Leitfaden Virtuelle Inbetriebnahme - Handlungsempfehlungen zum wirtschaftlichen Einstieg - Digitalisierung & Industrie 4.0
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Leitfaden Virtuelle Inbetriebnahme
Handlungsempfehlungen zum wirtschaftlichen Einstieg
in Kooperation mit
Forum Industrie 4.0
INHALT 1
Editorial
Innovationen, Lösungskompetenz und Spitzenqualität sind zentrale Merkmale unserer
Branche. Und auch Industrie 4.0 steht genau hierfür. Die Schlüsselbegriffe sind Digitalisierung
und Vernetzung. Informations- und Internettechnologien werden Schritt für Schritt in die
Produkte und Prozesse der Unternehmen integriert.
Dem deutschen Maschinen- und Anlagenbau kommt als Anbieter und Anwender von
Industrie 4.0 eine Schlüsselrolle zu. Er integriert neueste Technik in Produkte und Prozesse.
Zugleich ist er Datenquelle für Industrie 4.0: Er erfasst die Daten, interpretiert sie, innoviert
Hartmut Rauen damit und entwickelt neue Geschäftsmodelle. Dabei ist Industrie 4.0 nicht nur ein Thema
der größeren Unternehmen, sondern muss auch für den Mittelstand wirtschaftlich und
nutzbringend umsetzbar sein.
Um im Zeitalter der Digitalisierung auch in Zukunft erfolgreich sein zu können, gilt es in
digitalen Wertschöpfungsketten zu agieren. Es geht darum, Informationen in einem Digitalen
Zwilling von Komponenten, Maschinen und Anlagen durchgängig zur Verfügung zu stellen.
Nur so können Simulationen aus dem Engineering, Live-Daten aus der Produktion und Opti-
mierungsanalysen kombiniert werden. Diese Möglichkeit ist auch die Grundvoraussetzung
dafür, Maschinen und Anlagen bei Anwendern virtuell in Betrieb zu nehmen. Somit können
Dr. Christian Mosch sie vorab abgesichert werden. Das spart Zeit in der tatsächlichen Inbetriebnahme, reduziert
Aufwände und damit auch Kosten.
Vor diesem Hintergrund versteht sich der vorliegende Leitfaden „Virtuelle Inbetriebnahme –
Leitfaden zur wirtschaftlichen Einführung“ als praxisorientiertes Werkzeug. Es werden Maß-
nahmen aufgezeigt, um die Virtuelle Inbetriebnahme im eigenen Unternehmen wirtschaftlich
einzuführen. Hiervon profitieren auch die Lieferanten und Kunden. Anforderungen können
klarer beschrieben und erfüllt werden. Auf die Kosten und Nutzen wird ein besonderes Augen-
merk gelegt. Letztlich geht es darum, mit der Virtuellen Inbetriebnahme wirtschaftlichen
Mehrwert zu schaffen. Der VDMA realisiert mit diesem Leitfaden einen Umsetzungsbaustein
Etienne Axmann für die Praxis. Er liefert einen weiteren Baustein zur Umsetzung von Industrie 4.0 und dem
Digitalen Zwilling.
Unser ausdrücklicher Dank gebührt Prof. Dr.-Ing. Alexander Verl und Prof. Dr.-Ing. Oliver
Riedel vom Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungsein
richtungen (ISW) der Universität Stuttgart sowie Prof. Dr.-Ing. Jochen Deuse vom Institut
für Produktionssysteme (IPS) der TU Dortmund für die wissenschaftliche Aufbereitung des
Leitfadens. Zudem gilt es, den beteiligten VDMA-Mitgliedern für ihr Engagement im
projektbegleitenden Arbeitskreis zu danken.
Wir wünschen Ihnen eine spannende und inspirierende Lektüre.
Hartmut Rauen Dr. Christian Mosch Etienne Axmann
Stellvertretender VDMA-Forum Industrie 4.0 VDMA Robotik + Automation
VDMA-Hauptgeschäftsführer
2 VORWORT
Inhaltsverzeichnis
01 Editorial 24 VIBN erfolgreich im Unternehmen
einführen
02 Inhalt 25 Pilotphase –
Kurzfristige Planung und Einführung
03 Vorwort 25 Strategische Ziele festlegen
25 Projektteam zusammenstellen
04 Management Summary 26 Auswahlkriterien für das
Simulationswerkzeug definieren
05
Einleitung und Grundprinzipien der 26 Betrachtung von technischen
Virtuellen Inbetriebnahme (VIBN) Schnittstellen und Austauschfor-
05 Adressaten dieses Leitfadens mate der Simulationswerkzeuge
05 Grundlegende Motivation für VIBN 27 Vorauswahl Simulationswerkzeug
05 Definition der VIBN treffen
06 Beteiligte entlang der Zulieferkette 27 Pilotprojekte durchführen
im Maschinen- und Anlagenbau 29 Entscheidung zum Simulations-
07 Der VIBN-Prozess werkzeug treffen
29 VIBN-Begleitdokument erstellen
09 Zielbild der integrierten VIBN
09 Integration der VIBN in den 30 Produktivphase – mittel- und
Lebenszyklus langfristige Planung und Etablierung
09 Kopplung von VIBN und dem übrigen
Engineering als Pull-Push-Gefüge 31 VIBN im Engineering verankern
10 Aufbau und Nutzung des virtuellen
Testaufbaus 31 VIBN effizienter gestalten
12 VIBN als Ausgangspunkt für den
Digitalen Zwilling 34 Ausblick
13 Fazit
37 heckliste für die Einführung von
C
14
Kosten und Nutzen der VIBN VIBN im eigenen Unternehmen
14 Qualitative Nutzen der VIBN
14 Nutzen der VIBN für den 38 Quellenverzeichnis
Betreiber
16 Nutzen der VIBN für den 39 Impressum
Systemlieferanten
18 Nutzen der VIBN für den
Komponentenlieferanten
19 Quantitative Kosten-Nutzen-
Abschätzung
20 Kostenanalyse
22 Nutzenpotenzialabschätzung
23 Ergebnisauswertung
23 Kapazitätsanpassung
VORWORT 3
Vorwort
Für den Maschinen- und Anlagenbau in ware und das gesamte Produktionssystem
Deutschland ergibt sich durch die konsequente erreicht. Zudem werden Verbesserungen der
Digitalisierung des Produktentstehungspro Entwicklungsprozesse, bspw. bei der Kommuni-
zesses eine Vielzahl an neuen Wertschöpfungs- kation der Disziplinen und dem Zeitmanage-
potenzialen. Bisherige Entwicklungen haben ment, erreicht.
spannende Einzellösungen hervorgebracht, es
fehlt jedoch an einer strukturierten Umsetzung Für immer mehr Unternehmen im Maschinen-
entlang des gesamten Produktentstehungs und Anlagenbau nimmt die Virtuelle Inbetrieb-
Prof. Oliver Riedel prozesses. Zu den einzelnen Entwicklungen nahme eine signifikante Rolle ein. Die kon
zählen Fortschritte in den Bereichen Virtualisie- sequente Weiterentwicklung der Virtuellen
rung und Cloud-Technologien, AR/VR, Künst Inbetriebnahme in einem Schulterschluss aus
liche Intelligenz und Machine Learning sowie Forschungslandschaft, Herstellern von Simula-
in besonderem Maße die Bereiche Simulation tionssoftware und dem Maschinen- und Anla-
und Datenmodellierung. Bei der Betrachtung genbau in Deutschland ist dabei eine span-
eines vollständig digitalisierten Lebenszyklus nende Erfolgsgeschichte für sich. Heute können
von Produkt und Produktion spricht man vom mit der steigenden Anzahl an Unternehmen,
Digitalen Zwilling. Der deutsche Maschinen- und die auf die Virtuelle Inbetriebnahme setzen,
Anlagenbau hat die Möglichkeit, auf dem Weg neue Potenziale entlang von Zulieferketten
Prof. Alexander Verl zu ganzheitlichen Digitalisierungslösungen eine erschlossen und die ganzheitliche, wertschöp-
Vorreiterrolle einzunehmen. Der Produktentste- fungskettenübergreifende Digitalisierung voran-
hungsprozess und insbesondere die Produktion getrieben werden.
werden durch die konsequente Digitalisierung
transparenter, intelligenter und flexibler – genau Mit dem vorliegenden Leitfaden ist erstmals ein
passend, um auf die Herausforderungen eines praxisbezogenes Dokument entstanden, das
globalen und hoch individualisierten Marktes zu aus der Sicht des Anwenders den erfolgreichen
reagieren. operativen und nachhaltig wirtschaftlichen Ein-
stieg in die Virtuelle Inbetriebnahme unterstützt.
Eine Simulationsmethode, die bereits heute im Wir wünschen Ihnen eine spannende Lektüre
Prof. Jochen Deuse Produktentstehungsprozess eine maßgebliche und einen erfolgreichen Start bei den eigenen
Rolle spielt, ist die Virtuelle Inbetriebnahme. (ersten) Schritten hin zu einer effizienten und
Aus digitalen Modellen, Methoden und Werk- gewinnbringenden Virtuellen Inbetriebnahme.
zeugen ist in den vergangenen 15 Jahren eine
Technologie entstanden, die eine Absicherung
von Komponenten, Maschinen und Anlagen in
einer virtuellen Umgebung ermöglicht, bevor
diese real in Betrieb genommen werden. Bei
deren Einsatz werden erwiesenermaßen Vor-
teile für die Qualität von Automatisierungssoft-
Dr. Ralph Richter
Prof. Oliver Prof. Alexander Prof. Jochen Dr. Ralph
Riedel Verl Deuse Richter
ISW ISW RIF RIF
4 LEITFADEN VIRTUELLE INBETRIEBNAHME
Management Summary
Die Virtuelle Inbetriebnahme gewinnt als Handlungsanweisungen
umsetzungsnaher Teil der Digitalisierung für den Lieferanten und Kunden
im Maschinen- und Anlagenbau über alle Die Vielzahl an Daten und Informationen in den
Unternehmen eignen sich schon heute für die
Branchenzweige hinweg an Bedeutung.
Realisierung der Virtuellen Inbetriebnahme für
Dieser Leitfaden ermöglicht mit einer die eigenen Komponenten, Maschinen oder
Kosten-Nutzen-Betrachtung und einer Anlagen. In der initialen Betrachtung stehen
methodischen Handlungsanweisung einen die Kosten und Nutzen im Fokus. In diesem
effizienten Einstieg. Leitfaden wird hierauf besonderen Wert gelegt.
Auf Grundlage des neu entwickelten Kosten-
Nutzen-Schemas kann in einer einfachen tabel-
Die Virtuelle Inbetriebnahme ist ein prädestinier- larischen Form der Return-of-Investment ermit-
ter Anwendungsfall, um in durchgängigen digita- telt werden.
len Prozessketten zu denken. Damit ist sie auch
ein Anwendungsbeispiel für den Digitalen Zwil- Eingerahmt wird die Kosten-Nutzen-Betrach-
ling. Der Digitale Zwilling ist das Herzstück der tung durch technische Erläuterungen und einer
Industrie 4.0. Als digitales Abbild von Maschi- methodischen Einführungsstrategie. Es wird
nen, Komponenten und Produkten kombiniert er deutlich, dass ohne digitale Prozessketten
Simulationen aus dem Engineering, Live-Daten Engineering-Daten im späteren Verlauf verloren
aus der Produktion und Optimierungsanalysen. gehen. Sie gelangen mit Ihren Erkenntnissen
Die Ergebnisse sind neue Erkenntnisse über nicht bis in die Produktion. Ziel muss es also
Produkte und Prozesse, gewonnen auf effizien- sein, die Virtuelle Inbetriebnahme in den gesam-
tem und intelligentem Wege. Schnell wird klar, ten Lebenszyklus zu integrieren. Der erste
welche Möglichkeiten und Potentiale sich damit Schritt ist meist der Schwierigste. Die im Zuge
für die Unternehmen verbinden lassen – und dieses Leitfadens entwickelte Herangehens-
das über den gesamten Produktions- und Pro- weise hilft, diese Einstiegshürde zu senken.
duktzyklus hinweg.
Durch die konsequente Umsetzung der Virtuel-
Die Realisierung der Virtuellen Inbetriebnahme len Inbetriebnahme kann die Qualität der Soft-
hat enormes Potenzial für den Maschinen- und ware und des gesamten Produktionssystems
Anlagenbau und deren Kunden. Bei Bestands- verbessert werden. Eine langwierige physische
anlagen bietet das frühzeitige Durchspielen Inbetriebnahme und stressige Einsätze am
unterschiedlicher Szenarien Einsparpotenziale. Bestimmungsort können vermieden werden.
Die Absicherung von Anlagenkonfigurationen Eine Checkliste gibt Anreize für die eigene
führt zur gesteigerten Prozessqualität und der Umsetzung und vereinfacht die Beschreibung
Erhöhung der Anlageneffizienz in der eigenen der Anforderungen an das eigene Unternehmen.
Produktion. Die Reduktion des Time-to-Market
neuer Produkte und neue datenbasierte
Geschäftsmodelle der Maschinenlieferanten
sind nur einige wenige mögliche Mehrwerte.
LEITFADEN VIRTUELLE INBETRIEBNAHME 5
Einleitung und Grundprinzipien
der Virtuellen Inbetriebnahme (VIBN)
Adressaten dieses Leitfadens
Dieser Leitfaden adressiert alle Beteiligten
entlang von Zulieferketten im Maschinen- und
Anlagenbau und richtet sich an das Manage-
ment und die Entscheider im jeweiligen Unter- Elektrik
Mechanik
nehmen und Fachbereich. Der Leitfaden ist
als Anwendungshilfe zu bestehenden Richtlinien
VIBN
und Standards zu sehen.
Themen des Leitfadens sind:
• Die Grundprinzipien der Virtuellen „Die VIBN erleichtert
Software das Zusammenspiel
Inbetriebnahme (VIBN) und das Konzept aller Disziplinen“
der integrierten VIBN.
• Die Kosten- und Nutzenpotenziale der VIBN.
• Die erfolgreiche Einführung und zielgerichtete
Umsetzung der VIBN im Unternehmen. Abbildung 1: Die VIBN erleichtert, unter Bereitstellung eines
mechatronischen Simulationsmodells, die Zusammenarbeit der
Beteiligten im Engineering
Grundlegende Motivation für VIBN
Die Entstehung und Nutzung eines Produk-
tionssystems 1 durchläuft mehrere Phasen des
Lebenszyklus, in denen es zu Fehlern und Definition der VIBN
somit Kosten kommen kann. Nach der „Rule Die VIBN ist eine Simulationsmethode, bei der
of Ten“ (dt. Zehnerregel) der Fehlerkosten [1] das Steuerungssystem mit einem Simulations-
erhöhen sich die Kosten zur Behebung eines modell der Komponente, Maschine oder Anlage
Fehlers um den Faktor „10“, für jede Phase verbunden wird [3], um frühe, entwicklungs
des Lebenszyklus in der der Fehler fortbesteht. begleitende Tests des Produktionssystems zu
Die frühe Fehlererkennung und -behebung, ermöglichen. Durch die Nutzung von Simula-
möglichst noch im Engineering 2, senkt die Kos- tionsmodellen für die VIBN können Sachverhalte
ten eines Produktionssystems daher erheblich. aus einzelnen Disziplinen des Engineerings,
Die Durchlaufzeit und die Qualität eines Pro- sowie explizit deren Zusammenspiel im mecha-
duktionssystems werden positiv beeinflusst. tronischen 3 Kontext, veranschaulicht werden
Die frühe Fehlererkennung ist besonders für (siehe Abbildung 1).
die Software von Produktionssystemen rele-
vant, da deren Anteil stetig durch die zuneh- Sinnbildlich ermöglicht die VIBN ein Umschalten
mende Komplexität mechatronischer Produkte des realen Betriebs eines Produktionssystems
steigt [2]. Die VIBN ermöglicht eine frühzeitige in den virtuellen Betrieb (siehe Abbildung 2).
Fehlererkennung und spart somit Kosten und Der Zusammenschluss aus Steuerungssystem
Zeit bei der Herstellung und Nutzung von und simuliertem Produktionssystem wird als
Produktionssystemen. virtueller Testaufbau bezeichnet. Dieser ermög-
licht z. B. eine virtuell abgebildete Anlage ein
1 Im Kontext des Leitfadens ist ein Produktionssystem eine 3 Zu den mechatronischen Disziplinen zählen alle für
Komponente, Maschine oder Anlage das Unternehmen relevanten Tätigkeiten aus den Bereichen
Mechanik, Elektrik und Elektronik, Fluidik und Pneumatik,
2 Die Entwicklung und/oder Konstruktion werden im Rahmen Informatik und Software. Im weiteren Verlauf des Leitfadens wird
des Leitfadens zusammengefasst als Engineering bezeichnet. vereinfachend der Sammelbegriff „Mechatronik“ verwendet.
6 LEITFADEN VIRTUELLE INBETRIEBNAHME
Bei der Einführung und Nutzung von VIBN ist
die gesamte Zulieferkette des Unternehmens zu
betrachten und nicht nur die eigenen internen
Prozesse und Strukturen (siehe Abbildung 3).
Im folgenden Abschnitt werden die Beteiligten
entlang der Zulieferkette genauer betrachtet.
Beteiligte entlang der Zulieferkette im
Maschinen- und Anlagenbau
Der Betreiber eines Produktionssystems
steht an der Spitze der Zulieferkette und be-
auftragt einen Systemlieferanten ein auto
matisiertes Produktionssystem (für z. B.
Montage, Fertigung oder Logistik) zu liefern
(Serienmaschinenbau) oder ggfs. zu entwickeln
(Sondermaschinenbau). Ein Beispiel für einen
Abbildung 2: Sinnbild der VIBN: Umschalten zwischen Realität und Betreiber ist ein OEM 4 (bspw. ein Automobil-
Simulation [4] bauer), der auf diesen Maschinen oder
Anlagen Produkte für einen Kundenmarkt
herstellt.
Als Systemlieferant wird die Gruppe aus
Systemintegrator, Maschinen- und Anlagen
lieferant verstanden. Die Kompetenzen des
So
f
Systemintegrators liegen in der Zusammenfüh-
tw
Betreiber
ar
rung und Integration eigener oder zugekaufter
eli
Teillösungen und Komponenten zu einem auto-
ef
er
matisierten Produktionssystem. Komponenten-,
an
Systemlieferant
t
Maschinen- und Anlagenlieferanten liefern ihre
(S
im
(Systemintegrator, Teillösungen direkt an den Betreiber aus. In
ula
Maschinen- und Anlagenlieferant)
tio
einem solchen Fall übernimmt der Betreiber die
ns
we
Aufgabe der Integration.
rkz
Komponentenlieferant
eu
g)
Der Komponentenlieferant stellt die benötig-
ten Teillösungen auf Produktbasis (Serien
maschinenbau) oder Projektbasis (Sonder
Abbildung 3: Die Zulieferkette im Maschinen- und Anlagenbau im Kontext maschinenbau) bereit. Die Komplexität einer
der VIBN Komponente variiert, beispielsweise von einem
Drucksensor bis hin zu einem mehrachsigen
zusetzen, um frühzeitig zu experimentieren, zu Roboter.
testen und zu erproben, solange sich die reale
Anlage noch im Aufbau befindet. Nach Aufbau Der Softwareanbieter stellt im Kontext der
der realen Anlage kann das Steuerungssystem Zulieferkette das Simulationswerkzeug (oft
idealerweise ohne weitere Änderung an der auch: Simulationssoftware) zur Modellierung
realen Anlage betrieben werden und erzeugt und Simulation von Komponenten, Maschinen
dasselbe Verhalten. Die virtuelle Anlage wird und Anlagen bereit und steht mit der gesamten
weiterhin im Rahmen von Tests verwendet, um Zulieferkette in Beziehung.
eine Belegung der realen Anlage zu vermeiden
oder deren Beschädigung auszuschließen.
4 OEM – Original Equipment Manufacturer
LEITFADEN VIRTUELLE INBETRIEBNAHME 7
Systemlieferant Betreiber
Ausschließlich reale Inbetriebnahme Ausgelieferte Elemente
Komponente,
Engineering und Fertigung Montage und Inbetriebnahme Maschine Testreport
oder Anlage
Mit Virtuelle Inbetriebnahme Ausgelieferte Elemente
Zeitgewinn
und Komponente,
Qualitätsgewinn Maschine Testreport
Engineering und Fertigung Montage und oder Anlage
Inbetriebnahme
Virtuelle Inbetriebnahme Simulations-
Konfiguration des modell
Modellierung der Optimierungen
virtuellen Virtueller Test
Simulation
Testaufbaus
Start der Betriebsphase
Abbildung 4: Gegenüberstellung des Lebenszyklus ohne und mit VIBN für den Maschinen- und Anlagenbau
Zur Nutzung von VIBN entlang der Zulieferkette, mit dem Testen beginnen. Die frühen Tests am
benötigt es einen individuellen VIBN-Prozess im virtuellen Testaufbau verkürzen die Zeit für die
Engineering. Diese VIBN-Prozesse sind später reale Inbetriebnahme (IBN) und entschärfen
eine wichtige Voraussetzung für die erfolgreiche den kritischen Pfad im Engineering durch ein
Zusammenarbeit der unterschiedlichen Partner Simultaneous Engineering 5. Durch den frühe-
bei der VIBN. ren Beginn der Tests ist ein ausführlicheres und
intensiveres Testen möglich, was sich positiv
Der VIBN-Prozess auf die Qualität des zu liefernden Produktions-
Der VIBN-Prozess wird in Abbildung 4 dem systems auswirkt. Sobald die Komponente,
konventionellen Engineering gegenübergestellt, Maschine oder Anlage am virtuellen Testaufbau
wobei die Einflüsse im Lebenszyklus durch die abgenommen ist, steht die verbleibende Zeit
VIBN in Grün dargestellt sind. dem Lieferanten für Optimierungen zur Ver
fügung. Dies geschieht meist parallel zum
Der VIBN-Prozess teilt sich hierbei in vier Transport, Aufbau und der IBN am Einsatzort.
Phasen: So kann der Betreiber nicht nur zeitgerecht,
• Modellierung der Komponente, Maschine aufgrund verkürzter IBN-Zeit, sondern bereits
oder Anlage für die Simulation bedarfsoptimiert in die Betriebsphase überge-
• Konfiguration des virtuellen Testaufbaus hen. Beispielsweise können Durchlaufzeiten
• Ausführung der virtuellen Tests oder Energieverbräuche virtuell optimiert wer-
• Nutzung der verbleibenden Zeit bis zur den.
Auslieferung für Optimierungen
Ein Systemlieferant agiert vor dem „Start der
Betriebsphase“. Er zieht den Nutzen der VIBN
daraus, dass der virtuelle Testaufbau seiner 5 Definition aus VDI-Richtlinie 4499 Blatt 1 Digitale Fabrik –
Grundlagen, 2008: „Eine Form der Ablauforganisation im
Komponente, Maschine oder Anlage früher als Rahmen der Produktionsvorbereitung, bei der die verschiede-
nen Aufgaben wie Produktkonstruktion, Fertigungsplanung
der reale Aufbau zur Verfügung steht. Somit und Fabrikplanung nicht mehr sequenziell, sondern zeitlich
kann er parallel zu Engineering und Fertigung parallel erfolgen.“
8 LEITFADEN VIRTUELLE INBETRIEBNAHME
Der Einsatzzweck und der Mehrwert von VIBN Den Vorteilen in der virtuellen Testphase des
können veranschaulicht werden, indem die Engineerings stehen Mehraufwände bei der
Tätigkeiten und das Tätigkeitsumfeld mit dem erstmaligen Einführung und kontinuierlichen
der realen IBN verglichen werden (siehe Abbil- Bereitstellung der VIBN gegenüber. Zu den
dung 5). Die VIBN ersetzt die reale IBN nicht Mehraufwänden gehören:
vollständig. Sie verkürzt diese durch das Vor • einmalige Kosten wie Hardware und Software
ziehen zahlreicher Testaktivitäten. Zusätzlich für VIBN,
ermöglicht der virtuelle Test die Betrachtung von • laufende Kosten wie Software-Lizenzen,
Störsituationen, die in der Realität nur schwer Personal und
nachgestellt werden können oder mit dem • Zeitaufwände für die Modellierung der
Risiko von schweren Schäden verbunden sind. Simulation und der Konfiguration des
virtuellen Testaufbaus.
Virtuelle Inbetriebnahme Reale Inbetriebnahme
ü Systemtest ü Systemtest
ü Abnahmetest ü Abnahmetest
ü Softwaretest ü Softwaretest
ü Test des Gutfalls ü Test des Gutfalls
ü Test des Schlechtfalls ü Test der Verkabelung
ü Test von Störsituationen ü Test der E/A-Belegung
ü Gefundene Fehler aus dem Engineering ü Gefundene Fehler aus dem Engineering
können einfach in Software, Mechanik, können nur in der Software einfach
Elektrik behoben werden behoben werden
ü Früheres und häufigeres Testen bereits ü Test und Auslegung einzelner Prozesse
während der Entwicklung
ü Einfache Datenaufzeichnung
ü Besserer Einblick in die
Wirkzusammenhänge
ü Ruhige Arbeitsumgebung
ü Ergonomisches Arbeiten
ü Keine Anreise notwendig
Abbildung 5: Tabellarische
Bildquelle Gegenüberstellung von VIBN und realer IBN; grau: mittels VIBN und IBN möglich, grün: nur bei VIBN
links: Heitec AG
möglich, Bildquelle
blau: nurrechts: stockphoto über VDMA bezogen
bei IBN möglich
LEITFADEN VIRTUELLE INBETRIEBNAHME 9
Zielbild der integrierten VIBN
Integration der VIBN in den Lebenszyklus Die für die VIBN erstellten Simulationsmodelle
Für eine erfolgreiche VIBN sollte diese frühzei- und Testaufbauten bestehen über die Phasen
tig und durchgängig in das eigene Engineering des Engineerings hinaus und sollten weiter
integriert werden (Abbildung 6). Bei kunden genutzt werden (grüne Pfeile in Abbildung 6).
spezifischen Entwicklungen im Sondermaschi- Ein Konzept für die weitere Nutzung ist der
nenbau ermöglicht ein Simulationsmodell als Digitale Zwilling, mehr dazu in Abschnitt „VIBN
technisches Kommunikationsmittel, eine enge als Ausgangspunkt für den Digitalen Zwilling“
Kopplung zwischen dem Lieferanten und dem (Seite 12).
Betreiber. Beide Beteiligten können ihren Vor-
stellungen iterativ am Modell abgleichen. Im Kopplung von VIBN und
Serienmaschinenbau ist der Einsatz der dem übrigen Engineering
Simulationsmodelle bereits in der Angebots- Für die prozessuale Integration von VIBN im
phase von Nutzen, um dem Betreiber eine rea- Engineering ist die Etablierung eines neuen
listische Darstellung des angebotenen Produkts Gefüges aus „Pull“ und „Push“, zusammen mit
am bewegten 3D-Modell vorführen zu können. den mechatronischen Disziplinen, erforderlich
Sowohl für den Sonder- als auch für den (siehe Abbildung 7). In der Pull-Phase fordert
Serienmaschinenbau, kann ein sequenzielles die VIBN Informationen in Form von Enginee-
Engineering mittels VIBN aufgehoben werden. ring-Daten aus den mechatronischen Diszipli-
Die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen nen. Aus diesen Daten werden das Simulations-
Disziplinen werden durch eine frühzeitige modell und der virtuelle Testaufbau erstellt. In
Zusammenführung der Teilergebnisse am der Push-Phase meldet die VIBN die Testergeb-
Simulationsmodell sichtbar. Interdisziplinäre nisse der Verifikation und Validierung an die ein-
Teams, die sich anhand des Simulationsmo- zelnen mechatronischen Disziplinen zurück. Die
dells verständigen, entwickeln Teillösungen in Ergebnisse werden von den Disziplinen für Feh-
agilen, kurzen Zyklen. lerbehebungen und Optimierungen genutzt.
Abbildung 6: Zielbild einer in den Lebenszyklus integrierten VIBN im Maschinen- und Anlagenbau10 LEITFADEN VIRTUELLE INBETRIEBNAHME
In einem ideal integrierten VIBN-Prozess wird Das Steuerungssystem wird nicht in das
aus dem Pull und Push ein iteratives Vorgehen Simulationsmodell integriert, sondern mit der
geschaffen, das eine neue Dynamik im gesam- Simulation verknüpft. Der virtuelle Testaufbau,
ten Engineering erzeugt. Diese Dynamik bietet also die Verknüpfung des Simulationsmodells
eine Reihe von Vorteilen, die in einer höheren mit dem Steuerungssystem, wird als X-in-the-
Qualität der Komponente, Maschine oder Loop-System (XiL-System) bezeichnet. Mit der
Anlage münden: Nutzung von XiL-Systemen werden, gegenüber
• Fehler aus der Konzept- und der einem realen Testaufbau, folgende Vorteile
Realisierungsphase werden früher entdeckt. erreicht:
• Optimierungsschleifen werden früher gestartet • Geringere Kosten beim Aufbau
und häufiger durchgeführt. • Geringerer Aufwand bei kontinuierlicher
• Beteiligtes Personal erhält früher einen Neukonfiguration
Einblick in das gesamte Produktionssystem. • Keine Beanspruchung von physischen
Ressourcen (z. B. Montage- und Hallenfläche)
Aufbau und Nutzung des virtuellen • Kein Verschleiß und keine Beschädigung von
Testaufbaus Betriebsmitteln
Die VIBN benötigt ausführbare Simulationsmo-
delle einer Komponente, Maschine oder Anlage. Die Ausprägungen von XiL werden anhand der
Die Simulationsmodelle bilden u.a. folgende Art der Steuerung unterschieden in:
Zusammenhänge ab: • Model-in-the-Loop (MiL): die Steuerungssoft-
• Prozesslogik ware wird in einer Modellsprache abgebildet.
• Kinematik • Software-in-the-Loop (SiL): die
• Materialfluss Steuerungssoftware läuft in einer Emulation.
• Physikalische Effekten • Hardware-in-the-Loop (HiL): die
• Sensoren und Aktoren Steuerungssoftware läuft auf der realen
• (Bus-)Kommunikation Hardware der Steuerung.
Testfälle und
Abnahmekriterien des Kunden
Mechatronische
L
UL
Disziplinen im
CAD, ECAD, Layoutplan
Engineering
P
SPS-, NC- und
Roboterprogramme
Zykluszeitendiagramme,
VIBN „schiebt“ Feedback
Netzwerkadressen
in die Disziplinen
Iterativ und
…
dynamisch
3D-Videos und Screenshots
VIBN „zieht“ Informationen von laufender Komponente,
aus den Disziplinen Maschine oder Anlage
Testreports und
Datenaufzeichnungen
H
Elektrik
S
Mechanik
Getestete SPS-, NC- und
PU
Roboterprogramme
VIBN
… Checkliste der Abnahme
Software
Abbildung 7: Push-Pull-Gefüge
zwischen VIBN und den mechatro-
nischen Disziplinen im EngineeringLEITFADEN VIRTUELLE INBETRIEBNAHME 11
hoch
HiL Simulation Steuerungs- Prüfobjekt
system
Feldbus
Regelschleife (Loop)
SiL Simulation Emulation
Emulation
~
MiL Simulation Modell
Intern
gering
Abbildung 8: Realitätsnähe • Realitätsnähe = Umfang, Detaillierungsgrad und Zeitverhalten
und Aufwand der XiL-Systeme • Aufwand der Erstellung
aus Simulationsmodell,
Kommunikationsstrecke und
Steuerungssystem
Neben dem Steuerungssystem sind auch die der Ausführung mit der Simulation interagiert
Kommunikationsstrecke, das Simulationsmo- werden kann (siehe Best Practice 6 „Ganz
dell, das Simulationswerkzeug und der Umfang heitlicher Einsatz von VIBN-Simulationsplatt
bei der Modellierung zwischen den XiL-Syste- formen“). Der Mehrwert von Simulationswerk
men unterschiedlich [5] (siehe Abbildung 8). zeugen entsteht in der Anwendung von explizit
Abhängig von der gewünschten Nähe zur realen digital zur Verfügung stehenden Methoden,
Komponente, Maschine oder Anlage, wird das welche an der realen Anlage nicht oder nur
passende XiL-System eingesetzt. Der Aufwand mit großem Aufwand anwendbar sind. Die
zur Erstellung steigt mit der Realitätsnähe an. folgenden Methoden werden genutzt (siehe
Die Komplexität des Simulationsmodells selbst, auch [5]) für:
steht hiermit nicht im Zusammenhang. Idealer-
weise werden MiL, SiL und HiL in dieser Rei- • Das Erstellen von virtuellen Steuer-
henfolge, passend zum Fortschritt im Enginee- und Signaltafeln.
ring, eingesetzt. Die Kopplungen von mehreren Die Elemente auf den Tafeln werden zum
Steuerungssystemen mit einer Simulation sind Eingreifen (Taster, Schalter) oder zum
technisch möglich und werden in der Praxis ein- Beobachten (z. B. durch Lampen oder Signal-
gesetzt. verläufe) während der Simulation genutzt.
Die für die VIBN erforderlichen Simulations-
werkzeuge werden kommerziell von unter-
schiedlichen Anbietern vertrieben. Der Funk-
tionsumfang der Simulationswerkzeuge 6 Siehe separates Dokument „Best Practices zur Virtuellen
unterscheidet u. a. wie modelliert und während Inbetriebnahme“.12 LEITFADEN VIRTUELLE INBETRIEBNAHME
• Das Beeinflussen von Signalen • Das Verändern der Simulationszeit im
während der Simulation. Vergleich zur Realzeit.
Dies wird dann genutzt, wenn an der virtuel- Eine beschleunigte Simulation erlaubt eine
len Komponente, Maschine oder Anlage eine größere Spanne der Lebensdauer zu betrach-
Fehlersituation hervorgerufen werden soll. ten oder Zwischenzustände zu überspringen.
Die Methode sieht hierzu das Überschreiben Eine verlangsamte Simulation ermöglicht
(auch als „Forcing“ bezeichnet) der eigentli- ein besseres Betrachten von Zustandsände-
chen Werte einzelner Signale oder Signal- rungen.
gruppen vor.
Der Entwickler, Tester oder Inbetriebnehmer
• Die Nachverfolgung (auch als geht bei der Testausführung am virtuellen Test-
„Tracing“ bezeichnet) von Signalen. aufbau nach dem Prinzip Bedienen, Beobach-
Die Signale werden während der Simulation ten, Protokollieren vor. Dabei ist es für den
aufgezeichnet und als Rohdaten abgespei- Erfolg erforderlich, die Abläufe, Testfälle oder
chert. Eine gleichzeitige grafische Darstellung Anwendungsszenarien vorab zu definieren
ist möglich. und schriftlich festzuhalten.
• Das gezielte Herbeiführen eines Abbildung 9 zeigt das Vorgehen zur Erstellung
Anfangszustands in der Simulation. von Testfällen und der anschließenden Test
Die Methode verkürzt die Zeit zur Vorbereitung ausführung. Die Erstellung einzelner Testfälle
eines Tests und macht die Tests wiederholbar. erfolgt bezogen auf eine Funktionalität des
Vorgehen zur Testerstellung Vorgehen beim virtuellen Test
Testausführung
erstellen Testausführung
starten
Funktionalität auswählen
Zielzustand der Testfälle
Funktionalität definieren
Bedienen
Fehlerfälle und
Störsituationen der
Funktionalität definieren Beobachten
Vorbedingungen für Test
Protokollieren
definieren
Testschritte definieren
Alle Testfälle nein
bearbeitet?
Verifikation je Schritt
definieren ja
Nachbedingungen für Test Testergebnisse
definieren auswerten
Testfall Testreport
Testausführung Testausführung
erstellt beendet Fehlerbehebung
Abbildung 9:
Ablaufdiagramme für
die Testerstellung
und TestausführungLEITFADEN VIRTUELLE INBETRIEBNAHME 13
roduktionssystems. Diese können spezifizierte
P • Das Absichern von Modifikationen an der
Funktionen, Anforderungen des Betreibers oder realen Komponente, Maschine oder Anlage.
bestehende Serviceroutinen beinhalten. • Das Untersuchen von Fehlersituationen
aus dem Betrieb.
Der Testreport wird als Information zur Fehler-
behebung und Optimierung an die Verantwort- Die zur Verifikation und Validierung einer
lichen der mechatronischen Disziplinen weiter- Komponente, Maschine oder Anlage eingesetz-
gegeben und enthält implizit den Nachweis über ten Simulationsmodelle der VIBN können als
den Reifegrad des getesteten Systems und Teilmodell eines Digitalen Zwillings eingesetzt
dessen Software. Er dient, neben der Weiter- werden.
gabe an Dritte, auch der späteren Nachvoll
ziehbarkeit. Werden Fehlerbehebungen oder Der Digitale Zwilling wird für neue Geschäfts-
Optimierungen durchgeführt, ist eine erneute modelle in Betracht gezogen, um in Zukunft
Testausführung mit den gleichen Testfällen virtuelle Showrooms, individuelle Schulungen
notwendig (Regressionstest). im Sinne eines reibungsloseren Produktions-
starts, die erweiterte Nutzung von Retrofit
VIBN als Ausgangspunkt für den maßnahmen 7 und die Veranschaulichung
Digitalen Zwilling von datengetriebenen Optimierungen zu
Die modellierten Simulationsmodelle und auf ermöglichen. Damit wird der Digitale Zwilling
gebauten XiL-Systeme können als wichtige in Zukunft zu einem wichtigen Bestandteil der
Basis für den Digitalen Zwilling dienen. Der Bestellung und Auslieferung einer Maschine,
Begriff „Digitaler Zwilling“ steht für eine als Komponente oder Anlage.
praxisnahe digitale Darstellung eines realen
Systems. Hierfür werden Simulationsmodelle Fazit
aus unterschiedlichen Simulationsdisziplinen, Bereits heute ist die VIBN als gewinnbringende
historische Daten sowie Echtzeitdaten aus dem Simulationsmethode im Engineering des
Feld kombiniert und mit Methoden der Auswer- Maschinen- und Anlagenbaus im Einsatz. Ein
tung, Vorhersage und Beeinflussung nutzbar vollständig integrierter VIBN-Prozess hilft im
gemacht. [6] Engineering die Zeitvorgaben zu beherrschen,
und erhöht die Qualität der zu liefernden Kom-
Mit Industrie 4.0 hat sich der Einsatzzweck ponente, Maschine oder Anlage maßgeblich, da
des Digitalen Zwillings auf die produzierende Fehler früher erkannt und behoben werden kön-
Industrie und insbesondere den Maschinen- nen. Zeit- und Qualitätsgewinn kommen sowohl
und Anlagenbau ausgeweitet. Dort wird er dem Lieferanten, als auch dem Betreiber
beschrieben als „…visionäre Zielsetzung, dass zugute. Die für die VIBN genutzten Simulations-
alle Informationen über eine (technisches) modelle, Simulationswerkzeuge, virtuelle
System jederzeit und in der jeweils vom Nutzer Methoden und XiL-Systeme müssen beherrscht
benötigten Weise digital zur Verfügung stehen.“ werden, um eine erfolgreiche VIBN zu ermög-
[7]. Der Digitale Zwilling hat bisher noch nicht lichen. Die VIBN ist außerdem die Basis für den
vollumfänglich den produktiven Einsatz erreicht Digitalen Zwilling, der wiederum neue
[8] [9] [10]. Geschäftsmodelle ermöglicht.
Die Möglichkeiten des Digitalen Zwillings
sind [6]:
• Die Verifikation der realen Komponente,
Maschine oder Anlage.
• Das Vorhersagen der Lebensdauer und des
Zustands der realen Komponente, Maschine
oder Anlage (Condition Monitoring und
Predictive Maintenance).
7 Retrofit: Aufrüstung von Bestandsanlagen mit Digitalisie-
rungstechnik14 LEITFADEN VIRTUELLE INBETRIEBNAHME
Kosten und Nutzen der VIBN
Die nachfolgenden Abschnitte dieses Leit Unterstützt wird dies durch die Qualifikation der
fadens unterstützen bei der Identifikation von Mitarbeiter am virtuellen Modell. Die Anlage
Nutzenpotenzialen beim Einsatz von VIBN für kann früher Umsatz generieren, was sich in
das eigene Unternehmen, sowie der darauf einer steileren Anlaufkurve widerspiegelt. Die
aufbauenden quantitativen Kosten-Nutzen- Automatisierung der Testausführung stellt einen
Abschätzung anhand von Checklisten. weiteren Ansatz zur Optimierung in fortgeschrit-
tenen Umsetzungen der VIBN dar.
Qualitative Nutzen der VIBN
Eine umfassende Betrachtung des qualitativen Qualität
Nutzenpotenzials der VIBN erfolgt anhand Eine höhere Anlagenqualität wird durch die
der fünf Zieldimensionen Zeit, Qualität, Kosten, Fehlererkennung und -behebung, bereits wäh-
Transparenz und Reaktionsfähigkeit [11] – rend des Engineerings, erreicht. Fortlaufende
speziell für den Betreiber, System- und Kompo- Optimierungen der Anlagensteuerung führen zu
nentenlieferant. einem höheren Reifegrad bei der Inbetrieb-
nahme und tragen so maßgeblich zur Steige-
Nutzen der VIBN für den Betreiber rung der Anlaufkurve bei. Nach erfolgreichem
Zeit Anlauf der Anlage beim Betreiber, kann durch
Die VIBN ermöglicht für den Betreiber einen frü- eine fortgeschrittene Umsetzung der VIBN auch
heren Markteintritt („time to market“) und somit zukünftig eine erweiterte Absicherung von Opti-
einen zeitlichen Vorteil gegenüber anderen mierungen und Modifikationen erfolgen. Ermög-
Wettbewerbern (siehe Abbildung 10). Dies wird licht wird dies durch die Simulation parallel zum
durch die reduzierte Engineering-Zeit der Sys- Betrieb. Die Voraussetzung hierzu sind die
temlieferanten ermöglicht. Die VIBN der Anlage Übergabe der erforderlichen Simulationsmo-
und die Optimierung der Anlagensteuerung delle, als erweiterter Lieferumfang des System-
anhand des Simulationsmodells, ermöglichen lieferanten, sowie die fortlaufende Definition
die Fehlererkennung und -behebung bereits vor und Überprüfung von Fehlersituationen.
der Inbetriebnahme vor Ort und stellen so das
schnelle Erreichen des Betriebspunkts sicher. Kosten
Durch die Verringerung der Integrations- und
Anlaufrisiken von Anlagen in komplexeren Pro-
duktionssystemen, können die Anlaufkosten
reduziert werden. Kosten für die Anpassung
können hierdurch zusätzlich verringert werden.
Steilere
Anlaufkurve Produktlebenszyklus Es werden typische Ausbringungsverluste in der
Anlaufphase reduziert, da das Personal vorab
geschult und die Anlagenverfügbarkeit zum
Umsatz
SOP 8 sichergestellt wird. Die Reduzierung von
VIBN Anlaufverlusten wird sowohl durch die verkürzte
Anlaufdauer als auch die Vermeidung von Aus-
schuss erzielt. Die virtuelle Absicherung ermög-
licht das Ausschließen von Kollisionen in einer
Anlage und verringert dadurch Reparaturkosten.
Zeit
Markteintritt
Abbildung 10: Potenziale für den Betreiber durch VIBN 8 SOP – Start Of ProductionLEITFADEN VIRTUELLE INBETRIEBNAHME 15
Transparenz Reaktionsfähigkeit
Das virtuelle Anlagenabbild wird zur Simulation Die gesteigerte Transparenz der Anlage mittels
und Visualisierung von Testläufen eingesetzt der Simulationsmodelle begünstigt die schnelle
und steigert so das Verständnis von Systemlie- Umsetzung von Anpassungsbedarfen und
ferant und Anlagenbetreiber, insbesondere bei neuen Servicekonzepten. Daraus ergeben sich
komplexen Anlagen. Dadurch wird eine bessere ein verbesserter Support und Service durch den
Abstimmung ermöglicht. Korrekturen hinsichtlich Systemlieferanten, sowohl in Bezug auf
der Anlagenkonstruktion und Funktionalitäten geplante Anlagen (Greenfield, siehe Best Prac-
können noch innerhalb des Engineerings vorge- tice 9 zur „VIBN in der Greenfieldplanung von
nommen werden. Das gesteigerte gemeinsame Agilen Produktionssystemen“), als auch
Verständnis und die frühe Absicherung unter- bestehende Anlagen (Brownfield, siehe Best
stützen das Projektmanagement. Meilensteine Practice 9 zur „Integration von neuen Modulen in
und Liefertermine werden besser planbar. Auf einem Brownfield-Produktionssystem“). Eine
Basis der Simulationsmodelle können in der erneute Anpassung einer bereits virtualisierten
fortgeschrittenen Anwendung der VIBN virtuelle Anlage kann schneller realisiert werden, da die
Schulungsszenarien für Bediener und Instand- nötigen Simulationsmodelle bereits bestehen.
halter, anhand der Anlagenmodelle, abgeleitet Auch im zukünftigen Betrieb können fortlau-
werden (siehe Best Practice 9 zur „Aus- und fende Service- und Wartungsprojekte an den
Weiterbildung im Bereich der VIBN mittels Anlagen virtuell geplant und abgesichert wer-
virtueller Laborumgebung“). den. Kürzere Integrationszeiten bzw. Anlaufzei-
ten in Green- und Brownfield werden so
erreicht. Das Anlagenpersonal kann am virtuel-
9 Siehe separates Dokument „Best Practices zur Virtuellen len Modell geschult werden, ohne Stillstände
Inbetriebnahme“. des Produktionssystems herbeizuführen.
Zieldimension Nutzenbeschreibung
Frühzeitige Inbetriebnahme ¨ Frühere Umsetzung der Anlage durch Reduktion der Engineeringzeit
und Reduzierung der Anlaufzeit ¨ Schnelles Erreichen des Betriebspunkts durch steile Anlaufkurve
(Zeit) ¨ Beschleunigung durch die Automatisierung von Testausführungen (*)
Höhere Anlagenqualität ¨ Fehlererkennung und -vermeidung während des Engineerings
(Qualität) ¨ Höherer Reifegrad der Anlagensteuerung bei der Inbetriebnahme
¨ Erweiterte Absicherung durch die betriebsparallele Simulation von Fehlersituationen (*)
Reduzierung von ¨ Reduzierung von Integrationsrisiken und -kosten
Anlaufkosten ¨ Sicherstellung der Anlagenverfügbarkeit zum SOP
(Kosten) ¨ Reduzierung von Anlaufverlusten (Zeitdauer, fehlerhafte Produkte)
¨ Vermeidung von Anlagenkollisionen und Reparaturbedarfen
Steigerung der ¨ Visualisierung mittels virtuellem Anlagenabbild bei der Testausführung
Anlagentransparenz ¨ Bessere Abstimmung zwischen Systemlieferant und Betreiber
(Transparenz) ¨ Bessere Planbarkeit von Meilensteinen und Lieferterminen
¨ Personalschulung am virtuellen Anlagenmodell (höhere Mitarbeiterqualifikation) (*)
Schnellere Umsetzung von ¨ Verbesserter Support und Service durch den Systemlieferanten
Anpassungsbedarfen ¨ Virtuelle Absicherung von Service- und Wartungsprojekten
(Reaktionsfähigkeit) ¨ Änderungen bestehender Anlagen mit minimiertem Risiko und Anlagenstillstand (*)
¨ Einführung weiterer Produktionsschichten durch parallele Personalschulung am Modell
(*) Die fortgeschrittene Umsetzung der VIBN und Nutzung der Simulationsmodelle sind erforderlich, um diese Potenziale realisieren zu können
Tabelle 1: Zusammenfassung der VIBN-Nutzenpotenziale für Betreiber16 LEITFADEN VIRTUELLE INBETRIEBNAHME
Nutzen der VIBN für den Systemlieferanten austausch zwischen verschiedenen Anlagen-
Zeit komponenten und Schnittstellenteilnehmern
Es werden Engineering- und Inbetriebnahme- sowie die Vollständigkeit von Komponenten und
prozesse virtuell und in interdisziplinärer Software des Gesamtsystems überprüft. So
Zusammenarbeit durchgeführt. Abläufe können kann eine frühe Evaluation der Kommunikation
parallelisiert werden, sodass die Umsetzung zwischen Steuerung und Hardwarekomponen-
eines Simultaneous Engineerings gefördert ten erfolgen. Eine höhere Testabdeckung wird
wird. Besonders im Vordergrund steht bei der durch die Überprüfung künstlich induzierter Feh-
VIBN die Erprobung und Validierung der Steue- ler und kritischer Anlagenzustände ermöglicht.
rungssoftware in Interaktion mit dem Simula- Diese sind im realen Betrieb sehr riskant, ver-
tionsmodell der Anlage in frühen Projektphasen. ursachen bei einer realen IBN meist hohe Kos-
Dabei durchgeführte Integrations- und System- ten und erfordern mehr Zeit. Unfall- und Gefah-
tests führen zu einer Verkürzung der IBN und rensituationen für Personen bei der IBN werden
der Anlaufphase beim Betreiber. Mit virtuellen dadurch vermieden. Im Rahmen einer fortge-
Modellen können Vorabnahmen ohne physische schrittenen Umsetzung der VIBN können unter-
Aufbauten erfolgen und zahlreiche Tests vor der schiedliche Steuer- und Regelstrategien auto-
physischen Abnahme stattfinden (siehe Best matisiert evaluiert werden, um eine optimierte
Practice 10 zur „VIBN zur Planung und Realisie- Anlagensteuerung zu realisieren.
rung komplexer Logistiksysteme“).
Kosten
Qualität Frühzeitige und kontinuierliche Tests ermögli-
Auf Basis eines Simulationsmodells von Anla- chen zusätzlich eine erhöhte Effizienz in der
gen können ganze Produktionsszenarien weit Projektabwicklung, die mit einer Kostenreduktion
umfassender getestet und optimiert werden als einhergeht (siehe Abbildung 11). Nachträgliche
an einer realen Anlage. Dabei erfolgen die Änderungen im Engineering werden so möglichst
Fehlererkennung und -behebung bereits im vermieden. Eilaufträge im eigenen Betrieb oder
Engineering, also vor der kostenintensiven die Neubeschaffung von Zukaufteilen, aufgrund
Phase der IBN. Es wird zusätzlich der Daten- kurzfristiger konstruktiver Änderungen von Anla-
genkomponenten, werden deutlich reduziert.
Virtuelle Tests reduzieren Hardwarekosten und
personelle Aufwände zum Aufbau physischer
10 Siehe separates Dokument „Best Practices zur Virtuellen Teststände. Insbesondere für Serienanlagen und
Inbetriebnahme“.
Abbildung 11: Frühzeitige Fehlererkennung und -vermeidung im EngineeringLEITFADEN VIRTUELLE INBETRIEBNAHME 17
Zieldimension Nutzenbeschreibung
Verkürzung der ¨ Effiziente und parallelisierte Engineeringprozesse (Simultaneous Engineering)
Projekt-Durchlaufzeit ¨ Frühzeitige Erprobung der Steuerungssoftware
(Zeit) ¨ Vermeidung des Aufbaus kompletter Anlagenteile zur Vorabnahme
¨ Verkürzung der realen Inbetriebnahme und der Anlaufphase
Steigerung der ¨ Höhere Softwarereife durch gesteigerte Testabdeckung
Produktqualität ¨ Evaluation der Kommunikation zwischen Steuerung und Hardwarekomponenten
(Qualität) ¨ Vermeidung von fehlenden Komponenten oder fehlender Software
¨ Virtuelle Tests kritischer und riskanter Anlagenzustände
¨ Vermeidung von Unfall- und Gefahrensituationen für Personen
¨ Optimierung von Steuer- und Regelstrategien in frühen Engineeringphasen (*)
Höhere Effizienz in der ¨ Vermeidung von nachträglichen Änderungen im Engineering
Projektabwicklung ¨ Reduzierung von Hardwarekosten und Aufbauarbeiten für Testzwecke
(Kosten) ¨ Automatisierte Testausführungen (*)
¨ Reduzierte Reisekosten für die Inbetriebnahme
¨ Vermeidung von Vertragsstrafen
Verbessertes Maschinen- ¨ Höhere Transparenz der Anlagen (-funktionalität) für Engineering und Management
und Prozessabbild ¨ Testläufe mittels Simulation, Reproduzierbarkeit von Testszenarien
(Transparenz) ¨ Abstimmung und Anpassung mit Betreiber im Engineering (*)
Kurzzyklische Regelkreise ¨ Frühzeitiges Feedback
(Reaktionsfähigkeit) ¨ Interdisziplinäre Projektteams und kurzzyklische Meilensteine zur Synchronisierung
¨ Dezentrale, virtuelle Durchführung von Inbetriebnahmeprozessen (*)
(*) Die fortgeschrittene Umsetzung der VIBN und Nutzung der Simulationsmodelle sind erforderlich, um diese Potenziale realisieren zu können
Tabelle 2: Zusammenfassung der VIBN-Nutzenpotenziale für Systemlieferanten
bei wiederholt auftretenden Testabläufen können visualisiert und reproduzierbar gestaltet. Diese
durch eine Automatisierung der Testausführung können für zukünftige Engineering-Tätigkeiten
weitere Personalressourcen entlastet werden. wiederverwendet werden. Bei fortgeschrittener
Die IBN beim Betreiber kann aufgrund der Integration der VIBN in den Unternehmens
gesteigerten Produktqualität (Softwarereife) zeit- prozessen, können auf Basis der Simulation,
lich reduziert werden. Für Mitarbeiter entstehen noch im Engineering Abstimmungen mit dem
so geringere Reiseaufwände. Vertragsstrafen auf Betreiber stattfinden. Anpassungen an der
Grund von Terminverzug sind frühzeitig absehbar Anlage können ebenfalls vorgenommen wer-
und können präventiv vermieden werden. den, ohne die Projektdauer zu verlängern und
die Lieferfristen zu gefährden.
Transparenz
Ein verbessertes Maschinen- und Prozess Reaktionsfähigkeit
abbild, in Form des Simulationsmodells, unter- Die Erstellung eines Simulationsmodells der
stützt die Kommunikation und Verständnisbil- Anlage in der Konstruktionsphase fördert die
dung im Engineering und schafft eine erhöhte Umsetzung aufeinander abgestimmter und agiler
Transparenz sowie Eindeutigkeit des Projekt Engineeringprozesse und ermöglicht ein frühzei-
status, auch gegenüber dem Management. So tiges Feedback durch den Kunden. Kurzzyklisch
können Unternehmensbereiche einen Einblick gewählte Meilensteine zur Synchronisierung sor-
in den Status des Engineerings und die Pro- gen für regelmäßige Abstimmungen innerhalb
duktfunktionalitäten erhalten, die nicht direkt am des Unternehmens und mit dem Betreiber. Auf-
Engineeringprozess beteiligt sind. Es werden wändige Nachforderungen nach Auslieferung
Testläufe mit Hilfe der Simulation durchgeführt, des Produktionssystems werden so vermieden.18 LEITFADEN VIRTUELLE INBETRIEBNAHME
Im Zuge einer fortgeschrittenen Etablierung der der virtuellen Komponenten kann auch der
VIBN im Unternehmen kann die Abstimmung der Systemlieferant die Qualität seines Simula-
beteiligten Abteilungen und Mitarbeiter auch tionsmodells der Anlage verbessern. Denn die
dezentral erfolgen. Von internationalen Koopera- notwendigen Fähigkeiten der Anlage werden
tionen des Engineeringteams, bis hin zur VIBN durch die virtuelle Erprobung der Komponen-
– parallel zum Transport der Anlage –, sind viel- tenfunktion und -eignung maßgeblich sicher
fältige Szenarien mit einer hohen Flexibilität gestellt. Hierbei steigern digitale Engineering-
bezüglich Zeit und Einsatzort möglich. Prozesse sowohl die Zuverlässigkeit als auch
die Effizienz deutlich.
Nutzen der VIBN für den
Komponentenlieferanten Kosten
Zeit Die Erstellung und Bereitstellung von Simula-
Ein Nutzen ergibt sich durch effizienteres Engi- tionsmodellen bedeuten für den Komponenten-
neering gemeinsam mit den Kunden, wenn lieferanten zunächst einmal zusätzliche Kos-
Simulationsmodelle der Komponenten genutzt ten. Den zentralen Nutzen jedoch stellt die
werden können. Insbesondere mit parametrier- aktive Teilnahme an der digitalen Wertschöp-
baren Modellen können aufwändige Abstim- fungskette dar, die eine Erweiterung des
mungsrunden reduziert werden, so dass beide Geschäftsmodells ermöglicht. Der Komponen-
Seiten Zeit sparen. Zusätzlich ist vorteilhaft, tenlieferant erweitert, durch die Bereitstellung
wenn die Kunden die Modelle in Standardforma- des Digitalen Zwillings zu seinen Komponen-
ten anfordern und einfach in das VIBN-Simula- ten, den Lieferumfang. Die im eigenen Engi-
tionswerkzeug importieren können. Dadurch neering entstandenen Simulationsmodelle wer-
wird ein universeller Datenaustausch 11 gewähr- den dem Systemlieferanten angeboten,
leistet und der Komponentenlieferant kann die welcher dadurch seinen eigenen Modellie-
Modelle einfacher und sicherer individuell rungsaufwand reduzieren kann. Neben der
erzeugen und zur Verfügung stellen. Nutzung für die VIBN können die Simulations-
modelle auch zukünftig durch die Betreiber für
Qualität den industriellen Digitalen Zwilling verwendet
Hersteller können aufgrund ihrer Expertise werden (siehe Abbildung 12). Letztlich kann
Simulationsmodelle ihrer Komponenten für durch die Verankerung des Simulationsmodells
die VIBN in hoher Qualität erstellen. Mit einer und zusätzlicher Services in den Unterneh-
passgenauen Auslegung und Konfiguration mensprozessen eine Differenzierung vom
Wettbewerb erfolgen und dadurch ein verbes-
serter Marktzugang realisiert werden.
11 Bislang existieren häufig werkzeugspezifische Formate,
aber keine branchenübergreifenden standardisierten Austausch-
formate. Zukünftige Entwicklungen im Kontext der Normung und
Standardisierung sind erforderlich.
Digitale Wertschöpfungskette
Komponenten- Systemintegration Betrieb
entwicklung
VIBN Digitaler Zwilling
Modellbibliothek
Abbildung 12: Marktvorteil durch die Mitwirkung an der digitalen WertschöpfungsketteLEITFADEN VIRTUELLE INBETRIEBNAHME 19
Zieldimension Nutzenbeschreibung
Reduzierung der time ¨ Bereitstellung von Simulationsmodellen vor physischer Lieferung
to market ¨ Reduzierung der time to market durch virtuelle Integrationstests
(Zeit) ¨ Bereitstellung unterschiedlicher etablierter Dateiformate (*)
Steigerung der ¨ Sicherstellung der Funktionsfähigkeit durch digitales Engineering
Komponentenqualität ¨ Virtuelle Absicherung anhand von Demonstrationsszenarien
(Qualität) ¨ Absicherung des Datenaustausches zwischen unterschiedlichen Informationsmodellen
Digitale Wertschöpfung ¨ Erprobung ohne physische Prototypen
als Erweiterung des ¨ Aufbau und Pflege einer digitalen Komponentenbibliothek mit Simulationsmodellen
Geschäftsmodells ¨ Virtuelle Erprobung von Komponentenfunktion und -eignung
(Kosten) ¨ Verbesserter Marktzugang durch erhöhte Sichtbarkeit (*)
Verbesserte ¨ Darstellung von Funktionalität und Verhalten anhand von Simulationsmodellen
Produkttransparenz ¨ Nutzung des Simulationsmodells in Vertrieb und Support
(Transparenz) ¨ Bereitstellung von Modellen in Lieferanten übergreifenden Komponentenbibliotheken
¨ Verbesserte Sichtbarkeit am Markt (*)
Schnellere Reaktion auf ¨ Gezielte Abstimmung auf Bedarfe des Betreibers auf Basis von Simulationsmodellen
Kundenbedürfnisse ¨ Virtuelle Erprobung in Integrationsszenarien
(Reaktionsfähigkeit) ¨ Kurzfristige virtuelle Modellanpassungen (*)
(*) Die fortgeschrittene Umsetzung der VIBN und Nutzung der Simulationsmodelle sind erforderlich, um diese Potenziale realisieren zu können
Tabelle 3: Zusammenfassung der VIBN-Nutzenpotenziale für Komponentenlieferanten
Transparenz richtet sich primär an Systemlieferanten aus
Die Funktionalität und das Verhalten von Kom- dem Serien- und Sondermaschinenbau, kann
ponenten können transparent dargestellt und jedoch auch für die Bedürfnisse von Kompo-
den Systemlieferanten die Simulationsmodelle, nentenlieferanten, sowie Betreibern, angepasst
durch Vertrieb und Support, bereitgestellt wer- verwendet werden.
den. Eine Integration der Komponenten in liefe-
rantenübergreifende Komponentenbibliotheken, Stufe 1
weist eine zusätzliche Möglichkeit zur Verbrei- Kostenanalyse
tung auf. Die Verbreitung von Simulationsmodel- Eine Kostenanalyse bildet die Grundlage für
len und das transparente Aufzeigen von Funktio- die Kosten-Nutzen-Abschätzung. Es werden
nalitäten erhöht die Sichtbarkeit am Markt. Bereiche und Prozesse identifiziert, die durch
die VIBN beeinflusst werden. Die bestehenden
Reaktionsfähigkeit Kosten werden systematisch erfasst. Zur
Anpassungsbedarfe auf Kundenbedürfnisse Unterstützung wird eine Checkliste bereitge-
können gezielt auf Basis der Simulationsmodelle stellt, welche die beeinflussten Bereiche und
abgestimmt werden. Die Erprobung in Integra- Prozesse aufzeigt (siehe Tabelle 4).
tionsszenarien ermöglicht die kurzzyklische
Abstimmung ohne die Entwicklung physischer Stufe 2
Demonstratoren. Nutzenpotenzialabschätzung
Es folgt die Abschätzung prozentualer Einspa-
Quantitative Kosten-Nutzen-Abschätzung rungspotenziale, welche durch VIBN erreichbar
Zur strategischen Planung zählt auch ein fun- sind. Aus der Gegenüberstellung der anfallen-
diert abgeschätztes Kosten-Nutzenpotenzial den absoluten Kosten aus der Prozesskosten-
der VIBN. Die dreistufige Methodik soll dazu analyse und der prozentualen Einsparungs-
befähigen, die Potenziale für Unternehmen potenziale können die absoluten Einsparungen
zu beziffern (Abbildung 13). Diese Methodik abgeleitet werden.Sie können auch lesen
