Simulationsaufbau im Büro

Per digitalem Zwilling Inbetriebnahmezeiten reduzieren

Durchgängige Software-Kette für die Produkt- und Prozessentwicklung

Die Inbetriebnahmezeiten reduzieren – das ist das Nahziel der Autefa Solutions Germany GmbH, einem renommierten Hersteller von Textilfaser-Ballenpressen, Anlagen und Maschinen für die Nonwovens-Produktion und Automatisierungstechnologie, beispielsweise für die Getränkeindustrie. Zeitgemäßes Mittel zum Zweck ist die Digitalisierung wichtiger Anlagenteile mit perfekt ineinandergreifenden Softwaretools von Siemens. So sollen künftige Ballenpressen an ihrem digitalen Zwilling reifen, bevor sie real in Betrieb genommen werden – idealerweise in der Hälfte der bislang üblichen Zeit. Im aktuellen Projekt konnte das Konzept der weltweit schnellsten Ballenpresse mit automatischer Verpackung digital verifiziert werden.

Herausforderung

Schneller und möglichst risikoarm zur hoch effizienten Ballenpresse

Maschinen- und Anlagenbauer in der Textilindustrie agieren traditionell in einem globalen Umfeld und sind darin mehr denn je gefordert, ihren Mitbewerbern einen Schritt voraus zu sein. Dazu müssen sie technologisch besser, kosteneffizienter und schneller sein und den Anwendern echte Mehrwerte bieten. Um diese Ziele zu erreichen, setzt die Autefa Solutions Germany GmbH verstärkt auf digitalisierte Prozesse wie die virtuelle Inbetriebnahme. Das weltweit agierende Unternehmen aus Friedberg bei Augsburg hat dazu einen neuen konzeptionellen Ansatz für eine Ballenpressenlinie in größerem Umfang auch in einem virtuellen 3D-Modell aufgebaut. Am sogenannten digitalen Zwilling sollen die weiter integrierten Abläufe von Ballenpresse, Folieneinlegern und -ummantelung, Ultraschallschweißsystem, Umreifung, Transport und Transfergabel simuliert, optimiert und eine erste Presse samt Peripherie virtuell in Betrieb genommen werden.

 

Auf diese Weise will man in Zukunft Anlagen ganz allgemein schneller marktreif machen, schon mit einem weitgehend ausgereiften, fehlerarmen SPS-Programm in die reale Inbetriebnahme gehen und früher in den produktiven Betrieb bringen. Darüber hinaus sollen auch Modernisierungen an bestehenden Anlagen vorab am digitalen Zwilling verifiziert werden können, ohne die laufende Produktion unterbrechen und Fehlerrisiken eingehen zu müssen.

Mit neuem Konzept zu deutlich höherer Ausbringung von bis zu 62 Ballen pro Stunde

Mit vier Vorpressen (80 t), drei Fertigpressen (300 t) und drei drehbaren Transfergabeln, wovon je ein Aggregat im Wechsel als Stand-by-Reserve dient, setzt der Maschinenbauer auf höchste Verfügbarkeit. Entscheidend für eine höhere Gesamt-Performance sind weiter integrierte, harmonisch und dynamisch ineinandergreifende, zeitlich „verschliffene“ Teilabläufe der wichtigsten Anlagenteile. „Damit realisieren wir eine Ausbringung von bis zu 62 fertig verpackten und dann umreiften Ballen pro Stunde und Presse, das ist weltweit einmalig“, sagt Global Sales Director Baling, Dirk Falise.

Lösung

Neues Pressen- und Verpackungskonzept am digitalen Zwilling gereift – 16 Hauptachsen simuliert

„Da wir bevorzugt Automatisierungstechnik von Siemens einsetzen, lag es nahe, auch für die Simulation eine durchgängige Lösung von Siemens zu nutzen, weil damit die Schnittstellen von Haus aus aufeinander abgestimmt waren und die Komponenten für eine virtuelle Welt verfügbar sind“, so Rudolf Kuhn, Head of Technology & Planning der Autefa-Gruppe. Gemeinsam mit dem lokalen Vertrieb und Fachberatern von Siemens wurde eine performante Simulationsplattform eingerichtet.

Kernkomponente für die „Kinematisierung“ und Visualisierung wichtiger Prozessschritte – hier einer Fertigpresse samt zugehöriger Peripherie – ist der NX Mechatronics Concept Designer (MCD). Basierend auf schon vorhandenen 3D-Konstruktionsdaten konnte damit schnell ein detailliertes „bewegliches“ Anlagenmodell generiert werden. Über Shared Memory daran angebunden ist die Simulationsplattform SIMIT, die wiederum mit SIMATIC S7-PLCSIM kommuniziert, einer Software-basierten SIMATIC SPS. Damit lässt sich das Programm wie gewohnt austesten, wobei SIMIT Fehler signalisiert und der MCD resultierende Verfahrbewegungen plastisch darstellt.

„Die mächtigen Möglichkeiten der Simulations-Tools von Siemens erschließen sich sehr intuitiv und führen schnell zum durchgängig digitalen Modell auch komplexerer Anlagenteile“, so Simon Griesbeck, der im Rahmen seiner Bachelorarbeit zum dualen Mechatronik-Studium den digitalen Zwilling mit 16 Achsen „kinematisiert“ und zum Laufen gebracht hat. „Einmal angelegt, lassen sich Anlagenteile separiert oder im Zusammenspiel im Modell simulieren, in allen drei Achsen drehen und beliebig vergrößern. Damit werden Abläufe und Zusammenhänge transparent und einfach verständlich, man erkennt eventuelle Konstruktionsfehler, im konkreten Fall einen falsch montierten Hydraulikzylinder, und kann diese ohne reale Umbaumaßnahmen beseitigen und zurück in die Konstruktion übertragen.“

 

Mit SIMIT und SIMATIC S7-PLCSIM wird das SPS-Programm einschließlich aller sicherheitsgerichteten Verriegelungen per Software-in-the-loop simuliert und optimiert. Logik-Fehler, die bisher oft erst bei der realen Inbetriebnahme erkannt und beseitigt werden konnten, lassen sich im digitalen Zwilling beheben. So geht der Inbetriebnehmer mit einem sehr weit ausgereiften Programm vor Ort, was die Zeit zum Produktionsstart mitunter deutlich verkürzt.

 

In Zukunft sollen die mechanische Konstruktion und die Simulation von Anfang an interagieren und der digitale Zwilling am besten schon für die Konzeptfindung und Angebotserstellung genutzt werden. Ein weiteres Ziel des Maschinenbauers ist es, digitale Standards zu schaffen, die Variantenvielfalt zu reduzieren und einmal optimierte Module schon in der Simulation mehrfach zu nutzen.

Kundenvorteile

Schneller zur Marktreife, in der Inbetriebnahme und in die Produktion – Mehrwerte auch für Anwender

Am digitalen Zwilling im MCD werden komplexe Zusammenhänge und Bewegungsabläufe transparent und nachvollziehbar, so dass sich Kollisionen (Konturverletzungen) von Anlagenteilen sicher verhindern lassen. Das verhindert kostspielige Schäden und damit einhergehende Zeitverluste.

Das gilt auch für nachträgliche konstruktive Veränderungen, die sich ebenfalls ohne Beeinträchtigung der laufenden Produktion vorab verifizieren und anschließend schneller implementieren lassen.

SIMIT und die mit SIMATIC S7-PLCSIM virtualisierte SPS helfen Fehler im Ablaufprogramm zu erkennen und zu eliminieren, sodass die reale Inbetriebnahme mit einem sehr reifen Programm beginnt. Eventuelle Fehler werden nicht erst beim Anwender entdeckt, was die Inbetriebnahme deutlich verkürzt.

 

Der digitale Zwilling ist darüber hinaus eine ideale Plattform für die Schulung sowohl des eigenen Wartungs- als auch des Bedienpersonals des Betreibers. Letzteres ist dadurch von Anfang an bestens mit der Anlage vertraut, kann diese sicher führen und insbesondere Micro-Störungen schnell beheben, die auch zu Lasten der Verfügbarkeit und Produktivität gehen.

 

Auch die HMI-Oberflächen selbst lassen sich damit schon im Entwicklungsstadium optimal auf die spezifischen Belange der Bediener auslegen.

Damit werden Abläufe transparent und begreifbar und Fehler in der Konstruktion wie im SPS-Programm frühzeitig erkannt. So wird die virtuelle die reale Inbetriebnahme deutlich verkürzen. Nahziel von Autefa ist es, die Inbetriebnahmezeiten zu halbieren.

Digitalisiert in die Zukunft

Wir sind davon überzeugt, dass die Digitalisierung den anvisierten Mehrwert für uns, wie auch für unsere Kunden bringen wird.
Rudolf Kuhn, Head of Technology & Planning der Autefa-Gruppe

Ein weiteres sich abzeichnendes Anwendungsfeld ist für den Technischen Direktor der gesamten Autefa-Gruppe die Analyse laufender Produktionsdaten. Sei es, um die Prozesse und die Produktqualität kontinuierlich zu verbessern, oder um sich abzeichnende Wartungsarbeiten frühzeitig zu erkennen und planbar zu machen, also die Verfügbarkeit weiter zu erhöhen.

Digitalisierung macht komplexe Technologie einfach begreifbar

Den digitalen Weg hat Autefa auch deshalb eingeschlagen, um das real existierende Linienkonzept anschaulich und im doppelten Wortsinn begreifbar präsentieren zu können. Dazu wurden über zusätzliche Server ein SIMATIC HMI Comfort Panel und verschiedene Hardware-Bedienelemente in die Simulation eingebunden. Damit lässt sich die virtuelle Ballenpresse wie im realen Hand- oder Automatikbetrieb bedienen und beobachten. Seine Premiere hatte der digitale Zwilling auf der ITMA in Barcelona, auf den Messeständen von Autefa Solutions Germany und von Siemens.