Was ist eine virtuelle Inbetriebnahme?

Unter virtueller Inbetriebnahme versteht man das Testen, die Verifikation und die Validierung von Automations-Steuerungen mithilfe eines digitalen Modells der Automatisierungstechnik sowie der Anlage. In Desktop- und Hardware-in-the-Loop-Simulationen wird das Zusammenspiel von elektromechanischen Komponenten, dem Steuerungssystem und dem Prozess in verschiedenen Szenarien getestet, bevor die Software auf einem Prototypen oder der echten Produktionsausrüstung bereitgestellt wird.

Mit der virtuellen Inbetriebnahme können Ingenieure:

• Enticklungsfehler frühzeitig ermitteln und beseitigen
• Entwicklungs- und Validierungszeiten verkürzen
• Risiken und potenzielle Beschädigungen bei der Inbetriebnahme des tatsächlichen Systems verringern
• Verschiedenste Betriebsszenarien schnell und zerstörungsfrei testen

Ein Modell der Anlage und des eingesetzten Steuerungssystems ermöglicht aber weit mehr als nur die virtuelle Inbetriebnahme. Ingenieurteams können solche Modelle während der gesamten Entwicklung, Implementierung und Integration sowie im späteren Betrieb wiederverwenden. In Form Digitaler Zwillinge lassen sich diese Modelle für Aufgaben wie die Überwachung von Ausrüstung oder die Predictive Maintenance einsetzen. Simulationssoftware wie Simulink^® ermöglicht die Simulation von Systemen, den Entwurf industrieller Regelungsalgorithmen, die Verifikation und Validierung von Entwürfen sowie die Codegenerierung für Industriesteuerungen in einer umfassenden ingenieurtechnischen Softwareumgebung.

Die auf Model-Based Design fußende virtuelle Inbetriebnahme mit MATLAB^® und Simulink besteht typischerweise aus folgenden Schritten:

1. Modellierung und Desktop-Simulation

• Entwurf von Regler- und Anlagenmodellen des physikalischen Systems, einschließlich CAD-Import
• Prototyping neuer Funktionalität in Kombination mit vorhandener Maschinensoftware
• Automatisierung von Systemtests
• Optimierung von Parametern (etwa in Software, Mechanik, Hydraulik)
• Automatische Codegenerierung aus Modellen (Strukturierter Text und Kontaktpläne nach IEC 61131-3, C/C++, HDL)

2. Hardware-in-the-Loop- und Echtzeittests

• Emulation des Verhaltens des physikalischen Systems (Anlagenmodell) in Echtzeit
• Entwurf und Testen der hardware-unabhängigen Funktionalität
• Debugging von Echtzeit-Algorithmen direkt in Simulink (mithilfe des externen Modus)
• Verbinden der virtuellen Maschine mit der SPS über einen industriellen Feldbus

3. Codegenerierung für SPS-Plattformen

• Generieren von C/C++, IEC 61131-3- oder HDL-Code
• Integration von automatisch erzeugtem Code in die SPS-Software über die Hersteller-IDE
• Online-Debugging in Simulink und Stateflow mithilfe des externen Modus

4. Einsatz digitaler Zwillinge während des Betriebs

• Modellbasierte Zustandsüberwachung und Predictive Maintenance
• Reproduktion von Fehlern aus Felddaten
• Schulung der Bediener an neuen Systemen

Mit der virtuellen Inbetriebnahme können Maschinen- und Anlagenbauer ihre integrierte Software schon früh im Entwicklungsprozess testen – bevor ein physischer Prototyp der Maschine verfügbar ist.