Artikel Gut simuliert ist halb gewonnen

Wenn es um die Realisierung eines neuen Anlagenprojektes geht, sind die Budgets begrenzt. Zusätzliche Leistungen, die für die Planung und den Bau einer Anlage nicht unbedingt nötig sind, landen schnell auf der Streichliste. Hierzu gehören häufig auch Aufwendungen zur Simulation der Prozessleittechnik. Diese Programme bilden reale Anlagen und Maschinen dynamisch in Echtzeit nach. Die Simulation tritt beim Test an die Stelle der realen Anlage und ermöglicht es, unterschiedliche Testfälle über die Veränderung des Anlagenverhaltens durchzuspielen.

Von den meisten Dienstleistern werden solche Systeme nicht angeboten, von vielen Auftraggebern erst gar nicht angefragt. Die Gründe vieler Dienstleister sind einfach: Da die Arbeiten während der Inbetriebnahme in der Regel nach Zeitaufwand abgerechnet werden, entstehen dem Auftragnehmer bei einer Verzögerung keine zusätzlichen Kosten. Im Gegensatz zu den Anlagenbetreibern, für die jede Verzögerung Produktionsausfall bedeutet. Anlagenbetreiber machen sich die Vorteile eines Simulationstools noch viel zu selten zu Nutze. Beim industriellen Dienstleister Infraserv Knapsack werden solche Tools regelmäßig im Kundenauftrag eingesetzt. Dies erfordert ein Umdenken im Planungsprozess. Dabei versucht man den Kunden zu sensibilisieren, nicht auf eine möglichst reibungslose Inbetriebnahme zu hoffen, sondern im Vorfeld zu investieren und damit eine planmäßige oder sogar verkürzte Inbetriebnahme sicherzustellen.

Denn der Mehraufwand im Planungsauftrag rechnet sich in mehrfacher Hinsicht. Schon während der eigentlichen Planungsphase der Automatisierungstechnik sorgt die Anwendung für eine höhere Qualität der Daten. In der Inbetriebnahmephase kommt eine signifikante Verkürzung der Stillstandszeit bei gleichzeitig vollständiger Systemprüfung hinzu.

Unterschiedliche Prüftiefen für unterschiedliche Anforderungen

Welchen Nutzen Anlagenbetreiber aus einem Simulationstool ziehen können, hängt neben der Kompetenz des damit beauftragten Dienstleisters wesentlich von der Prüftiefe des Systems ab. Grundsätzlich lassen sich drei Varianten unterscheiden. In der einfachsten Variante werden Ein- und Ausgangssignale nachgebildet. Bei einem solchen Schal­terpult - auch „Mäuseklavier" genannt - entspricht das Prozessabbild der Schnittstelle zur Steuerungstechnik. Allerdings wird hier lediglich der Signalweg überprüft. Eingehende Prüfungen sind aufwendig. Diese Variante bietet im Grunde nur sehr begrenzte Vorteile; um eine Inbetriebnahme wirkungsvoll vorzubereiten und zu verkürzen, ist diese Prüftiefe ungeeignet. Im Gegensatz dazu bietet die höchste Prüftiefe ein genaues Abbild des Prozesses. In dieser Variante werden auch Rückwirkungen von Geräten auf den Prozess dargestellt. So zeigt das System beispielsweise beim Öffnen eines Behälterventils an, wie sich der dazugehörige Tank füllt.

Gleichzeitig kann der Nutzer die Fülldauer bestimmen. Durch die große Detailtiefe lässt sich diese Anwendung sogar für Trainingszwecke für Anlagenfahrer nutzen. In dieser Prüftiefe können darüber hinaus - wie in einer Feuerwehrübung - mögliche Störungsszenarien entwickelt und trainiert werden, damit die notwendigen Verhaltensweisen bei einer realen Störung sofort angerufen werden können. Solche Tests entfallen häufig während der Inbetriebnahme, um die Anlagensicherheit nicht zu gefährden.

Allerdings schlagen die Kosten für eine solche Simulation häufig mit 60 bis 120 % der Softwareplanungskosten zu Buche. Bei größeren Projekten sind dann schnell Summen im sechsstelligen Bereich erreicht. Deshalb bietet sich dieser Detaillierungsgrad insbesondere für Neuanlagen an, bei denen jeder Tag, den eine Anlage früher in Betrieb geht, die Kosten reduziert. Wird ein solches System regelmäßig gepflegt, kann die Anlage darüber hinaus bei Erweiterungen oder größeren Änderungen immer wieder einfach, zuverlässig und ohne zusätzliche Kosten getestet werden. Auf den Lebenszyklus einer Anlage bezogen gleicht dieser Mehrwert den anfänglichen Aufwand mehr als aus. Der Dienstleister setzt die Simulationssoftware in dieser Prüftiefe darüber hinaus zur Online-Optimierung ein. Dazu entwickelte das Unternehmen eine Applikation, um den optimalen Betriebspunkt einer Anlage bei veränderten Randbedingungen im Produktionsprozess zu ermitteln. Im Gegensatz zu einfachen Reglern erhalten Nutzer hier verschiedene Vorschläge zur Optimierung der Anlage, aus denen sie die für ihre Anforderungen günstigste Einstellung wählen können.

Bei der dritten Variante wird der Prozess auf Basis von Grundfunktionselementen abgebildet und das Verhalten der Sensoren und Aktoren nachgestellt. Im Hinblick auf die technische Einrichtung entspricht diese Detailtiefe dem Abbild der jeweiligen Anlage, Behälterfüllstände werden hier jedoch nicht betrachtet. Diese Simulation der Grundfunktionselemente bietet einige wesentliche Vorteile. Zum einen kann die Simulationssoftware immer im gleichen Zustand verbleiben. Änderungen am Automatisierungs- oder Prozessleitsystem sind nicht nötig. So erhöht sich die Qualität der Aussagen, Fehler werden minimiert. Darüber hinaus bleibt die Akzeptanz bei Programmierern und Inbetriebnehmern gesichert.

Oft leiden Systeme zur virtuellen Inbetriebnahme daran, dass die Software in Teilen geändert werden muss, um aussagekräftige Tests durchführen zu können. Hinzu kommt, dass die Investitionen für die Applikation nur bei rund 15 bis 25 % der Software-Projektierungskosten liegen. Dadurch rechnet sich das Werkzeug auch bei kleineren Anwendungen. Diese Variante wird derzeit am häufigsten eingesetzt, unter anderem bei einem der weltweit größten Hersteller von Phosphorprodukten und bei einem bekannten Pflanzenschutzmittelproduzenten. Hier ist die Akzeptanz und Investitionsbereitschaft gegenwärtig am größten.

Verkürzte Inbetriebnahmezeiten

Neben einer höheren Qualität der Daten im Planungsprozess bieten Simulationen mit mittlerer oder hoher Prüftiefe insbesondere bei Vorbereitung von Inbetriebnahmen einige Vorteile. So kann die Anwendung bei der Werkabnahme (Factory Acceptance Test - FAT) den Systemaufbau im Prüffeld unterstützen und den Anlagenbetrieb in Verbindung mit den Steuerungs- und Automatisierungsprogrammen simulieren. Komponenten, Programmabläufe und Verriegelungen lassen sich vorab bis ins letzte Detail testen, notwendige Anpassungen rechtzeitig vornehmen. Dies erhöht die Güte der Anwendersoftware und sorgt für einen reibungslosen Ablauf bei der eigentlichen Inbetriebnahme. Anwender können darüber hinaus sicher sein, dass die Eigenschaften der gelieferten Systeme auch ihren Anforderungen entsprechen.

Der Einsatz eines Simulationstools zur Werkabnahme sorgt in der eigentlichen Inbetriebnahmephase zudem für eine erhebliche Verkürzung der Stillstandszeit bei gleichzeitig vollständiger Systemprüfung. Ein echtes Plus, steht doch häufig nur wenig Zeit für die An- oder Umschlüsse der Automatisierungs- und Steuerungssysteme sowie für die Tests an der Anlage zur Verfügung. Nach dem Überprüfen der Messkreise vor Ort ist es erfahrungsgemäß dank der Simulation sehr schnell möglich, in die Produktionsphase zu wechseln. Testfahrten zum Überprüfen der Abläufe mit angebundenen verfahrenstechnischen Apparaten lassen sich auf ein Minimum beschränken, kritische Anlagenzustände vermeiden.

Probleme, die bei einer Produktfahrt zu Tage treten, können die Inbetriebnahme deutlich verzögern, weil eventuell Zeiten für die Abkühlung von Behältern oder Reaktoren eingehalten werden müssen. Muss eine Inbetriebnahme ganz gestoppt werden, vergehen nicht selten drei bis fünf Tage bis zum erneuten Start. Darüber hinaus sind Fehler, die während einer Produktfahrt auftreten, schneller zu lokalisieren, da sie bei erfolgreichem FAT nur aus dem „Feld" und nicht von der Software stammen können. Wichtige Voraussetzung für den erfolgreichen Einsatz eines Simulationstools ist jedoch eine enge Abstimmung zwischen der prozessleittechnischen Planung und dem Simulationsteam. Nur so lässt sich die Anwendung in allen Facetten nutzen. Ideal ist daher das Beauftragen eines Dienstleisters für das Detail Engineering und die Simulation, der diese Aufgaben intern an zwei Programmierer übergibt, denn zwei unabhängige Personen machen kaum denselben Fehler. Die eigene Lizenzierung eines solchen Tools rechnet sich für Anlagenbetreiber in der Regel aufgrund der hohen Anschaffungskosten nicht.

Entscheider-Facts
Für Betreiber

• Schon während der eigentlichen Planungsphase der Automatisierungstechnik sorgt die Simulation für eine höhere Qualität der Daten.
• Bei der höchsten Simulationsvariante wird der Prozess auf Basis von Grundfunktionselementen abgebildet und das Verhalten der Sensoren und Aktoren nachgestellt.
• Neben einer höheren Qualität der Daten im Planungsprozess bieten Simulationen mit mittlerer oder hoher Prüftiefe insbesondere bei Vorbereitung von Inbetriebnahmen einige Vorteile.
• Der Einsatz eines Simulationstools zur Werkabnahme sorgt in der eigentlichenInbetriebnahmephase zudem für eine erhebliche Verkürzung der Stillstandszeit bei gleichzeitig vollständiger Systemprüfung.
• Wichtige Voraussetzung für den erfolgreichen Einsatz eines Simulationstools ist jedoch in jedem Fall eine enge Abstimmung zwischen der prozessleittechnischen Planung und dem Simulationsteam.