Warum hat sich Audi für die Virtual-PLC-Technologie entschieden?

Wie die virtuelle SPS-Technologie die Automobilfertigung neu gestaltet

Das Werk von Audi in Ingolstadt betreibt jetzt wichtige Produktionslinien mit virtuellen speicherprogrammierbaren Steuerungen. Dieser Übergang von hardwarebasierter zu softwaredefinierter Steuerung stellt einen grundlegenden Wandel in der Automobilfertigung dar. Erste Leistungsdaten zeigen deutliche Verbesserungen bei Flexibilität, Inbetriebnahmegeschwindigkeit und Gesamtanlageneffektivität.

Verstehen der virtuellen SPS-Technologie

Virtuelle SPS führen Steuerungslogik auf Standard-Industrieservern aus, statt auf dedizierter Hardware. Sie trennen die Laufzeit-Engine von der physischen Ein-/Ausgabe über Echtzeit-Kommunikationsprotokolle wie PROFINET IRT oder EtherCAT. Diese Architektur ermöglicht es Ingenieuren, Steuerungssysteme mit softwareähnlicher Agilität bereitzustellen, zu aktualisieren und zu skalieren. Für Automobilwerke mit tausenden diskreten Abläufen reduziert diese Flexibilität direkt Stillstandszeiten und beschleunigt Modellwechsel.

Die Technologie basiert auf hypervisorbasierter Virtualisierung, bei der mehrere Steuerungsinstanzen isoliert auf derselben Server-Hardware laufen. Jede Instanz gewährleistet eine deterministische Leistung mit Zykluszeiten unter einer Millisekunde. Ingenieure können Steuerungskonfigurationen wie bei virtuellen Maschinen in IT-Umgebungen als Snapshot speichern, klonen oder zurücksetzen.

Audis Umsetzung: Leistungsdaten

Audi startete seine virtuelle SPS-Initiative Anfang 2024 in der Stanzerei in Ingolstadt. Die Anlage produziert Karosserieteile für mehrere Audi-Modelle, was häufige Werkzeugwechsel und Programmänderungen erfordert. Nach der Migration von 18 Servopressen auf virtuelle Steuerungen dokumentierte das Werk diese Verbesserungen:

• 30 % schnellere Umrüstung zwischen Karosserievarianten, wodurch die Stillstandszeit von 45 auf 31 Minuten pro Wechsel sinkt
• 50 % Reduzierung der Stellfläche des Schaltschrankes, wodurch mehr Platz für zusätzliche Anlagen frei wird
• 40 % weniger Engineering-Zeit für die Integration neuer Modelle, von 200 auf 120 Stunden pro Programm
• 99,96 % Systemverfügbarkeit über einen sechsmonatigen Messzeitraum

Die Stanzerei betreibt jetzt alle Servopressen mit virtuellen Steuerungen, die auf drei Standard-Dell-PowerEdge-Servern verteilt sind. Jeder Server bewältigt die Steuerlast von 15 herkömmlichen SPS, was die Dichtevorteile der Virtualisierung demonstriert.

Praxisbeispiel: Ergebnisse der Türmontagelinie

Nach dem Erfolg im Presswerk erweiterte Audi die virtuelle SPS-Einführung auf Türmontagelinien. Diese Linien produzieren täglich 1.200 Türbaugruppen und koordinieren acht Roboter, Fördersysteme und Sichtprüfstationen. Wichtige Ergebnisse sind:

• Taktzeitverkürzung von 58 Sekunden auf 52 Sekunden pro Tür, was die Tagesproduktion um 120 Einheiten erhöht
• Roboterprogramm-Uploads dauern 20 Minuten statt 4 Stunden, was Umrüstungen in derselben Schicht ermöglicht
• Linienneustart nach Stromausfall reduzierte sich von 12 Minuten auf 90 Sekunden
• Inbetriebnahmezeit für neue Türvarianten sank von drei Wochen auf vier Tage

Ingenieure testen nun alle Steuerungslogiken in einer digitalen Zwilling-Umgebung vor der Inbetriebnahme. Diese Praxis erkennt laut Audis internen Kennzahlen 85 % der Programmierfehler, ohne die Produktion zu stoppen.

Technische Architektur hinter Audis Lösung

Audis virtuelle SPS-Infrastruktur basiert auf mehreren Schlüsselkomponenten:

• Server-Hardware: Dell PowerEdge R750 mit Intel Xeon Gold Prozessoren und Echtzeit-Hypervisor
• Virtualisierungsplattform: Echtzeit-Hypervisor, der mehrere Steuerungsinstanzen mit Hardware-Isolation unterstützt
• Steuerlaufzeit: Siemens SIMATIC S7-1500V virtuelle SPS, ausgeführt auf dem Hypervisor
• Remote I/O: ET 200SP verteilte Ein-/Ausgänge, verbunden über PROFINET IRT mit 1-ms-Aktualisierungszyklen
• Engineering-Software: Siemens TIA Portal mit S7-PLCSIM Advanced für Offline-Simulation
• Netzwerkinfrastruktur: Vollständig verwaltete PROFINET-Switches mit Redundanz und Zeitsynchronisation

Die Architektur bleibt IEC 61131-3-konform, was die Wiederverwendung vorhandener SPS-Programme ermöglicht. Die Ingenieure programmieren in Kontaktplan, strukturiertem Text und Funktionsbausteinsprache genau wie bei Hardware-Steuerungen.

Fallstudie: Migration der Antriebsstrangmontage

Audis Antriebsstrangmontagelinie in Győr, Ungarn, begann Ende 2025 mit der virtuellen SPS-Migration. Die Linie produziert täglich 1.800 Motoren in vier Varianten. Traditionelle Umrüstungen erforderten 90 Minuten Stillstand für Programm-Downloads und Verifikationen. Nach der Virtualisierung sank die Umrüstzeit auf 25 Minuten. Die Anlage reduzierte zudem den Ersatzteillagerbestand, indem 32 dedizierte SPS und deren zugehörige Module eliminiert wurden.

Auch die Qualitätsdaten verbesserten sich. Die virtuellen Steuerungen protokollieren alle Prozessparameter in 10-ms-Intervallen, was eine statistische Prozesskontrolle ermöglicht, die zuvor aufgrund von Speicherbeschränkungen unmöglich war. Die frühzeitige Fehlererkennung steigerte die Erstdurchlaufquote um 2,3 %.

Best Practices für Installation und Migration

Für Werke, die die virtuelle SPS-Einführung planen, empfiehlt Audis Erfahrung, folgende Schritte zu befolgen:

• Bewerten Sie die Netzwerkinfrastruktur: Überprüfen Sie, ob bestehende Netzwerke Echtzeitprotokolle mit unter 5 ms Determinismus unterstützen. Rüsten Sie Switches und Verkabelung bei Bedarf auf.
• Beginnen Sie mit nicht-kritischen Linien: Wählen Sie Bereiche, in denen vorübergehende Unterbrechungen akzeptabel sind. Presswerke oder Verpackungslinien eignen sich oft gut.
• Erstellen Sie zuerst Digital Twins: Entwickeln Sie vollständige virtuelle Modelle der Linie und testen Sie alle Logiken offline. Stimmen Sie Zykluszeiten und I/O-Reaktionen präzise ab.
• Führen Sie die Migration schrittweise durch: Verlegen Sie jeweils eine Zone oder Station. Behalten Sie die Alt-Hardware während der Übergangsphase als Backup.
• Schulen Sie Wartungspersonal: Virtuelle Umgebungen erfordern neue Diagnosefähigkeiten. Bieten Sie praktische Schulungen mit Simulationswerkzeugen an.
• Implementieren Sie Cybersicherheitsmaßnahmen: Segmentieren Sie virtuelle SPS-Netzwerke von IT-Netzwerken. Verwenden Sie Firewalls und Eindringungserkennungssysteme.

Auswirkungen auf die Industrie und zukünftige Trends

Der Erfolg von Audi mit virtuellen SPS deutet auf umfassendere Veränderungen in der industriellen Automatisierung hin. Hardwarebasierte Steuerungen werden sich wahrscheinlich auf sicherheitskritische und ultraschnelle Anwendungen zurückziehen. Standardautomatisierung läuft zunehmend auf handelsüblichen Servern, wobei Steuerungslogik als Softwareartefakt behandelt wird. Dies ermöglicht Versionskontrolle, automatisierte Tests und cloudbasierte Engineering-Workflows, die traditionelle SPS nicht unterstützen können.

Virtualisierung beschleunigt auch die Einführung von Digital Twins. Wenn Steuerungslogik auf Standardhardware läuft, können Ingenieure komplette Produktionslinien mit identischen Software-Stacks simulieren. Das schließt die Lücke zwischen Simulation und Realität und verringert Risiken bei der Inbetriebnahme.

Anlagen müssen jedoch in Netzwerkinfrastruktur und IT-Sicherheit investieren, bevor die Virtualisierung ihr volles Potenzial entfaltet. Echtzeitnetzwerke erfordern eine sorgfältige Planung, und zentralisierte Server bringen neue Ausfallarten mit sich, die durch Redundanz abgedeckt werden müssen.

Perspektive des Autors: Beobachtungen aus der Praxis

Nach der Beobachtung mehrerer virtueller SPS-Einsätze in der Automobilindustrie und anderen Branchen zeichnen sich mehrere Muster ab. Erstens erzielen Organisationen, die frühzeitig in Digital-Twin-Fähigkeiten investieren, eine schnellere Migration und weniger Produktionsunterbrechungen. Zweitens passen sich Wartungsteams schnell an, wenn sie angemessen geschult werden – die Diagnosefähigkeiten virtueller Umgebungen übertreffen oft die von Hardware-Systemen. Drittens gehen die Kostenvorteile über Hardwareeinsparungen hinaus; reduzierte Entwicklungszeiten und schnellere Umrüstungen liefern einen dauerhaften operativen Mehrwert.

Für Anlagen, die diese Technologie in Betracht ziehen, gilt: klein anfangen, aber strategisch denken. Eine einzelne nicht-kritische Linie bietet wertvolle Erfahrungen bei geringem Risiko. Dieses Wissen sollte genutzt werden, um Standards für zukünftige Einsätze zu entwickeln.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

• Können virtuelle SPS alle traditionellen Steuerungen ersetzen? Nicht vollständig. Sicherheits-SPS und Anwendungen, die Mikrosekunden-Reaktionszeiten erfordern, benötigen weiterhin dedizierte Hardware. Für etwa 90 % der Automobilproduktionslinien erfüllen virtuelle SPS jedoch die Leistungsanforderungen oder übertreffen sie und bieten gleichzeitig mehr Flexibilität.
• Welche Zykluszeiten erreichen virtuelle SPS? Moderne virtuelle SPS erreichen deterministische Zykluszeiten unter 1 ms, wenn sie mit geeigneten Echtzeitnetzwerken kombiniert werden. Audis Türmontagelinie arbeitet mit 2 ms Zyklen, während Hochgeschwindigkeitsanwendungen mit optimierten Konfigurationen 500 μs erreichen können.
• Wie wirkt sich die Virtualisierung auf das Ersatzteillager aus? Dramatisch. Ein Server, der mehrere virtuelle Steuerungen betreibt, ersetzt dutzende dedizierte SPS und deren Ersatzmodule. Audi konnte den Ersatzteilbestand in Bereichen mit Virtualisierung um 40 % reduzieren.
• Was passiert, wenn der Server ausfällt? Redundante Serverkonfigurationen mit automatischem Failover sichern die Produktion. Audi nutzt aktive-standby-Paare mit synchronisierten Steuerungszuständen. Der Umschaltvorgang erfolgt innerhalb eines Steuerungszyklus und ist für die Produktion unsichtbar.
• Kann bestehender SPS-Code auf virtuellen Steuerungen laufen? Ja, vorausgesetzt, die virtuelle Umgebung unterstützt dieselben IEC 61131-3-Sprachen. Die meisten Anbieter stellen Migrationstools bereit, die bestehende Projekte mit minimalem manuellem Aufwand konvertieren.

Ausblick: Audis nächste Schritte

Audi plant, den Einsatz virtueller SPS bis 2028 auf alle neuen Produktionslinien auszuweiten. Außerdem erforscht das Unternehmen Edge-basiertes Machine Learning für vorausschauende Wartung, indem die Onboard-Verarbeitungskapazität der virtuellen Steuerungen genutzt wird. Erste Versuche zeigen Potenzial, Werkzeugverschleiß 48 Stunden vor Ausfall zu erkennen und ungeplante Stillstände um weitere 20 % zu reduzieren.

Das Unternehmen arbeitet mit Siemens und anderen Technologiepartnern zusammen, um standardisierte virtuelle Steuerungsplattformen zu entwickeln, die weltweit in verschiedenen Anlagen skalierbar sind. Bei Erfolg könnten zentrale Engineering-Teams Updates innerhalb von Stunden statt Wochen in jeder Anlage weltweit ausrollen.

Audis Weg mit virtuellen SPS zeigt, dass softwaredefinierte Automatisierung vom Konzept zur Realität geworden ist. Die Leistungsdaten sprechen eine klare Sprache: Virtualisierung bringt messbare Vorteile in Flexibilität, Effizienz und Zuverlässigkeit.