Virtuelle Inbetriebnahme: die Sondermaschinenbau-Revolution

Die Virtuelle Inbetriebnahme (VIBN) ist die Methode, das Verhalten einer Anlage – einschließlich ihrer Steuerungssoftware – vollständig im Computer zu simulieren, bevor die physische Anlage existiert oder zum Kunden geliefert wurde. Kernidee: SPS-Code aus dem realen Engineering läuft gegen ein digitales Verhaltensmodell der Anlage (nicht gegen eine reale SPS und Peripherie), das die Mechanik, Kinematik, Sensorik und Aktorik der Maschine nachbildet.

VIBN-Architektur: Verhaltensmodell trifft SPS-Software

Eine VIBN-Umgebung besteht aus zwei gekoppelten Systemen: dem Maschinensimulationsmodell und der SPS-Simulation (Software-PLC oder PLCSIM).

Das Maschinensimulationsmodell bildet das physische Verhalten nach: Kinematiken (Achsbewegungen, Greifer, Förderbänder), Sensorsimulation (Endschalter, Lichtschranken, Drucksensoren geben simulierte Signale), Aktor-Reaktionen (Zylinder fährt aus bei SPS-Signal). Tools: Siemens NX Mechatronics Concept Designer (MCD), Dassault DELMIA, Beckhoff TwinCAT 3 Simulation.

Die SPS-Simulation führt den echten IEC-61131-3-Code aus, wie er später in der realen SPS laufen wird. Siemens PLCSIM Advanced emuliert vollständige S7-1500-CPUs inklusive Prozessabbild, Kommunikationsschnittstellen und Diagnosepuffer. Der Datenaustausch zwischen Simulationsmodell und PLCSIM erfolgt über OPC UA oder proprietäre Koppelschnittstellen.

Typischer VIBN-Workflow im Sondermaschinenbau

1. Modellaufbau (2–4 Wochen): Das Mechanik-3D-CAD-Modell aus PLM wird in das Simulationstool importiert. Mechanische Verbindungen werden definiert, Achsen parametriert, Sensoren und Aktoren mit ihren simulierten Charakteristika versehen.
2. SPS-Kopplung und Test-Szenario-Definition: SPS-Code wird in PLCSIM geladen, I/O-Mapping zwischen Simulationsmodell und PLCSIM wird konfiguriert. Testszenarien: Normalablauf, Fehlerszenarien (Sensor defekt, Notaus), Randfall-Sequenzen.
3. Interaktive Inbetriebnahme: Entwickler startet Anlaufsequenz, beobachtet in 3D-Visualisierung, debuggt SPS-Code. Fehler werden direkt im Engineering behoben.
4. Regressionstest-Suite: Kritische Testszenarien werden als automatisierte Tests hinterlegt und bei jeder Codeänderung durchlaufen – Continuous Integration für Maschinensteuerungen.
5. Restinbetriebnahme beim Kunden: Mechanik-Feineinstellungen, Sensorgeometrie-Anpassungen, Ablaufoptimierung. Der VIBN-validierte Code läuft bereits stabil.

Hardware-in-the-Loop (HIL): mit echter SPS-Hardware

Wenn der SPS-Code auf echter Hardware (nicht in Simulation) getestet werden soll – z. B. für sicherheitsrelevante PLCopen-Bausteine oder Safety-SPS (F-CPU) – kommt Hardware-in-the-Loop (HIL) zum Einsatz: Eine echte SPS-Hardware ist über ihre I/O-Karten mit einem Echtzeit-Simulation-PC verbunden. Der Simulations-PC emuliert die Maschinensignale in Echtzeit und empfängt SPS-Ausgangssignale als Eingang. Latenz: <1 ms für deterministisches Zeitverhalten.