Wie SpiraTec die Fertigung mit offener Inbetriebnahme und kollaborativer Innovation neu definiert

Autoren: Michael Kasseckert (Team- und Account-Manager), Viktor Gaponenko (Senior Professional Engineer) und Moritz Langer (Professional Engineer).

SpiraTec Gruppe ist ein globaler Akteur im Bereich der Industrieengineering und Lösungen in der Prozessindustrie, spezialisiert auf digitale Transformation, Engineering, Robotik, Automatisierung und industrielle IT. Die Expertise von SpiraTec in der virtuellen Inbetriebnahme hilft Herstellern, Prozesse zu optimieren, Kosten zu senken und die Digitalisierung weltweit zu beschleunigen.

In diesem Artikel erfahren Sie, wie SpiraTec Kunden dabei unterstützt, wichtige Herausforderungen der Branche zu bewältigen und die Reise hinter ‚Open Commissioning‘ – einer Open-Source-Initiative, die auf Unity basiert und darauf abzielt, eine wirklich kollaborative und zugängliche Lösung für die virtuelle Inbetriebnahme zu schaffen.

Da die Branchen ihre digitale Transformation beschleunigen, sehen sich Hersteller zunehmendem Druck ausgesetzt, Produkte schneller auf den Markt zu bringen, Kosten zu senken und Nachhaltigkeitsziele zu erreichen – während sie gleichzeitig mit fragmentierten Daten, veralteten Methoden und begrenzter Standardisierung kämpfen. Diese Herausforderungen erfordern intelligentere, integrierte Lösungen – und hier kommen digitale Zwillinge und virtuelle Inbetriebnahme ins Spiel.

Der globale Markt für digitale Zwillinge verzeichnet einen Anstieg der Nachfrage: Mit einem Wert von 17,73 Milliarden US-Dollar im Jahr 2024 wird erwartet, dass er von 24,48 Milliarden US-Dollar im Jahr 2025 auf 259,32 Milliarden US-Dollar im Jahr 2032 wächst. Laut dem Bericht über digitale Zwillinge des Capgemini Research InstituteBericht geben 57 % der Organisationen an, dass Nachhaltigkeit ein wichtiger Treiber für Investitionen in digitale Zwillinge ist, wobei 51 % erwarten, dass diese Technologien ihnen helfen, Umweltziele zu erreichen.

Virtuelle Inbetriebnahme – eine Schlüsselanwendung der digitalen Zwillings-Technologie – ist ein Game-Changer für die Digitalisierung, da sie es Herstellern ermöglicht, Prozesse vor der realen Implementierung zu simulieren und zu optimieren, wodurch der Ressourcenverbrauch gesenkt und Kosten reduziert werden.

Verständnis der virtuellen Inbetriebnahme

Traditionell bezieht sich die Inbetriebnahme in der Automatisierung auf den Prozess, ein neues System (Gerät, Maschine, Anlage usw.) in einen voll funktionsfähigen, produktionsbereiten Zustand zu versetzen. In der Vergangenheit bedeutete dies, dass die meisten PLC (Programmable Logic Controller)-Programmierungen und Systemtests die physische Hardware erforderten, was oft zu kostspieligen Verzögerungen und kurzfristigen Problemlösungen führte.

Die virtuelle Inbetriebnahme kehrt dieses Paradigma um und repliziert den gesamten Inbetriebnahmeprozess in einer digitalen Umgebung. Anstatt mit realen Geräten, Sensoren und Aktuatoren zu kommunizieren, kommuniziert die PLC mit einem digitalen Zwilling – einem emulierten Modell, das das Verhalten des realen Systems genau widerspiegelt. Entscheidend ist, dass derselbe PLC-Programmiercode sowohl für die virtuellen als auch für die physischen Phasen verwendet wird, was einen nahtlosen Übergang ohne Codeänderungen oder kurzfristige Neuschreibungen ermöglicht, sobald die physische Hardware verfügbar ist.

Wie die virtuelle Inbetriebnahme einen realen Wert liefert

Effizienzgewinne Die virtuelle Inbetriebnahme reduziert erheblich die Vor-Ort-Tests und die Notwendigkeit physischer Prototypen, was zu erheblichen Zeit- und Kosteneinsparungen führt. Sie beschleunigt auch die Entwicklungszyklen, indem sie es den Teams ermöglicht, schnell in einer digitalen Umgebung zu iterieren und die Markteinführungszeit zu verkürzen.

Risikoreduzierung Durch die frühzeitige Erkennung von Fehlern durch Simulationen reduziert die virtuelle Inbetriebnahme das Risiko kostspieliger Fehler. Darüber hinaus unterstützt sie sicherere Bereitstellungen, indem sie es den Teams ermöglicht, gefährliche Aufgaben digital zu simulieren und potenzielle Risiken vor der physischen Implementierung zu beseitigen.

Zusammenarbeit und Innovation Realistische Simulationen fördern eine bessere Abstimmung zwischen funktionsübergreifenden Teams. Durch die Visualisierung und Interaktion mit Systemen in einem virtuellen Raum erhalten die Stakeholder tiefere Einblicke und verbessern die gesamte Kommunikation, was Kreativität und Innovation anregt.

Von Einschränkungen zu Fähigkeiten: Unser Wechsel zu Unity

Bei SpiraTec wurden wir immer von einem einzigen Ziel angetrieben: unseren Kunden zu helfen, die virtuelle Inbetriebnahme nahtlos in ihre Abläufe zu integrieren. Wir standen vor geschlossenen Systemen mit begrenzter Erweiterbarkeit, kleinen Benutzercommunities und minimalen Anwendungsprogrammierschnittstellen (APIs) – Bedingungen, die eine Anbieterbindung förderten und die Projektrisiken erhöhten.

Anstatt uns zu ermöglichen, innovativ zu sein, verlangsamten uns diese Einschränkungen oft und ließen unsere Kunden ohne die zugänglichen und skalierbaren Lösungen, die sie benötigten, zurück.

Hier kommt Unity ins Spiel, die Echtzeit-3D-Engine, die der Schlüssel zur Überwindung unserer größten Hürden wurde. Durch die Freisetzung der Leistung von Unitys Editor gewannen wir nicht nur modernste Physik- und Renderingfähigkeiten, sondern transformierten auch grundlegend unseren gesamten Ansatz zur Entwicklung digitaler Zwillingsmodelle.

Die folgenden Technologien und Funktionen innerhalb von Unity halfen uns, mehrere Probleme zu lösen und prägten unseren Entwicklungsprozess für digitale Zwillinge:

• Prefab-System: Ermöglicht uns einen objektorientierten Ansatz zur Erstellung digitaler Zwillinge, der eine wiederverwendbare Bibliothek von Komponenten nutzt. Dies beschleunigt die Entwicklung erheblich und sorgt gleichzeitig für eine konsistente Qualität in verschiedenen Projekten.
• Pixyz: Ermöglicht uns, CAD-Daten nahtlos zu importieren und einen regelbasierten Workflow einzurichten, um digitale Zwillinge basierend auf spezifischen Metadaten und Kundenstandards zu erstellen.
• Benutzeroberfläche (UI) Toolkit: Ermöglicht die Erstellung und Verbesserung von UI-Inhalten für den Editor und die Laufzeit und bietet ein reibungsloseres Benutzererlebnis für benutzerdefinierte Tools und Schnittstellen.
• Job-System: Ein echter Fortschritt für uns, der effiziente multithreaded Simulationen komplexer Prozesse – wie Flüssigkeitsströmung, Schüttgutbewegung und Spannungsmodellierung – und großangelegte digitale Zwillingsprojekte ermöglicht.

Analyzer & Storage Profiler: Bietet detaillierte Einblicke in Leistungsengpässe, die es uns ermöglichen, die Projektqualität vor der Bereitstellung zu optimieren und zu verbessern, was letztendlich zuverlässigere Lösungen für unsere Kunden liefert.

Innerhalb eines großangelegten digitalen Zwillings: Lagerinbetriebnahme neu gedacht

Wir sind stolz darauf, eine Erfolgsgeschichte aus der Praxis zu präsentieren, die die Lagerhaussimulation eines führenden Logistikunternehmens zeigt, bei der wir 12 virtuelle SPS in eine vollständig digitale Umgebung integriert haben. Das Modell beinhaltete Feldbusemulation und Simulation von Industriekomponenten wie Antrieben, Sicherheitsmodulen und RFID-Lesegeräten. Um die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern, wurde eine benutzerdefinierte Benutzeroberfläche entwickelt, die eine leichte und leistungsstarke eigenständige .exe-Anwendung bietet, die für großangelegte Simulationen optimiert ist.

Darüber hinaus wurde das System nahtlos mit dem Warehouse Management System (WMS) integriert, was eine native Telegrammkommunikation für das Echtzeit-Produktdatenmanagement in einer sicheren virtuellen Umgebung ermöglicht. Dies gewährleistete eine umfassende Softwarevalidierung, bevor die physische Maschine überhaupt existierte, was die Qualität erheblich verbesserte und das Risiko bei der Bereitstellung verringerte.

Diese Initiative reduzierte ihre Inbetriebnahmezeit um 30%, was die Projektzeitpläne erheblich beschleunigte und Kosten sowie Risiken reduzierte. Über Effizienzgewinne hinaus verbesserte es auch die abteilungsübergreifende Zusammenarbeit, was eine kosteneffektive iterative Entwicklung und schnellere Validierung von Konzeptnachweisen ermöglichte.

Über Effizienz: Nachhaltigkeit durch Simulation vorantreiben

Die Diskussion über die virtuelle Inbetriebnahme konzentriert sich oft auf reduzierte Inbetriebnahmezeiten und verbesserte Zusammenarbeit – aber diese Vorteile übersetzen sich auch direkt in greifbaren Geschäftswert, insbesondere wenn es um Nachhaltigkeit geht.

Wir haben bereits begonnen, mit Kunden zusammenzuarbeiten, um die Nutzung von Digital Twins über die nachfolgenden Produktlebenszyklen hinweg auszubauen, und das Potenzial zur Beschleunigung von Nachhaltigkeit und Kosteneinsparungen ist enorm. Durch die Optimierung von Prozessen und die Nutzung hochpräziser Simulationen können Unternehmen:

• Die Lebensdauer von Geräten verlängern: Durch den Einsatz von prädiktiven Wartungsalgorithmen, die auf simulierten Daten trainiert wurden, minimieren Organisationen den Verschleiß und verschieben kostspielige Ersatz- und Reparaturarbeiten. Weniger Ausfälle senken direkt die Wartungskosten und reduzieren ungeplante Ausfallzeiten.
• Ressourcenverbrauch reduzieren: Durch die Validierung von Steuerungslogik und Arbeitsabläufen in einer virtuellen Umgebung können Teams Effizienzlücken identifizieren, die zu einem reduzierten Energieverbrauch und minimierten Materialabfällen führen. Diese Verbesserungen helfen nicht nur, Umweltziele zu erreichen, sondern senken auch die Betriebskosten.
• Die Markteinführungszeit beschleunigen: Die virtuelle Inbetriebnahme minimiert die Notwendigkeit physischer Prototypen und langwieriger Tests vor Ort. Infolgedessen können Unternehmen Produkte schneller auf den Markt bringen, Marktanteile früher erobern und eine schnellere Rendite auf F&E-Investitionen erzielen.

Reduzierter Platzbedarf vor Ort: Weniger Fehlersuche-Besuche und kürzere Installationszeiten reduzieren reisebedingte Emissionen und Kosten. Dieser Vorteil skaliert erheblich für Organisationen mit mehreren globalen Standorten.

Die Zukunft gemeinsam gestalten: Eine gemeinschaftlich getragene Initiative

Zusammenarbeit und Offenheit werden die größten Durchbrüche der virtuellen Inbetriebnahme vorantreiben, während sie sich weiterentwickelt. Mit Open Commissioning teilen wir nicht nur Werkzeuge, sondern bauen ein gemeinschaftlich getragenes Ökosystem auf, in dem innovative Ideen verfeinert, getestet und angewendet werden können, um reale Herausforderungen zu lösen.

Die aufregendsten Entwicklungen stehen noch bevor. Unsere nächste Evolution umfasst die Integration von generativer KI und Echtzeit-Cloud-Simulation, die Etablierung von Datenstandards und die Erweiterung der industriellen Konnektivität. Entdecken Sie den Fortschritt auf GitHub und werden Sie Teil der Innovation.

Die Zukunft der Fertigung ist kollaborativ, datengestützt und umweltfreundlich. Wir laden Sie ein, uns auf dieser Reise zu begleiten, und gemeinsam werden wir eine intelligentere, nachhaltigere industrielle Landschaft schaffen.

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