Wie lassen sich kostspielige Fehler bei der Inbetriebnahme einer neuen Produktionslinie vermeiden?

Viele Produktionsleiter und Automatisierungsingenieure stehen vor einem Dilemma: Wie lässt sich eine neue, komplexe Fertigungslinie implementieren, ohne kostspielige Maschinen zu gefährden und wochenlange Stillstände durch das Debugging von PLC-Code zu riskieren? Der traditionelle Ansatz — das Programm erst an der physischen Anlage zu testen — wird im Jahr 2026 zu riskant und zu kostspielig.

Die Lösung dieses Dilemmas ist der digitale Zwilling — eine Technologie, die das virtuelle Testen von Systemen ermöglicht, bevor auch nur eine einzige Schraube gekauft wird. Ein hervorragendes Beispiel für die Wirksamkeit dieser Methode ist das „Mini-Fabrik“-Projekt von Ing. Dawid Kempinski.

Beseitigung von Engpässen und Kollisionstests ohne Verluste

Das Hauptproblem bei der Planung der innerbetrieblichen Logistik sind unvorhergesehene Kollisionen und Materialstaus. Durch die vollständige Integration physischer Steuerungen — z. B. von Siemens — in die 3D-Simulationsumgebung Factory I/O ist es möglich, Transport und Sortiersektion im Maßstab 1:1 abzubilden. Diese Steuerung ist nativ in die TIA Portal-Umgebung eingebettet, was das Projektmanagement, die Konfiguration und die Diagnose erheblich vereinfacht. Die Kommunikation mit dem virtuellen Fabrikmodell erfolgt in Echtzeit über ein Ethernet-Netzwerk unter Verwendung des S7-Kommunikationsprotokolls und des PUT/GET-Mechanismus.

Diese Konfiguration stellt sicher, dass der digitale Zwilling nicht lediglich eine statische Animation ist, sondern ein dynamisches Modell, das auf realistischer Physik basiert — Gravitation, Kollisionen und tatsächliche Verfahrzeiten der Aktoren berücksichtigt. Dies ermöglicht:

• Die Verifikation der Steuerungslogik unter nahezu realen Bedingungen.
• Das sichere Testen von Fehlerszenarien und die Identifikation von Engpässen.
• Die Optimierung von Fördergeschwindigkeiten und Bewegungssequenzen der Manipulatoren.
• Ein umfassendes Management des gesamten Betriebs der virtuellen Fabrik.

Wie Dawid Kempinski anmerkt:

„Der Einsatz von Simulation ermöglicht außerdem eine schnellere Implementierung und das Debugging von SPS-Programmen, senkt die Entwicklungskosten von Automatisierungssystemen und erlaubt das sichere Testen von Fehlerszenarien.“

Die SPS liest die Zustände virtueller Sensoren und sendet Steuersignale an die Aktoren in Factory I/O, wodurch die Steuerungslogik unter nahezu realen Bedingungen verifiziert werden kann. In der Welt der Automatisierung bedeutet die Möglichkeit, eine virtuelle Maschine gefahrlos zum „Absturz“ zu bringen, anstatt physische Manipulatoren zu zerstören, Einsparungen in Höhe von Hunderttausenden von Złoty.

Umfassende Prozessmodellierung — von der CNC-Bearbeitung bis zum Hochregallager

Ein häufiges Problem in vielen Betrieben ist die fehlende Synchronisation zwischen den verschiedenen Produktionsstufen. Dawid Kempinksis Projekt löst dies durch eine strikte Aufteilung der Linie in acht autonome, jedoch eng synchronisierte Sektionen:

1. Rohstoffbearbeitung.
2. Sortierung und Verteilung.
3. Montage (Assembly).
4. Sektionsübergreifender Transport.
5. Palettenbereitstellung.
6. Verpackung.
7. Transport zum Lager und Puffer.
8. Lagerung (Sektion acht).

Ein auf Basis dieser Erfahrungen erstellter digitaler Zwilling kann den vollständigen Produktlebenszyklus in vielen Branchen abdecken — vom Rohstoff bis zur Hochregallagerung.

Der Prozess beginnt in der Sektion Rohstoffbearbeitung, wo CNC-Bearbeitungszentren das Material in fertige Komponenten (Gehäuseunterteile und -deckel) umwandeln, bevor er in die Sortiersektion übergeht. Dort identifiziert ein Vision-Sensor die Produktcodes und leitet sie mithilfe von Sortiearmen auf die entsprechenden Linien. Der nächste Schritt ist die Präzisionsmontage mit zweiachsigen Manipulatoren, bei der die Komponenten während der Fügeoperation durch Positioniervorrichtungen fixiert werden.

Ein zentraler — in der Planung jedoch häufig vernachlässigter — Aspekt ist die sektionsübergreifende Intralogistik. Eine dedizierte Transportsektion sorgt für die korrekte Abstände und die Synchronisation des Produktflusses, bevor die Produkte in die Verpackungsphase gelangen. Parallel dazu werden über ein Hubbühnen-System, das auf zwei Ebenen operiert, Paletten mit leeren Behältern zur Linie bereitgestellt.

Die eigentliche Verpackung der Produkte in die Behälter übernehmen dreiachsige Linearportale, die in einer streng definierten Bewegungssequenz arbeiten. Bevor ein fertiggestelltes Set das Lager erreicht, durchläuft es die Transportsektion mit Puffer. Der Einsatz eines Drehtisches und einer Pufferzone ist unerlässlich, um Palettenkollis­ionen zu vermeiden und die Paletten für die reibungslose Übernahme durch das Lagerverwaltungssystem vorzubereiten.

Die abschließende Stufe ist Sektion acht — ein Hochregallager, das von einem Regalbediengerät bedient wird. Hier werden Algorithmen wie „First-Fit“ (erster freier Stellplatz) implementiert, die 52 Lagerplätze vollautomatisch verwalten. Das System optimiert nicht nur den Raum, indem es neue Paletten auf durch ausgelagerte Waren freigegebene Plätze stellt, sondern steuert auch effizient den Auslagerungsprozess auf Basis vorgegebener Menge und Produktart.

Dadurch, dass der digitale Zwilling die Simulation eines so detaillierten, mehrstufigen Materialflusses ermöglicht, können wir Fehler in der sektionsübergreifenden Transport- und Pufferlogik bereits in der Konzeptionsphase eliminieren und so die Produktionskontinuität auch unter Volllast gewährleisten.

Codestabilität und die SCL-Sprache

Eine häufige Frage unter Programmierern lautet: Wie lässt sich bei komplexen Operationen die Lesbarkeit wahren? Der Schlüssel liegt in Software, die in SCL (Structured Control Language) geschrieben ist, was mathematische und logische Operationen ermöglicht, die in der klassischen Kontaktplansprache (Ladder Logic) nicht übersichtlich darstellbar sind.

Das Herzstück des Systems ist der umfangreichste Codeteil — die Hardware-Gruppe — die alle Ausführungssequenzen der Linie verwaltet. Das vollständige Leistungsspektrum der Siemens TIA Portal-Umgebung kann genutzt werden, strukturiert in Funktionsbausteine. Diese Struktur bringt eine tadellose Ordnung in das Projekt und verhindert Fehler, die durch unkontrollierten Variablenzugriff entstehen.

Der Einsatz von CASE OF-Anweisungen und die präzise Schrittsteuerung (Step-Verwaltung) innerhalb dieser Bausteine gewährleistet vollständigen Systemdeterminismus — jede Bewegungsphase findet zu einem exakt definierten Zeitpunkt statt, was sowohl durch Tests einzelner Elemente des Steuerungsprogramms als auch durch einen abschließenden 30-minütigen Dauerlauf des gesamten Systems bestätigt wurde.

Die Arbeit in dieser Umgebung erfordert eine analytische Herangehensweise an Entwurfsaufgaben, eine fundierte Interpretation technologischer Prozesse sowie die Fähigkeit zur Implementierung von Steuerungsalgorithmen.

Virtuelle Inbetriebnahme — 90% Risikoreduktion

Die Herausforderungen der heutigen Zeit verschaffen der virtuellen Inbetriebnahme (Virtual Commissioning) einen klaren Vorteil gegenüber dem riskanten und oft kostspielig traditionellen Inbetriebnahme-Ansatz.

Dawid Kempinksis Methodik beweist, dass abschließende Tests in einer virtuellen Umgebung das Kollisionsrisiko beim physischen Anlagenstart um nahezu 90% reduzieren. Die Untersuchungen zeigten, dass die Simulation zwar Fehler erzeugen kann, die auf hardwareseitige Leistungseinschränkungen zurückzuführen sind (FPS-Einbrüche oder Kommunikations-Lag), die Steuerungslogik der SPS selbst jedoch stabil und korrekt bleibt. Der ausgelieferte Code kann daher als in Tausenden virtueller Zyklen „praxiserprobter Code“ betrachtet werden.

Dawid Kempinski fasst zusammen:

„Die entwickelte Linie funktioniert automatisch und nahezu autonom, in Übereinstimmung mit den Projektanforderungen, was die Korrektheit der gewählten Konstruktionslösungen und ihrer Implementierung bestätigt.“

Durch die Nutzung neuer Marktlösungen für die Erstellung virtueller Umgebungen — die eine immer breitere Palette an Industriekomponenten und erweiterte Anpassungsmöglichkeiten bieten — wird es möglich sein, digitale Abbilder mit höchstem Detaillierungsgrad zu erstellen. Dies wird eine vollständige und originalgetreue Nachbildung auch der komplexesten Anlagen erlauben, sodass simulationsbasierte Projekte das Fundament für den Aufbau moderner Fertigungsarbeitsplätze in nahezu jeder Produktionsbranche bilden werden.

Diese Lösungen finden direkte Anwendung im Automotive- und Maschinenbausektor für die Präzisionsmontage, in der FMCG- und Lebensmittelindustrie zur Optimierung von Verpackung und Sortierung sowie in der Pharmaindustrie, wo die visuelle Produktverifikation entscheidend ist. Darüber hinaus machen fortschrittliche Lagerungsalgorithmen dieses Modell zur idealen Unterstützung für moderne Logistik und Lagerhaltung (E-Commerce), indem sie eine digitale Durchsatzprüfung vor der physischen Betriebserweiterung ermöglichen.

Lohnt sich die Implementierung eines digitalen Zwillings?

Die Einführung von Innovationen in der Industrie des Jahres 2026 muss nicht mit operativem Risiko verbunden sein. Der Einsatz virtueller Umgebungen revolutioniert den Planungsprozess und bietet einen sicheren Testbereich, der sowohl bei der Planung neuer Fabriken (Greenfield) als auch bei der Erweiterung bestehender Werke um weitere Automatisierungsmodule als Fundament dient.

Die Antwort auf die Frage nach der Wirtschaftlichkeit ist eindeutig: Ja, es ist eine Investition, die sich auf vielen Ebenen auszahlt. Die Investition in einen digitalen Zwilling ermöglicht es, kostspielige Fehler bei der Inbetriebnahme einer neuen Linie zu vermeiden und die Sicherheit der gesamten Infrastruktur zu gewährleisten — indem das Risiko physischer Anlagenschäden eliminiert wird, deren Reparaturkosten die Kosten der Simulation um ein Vielfaches übersteigen könnten. Ein wesentlicher Vorteil ist die Möglichkeit, umfangreiche Modifikationen und Tests ohne jeglichen Eingriff in die laufende Produktionslinie durchzuführen, was die Zuverlässigkeit der einzelnen Module ohne Stillstandsgenerierung garantiert.

Als vollständiges Ingenieurswerkzeug ermöglicht der digitale Zwilling die Logistikoptimierung und schnelle Linienumrüstungen ohne Unterbrechung der laufenden Produktion. Durch Rapid Prototyping wird die Time-to-Market neuer Produkte erheblich verkürzt, während die Softwarelizenzkosten nur einen Bruchteil der Ausgaben ausmachen, die physisches Bauen und Testen von Prototypen verursachen würden. Letztlich ist der digitale Zwilling nicht nur eine Kosteneinsparung, sondern vor allem gewonnene Zeit und die Gewissheit der Prozesskontinuität.

Wenn Sie die Implementierung eines digitalen Zwillings in Ihrem Betrieb planen, kontaktieren Sie uns — wir begleiten Sie durch diesen Prozess effizient und sicher.