Hybride Inbetriebnahme
Inbetriebnahme 2.0: Virtuelle Modelle treffen reale Komponenten
Die hybride Inbetriebnahme (HIBN) verknüpft virtuelle Simulationen mit realen Komponenten und bietet eine flexible, effiziente Lösung für komplexe Produktionsanlagen. Sie ermöglicht frühzeitige Tests, reduziert Kosten und steigert die Qualität – ein vielversprechender Ansatz für die Industrie 4.0.
Produktionsanlagen moderner Fertigungsbetriebe sind hochkomplexe Systeme, die aus einer Vielzahl spezialisierter Module bestehen. Diese umfassen etwa Bearbeitungs- stationen, Montageeinheiten, Verpackungsstationen sowie verschiedene Transport- und Handhabungskomponenten. Die Inbetriebnahme solcher Anlagen markiert den Abschluss des Entwicklungsprozesses und ist ein kritischer Meilenstein für den Erfolg eines Projekts. In dieser Phase werden alle Module zusammengeführt, die Steuerung programmiert, optimiert und final getestet. Fehler, die erst in dieser späten Projektphase entdeckt werden, können jedoch gravierende Folgen haben: hohe Zusatzkosten, Projektverzögerungen und nicht selten einen erheblichen Mehraufwand im Service- und Wartungsbereich.
Traditionell erfolgt die Inbetriebnahme entweder rein virtuell oder rein physisch (Bild 1). Bei der virtuellen Inbetriebnahme wird der Anlagenbetrieb vorab simuliert, während bei der physischen Inbetriebnahme reale Maschinenkomponenten in Betrieb gesetzt und getestet werden. Im klassischen Ablauf steht die virtuelle Inbetriebnahme zeitlich im Prozess vor der physischen Inbetriebnahme. Beide Ansätze bieten Vorteile, stoßen jedoch insbesondere bei modular aufgebauten Anlagen auf gewisse Grenzen.
In der virtuellen Inbetriebnahme werden digitale Modelle der Anlage genutzt, die das reale Verhalten der Module möglichst genau nachbilden. Durch sogenannte Hardware-in-the-Loop (HIL)-Simulationen wird die reale Steuerung über das vorgesehene industrielle Kommunikationsprotokoll, zum Beispiel Profinet oder Ethercat, mit der Simulation verbunden. Dadurch können Steuerungsprogramme getestet und Fehler frühzeitig identifiziert werden, ohne dass die reale Maschine verfügbar sein muss.
Demgegenüber steht die physische Inbetriebnahme, bei der die tatsächliche Hardware – also Antriebe, Sensoren, Aktuatoren und Steuerungen – miteinander verbunden und im realen Betrieb getestet wird. Hier können insbesondere mechanische, elektrische und pneumatische Wechselwirkungen überprüft werden, die in einer rein virtuellen Umgebung oft nur näherungsweise dargestellt werden können.
Modulare Produktionsanlagen bestehen aus einzelnen Modulen und Komponenten, die häufig von verschiedenen Zulieferern entwickelt und gefertigt werden. Diese Abhängigkeit von mehreren Parteien kann in der Praxis zu Verzögerungen bei der Lieferung oder Integration von Modulen führen. Lieferengpässe einzelner Baugruppen oder technologische Änderungen während der Projektdauer können den Inbetriebnahmeprozess erheblich erschweren und verlängern. Dadurch erhöht sich nicht nur der Koordinationsaufwand, sondern auch die Gesamtdauer der Inbetriebnahme.
Zudem bedingt der modulare Ansatz, dass jede Komponente sowohl einzeln als auch im Zusammenspiel mit anderen Modulen korrekt funktionieren muss. Diese Kombination stellt hohe Anforderungen an die Qualität der Vorabtests und die Effizienz der Inbetriebnahmeprozesse.
Die hybride Inbetriebnahme
Zur Überwindung dieser Herausforderungen wurde das Konzept der hybriden Inbetriebnahme (HIBN) entwickelt. Dieser Ansatz kombiniert die Vorteile der virtuellen und der physischen Inbetriebnahme, indem er eine flexible und schrittweise Migration von der rein virtuellen Umgebung zur physischen Realität ermöglicht. Konkret bedeutet dies, dass die Inbetriebnahme zunächst vollständig auf Basis eines Simulationsmodells beginnt. Im weiteren Verlauf werden dann einzelne virtuelle Komponenten durch ihre physischen Entsprechungen ergänzt, sobald diese verfügbar sind – ohne dass Änderungen an der Steuerungskonfiguration notwendig sind. Die Steuerung kommuniziert dabei simultan mit virtuellen und realen Anlagenkomponenten, was eine durchgängige Kontrolle der Anlagenfunktion in der Visualisierung der Simulation und eine nahtlose Integration erlaubt (Bild 2).
Wesentlich für die HIBN ist das Vorhandensein eines simulationsfähigen Anlagenmodells, das sowohl in Bezug auf Struktur als auch auf Verhalten die reale Anlage möglichst exakt widerspiegelt. Im Zentrum der HIBN steht ein Gateway, das die Kommunikation zwischen Steuerung, virtuellen Komponenten und realen Maschinenmodulen steuert (Bild 3).
Anders als ein herkömmlicher Netzwerkswitch übernimmt dieses Gateway zusätzliche Aufgaben:
- Verteilung der Steuerungstelegramme: Die vom Steuerungssystem an die realen Komponenten gesendeten Feldbustelegramme werden für die virtuellen Simulationsmodule dupliziert und an diese weitergeleitet.
- Zusammenführung der Rückmeldungen: Die Statusmeldungen und Daten der virtuellen und realen Module werden gebündelt und in einem konsolidierten Telegramm an die Steuerung zurückgeschickt – so, als stammten sie aus einer einheitlichen, rein physischen Anlage. Dadurch muss die Steuerung nicht zwischen virtuellen und realen Quellen unterscheiden, sondern erhält ein konsistentes, vollständig integriertes Anlagenbild. Dies vermeidet unnötige Anpassungen im Steuerungsprogramm und stellt gleichzeitig sicher, dass alle Informationen vollständig und zeitlich synchron verarbeitet werden.
So ermöglicht das Gateway ein Zusammenspiel aller beteiligten Systeme, ohne dass die Steuerung zwischen virtuellen und realen Komponenten unterscheiden muss.
Erprobung des hybriden Ansatzes
Eine prototypische Umsetzung der hybriden Inbetriebnahme (HIBN) erfolgt derzeit am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart. Im Rahmen dieser Forschungsarbeiten werden die praktischen Anwendungsmöglichkeiten sowie die technischen Herausforderungen der HIBN umfassend untersucht. Als industrielles Kommunikationsprotokoll kommt Profinet zum Einsatz. Die Erprobung des hybriden Ansatzes findet an einer realen Modellanlage statt, die aus industriellen Förderbändern, Bearbeitungsstationen sowie entsprechender Sensorik und Aktorik besteht. Ziel ist es, eine praxisnahe Testumgebung zu schaffen, in der unterschiedliche Konfigurationen der HIBN realitätsgetreu analysiert und validiert werden können.
Konkret werden folgende Szenarien untersucht:
- Einzelförderband: Test der hybriden Inbetriebnahme an einem einzelnen Modul.
- Fördersystem: Kombination mehrerer Förderbänder und deren Integration.
- Komplette Anlage: Test der hybriden Inbetriebnahme der gesamten Produktionslinie, jedoch ohne reale Materialflüsse (Stückgüter).
Diese Szenarien erlauben es, systematisch Erkenntnisse über das Verhalten der HIBN in unterschiedlichen Maßstäben und Komplexitätsgraden zu sammeln und in weiterführende Forschungsexperimente einfließen zu lassen.
In den bisherigen Untersuchungen konnten verschiedene Vorteile der hybriden Inbetriebnahme klar herausgearbeitet werden:
- Kompensation von Lieferverzögerungen: Durch den Einsatz virtueller Komponenten kann der Inbetriebnahmeprozess weiterlaufen, auch wenn einzelne reale Module noch fehlen.
- Frühzeitige Tests: Physische Module können sukzessive integriert und vorzeitig im Verbund mit virtuellen Komponenten getestet werden, was eine umfassendere Vorab- inbetriebnahme ermöglicht.
- Kostensenkung: Durch den Ersatz physischer Material-flüsse durch virtuelle Modelle können teure Testläufe reduziert und damit die Gesamtkosten der Inbetriebnahme gesenkt werden.
- Qualitätssteigerung: Umfangreichere Testmöglichkeiten führen zu einer höheren Qualität der Steuerungssoftware und damit zu einer stabileren und sichereren Anlagenfunktion im Betrieb.
Neuer Standard im Engineering-Prozess?
Die HIBN eignet sich insbesondere für Branchen, in denen Produktionsanlagen hohe Anforderungen an Modularität und Materialfluss erfüllen müssen. Denkbar ist ihr Einsatz in der Automobilindustrie, etwa bei der Endmontage und in Fertigungsstraßen, wo eine schnelle und flexible Integration neuer Module erforderlich ist. Auch in der Luft- und Raumfahrtindustrie bietet die HIBN entscheidende Vorteile, da hier komplexe Montageprozesse und Teststände höchste Präzision und Anpassungsfähigkeit verlangen. Darüber hinaus würde auch die Elektronik- und Konsumgüterindustrie von der HIBN profitieren, insbesondere in hochflexiblen Produktionslinien und verketteten Fertigungszellen, die häufige Produktwechsel effizient bewältigen müssen. Die HIBN kann dabei sowohl auf der Ebene einzelner Maschinenmodule als auch auf der Ebene kompletter Produktionssysteme eingesetzt werden. Im Fokus steht stets eine effiziente, risikoarme und qualitativ hochwertige Inbetriebnahme, die eine nahtlose Verbindung zwischen virtueller Planung und realem Betrieb ermöglicht. Abschließend lässt sich feststellen, dass die hybride Inbetriebnahme die logische Weiterentwicklung der rein virtuellen Inbetriebnahme darstellt. Durch die zunehmende Verfügbarkeit von Simulationsmodellen und den Fortschritt im Bereich industrieller Kommunikationssysteme wird der Stellenwert der HIBN in Zukunft weiter zunehmen.
Die HIBN ermöglicht es Unternehmen, die Flexibilität und Effizienz ihrer Produktionsprozesse signifikant zu steigern, Inbetriebnahmezeiten zu verkürzen und die Qualität der ausgelieferten Anlagen nachhaltig zu verbessern. Sie bietet zudem eine belastbare Strategie, um die Herausforderungen modularer Produktionssysteme besser zu meistern und Innovationspotenziale im Bereich der Fertigungsautomation auszuschöpfen.
Um die Verbreitung der HIBN weiter voranzutreiben, ist es sinnvoll, Inbetriebnehmer gezielt bei der Erstellung hybrider Testkonfigurationen zu unterstützen. Eine benutzerfreundliche Assistenz kann dazu beitragen, fehlerhafte Einstellungen zu vermeiden, die andernfalls zu unvollständiger Testab-deckung, potenziellen Systemkonflikten oder einem erhöhten Abstimmungsaufwand im Engineering-Prozess führen könnten. Ergänzend dazu bietet sich eine Weiterentwicklung des Konzepts an, indem es auf weitere Feldbusprotokolle, etwa sicherheitsgerichtete Protokolle oder Echtzeitkommunikation der Klasse 3, ausgeweitet wird. Durch solche Maßnahmen lässt sich die Anwendbarkeit der HIBN deutlich erweitern und ihre Integration in unterschiedlichste industrielle Szenarien erleichtern. Die HIBN steht damit an der Schwelle zur breiten industriellen Anwendung und hat das Poten-zial, sich künftig als neuer Standard im Engineering-Prozess zu etablieren.
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