Digitalisierung

Virtuelle Inbetriebnahme: Modelle, Steuerung und belastbare Testfälle

Bei der virtuellen Inbetriebnahme wird Steuerungsverhalten mit einem Modell der Maschine oder Anlage erprobt. Dabei können reale oder simulierte Steuerungskomponenten beteiligt sein. Aussagekräftig wird der Test durch definierte Eingaben, Rückmeldungen, Zeitbedingungen und erwartete Ergebnisse. Eine bewegte 3D-Ansicht allein belegt weder einen vollständig geprüften Ablauf noch die Funktion der späteren realen Maschine.

Für CNC-Projekte ist besonders interessant, welche Fehler schon vor dem realen Aufbau nachvollziehbar untersucht werden können. Meine selbst auf CNC umgerüstete Optimum BF 20 bildet den persönlichen Hintergrund dieser Website. Eine zuvor durchgeführte virtuelle Inbetriebnahme dieses Umbaus wird damit nicht behauptet. Der folgende Ablauf ist ein eigenes Lehrbeispiel.

Welche Bestandteile werden tatsächlich simuliert?

Der Siemens-Leitfaden zur virtuellen Inbetriebnahme unterscheidet Steuerungsmodell, Verhaltensmodell sowie Kinematik und Materialfluss. Nicht jede Aufgabe benötigt alle diese Bestandteile in gleicher Tiefe. Entscheidend ist, ob das Modell die Eigenschaften enthält, die der jeweilige Test untersuchen soll.

Bei einem eigenen Testauftrag würde ich deshalb zuerst den Prüfgegenstand formulieren. „Die Anlage funktioniert“ ist dafür zu weit. Eine konkretere Aussage wäre: Nach einem Startsignal erwartet die Ablaufsteuerung innerhalb einer festgelegten Modellzeit eine bestimmte Rückmeldung und behandelt deren Ausbleiben wie vorgesehen.

Software-in-the-Loop und Hardware-in-the-Loop einordnen

AufbauWichtiger Bezug des Tests
Software-in-the-Loop, SiLSteuerung und Anlage werden im betrachteten Aufbau softwarebasiert erprobt
Hardware-in-the-Loop, HiLReale Steuerungshardware wird mit einer simulierten Anlage verbunden
Model-in-the-Loop, MiLEin abstrahiertes Steuerungsmodell dient der Konzept- und Modellprüfung

Diese Einordnung folgt dem beschriebenen Siemens-Kontext. Bei HiL werden zusätzlich die zeitliche Abstimmung mit der realen Steuerung und die betreffenden Schnittstellen wesentlich. OPAL-RT hebt entsprechend hervor, dass feste Zeitbedingungen, Ein- und Ausgänge sowie die Integration in die Hardware eigene Fehler sichtbar machen können. Die Methoden sind daher anhand der zu prüfenden Eigenschaft auszuwählen.

Ein eigener Testkreis mit virtueller Rückmeldung

Vier Stationen eines virtuellen InbetriebnahmetestsVirtuelle Inbetriebnahme: geschlossener Testkreis01SteuerungsbefehlStart eines Modellablaufs02AnlagenmodellVerhalten und Zeit abbilden03RückmeldungVirtuellen Sensor auswerten04Soll-Ist-VergleichErgebnis und Fehler prüfenTestaussagen gelten für den dokumentierten Modell- und Programmstand.
Konzeptioneller Testkreis. Die Animation hebt die Aufgaben nacheinander hervor; sie führt keine Steuerungssoftware aus und bildet keine reale Maschinenreaktion nach.

Das Prinzip Schritt für Schritt

Vier Stationen eines virtuellen InbetriebnahmetestsVirtuelle Inbetriebnahme: geschlossener Testkreis01SteuerungsbefehlStart eines Modellablaufs02AnlagenmodellVerhalten und Zeit abbilden03RückmeldungVirtuellen Sensor auswerten04Soll-Ist-VergleichErgebnis und Fehler prüfenTestaussagen gelten für den dokumentierten Modell- und Programmstand.

Startet nur auf Wunsch. Pause hält den aktuellen Stand fest. Die Darstellung läuft in Lerngeschwindigkeit; sie simuliert keine Maschinensteuerung. Ohne Bewegung erklären Grafik und Liste denselben Inhalt.

  1. Ein definierter Steuerungsbefehl startet den eigenen Modellablauf. Eingaben, Anfangszustand und Programmversion müssen bekannt sein.
  2. Das Anlagenmodell bildet die für den Test benötigte Reaktion ab. Nicht modellierte Eigenschaften können durch diesen Ablauf nicht automatisch beurteilt werden.
  3. Die simulierte Rückmeldung erreicht die Steuerungslogik. In unserem Lehrbeispiel wird die Ankunft eines Werkstücks durch einen virtuellen Sensor dargestellt.
  4. Der beobachtete Ablauf wird gegen die vorher festgelegte Erwartung geprüft. Normalfall, verspätete Rückmeldung und ausbleibendes Signal sind getrennte Testfälle.

Unser eigener Lehrfall betrachtet den Transport eines Werkstücks bis zu einem Sensor. Zum Modellzeitpunkt t = 0 beginnt der Ablauf. Für die Übung wird festgelegt: Spätestens bei t = 1,2 s muss die Rückmeldung vorliegen. Andernfalls ist der Testfall „Zeitüberschreitung“ erreicht und der vorgesehene Folgeschritt bleibt gesperrt.

Die Grenze von 1,2 s ist frei gewählt. Sie ist keine Empfehlung für eine reale Förderanlage und keine sicherheitstechnische Reaktionszeit. Das vereinfachte Modell behandelt die Zeit kontinuierlich; SPS-Zyklus, Buslaufzeit und Signalaufbereitung werden hier noch nicht mitgerechnet.

Normalfall und Fehlerfall getrennt prüfen

Eigener TestfallEingabe an das ModellErwartetes Ergebnis
Normale AnkunftRückmeldung bei t = 0,8 sVorgegebene Zeitbedingung erfüllt
Verspätete AnkunftRückmeldung erst bei t = 1,5 sBei t = 1,2 s wird Zeitüberschreitung erkannt
Keine AnkunftRückmeldung bleibt ausZeitüberschreitung; keine Freigabe des Folgeschritts
Bereits belegter SensorSignal ist schon vor Start aktivGesondert festgelegte Anlaufbedingung prüfen

Im zweiten Fall liegt das Signal später zwar vor, der vorherige Timeout ist damit aber nicht ungeschehen. Für den eigenen Entwurf müsste zusätzlich festgelegt werden, wie quittiert oder neu gestartet wird. Ein Modell, das nach jedem Signal ungeprüft weiterläuft, würde eine andere Anforderung testen.

Der vierte Fall zeigt eine weitere Lücke: Eine dauernd aktive Rückmeldung ist nicht dasselbe wie eine neu erkannte Ankunft. Ob die Steuerung eine Flanke, einen Pegel oder eine bestimmte Reihenfolge benötigt, gehört ausdrücklich in die Spezifikation. Ohne diese Festlegung kann derselbe Testlauf von zwei Personen unterschiedlich bewertet werden.

Das Modell gegen bekannte Anforderungen prüfen

Ein Test kann nur dann aufschlussreich sein, wenn das Modell nicht versehentlich genau den Fehler ausblendet, nach dem gesucht wird. Für eine Laufzeitfrage muss die relevante Zeitwirkung abgebildet sein. Für eine Kollisionsfrage müssen die betreffenden Körper und Bewegungen enthalten sein. Eine hübsche Darstellung allein liefert beides nicht.

OPAL-RT betont durchgängige Testabsichten und vergleichbare Erfolgskriterien über verschiedene Teststufen hinweg. Für die eigene Dokumentation würde ich daher Anforderung, Testfall, Modellversion, Programmstand und Ergebnis miteinander verknüpfen. Nach einer Änderung sollten dieselben relevanten Fälle wiederholbar bleiben.

Was an der realen Maschine offenbleibt

Im eigenen Lehrfall wurden keine realen Leitungen, Sensorhalter, Antriebe oder Werkstücke geprüft. Diese Grenze ergibt sich unmittelbar aus dem beschriebenen Modellumfang. Ebenso fehlt jeder Nachweis, dass der reale Transport unter allen vorgesehenen Bedingungen die angenommenen Zeiten einhält. Der virtuelle Erfolg ist daher ein dokumentierter Teilnachweis für diesen Testfall.

Die Maschinenabnahme und die Anforderungen an eine Sondermaschine müssen die realen Prüfungen weiterhin zuordnen. Bei einem CNC-Retrofit helfen eindeutig geführte Unterlagen, Modell und tatsächlichen Aufbau zusammenzuhalten. Der Beitrag zur CNC-Steuerung und ihren Aufgaben trennt dabei Bahnsteuerung, Antriebe und weitere Automatisierungsfunktionen.

Quellen und fachliche Einordnung

Primärquellen, geprüft am 25.10.2026. Eigene Lehrbeispiele und schematische Grafiken. Produkt- und Verfahrensangaben gelten im jeweils beschriebenen Zusammenhang.

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