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KI in Simulation, Inbetriebnahme, Betrieb und Wartung

Virtuelles Tool praktisch nutzbar

Die F.EE-Unternehmensgruppe befasst sich seit rund 20 Jahren mit dem Thema SPS-Simulation und Prozessoptimierung. Deren Mitarbeitende widmeten sich schon früh dem kritischen Punkt der Inbetriebnahme - mit dem Ziel, Möglichkeiten zum Absichern von Steuerungssoftware zu schaffen, kritische Betriebszustände risikofrei zu testen sowie komplexe Abläufe in einer frühen Projektphase zu simulieren. Parallel wollte man Steuer- und Regelstrategien schon in der Engineering-Phase validieren und verbessern. Entstanden ist Fe.screen-sim, ein Simulationstool für die virtuelle Inbetriebnahme (VIBN), das auf dem Prinzip des digitalen Zwillings basiert.
Bild: F.EE GmbH / Hallen-Hintergrund: ©alexey05/istockphoto.com

Dank SPS-Integration sind Produktionsanlagen trotz zunehmender Technologiedichte besser beherrschbar – Monteure können von jedem beliebigen Ort in ein System eingreifen, mittels Fernwartung bzw. -diagnostik arbeiten und z. B. Fehler beseitigen. Ein kritischer Punkt bleibt: die Inbetriebnahme und das Anfahren von Fertigungsanlagen nach Maschinenstopp. Szenarien, die nicht selten mit Kosten von tausenden Euro pro Minute zu Buche schlagen und die Total Cost of Ownership in die Höhe treiben.

Virtuellen Wandel wagen

Mit dem Simulationstool Fe.screen-sim wird mittels Daten aus Konstruktion, Elektrik und Mechanik das digitale Abbild einer Anlage erstellt – und das weit vor deren physischer Existenz. Damit ist der Check aller Funktionen und Umgebungsparameter bereits vor Fertigstellung der physischen Anlage machbar. Das Simulationstool ist laut Anbieter aktuell das einzige multi-user-fähige und löst damit Querabhängigkeiten im Konstruktionsprozess auf – sowohl Konstrukteure als auch Programmierer arbeiten gleichzeitig am Modell – ohne Umschalten zwischen Simulations- und Bearbeitungsmodus.

Möglich wird das durch eine Architektur, die im Wesentlichen aus einer multi-user-fähigen Core-Client-Anwendung besteht. Im Core laufen die Berechnungen für das Simulationsmodell. Der Client, der neben der 3D-Darstellung auch alle Standard-Bedienelemente enthält, verbindet sich zum Core. Durch die Verbindung mehrerer Clients zu einem Core wird das parallele Arbeiten an einem Modell sowie der effiziente Aufbau großer Projekte möglich. Die herstellerübergreifende Kompatibilität mit Robotern und SPS-Steuerungen wird über entsprechende Schnittstellen erreicht. Mittels VR-Modul ist auf Knopfdruck ein Wechsel in die Dreidimensionalität und damit das Eintauchen in die Simulation via VR-Brille möglich. ‚Näher‘ an die Realität und damit an Bauteilgrößen oder Abstände kommt man als User kaum.

 Fe.screen-sim zeichnet sich unter anderem durch die Multi-User-Fähigkeit aus, d. h. mehrere Benutzer 
arbeiten gleichzeitig am Modell - ohne Umschalten zwischen Simulations- und Bearbeitungsmodus.
Fe.screen-sim zeichnet sich unter anderem durch die Multi-User-Fähigkeit aus, d. h. mehrere Benutzer arbeiten gleichzeitig am Modell – ohne Umschalten zwischen Simulations- und Bearbeitungsmodus.Bild: F.EE GmbH

Problemlöser für alle Akteure

Fe.screen-sim ist für große Datenmengen ausgelegt und verspricht die Datendurchgängigkeit der verwendeten Systeme verlustfrei. Zudem bietet das Simulationstool durch den Funktionsumfang eine effiziente Nutzung aller Daten für die Modellerstellung und sichert die durchgängige Datenaufbereitung sowie -strukturierung während des gesamten Engineering-Prozesses.

Für Maschinen- und Anlagenbauer, OEM oder industrielle Fertiger bedeutet dies: Nehmen die Flexibilitätserfordernisse zu, sichert Fe.screen-sim eine schnelle Änderung von Produktions- und Anlagenparametern. Die validierte Software für SPS, Roboter und andere gekoppelte Systeme lässt sich in der Anlage ‚einspielen‘. Die schnelle Anpassung von Parametern bzw. das Herstellen von Situationen im virtuellen Modell ist ein Vorteil im Vergleich zu einem Voraufbau oder der realen Inbetriebnahme. Anwender agieren von der Erstinstallation bis zur Außerbetriebnahme einer Anlage flexibel und damit wirtschaftlich.

Flexibilität ist Trumpf

Neben kostenintensiven Erst-Inbetriebnahmen erweisen sich immer häufiger geopolitische, gesellschaftliche und wirtschaftliche Veränderungen als Treiber für industrielle Fertiger, die sie zwingen schneller, adäquater und mit hoher Qualität auf (veränderte) Kundenbedürfnisse einzugehen. Die Variantenvielfalt bei Bauteilen nimmt zu, während die Stückzahlen häufig geringer werden. Faktoren, die neben mehr Flexibilität in der Produktion auch eine zunehmende Vernetzung erfordern, um leistungsfähiger und schneller produzieren zu können. Auch hier denken die Entwickler bei F.EE voraus mit dem Ziel, zunehmend komplexeren Wertschöpfungsketten etwas entgegenzusetzen. Die Simulationssoftware wird zukünftig Flexibilität durch Integration künstlicher Intelligenz (KI) und selbstoptimierender Systeme sichern. Industrielle Fertiger, Logistiker und Großanlagenbauer haben mit fe.screen-sim eine Klammer, die sich von der Planungsphase einer Anlage bis zu ihrer Außerbetriebnahme über den gesamten Lebenszyklus spannt.

 KI hält aktuell bereits Einzug in die virtuelle Inbetriebnahme und wird diese nachhaltig verändern.
KI hält aktuell bereits Einzug in die virtuelle Inbetriebnahme und wird diese nachhaltig verändern.Bild: F.EE GmbH

Virtualität und KI

Fe.screen-sim kommt aktuell bei der virtuellen Inbetriebnahme von Neuanlagen zum Einsatz und ist beim Umbau von Anlagen ein Tool für die Validierung und (Wieder-)Inbetriebnahme von Bestandsanlagen. Fehler oder Abweichungen werden während der virtuellen Inbetriebnahme rechtzeitig erkannt. Zudem gelingen das Suchen und Finden von Lösungen oder Verbesserungen mit dem Ziel einer zügigen physischen Inbetriebnahme, einem schnellen Ramp-on bzw. einem reibungslosen Anlagenbetrieb. Ferner nutzen Ingenieure das Simulationstool, um eigene Ideen zur Maschinen- und Prozessoptimierung auf ihre Machbarkeit zu prüfen – Funktionalitäten, die es bis vor wenigen Jahren nur in der Vorstellung gab.

Jetzt bringt KI noch mehr Dynamik in die Industrie und damit auch in die virtuelle Inbetriebnahme: Verhältnismäßig einfach realisierbare Funktionen sind umgesetzt und könnten in zukünftige Releases implementiert werden. Anwender können Chatbots nutzen, die intuitiv schnelle und einfache Informationen – z.B. in Anleitungen – verfügbar machen. Hohes Potenzial bergen zudem Chatbots für die Spracheingabe sowie die Kombination von KI und automatisierter Modellerstellung über die API.

Der so genannte ‚digitale Schatten‘ ist ein weiterer Ansatz: Bald soll das digitale Modell, das kontinuierlich Daten aus der physischen Anlage bezieht, parallel zu dieser betrieben werden können. Wo nimmt die Wahrscheinlichkeit von Problemen zu? Wann ist mit ungeplanten Anlagenstopps zu rechnen? Fragen wie diese lassen sich prognostisch beantworten und helfen bei der Prozessoptimierung und damit bei der kontinuierlichen Verbesserung von Leistung, Effizienz und Sicherheit einer Anlage.

Über KI-Algorithmen, deren Integration Fe.screen-sim mit der offenen Systemarchitektur ermöglicht, lassen sich bald die optimalen Betriebsparameter für Anlagen und Systeme ermitteln sowie proaktive Wartungen planen. Mit dem Software Development Kit (SDK) und dem Application Programming Interface (API) haben Anwender eine optimale Infrastruktur, um Daten aus dem Modell zu extrahieren und dorthin zu übertragen. Mehr noch: flexible Schnittstellen erleichtern die nahtlose Integration KI-gestützter Funktionen in den VIBN-Prozess.

Aus- und Einblicke

Bereits heute machen sich die Entwickler von F.EE Gedanken, welchen Stellenwert KI für das Simulationstool hat, wenn es um die automatisierte Generierung und damit das Erzeugen von Anlagenmodellen geht. Auch in der – bis dato aufwendigen – Erzeugung von Testdaten für virtuelle Modelle zeigt sich Potenzial. Auf lange Sicht wird die Kombination aus KI und Know-how dazu beitragen, diesen Prozess zu beschleunigen. Die Idee: Über die Daten fehlerhafte Messungen und Sonderereignisse simulieren, um verschiedene Szenarien der Anlage zu testen und zu verifizieren. Weiterer Punkt: die Optimierung virtueller Anlagen. Das Fe.screen-sim der Zukunft wird die Kopplung selbstoptimierender Systeme und damit die deterministische Ermittlung der optimalen Position für Roboter in Verarbeitungszellen zum Standard machen. Schon heute profitieren einige F.EE-Kunden davon. Möglich macht es KI, die künftig auch Daten zur MTM-Optimierung und -Ermittlung verarbeiten kann.

Eine weitere Herausforderung, die KI im Simulationstool lösen könnte: Die Überprüfung von Anlagen nach Veränderungen. Sind diese Checks bis dato mit Risiken behaftet, werden KI-Systeme die automatisierte Verifizierung von Modellen durch Erzeugung von Test-Szenarien (aus virtuellen Modellen) entscheidend vereinfachen. Stichwort Effizienzsteigerung und Qualitätssicherung: Die Analyse von Signalen und Zuständen durch KI ermöglicht die Planung von Wartungszeiträumen in Abhängigkeit von Bauteiltoleranzen/Produktabweichungen.

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