Virtuelle Realität im Anlagenbau
Komplexe Produktionsanlagen in 3D simulieren
Die virtuellen Inbetriebnahme ist im Zeitalter von Industrie 4.0 ein Schritt in Richtung smarte Fabrik.
Digitale und reale Anlage werden früh zusammengeführt, um das Anlagenverhalten abzusichern und
zu verbessern. Eine neue Lösung von Kuka nutzt dazu digitale Produkt- und Ressourcendaten sowie
tatsächliche Steuerungsdaten.
Mit der virtuellen Inbetriebnahme simuliert Kuka Systems durch das Einspielen von Planungsdaten eine virtuelle Anlage. Erst nachdem die Anlage in der virtuellen Welt erfolgreich getestet wurde, beginnt der Aufbau der tatsächlichen Anlage in der realen Welt. Die virtuelle Inbetriebnahme lässt sich in zwei Phasen untergliedern: In der ersten Phase, der Modelerstellung, wird das Grafik- und das Verhaltensmodell erzeugt. Hierbei wird die komplette Anlage mit allen Sensor- und Aktorsignalen im Computer abgebildet. Wie verhalten sich die einzelnen Elemente der Anlage zueinander? Ist der Ablauf zwischen Zylinder, Antrieben und Ventilen logisch und zeitlich korrekt? Fragen wie diese werden in der ersten Phase geklärt, um dann in Phase zwei – der tatsächlichen virtuellen Inbetriebnahme – das erstellte mechatronische Anlagenmodell an die SPSen und die virtuellen Robotersteuerungen ankoppeln zu können. „Hier testen wir bereits, ob das Zusammenspiel von Mechanik, Steuerung und Software an irgendeiner Stelle im Ablauf noch hakt“, erklärt Günther Mikuta, Produktmanager Steuerungstechnik. „Damit können wir sicherstellen, dass Fehler bereits vor dem Aufbau der Anlage ausgemerzt sind.“
Vorteile digitaler Planungswerkzeuge
Der heutige Anlagenbau stützt seinen Wertschöpfungsprozess auf digitale Planungswerkzeuge, um die hochkomplexen und vielzähligen Einzelprozesse zu beherrschen und die Ergebnisse abzusichern. So werden die im CAD erzeugten Konstruktionen – wie die einer Vorrichtung in das CAE für die Robotersimulation – übertragen und dort hinsichtlich Funktionalität und Ablauf überprüft. Das geschieht, bevor die Maschine in Stahl und Eisen gefertigt wird. Ebenfalls werden in der weiteren Vorgehensweise die Roboter in der virtuellen Maschine offline programmiert. Die so erhaltenen Bewegungsabläufe, werden mit Hilfe von Editoren zu kompletten lauffähigen Roboterprogrammen konstruiert. Parallel zu diesem Wertschöpfungsprozess entstehen neben den Roboterprogrammen auch die der SPS. Diese Programme werden anschließend am virtuellen Anlagenmodell angepasst. Sonderbetriebsmodi können bis zur Abnahmereife durch den Kunden realisiert werden. Besonderes Augenmerk liegt aber auf den meist komplexen Abläufen der Roboter und der beteiligten Maschinenperipherie. „Ablauffehler können noch vor Auslieferung der Anlage erkannt und abgestellt werden. Dies erspart wiederum dem Kunden dann in der realen Welt Kosten“, sagt Mikuta. „Fällt dieser Fehler erst bei der tatsächlichen Inbetriebnahme auf, kann es durch die Nacharbeit zu Verzögerungen und wirtschaftliche Verluste kommen.“ Die virtuelle Inbetriebnahme erspart dem Kunden nicht nur Kosten, auch individuelle Wünsche können schneller umgesetzt werden. Zudem lässt sich die zukünftige Anlage bereits vor dem eigentlichen Aufbau virtuell – beispielsweise mit einer 3D-Brille – begutachten, Materialflüsse können überprüft werden und sogar ein effizienter Personaleinsatz ist möglich, da die Arbeitsschritte von Beginn an visualisiert werden können. Energie- und Ressourceneffizienz ist ein weiteres wichtiges Thema im Zusammenhang mit der virtuellen Inbetriebnahme. So hat Kuka die Energie während der Planung ständig im Blick. Durch den eigenen Steuerungsstandard miKuka und dem Key-Performance-Indicator-Tool miKPI ist es möglich, bereits vor der tatsächlichen Inbetriebnahme den Verbrauch gegenüberzustellen und Maßnahmen zu entwickeln, um Strom einzusparen.
Ausblick: Augmented Reality
„Wir konnten bereits über 150 virtuelle Inbetriebnahmen durchführen“, so Mikuta weiter. Die Erfahrung zeige dabei, dass sich der Mehraufwand im Vorfeld später auszahle. In Zukunft will der System- und Anlagenbauer noch einen Schritt weiter in Richtung Augmented Reality gehen. Mit Hilfe eines Tablets sollen künftig Anlagenkomponenten maßstabsgetreu visualisiert werden können. Der Vorteil: Der Kunde kann sich den Anlagenbereich – noch vor dem realen Aufbau – in die bestehende Umgebung projizieren lassen. Ist die Anlage passend geplant für die bestehenden Platzverhältnisse? Oder könnte man vielleicht mit einer Änderung doch noch Platz einsparen? Fragen, die dann mit dem Tablet einfach zu klären sind: Hier kann man die reale Welt – also die bereits existierenden Fabrikhalle – mit der virtuellen Welt verbinden. „In Möbelhäusern gehört das ja schon zum Alltag. Man lädt sich eine App herunter und sucht sich das passende Möbelstück in der gewünschten Farbe aus. Mit Hilfe der Tablet-Kamera wird dann das Sofa an der gewünschten Stelle im heimischen Wohnzimmer projiziert“, sagt Mikuta. „Diese interaktiven Möglichkeiten wollen wir nun auch auf den Anlagenbau übertragen.“
