Eine der anspruchsvollsten Mechanisierungsaufgaben in der Automobilproduktion ist ein vollständig automatisierter Fahrwerkeinbau, bei dem die Karosse und der Antriebsstrang verbunden, im Fachjargon „verheiratet" werden. Dazu transportiert eine Schwerlast-Elektrohängebahn (EHB) die Karossen über ein Bodenfördersystem, das die Montage-Aggregateträger (MAT) mit den Antriebssträngen transportiert.

Dann beginnt die „Hochzeit": Im ersten Schritt, dem Fügen, wird die Karosse mit dem Hubwerk der EHB abgesenkt. Gleichzeitig hebt ein Scherenhubtisch den MAT mit dem Antriebsstrang an. Während des Fügens sind mehrere Verriegelungen, Greifer, Distanzhalter und Führungselemente koordiniert zu verfahren. Im zweiten Arbeitsgang verschrauben Industrieroboter das Fahrwerk mit der Karosse. Anschließend wird der leere MAT abgesenkt. Nach der „Hochzeit" hängt das Fahrzeug mit montiertem Antriebsstrang in der EHB. Speziell die Fügestation stellt hohe Anforderungen an die kinematischen Abläufe und die Steuerungstechnik. Diese komplexen Bewegungsabläufe wurden mit Hilfe der virtuellen Inbetriebnahme explizit abgesichert - erstmals bei solch einem Anlagentyp.

Grundlage der virtuellen Inbetriebnahme bildet ein digitales, dreidimensionales Modell der Anlage, das während der Konstruktion in die Simulations-Software Tecnomatix Process Simulate Commissioning PSC (ehemals eM-PLC) übertragen wird, eine Gemeinschaftsentwicklung von Siemens und UGS-Tecnomatics. Dazu werden die CAD-Daten der einzelnen Anlagenteile importiert und kinematisiert, das heißt, deren Bewegungsabläufe definiert. Ebenso werden im Modell alle relevanten steuerungstechnischen Aspekte wie Ein- und Ausgänge, Schnittstellen oder Bedien-Interaktionen abgebildet. Damit lässt sich die komplette Steuerungssoftware schon vor dem Aufbau der realen Anlage zu großen Teilen testen und fertigstellen, inklusive der HMI-Software. Bei der virtuellen Inbetriebnahme der Fügestation wurden beispielsweise die Steuerung und das Bedienpanel verwendet, die später in der realen Anlage verbaut wurden.

Testen ohne Risiko

In der virtuellen Anlage lassen sich die verschiedensten Test-Szenarien durchspielen. Dies ist auf einer Baustelle nicht möglich, denn einzelne Abläufe und Funktionen - wie das Fügen und Entfügen oder „Kühlerclipsen" - können vor Ort nicht mehrmals hintereinander und einzeln durchgeführt werden. Zudem gibt es nicht beliebig viele Testteile und die Anlage steht nicht beliebig lange für Testläufe zur Verfügung oder hat Leerzeiten. Ebenso besteht beim Testen auf der realen Anlage immer das Risiko einer Beschädigung. Wesentlich effektiver ist dagegen eine virtuelle Inbetriebnahme. Das realistische Modell ermöglicht detaillierte Einblicke in die Mechanik der Fügestation - die Voraussetzung für eine Optimierung der Abläufe durch Anpassungen des SPS-Programms.

Auf Basis der bislang üblichen text- und grafikbasierten Ablaufbeschreibungen wäre das nicht möglich gewesen. Als zweiter wesentlicher Vorteil stellte sich die Verbesserung der Bedienoberflächen (Bildaufteilung und Darstellung der Komponenten) heraus. Das Ergebnis ist eine komfortable Bedienung, vor allem der komplexeren Vorgänge. Derartige Anpassungen finden auf der Baustelle bislang unter starkem Zeitdruck statt.

Die Funktionen der realen Hard- und Software werden auf der virtuellen Anlage getestet und ohne Zeitdruck korrigiert.

© Siemens

Der Vorteil einer virtuellen Inbetriebnahme zeigte sich dann auf der Baustelle: Die reale Erst-Inbetriebnahme mit allen Basisfunktionen war nach einem Tag abgeschlossen. Für vergleichbare Anlagen wurden bisher bis zu acht Arbeitstage für die Fertigstellung und Inbetriebnahme der Software angesetzt - ungeplante Mehraufwendungen aufgrund von im Vorfeld nicht erkannter Probleme nicht einkalkuliert. Kundenseitig wurde die virtuelle Inbetriebnahme ebenfalls positiv aufgenommen.

Die BMW-Verantwortlichen bekamen in einem frühen Projekt-Stadium einen detaillierten Einblick in die Software-Abläufe, vor allem der Bedienerführung. Durch den frühzeitigen Informationsaustausch zwischen Kunde und Programmierer konnten die einzelnen Funktionalitäten verbindlich abgestimmt werden. Dies reduzierte die Nacharbeiten im Vergleich zu herkömmlich projektierten Anlagen deutlich und führte zu einer raschen Abnahme der Anlage seitens BMW.

Randbedingungen beachten

Für eine erfolgreiche virtuelle Inbetriebnahme sind einige Aspekte zu beachten: Idealerweise erfolgt die virtuelle Inbetreibnahme nach Abschluss der mechanischen Konstruktion. Dann muss jedoch bereits das einsatzfähige SPS-Programm bereitstehen, um das Anlagenmodell steuern zu können. Ebenso sind genaue Informationen über die Anlagenfunktion notwendig und die Konstruktionsphase muss definiert sein.

Dies bedeutet eine Verschiebung von Planungsarbeiten in eine frühere Projektphase, verursacht jedoch keine Mehrkosten. Auch die Simulation und die damit verbundene Einführung der PSC-Software verteuert die zu fertigende Anlage nicht zwangsläufig: Der anfängliche Mehraufwand für einen solchen Auftrag relativiert sich durch die Vermeidung von Mehrkosten bei der eigentlichen Inbetriebnahme und durch das geringere wirtschaftliche Risiko eines verspäteten Produktionsanlaufs. Basierend auf den Erfahrungen aus diesem und anderen Projekten wird die virtuelle Inbetriebnahme ein fester Bestandteil der Projektabwicklung für komplexe Produktionsabläufe im Anlagengeschäft von Siemens A&D.

Autoren:
Dr. Wolfgang Schlögl ist Teamleiter Digital Engineering bei Siemens A&D.

Kai Schneiderwind, Siemens A&D Automotive Business Group, leitete das Projekt „Marriage" bei BMW in Spartanburg.

Virtuelle Inbetriebnahme - die Vorteile

• Verbesserte Kommunikation zwischen mechanischem und elektrischem Engineering
• Fühzeitige Klärung von Kundenanforderungen
• Beliebige Testszenarien ohne mechanische Aufbauten
• Risiko-Minimierung bei kurzen Umbauzeiträumen
• Rechtzeitige Fehlererkennung vermeidet ungeplante Mehraufwendungen