Simulation in der Fertigung: Vom Konzept zum virtuellen Zwilling
Veröffentlicht am 4. Juni 2025 in Industry 4.0
Industrielle Simulation: Von der Idee zum virtuellen Zwilling
Wie können Hersteller das Potenzial von Simulationen nutzen, um reale Designs von Anfang an richtig umzusetzen?
Wie können Hersteller Entscheider Simulationen nutzen, um bessere und realitätsnähere Designs und Konstruktionen zu erstellen? Das Konzept, Simulationen für die Fertigungsplanung zu nutzen, gibt es schon lange – bereits vor der Einführung von Computern. Die frühesten Beispiele sind Modelle, mit denen Ingenieure Prozesse und Entwürfe im kleinen Maßstab testen konnten, bevor sie dann größer und real umgesetzt wurden. Simulationen zugrunde liegende Prinzipien sind dabei damals wie heute gleich, doch findet sie heute in einer virtuellen Umgebung statt. Hierdurch haben Projektleiter deutlich mehr Möglichkeiten, komplexe Prozesse zu erstellen, um die Auswirkungen von Variablen auf die Ergebnisse zu testen. KI-basierte Technologien haben maßgeblich dazu beigetragen, dieses Maß an Flexibilität und Komplexität zu erreichen.
IT-OT-Konvergenz stellt neue Herausforderungen
Der nächste Schritt in Sachen Simulation ist nun der Wechsel zu einem ganzheitlicheren Ansatz. In der Fertigung ist es mittlerweile selbstverständlich, Roboter- und SPS-Simulationen durchzuführen. Fertigungsstätten und -linien werden selten gebaut, ohne dass Automatisierungslösungen und Steuerungen zuvor in einer virtuellen Umgebung getestet wurden. Mit dem Aufkommen intelligenter Produktionstechnologien zeigen sich nun allerdings vermehrt Grenzen und Schwierigkeiten bei der Simulation isolierter Maschinen oder Prozesse.
IT-OT-Konvergenz, also die Integration von Datenmanagementsystemen (IT) mit industriellen Betriebssystemen (OT), eröffnet neue Herausforderungen, denn Simulationsplattformen für einzelne Systeme berücksichtigen nicht die Konnektivität, die Unternehmen in Bezug auf Datenerfassung, -austausch, -analyse und -nutzung anstreben. Vor diesem Hintergrund suchen zahlreiche Branchen, darunter Automobil-, Pharma- und Kosmetikindustrie und viele mehr, nach Simulationslösungen, mit denen sich ganze Fertigungsstätten nachbilden lassen.
Doch das ist noch nicht alles. In einer Zeit, in der Betriebsabläufe und Lieferkettenmanagement immer stärker voneinander abhängig und digitalisiert sind, müssen Simulationsmodelle Faktoren berücksichtigen, die über die Grenzen der jeweiligen Unternehmensmauern hinausgehen. Ein Beispiel: Schwankungen bei den eingehenden Materialien und Störungen in der Lieferkette müssen Berücksichtigung finden.
Außerdem gibt es einen wachsenden Bedarf an Simulationswerkzeugen, die es ermöglichen, Synergien zwischen verschiedenen Standorten zu untersuchen, den Datenaustausch zwischen Werken zu prüfen sowie die Leistung unterschiedlicher Fertigungsstandorte zu untersuchen und zu vergleichen. Da viele Hersteller zudem auf ein „Design Anywhere, Manufacture Anywhere“ (DAMA)-Modell umstellen, benötigen sie Simulationen, um herausfinden zu können, wie sich mit variablen Eingaben an verschiedenen Standorten konsistente Ergebnisse erzielen lassen.
Fünf Simulationsansätze stehen im Fokus
Es gibt fünf Simulationswerkzeuge, die bei der Gestaltung einer digitalisierten Fertigung eine wichtige Rolle spielen: Model-in-the-Loop (MIL) für die Testphase, Software-in-the-Loop (SIL) und Hardware-in-the-Loop (HIL) zur Validierung von Konzepten, digitale Zwillinge zur Nachbildung realer Prozesse und zur Optimierung von Szenarien sowie virtuelle Zwillinge zur kontinuierlichen Überwachung und Verbesserung von Live-Fertigungsabläufen.
1. Model-in-the-Loop (MIL)
Model-in-the-Loop (MIL) ist eine Simulationstechnik, die in frühen Entwicklungsphasen von eingebetteten Systemen und Maschinen zum Einsatz kommt. Hierbei wird ein System innerhalb einer Loop (Schleife) zusammen mit seinem Umgebungsmodell simuliert, um Algorithmen zu testen, bevor zu fortgeschritteneren Verifizierungsstufen wie Software-in-the-Loop (SIL) und Hardware-in-the-Loop (HIL) übergegangen werden kann. In dieser Phase lässt sich ein großer Teil der Steuerungssoftware generieren. Die automatisierte Codegenerierung ist eine Technik, mit der sich hochrangige Modelle oder Spezifikationen in ausführbaren Code umwandeln lassen, was die Entwicklungszeit verkürzt und menschliche Fehler minimiert.
2. Software-in-the-loop (SIL)
Bei SIL geht es darum, Automatisierungssoftware zu testen, die das Fertigungsdesign zum Leben erweckt. Dazu können Embedded Software, Algorithmen oder ganze Regelkreise gehören. Im Wesentlichen führt SIL die Software auf einer virtuellen Plattform aus, die die physische Hardware nachahmt, sodass sich gründliche Tests und Validierungen ohne die tatsächliche Hardware durchführen lassen. Durch das Testen der Software in einer simulierten Umgebung können Entwickler Probleme frühzeitig im Entwicklungszyklus erkennen und beheben. Das hilft, Fehler zu finden, die sich später bei Hardwaretests oder nach der Bereitstellung nur schwer oder mit hohem Aufwand beheben ließen.
3. Hardware-in-the-loop (HIL)
Nachdem die Softwarearchitektur getestet wurde, geht es in einem nächsten Schritt darum, die eigentliche Hardware in den Regelkreis zu integrieren. Dies beginnt zumeist mit einer SPS und/oder einem Motion Controller, der die Steuerung der virtuellen Maschine übernimmt. Schritt für Schritt werden weitere Hardware-Elemente in den Regelkreis integriert, darunter Motoren, Sensoren und Bildverarbeitungssysteme, sodass ein Hybrid aus realer Ausrüstung und Software entsteht. HIL hat sich in der Automobilindustrie als Methode zum Testen von Fahrerassistenzsystemen (ADAS) etabliert.
4. Digitale Zwillinge
Die Erstellung eines digitalen Zwillings ist die Grundlage dieser Simulationsansätze. Digitale Zwillinge sind virtuelle Nachbildungen von Produkten, Prozessen oder Systemen. Sie werden verwendet, um das Verhalten ihres physischen Gegenstücks zu verstehen und vorherzusagen. Ein gutes Beispiel ist der digitale Zwilling eines Roboters: Ein computergeneriertes 3D-CAD-Modell wird animiert und mit realen Datenquellen verknüpft, sodass es das Verhalten, die Eigenschaften und die Leistung eines realen Roboters widerspiegelt. Auf diese Weise kann ein Hersteller Szenarien wie unterschiedliche Nutzlasten, Wege und Arbeitsabläufe testen, so fundierte Entscheidungen treffen und Risiken minimieren.
5. Virtuelle Zwillinge
Digitale Zwillinge können zu virtuellen Zwillingen werden, um komplexe Interaktionen und Verhaltensweisen zu simulieren. Es gibt keine klare Unterscheidungsgrenze zwischen den beiden, aber im Allgemeinen werden digitale Zwillinge für die Entwicklung und Konstruktion verwendet, wobei hier nichts „real“ ist. Wird Hardware mit dem digitalen Zwilling verbunden, kommt sie dem virtuellen Zwilling einen Schritt näher. Wird der Punkt erreicht, an dem permanent Daten mit der realen Welt ausgetauscht werden und kontinuierlich parallel zu einer realen Produktion oder Fertigungslinie gearbeitet wird, ist zweifelsohne ein virtueller Zwilling entstanden und dieser bleibt auch während der gesamten Fertigung bestehen.
Sysmac Studio, eine integrierte Entwicklungsumgebung
Sysmac Studio, das Simulationstool von OMRON, bietet Anwendern fortschrittliche Optionen und nützliche Funktionen für die Programmierung, Simulation und Überwachung von Speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPSen), Bewegungssteuerungen, Bildverarbeitungssystemen und anderen Automatisierungsgeräten. Es punktet gegenüber anderen Lösungen für die industrielle Automatisierung mit drei wesentlichen Vorteilen:
1. Sicherheitslogik:
Sicherheit ist ein Aspekt der Fertigungsplanung, der von Simulationsanbietern oft übersehen wird. Allzu oft konzentrieren sich Unternehmen bei ihren virtuellen Tests auf die Leistungsaspekte eines Systems oder Prozesses und entdecken erst viel später Sicherheitsprobleme, die eine Neukonzeption erforderlich machen. OMRON ist anders, da seine 3D-Simulationsplattform Sicherheitslogik integriert, sodass Hersteller umfassende Tests von Funktionen wie Not-Aus-Schaltern, Sicherheitslichtvorhängen und Sensoren durchführen und optimale Strategien für die Platzierung und Programmierung von Maschinenschutzvorrichtungen entwickeln können.
2. Virtuelles Debugging:
Die Möglichkeit, ein Automatisierungssystem in einer virtuellen Umgebung zu debuggen, wird ebenfalls nur von sehr wenigen Simulationsanbietern angeboten. OMRON kombiniert hochpräzise Darstellung und Simulation, um eine 3D-Debugging-Anwendung zur Fehlererkennung zu entwickeln – Anwender können ihre Sensoren virtuell anschließen und eine Maschine oder Anlage debuggen.
3. Funktionsblockbibliothek:
OMRON hat eine Library (Bibliothek) mit SPS-Funktionsblöcken entwickelt, die sowohl in der Simulationsumgebung als auch in der realen Welt verwendet werden können. Diese Softwarekomponenten sind Dateien, die sich in ein Steuerungssystem laden lassen, um der SPS alle Funktionen zur Verfügung zu stellen, die sie für die jeweilige Anwendung benötigt, was den Konstruktionsprozess beschleunigt. Aufgrund der umfangreichen Erfahrung von OMRON decken die Komponenten Bereiche wie Schweißen, Wickeln, Abwickeln, Presswerkzeuge, Robotik, Bewegung, Inspektion und mehr ab. Die Funktionsblöcke können auch in der virtuellen Umgebung verwendet werden. Dies ermöglicht wesentlich detailliertere und realitätsnahe Simulationen.
Die echten Vorteile virtueller Simulationen
Simulation ist ein wichtiger Eckpfeiler der digitalen Fertigung. Sie bietet zahlreiche Vorteile, etwa die Erleichterung der Fehlermodus- und Auswirkungsanalyse, die in Wartungsstrategien einfließen kann. Hinzukommen eine Parallelisierung für Leistungsoptimierungen und eine beschleunigte Markteinführung durch Verkürzung der Planungs- und Konstruktionszyklen um bis zu 25 Prozent und mehr.
In der Automobilindustrie, wo Produktlebenszyklen immer kürzer werden und Innovationszyklen immer schneller ablaufen, sorgt Simulation für Flexibilität, um wettbewerbsfähig zu bleiben. So können Hersteller etwa mit einem virtuellen Zwilling einer Produktionslinie für Elektrofahrzeugbatterien Arbeitsabläufe testen, den Materialtransport optimieren und potenzielle Engpässe identifizieren, bevor sie in Anlagen investieren.
In der Kosmetikindustrie, wo das Produktdesign saisonale Trends, regionale Vorlieben und die Verfügbarkeit von Inhaltsstoffen berücksichtigen muss, lassen sich mit Simulationswerkzeugen verschiedene Rezepturen und Konfigurationen testen, bevor reale Versuche durchgeführt werden.
Durch Partnerschaften bietet OMRON Herstellern, die fortschrittliche Simulationsansätze erkunden möchten, messbaren Mehrwert. Die Zusammenarbeit verbindet die Expertise von Dassault im Bereich Virtual Twinning mit dem Knowhow von OMRON in der industriellen Automatisierung und ermöglicht den offenen und schnellen Austausch von Echtzeitdaten zwischen IT-Systemen und OT-Betriebsabläufen. So entsteht eine einzigartige Plattform für die Weiterentwicklung von Simulationslösungen.
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