C++) verwendet wird. Beim Aufbau von modularen Produktionssystemen wird es zunehmend wichtig, dass die verwendeten Baugruppen als mechatronische Einheiten konzipiert und entwickelt werden und somit Mechanik, Elektrik und Softwaretechnik berücksichtigen. Durch diesen Modell- und Bibliotheksansatz lassen sich digitale Zwillinge auf Komponentenebene austauschen, zentral verwalten und zur Verfügung stellen. Der TwinStore von ISG soll dabei die Brücke zwischen Anwender und Komponentenhersteller schaffen, der seine Produktpalette inklusive originalem Verhalten vollständig digitalisiert anbieten kann. Für ihn ergeben sich neue Geschäftsmodelle und den für Anwender kürzere Modellierungszeit bei höherer Qualität der Simulation.

TwinStore - Online-Bibliothek für virtuelle Komponenten (Bild: ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH)

TwinStore – Online-Bibliothek für virtuelle Komponenten (Bild: ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH)

Nutzen des digitalen Zwillings

Umfragen bei Anwendern der VIBN zeigen, dass die benötigte Zeit der realen Inbetriebnahme an der Anlage im Schnitt um 80% reduziert werden kann. Eine Reduzierung von 90% gehört zu den besten Ergebnissen, die heute erreicht werden. Weiteres Potential im Unternehmen kann ausgeschöpft werden, wenn digitale Zwillinge alle Wertschöpfungsprozesse begleiten. Neben der Kostenreduzierung und der Qualitätssteigerung macht sich vor allem die schnellere Umsetzung von Projekten bezahlt. Auf Basis von digitalen Zwillingen werden auch neue Dienstleistungen und Geschäftsmodelle generiert, die den klassischen Wertschöpfungsprozesse ergänzen.


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