Blog per Mail folgen

Damit Sie nie wieder Blog Posts von uns versäumen!

Simulation und Testing

Simulation und Testing AdobeStock_77811430

Je weiter die Automatisierung der industriellen Fertigung fortschreitet, umso grösser wird der Anteil der Software an der Wertschöpfung. Im Rahmen von Industrie 4.0 hat sich diese Entwicklung noch einmal beschleunigt.

Komplexere Steuerungen, höheres Datenaufkommen und dessen Nutzung in Big-Data-, Machine-Learning- oder KI-Anwendungen lassen die Zahl der Codezeilen immer weiter anschwellen. Dieser Code muss auch gepflegt werden. Patches und Updates von Frameworks und verwendeten Bibliotheken, die Anpassung an neue Hardware und modernere Schnittstellen, Optimierungen und Funktionserweiterungen – stufenweise, teils über Jahre, werden Schokoladenfabriken, Molkereien und Bäckereien aufgerüstet und mit angepasster Software versorgt.

Mit steigendem Umfang und zunehmender Komplexität muss immer höherer Aufwand getrieben werden um Fehler in der Programmierung zu finden und auszumerzen. Manches kann man erst im Testbetrieb entdecken, doch dafür ist auf der Anlage nicht genügend Zeit. Die Produktionsunterbrechung soll schliesslich möglichst gering ausfallen. 

Einen Ausweg aus diesem Dilemma bietet der Einsatz von Simulationssoftware. In der virtuellen Anlage kann die Programmierung ausführlich getestet werden, sowohl auf Lauffähigkeit wie auf richtige Funktion. Erst wenn die Prüfung keine weiteren Fehler zeigt, wird der Code in der „wirklichen“ Anlage eingespielt. So lassen sich unliebsame Überraschungen vermeiden. 

Virtualisierung einer ganzen Fabrik 

Um eine Simulation durchführen zu können, müssen die wichtigsten Teile einer Anlage virtualisiert werden, darunter Leitsysteme, Visualisierung und SPSen. Nicht selten hat der Anlagenbetreiber selbst schon Visualisierung und PLS (Prozessleitsystem) virtualisiert. Dann können diese Systeme für die Simulation mitgenutzt werden. 

Die Virtualisierung der Steuerungen bleibt dagegen dem Dienstleister überlassen, der den Programmcode testen will. Im Falle von acs kommen hier sowohl eigene Systeme zum Einsatz, die aus Support-Gründen im 24/7-Betrieb zur Verfügung stehen, als auch Tools von SPS-Herstellern, wie etwa PLC-SIM Advanced von Siemens. In de Regel laufen die Systeme auf der hausinternen IT-Infrastruktur. Bei Bedarf wird diese um XaaS-Cloudressourcen ergänzt. 

In der Simulation müssen alle Systeme lauffähig sein. Die virtuellen Abbilder von PLS und Visualisierung nutzen dabei die selben Schnittstellen zur SPS wie die echte Anlage. Die virtuelle SPS simuliert dabei alle Rückmeldungen von Feldkomponenten. In manchen Fällen wird noch eine spezielle Software benötigt, die einzelne Regelkreisläufe simuliert, um beispielsweise das Kochverhalten eines Behälters abzubilden und damit vorgegebene Abläufe zu verifizieren. Auf dieser Grundlage lässt sich die Software optimal testen. 

Von der Spielwiese bis zur Abnahme 

Anstatt also die Anlage für langwierige Tests zu blockieren, wird ein virtuelles Abbild erzeugt, das denselben Zweck erfüllt – und sogar noch einiges mehr zu bieten hat. So kann der Kunde bei acs einen virtuellen Factory Acceptance Test (FAT) vornehmen, also eine virtuelle Inbetriebnahme mit dem neuen Programmcode, bis hin zur Freigabe. Auch eigene Tests für den Kunden bietet acs an, und nicht zuletzt eignet sich die Simulationsumgebung sogar für Schulungen – lange bevor die Anlage wirklich umgerüstet ist.

So sich können Schichtführer, Bediener und Wartungspersonal frühzeitig mit den Änderungen im Rahmen eines Retro-Fit vertraut machen. Zugleich bekommt acs qualitativ hochwertiges Feedback, da in der Anwendung Probleme oder Abweichungen vom Auftrag eher zu entdecken sind als es beispielsweise eine Prüfung der vereinbarten Spezifikationen auf Papier ermöglichen würde. 

Auch für den acs-Service bietet die Simulation unschätzbare Dienste. Sollte vor Ort an der Anlage doch einmal ein Problemfall auftreten, können in der Simulation alternative Lösungen getestet werden. Die Mitarbeiter haben die Möglichkeit, auftretende Phänomene zu reproduzieren und abzustellen, ohne dabei Ressourcen in der Anlage zu verschwenden. 

Leistungsfähigkeit in der Praxis erwiesen 

Der hohe Auslastungsgrad in der Lebensmittelindustrie führt dazu, das Produktionsanlagen für Umbauten im Rahmen eines Retro-Fit nur kurz ausser Betrieb genommen werden können. Deshalb verlagert sich das Testing neuer Anlagenteile zunehmend in die Simulation. Hier hat acs bereits umfangreiche Erfahrungen gesammelt. 

Eines der grössten Projekte, das mit Hilfe von Testing in der Simulation erfolgreich gestemmt werden konnte, war der Umbau einer Schokoladenproduktion innerhalb von nur zwei Wochen. Betroffen waren 150 Prozesslinien mit der gleichen Anzahl an Tanks respektive Silos. 11 SPSen, 25 Bedienerpanel mit Scanner, 12 IPC und 4 Serversysteme wurden neu installiert, die bisherigen Produkte rückgebaut. Anschliessend wurde das Netzwerk inklusive Profibus neu installiert und mit neuen Anschlüssen versehen. Parallel wurden im Rahmen eines SAP-Projektes neue Schnittstellen geschaffen, um die Verknüpfung aus dem SAP bis hinunter zu den Bedienerterminals zu ermöglichen. 

Die gesamte Betriebsunterbrechung dauerte vom 18. Dezember bis 2. Januar. Ab dem 3. Januar wurde wieder produziert. Die Änderungen durch das Retro-Fit waren gravierend: Die Bedienung wurde deutlich einfacher, die Anlage lief zuverlässiger und konnte bei Störungen schneller wieder den Betrieb aufnehmen. Die Informationen bezüglich Prozessverlauf, Produktionsübersicht und der Anlage waren umfangreicher und aktueller, die historischen Daten stehen aber weiter zur Verfügung. Und nicht zuletzt wurde ein 24/7-Support mittels Fernwartung und -monitoring für die gesamte Anlage realisiert. 

Fazit Simulation und Testing

Für langwierige Software-Tests – und womöglich aufwändige Code-Änderungen – in der Anlage ist heutzutage keine Zeit mehr. Diese Arbeiten lassen sich weitgehend in die Simulation verlagern. Auch die unnötige Verschwendung von Milch, Backteig oder Schokoladenmasse wird auf diese Weise eingedämmt. Lediglich Funktionstests der Hardware vor Ort und ein mögliches Feintuning der Programmierung sind nicht zu vermeiden. 

Nicht zu unterschätzen sind die Grundlagen, die für eine erfolgreiche Simulation benötigt werden. Virtuelle Systeme, die Steuerung, Virtualisierung und Leitsystem abbilden, dazu die Feldtechnik und unter Umständen die Physik bestimmter Anlagenteile. Das bedeutet auch: Eine Digitalisierung der Prozesse, zentrale Datenhaltung und klare Abläufe in der Anlage. Dazu ein hohes Verständnis für die Prozesse in der Produktion, um die Ergebnisse überhaupt richtig deuten zu können, sowie Flexibilität bei den Lösungsansätzen. 

Industrie 4.0 und IoT bieten der Lebensmittelindustrie große Chancen, die Anlagen effizienter zu machen und das Geschäftsmodell auszubauen. Der Weg dorthin ist nicht vorgezeichnet – jeder kann selbst darüber bestimmen, welche Schritte er unternimmt. Deshalb sollte man einen erfahrenen Partner an der Seite haben, der nachgewiesenermaßen sowohl die technische Expertise als auch das benötigte Branchen-Know-how mitbringt. 

Whitepaper Modernisierung Industrie 4.0 & IoT