Wissen zum Thema Automation

Was ist ein Digitaler Zwilling?

Ein digitaler Zwilling ist ein digitales Abbild eines Gegenstandes oder eines Prozesses, der nicht notwendigerweise real existieren muss.

Besagtes digitales Gegenstück ermöglicht es, neue Produkte, Prozesse oder Maschinen in der virtuellen Welt zu entwerfen oder zu konzipieren.
Wurde dieses so konzipierte Produkt (oder ein Prozess) schließlich ins Leben gerufen, liefert es dank zahlreicher Sensoren Unmengen von Daten an den digitalen Zwilling.

Damit lassen sich bereits im Produktentwicklungsprozess

  • Herstellungsverfahren testen
  • Produktionsschritte optimieren
  • gesamte Produktionsprozesse validieren, verifizieren und optimieren
  • Wartungseinsätze simulieren
  • Reparaturansätze am digitalen Abbild testen

HATEC Simulation Virtuelle Inbetriebnahme Digital Twin Digitaler Zwilling Model in the Loop Hardware in the Loop

Was bedeutet virtuelle Inbetriebnahme?

Unter virtueller Inbetriebnahme (VIBN) versteht man das Einspielen, Testen und Modifizieren von Planungsdaten (Software) auf einer
virtuellen Maschine
(Anlage),

  • noch bevor ein real existierendes Gegenstück zu dieser existiert.
  • bevor die erfolgreich getestete Software auf die reale Maschine übertragen wird.

Als Basis für die VIBN dient eine 3D-Simulation, welche das Verhalten der Maschine detailgetreu nachbildet.
Die 3D-Simulation kann nicht nur auf einzelne Roboter und/oder Maschineninseln sondern auf gesamte Fabriksanlagen übertragen werden.

Folgende technische Gimmicks gehen mit der VIBN einher:

  • Abbildung komplexer Zusammenhänge hinsichtlich Materialfluss und Robotersteuerung
  • Optimierung der Produktionsplanung
  • Verkürzung der Inbetriebnahmezeit
  • geringere Entwicklungs- und Realisierungsaufwände
  • Sicherung der Prozess- und Produktqualität
  • Reduktion von Produktionskosten

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Virtuelle Inbetriebnahme vs. altbewährte Automatisierungsansätze

Im Gegensatz zu althergebrachten Automatisierungsansätzen steht die zu betrachtende Anlage (der zu betrachtende Prozess) im Rahmen der VIBN bereits zu Beginn der Engineering-Phase virtuell zur Verfügung.
Demzufolge kann die Software-Entwicklung inklusive aller Systemtests mit realen Feldbussen in Steuerungsechtzeit erfolgen.

Darüber hinaus können Szenario-Tests für die vorgesehenen Produktionsabläufe (resp. Prozessabläufe) bereits vor der Inbetriebnahme durchexerziert werden (Fehlerannulierung).

Nachstehende Grafik veranschaulicht die bestehenden Vorteile im Detail:

Virtuelle Inbetriebnahme Digital Twin Digitaler Zwilling Model in the Loop Hardware in the Loop

Software in the Loop, Hardware in the Loop, Model in the Loop

✔   Software in the Loop (SIL) im Rahmen der virtuellen Inbetriebnahme

  • Projektbezogene Software wird anhand einer Simulation der Hardware-Umgebung getestet.
  • Die direkte Kommunikation mit der virtuellen Hardware-Umgebung findet über Softwareschnittstellen statt
    (vgl. Hardware in the Loop: Kommunikation via elektrischer Schnittstellen).
  • Programmcodes werden evaluiert und optimiert, bevor die projektierte Hardware-Umgebung physisch eingerichtet wurde.

Virtuelle Inbetriebnahme Digital Twin Digitaler Zwilling Software in the Loop Hardware in the Loop

✔   Hardware in the Loop (HIL) zur Optimierung Ihres Produktionsprozesses

  • Aufbau einer virtuellen Anlage aus virtuellen Komponenten (Stichwort: digitaler Zwilling)
  • Systemtest Hardware-in-the-Loop:
    die virtuellen Maschinenkomponenten sind in jeglicher Hinsicht mit den realen Komponenten identisch
    (dies betrifft: Schnittstellendefinition, Parameterübergabe, Betriebsart, etc.).
  • Die virtuelle Inbetriebnahme inkludiert Steuerungsechtzeit ( harte Echtzeit 1ms)
    und liefert die erforderlichen „Factory Acceptance Tests“.

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✔   Wie funktioniert HIL und warum macht virtuelle Inbetriebnahme in Kombination mit HIL Sinn?

Nachfolgende Grafik verrät Ihnen alle wichtigen Details:

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✔   Was ist ein Factory Acceptance Test?

  • Alle an die Anlage gestellten Anforderungen werden anhand von realen Produktionsdaten getestet.
  • Die Evaluierung der Anlagen-Performance erfolgt im Zusammenspiel mit dem übergeordneten Leitrechner(-system).
  • Via digitalem Zwilling werden sämtliche Feldbus-Teilnehmer diagnostiziert.
  • Eine umfängliche Systemdiagnose (Ausbringungsmengen, Taktzeiten, etc.) geschieht durch die virtuelle Anbindung des digitalen Zwillings an die Leitrechenzentrale.

✔   Model in the Loop (MIL) im Rahmen der virtuellen Inbetriebnahme

Hinter dem Bergriff versteckt sich ein dynamischer Test, der unter Verwendung eines Simulationsmodells des Systems (eingebettetes System) in einer simulierten Umgebung durchgeführt wird.

Vor diesem Hintergrund wird das Simulationskonzept Model in the Loop (MIL) in der frühen Entwicklungsphase der Modellierung im Bereich der modellbasierten Softwareentwicklung angewandt.
Im Idealfall kommunizieren eingebettete Systeme mit ihrer Umwelt/Umgebung und erwarten Sensor-Eingangssignale, wodurch das physikalische (reale) System stimuliert werden kann.

Von Model in the Loop Simulation spricht man nun in diesem Zusammenhang genau dann, wenn das eingebettete System (Modell) in einer Schleife zusammen mit dem Umgebungsmodell simuliert wird. Hiernach ist MIL eine überaus kostengünstige Möglichkeit, um Algorithmen für eingebettete Systeme zu testen.

Erst in nachfolgenden Entwicklungsstufen werden die Konzepte Software in the Loop (SIL) oder Hardware in the Loop (HIL) angewandt.

  • Projektierung – Konfiguration der Anlage
  • Konzeptentwicklung – Festlegen und Prüfen der Interaktionen
  • Code-Generierung
  • Virtuelle Inbetriebnahme
  • Softwareregressionstest (inkl. Störszenarien und Feldbus)
  • Digitaler Zwilling (Serviceunterstützung, Schulung, etc.)

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Wie funktioniert Simulation?

Modernen Simulationssoftware-Tools liegen diverse Konzepte zugrunde – eines davon ist ist das Baustein-Konzept, im Rahmen welchem ein Simulationsmodell aus einzelnen Bausteinen zusammengesetzt wird. In diesem Zusammenhang lässt sich jeder Modell-Baustein wie folgt beschreiben:

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Jeder einzelne Modell-Bausteine – sowie die spezifischen Abläufe innerhalb dieses Bausteins – ist in den Gesamtprozess eingebunden, wodurch ein Netzwerk entsteht.

Demzufolge können mit den Modell-Bausteinen und dem Netzwerk unterschiedlichste logistische Systeme abgebildet werden.

Visualisiert werden die Abläufe innerhalb des Netzwerkes – in Abhängigkeit des Anwendungsfalles – mit Hilfe von 2D- oder 3D-Animation.

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Emulation – Warum ist Simulation in der Realisierungsphase von Vorteil?

Steuerungsprogrammierern dient das Simulationsmodell als Ausgangsbasis und Vorlage im Rahmen der Erstellung der Anlagensteuerung. Dies setzt voraus, dass die realitätsgetreue Abbildung der IT-Struktur im Simulationsmodell berücksichtigt wird.

In einem Lagersystem bestehen etwa folgende klassischen Steuerungsebenen:

  • ERP … Materialbedarfsplanung und Auftragsverwaltung
  • LVS … Lagerverwaltungssystem
  • MFR … Materialflussrechner
  • SPS … Anlagensteuerung(en)

Die Implementierung der Steuerung(en) für das reale System wird durch die detailgetreue Struktur im Simulationsmodell vereinfacht und lässt in weiterer Folge zielgerichtete Fehleranalysen zu.

Sofern das Simulationsmodell darüber hinaus zur virtuellen Inbetriebnahme genutzt werden soll, ist die realitätsgetreue Abbildung der IT-Struktur der Anlage (des Systems) von besonderer Bedeutung, da das betreffende Modell hierauf auf diversen Steuerungsebenen mit dem realen System zusammengeschalten werden kann.

In diesem Zusammenhang bezeichnet der Begriff Emulation die Querverbindung/Koppelung des Modells mit der realen Steuerung.
Im Zuge dessen wird die Steuerungslogik der Anlage durch die Logiken des Simulationsmodells ersetzt.

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✔   Emulation verkürzt die Inbetriebnahmezeit

Wie im realen System erfolgt der Informationsaustausch zwischen den Steuerungsebenen auf Telegrammebene. Beim Test der SPS-Ebene besteht im Emulationsmodell nur noch die Hardwarefunktionalität. Im Rahmen der Inbetriebnahme des Lagerverwaltungssystems oder des Materialflussrechners enthält das Modell die unterlagerten Steuerungen.

Hiernach kann eine (Anlagen-)Steuerung schon in Betrieb genommen werden, bevor die reale Anlage existiert.

Emulation macht es darüber hinaus möglich, Steuerungen unter hoher Systemlast zu testen, nachdem Fehler (kritische Situationen) im Simulationsmodell auf Befehl erzeugt werden können. Nicht zu vergessen ist die Möglichkeit der Messwiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit von Fehlern, weil sich das Simulationsmodell im Rahmen unveränderter Bedingungen immer gleich verhält.

Demzufolge verkürzt die Möglichkeit der Emulation nicht nur die Inbetriebnahmezeit einer Anlage auf signifikante Weise. Emulation bedingt darüber hinaus die höhere Qualität der Steuerung, nachdem in kurzer Zeit eine Vielzahl von Szenarien getestet werden können, die im Live-Betrieb lediglich vereinzelt und unregelmäßig auftreten werden.

Sofern Steuerungen eines existierenden Systems geändert werden, bildet die Möglichkeit der Emulation einen nennenswerten Grundpfeiler für den störungsarmen Übergang zur erneuerten Steuerung.
Überdies kann das Emulationsmodell im Zuge der Realisierungsphase zu Schulungszwecken für das Bedienerpersonal eingesetzt werden.

Wir haben Ihr Interesse geweckt? Dann fragen Sie bitte umgehend bei uns an!

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