Sicherheit zeigt sich an Maschinen oft erst dann in ihrer ganzen Konsequenz, wenn etwas nicht wie geplant läuft: Eine Schutztür wird während des Betriebs geöffnet, ein Lichtvorhang unterbrochen, ein Not-Halt ausgelöst oder ein Roboter muss in Sekundenbruchteilen zum sicheren Stillstand kommen. Genau diese Situationen werden zwar im Sicherheitskonzept beschrieben, umfassend getestet werden sie in vielen Projekten aber erst dann, wenn die reale Maschine aufgebaut ist. Das ist spät – und teuer. Denn zu diesem Zeitpunkt treffen Mechanik, elektrische Ausrüstung, Steuerungssoftware, Sicherheitslogik und Prozessabläufe erstmals vollständig aufeinander.
Digitale Zwillinge und virtuelle Inbetriebnahme verschieben diese Phase deutlich nach vorn. Statt ausschließlich am fertigen Objekt zu prüfen, ob Sicherheitsfunktionen im Zusammenspiel korrekt arbeiten, lässt sich die Maschine zunächst als virtuelles System testen. Konstruktion, Bewegungsabläufe, SPS-Logik, Robotik, Sensorik und Sicherheitsfunktionen werden dabei in einem Modell zusammengeführt. Das Ziel ist nicht bloß eine anschauliche 3D-Darstellung. Entscheidend ist, dass das Modell auf Eingriffe und Fehlerzustände so reagiert, wie es die reale Anlage später tun soll.
Safety als Teil des Entwicklungsprozesses
Damit wird Safety Engineering zu einem Teil des Entwicklungsprozesses. Ein Not-Halt lässt sich auslösen, eine Schutztür virtuell öffnen oder ein fehlendes Sensorsignal simulieren, während die Steuerung mit den dazugehörigen Zuständen und Reaktionen konfrontiert wird. Maschinenbauer können prüfen, ob Antriebe sicher stillgesetzt werden, ob ein Wiederanlauf korrekt verhindert wird und ob Freigaben, Betriebsarten und Quittierungen logisch zusammenpassen. Fehler, die bei der realen Inbetriebnahme möglicherweise zu Umbauten, Programmieränderungen oder langwieriger Ursachenforschung führen würden, werden in eine Phase verlagert, in der sie noch vergleichsweise einfach zu beheben sind.
Das gilt besonders für komplexe Automatisierungszellen und modular aufgebaute Maschinen. Sicherheitsfunktionen versagen oder irritieren in der Praxis selten deshalb, weil eine einzelne Komponente grundsätzlich nicht funktioniert. Kritisch werden vielmehr die Übergänge: zwischen Schutztür und Sicherheitssteuerung, zwischen Roboter und Zellenlogik, zwischen manueller Betriebsart und Automatikbetrieb oder beim Wiederanlauf nach einem sicherheitsgerichteten Stopp. Je stärker eine Maschine vernetzt und variantenfähig aufgebaut ist, desto größer wird die Zahl möglicher Zustände. Und desto wichtiger wird es, diese nicht ausschließlich unter Zeitdruck in der Montagehalle zu erproben.
Virtuelle Inbetriebnahme kann deshalb auch die Zusammenarbeit zwischen Konstruktion, Elektroplanung, Softwareentwicklung und Sicherheitsverantwortlichen verändern. Statt nacheinander an derselben realen Maschine zu arbeiten, können Teams früher parallel entwickeln und testen. Die Mechanik muss nicht vollständig verfügbar sein, damit Steuerungs- und Safety-Logik geprüft werden können. Gleichzeitig lassen sich Änderungen vorab bewerten: Was passiert, wenn eine zusätzliche Schutztür, ein weiterer Roboter oder eine geänderte Materialzuführung in das Konzept integriert wird? Der digitale Zwilling wird damit zum Testfeld für Varianten, Grenzfälle und Fehlerzustände, die an der laufenden Anlage nur mit erheblichem Aufwand oder Risiko erzeugbar wären.
Gesamte Sicherheitskette virtuell testen
Wie weit dieser Ansatz reichen kann, zeigt die Integration sicherheitstechnischer Komponenten in digitale Modelle. Schmersal bildet mit seinen 4D-Modellen nicht nur die Geometrie von Sicherheitskomponenten ab, sondern auch deren Funktionen und Signalzustände. So kann beispielsweise das Verhalten einer Sicherheitszuhaltung und eines Türgriffsystems im virtuellen Modell nachvollzogen werden: Wird die Tür entriegelt oder geöffnet, verändern sich die zugehörigen Signale und Zustände entsprechend. Die Komponente wird damit im digitalen Zwilling nicht zur bloßen CAD-Datei, sondern zu einem funktionalen Teil der virtuellen Sicherheitskette.
Für die Simulation arbeitet Schmersal mit der Plattform ISG-virtuos zusammen. Die Verbindung aus Komponentenmodell und Steuerungssimulation ist wesentlich, weil sich Safety nicht allein auf die Frage reduzieren lässt, ob ein Sensor ein Signal liefert. Entscheidend ist die gesamte Reaktionskette – vom Auslösen einer Schutzeinrichtung über die Verarbeitung in der Safety-Steuerung bis zur sicheren Reaktion von Antrieb, Roboter oder Maschine. Mit ISG-virtuos lassen sich digitale Zwillinge mit Steuerungsumgebungen koppeln und in Echtzeit simulieren. Damit können auch Safety-Funktionen und Fehlerszenarien frühzeitig geprüft werden. Der Ansatz zielt darauf, Probleme in der Logik und im Zusammenspiel der Komponenten vor der realen Inbetriebnahme aufzudecken und die Zahl von Kollisionen oder ungeplanten Korrekturschleifen zu reduzieren.
Robotik und Retrofit risikofrei absichern
Für den Maschinenbau wird diese Fähigkeit besonders bei Robotik und hochautomatisierten Zellen relevant. Hier genügen nicht allein funktionierende Bewegungsprogramme; die Sicherheitslogik muss auch unter Abweichungen zuverlässig reagieren. machineering erweitert seine Simulationsumgebung iPhysics deshalb um integrierte Safety-Funktionen: So können Safety-Signale von Robotern sowie die Reaktion auf Zustände wie Not-Halt, geöffnete Schutztüren oder unterbrochene Schutzeinrichtungen in der virtuellen Inbetriebnahme berücksichtigt werden. Das erlaubt, Abläufe unter realitätsnahen, aber risikofreien Bedingungen zu testen, bevor eine reale Zelle aufgebaut und mit Energie versorgt wird.
Der digitale Zwilling ist jedoch nicht nur für Neuentwicklungen interessant. Gerade bei Modernisierungen und Retrofits steht die Herausforderung im Raum, bestehende Anlagen zu verändern, ohne Stillstandszeiten unnötig auszudehnen oder unerkannte Risiken in den Produktionsprozess zu tragen. HEITEC verbindet virtuelle Inbetriebnahme und digitale Zwillinge mit diesem Ziel: Reale Anlage und digitales Abbild können gegenübergestellt, Änderungen simuliert und Abläufe vor dem Umbau bewertet werden. Das kann helfen, die Planung zu präzisieren und die Eingriffe an der realen Maschine besser vorzubereiten – auch dort, wo ältere Steuerungsstrukturen, neue Automatisierungskomponenten und bestehende Sicherheitskonzepte zusammengeführt werden müssen.
Virtuell vorbereiten, real validieren
Die virtuelle Prüfung ersetzt dabei weder die Risikobeurteilung noch die erforderliche Validierung der realen Maschine. Eine sichere Maschine entsteht nicht allein dadurch, dass ihr digitales Abbild plausibel reagiert. Aber sie schafft eine deutlich bessere Ausgangsposition für die reale Abnahme. Denn die grundlegenden Fragen können bereits zuvor beantwortet werden: Welche sicherheitsrelevanten Zustände treten auf? Welche Reaktion wird erwartet? Welche Betriebsarten sind zulässig? Unter welchen Bedingungen darf ein Wiederanlauf erfolgen? Und was geschieht, wenn eine Komponente ein unplausibles oder fehlendes Signal liefert?
Oder anders gesagt: Die beste Zeit, einen gefährlichen Fehler zu finden, ist dann, wenn die Maschine noch aus Daten besteht – und nicht aus Stahl, Kabeln und Pneumatik. [hjs]
