Simulationsmethoden und -werkzeuge in unterschiedlichen Lebenszyklusphasen

Die virtuelle Produktion

Vor dem Hintergrund sich immer schneller ändernder Markt- und Kundenanforderungen setzen Hersteller und Betreiber von Produktionsanlagen zunehmend auf Simulationsmodelle. Denn mithilfe abgestimmter Methoden und Werkzeuge lassen sich die Planung, Auslegung und Inbetriebnahme bereits virtuell durchführen. Auch im Produktionsbetrieb steigt die Notwendigkeit einer Kopplung des Digitalen Zwillings mit den realen Prozessen und abgestimmten Services.

Der Lebenszyklus von Produktionsanlagen gliedert sich in die Phasen der Entwicklung, der Planung, der Inbetriebnahme und des Fertigungsbetriebs. Ziel der digitalen Fabrik ist es, den oftmals hochkomplexen Anlagen über all diese Phasen hinweg ein Simulationsmodell, den so genannten digitalen Zwilling, zur Seite zu stellen.

Systemsimulation einer Produktionsanlage

Durch Kopplung hochspezialisierter Modelle aus unterschiedlichen Simulationsdisziplinen bildet der Zwilling das Anlagenverhalten gesamtheitlich ab und stellt im Rahmen der Simulation alle relevanten Systeminformationen dauerhaft und in der jeweils benötigten Granularität zur Verfügung. Das Simulationsmodell muss dabei alle Systemebenen (z.B. Komponenten, Geräte, Gesamtanlagen oder Materialfluss) inklusive komplexer Wechselwirkungen vollständig berücksichtigen. So kann sich der digitale Zwilling für alle beteiligten Disziplinen zur Basis einer effiziente Realisierung von neuen Lösungen, Dienstleistungen oder Geschäftsmodellen entwickeln.

Anwendung im Lebenszyklus einer Produktionsanlage

Ziel des digitalen Zwillings ist die simulationsgestützte, phasenübergreifende Planung von Produktionsanlagen und -prozessen im Bereich von Konzeption, Entwicklung, Systemplanung, Test, Schulung, Service und Betrieb auf Basis abgestimmter Methoden und Werkzeuge. Im Kontext der digitalen Fabrik sind in den letzten Jahren viele digitale Methoden mit passenden Softwarewerkzeugen entstanden, die dem Maschinen- und Anlagenbau für die eigenen Lebenszyklusphasen ihrer Produktionsanlagen zur Verfügung stehen. Weiterführende vielversprechende Lösungen sind Gegenstand aktueller wissenschaftlicher Untersuchungen.

Produktionsplanung

Zu Beginn des Engineerings werden Simulationen genutzt, um Layout und logistische Prozesse auf Basis von Produktionsmodellen zu entwickeln und zu prüfen. Der Digitale Zwilling, ein in dieser Phase stark abstrahiertes Modell, erlaubt erste Aussagen über produktionsrelevante Kenngrößen. Neben der Layout- und Variantenabsicherung unterstützt er bei vielen Aufgaben des frühen Engineerings. Insgesamt sollen dadurch Angebotskalkulation, Betriebs-, Logistik- und Lagerkosten genauer und sicherer werden. Hauptziel aktueller Entwicklungen ist die automatische Überführung der zunächst stark abstrahierten Modelle in digitale Zwillinge, die alle Systemebenen detailliert abbilden. Basis hierfür sind skalierbare und wiederverwendbare Verhaltensmodelle der realen Komponenten, die eine genaue Auslegung und Validierung des Anlagen- und Automatisierungskonzepts (z.B. Sensoren, Ventile oder Antriebe) sowie zugehöriger Abläufe ermöglichen. In dieser Phase werden die Abläufe meist als Model-in-the-Loop-Simulation realisiert und in einer Modellsprache (z.B. Sequenzeditor oder Zustandsgraph) definiert, visualisiert und überprüft. Durch automatische Codegenerierung für die jeweilige Steuerungsplattform erfolgt anschließend die Lösungskonkretisierung für herstellerspezifische Automatisierungskomponenten.

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ISW Institut für Steuerungstechnik der

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