Simulation vs. Emulation in der Automatisierung: Was ist der Unterschied?

Von Mirko Peters · 2026-11-11

Simulation vs. Emulation in der Automatisierung: Eine Simulation bildet das Verhalten eines Systems nach, eine Emulation ersetzt ein reales Teil und läuft in Echtzeit. Erfahren Sie, wann Sie welche Methode einsetzen.

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In der Automatisierung ist eine Simulation ein Modell, das das Verhalten eines Systems nachbildet, oft schneller als in Echtzeit, um Optionen zu untersuchen. Eine Emulation ersetzt einen Teil des realen Systems durch ein Modell oder bildet ein Gerät nach. Das reale Gegenstück arbeitet dabei so mit ihr zusammen, als wäre es an das echte System angeschlossen, und das Ganze läuft in Echtzeit. Dieser Leitfaden richtet sich an Manager im operativen Exzellenzbereich, die Angebote und Projektpläne lesen, in denen beide Begriffe vermischt werden, etwa bei der virtuellen Inbetriebnahme. Sie lernen die Definitionen, den jeweiligen Einsatzzweck, wie Software-in-the-Loop und Hardware-in-the-Loop einzuordnen sind, und ein durchgerechnetes Beispiel mit Laufzeiten.

Die wichtigsten Punkte

• Eine Simulation bildet das Verhalten eines Systems nach und kann schneller als in Echtzeit laufen. Eine Emulation ersetzt einen Teil des realen Systems durch ein Modell oder bildet ein Gerät nach und läuft in Echtzeit.
• Nutzen Sie Simulation, um Designoptionen, Layouts, Kapazitäten und Steuerungsstrategien zu untersuchen. Nutzen Sie Emulation, um die Steuerungslogik gegen ein Anlagenmodell zu testen und Personal zu schulen.
• Eine Emulation lässt sich nicht beschleunigen, weil Steuerungstimer und Kommunikation von der Echtzeit abhängen. Deshalb eignet sie sich schlecht, um viele Szenarien durchzuspielen.
• Software-in-the-Loop und Hardware-in-the-Loop sind Emulationsaufbauten: Der reale Steuerungscode bzw. eine reale Steuerung arbeitet mit einer simulierten Anlage zusammen.
• Die Begriffe werden oft unscharf verwendet. Klären Sie deshalb, was in Echtzeit läuft, was real und was modelliert ist, bevor Sie ein Angebot oder eine Spezifikation akzeptieren.

Simulation vs. Emulation: die kurze Antwort

Die Begriffe überschneiden sich, und die Fachliteratur räumt das ein. Emulation und Simulation schaffen beide eine virtuelle Umgebung, in der Sie debuggen und testen können, bevor Sie physische Hardware anfassen. Ein Praxisbericht zur industriellen Netzwerksimulation von Duque Anton und Co-Autoren, verfügbar auf arXiv, stellt fest, dass Simulation auf die Nachbildung der Zustände eines Systems abzielt und Emulation auf die Reproduktion seines Verhaltens. Die Autoren merken an, dass die beiden Begriffe oft synonym verwendet werden, und sie verwenden „Simulation“ allgemein, weil viele Werkzeuge beides können.

Eine praxisnähere Definition stammt von Ian McGregor in einem Beitrag für die Winter Simulation Conference 2002. Er definiert ein Emulationsmodell als ein Modell, in dem ein funktionaler Teil von einem Teil des realen Systems ausgeführt wird. Das Gegenteil gilt ebenso: Ein Teil des realen Systems wird durch ein Modell ersetzt. McGregor arbeitete für ein Unternehmen, das Emulationswerkzeuge verkauft, daher sollten Sie seine Aussagen mit dieser Tatsache im Hinterkopf lesen. Die Definition selbst lässt sich aber bei jedem Projekt leicht überprüfen.

Vereinfacht gesagt lautet die praktische Unterscheidung in der Automatisierung so:

• Simulation ist ein Modell des gesamten Systems, das für sich allein läuft. Sie ändern Eingaben und sehen, was passiert, und Sie können schnell rechnen lassen. Sie können Nachfrage, Stillstände und Personaleinsatz simulieren und vor dem Bau bereits einen Layout-Prototyp im Modell erstellen.
• Emulation verbindet etwas Reales mit einem Modell. Das Reale kann ein Steuerungsprogramm, eine Steuerung oder ein Bedienpanel sein, und das Modell stellt die Maschine oder Anlage drumherum dar. Weil etwas Reales beteiligt ist, läuft der Durchlauf in Echtzeit.

Derselbe Unterschied zeigt sich bei den Werkzeugen: Ob ein Werkzeug ein Emulator oder ein Simulator ist, hängt davon ab, was es nachbildet. Ein Simulator kann die Anlage oder die Programmlogik der Steuerung in einem Modell simulieren. Ein Emulator versucht, die Funktionalität der realen Steuerung nachzubilden, bis hin zum CPU-Verhalten und zur Kommunikation, sodass der reale Code darauf laufen und dasselbe reproduzieren kann, was er auf der Zielhardware tun würde. In der Praxis verwenden Hersteller für PLC-Emulatoren und -Simulatoren oft beide Bezeichnungen, daher sollten Sie prüfen, was sich hinter dem Begriff verbirgt. Simulatoren und Emulatoren für dieselbe Steuerung können sich stark darin unterscheiden, wie gut sie das Zielsystem nachbilden.

Anwendungsfälle: Wofür man beides in der Automatisierung einsetzt

McGregor beschreibt die typischen Anwendungsfälle. Simulationsmodelle dienen dazu, verschiedene Lösungen zu testen und zu entwickeln, um die beste zu finden. Sie untersuchen Gestaltungsoptionen, Layout, Betriebsgrenzen und Regelungsstrategie. Sie laufen schnell, oft schneller als in Echtzeit, und sind bei unveränderten Parametern reproduzierbar. Damit eignen sie sich für viele Experimente und für automatisierte Optimierung.

Emulationsmodelle werden eingesetzt, um die Logik des Steuerungssystems unter verschiedenen Lastbedingungen zu testen, das Steuerungsverhalten vor der Inbetriebnahme zu verifizieren und Bediener sowie Instandhaltungspersonal zu schulen. Sie laufen in Echtzeit, wobei das Steuerungssystem von außen angebunden ist.

McGregor nennt auch die Grenzen. Emulationsmodelle eignen sich schlecht für Experimente, weil sie häufig nur in Echtzeit laufen. Ein Lauf schneller als in Echtzeit führt zu Fehlern, weil sich die Timer des Steuerungssystems nicht anpassen können. Außerdem sind die Ergebnisse weniger reproduzierbar, da die Kommunikation zwischen Modell und Steuerung asynchron verläuft und vom Netzwerk und vom Betriebssystem abhängt.

Duque Anton und Co-Autoren argumentieren von der anderen Seite ähnlich. Simulation ist kosten-, ressourcen- und zeiteffizient, dafür muss jede physikalische Eigenschaft modelliert werden, was mitunter großen Aufwand bedeutet. Emulation ist von Natur aus so genau wie das Produktivsystem, sofern die Umgebung real ist, benötigt aber mehr Geräte und mehr Platz und kostet mehr. Ihr Fazit: Es gibt keine allgemeingültige Lösung, die alle Anforderungen erfüllt.

Software-in-the-Loop, Hardware-in-the-Loop und der digitale Zwilling

In Automatisierungsprojekten treffen sich die beiden Ideen in den „in the loop“-Tests. Die Herstellerseite von realvirtual beschreibt sie:

• Software-in-the-Loop: Das Steuerungsprogramm läuft als Software auf einem PC, zum Beispiel in einem PLC-Emulator, und arbeitet mit dem Maschinenmodell zusammen. Es wird keine Hardware benötigt.
• Hardware-in-the-Loop: Eine reale SPS ist über ein Netzwerk mit dem Maschinenmodell verbunden. Die reale Hardware steuert eine virtuelle Maschine an.

Beide sind Emulationen im Sinne McGregors, weil ein realer Bestandteil, der Steuerungscode oder die Steuerung, mit einem Modell des Rests zusammenarbeitet. Sie bilden den Kern der virtuellen Inbetriebnahme. Die Seite ist eine Herstellerquelle, und ihre Beschreibungen stimmen mit den oben genannten wissenschaftlichen Definitionen überein.

Ein Produktionsflussmodell ist ein anderer Fall. Fabriksimulation ist ein kontrolliertes Modell, wie Arbeit durch einen Teil einer Fabrik fließt. Es berücksichtigt aktuelle Betriebsregeln, Ressourcen, Aufträge und normale Schwankungen, sodass eine Änderung wie eine zusätzliche Schicht, eine neue Maschine oder ein kleinerer Puffer getestet werden kann, bevor sie umgesetzt wird. Keine Steuerung ist im Loop eingebunden. Es handelt sich um eine Simulation im reinen Sinne, und sie läuft weit schneller als in Echtzeit.

Ein digitaler Zwilling, also eine gepflegte digitale Repräsentation einer physischen Ressource, die anhand von Beobachtungen aktuell gehalten wird, kann in beiden Fällen als Modell dienen. Entscheidend ist nicht das Modell, sondern die Art der Nutzung: als eigenständiges Experiment, dann handelt es sich um eine Simulation, oder verbunden mit etwas Realem in Echtzeit, dann handelt es sich um eine Emulation.

Emulator oder Simulator: Was Sie wann einsetzen

Nutzen Sie dies als schnelle Orientierung. Es handelt sich um unsere eigene Zusammenfassung, nicht um einen Standard.

• Wie viel Kapazität brauchen wir, und wo liegt der Engpass? Simulation. Sie wollen viele Szenarien, und zwar schnell.
• Kann das Steuerungsprogramm einen Stau, ein fehlendes Teil oder einen Sensorfehler verarbeiten? Zuerst per Emulation, in Software.
• Erfüllt die reale Steuerung ihre Anforderungen an Timing und Schnittstellen? Hardware-in-the-Loop oder ein Test an der realen Anlage. Duque Anton und Co-Autoren schreiben, dass echte Hardware die realistischsten Ergebnisse liefert, sich aber am schwierigsten aufsetzen lässt.
• Können wir Bediener vor dem Anlauf schulen? Emulation. Ein Modell, das an das reale Bedienfeld angeschlossen ist, verhält sich so, wie es die Maschine täte.
• Welches von zwei Layouts ist besser? Simulation.

Ein einzelnes Projekt braucht oft beides. Zuerst dimensioniert eine Simulation die Linie. Anschließend testet eine Emulation das Steuerungsprogramm für genau diese Linie.

Beispiel: eine Verpackungslinie, zwei Fragen

Dies ist ein anschauliches Beispiel, kein gemessener Fall. Eine Verpackungslinie produziert 3.000 Kartons pro Stunde. Das Werk stellt zwei Fragen.

Frage 1: Erhöht ein zweiter Etikettierer die Leistung auf 3.600 Kartons pro Stunde? Dies ist eine Simulationsfrage. Ein Produktionsmodell durchläuft eine 8-Stunden-Schicht in etwa 2 Minuten, also 240-mal schneller als in Echtzeit. Das Team testet 30 Szenarien, etwa unterschiedliche Losgrößen, Puffergrößen und Stillstandsmuster. Die 30 Durchläufe dauern rund 60 Minuten. Dieselben 30 Szenarien in Echtzeit würden 30 × 8 Stunden = 240 Stunden benötigen, also 30 Arbeitstage. Echtzeittests sind für diese Frage keine Option.

Frage 2: Verarbeitet das Steuerungsprogramm einen Kartonstau am Etikettierer? Dies ist eine Emulationsfrage. Das Steuerungsprogramm läuft in einem SPS-Emulator, und das Modell übernimmt die Linie. Jeder Fehlerfall dauert in Echtzeit etwa 5 Minuten und lässt sich nicht beschleunigen, weil die Timer des Programms von der realen Zeit abhängen. Zwölf Fehlerfälle benötigen rund 60 Minuten. Das ist günstig im Vergleich dazu, einen Fehler bei der Staubehandlung erst während des Anlaufs an der realen Linie zu finden.

Beide Tests dauern zusammen etwa eine Stunde und beantworten unterschiedliche Fragen. Eine schnelle Simulation kann nicht zeigen, ob die Steuerungstimer funktionieren, und eine Emulation in Echtzeit kann an einem Tag nicht 30 Szenarien testen.

Häufige Fehler

• Die Begriffe in einer Spezifikation als Synonyme verwenden. Ein Lieferant, der "Simulation" anbietet, liefert möglicherweise nur ein reines Modell, obwohl Sie Steuerungstests benötigt hätten.
• Das Steuerungstiming anhand einer Simulation beurteilen. Ein Modell, das schneller als in Echtzeit läuft, sagt nichts über Timer und Kommunikation aus.
• Eine Emulation beschleunigen. Die Ergebnisse sind falsch, wenn die Steuerungstimer nicht mehr mithalten können.
• Überdetaillierte Modelle. Ein Modell mit jedem Kabel und jeder Schraube kostet Aufwand, den die Frage nicht erfordert.
• Dem Emulator als realer Steuerung vertrauen. Die Emulation der Steuerung ist nicht die SPS. Planen Sie eine Prüfung der Timing- und Schnittstellenfunktionen an der realen Hardware ein.
• Keine Abnahmeprüfung an der realen Linie. Ein bestandener virtueller Test senkt das Risiko. Er beseitigt es nicht.

Wie Software helfen kann

Für beide Zwecke gibt es Werkzeuge. Produktionsflussmodelle laufen in Simulationssoftware, und Steuerungstests nutzen SPS-Emulation und Maschinenmodelle. Fragen Sie den Anbieter, was in Echtzeit läuft, was real ist und was modelliert wird. Für die Softwareprüfung von Steuerungscode fragen Sie, wie Tests automatisiert und protokolliert werden, damit ein Testlauf nach jeder Änderung am Programm wiederholt werden kann. Fragen Sie nach der Schnittstelle zu Ihrer SPS-Plattform und nach dem Aufwand für den Aufbau des Modells. Software entscheidet nicht für Sie, welche Frage Sie stellen sollten. Eine klare Fragestellung ist der beste Weg, um zwischen beiden Ansätzen zu wählen.

Nächster Schritt

Notieren Sie für Ihr nächstes Automatisierungsprojekt jeden gewünschten Test als Frage und markieren Sie jede Frage mit „viele Szenarien, schnell“ oder „reale Steuerung, Echtzeit“. Nutzen Sie diese Liste anschließend, um über Simulation oder Emulation zu entscheiden, bevor Sie Angebote anfordern.