Simulation und virtuelle Welten Garantierte Funktion dank virtueller Tests

Autor / Redakteur: Christine Rüth / Benjamin Kirchbeck

Siemens setzt auf digitale Zwillinge und virtuelle Testumgebungen für seine Produkte. Weil es oft sehr viele Varianten und Kombinationsmöglichkeiten gibt, verkürzt dies die Entwicklungszeit und reduziert den Aufwand für Funktionstests.

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Typische Anwendung eines Ventilreglers in der Prozessindustrie.
Typische Anwendung eines Ventilreglers in der Prozessindustrie.
(Bild: Siemens AG)

Die globale Forschung Corporate Technology hat eine Plattform entwickelt, die verschiedene Simulationswerkzeuge zusammenführt und es einfacher macht, auch für nicht Simulationsexperten ein digitales Abbild zu erstellen.

Künftig sollen auch Kunden mit digitalen Zwillingen und virtuellen Testumgebungen Siemens-Produkte und Anlagen in ihren Anwendungen vorab testen. So soll noch während der Designphase großer Anlagen sichergestellt werden, dass alles zusammenpasst.

Zu viele Varianten zum Testen

Die neue Technik eignet sich nicht nur für die Simulation großer Anlagen. Sie hat großen Wert für einzelne Komponenten, die in verschiedensten Anwendungen Dienst tun. Aktuelles Beispiel ist der Stellungsregler SIPART PS2, der häufig in Chemiewerken oder Raffinerien verwendet wird.

Das Gerät steuert die Einstellung von Ventilen, indem es Antriebe mit Druckluft in Bewegung setzt. So werden die Ventilklappen mechanisch in eine bestimmte Position gebracht. Indem es Luft einbläst oder auslässt, stellt es den Druck im Antrieb auf einen bestimmten Wert ein.

SIPART PS 2 steuert so Ventile für zentimeterkleine Durchlässe bis hin zu solchen für meterdicke Rohre. Entsprechend stark unterscheiden sich die Luftmengen und die Geschwindigkeit, mit der der Antrieb mit Luft befüllt oder geleert werden muss.

Siemens möchte diese Regler nun weiterentwickeln und beispielsweise neue Diagnosefunktionen einbauen, um frühzeitig Fehler zu erkennen. Weil das Gerät aber in unzähligen Kombinationen von Ventilen und Antrieben Dienst tut, ist es praktisch unmöglich, alle Anwendungsvarianten in realen Tests an Prototypen durchzuspielen.

Der virtuelle Test dauert weniger als eine Minute

Die Lösung besteht in einer virtuellen Testumgebung, die das komplette Zusammenspiel zwischen Stellungsregler, Antrieb und Ventil anhand von digitalen Zwillingen simuliert. Die digitalen Zwillinge beschreiben die für die Anwendung maßgeblichen Eigenschaften der Komponenten. Beim Stellungsregler gehören dazu neben Größe und Material zum Beispiel auch die Geschwindigkeiten, mit der er verschiedene Luftmengen bereitstellt.

Zusammen mit Experten von Siemens Product Lifecycle Management und von Corporate Technology wird derzeit die virtuelle Testumgebung entwickelt. Sie simuliert, wie die kinetische Energie vom Regler auf den Antrieb und dann auf das Ventil übertragen wird. Für jede Anwendung stellt man die jeweiligen Parameter ein, also Rohrdurchmesser und das im Rohr fließende Medium wie Öl oder Wasser, Umgebungsbedingungen wie die Temperatur sowie die gewünschten Ventile und Antriebe.

Ein Prototyp der Testumgebung existiert bereits, er simuliert jede beliebige Kombination in weniger als einer Minute. Auch ganze Kombinationsreihen lassen sich sehr schnell durchfahren, um die beste Konfiguration zu finden.

Neue Simulationsplattformen

Siemens hat sich in jüngster Zeit erhebliches Know-how für den Ausbau dieser virtuellen Techniken angeeignet. Ein Beispiel ist die Simulationsplattform LMS Imagine.Lab von Siemens PLM Software, auf der die Testumgebung für den Stellungsregler beruht. Die Software enthält zahlreiche Bibliotheken zu verschiedensten physikalischen Grundlagen von Systemfunktionen.

Man kann damit Systeme simulieren, in denen verschiedenste Domänen, zum Beispiel Strömungen, thermische und mechanische Vorgänge oder elektrische Signalverarbeitung ineinandergreifen. Viele Standard-Komponenten sind bereits als Modelle integriert. Die Testumgebung für den Stellungsregler kann zum Beispiel auf vorhandene Modelle für Rohre, Ventile oder Antriebe zurückgreifen.

Siemens hat viel vor mit virtuellen Zwillingen und Testumgebungen. Künftig sollen auch Kunden anhand der Modelle Siemens Produkte direkt in ihren Anwendungen testen und optimale Konfigurationen finden können. Für den Stellungsregler wird deshalb eine einfach zu bedienende, webbasierte Testumgebung entwickelt, die offen ist für digitale Zwillinge von Antrieben und Ventilen verschiedenster Hersteller.

Digitale Zwillinge können aber noch mehr: Beispielsweise können Sie mit am realen Pendant gewonnenen Zustandsdaten deren weiteren Betrieb simulieren und so frühzeitig auf wahrscheinliche Ausfälle hinweisen. Mit dieser vorausschauenden Wartung lässt sich ein Fehler beheben, bevor es zu teuren Stillständen kommt.

***Aus: Pictures of the Future, das Siemens Magazin für Forschung und Innovation***

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