Virtual Reality für Anlagenplanung und Betrieb

Training im 3D-Kino

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08.12.2009 Für ein effizientes und nachhaltiges Engineering, auch für die Erweiterung bestehender Anlagen, setzt das BASF Engineering Virtual Reality ein. Ein Werkzeug, mit dem sich Planungskosten und -zeit reduzieren lassen, das Auftraggeber früh in den Planungsprozess einbindet und einen nachhaltigen Nutzen für die Betreiber erbringt. Im Fachgespräch stellten die Anlagenplaner und Betreiber den Einsatz in der Praxis vor – ein Ausflug in die virtuelle 3D-Anlagenwelt.

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Säure auf Kollisionskurs – BASF Engineering rettet Anlage“ könnte der Filmtitel im 3D-Kino der BASF lauten. Seit etwa einem Jahr nutzt die BASF „Virtual Reality“ nicht nur im Engineering, sondern auch für Montage, Betrieb und Schulung. Hinter dem Schlagwort „Virtual Reality“ (VR) verbirgt sich einerseits ein fortschrittlicher Ansatz für effizientes und nachhaltiges Engineering von Anlagen. Damit lassen sich die Qualität des Engineerings verbessern, die Kosten für nachträgliche Änderungen reduzieren und Doppelplanung vermeiden. Andererseits können Betreiber die virtuelle 3D-Darstellung von Anlagen nutzen, um die Betriebsmannschaft für Bedienung, Instandhaltung und Notfallsituationen zu trainieren – und das bereits bevor die Anlage real existiert. Aus den Daten eines 3D-Scans einer bestehenden Anlage und dem 3D-CAE-Modell entsteht ein virtuelles Anlagenmodell, das auf eine Leinwand projiziert, mit Hilfe einer speziellen 3D-Brille quasi begehbar wird – vom Schreibtisch aus. Im Betrieb soll dann das 3D-CAE-Modell gepflegt werden und stets den Ist-Zustand abbilden. Mit diesem Informationsstand können Anlagen schneller erweitert werden. Im Fachgespräch bei der BASF erläutern Dr. Frank-Michael Korgitzsch, Leiter der Einheit Piping, BASF, Ralf Buhse, Projektleiter Virtual Reality, BASF Engineering und Robert Lenz, stellvertretender Betriebsleiter des BASF-Salpetersäure-Verbunds, Virtual Reality und dessen Anwendung in der Planung wie im Betrieb des Salpetersäure-Verbunds in Ludwigshafen.

Virtual Engineering für effiziente Anlagenplanung

Auch Anlagenbauer stehen im internationalen Wettbewerb und müssen ihre Prozesse möglichst effizient gestalten. Das unterstützen moderne IT-Werkzeuge wie -Methoden, heißt es im Dechema-Trendbericht Chemieanlagen-Konzepte zur Achema 2009. Virtual Engineering zähle zu den Techniken, ohne die in Zukunft kein Anlagenhersteller und Betreiber mehr auskommen werde. Es seien bemerkenswerte Einsparpotenziale zu erreichen. So beschleunige sich der Planungsprozess um bis zu 30%, der Produktionsaufwand verringerten sich sogar um 40% und die Investitionskosten um bis zu 30%.

Ein Trend, den das BASF Engineering bereits seit etwa zehn Jahren verfolgt. Bis ins Jahr 2000 wurden zur Veranschaulichung für den Kunden von den zu planenden Anlagen in der Regel Modelle aus Styropor und Plastik erstellt. Solche Modelle verursachten einerseits hohe Kosten und waren andererseits nicht selten bereits bei Montagebeginn wieder veraltet. „Außerdem wurden die Kunststoffmodelle nach der Inbetriebnahme nicht weiter verwendet“, erklärt Ralf Buhse. Seit 2000 beschreiten die Anlagenplaner den elektronischen Weg. „Bislang gab es jedoch bei manchen Kunden Hemmungen, sich die elektronischen Modelle am PC darstellen zu lassen, um sich ein Bild von der Anlage machen zu können.“

Auch der Auftraggeber profitiert von Virtual Reality

Im BASF Engineering fiel vor etwa drei Jahren die Entscheidung, in der 3D-Planung einen Schritt weiter zu gehen. Seit November 2008 stehen den Planern zwei VR-Projektionseinrichtungen zur Verfügung. Mit Virtual Reality können 3D-Planungsergebnisse am PC dargestellt werden, was für Planer, Auftraggeber und Betreiber einige Vorteile bietet. „Uns ist es wichtig, dem Auftraggeber möglichst frühzeitig Einblick in die Planung zu ermöglichen“, betont Korgitzsch. Diese Art der Visualisierung von Anlagen erfolgt in einer frühen Planungsphase und bietet eine wirklichkeitsnahe Darstellung im Maßstab 1:1 des späteren Sollzustands. „Wir stellen eine große Akzeptanz bei unseren Kunden fest“, resümiert Buhse. Fehler lassen sich mit VR bereits in der Planung leichter und schneller erkennen. Infolgedessen sinken die Kosten für nachträgliche Änderungen, die sonst erst im fortgeschrittenen Planungsstadium oder im schlimmsten Fall erst bei der Montage erkannt werden. Typische Beispiele dafür sind falsch ausgelegte Fundamente, doppelte Rohrhalterungen oder kollidierende Rohrleitungen, schildert Buhse im Fachgespräch. Außerdem bedeutet die Möglichkeit, eine Anlage virtuell im Büro begehen zu können, dass dies unabhängig von Sicherheit und Arbeitsschutz erfolgen kann. Und nicht zuletzt lassen sich nicht alle örtlichen Gegebenheiten mathematisch abbilden. „Die Zugänglichkeit innerhalb der Anlage ist ein wichtiger Aspekt, den wir mit Virtual Reality sehr gut prüfen können.“ Review-Gespräche erfolgen bei 30, 60 und 90% des Planungsfortschritts oder themenbezogen. „Mit diesem Modell können wir in der Besprechung bis ins Detail gehen und gleichzeitig kosteneffizient arbeiten“, führt Korgitzsch aus. Die Zeitersparnis, die durch diese Engineering-Methode erreicht werden kann, schätzt er auf auf 8 bis 10%.

Bestehende Anlagen und Greenfield per Laserscanning erfassen

Um ein virtuelles Anlagenmodell erstellen zu können, werden die örtlichen Gegebenheiten via Laserscan erfasst. Das bedeutet bei einer Anlagenerweiterung, dass bestehende Anlagen oder bei Greenfield-Projekten die geplanten Flächen gescannt, werden. Die Auftraggeber in der Prozessindustrie haben dafür die Wahl zwischen zwei Business-Modellen, erläutert Markus Herrmann, Project Manager Aveva Net Solutions, Central EMEA, Aveva: „Es besteht erstens die Möglichkeit, einen Dienstleister mit Erfassung und Aufbereitung zu beauftragen. Der Dienstleister stellt für die Dauer der Erfassung sämtliche Hardware- und Software-Komponenten zur Verfügung, führt die Scans durch und bereitet die Daten bis zur gewünschten Detaillierung auf. Diese Nachbereitung kann bis hin zur Übernahme via LMI in Aveva PDMS erfolgen. Größere Kunden in der Prozessindustrie investieren jedoch zum Teil direkt in Scanner-Hardware und -Software. Die eigentliche Scan-Erfassung erfolgt dann wahlweise durch externe Dienstleister oder eigenes Personal, die Nachverarbeitung jedoch durch eigenes Personal.“

Anlagengröße, Anforderungen an die Genauigkeit und Umgebungsbedingungen wie Zugänglichkeit oder Gefahrenzonen sind die wesentlichen Entscheidungskriterien, ob eine Bestandsaufnahme via Laserscans oder klassisch über Zollstock und manuelle Erfassung vor Ort erfolgen soll. Dr. Frank-Michael Korgitzsch erläutert im BASF-Fachgespräch, dass für eine manuelle Erfassung etwa ein bis zwei Mannmonate nötig sind. „Ein durchschnittlicher Laserscan dauert dagegen nur zwei bis vier Tage bei Kosten in Höhe von etwa 10000 bis 15000 Euro.“ Mittlerweile gehört das Laserscanning zu den Standardmethoden bei der BASF, um den Ist-Zustand vorhandener Anlagen aufzunehmen. Und auch Herrmann beobachtet eine zunehmende Nachfrage nach der elektronischen Bestandserfassung. Beim Laserscanning wird jeder Punkt mit drei Koordinaten erfasst, wodurch ein sehr genaues Bild entsteht. „Damit sind Kollisionsprüfungen einfach möglich, und die Datenbasis verbessert letztendlich auch das Planungsergebnis“, stellt Korgitzsch fest.
Die Aufbereitung der reinen Scandaten erfolgt in der Regel durch spezifische Software der jeweiligen Scanner-Hersteller. Diese aufbereiteten Daten können einerseits mit herstellerspezifischer Software gesichtet werden und andererseits zum Beispiel über die Laser Model Interface-Schnittstelle (LMI) an Aveva PDMS zur Weiterverarbeitung in der 3D-Anlagenplanung übergeben werden. „Die LMI-Schnittstelle steht für die Übernahme von Laserscans der gängigen Scanner-Hersteller wie Leica, Z+F, Trimble, Quantapoint und Faro Europe zur Verfügung“, erläutert Herrmann die Funktionen. „Darüber hinaus können die Scans in die Dokumentations- und Kollaborationssoftware Aveva Net eingebunden werden. Die Software wird gleichermaßen von Planern wie Betreibern genutzt. Planungsunternehmen (EPC’s) verwenden sie in der Regel, um die sich ständig fortschreibenden Planungsergebnisse disziplinübergreifend allen intern und extern Mitwirkenden am Projekt zur Verfügung zu stellen. Der Charme für Betreiber liegt eindeutig darin, dass er in einem System gleichermaßen Zugriff auf Planungsergebnisse der EPCs wie auf Bestandsdaten hat.“
Auch Intergraph setzt auf Anlagenplanung in 3D. Die Software-Lösung SmartPlant 3D zur disziplinübergreifenden 3D-Modellierumgebung von Verfahrenstechnik- und Kraftwerksprojekten vernetzt Planer und Auftraggeber miteinander. „Alle Standorte sowie der Betreiber selbst können in Echtzeit auf ein einziges 3D-Anlagenmodell zugreifen, so als ob dieses 3D-Model auf ihrem lokalen Rechner installiert wäre. Die Integration aller wichtigen Disziplinen wie Beton- und Stahlbau, Piping, Equipments, der P&IDs eröffnet eine vollständige und konsistente Planung“, erläutert Dr. Matthias Alisch, Marketing Manager Central Europe, Intergraph PP&M Deutschland. Auch kann er bestätigen, dass Kollisionen und Fehlplanungen leichter erkannt werden. Zudem halten automatisierte Regeln an der beabsichtigten Planung fest, wenn beispielsweise Objekte des Modells bewegt und an anderer Stelle angeordnet werden. Dies verringert die nötige Nachbearbeitung. Die Möglichkeit, Zuständigkeiten für bestimmte Planungsbereiche zu ermitteln, in denen zugewiesene, automatisierte Regeln gebrochen werden, führt zu einer besseren Modell-Qualität, und es garantiert, dass der zuständige Konstrukteur die Kontrolle über den jeweiligen Planungsabschnitt behält. Im Ergebnis erzielten die Kunden mit der Software typischerweise eine anfängliche Produktivitätssteigerung von 25 bis 30 Prozent im Vergleich zu anderen Systemen, schätzt Alisch und ergänzt: „Hinzu kommen qualitative hochwertigere Ergebnisse und kürzere Projektlaufzeiten.“

Nachhaltiges Engineering

Neben den Vorteilen im Engineering-Prozess profitieren von VR auch die Betreiber. Bereits vor Fertigstellung der Anlage kann die Mannschaft mit VR in den Betrieb eingewiesen werden. Es können Instandhaltungsstrategien entworfen werden und im Anlagenbetrieb Instandhaltungsmaßnahmen wie Notfallszenarien trainiert werden. Dafür werden quasimobile VR-Stationen zur Verfügung gestellt. Eingesetzt wird eine solche Station bereits für das Mitarbeitertraining in einer Lachgasanlage, um die der Salpeter-Säure-Komplex in Ludwigshafen erweitert wurde. Die Anlage zur Isolierung von N2O ist seit Juni 2009 in Betrieb, und die Betriebsmannschaft übt mit VR zum Beispiel Bedien- und Instandhaltungsprozeduren. Die verwendete Software stellt jedoch nicht nur das 3D-Modell dar, sondern enthält auch Metadaten wie Apparate-Nummer, Temperatur, Druck und Medium sowie Schulungsdaten. Damit ergibt sich ein nahezu vollständiges Informationsgefüge, das sich für den Betreiber insbesondere bei den üblichen langen Lebenszyklen von Chemieanlagen auszahlt.

Fazit: Virtual Engineering ist eine Methode, von der nicht nur Planer, sondern auch Auftraggeber und Betreiber profitieren können. Damit lassen sich Projekt-Abwicklungszeiten verkürzen und Projektkosten senken. Sie ermöglicht eine gewerkeübergreifende Unterstützung im Engineering, bei der Inbetriebnahme sowie im Betrieb. Außerdem kann die Betriebsmannschaft schon vor der Inbetriebnahme geschult werden.

„Wir setzen Virtual Reality auch für die
Erweiterung von Anlagen ein“
Dr. Frank-Michael Korgitzsch, Leiter der Einheit Piping bei der BASF am Standort Ludwigshafen
„Der nachhaltige Nutzen von Virtual Engineering liegt für uns auch in der Schulung der Mitarbeiter“
Robert Lenz, stellvertretender Betriebsleiter des Salpetersäure-Verbunds am BASF-Standort Ludwigshafen

Heftausgabe: November 2009
Dr. Etwina Gandert,

Über den Autor

Dr. Etwina Gandert,

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