Das Schmersal Safety 4D-Modell für sicherheitstechnische Komponenten

Das Schmersal Safety 4D-Modell simuliert nicht nur das mechanische Verhalten, insbesondere die Kinematik einzelner Komponenten, sondern durch die virtuelle Abbildung der Signalströme und ihres Verhaltens auch ganze Prozess- oder Steuerungsabläufe.

Einen Digitalen Zwilling gibt es sowohl von Produkten und Bauteilen sowie von Maschinen als auch auch von ganzen Fabriken einschließlich der umgebenden Gebäude und Infrastruktur. Diese Kopplung von virtueller und realer Welt ermöglicht es, Daten zu analysieren und das Verhalten der Systeme zu überwachen und zu verifizieren, um Verhaltensmuster zu verstehen und Probleme zu beheben, bevor sie auftreten, Ausfallzeiten zu vermeiden, neue Systeme und Prozesse zu entwickeln und zukünftige Projekte mit Hilfe von Computersimulationen zu planen. Kurz: Der Digitale Zwilling spart Zeit und Geld.

Höchste Zeit also, auch sicherheitstechnische Komponenten virtuell abzubilden. Schmersal zeigte hierzu auf der Fachmesse SPS 2024 erstmals ein 4D-Modell seiner sicherheitstechnischen Komponente und ist somit eines der ersten Unternehmen, die einen Digitalen Zwilling für sicherheitstechnische Komponenten entwickelt haben. Zunächst wurde ein Digitaler Zwilling der Sicherheitszuhaltung AZM40 und des Türgriffsystems DHS erstellt. Das virtuelle Abbild bietet neben der dreidimensionalen Darstellung (3D) die Simulation aller Eigenschaften und Funktionen der physikalischen Geräte in der vierten Dimension (4D).

EIn Digitaler Zwilling der Sicherheitszuhaltung AZM40 und des Türgriffsystems DHS (Bild) wurde erstellt.

Mehrwert geschaffen

Das Schmersal Safety 4D-Modell simuliert dabei nicht nur das mechanische Verhalten, insbesondere die Kinematik einzelner Komponenten, sondern durch die virtuelle Abbildung der Signalströme und ihres Verhaltens auch ganze Prozess- oder Steuerungsabläufe. Durch die nahezu einhundertprozentig realistische Abbildung des Systemverhaltens sind mit Hilfe des 4D-Modells nicht nur eine virtuelle Inbetriebnahme der Maschine, sondern auch bereits umfangreiche virtuelle Trainings- und Ausbildungsmaßnahmen möglich, noch bevor die reale Maschine überhaupt aufgebaut ist. Das spart enorme Kosten und unnötige Entwicklungsschleifen.

Bei der Umsetzung der ersten Safety-Komponenten als 4D-Modell lag das Hauptaugenmerk darauf, die vereinfachte Simulationen, Fehlervermeidung und eine verbesserte Steuerung zu haben. Das virtuelle Abbild simuliert neben der dreidimensionalen Darstellung (3D) alle Eigenschaften und Funktionen der physikalischen Geräte in der vierten Dimension (4D). Dabei musste einerseits der korrekte Datenstrom von Ein- und Ausgangssignalen gewährleistet werden, damit das Programm der realen Sicherheitssteuerung einwandfrei funktioniert. Andererseits musste insbesondere im Hinblick auf die virtuelle Inbetriebnahme sichergestellt werden, dass auch das Verhalten im Fehlerfall bzw. die Abbildung verschiedener System- und Fehlerzustände den realen Komponenten entspricht.

Simulationssoftware eingesetzt

Für das Safety 4D-Modell setzt Schmersal die Simulationssoftware ISG-virtuos der ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH ein. Das rechenintensive Simulationsmodell wird auf dem ISG-Realtime Target berechnet. Mit diesem leistungsstarken Ultra-kompakt-Industrie-PC ist es möglich, eine verlustfreie Echtzeit-Physiksimulation durchzuführen. Er repräsentiert aus Sicht der Steuerung die gesamte Maschine oder Anlage, ist durch seinen kompakten Aufbau mobil und kann auch mit im Schaltschrank verbaut werden.

Zukünftig soll auch ein Monitoring der Komponenten als Voraussetzung für Predictive Maintenance mithilfe des 4D-Modells von Schmersal möglich sein. Predictive Maintenance verwendet Zeitreihen von historischen Daten, Echtzeitdaten und Fehlerdaten, um den künftigen potenziellen Zustand von Anlagen vorherzusagen und so Probleme im Voraus zu erkennen. Dadurch kann die Wartungsplanung optimiert und die Zuverlässigkeit verbessert werden. Das von Schmersal eingesetzte Simulationssystem ISGvirtuos ermöglicht bereits heute die Analyse und Visualisierung der erfassten Daten und der daraus abgeleiteten Handlungsempfehlungen.

Zukünftig helfen Identifikationsdaten aus dem Elektronischen Typenschild sowie Status-, Diagnose- und Betriebsdaten aus den verwendeten Sicherheitsschaltgeräten, detailliertere und aussagekräftigere Informationen zu erzeugen, die dann direkt im 4D-Modell angezeigt werden können. Speziell für sicherheitstechnische Komponenten stehen bisher keine standardisierten 4D-Modelle oder Beschreibungssprachen zur Verfügung. Zukünftig möchte Schmersal aber auf sich entwickelnde Standards setzen. Dafür bieten sich aktuell z. B. FMI (Functional Mock-up Interface) und AutomationML an, um eine vereinfachte Austauschbarkeit zwischen Simulationstools unterschiedlicher Hersteller zu gewährleisten.

Entwicklungsprozesse beschleunigen

Darüber hinaus arbeitet Schmersal an der Möglichkeit, die Original-Firmware in den Simulationsmodellen abzubilden, mit dem Ziel, den Entwicklungsprozess zukünftiger 4D-Modelle zu beschleunigen und die Vorteile einer frühzeitigen Validierung während des Entwicklungsprozesses zu nutzen. Schmersal plant, das Safety 4D-Modell seinen Kunden in naher Zukunft als Serviceleistung anzubieten, etwa über die Website oder über den Online-Store für 4DModelle „TwinStore“ – eine Plattform, auf der Komponenten- und Anlagenlieferanten ihre Digitalen Zwillinge zur Verfügung stellen. Dazu werden sukzessive digitale Modellkataloge mit den 4D-Modellen von Schmersal-Produkten aufgebaut.