Mit der Beschleunigung des digitalen Wandels in der Industrie stehen die Hersteller zunehmend unter dem Druck, Produkte schneller auf den Markt zu bringen, Kosten zu senken und Nachhaltigkeitsziele zu erreichen – und das alles, während sie mit fragmentierten Daten, veralteten Methoden und begrenzter Standardisierung zu kämpfen haben. Diese Herausforderungen erfordern intelligentere, stärker integrierte Lösungen – und hier kommen digitale Zwillinge und virtuelle Inbetriebnahme ins Spiel.
Der weltweite Markt für digitale Zwillinge erlebt einen Nachfrageschub: Er wird im Jahr 2024 auf 17,73 Milliarden US-Dollar geschätzt und soll von 24,48 Milliarden US-Dollar im Jahr 2025 auf 259,32 Milliarden US-Dollar im Jahr 2032 wachsen. Laut dem Bericht des Capgemini Research Institute über digitale Zwillinge nennen 57% der Unternehmen Nachhaltigkeit als einen der Hauptgründe für Investitionen in digitale Zwillinge, wobei 51% erwarten, dass diese Technologien ihnen helfen, Umweltziele zu erreichen.
Die virtuelle Inbetriebnahme – eine Schlüsselanwendung der Technologie des digitalen Zwillings – ist ein entscheidender Faktor für die Digitalisierung. Sie ermöglicht es den Herstellern, Prozesse zu simulieren und zu optimieren, bevor sie in der realen Welt eingesetzt werden, wodurch der Ressourcenverbrauch und die Kosten gesenkt werden.
Die virtuelle Inbetriebnahme verstehen
Traditionell bezieht sich die Inbetriebnahme in der Automatisierungstechnik auf den Prozess, ein neues System (Gerät, Maschine, Anlage usw.) in einen voll funktionsfähigen, produktionsbereiten Zustand zu bringen. In der Vergangenheit bedeutete dies, dass für die meisten SPS-Programmierungen (Speicherprogrammierbare Steuerungen) und Systemtests die physische Hardware vorhanden sein musste, was oft zu kostspieligen Verzögerungen und Fehlersuche in letzter Minute führte.
Die virtuelle Inbetriebnahme kehrt dieses Paradigma um und repliziert den gesamten Inbetriebnahmeprozess in einer digitalen Umgebung. Anstatt mit realen Geräten, Sensoren und Aktoren zu kommunizieren, kommuniziert die SPS mit einem digitalen Zwilling – einem emulierten Modell, das das Verhalten des realen Systems genau widerspiegelt. Entscheidend ist, dass derselbe SPS-Programmcode sowohl für die virtuelle als auch für die physische Phase verwendet wird, wodurch eine nahtlose Übergabe ohne Codeänderungen oder Neuschreiben in letzter Minute gewährleistet ist, sobald die physische Hardware verfügbar ist.
Video: Digitaler Zwilling einer Produktionslinie: Simulation des Materialflusses mit SPS und Roboter Steuerungsintegration
Wie die virtuelle Inbetriebnahme realen Nutzen bringt
Effizienzsteigerung
Durch die virtuelle Inbetriebnahme werden Tests vor Ort und der Bedarf an physischen Prototypen deutlich reduziert, was zu erheblichen Zeit- und Kosteneinsparungen führt. Zudem kann in einer digitalen Umgebung wesentlich schneller getestet werden, wodurch Entwicklungszyklen beschleunigt werden, und die Markteinführungszeit verkürzt wird.
Risikoreduktion
Durch die frühzeitige Erkennung von Fehlern mittels Simulationen verringert die virtuelle Inbetriebnahme das Risiko kostspieliger Fehler. Darüber hinaus unterstützt sie sicherere Einsätze, indem sie es den Teams ermöglicht, gefährliche Aufgaben digital zu simulieren und potenzielle Risiken vor der physischen Umsetzung zu beseitigen.
Zusammenarbeit und Innovation
Realistische Simulationen fördern eine bessere Abstimmung zwischen funktionsübergreifenden Teams. Durch die Visualisierung und Interaktion mit Systemen in einem virtuellen Raum erhalten die Beteiligten tiefere Einblicke und verbessern die Kommunikation insgesamt, was Kreativität und Innovation fördert.
Von Einschränkungen zu Fähigkeiten: Unser Wechsel zu Unity
Bei SpiraTec wurden wir immer von einem einzigen Ziel angetrieben: unseren Kunden zu helfen, die virtuelle Inbetriebnahme nahtlos in ihre Abläufe zu integrieren. Wir standen vor geschlossenen Systemen mit begrenzter Erweiterbarkeit, kleinen Benutzercommunities und minimalen Anwendungsprogrammierschnittstellen (APIs) – Bedingungen, die eine Anbieterbindung förderten und die Projektrisiken erhöhten.
Anstatt uns zu ermöglichen, innovativ zu sein, verlangsamten uns diese Einschränkungen oft und ließen unsere Kunden ohne die zugänglichen und skalierbaren Lösungen, die sie benötigten, zurück.
Hier kommt Unity ins Spiel, die Echtzeit-3D-Engine, die der Schlüssel zur Überwindung unserer größten Hürden wurde. Durch die Freisetzung der Leistung von Unitys Editor gewannen wir nicht nur modernste Physik- und Renderingfähigkeiten, sondern transformierten auch grundlegend unseren gesamten Ansatz zur Entwicklung digitaler Zwillingsmodelle.
Die folgenden Technologien und Funktionen innerhalb von Unity halfen uns, mehrere Probleme zu lösen und prägten unseren Entwicklungsprozess für digitale Zwillinge:
- Prefab system: Ermöglicht uns einen objektorientierten Ansatz für die Erstellung digitaler Zwillinge, der eine wiederverwendbare Bibliothek von Komponenten nutzt. Dies beschleunigt die Entwicklung erheblich und gewährleistet gleichzeitig eine gleichbleibende Qualität über verschiedene Projekte hinweg.
- Pixyz: Ermöglicht den nahtlosen Import von CAD-Daten (Computer-Aided Design) und die Einrichtung eines regelbasierten Workflows zur Erstellung digitaler Zwillinge auf der Grundlage spezifischer Metadaten und Kundenstandards.
- Toolkit für User Interface (UI): Ermöglicht die Erstellung und Verbesserung von UI-Inhalten für den Editor und die Laufzeit, um die Benutzerfreundlichkeit von benutzerdefinierten Tools und Oberflächen zu verbessern.
- Job System: Ein echter Schritt nach vorn für uns, der effiziente Multi-Thread-Simulationen komplexer Prozesse – wie Flüssigkeitsströmung, Schüttgutbewegung und Spannungsmodellierung – und groß angelegte digitale Zwillingsprojekte ermöglicht.
- Analyzer & Storage Profiler: Bietet detaillierte Einblicke in Leistungsengpässe und ermöglicht es uns, die Projektqualität vor der Bereitstellung zu optimieren und zu verbessern und unseren Kunden letztlich zuverlässigere Lösungen zu liefern.
“Mit Unity haben wir ein industrielles Package entwickelt, das sich nahtlos in unsere virtuelle Inbetriebnahme-Umgebung integrieren lässt. Durch das Open-Sourcing ermöglichen wir es anderen, ihre eigenen Lösungen für den digitalen Zwilling zu entwickeln und einzusetzen und so die kollaborative Innovation zu fördern.” – Viktor Gaponenko, Senior Professional Engineer, Industrial Robotics Services, SpiraTec AG
Innerhalb eines großangelegten digitalen Zwillings: Lagerinbetriebnahme neu gedacht
Wir sind stolz darauf, eine reale Erfolgsgeschichte mit der Lagersimulation eines führenden Logistikunternehmens präsentieren zu können, bei der wir 12 virtuelle SPS in eine vollständig digitale Umgebung integriert haben. Das Modell umfasste eine Feldbus-Emulation und die Simulation von Industriekomponenten wie Antrieben, Sicherheitsmodulen und RFID-Lesegeräten. Um die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern, wurde eine benutzerdefinierte Benutzeroberfläche entwickelt, die eine leichtgewichtige und leistungsstarke eigenständige .exe-Anwendung liefert, die für umfangreiche Simulationen optimiert ist.
Darüber hinaus wurde das System nahtlos in das Lagerverwaltungssystem (LVS) integriert, was einen nativen Austausch der Telegramme für das Produktdatenmanagement in Echtzeit in einer sicheren virtuellen Umgebung ermöglicht. Dadurch wurde eine umfassende Validierung der Software sichergestellt, bevor die physische Maschine überhaupt existierte, was die Qualität erheblich verbesserte und das Bereitstellungsrisiko reduzierte.
Diese Initiative verkürzte die Zeit für die Inbetriebnahme um 30%, was die Projektzeitpläne erheblich beschleunigte und gleichzeitig Kosten und Risiken reduzierte. Neben den Effizienzgewinnen wurde auch die abteilungsübergreifende Zusammenarbeit verbessert, was eine kosteneffiziente iterative Entwicklung und eine schnellere Proof-of-Concept-Validierung ermöglichte.
Video: Gebaut mit Open Commissioning: Simulation des Lagerbetriebs
Mehr als Effizienz: Mehr Nachhaltigkeit durch Simulation
Bei den Gesprächen über die virtuelle Auftragsvergabe geht es oft um kürzere Auftragsvergabezeiten und eine bessere Zusammenarbeit – aber diese Vorteile lassen sich auch direkt in einen greifbaren geschäftlichen Nutzen ummünzen, insbesondere wenn es um Nachhaltigkeit geht.
Wir haben bereits begonnen, mit Kunden zusammenzuarbeiten, um die Nutzung digitaler Zwillinge auf die nachfolgenden Produktlebenszyklen auszuweiten, und das Potenzial zur Beschleunigung von Nachhaltigkeit und Kosteneinsparungen ist immens. Durch die Optimierung von Prozessen und die Nutzung von realitätsnahen Simulationen haben Unternehmen folgende Vorteile:
- Die Lebensdauer von Geräten verlängern: Mithilfe von Algorithmen für die vorausschauende Wartung, die auf der Grundlage von Simulationsdaten trainiert wurden, können Unternehmen den Verschleiß minimieren und kostspielige Austausch- und Reparaturarbeiten aufschieben. Weniger Ausfälle senken direkt die Wartungskosten und reduzieren ungeplante Ausfallzeiten.
- Ressourcenverbrauch reduzieren: Durch die Validierung von Steuerungslogik und Arbeitsabläufen in einer virtuellen Umgebung können Teams Effizienzlücken erkennen, die zu einem geringeren Energieverbrauch und einer Minimierung des Materialabfalls führen. Diese Verbesserungen tragen nicht nur dazu bei, Umweltziele zu erreichen, sondern auch die Betriebskosten zu senken.
- Die Markteinführungszeit beschleunigen: Die virtuelle Inbetriebnahme minimiert den Bedarf an physischen Prototypen und langwierigen Tests vor Ort. Folglich können Unternehmen ihre Produkte schneller auf den Markt bringen, schneller Marktanteile erobern und eine schnellere Rendite aus ihren F&E-Investitionen erzielen.
- Geringerer Fußabdruck vor Ort: Weniger Besuche zur Fehlersuche und kürzere Installationszeiten reduzieren reisebedingte Emissionen und Kosten. Dieser Vorteil lässt sich für Unternehmen mit mehreren globalen Standorten erheblich steigern.
Die Zukunft gemeinsam gestalten: Eine gemeinschaftlich getragene Initiative
Zusammenarbeit und Offenheit werden die größten Durchbrüche bei der Weiterentwicklung der virtuellen Inbetriebnahme ermöglichen. Mit Open Commissioning tauschen wir nicht nur Tools aus, sondern bauen ein von der Gemeinschaft gesteuertes Ökosystem auf, in dem innovative Ideen verfeinert, getestet und zur Lösung realer Herausforderungen eingesetzt werden können.
Die spannendsten Entwicklungen stehen uns noch bevor. Unsere nächste Entwicklung umfasst die Integration von generativer KI und Echtzeit-Cloud-Simulation, die Einführung von Datenstandards und die Erweiterung der industriellen Konnektivität. Erforschen Sie den Fortschritt auf GitHub und werden Sie Teil der Innovation.
Die Zukunft der Fertigung ist kollaborativ, datengesteuert und grün. Wir laden Sie ein, uns auf dieser Reise zu begleiten, und gemeinsam werden wir eine intelligentere, nachhaltigere Industrielandschaft schaffen.
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Hier geht es zum Blog Post bei Unity: https://unity.com/de/blog/spiratec-virtual-commissioning
