Simulation mit digitalem Zwilling

Andreas Mühlbauer,

Simulation reduziert Produktionszeit

Um auf gleicher Fläche mit unveränderten Personalressourcen das Produktionsvolumen zu erhöhen, wollte der Anlagenbauer Homag Group die zu produzierenden Maschinen bereits vor ihrer Inbetriebnahme ausgiebig testen können. Eine Hardware-in-the-Loop-Simulationslösung kombiniert dazu reale Komponenten mit virtuellen. Damit ermöglicht der „digitale Zwilling“ die virtuelle Inbetriebnahme. Von Jessica Baum

Um auf gleicher Fläche mit unveränderten Personalressourcen das Produktionsvolumen zu erhöhen, wollte der Anlagenbauer Homag Group die zu produzierenden Maschinen bereits vor ihrer Inbetriebnahme ausgiebig testen können. © ISG Industrielle Steuerungstechnik

Im Jahr 1960 als „Hornberger Maschinenbaugesellschaft“ von Eugen Hornberger und Gerhard Schuler gegründet, ist Homag heute mit über 6.000 Mitarbeitern ein weltweit agierender Hersteller von Maschinen und Anlagen für die holzbearbeitende Industrie und das Handwerk. Das Unternehmen mit Hauptsitz im baden-württembergischen Schopfloch hat über 23 Vertriebs- und Servicegesellschaften in allen wichtigen und wachsenden Regionen weltweit. Die Homag Group produziert Maschinen und Anlagen für Kunden aus den Bereichen Wohn- und Büromöbel, Küchen, Parkett- und Laminatfußböden, Fenster, Türen, Treppen und sogar komplette Holzsystemhäuser. Neben Einzelmaschinen für kleinere Handwerksbetriebe fertigt das Unternehmen auch komplett vernetzte Fertigungsstraßen für die hoch industrialisierte individuelle Möbelfertigung. Hinzu kommen Dienstleistungen und Steuerungssoftware.

ISG-Virtuos ermöglicht Homag aufgund ausgiebiger Tests an der virtuellen Maschine eine Just-in-time-Produktion. © ISG Industrielle Steuerungstechnik

Während Küchen früher in Serie produziert wurden und die entsprechenden Teile für Schränke eingelagert werden mussten, ist heute Produktion „just in time“ angesagt. Die Anforderungen der Holzverarbeiter, die ihre Produkte schnellstmöglich an ihre Kunden ausliefern möchten, steigen. Vor diesem Hintergrund steht Homag vor der Herausforderung, die Produktionslaufzeiten zu verkürzen. Daneben gilt es, alle Komponenten einer Anlage zu verheiraten. Dies benötigt nicht nur jede Menge Platz, sondern auch viel Zeit und Personal. Zudem sind Produktionen heute viel enger getaktet, sodass das Unternehmen Änderungen an der Steuerung und Programmierung seiner Anlagen vornehmen musste. Nicht zuletzt ist es erforderlich, virtuelle Simulationsmodelle von externen Baugruppen der Lieferanten, wie beispielsweise Antriebsregler, anhand realer Komponenten zu entwickeln und diese anschließend den Lieferanten zu Verfügung zu stellen. Um diese Aufgabe zu bewältigen, benötigte Homag eine Software-Lösung für die virtuelle Inbetriebnahme. Die Vorteile: Mittels virtueller Inbetriebnahme sinkt der Zeitaufwand, und die Prozesse werden effizienter, was letztlich die Kosten senkt. Das optimale Tool fand der Anlagen- und Maschinenbauer in ISG-virtuos. dies ist eine Hardware-in-the-Loop-Simulationslösung, mit deren Hilfe sich bereits vor der Inbetriebnahme einer Anlage deren Funktionstüchtigkeit testen lässt. „Unsere Kunden erwarten von uns individuelle Lösungen und Abwicklungszeiten, die sehr kurz sind“, sagt Michael Zetzsche, Senior Manager Control Development Edge Processing in der Business Unit Edge bei Homag. „Sie schätzen unsere Innovationskraft und erhoffen sich natürlich, dass wir Prozesse beschleunigen, sodass sie von entsprechend kürzeren Produktionszeiten profitieren.“ Homag musste sich damit auseinandersetzen, wie eine beschleunigte Inbetriebnahme der Maschinen möglich ist, ohne neue Anlagen aufzubauen oder mehr Zeit und Geld in Ressourcen zu investieren.

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Virtualität und Realität: kein spürbarer Unterschied

Die Belegung einer Anlage zu Testzwecken ist sehr zeitintensiv und verzögert die Produktion enorm. Mit ISG-virtuos kann Homag nun sämtliche Testszenarien virtuell erproben. „Wir können virtuelle Inbetriebnahmen durchspielen, ohne Einschränkungen zwischen der realen Welt und dem virtuellen Prozess zu spüren“, erklärt Zetzsche. Dabei profitiert das Unternehmen nicht nur von Integrationstests, mit denen sich das Zusammenspiel der einzelnen Anlagen analysieren lässt, sondern von einem vollständigen Systemtest samt Einbeziehung der realen Komponenten. Es ist zudem möglich, reale Steuerungen über Feldbusse mit virtuellen Komponenten zu kombinieren. Dadurch gelingt es, reale Baugruppen zu simulieren und auch sehr komplexe Anlagen virtuell in Betrieb zu nehmen. „Ich habe mir bereits vor 15 Jahren verschiedene Simulations-Lösungen angeschaut, doch ihre Handhabung hat mich nicht überzeugt, und sie hatten keine Möglichkeit, Steuerungsmodule von verschiedenen Herstellern wie etwa Siemens oder Bosch anzubinden“, sagt Zetzsche. „Auch wegen ihrer hohen Benutzerfreundlichkeit war ISG-virtuos die einzige Lösung, die für uns infrage kam.“

In Teilbereichen, beispielsweise im Engineering, setzte Homag ISG-virtuos bereits ein. Die Herausforderung war nun, die Software in der ganzen Unternehmensgruppe auszurollen. „Dank unserer langjährigen Zusammenarbeit wussten wir in ISG einen verlässlichen Partner an unserer Seite, der auch die etwas komplizierte Integration der Simulationslösung in unsere IT-Infrastruktur gemeistert hat“, berichtet Zetzsche. „Uns war klar, dass wir mit ISG-virtuos eine Lösung gefunden haben, die eine unglaublich hohe Simulationsdetailtreue bietet“, fährt er fort.

Die Homag Group produziert Maschinen und Anlagen für Kunden aus den Bereichen Wohn- und Büromöbel, Küchen, Parkett- und Laminatfußböden, Fenster, Türen, Treppen sowie komplette Holzsystemhäuser. © Homag Group

Zu ersten Gesprächen trafen sich Homag und ISG im Herbst 2016. Das Projekt zum unternehmensweiten Rollout von ISG-virtuos startete im Frühjahr 2017, sodass Homag die ersten Ergebnisse Ende Mai auf der Ligna, der Leitmesse für Maschinen, Anlagen und Werkzeuge zur Holzbe- und -verarbeitung, vorstellen konnte. Einen konkreten Projektfahrplan gab es nicht. „Unsere Teams kennen sich aus früheren Projekten bereits sehr gut und sind darum eng miteinander verbunden“, sagt Zetzsche. „Wir schätzen an der Zusammenarbeit mit ISG insbesondere das visionäre Denken des Unternehmens und die hohe Beratungskompetenz. Wenn wir eine neue Idee haben, sind wir uns sicher, dass ISG sie zu unserer vollen Zufriedenheit umsetzt.“ Inzwischen arbeiten mehrere Business-Units an unterschiedlichen Standorten mit ISG-virtuos. Um die Entwicklung unternehmensintern voranzutreiben, hat Homag ein Kernkompetenz-Team gegründet, das unabhängig von den Business-Units die bedarfsgerechte Weiterentwicklung voranbringt und ein eigenes Regelwerk entwickelt.

Bedarfsgerechte Konfiguration

ISG-virtuos ist so anwenderfreundlich, dass der Umgang mit der Software im Rahmen einer zweitägigen Basis-Schulung zu erlernen ist. Die unkomplizierte Handhabung ist angesichts der Tatsache, dass es sich bei der Hardware-in-the-Loop-Lösung um ein geschlossenes System handelt, das alle nötigen Funktionen bereits beinhaltet, ein klarer Vorteil. Die Lösung besteht aus verschiedenen Standard-Bausteinen, die sich bedarfsgerecht zusammensetzen lassen. Eine Simulationsbibliothek beinhaltet alle Grundelemente, die sich individuell anpassen lassen und über Schnittstellen integrierbar sind. In einer Homag-eigenen Technologiebibliothek sind Simulationen für jegliche Baugruppen abgelegt, die sich dann bedarfsgerecht konfigurieren lassen.

Auf dieser Basis hat Homag inzwischen zahlreiche Entwicklungen realisiert, ohne im Vorfeld entsprechende Prototypen herstellen zu müssen. Vielmehr ist es heute möglich, mechanische Konstruktionen bereits im Vorfeld zu überprüfen. Passen die Layouts, die Maße und Transporte? Falls die Hersteller falsche Komponenten verbauen oder bestellen, bemerkt Homag diesen Fehler dank ISG-virtuos sofort.

Um Möbel beispielsweise im Küchensegment „just-in-time“ produzieren zu können, muss eine Produktionsanlage viele unterschiedliche Holzstücke in unterschiedlichen Maßen hintereinander abfertigen. Sollte ein Werkstück dabei sein, dessen Dimensionen vorab nicht berücksichtigt wurden, könnte dies zu einer Kollision und damit zu einem Produktionsstopp führen. Durch die virtuelle Inbetriebnahme, bei der sich die realen und virtuellen Maschinen identisch verhalten – Unterschiede im Verhalten beider liegen unter einer Millisekunde – kann Homag sogar laufende Anlagen testen, ohne die Produktion zu stören. Dabei erkennt der Anlagenbauer mittels Differenzbetrachtung beispielsweise Software- oder auch Verdrahtungsfehler im Schaltschrank und kann sogar defekte Teile wie Motoren oder Antriebswellen identifizieren. „Antriebe waren früher in Simulationen meist idealisiert“, erklärt Zetzsche. „Heute liefern unsere Antriebshersteller ihre Antriebsmodelle zu und wir übernehmen sie in den digitalen Zwilling der Anlage. Die Abweichung der Modelle in den virtuellen Antrieben liegt dann bei weniger als einem Prozent. Wir verfügen also nicht mehr über eine bloße Simulation, sondern über einen extrem realitätsnahen digitalen Zwilling der Anlage. Zudem lässt sich der virtuelle Antrieb konfigurieren wie ein realer Antrieb.“

Weitere Zusammenarbeit geplant

Homag hat bewiesen, dass sich die Produktionszeit spürbar verkürzen lässt. Daher ist eine weitere Zusammenarbeit zwischen ISG und Homag definitiv geplant. „ISG ist für uns ein starker, dynamischer Entwicklungspartner“, sagt Michael Zetzsche. Homag möchte nicht nur weitere Baugruppen in ISG-virtuos integrieren und neue Schnittstellen für weitere Tests nutzen, sondern zukünftig auch in Technologie investieren, um Simulationsmodelle automatisiert erstellen zu können – die Grundlage für völlig automatisierte Produktionsszenarien.

Michael Zetzsche ist Senior Manager Control Development Edge Processing in der Business Unit Edge bei Homag. © Homag Group

Damit arbeitet das Unternehmen auf das Ziel hin, die gesamte Abwicklung virtuell durchspielen zu können, um den laufenden Betrieb nicht zu beeinträchtigen. Geplant ist zudem eine virtuelle Cloud-Anbindung, um die Simulationen standortunabhängig in Betrieb nehmen und die Business-Units weltweit miteinander vernetzen zu können. Außerdem ist neben der Anbindung eines „virtuellen Bedieners“, der wiederkehrende Tätigkeiten ausführt, auch eine Lösung angedacht, die jegliche Tests automatisch durchführt. Für Homag ist Industrie 4.0 bereits gelebte Realität.

Jessica Baum, freie Redakteurin aus Offenbach / am

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