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Hannover Messe 2017

Der virtuelle Zwilling steuert die Produktion

| Redakteur: Julia Moßner

Smarte Fabrik: Bearbeitete Rohlinge werden auf ein fahrerloses Transportsystem (FTS) gehoben.
Smarte Fabrik: Bearbeitete Rohlinge werden auf ein fahrerloses Transportsystem (FTS) gehoben. (Bild: Fraunhofer IPK)

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Mit einer neuen Anwendung des sogenannten digitalen Zwillings will das Fraunhofer-Institut IPK auf der Hannover Messe 2017 die Fachwelt begeistern. Der digitale Zwilling bildet den gesamten Produktionsprozess ab und ermöglicht jederzeit den direkten Eingriff in die Fertigung. Dadurch verschmelzen reale und virtuelle Produktion zu einem sich selbst steuernden Gesamtsystem.

Das Konzept des digitalen Zwillings ist nicht grundsätzlich neu. So lassen sich solche virtuellen Klone beispielsweise für die Simulation von Vorgängen nutzen. „Heute werden Bauteile von Maschinen so designed wie wir es gewohnt sind, künftig werden sie so designed wie es durch Simulation ausprobiert wurde“, erläuterte Dr. Wolfgang Heuring, CEO der Siemens-Geschäftseinheit Motion Control, in einem Interview, das MM Maschinenmarkt auf der AMB 2016 führte.

Produktivität in der Fertigung durch Datennutzung erhöhen

Digitaler Zwilling

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22.12.16 - Fehler begehen ohne Reue, ohne Risiko ausprobieren, wo es klemmen könnte – das sind einige der Vorteile, die mit der zunehmenden Digitalisierung einher gehen. AMB-Aussteller Siemens bringt dafür den digitalen Zwilling mit ein. lesen

Digitaler Zwilling bildet reale Produktionsstätte ab

Das Konzept des digitalen Zwillings haben Forscher am Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK aufgegriffen - mit dem Ziel, diesen das virtuelle Abbild für die die effiziente Steuerung von Produktionsanlagen einer kompletten Fabrik zu nutzen. Die reale Produktionsstätte wird vollständig auf digitaler Ebene nachgebildet. Es entsteht ein virtueller Zwilling, der nicht nur die Produktionsanlage mit allen Maschinen visualisiert, sondern auch die dynamischen Abläufe und das Verhalten der Systembestandteile während der Fertigung in Echtzeit wiedergibt.

Im virtuellen Zwilling lässt sich der Fertigungsprozess detailliert beobachten. Zahlreiche Sensoren geben den Betriebsstatus der einzelnen Arbeitsstationen laufend an das System weiter. Für die Steuerung der Produktion eröffnen sich somit neue Möglichkeiten. Die Produktionsplaner können den Herstellungsprozess im virtuellen Abbild analysieren und dann gegebenenfalls einzelne Schritte optimieren oder neu organisieren.

System reagiert intelligent auf Änderungen

Das Konzept des digitalen Zwillings geht jedoch weit über ein reines Abbilden der realen Produktionsanlage hinaus. Tatsächlich funktioniert das System bidirektional. Denn auch auf der virtuellen Ebene kann man eingreifen und Änderungen vornehmen, die sich sofort simulieren lassen. Änderungen in der realen Anlage können ebenfalls in den digitalen Zwilling eingespielt werden.

So könnte der Produktionsleiter bei Bedarf weitere Maschinen für die Bearbeitung eines Werkstücks aktivieren oder einen zusätzlichen Arbeitsschritt einbauen – etwa dann, wenn eine Sonderanfertigung beauftragt wurde. Der Clou: Die Fertigung muss dazu nicht gestoppt und neu konfiguriert werden; vielmehr reagiert das System intelligent auf jede Änderung und organisiert sich selbst neu.

Reale und digitale Produktion verschmelzen

Durch die Verschmelzung von realer und digitaler Produktion entsteht ein Gesamtsystem, das sich im laufenden Betrieb selbst überwacht, steuert und korrigiert. Maschinen und Software kommunizieren miteinander und halten so die Produktion in Gang. Sollte es beispielsweise zu einer Störung kommen, weil ein Aggregat ausfällt, entscheidet das System selbstständig, wie das Problem zu beheben ist. Der verantwortliche Produktionsleiter sieht dann zwar die Änderung in der Produktion, muss aber nicht selbst eingreifen.

Über den digitalen Zwilling, den die Anlage kontinuierlich mit Daten füttert, lässt sich zudem die Qualität der Werkstücke und des Endprodukts laufend kontrollieren. Auch die Produktion einer Kleinserie mit individualisierten Einzelstücken wäre mithilfe dieses Konzepts schnell zu realisieren, ohne dass die Gesamtproduktion auch nur minimal beeinträchtigt würde. Selbst die Herstellung von Einzelstücken (also die Losgröße-1-Produktion) wird durch den Einsatz von Produktmodellen für die Generierung von Produktionsmodellen (beispielsweise NC-Code) denk- und machbar.

Fertigungsanlagen schneller planen

Ein weiterer Vorteil: Der virtuelle Zwilling lässt sich auch bereits bei der Konzeption und beim Bau der Produktionsanlage einsetzen. Noch bevor das erste reale Werkstück in die Bearbeitung geht, kann man den Produktionsablauf simulieren und so Schwachstellen finden und beseitigen. Das beschleunigt die Planung und erleichtert die Inbetriebnahme einer neuen Produktionsanlage.

Um das ambitionierte Konzept realisieren zu können, hatten die Fraunhofer-Experten eine ganze Reihe technischer Herausforderungen zu meistern. Viele der Techniken und Anwendungen für den digitalen Zwilling waren noch nicht verfügbar, weshalb sie eigens entwickelt werden mussten. „Wir wollen gänzlich auf proprietäre Komponenten verzichten und bei allen Schnittstellen hundertprozentig kompatibel mit Industriestandards sein. Gleichzeitig darf das System nicht zu teuer werden, die Investition soll sich schließlich für das Unternehmen schnell amortisieren“, erläutert Prof. Dr.-Ing. Rainer Stark, Projektleiter am Fraunhofer IPK.

Kombination aus physischen und virtuellen Sensoren

Als Highlight führt Projektleiter Stark die verwendete Sensortechnik an. Zum Einsatz kommt eine Kombination aus physischen und virtuellen Sensoren. Dabei verarbeiten virtuelle Sensoren die Messdaten zu komplexen Reports über den Status der Anlage. Ein technisches Kernstück ist außerdem die Datenübertragung. Sie ist innerhalb der Produktionsanlage und zum Kontrollzentrum hybrid ausgelegt. Es kommen also sowohl klassische Funkstandards wie WLAN und LTE als auch Industriestandards wie Ethercat zum Einsatz.

Die Technik lässt sich nach Aussagen der Fraunhofer-Forscher beliebig skalieren und wäre damit in der Lage, sowohl einzelne Anlagen zu steuern, als auch eine ganze Fabrik. Grenzen setzen lediglich Rechnerleistung und Netzwerkkapazitäten. Eine limitierende Randbedingung stellt außerdem der jeweils nötige Aufwand bei der Modellierung und der Detailtreue beziehungsweise Granularität des digitalen Zwillings dar.

Keine Chance für Hacker

Sogar an das – gerne mal vernachlässigte – Thema Sicherheit haben die Berliner Forscher gedacht. Das ganze System bewegt sich innerhalb eines separaten internen Netzwerks, das durch eine Firewall und streng kontrollierte Freigabe einzelner Ports geschützt wird. Wie das alles funktioniert, demonstriert das IPK vom 24. bis 28. April auf der Hannover Messe in Halle 17. Die dort gezeigte Anlage produziert Getränkeuntersetzer, die jeweils individualisiert angefertigt werden.

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