Digitale Zwillinge werden Realität

In einem durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördertem Forschungsprojekt, unter Beteiligung des Fraunhofer Institutes für Fabrikbetrieb und -automatisierung sowie der PROCAD GmbH & Co KG, Hersteller der PLM-Software PRO.FILE, wird der Einsatz von Digitalen Zwillingen und Digitalen Informationszwillingen Realität.

Entwicklungszeiten und Projektierung im Anlagenbau sind heute sequentielle Abläufe, es wird zeit- und kostenintensiv am realen Prototyp gearbeitet. Die Inbetriebnahme hat viele Korrekturschleifen und der Zusammenhang von Fehlern und Baugruppen ist oft nur durch Interpretation herzustellen. Ein »digitaler Zwilling« schafft Abhilfe, aber ohne einen »digitalen Informations-Zwilling« fehlen wichtige Produktdaten und Informationen im Prozess.

Digitale Zwillinge als 3D-Modelle leisten bei der Digitalisierung im Anlagenbau heute wertvolle Unterstützung bei Simulation und Test. In der Regel versteht man darunter ein cyber-physisches System, das Detailinformationen für Analysen bereitstellt. Diese Informationen beziehen sich jedoch allein auf das Hier und Jetzt. Ein Anlagenhersteller möchte aber auch wissen, welche Dokumente und Informationen im Zuge eines Projektes entstanden sind. Bezieht die Verwendung von digitalen Zwillingen auch den Betrieb ein, fällt eine Fülle von Informationen mit Bezug zur Anlagenstruktur der konkreten Maschine vor Ort an. Solche Informationen hält sogenannter Digitaler Informationszwilling fest, quasi das Langzeitgedächtnis der Anlage. PLM-Systeme eignen sich für den Aufbau solcher Lebenslaufakten am besten. In ihnen entsteht über die Zeit der digitale Informationszwilling der Anlage, der den digitalen Zwilling erst ermöglicht. Gerade im Falle cyber-physischer Systeme, also Systemen mit einem hohen Software und Vernetzungsanteil, wird das Tandem aus Digitalem Zwilling und digitalem Informationszwilling immer wichtiger. Auch lassen sich hierdurch neue Geschäftsmodelle (Serviceangebote) im Rahmen der Digitalisierung etablieren.

Der Anlagenbau unterteilt sich in drei wesentliche aufeinanderfolgende Tätigkeitsphasen: Akquise, Anlagenentwicklung (kundenspezifische Auslegung der Anlage) und Betrieb (zweckbestimmte Nutzung über ihre Lebensdauer). Digitale Zwillinge als virtuelle Abbilder einer Anlage werden in allen Phasen dieses Lebenszyklus eingesetzt. In der Entwicklung können am Zwilling alle späteren Funktionen inklusive der Steuerungsprogramme (SPS) entsprechend der realen Steuerung simuliert werden. Während der Inbetriebnahme sowie anschließenden Produktion wird der Zwilling unter Verwendung aktueller Maschinendaten neben der realen Anlage betrieben, um an ihm Systemverhalten nachzuempfinden zu können.

Die Aufgaben eines digitalen Zwillings fallen also unterschiedlich aus, je nachdem in welcher Phase er eingesetzt wird. Der digitale Zwilling als virtuelles Anlagenmodell bildet die aktuellen Anlagenzustände und greift hierfür auf die Strukturen, Dokumente und Modelle des digitalen Informationszwillings zurück.

Reale Anlage im PLM-System

Ein solches Konzept aus digitalem Zwilling und digitalem Informationszwilling wurde in den letzten zwei Jahren im Industrie-4.0-Forschungsprojekt »CPPSprocessAssist« entwickelt, das am Magdeburger Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF angesiedelt ist. Der digitale Informationszwilling wurde dabei durch die PLM-Software PRO.FILE von PROCAD abgebildet. Ziel des mit rund zwei Millionen Euro geförderten Projektes ist es, konkret und real aufzuzeigen, wie das Zusammenspiel von Digitalem Zwilling und Digitalem Informationszwilling die Anlagenverfügbarkeit im Betrieb steigern kann. Hierzu entstanden ein Assistenzsystem auf Basis cyber-physischer Produktionssysteme, das aus Modulen zur Prozesskonformität und Sensorik besteht, und ein auf Basis PRO.FILE abgebildetes paralleles Informationsmanagement.

Das PLM-System als digitaler Informationszwilling unterfüttert den digitalen Zwilling. Es stellt alle Informationen von der Entwicklung über die Projektierung bis über die Inbetriebnahme hinaus zur Verfügung und dokumentiert in der Betriebsphase alle Bauzustände der Anlage lückenlos mit. Besondere Rolle kommt in diesem Zusammenhang dem Betriebsmittelkennzeichen (BMK) zu, einer konkreten Bauteilnummer (ID) jedes einzelnen Anlagenteils, zum Beispiel eines Motors bei einem bestimmten Kunden. Über das BMK ist der eindeutige Zugriff auf Teile und Dokumentationen möglich. Beim Aufbau eines digitalen Zwillings muss dieses möglichst früh vergeben werden, um die späteren Prozesse zu beschleunigen und die verschiedenen Disziplinen M-CAD, E-CAD und Steuerungsprogramm frühzeitig zu parallelisieren.

Betriebsmittelkennzeichen wird in der PLM-Software vergeben

In der PLM-Software kann der Konstrukteur das BMK vergeben; damit ist dort nicht nur die entwickelte Anlage, sondern die reale abgebildet. Entlang der Anlagenstruktur/Bill of Material (BOM) werden alle Daten, Dokumente und Informationen über die Anlage zentral im Product Data Backbone des PLM abgelegt und stehen on demand zur Verfügung. Die Speicherung der BMK erfolgt direkt am Teilestamm. Die Dokumentation ist damit konform zu DIN EN 77005 (Lebenslaufakte) und kann entlang der Inbetriebnahme und des Betriebs ergänzt werden.

Entwicklungszeiten und Projektierung im Anlagenbau sind heute zumeist sequentielle Abläufe und bedürfen intensiver Kommunikation und Abstimmung zwischen den einzelnen Abteilungen. Der Konstrukteur übergibt dem Automatisierer sein »starres« Werk, der es dann zum Leben erwecken und sich dafür in die Gedankenwelt des Konstrukteurs hineinversetzen muss. Die Anlage wird real als Prototyp 1:1 aufgebaut, um Funktionen und Kinematik testen zu können. Nicht selten gibt es dann ein böses Erwachen, wenn sich herausstellt, dass durch fehlende Abstimmung etwas nicht zu funktioniert wie vorgesehen.

Steuerungscode im Kinematisierungstool generiert

Deshalb wurde im Forschungsprojekt ein eigen entwickeltes Tool für die Kinematisierung eingesetzt: »VINCENT« (= Virtual Numeric Control Environment). Es setzt auf dem PLM-System auf, lädt aus diesem 3D-CAD-Modelle über das Step-Austauschformat und ermöglicht das virtuelle Vorführen der Abläufe durch die Bewegung der Anlagenelemente aus dem CAD anhand von Zeit, Ort, Geschwindigkeit und Beschleunigung. Bauteile werden zu Baugruppen und kinematischen Modellgruppen zusammengeführt und CAD-Komponenten werden kinematischen Strukturen (Körper, Achsen, Verbindungen) zugeordnet. VINCENT übernimmt zudem Modelloptimierungen (Simulationsfallverwaltung) und ergänzt den Zwilling um Zusatzelemente wie Werkzeugsysteme, Sensorik und Kameras.

Bestehende Anlagenmodule werden permanent geändert – dies muss dokumentiert werden. Wird die Geometrie im CAD-System geändert, wird diese Änderung per Stepfile nach VINCENT überführt. Mittels Kinematisierung wird überprüft, ob die Änderungen durchführbar und die neuen Abläufe kollisionsfrei möglich sind. Die Simulationsergebnisse (Protokolle, Dokumentation, BMK) gibt der digitale Zwilling an den Informationszwilling zurück. Die Änderung ist somit rückwärts dokumentiert, ohne dass sie real durchgeführt wurde. Eine Änderung der Steuerung wird im digitalen Zwilling simuliert, indem sich VINCENT dazu die CAD-Daten aus dem PLM-System lädt. Nachdem diese Simulationsergebnisse zurückgegeben wurden, wird die neue Steuerungssoftware an die Produktion beziehungsweise die Anlage selbst übergeben.

Inbetriebnahmezeiten um bis zu 70 % reduziert

Die Kinematisierung ist entscheidend im Zusammenspiel zwischen Konstruktion und Steuerungsprogrammierung, die traditionell autark arbeiten. Indem die starre Konstruktion in das Kinematisierungstool geladen wird, lässt sich die Anlage rein virtuell in Bewegung setzen. Der Konstrukteur kann die Funktionsweise spielerisch beschreiben, sie dem Kunden vorführen und schafft die Grundlage für den Automatisierer. Direkt im Kinematisierungstool kann bereits der Steuerungscode generiert werden, was dem Automatisierer einen großen Teil seiner Fleißarbeit abnimmt. Damit verringert man Missverständnisse, kann sicheren Code generieren und zur Verfügung stellen. Das Fraunhofer IFF hat das System im 24×7-Echtbetrieb bei verschiedenen Sondermaschinenbauern getestet und konnte dabei eine Reduzierung der Inbetriebnahmezeiten von bis zu 70 % und bei Entwicklung/Programmierung von bis zu 50 % feststellen.

Um solche Änderungsprozesse im Unternehmen begleiten zu können, ohne jedes Mal wieder von vorne anzufangen, bedarf es eines Aufgabenmanagements. Hierzu stellt PROCAD mit dem Produkt PRO.CEED einen entsprechenden Aufsatz bereit, der Arbeitsabläufe durch Aufgaben- und Prozesssteuerung unterstützt.

Was die Phasen im Anlagenbau angeht, so setzt VINCENT ab der späten Anlagenplanung an. Bei der Erstellung des virtuellen Grobkonzepts heißt das: Anforderungen werden nicht in einem Text formuliert, sondern gleich simuliert. Weitere Einsatzbereiche für digitale Zwillinge der beschriebenen Art sind das disziplinübergreifende Engineering (bessere Zusammenarbeit von Mechanik, Elektrik, Elektronik und Software), Montageunterstützung, Inbetriebnahme und Betriebsassistenz.

Fazit

Ein mit Hilfe historischer Daten aus dem Informationszwilling kinematisierter digitaler Zwilling stellt ein virtuelles Abbild der Anlage zur Verfügung und erlaubt, alle späteren Funktionen dort zu simulieren. Änderungen an der Geometrie der Anlage können umfassend digital bearbeitet werden, inklusive einer kinematischen Betrachtung am digitalen Zwilling und unter automatischer Erzeugung des Steuerungscodes. Änderungen für die Produktion werden automatisch ausgegeben sowie an den digitalen Informationszwilling zurückgespielt. Mit diesem Konzept wurde im Forschungsprojekt des Bundesministeriums für Bildung und Forschung die technische Basis geschaffen für planbaren, schnellen Service als wichtigen Bestandteil von Industrie 4.0. Konzept und Nutzung des digitalen Informationszwillings werden real verständlich und bereits heute einsetzbar.

Frank Zscheile, IT-Journalist

 

Die PROCAD GmbH & Co. KG ist ein Softwarehersteller von Plattform-Lösungen für die Digitalisierung des Mittelstandes im Bereich Product- and Document Lifecycle Management. Die Mission von PROCAD ist es, mit den konfigurierbaren Produkten PRO.FILE, PRO.CEED und PROOM sowie einem für den Mittelstand passenden Implementierungsansatz wirksame Strategien für die Digitalisierung, vor allem im Maschinenbau und Anlagenbau, zu ermöglichen. Das Karlsruher Unternehmen ist seit 1985 am Markt und beschäftigt über 140 Mitarbeiter/innen. Mehr als 700 technische Unternehmen setzen bereits erfolgreich auf PROCAD-Software für PDM, PLM und DMS.

 

Digital Twins: Wie der Kundenservice vom digitalen Zwilling profitiert

Ein Interview mit Manuel Grenacher, CEO der Coresystems FSM AG, über die Potenziale der Digitalisierung im Service. Bitte erklären Sie kurz, was ein »Digitaler Zwilling« beziehungsweise »Digital Twin« ist. Kurz gesagt bilden »digitale Zwillinge« eine Anlage im Computer nach. Im Idealfall werden dazu Daten aus der Engineering-Phase – von 3D-Modellen bis zu Detailinformationen verbauter Komponenten…

Digitalisierung und Industrie 4.0: So startet Ihr Unternehmen erfolgreich durch

Die Digitalisierung und die Industrie 4.0 gehören aktuell zu den meist diskutierten Themen, genauso wie die Online-Casinos wie beispielsweise netbet. Jedoch ist es oft schwer, einen genauen Überblick zu bekommen. Besonders schwierig ist es, die für das eigene Unternehmen richtigen Schritte aus der Fülle an Informationen abzuleiten. In diesem Artikel verschaffen wir Ihnen einen strukturierten…

Je mehr Roboter, desto mehr Arbeitsplätze – Wozu wir digitale Fabriken brauchen

Die Digitalisierung nimmt auch in der Politik Fahrt auf: Drei Milliarden Euro will die Bundesregierung bis zum Jahr 2025 in die Erforschung der Potenziale von künstlicher Intelligenz (KI) investieren. Die neue Strategie »KI made in Germany« soll Deutschland zum Weltmarktführer machen.   Für Unternehmen sind solche Summen für Forschung und Entwicklung (F&E) eher Unterkante. Die…

Siemens verwirklicht mit Digital Enterprise die Vision von Industrie 4.0

Stunde der Umsetzung von Industrie 4.0 ist gekommen: Fokus auf Branchenlösungen MindSphere – das cloudbasierte, offene IoT-Betriebssystem: konsequenter Ausbau mit neuen Partnern und weiteren Lösungen Diesjähriges Motto: »Digital Enterprise – Implement now!«   Siemens präsentiert das kontinuierlich weiterentwickelte Digital-Enterprise-Portfolio für die Industrie 4.0. »Die technischen Voraussetzungen dafür haben wir mit unserem durchgängigen Lösungsangebot geschaffen. Mit…

Vision 2022: Digitale Trends verändern Arbeitswelt in der industriellen Produktion deutlich

Detecon-Analyse »FutureWork@Production« nennt relevante Technologien und zeigt Auswirkungen auf die Arbeitsplätze und Mitarbeiter in der Produktion. Als wichtigste Trends wurden smarte und personalisierte Arbeitsplätze, virtuelle Simulation und virtuelle Kollaboration identifiziert. Neue Website fasst alle Ergebnisse der Analyse nach Produktionsbereichen zusammen. Smarte Arbeitsplätze, virtuelle Simulation und virtuelle Kollaboration – Digitaltrends wie diese werden die industrielle Produktion…

Automobilproduktion 2020: Die wichtigsten Digitaltrends in der Montage

Mensch und mobile Roboter arbeiten eng zusammen, ohne durch Schutzzäune getrennt zu sein. Datenbrillen und andere digitale Assistenten unterstützen den Arbeiter in Echtzeit. Durchgängiger Datenaustausch ermöglicht die synchrone Echtzeit-Abbildung aller Vorgänge in der virtuellen und realen Welt. Die Montage von Fahrzeugen ist noch weitgehend Handarbeit. Komplexe Arbeitsvorgänge haben den Automatisierungsgrad in diesem Fertigungsbereich bisher gering…

Studie: Lieber Toilette putzen als Kundenservice kontaktieren

Viele Deutsche sind von ihren Erlebnissen mit dem Kundenservice alles andere als begeistert. Die meisten Unternehmen glauben dagegen, dass es um ihren Service gut bestellt ist. Diese Diskrepanz zeigt eine aktuelle Studie von Pegasystems [1]. Für die Studie mit dem Titel »The good, the bad, the ugly: 2019 Global Customer Service Insights« befragte das Marktforschungsunternehmen…

Zukunftsfähigkeit: Unternehmen brauchen eine flexible IT-Plattform für die Fertigung

Industrie 4.0: Aller Anfang ist einfach mit einer schlüsselfertigen, offenen IT-Plattform. Analyse, Feinplanung, Rückverfolgung – mit vorinstallierte MES Apps schnell profitieren. Warum Alexa, Cortana & Co. jetzt auch Maschinen verstehen.   Die Hannover Messe 2019 hat es gezeigt: Fertigende Unternehmen wünschen heute eine IT-Lösung, die sicherstellt, dass sie auch in Zeiten des industriellen Internets der…

Predictive Maintenance: Den Lebenszyklus von Industriebatterien im Fuhrpark intelligent verlängern

Für die Industrie sind zuverlässig funktionierende Transportfahrzeuge in der Intralogistik die Voraussetzung für wirtschaftliches Arbeiten. Da immer mehr Software, Elektronik und damit auch Batterien in den Geräte- und Maschinenpark Einzug halten, steigt der Aufwand für Wartung, Reparatur und Management der Batterien. Ein intelligentes Batteriemanagement kann dabei helfen, die Kosten und Ausfallzeiten zu verringern.   Intelligente…

30-prozentige Zunahme bei Datenverlusten von Verbrauchern

Trotz zunehmender Raffinesse und Kosten durch Ransomware, Cryptojacking und Social-Engineering-Angriffe wissen 50 Prozent der Verbraucher nichts über diese Online-Bedrohungen.   Im Vorfeld des World Backup Days am 31. März gibt Acronis aktuelle Ergebnisse einer Umfrage zum World Backup Day über die Datensicherungsgewohnheiten von Verbrauchern auf der ganzen Welt bekannt [1]. Demnach erklärten 65,1 Prozent der Verbraucher, dass sie…

Europäische Unternehmen ignorieren beim Daten-Backup die Cloud

Daten, Daten, Daten! Nur wohin damit, wenn es um deren Schutz geht? Die Cloud scheint bei europäischen Unternehmen kein adäquate Backup-Lösung zu sein. Sie vertrauen in der Mehrheit immer noch ganz traditionell auf Plattformanbieter wie Microsoft, um ihre Daten zu schützen. So offenbart es eine aktuelle Studie von Barracuda Networks, die die Antworten von 432…

Plattformen: Service wird nur mit Vertrauen und Transparenz erfolgreich

Kunden drängen immer häufiger auf Plattformen, um Dienstleistungen oder Produkte in Anspruch zu nehmen. Das Angebot an Plattformen wird gleichzeitig auch immer größer. Und Kunden nehmen sogar eine aktive Rolle ein, wenn sie mit Unternehmen gemeinsam auf Kollaborationsplattformen an der Weiterentwicklung von Produkten und Services arbeiten. Vertrauen und Transparenz sind dabei der Schlüssel zum Erfolg,…

Konvergenz treibt Wettbewerbsfähigkeit und Innovation an

Welche Themen, Technologien und Trends sind in 2019 wichtig? Wohin geht die Entwicklung innovativer Produkte und Lösungen? Die Weltwirtschaft steht am Wendepunkt. Die jährliche Umfrage von Vector zeigt die wichtigsten Herausforderungen in der Produktentwicklung, branchenübergreifend und mit weltweitem Fokus. Vector hat über 2.000 Entscheider befragt und die Ergebnisse mit Empfehlungen aus Beratungsprojekten angereichert. Die Umfrageteilnehmer…

Weitere Artikel zu