Vollgas am Fließband

Der digitale Twin macht es einfacher, Simulationsmodelle für komplexe Systeme zu erstellen. Ein kürzlich von Volkswagen und Siemens gemeinsam durchgeführtes Forschungsprojekt zeigt, wie dieser Ansatz die Effizienz von Produktionslinien verbessert.

Zusammenarbeit für die Sicherheit der Mitarbeiter*innen

Wenn Industrieroboter in den Produktionsstätten von Volkswagen Fahrzeuge montieren, hat die Sicherheit der Arbeitskräfte oberste Priorität. Ein Softwarefehler kann zu schweren Unfällen und Materialverlusten führen. Virtual Commissioning trägt dazu bei, die für die reale Inbetriebnahme erforderliche Ausfallzeit zu reduzieren – aber sie dauert etwa sechs Wochen. Siemens und Volkswagen haben sich daher im Rahmen des abgeschlossenen EU-Förderprojekts Maya daran gemacht, die benötigte Zeit zu verkürzen.

Beschleunigung des Virtual Commissioning bei Volkswagen

Mix-and-Match für ein neues Simulationsverfahren

Die vorhandenen Simulationsmodelle basierten auf verschiedenen, domänenspezifischen Tools. Mit dem Maya Simulation Framework kann Volkswagen jetzt Modelle aus verschiedenen Simulatoren kombinieren.

Co-Simulation und Verifizierung für ein erfolgreiches Pilotprojekt

Co-Simulationsmodelle kombinieren bestehende Modelle für die Sicherheitstür, den Rotationstisch und den Fertigungsroboter zu einem virtuellen Heckklappenmontagesystem.

Niedrigere Kosten für die virtuelle Inbetriebnahme

Fast 70 Prozent der Nutzer*innen und Pilottester*innen bei Volkswagen sind überzeugt, dass die Co-Simulation die Kosten der virtuellen Inbetriebnahme erheblich senken wird.

Von mehreren Einzelmodellen zur Co-Simulation

Eine Volkswagen-Heckklappenbaugruppe, die von einer Siemens-Maschine zusammengesetzt wird.

Komplexe Systeme, umfangreiche Dokumentation

Eine Schutztür, ein Rotationstisch und ein Roboter sind drei Komponenten, die für die Montage der Heckklappe benötigt werden. Der Roboter nimmt die Heckklappe vom Rotationstisch auf, der sie zunächst in die richtige Position kippt, und befördert sie dann zur nächsten Station. Die geschlossene Sicherheitstür schützt die Menschen in der Fabrik, muss aber geöffnet werden, wenn eine neue Heckklappe auf den Tisch gelegt wird.

„Eine Produktionslinie wie die bei VW ist komplex“, sagt die Simulationsexpertin Veronika Brandstetter von der Siemens-Forschungs- und Entwicklungseinheit Corporate Technology (CT). „Die einzelnen Komponenten können Eigenentwicklungen oder zugekaufte Produkte sein. In den meisten Fällen sind bereits Unterlagen und Entwicklungsdokumente vorhanden, ebenso wie Modelle mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad und verschiedenen Notationssystemen.“

Virtuelle Inbetriebnahme ist ein Standard, aber zeitaufwendig

Die virtuelle Inbetriebnahme ist für VW nichts Neues: „Bevor wir die reale Produktionsanlage oder sogar einzelne neue Komponenten in Betrieb nehmen, führen wir immer eine virtuelle Inbetriebnahme durch“, erklärt Volkswagen-Projektleiter Torben Meyer. „Das bedeutet, dass wir die Funktionen zunächst anhand eines virtuellen Modells der Anlage testen. Dadurch wird sichergestellt, dass die reale Inbetriebnahme, bei der die Anlage mit großem Aufwand angehalten werden muss, so schnell wie möglich erfolgt.“

Für die virtuelle Inbetriebnahme einer Produktionslinie müssen die Produktionsleiter*innen etwa sechs Wochen einplanen. Etwa zwei Drittel davon werden benötigt, um das Modell für die virtuelle Inbetriebnahme überhaupt erst zu erstellen.

„Der Prozess der Erstellung eines solchen Modells kann viel schneller und effizienter gestaltet werden, wenn die Verantwortlichen auf bestehende und gut gepflegte Quellen zurückgreifen können“, bemerkt Brandstetter.

Die Vision eines modularen Systems

Eine arbeitsintensive und fehleranfällige Phase ist das Reverse Engineering. Hier wird das Verhaltensmodell der vorhandenen Komponenten durch Rückwärtsarbeit vom Original neu erstellt. „Die für die virtuelle Inbetriebnahme verantwortlichen Personen stehen vor der fehleranfälligen und mühsamen Herausforderung, all dieses Material von vielen verschiedenen Mitarbeiter*innen in mehreren Abteilungen zusammenzutragen“, sagt Brandstetter.

Die ideale Vision wäre, Simulationsmodelle und zugehörige Informationen in einer Bibliothek zur Verfügung zu stellen, sodass diese Elemente schnell zu einem vollständigen, virtuellen System zusammengefügt werden können. „Wir haben bereits Bibliothekselemente für viele Systemkomponenten“, sagt Brandstetter. „Aber das ist immer noch eine Ausnahme für zugekaufte Produkte. Das Ziel ist es, den Digital Testing Twin als Standard zu etablieren.“

Alles zusammenführen

Die Herausforderung besteht darin, ein umfassendes virtuelles System aus diesen digitalen Komponenten zu erstellen, die viele verschiedene Quellen, Detailgrade und Umgebungen haben – und normalerweise nicht direkt miteinander kombiniert werden können.

Hier kommen die Experten von Siemens ins Spiel: „Besonders schwierig ist es, wenn die Simulationsmodelle auf unterschiedlichen, domänenspezifischen Programmen basieren. Bei unserem Forschungsprojekt haben wir uns darauf konzentriert, eine Lösung für dieses Problem zu finden“, erklärt Brandstetter. „Für die Montage der Heckklappe mussten wir zum Beispiel drei verschiedene Umgebungen (Process Simulate, Amesim und PLCSIM Advanced) unterbringen, die kinematische 3D-Modelle simulieren oder emulieren.“

Eine Produktionsstätte von Volkswagen mit einem großen Gebäude und Maschinen im Vordergrund.

Start eines revolutionären Pilotprogramms

„Der Maya Simulation Coordinator orchestriert die Workflows der einzelnen Simulatoren zu einem einzigen umfassenden System“, sagt Brandstetter. „Vergleichbare Ansätze gab es bereits im Bereich der Automobilentwicklung, aber für die Entwicklung von Produktionsanlagen, wie unser Pilotprojekt für VW, ist es ein neuer Prozess.“

Die Steuerungssoftware für die Heckklappenmontage wurde mit Hilfe der Co-Simulation getestet. Es gab bereits funktionierende Simulationsmodelle für das kinematische 3D-Verhalten und das elektrische Verhalten der drei Komponenten, allerdings für unterschiedliche Simulationsumgebungen und mit spezifischen Merkmalen. Im Maya Simulation Framework wurden sie mit der Steuerungssoftware zu einem virtuellen Heckklappen-Montagesystem kombiniert, das sie dann verifizieren konnten.

Ein Blick in die Zukunft

Die Nutzer*innen und Pilottester*innen bei Volkswagen waren von diesem Beispiel beeindruckt. Fast 70 Prozent von ihnen sind überzeugt, dass die Co-Simulation die Kosten für die virtuelle Inbetriebnahme erheblich senken wird. Auch Torben Meyer von Volkswagen ist zufrieden: „Wir glauben, dass die Co-Simulation ein großes Potenzial bietet, um die Zeit für die Inbetriebnahme in unseren Produktionslinien zu reduzieren.“

Eine Gruppe von Personen in formeller Kleidung, die zusammen in einer Büroumgebung stehen.

Wir glauben, dass die Co-Simulation ein großes Potenzial bietet, um die Zeit für die Inbetriebnahme unserer Produktionslinien zu verkürzen.

Torben Meyer, Projektmanager, Volkswagen

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