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Simulationsplattform steigert Profitabilität in Automatisierungsprojekten

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09.07.2014 Während des Engineerings von Automatisierungsprojekten entstehen viele digitale Informationen, die die verschiedenen Prozesse und die Anlagenausrüstung beschreiben. Die Automatisierungslösung samt Software-Konfiguration und Hardware-Aufbau basiert auf solchen digitalen Unterlagen. Die Integration aller Informationen findet normalerweise erst bei der realen Inbetriebnahme statt. Die digitale Welt stößt hier auf die Realität, und ohne ausreichende Tests werden Konzeptfehler oder Dateninkonsistenzen damit erst am Ende des Engineerings – bei der Inbetriebnahme – entdeckt.

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Entscheider-Facts Für Betreiber

  • Simulation und virtuelle Inbetriebnahme bilden einen effektiven Hebel, um die Projektausführung hinsichtlich Zeitaufwand und Wirtschaftlichkeit zu verbessern.
  • Eine Echtzeit-Simulationsumgebung erlaubt bereits im Engineering-Büro, das Verhalten von Signalen, Geräten und Prozessen virtuell nachzubilden.
  • Dadurch kann das Automatisierungsprojekt umfangreich und realistisch getestet werden. Die Vorteile wirken sich auf den gesamten Anlagenlebenszyklus aus.

Eine virtuelle Inbetriebnahme dagegen bringt die beiden Welten viel eher zusammen. Fehler werden früher entdeckt; das macht die erforderlichen Korrekturen leichter und kostengünstiger. Was jedoch noch wichtiger ist: Solches Fehlverhalten führt bei einer virtuellen Inbetriebnahme nicht zu Anlagenschäden oder Personenverletzungen, wie es in der realen Anlage der Fall sein könnte.

Zügige Inbetriebnahme und erhöhte
Anlagensicherheit

Fehlerfreies Engineering spielt eine wesentliche Rolle für Sicherheit, Qualität und Produktivität des Anlagenbetriebs. Für die Anlagenautomatisierung wird in der Regel bewährte, standardisierte Hardware eingesetzt. Die Automatisierungsanwendungen sind dagegen spezifisch und stellen immer ein Unikat dar; das erfordert umfangreiches Testen. Die steigende Komplexität der Projekte, kurze Umsetzungszeiten und begrenzte Budgets werden in der Automatisierungswelt zu einer echten Herausforderung für jeden Projektleiter, wenn Engineering-Qualität gewährleistet werden soll.
Der systematische Einsatz von Simulation ermöglicht einen frühzeitigen und ausführlichen Test des Engineer­ings, so dass Projekte fehlerfrei auf der realen Anlage in Betrieb genommen werden können. Die Inbetriebnahme kann dadurch viel schneller erfolgen, was gleichzeitig die Planungssicherheit erhöht. Insbesondere bei Anlagenmigrationen ist das von besonderer Bedeutung: Die Stillstandzeiten sind meistens sehr knapp geplant, und jeder entdeckte Fehler auf der Anlage gefährdet den rechtzeitigen Wiederanlauf und zieht entsprechende Produktionsverluste nach. Darüber hinaus können Programme mittels virtueller Inbetriebnahme viel umfangreicher getestet werden als in der realen Anlage. Manche Grenzfälle oder sogar kritische Situationen können schon aufgrund ihrer physikalischen Größen, Zeitkonstanten und damit verbundene Risiken nicht real getestet werden, was dagegen mit Hilfe von Simulation im Engineering-Büro risikolos geschehen kann.
Bei einer virtuellen Inbetriebnahme werden mit Hilfe einer Simulation die von der Automatisierungstechnik angesteuerten Geräte sowie das Anlagenverhalten modelliert. Dabei werden in aller Regel drei Simulationsebenen unterschieden: die Signal-, Gerät- und Prozessebene.

Schnelle Rentabilität der Simulationstechnologie
Die beim Engineering verwendeten Simulationsszenarien und -modelle dienen nicht nur zum Testen eines bestimmten Projekts vor dem Betrieb der Anlage. Wenn das Design strukturiert erfolgt und das Simulationswerkzeug ein gewisses Wissensmanagement unterstützt, können die Simulationsszenarien mehrfach und auf flexible Art und Weise wiederverwendet und angepasst werden: über den ganzen Anlagenlebenszyklus, bei der virtuellen Inbetriebnahme von neuem Equipment oder bei anschließenden Projekten. Fachleute haben festgestellt, dass sich bereits in vielen Projekten die erheblich kürzeren Inbetriebnahmezeiten so auswirken, dass der Betreiber gleich beim Anlauf  der Anlage die Investition zurückbezahlt bekommt – inklusive des Erstaufwands für das Simulationsdesign. Außerdem steigt durch die Wiederverwendung der vorhandenen Simulationsprojekte die Rentabilität weiter, da der Aufwand von Projekt zu Projekt stetig niedriger wird.

Mit dem Simit Simulation Framework schnell,
einfach und flexibel zur Simulation

Das Design einer Simulation ist mit einer Software-Plattform, wie dem Simit Simulation Framework, komfortabel möglich. Bei der virtuellen Inbetriebnahme werden Signale, Feldgeräteverhalten, Feldkommunikation und Prozesse durch Modelle simuliert. Dies wird durch zahlreiche Simulationskomponenten aus den mitgelieferten Bibliotheken unterstützt. Der Designaufwand bleibt relativ gering und ist für Automatisierungsingenieure ohne Simulationskenntnis möglich. Testszenarien, die eine umfassende Funktionsprüfung der Projekte erlauben, lassen sich schnell gestalten. Bei Simatic S7- oder PCS 7-Projekten reduziert das Werkzeug die Designzeit durch die maximal mögliche Übernahme der vorhandenen Engineering-Daten, um Modelle automatisch zu generieren.
Die Tests können als „Software-in-the-Loop“ Konfiguration mit emuliertem Controller erfolgen, d.h. ohne verfügbare Controller-Hardware oder mit realem Controller realisiert werden („Hardware-in-the-Loop“). Die Simulation läuft in Echtzeit, ohne dass Änderungen an den Automatisierungsprogrammen erforderlich sind. Sind weitere Simulatoren vorhanden bzw. im Einsatz, können diese im Verbund mit Simit weiter verwendet werden. Hierfür stehen Schnittstellen zum Datenaustausch über OPC oder Shared Memory zur Verfügung. Die neue Version 8.0 bietet zusätzlich eine Schnittstelle zur Steuerung und Synchronisierung.
Um den Einsatz der Simulationstechnologie bei möglichst vielen Projekten attraktiv und profitabel zu machen, sollen der erforderliche  Aufwand und die Komplexität niedrig bleiben. Dafür zeichnet sich Simit durch seine zahlreichen Unterstützungsmechanismen zur automatischen oder manuellen Modellierung aus. In dieser Hinsicht wurde die Bedienung der neuen Version wesentlich vereinfacht und macht den Einstieg auch für Einsteiger leichter. Die neue Portalansicht bietet eine ausführliche Bedienerunterstützung, und eine kontextsensitive Online-Hilfe. Aufgabenorientierte Dialoge erlauben, den Aufbau einer virtuellen Inbetriebnahme in wenigen Minuten zu erledigen.

Wiederverwendung von
Simulationsmodellen als Schlüssel

Die Modellierung von Simulation erfolgt in der Regel auf Basis von Simulationskomponenten, die miteinander verschaltet werden. Bei Simit geschieht dies an Hand der mitgelieferten Simulationskomponenten, die sehr einfach und grafisch per Drag & Drop selektiert und verschaltet werden können. Zudem können jederzeit vom Nutzer eigene Simulationskomponenten erstellt werden.
Das systematische Reduzieren des Aufwand beim Simulationsaufbau liegt ganz stark im Fokus von Siemens. Nur so können viele Anwender auch bei kleinen Projekten davon profitieren. Dabei ist das Wiederverwenden von schon erzeugten Simulationsmodellen ein entscheidender Schlüssel. Was den Designaufwand erheblich reduziert, ist zum Beispiel die Fähigkeit, Modell-Vorlagen zu benutzen. Anhand eines mitgelieferten oder vom Benutzer erstellten Modells können weitere generiert werden. Das Modell kann dabei geändert, parametriert, vervielfältigt und instanziiert werden.
Mit diesem Konzept lässt sich – ähnlich wie beim Massendaten-Engineering in der Automatisierung – ein Massen-Simulationsdesign durchführen. Hunderte bis Tausende Modelle, wie es etwa bei großen Projekten notwendig ist,  können innerhalb von Minuten erzeugt werden. Solche Mechanismen unterstützt das Simulationswerkzeug auch, wenn Simatic PCS 7 Control Module Types im Engineering benutzt wurden und erlaubt somit, eine schnelle virtuelle Inbetriebnahme der ganzen Geräteebene für Projekte mit minimalem Aufwand durchzuführen. Weiterhin wird auch ein generischer XML-Import angeboten, um ganze Simulationsmodelle automatisch aufbauen zu lassen.

Auch die Effizienz beim Ablauf
einer Simulation zählt

Die neue Simit-Version steigert nicht nur die Effizienz beim Einarbeiten in die Software und beim Design einer Simulation. Auch die Leistung während der Laufzeit wurde verbessert. Das Virtual Time Management erlaubt dem Anwender, die Simulationsablaufgeschwindigkeit zu ändern. Ein beschleunigter Ablauf spart unnötige Wartezeiten. Dem gegenüber hilft der verlangsamte Ablauf bei der Fehlersuche oder beim Simulations-Tuning. Zeitsparend wirkt auch die neue Online-Änderbarkeit von Simulationsmodellen. Mit dieser ist es möglich, während des Simulationsablaufs an der Modellierung weiterzuarbeiten. Der Anwender kann jederzeit entscheiden, wann er vom altem auf das neue Modell während der Laufzeit umschaltet.
Jede Simulation erzeugt eine gewisse Rechnerbelastung. Um bei größeren Projekten einen problemlosen Ablauf zu gewährleisten,  verfügt das Werkzeug jetzt über eine Auslastungsüberwachung. Mit diesem kann die Lastverteilung detailliert visualisiert und die eventuell notwendige Optimierung vorgenommen werden.

Frühzeitig kostengünstiges Training
der Anlagenfahrer möglich

Das Training der Anlagenfahrer, zum Beispiel bei der Einführung einer neuen Anlagenautomatisierung, steigert die Qualität, mit der die Anlage gefahren wird, und somit die Produktionsausbeute. Gleichzeitig verringert Training durch besser geschulte Anlagenbediener das Risiko einer falschen Bedienung. Hierzu bietet die virtuelle Inbetriebnahme einen Paradigmenwechsel. Was früher meistens nur mit aufwendigen und zum Teil teureren Trainingssystemen möglich war, wird mit der virtuellen Inbetriebnahme frühzeitiger möglich und kann sogar mit niedrigerer Investition realisiert werden.
Bei virtueller Inbetriebnahme entstehen schon während des Engineerings viele Simulationsszenarien, die Anwendungsfälle und Bedingungen der Anlage darstellen. Diese gelten nicht nur während der Inbetriebnahme, sondern bilden ein Grundgerüst, aus dem mit minimalem Aufwand Trainingsszenarien abgeleitet werden können. Dieser Ansatz kann das Erlernen der Bedienung eines neuen Prozessleitsystems erheblich unterstützen. Somit ist es für Anlagenfahrer schon im Engineering-Büro und vor der Inbetriebnahme möglich, sich mit der Bedienung eines neuen Prozessleitsystems vertraut zu machen. Eine wichtige Hilfe hierfür bietet das Werkzeug mit der „Snapshot“-Funktion. Diese ermöglicht, bestimmte Anlagesituationen und Simulationszustände abzuspeichern und später wieder zu laden. Damit können Schulungsszenarien entwickelt werden, bei denen etwa  Anlagenfahrer hinsichtlich der richtigen Reaktion bei kritischen Anlagensituationen trainiert werden können.

Virtuelle Inbetriebnahme lässt sich stufenweise
einführen

Durch die Skalierbarkeit der Simulationsplattform lässt sich die Einführung einer virtuellen Inbetriebnahme stufenweise implementieren. Diese kann etwa zuerst nur zum E/A-Test verwendet werden, dann für den Sensoren-/Aktorenrückmeldungstest und später auf einen kompletten Leitsystemtest inklusive einem Prozessmodell erweitert werden. Die Investition lässt sich flexibel durch verschiedene Software-Pakete und optionale Bibliotheken an die Anwenderanforderungen anpassen. Dies ermöglicht einen progressiven Einsatz der Simulation, so dass die Verbreitung dieser Technologie vorangetrieben werden kann.
Wenn man die konkreten positiven Ergebnisse zum Einsatz von Simulationswerkzeugen betrachtet, ist es erstaunlich, dass diese Technologie noch nicht flächendeckend in der Automatisierung benutzt wird. Mit modernen Werkzeugen, wie dem weiterentwickelten Simit Simulation Framework, lässt sich die  Simulation nicht nur viel einfacher einführen und nutzen, sondern das skalierbare Angebot gibt zusätzlich die Möglichkeit, mit den Investitionen klein anzufangen und diese schrittweise zu steigern. Das kann einen neuen Schub für die Nutzung dieser Technologie bewirken.
Die aktuellen Entwicklungen hin zu Industrie 4.0 werden den Einsatz von virtueller Inbetriebnahme im Engineering sicherlich unterstützen: Schließlich leistet das Werkzeug einen bedeutenden Beitrag  hinsichtlich des Zusammenkommens der realen und digitalen Welten.

In Kürze
Vorteile der virtuellen
Inbetriebnahme

  • umfangreiches Testen und Validieren von Projekten, höhere Engineering-Qualität;
  • Prüfung von kritischen Prozessbedingungen gefahrlos möglich;
  • frühzeitiges Fehlererkennen, Reduzierung der Engineering-Phase und -Kosten;
  • kürzere Inbetriebnahmezeiten mit weniger Risiken;
  • insgesamt geringere Projektausführungskosten und -zeiten;
  • frühere Leitsystem-Schulung möglich;
  • termingerechter Anlagenanlauf und schnelleres Hochfahren der Anlage.

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Einen Unternehmenslink zum Thema Simulation & Testing finden Sie hier.

Ein kurzes Video über das SIMIT Simulation-Framework finden Sie hier.

Heftausgabe: Juli 2014
Mathias Oppelt (im Bild), Produkt Manager  Simit Simulation Framework, Siemens Industrial Automation Systems, und Alexandre Bouriant, Marketing Manager Simit Simulation Framework, Siemens

Über den Autor

Mathias Oppelt (im Bild), Produkt Manager Simit Simulation Framework, Siemens Industrial Automation Systems, und Alexandre Bouriant, Marketing Manager Simit Simulation Framework, Siemens

Mathias Oppelt, Produkt Manager Simit Simulation Framework, Siemens Industrial Automation Systems

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