Digitale Fabrik: Virtuelle Inbetriebnahme – Revolutionierung der Fertigung

Die Fertigungslandschaft befindet sich in einem bedeutenden Wandel, angetrieben durch technologische Fortschritte und die steigende Nachfrage nach Effizienz, Flexibilität und Geschwindigkeit. Zentral für diese Entwicklung ist das Konzept der Digitalen Fabrik, einer virtuellen Repräsentation einer realen Fertigungsumgebung. In diesem digitalen Bereich spielt die Virtuelle Inbetriebnahme (VIB) eine entscheidende Rolle. Sie bietet eine leistungsstarke Suite von Werkzeugen und Techniken, um Prozesse zu optimieren, Kosten zu senken und die Markteinführungszeit zu verkürzen. Dieser umfassende Leitfaden untersucht die Feinheiten der Virtuellen Inbetriebnahme, ihre Vorteile, Herausforderungen und ihren Einfluss auf die globale Fertigung.

Was ist Virtuelle Inbetriebnahme?

Die Virtuelle Inbetriebnahme ist der Prozess des Testens und Validierens von Automatisierungssoftware, einschließlich SPS-Programmen, Roboterprogrammen und HMI-Schnittstellen, in einer virtuellen Umgebung, bevor diese auf dem physischen Produktionssystem bereitgestellt wird. Sie umfasst die Erstellung eines digitalen Zwillings, einer hochpräzisen Simulation des realen Produktionssystems, einschließlich mechanischer Komponenten, elektrischer Systeme und Steuerungslogik.

Anstatt direkt an physischer Hardware zu testen, was zeitaufwändig, kostspielig und potenziell gefährlich sein kann, ermöglicht die Virtuelle Inbetriebnahme Ingenieuren, den gesamten Produktionsprozess in einer virtuellen Umgebung zu simulieren. Dies befähigt sie, potenzielle Probleme frühzeitig im Entwicklungszyklus zu identifizieren und zu beheben, wodurch Risiken minimiert und die Gesamtleistung des Systems verbessert werden.

Schlüsselkomponenten der Virtuellen Inbetriebnahme:

• Digitaler Zwilling: Eine originalgetreue digitale Darstellung des physischen Produktionssystems, einschließlich mechanischer Komponenten, Sensoren, Aktoren und Steuerungssystemen.
• Simulationssoftware: Software-Tools, die das Verhalten des physischen Systems simulieren und es Ingenieuren ermöglichen, die Steuerungslogik in einer realistischen Umgebung zu testen und zu validieren. Beispiele hierfür sind Siemens PLCSIM Advanced, Emulate3D, Process Simulate und ISG-virtuos.
• SPS-/Robotersteuerungen: Virtuelle Darstellungen der speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) und Robotersteuerungen, die das physische System steuern.
• Kommunikationsschnittstellen: Virtuelle Schnittstellen, die die Kommunikation zwischen der Simulationssoftware und den virtuellen Steuerungen ermöglichen und dabei die im realen System verwendeten Kommunikationsprotokolle (z. B. OPC UA, Profinet) nachahmen.

Vorteile der Virtuellen Inbetriebnahme

Die Virtuelle Inbetriebnahme bietet Herstellern in verschiedenen Branchen eine Vielzahl von Vorteilen. Diese Vorteile lassen sich in Kosteneinsparungen, Zeitersparnis, Qualitätsverbesserung und erhöhte Sicherheit unterteilen.

Kosteneinsparungen:

• Reduzierte Ausfallzeiten: Durch die frühzeitige Identifizierung und Behebung potenzieller Probleme im Entwicklungszyklus minimiert die Virtuelle Inbetriebnahme die Ausfallzeiten während der eigentlichen Inbetriebnahmephase. Dies kann zu erheblichen Kosteneinsparungen führen, insbesondere in Branchen, in denen Ausfallzeiten extrem teuer sind.
• Geringere Reisekosten: Die VIB erleichtert die Fernzusammenarbeit und das Testen. Experten aus verschiedenen geografischen Regionen können am Projekt zusammenarbeiten, wodurch die Notwendigkeit kostspieliger internationaler Reisen entfällt oder reduziert wird.
• Reduzierter Materialabfall: Die VIB ermöglicht es Ingenieuren, Prozesse zu optimieren und potenzielle Probleme zu identifizieren, die während der tatsächlichen Produktionsphase zu Materialverschwendung führen könnten.
• Reduziertes Schadensrisiko: Das Testen von Änderungen in einer virtuellen Umgebung eliminiert das Risiko, teure Maschinen während der Inbetriebnahme zu beschädigen.

Zeitersparnis:

• Schnellere Inbetriebnahme: Die Virtuelle Inbetriebnahme verkürzt die für die physische Inbetriebnahme erforderliche Zeit erheblich, da Probleme im Voraus identifiziert und behoben werden.
• Kürzere Entwicklungszyklen: Indem sie die parallele Entwicklung von Hardware und Software ermöglicht, verkürzt die Virtuelle Inbetriebnahme die gesamten Entwicklungszyklen.
• Schnellere Markteinführung: Der kombinierte Effekt von schnellerer Inbetriebnahme und kürzeren Entwicklungszyklen führt zu einer schnelleren Markteinführung neuer Produkte.

Verbesserte Qualität:

• Optimierte Leistung: Die Virtuelle Inbetriebnahme ermöglicht es Ingenieuren, die Leistung des Produktionssystems zu optimieren, bevor es überhaupt gebaut wird, was zu einem höheren Durchsatz und einer verbesserten Qualität führt.
• Fehlerreduzierung: Durch gründliches Testen und Validieren der Steuerungslogik in einer virtuellen Umgebung reduziert die Virtuelle Inbetriebnahme das Risiko von Fehlern und Störungen während der tatsächlichen Produktionsphase.
• Früherkennung von Problemen: Die Virtuelle Inbetriebnahme ermöglicht die frühzeitige Erkennung von Konstruktionsfehlern oder Fehlern in der Steuerungslogik. Diese Früherkennung senkt die Kosten für Nacharbeiten und verhindert kostspielige Verzögerungen bei der Implementierung.

Erhöhte Sicherheit:

• Sichere Testumgebung: Die Virtuelle Inbetriebnahme bietet eine sichere Umgebung zum Testen potenziell gefährlicher Szenarien wie Not-Aus-Situationen oder Roboter-Kollisionen.
• Risikominderung: Durch die Identifizierung und Behebung potenzieller Sicherheitsrisiken in einer virtuellen Umgebung hilft die Virtuelle Inbetriebnahme, Risiken im realen Produktionssystem zu mindern.
• Verbesserte Bedienerschulung: Bediener können am virtuellen System geschult werden, bevor das physische System überhaupt gebaut ist, was ihre Fähigkeiten verbessert und das Unfallrisiko verringert.

Anwendungen der Virtuellen Inbetriebnahme

Die Virtuelle Inbetriebnahme ist auf eine Vielzahl von Branchen und Anwendungen anwendbar, darunter:

• Automobilindustrie: Automobilhersteller nutzen die Virtuelle Inbetriebnahme, um ihre Montagelinien zu optimieren, die Roboterprogrammierung zu verbessern und Ausfallzeiten zu reduzieren. Volkswagen zum Beispiel setzt die Virtuelle Inbetriebnahme umfassend ein, um seine Fertigungsprozesse in seinen weltweiten Fabriken zu optimieren.
• Luft- und Raumfahrt: Luft- und Raumfahrthersteller nutzen die Virtuelle Inbetriebnahme zur Simulation und Validierung komplexer Fertigungsprozesse wie der Flugzeugmontage und der Triebwerksproduktion.
• Lebensmittel- und Getränkeindustrie: Lebensmittel- und Getränkeunternehmen nutzen die Virtuelle Inbetriebnahme, um ihre Verpackungslinien zu optimieren, das Produkthandling zu verbessern und die Lebensmittelsicherheit zu gewährleisten. Ein Beispiel wäre ein globaler Abfüllkonzern, der eine neue Verpackungslinie validiert, bevor er sie installiert.
• Pharmaindustrie: Pharmaunternehmen nutzen die Virtuelle Inbetriebnahme zur Simulation und Validierung komplexer pharmazeutischer Herstellungsprozesse, um die Einhaltung strenger regulatorischer Anforderungen sicherzustellen.
• Logistik und Lagerhaltung: Unternehmen nutzen die Virtuelle Inbetriebnahme zur Konzeption und Optimierung automatisierter Lagersysteme, einschließlich fahrerloser Transportsysteme (FTS) und Roboter-Kommissioniersystemen. Amazon nutzt Simulationstechnologien zur Optimierung seiner globalen Lagerbetriebe.
• Energie: Die virtuelle Inbetriebnahme kann zur Simulation und Optimierung der Automatisierung komplexer Energieerzeugungs- und -verteilungssysteme, einschließlich Kraftwerken und Anlagen für erneuerbare Energien, eingesetzt werden.

Herausforderungen bei der Implementierung der Virtuellen Inbetriebnahme

Obwohl die Virtuelle Inbetriebnahme zahlreiche Vorteile bietet, kann ihre erfolgreiche Implementierung mit mehreren Herausforderungen verbunden sein:

• Hohe Anfangsinvestition: Die Implementierung der Virtuellen Inbetriebnahme erfordert eine Anfangsinvestition in Software, Hardware und Schulungen.
• Erforderliches Fachwissen: Die Virtuelle Inbetriebnahme erfordert spezielles Fachwissen in den Bereichen Simulationssoftware, SPS-Programmierung und Mechatronik.
• Datenmanagement: Die Pflege eines genauen und aktuellen digitalen Zwillings erfordert robuste Datenmanagementprozesse.
• Integrationskomplexität: Die Integration von Werkzeugen für die Virtuelle Inbetriebnahme in bestehende Engineering-Workflows kann komplex sein.
• Modelltreue: Die Erstellung eines digitalen Zwillings mit ausreichender Genauigkeit, um das reale System präzise darzustellen, kann eine Herausforderung sein. Das Modell sollte alle relevanten Variablen und Interaktionen innerhalb des Systems berücksichtigen.

Best Practices für die Virtuelle Inbetriebnahme

Um diese Herausforderungen zu meistern und die Vorteile der Virtuellen Inbetriebnahme zu maximieren, ist es wichtig, bewährte Praktiken zu befolgen:

• Klein anfangen: Beginnen Sie mit einem Pilotprojekt, um Erfahrungen zu sammeln und den Wert der Virtuellen Inbetriebnahme zu demonstrieren.
• Klare Ziele definieren: Definieren Sie klar die Ziele des Projekts der Virtuellen Inbetriebnahme und die Metriken, die zur Erfolgsmessung verwendet werden.
• Ein starkes Team aufbauen: Stellen Sie ein Team mit dem erforderlichen Fachwissen in den Bereichen Simulationssoftware, SPS-Programmierung und Mechatronik zusammen.
• Die richtigen Werkzeuge auswählen: Wählen Sie die passende Simulationssoftware und Hardware für die spezifische Anwendung aus.
• Ein umfassendes Simulationsmodell entwickeln: Erstellen Sie ein detailliertes und genaues Simulationsmodell des Produktionssystems.
• Das Simulationsmodell validieren: Validieren Sie das Simulationsmodell, indem Sie sein Verhalten mit dem Verhalten des realen Systems vergleichen.
• In bestehende Arbeitsabläufe integrieren: Integrieren Sie Werkzeuge der Virtuellen Inbetriebnahme in bestehende Engineering-Workflows, um den Entwicklungsprozess zu optimieren.
• Kontinuierliche Verbesserung: Verbessern Sie den Prozess der Virtuellen Inbetriebnahme kontinuierlich auf der Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse.

Die Zukunft der Virtuellen Inbetriebnahme

Die Zukunft der Virtuellen Inbetriebnahme ist vielversprechend, da mehrere aufkommende Trends ihre Fähigkeiten weiter verbessern und ihre Anwendungen erweitern werden:

• Verstärkter Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI): KI- und maschinelle Lernalgorithmen werden zur Automatisierung der Erstellung von Simulationsmodellen, zur Optimierung der Steuerungslogik und zur Vorhersage der Systemleistung eingesetzt.
• Integration mit Cloud Computing: Cloud Computing ermöglicht den Zugriff auf leistungsstarke Simulationsressourcen und erleichtert die Zusammenarbeit zwischen geografisch verteilten Teams.
• Augmented Reality (AR) und Virtual Reality (VR): AR- und VR-Technologien werden eingesetzt, um Simulationsergebnisse zu visualisieren und mit virtuellen Systemen auf eine immersivere Weise zu interagieren.
• Digitaler Faden (Digital Thread): Die VIB wird zunehmend in den digitalen Faden integriert. Ein digitaler Faden ermöglicht einen nahtlosen Datenfluss und Rückverfolgbarkeit über den gesamten Produktlebenszyklus, von Design und Engineering über Fertigung bis hin zum Service.
• Standardisierung: Eine zunehmende Standardisierung wird die Interoperabilität zwischen VIB-Werkzeugen verbessern und die Komplexität der Implementierung verringern.

Virtuelle Inbetriebnahme und Industrie 4.0

Die Virtuelle Inbetriebnahme ist ein Schlüsselfaktor für Industrie 4.0, die vierte industrielle Revolution, die durch die Integration digitaler Technologien in Fertigungsprozesse gekennzeichnet ist. Indem sie die Erstellung von digitalen Zwillingen ermöglicht, erleichtert die Virtuelle Inbetriebnahme datengestützte Entscheidungsfindung, vorausschauende Wartung und adaptive Fertigung.

Die Fähigkeit, Produktionsprozesse in einer virtuellen Umgebung zu simulieren und zu optimieren, ermöglicht es Herstellern, schnell auf sich ändernde Marktanforderungen zu reagieren, die Effizienz zu verbessern und Kosten zu senken. Die Virtuelle Inbetriebnahme ist daher ein unverzichtbares Werkzeug für Unternehmen, die die Prinzipien von Industrie 4.0 umsetzen und auf dem globalen Markt wettbewerbsfähig bleiben wollen.

Fallstudien: Globale Beispiele für den Erfolg der Virtuellen Inbetriebnahme

Fallstudie 1: Automobilhersteller – Optimierung der Montagelinienleistung

Ein globaler Automobilhersteller nutzte die Virtuelle Inbetriebnahme zur Optimierung der Leistung seiner neuen Montagelinie. Durch die Erstellung eines detaillierten digitalen Zwillings der Montagelinie konnten die Ingenieure den gesamten Produktionsprozess simulieren und potenzielle Engpässe identifizieren. Durch virtuelle Simulationen konnten sie die Roboterpfade optimieren, die SPS-Logik verfeinern und den Materialfluss verbessern, was zu einer Durchsatzsteigerung von 15 % und einer Reduzierung der Ausfallzeiten während der physischen Inbetriebnahme um 10 % führte. Dies führte auch zu einer schnelleren Markteinführung neuer Fahrzeugmodelle.

Fallstudie 2: Lebensmittel- und Getränkeunternehmen – Steigerung der Effizienz der Verpackungslinie

Ein führendes Lebensmittel- und Getränkeunternehmen setzte die Virtuelle Inbetriebnahme ein, um die Effizienz seiner Verpackungslinie zu steigern. Der digitale Zwilling ermöglichte es ihnen, verschiedene Verpackungsszenarien zu simulieren und das Timing von Förderbändern und Roboterarmen zu optimieren. Die Simulation deckte auch Konstruktionsfehler im Steuerungssystem auf, die vor der physischen Implementierung behoben wurden. Dies führte zu einer um 20 % höheren Verpackungsgeschwindigkeit und einer erheblichen Reduzierung des Produktabfalls. Der Einsatz der VIB verhinderte kostspielige Nacharbeiten und verzögerte Produkteinführungen.

Fallstudie 3: Pharmaunternehmen – Sicherstellung der Einhaltung regulatorischer Anforderungen

Ein multinationales Pharmaunternehmen nutzte die Virtuelle Inbetriebnahme, um die Einhaltung strenger regulatorischer Anforderungen für seine neue Produktionsstätte sicherzustellen. Der digitale Zwilling ermöglichte die durchgängige Prüfung des gesamten Produktionsprozesses und stellte sicher, dass alle Sicherheits- und Qualitätsstandards erfüllt wurden. Durch virtuelle Simulationen identifizierten und behoben sie potenzielle Kontaminationsrisiken und validierten Reinigungsverfahren, wodurch die Einhaltung der Vorschriften garantiert und kostspielige Rückrufe verhindert wurden. Dies beschleunigte den regulatorischen Genehmigungsprozess und die Markteinführung.

Fazit

Die Virtuelle Inbetriebnahme ist ein leistungsstarkes Werkzeug, das die Fertigungsindustrie transformiert. Indem sie die Erstellung digitaler Zwillinge ermöglicht und eine sichere und effiziente Umgebung für das Testen und Validieren von Automatisierungssoftware bietet, hilft die Virtuelle Inbetriebnahme Herstellern, Kosten zu senken, Entwicklungszyklen zu verkürzen, die Qualität zu verbessern und die Sicherheit zu erhöhen. Mit dem fortschreitenden technologischen Wandel wird die Virtuelle Inbetriebnahme eine immer wichtigere Rolle in der Digitalen Fabrik spielen und es den Herstellern ermöglichen, die Prinzipien der Industrie 4.0 zu übernehmen und auf dem globalen Markt wettbewerbsfähig zu bleiben. Die Investition in die virtuelle Inbetriebnahme kann für Unternehmen jeder Größe einen erheblichen Return on Investment bedeuten.