Artikel Einsatzmöglichkeiten, Technologien und Nutzen von Virtual Reality im Anlagenbau

Im Anlagenbau treffen verschiedene technischen Disziplinen wie Verfahrenstechnik, Energietechnik, Versorgungstechnik, Produktionstechnik, Maschinenbau und Elektrotechnik zusammen. Das Auseinanderfallen von Kostenfestlegung und Kostenentstehung in der Anlagenkon­zeption und -planung stellt eine besondere Herausforderung dar, da die Dauer von Projekten und ihre Komplexität außerordentlich hoch sein können. Unterschiedliche Lebenszyklen von Produkt und Anlage erfordern hochintegrative Planung. Entlang der gesamten Prozesskette aus Konzeption, Planung, Realisierung und Betrieb können Virtual-Reality-Werkzeuge einen wertvollen Beitrag leisten.

„3D-Modelle eignen sich einerseits zur Integration und Kommunikation über alle Planungsschritte hinweg, andererseits gibt es auch in allen Einzelgewerken sehr gute Verwendungsmöglichkeiten von Virtual Reality", erklärt Dr. Christoph Runde, Geschäftsführer vom Virtual Dimension Center (VDC) aus Fellbach. Das VDC ist ein Netzwerk für Virtual Reality, Virtual Engineering, 3D-Simulation und 3D-Visualisierung, das sich vor allem dem Technologietransfer im gesamten Bereich des Virtual Engineering widmet. Einsatzgebiete von 3D-Modellen umfassen beispielsweise die Geometrien und Kinematik, Steuerungen, Materialfluss und Logistik sowie Struktur oder auch Strömungsverhältnissen in einer Anlage. Auch eine interaktive Dokumentation an der Ausrüstung ist möglich.

Überall in der Prozesskette im Einsatz

Im Basic Engineering lassen sich Generalbebauung, Behördenplanung sowie Variantenplanung unterstützen - beispielsweise durch die Integration der Planung in den Bestand oder im Gesamtkontext eines 3D-Geländemodells mit Straßen, Bahnen und Bestandsgebäuden. Somit lassen sich im Planungsprozess verschiedene Varianten beibehalten und beispielsweise in einem Modell als Überschneidungen und Abweichungen zu Vergleichszwecken darstellen - die Festlegung erfolgt erst, sobald sie tatsächlich erforderlich ist. Im Modell können zudem virtuelle Begehungen stattfinden, um das Vorhaben fremden Disziplinen oder fachfremden Personen realitätsnah aufzuzeigen.

Mittels Szenarien-Simulation, also ohne Gefahr für Mensch und Maschine, kann der Betreiber - ohne eine echte, physische Anlage bereitstellen zu müssen - bereits das zukünftig beschäftigte Personal trainieren. Auch Unglücks- und Störfälle lassen sich gefahrlos simulieren. Dazu gehört zum Beispiel, die Ausbreitungsrichtung von Schadstoffen oder etwa ein Überschwemmungsbereich im 3D-Geländemodell darzustellen. Auch den Durchlauf von Interpretation, Störstellensuche, Diagnose, und Behebung kann der Anwender simulieren. Zudem lassen sich die entsprechenden Planungsdaten für Fluchtwege und Warnbeschilderung festlegen und Szenarien auch auf unübersichtlichen oder versperrten Wegen oder bei schlechter Wetterlage, Leckagen und Bränden testen.

Im Detail Engineering decken Simulationswerkzeuge beispielsweise die Konstruktionsunterstützung sowie  Ein-/Ausbauuntersuchungen ab. Eine dezidierte Geometrieplanung beispielsweise von Rohrverbindungen sowie die Integration von Reihenfolgen, Hebezeugen und biege­schlaffen Materialien wie Schläuchen und Kabeln lässt sich vornehmen. Auch Kollisionen und Mehr­fachbelegung von Bauraum lassen sich so ausschließen, ebenso wie Blockaden etwa für Förderfahrzeuge durch Maschinen in beengten Raumverhältnissen. Zudem wird die Auslegung des Automatisierungssystems vereinfacht. Für die verfahrenstechnischen Komponenten kann der Planer unter anderem den Montageprozesse simulieren und dabei bereits etwaige Materialverformungen durch Schweißprozesse oder auch die Strömung bei der Zuführung von Flüssigkeiten zu Turbinen berücksichtigen, sodass die spätere Funktionsfähigkeit gewährleistet wird. Auch lässt sich die Arbeit der Beschäftigten simulieren. So kann der Planer Ergonomie und Bedienbarkeit der Anlagen, Sicht- und Greifräume, Usability, Verständlichkeit, Sicherheitstechnik und Unfallschutz ebenso wie Geruchsbelastung und Vibrationen mit einbeziehen.

Neue Möglichkeiten beim Retrofit

Die Möglichkeiten von 3D-Modellen spielen inzwischen auch bei Modernisierungsmaßnahmen eine wichtige Rolle: Der Retrofit-Prozess profitiert stark davon, dass sich sehr große Laserscan-Daten direkt innerhalb einer Virtual Reality anzeigen und bearbeiten lassen. Dies ermöglicht immersive Mischdatenverarbeitung. Auch die Augmented Reality (Erweiterte Realität) kommt zur Einplanung in bestehende geometrische Strukturen zum Einsatz. Um auch in der Simulation immer auf dem aktuellen Bestand der Anlage zu sein, lässt sich der Realisierungsstand in die Planungsunterlagen zurückführen, zum Beispiel über einen Laserscan oder 360°-Fotografie, der in der Virtual Reality zugänglich wird. Das schafft auch eine gute Möglichkeit, das Projektcontrolling zu unterstützen sowie ein Änderungsmanagement zu realisieren. Neu konstruierte Objekte lassen sich in den Bestand einplanen, die digitale Dokumentation kann überprüft werden.

Bei der folgenden Inbetriebnahme können Teilsimulationen den Anlauf der Anlage unterstützen. Diese und weitere Maßnahmen wie Hardware-in-the-Loop-Techniken unterstützen den schnellen und sicheren Ramp-up. Dazu zählen unter anderem die Entwicklung und Evaluation von Sensorik, Aktorik und Steuerung. Auch Abläufe, Not-Aus, Hoch- und Herunterfahren der Anlage sind Teil dieses Simulationsabschnitts. Training und Qualifizierung der Mitarbeiter sind ebenfalls in dieser Stufe möglich. Denn in der virtuellen Umgebung lassen sich verschiedene Wissensarten (Positions-, Struktur-, Verhaltens- und Prozedurwissen) verwalten. So können die Arbeiter motorische Fähigkeiten erlernen, die Räume erkunden und sich mit Prozeduren - auch solchen, die im Verborgenen ablaufen - vertraut machen. Diese Trainings können schließlich auch im laufenden Betrieb eine große Hilfe sein, beispielsweise wenn ein Werkzeug eines Roboters gewechselt werden muss, und dies sich bereits im Vorhinein unter Kollisions- und Abgleitbedingungen simulieren lässt.

Entscheider-Facts
Für Planer

• Der Anwender profitiert letztlich in der Planungsphase von der Möglichkeit, alle notwendigen Fachdisziplinen in den Planungsprozess einzubeziehen.
• Abstimmungsfehler lassen sich reduzieren, mehr Planungstransparenz entsteht, die Entscheidungsfindung beschleunigt sich, Fehlerfolgekosten sinken und Stillstandzeiten verkürzen sich.
• Die virtuelle Optimierung von Montage, Demontage, Ergonomie und Usability dient dazu, die Effizienz zu erhöhen. Der Abgleich der digitalen Dokumentation mit 3D-Plandaten über Laserscanning oder AR vermeidet in der Folge teure Planungsfehler.
• Arbeitsschutz und Effizienz beim späteren Betrieb steigen durch bereits im Vorhinein optimierte Transport- und Fluchtwegeplanung.