VISUAL COMPONENTS: SIMULATION, ZWILLINGE UND VIRTUELLE INBETRIEBNAHME

Mit der Software von Visual Components können Hersteller Bauteile bestehender oder geplanter Produktionsprozesse modellieren. Sie zeigt, ob ein Layout oder eine Geräteanordnung funktionieren wird und welche Probleme zu erwarten sind. Wird dieses Modell mit einem Produktionsplan gefüttert, liefert es Informationen wie die zu erwartende Produktionsleistung und die möglichen Engpässe.

Ein digitaler Zwilling verbessert dies, indem er das digitale Modell mit der realen Umgebung verknüpft. Ein IEEE-Papier “Digital Twin: Enabling Technologies, Challenges and Open Research” (Fuller, Fan, Day und C. Barlow, IEEE Access, Bd. 8, S. 108952-108971, 2020) definiert einen digitalen Zwilling als “… die mühelose Integration von Daten zwischen einer physischen und einer virtuellen Maschine in beide Richtungen.”

In der Praxis wird das Simulationsmodell ständig mit Informationen aus dem Produktionssystem aktualisiert und die Informationen fließen je nach Bedarf dorthin zurück. Zu den Informationen aus der realen Welt könnten etwa Maschinenverfügbarkeit, Erträge und Laufgeschwindigkeiten gehören. Die Informationen, die in die reale Welt zurückfließen, können aus überarbeiteten Vorschüben und Geschwindigkeiten sowie neuen oder geänderten Programmen für Bewegungssteuerungssysteme und Roboter bestehen.

Ein eng verwandtes Konzept ist der digitale Schatten. Wie in dem IEEE-Papier beschrieben, ist der Datenfluss nur in der Richtung von der realen Welt zum Modell automatisiert. Alle im Modell entwickelten Änderungen müssen manuell in die reale Welt übertragen werden.

Simulation und digitaler Zwilling ermöglichen die virtuelle Inbetriebnahme bei neuen Produktionsmaschinen, -anlagen oder -linien. Hier beschleunigt der Zwilling den Aufbau und die Integration der neuen Hardware. Zwei Bereiche, in denen dies geschieht, sind die SPS-Programmierung und die Offline-Roboterprogrammierung. In beiden Fällen kann mit einem digitalen Zwilling die Codierung früher beginnen und vor der Fertigstellung des physischen Systems getestet werden. Dies verringert die Vorlaufzeit und das Risiko und ermöglicht eine bessere Bewertung alternativer Ansätze.

Der Konzept-zu-Realität-Arbeitsablauf
Wenn Fertigungssimulation, digitale Zwillinge und virtuelle Inbetriebnahme Schritte auf dem Weg zur digitalen Transformation sind, wie kann ein Hersteller dann all das vereinen? Diese Frage beantwortet ein Blick auf den Workflow vom Konzept zur Realität.

In der Vergangenheit durchliefen Projekte zur Implementierung oder Umstrukturierung von Fertigungsprozessen oder -anlagen zwei oder drei Phasen. Es wurde ein Konzept entwickelt, dann konstruiert und schließlich umgesetzt. Bei der Umsetzung traten fast immer Probleme zutage, die bei der Konzeption übersehen worden waren, und deren Lösung bedeutete in der Regel höhere Kosten und eine längere Vorlaufzeit, wobei eine geringere Leistung in Kauf genommen wurde.

Unabhängig davon, ob es sich um den Aufbau neuer Systeme oder die Verbesserung bereits vorhandener Systeme handelt, durchläuft ein Unternehmen, das sich heute auf den Weg der digitalen Transformation begibt, vier Phasen:

Die nebenstehende Abbildung zeigt, wie diese Phasen zusammenhängen. Hier ist eine Erläuterung zu jeder einzelnen Phase.

Konzeptentwurf
Die Ingenieure oder das Projektteam sind sich über das Ziel im Klaren, müssen aber zunächst festlegen, wie die entsprechende Lösung aussehen soll. In der Konzeptphase werden die Ideen skizziert und mit einem Simulationswerkzeug wie dem von Visual Components entwickelt.

Simulation und Analyse
Nachdem ein Modell erstellt wurde, werden durch wiederholte Durchläufe mit unterschiedlichen Eingangsbedingungen die wahrscheinlichsten Ergebnisse ermittelt und Verbesserungsmöglichkeiten aufgezeigt. Das Modell wird angepasst und für weitere Machbarkeitsstudien verwendet. Dieser iterative Prozess wird so lange fortgesetzt, bis eine Lösung gefunden ist, die die gewünschte Leistung erbringt.

Virtuelle Inbetriebnahme
Während die Detailplanung und der physische Bau beginnen, entsteht aus dem Simulationsmodell der digitale Zwilling. Dieser dokumentiert das genaue Layout und die Konfiguration der neuen Hardware, und die Verbindungen zwischen dem Zwilling und der realen Welt stellen sicher, dass beide synchronisiert bleiben. Nun kann die virtuelle Inbetriebnahme beginnen.

Während die neue Anlage oder Ausrüstung zusammengebaut wird, wird der digitale Zwilling zur Entwicklung und Bewertung der Steuerungsstrategien und Betriebsprogramme verwendet. Sequenzen und Timing werden bewertet, und es werden optimale Lösungen entwickelt, die den Projektzielen entsprechen.

Umsetzung
Jetzt werden die Programme auf das physische System übertragen. Zwar ist noch ein Testlauf erforderlich, um Kollisionen zu vermeiden und die Sicherheit zu gewährleisten, doch muss kein umfangreicher Code mehr geschrieben werden: Dies geschieht alles parallel zum physischen Aufbau.

Vorteile dieses Workflows
Der oben beschriebene Prozess bringt zwei wesentliche Verbesserungen gegenüber der herkömmlichen Vorgehensweise bei der Umsetzung eines solchen Projekts mit sich.

Erstens wird das Projekt in wesentlich kürzerer Zeit abgeschlossen. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass die Entwicklung und Programmierung der Steuerungssoftware parallel zum physischen Aufbau erfolgt, anstatt zu warten, bis das System betriebsbereit ist. Weitere Zeiteinsparungen ergeben sich aus dem Auffinden und Beheben von Fehlern oder anderen Problemen, bevor die Software in das System geladen wird.

Zweitens ist das Endergebnis viel näher an der ursprünglichen Planungsabsicht. Dies liegt daran, dass Fehler, Irrtümer und übersehene Details früher entdeckt werden, wenn ihre Behebung schneller und kostengünstiger ist. Bei der alten Arbeitsweise konnten die Kosten für Abhilfemaßnahmen oder Korrekturen so hoch sein, dass die bessere Option manchmal darin bestand, ein niedrigeres Leistungsniveau als ursprünglich erwartet zu akzeptieren (und damit den ROI des Projekts zu verringern). Für Unternehmen, die eine digitale Transformation durchlaufen, werden Probleme jedoch in der virtuellen Umgebung gefunden und korrigiert, wo die Dinge schneller und mit weniger Kosten erledigt werden.

Die Geschichte von Visual Components – Delfoi: Vom Konzept zur Realität
Visual Components war ein Pionier der 3D-Fertigungssimulation und ist auch 20 Jahre später noch führend. Heute wird die Software von Visual Components zwar immer noch für die Modellierung und Optimierung von Fertigungsabläufen eingesetzt, aber sie hat sich zu einem Werkzeug für Machbarkeitsstudien (die zweite Phase des Workflows vom Konzept zur Realität) und für die virtuelle Inbetriebnahme entwickelt.

Das fehlende Stück war die Ausführung: Visual Components ist kein Unternehmen, das Roboter programmiert. Diese Lücke wurde nun mit der Übernahme von Delfoi Robotics geschlossen. Delfoi stellt Software für die Offline-Programmierung von Robotern her. Neben allgemeinen, markenunabhängigen Werkzeugen gibt es auch Module, die auf die speziellen Anforderungen und Herausforderungen von Aufgaben ausgerichtet sind, die häufig von Robotern ausgeführt werden, wie z. B. Lackieren, Schneiden, Lichtbogen- und Punktschweißen.

Dieser Zusammenschluss ist der Höhepunkt einer langen und erfolgreichen Partnerschaft. Delfoi setzt seit 2008 die Software von Visual Components ein, und Visual Components sieht in Delfoi das Mittel, um die in der Simulation entwickelten Bewegungsabläufe des Roboters zu realisieren. Mit Delfoi kann Visual Components nun Hersteller bei der Umsetzung von Konzepten in die Realität unterstützen.



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