Engineering So reduzieren virtuelle Modelle die Inbetriebnahmezeiten

Autor / Redakteur: Christof Bootz* / Sariana Kunze

Bei der Modernisierung von Anlagen darf der laufende Betrieb nicht gestört werden und der Anlagenstillstand nur äußerst gering sein. Hierbei hilft der Digitale Zwilling: Mit virtuellen Modellen kann die Inbetriebnahme an realen Anlagen um bis 50 Prozent reduziert werden.

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Virtuelles Engineering kann Risiken beim Retrofit von Anlagen senken. Denn es bildet die wesentlichen funktionalen Gegebenheiten der Anlage in Echtzeit ab.
Virtuelles Engineering kann Risiken beim Retrofit von Anlagen senken. Denn es bildet die wesentlichen funktionalen Gegebenheiten der Anlage in Echtzeit ab.
(Bild: Heitec)

Ein Retrofit von Maschinen und Anlagen soll zu mehr Effizienz führen sowie die Anlagenverfügbarkeit erhöhen. Doch bringt die Modernisierung oft auch unvorhersehbare Risiken. Digitale Modelle können bei der Verjüngungskur eine wichtige Unterstützung sein, denn mit ihnen kann ein Migrationskonzept erstellt werden, das die Produktionsbedingungen berücksichtigt und zeigt, wie die heutige Situation ist und wie die gewünschte Zielsituation sein soll. Der Erlanger Automatisierungsspezialist Heitec analysiert dafür z.B. Anlagen vor Ort, nimmt Kennlinien auf, skizziert die Anlagengeometrie und erstellen daraus ein virtuelles Modell, an dem die Steuerungssoftware getestet, optimiert und vor den einzelnen Umbauphasen virtuell in Betrieb genommen werden kann. Das virtuelle Modell bildet dabei die wesentlichen funktionalen Gegebenheiten der Anlage in Echtzeit nach. Auf diese Weise kann die neue Steuerungs-Software getestet werden, ohne die reale Anlage zu blockieren. Der Inbetriebsetzer macht vor dem Rechner genau das, was er auch bei der Inbetriebnahme an der realen Maschine tun würde. Dies reduziert die Inbetriebnahmezeiten an der realen Anlage um bis zu 50 Prozent. Mit diesem Konzept können das alte und das neue System parallel betrieben und die Umbauten schrittweise durchgeführt werden.

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Parallelwelt: In Echtzeit testen und steuern

Umfangreiche Bibliotheken mit 3.600 verschiedenen virtuellen Komponenten wie Robotern, und Förderbändern über Automatisierungssysteme bis zu Sensoren und Aktoren, erleichtern das Modellieren der Prozesse. Mit dem virtuellen Modell können Automatisierungskonzepte sowohl in ihrer Funktionalität als auch in ihrem Zeitverhalten auf die Millisekunde genau getestet und Prozessabläufe optimiert werden. Zudem können mit dem Konzept der realen Inbetriebnahme am virtuellen Modell alle gegenwärtigen und künftigen Betriebsabläufe in der entsprechenden Produktionsumgebung in Echtzeit getestet und mit der Original-Automatisierungssoftware gesteuert werden. Auf diese Weise erhöht sich die Auslieferungsqualität der Software für Automatisierungs- und Antriebslösungen und Konstruktions- und Ablauffehler werden frühzeitig erkannt. Durch das Parallelisieren der Prozesse minimiert sich die Projektlaufzeit.

In einer Großgießerei werden die Gießformen in einer Auspackstrahlstation automatisch vom Sand befreit. Dazu werden die Gussteile auf einer Hängeförderanlage in Förderkörbe geladen. Die 36 Förderkörbe fahren mit einem eigenen Antrieb in die sogenannte Strahlkammer. Dort werden die Gussteile mit winzigen Stahlkügelchen (Strahlmittel) beschossen, die die Sandreste entfernen. Strahlmittel und Sandreste werden dann durch Entsorgungsrinnen im Boden der Strahlkammer in die Strahlmittel-Aufbereitung gefördert. Dort wird das Strahlmittel von den Sandresten getrennt. Die Stahlkügelchen kommen zur Wiederverwendung in ein Silo. Der Sand wird regeneriert und dann der Formanlage zur Wiederverwendung zugeführt. Nach dem Strahlvorgang transportiert der Hängeförderer die noch heißen Gussteile durch eine Kühlstrecke. Die abgekühlten Teile werden dann von den Mitarbeitern mit Hilfe von Hallenkränen händisch entladen. Durch die große Produktvielfalt ist ein automatisches Be- und Entladen der Förderkörbe, z.B. durch Roboter, nicht machbar. Ziel der Modernisierung dieses Produktionsablaufs war es, die vorhandenen Simatic S5-Steuerungen der Hängeförderer durch moderne Simatic S7-1200 Steuerungen zu ersetzen, die vorhandenen Motoren mit Frequenzumrichtern auszurüsten und eine Infrarotfernbedienung zu integrieren. Gleichzeitig sollten in den Schaltschränken die Simatic S5-Steuerungen durch Simatic S7-1515F Sicherheitssteuerungen ersetzt werden. Als Zeitfenster standen für die Modernisierung zwei Wochen in den Betriebsferien zur Verfügung. Mit dem Retrofit wollte der Kunde eine garantierte Anlagenverfügbarkeit von 98 Prozent sowie eine Erhöhung der Flexibilität der Anlage, bei der sich die Leistung an die Auslastung anpassen lässt. Gleichzeitig sollte sich durch die Optimierung des Anlagenbetriebes der Verschleiß verringern und ein neues Störmeldemanagement und eine verbesserte Visualisierung Fehler und Störungen detaillierter angezeigt werden. Mit den neuen mobilen Bedienpanels sowie mit der Infrarot-Fernbedienung sollte auch das Anstecken der Kabelbedienung in vier Metern Höhe wegfallen.

E-Pläne für Modernisierung rekonstruiert

Um alle Vorgaben des Kunden einzuhalten, wurde für die Anlage im Vorfeld ein digitales Modell erstellt. Erschwerend kam hinzu, dass es keine aktuellen CAD-Zeichnungen und E-Pläne der Anlage gab. Deshalb analysierten die Mitarbeiter von Heitec die genauen Abläufe in der Anlage anhand des S5-Programms und rekonstruierten die E-Pläne. Das neue Programm wurde in TIA V13 erstellt, wobei darauf geachtet wurde, die Anlage energieoptimiert zu steuern. Das heißt, dass z.B. nicht benötigte Anlagenteile abgeschaltet werden können oder sich nach einstellbarer Zeit selbst abschalten. Weitere Energieeinsparungen ergeben sich durch den Einsatz von Frequenzumrichtern anstatt Schütz-Schaltungen zur Ansteuerung der Motoren. Am virtuellen Modell fand auch die Vorabnahme zusammen mit dem Kunden statt. Bei dieser Gelegenheit konnten weitere Änderungs- und Verbesserungswünsche in die Programmierung und Anlagenbedienung mit einfließen. Die neuen Schaltschränke wurden so konstruiert, dass die heutigen Möglichkeiten zur Vernetzung über Profinet sowie der dezentralen Peripherie genutzt werden. Durch die Vorverkabelung der neuen Schränke sowie der Softwaretests im Vorfeld an der virtuellen Anlage beschränkte sich die Inbetriebnahme weitgehend auf Feinarbeiten im Programm und das Testen der anlagenspezifischen Eigenheiten. „Ohne Simulation hätten wir den Umbau innerhalb der kurzen Zeitspanne nicht durchführen können“, sagt Projektleiter Joachim Torbicki. „So konnten wir beispielsweise durch die Tests mit der Simulation Probleme im Vorfeld schon erkennen und beheben, welche sonst während der Umbauphase zu erheblichem Mehraufwand geführt hätten. Durch die ausgezeichnete Vorarbeit aller beteiligten Kollegen konnte die Anlage termingerecht und zur vollen Zufriedenheit des Kunden wieder in Produktion gehen.“

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Die Anwendung von digitalen Modellen im Zusammenspiel mit der Simulation wird die zukünftigen Anlagen- und Maschinenplanungen sowie das Modernisierungsgeschäft immer mehr bestimmen. Einmal erstellt können die virtuellen Modelle bei entsprechender technischer Ausrüstung alle verfügbaren Informationen der realen Anlage aufnehmen und so die Produktion virtuell nachbilden. Dabei können so schnell alle Engpässe der Produktionsanlage erkannt und sporadisch auftretende Probleme analysiert werden.

* *Christof Bootz, Teamleiter Automatisierungstechnik, Heitec

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