Digitaler Zwilling Der Digitale Zwilling – die Schlüsselkomponente für Industrie 4.0

Autor / Redakteur: Somayeh Malakuti, Jan Schlake, Sten Grüner, Dirk Schulz, Ralf Gitzel, Johannes Schmitt, Marie Platenius-Mohr, Philipp Vorst, Kai Garrels / Ute Drescher

Daten einfach erfassen und austauschen, Zugang zu vielfältigen Informationen und eine beispiellose Interoperabilität – möglich macht's der „digitale Zwilling“. Gründe genug für einen Blick auf die neuesten Entwicklungen in der Welt der digitalen Zwillinge.

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Seit dem Aufkommen des IIoT verändert sich die Welt der Fertigung grundlegend. Eine Schlüsselkomponente dieser Entwicklung ist der digitale Zwilling.
Seit dem Aufkommen des IIoT verändert sich die Welt der Fertigung grundlegend. Eine Schlüsselkomponente dieser Entwicklung ist der digitale Zwilling.
(Bild: ABB)

Die Definition eines digitalen Zwillings entwickelt sich ständig weiter [1]. Daher ist es hilfreich, den aktuellen Stand der Forschung auf diesem Gebiet, die Arbeit der deutschen „Plattform Industrie 4.0“ sowie einige Anwendungsszenarien näher zu betrachten, in denen der digitale Zwilling als Schlüsselelement zum Einsatz kommt.

Definition: Was ist ein digitaler Zwilling?

Die Entwicklung der Definition eines digitalen Zwillings (basierend auf [1]).
Die Entwicklung der Definition eines digitalen Zwillings (basierend auf [1]).
(Bild: ABB)

Bildergalerie

Zunächst galt ein digitaler Zwilling als eine Reihe von realitätsnahen mathematischen Modellen, die das Verhalten von realen Assets (z. B. physische Geräte, Anlagen und Dienste) so genau wie möglich widerspiegeln (im Bild links). Diese Auffassung wurde dann um die simulierten und sichtbaren dynamischen 3-D-Modelle realer Assets erweitert (im Bild Mitte).

Zurzeit wird der Begriff digitaler Zwilling definiert als „ein sich entwickelndes digitales Profil des historischen und aktuellen Verhaltens eines physischen Objekts oder Prozesses, das dabei hilft, die betriebswirtschaftliche Leistung zu optimieren. Der digitale Zwilling basiert auf umfangreichen, kumulativen Echtzeit-Datenmessungen, die dimensionsübergreifend in der realen Welt vorgenommen werden“ [3].

Diese Informationen werden durch Metadaten, Eigenschaften und Dokumente wie Berichte, Dokumentationen oder betriebliche Verfahrensweisen ergänzt, die in allen Lebenszyklusphasen des Assets erstellt werden. Der wahre Wert eines digitalen Zwillings zeigt sich jedoch erst in der Interaktion mit anderen digitalen Zwillingen oder Softwaretools.

Interaktion zwischen verschiedenen digitalen Zwillingen.
Interaktion zwischen verschiedenen digitalen Zwillingen.
(Bild: ABB)

Während der digitale Zwilling am Standort eines Herstellers verschiedene Modelle für das Design und die Fertigung eines Produkttyps enthält, beinhaltet der digitale Zwilling auf der Kundenseite verschiedene Modelle zum Kauf, zur Installation, zum Betrieb, zur Instandhaltung und zur Entsorgung der Produktinstanzen. Der Datenaustausch zwischen digitalen Zwillingen vervollständigt das Bild für beide beteiligten Parteien.

Digitale Zwillinge im Lebenszyklus von Industrie-4.0-Anlagen

Der digitale Zwilling ist ein Schlüssel zu den Vorteilen der Industrie 4.0, denn er bindet Informationen an die einzelnen Assets einer Anlage. Durch kontextspezifische Informationen, die zur richtigen Zeit an der richtigen Stelle zur Verfügung stehen, werden neue Anwendungsszenarien möglich, die mit statischen und daher allgemeinen Dokumentationen und Daten nicht möglich sind.

Das Bild verdeutlicht die Vision von ABB für die Planung, den Bau und den Betrieb von Industrie-4.0-Anlagen und die Rolle des digitalen Zwillings in jeder Phase:

  • 1. In Schritt 1 muss ein vollständiges digitales Modell basierend auf den Ergebnissen der Planungsphase entwickelt werden (was bei der Industrie 3.0 nicht der Fall ist). Implizites Wissen und Annahmen der Planungsingenieure werden explizit modelliert und im digitalen Zwilling der Anlage gespeichert. Die erforderlichen Geräte werden von Menschen aus einer digitalen Rollenbibliothek gewählt und mit dem digitalen Zwilling der Anlage verknüpft. Die Rollen sind abstrakt und hardwareunabhängig. In späteren Phasen werden einige der spezifizierten Rollen von realen Geräten erfüllt.
  • 2. In Schritt 2 sind die Kataloge der Hersteller mit verfügbaren Produkttypen elektronisch zugänglich und können über standardisierte Schnittstellen eingesehen werden. Diese Kataloge enthalten die digitalen Zwillinge von Produkttypen, die alle Aspekte des Lebenszyklus der Typen abdecken und eine Standardschnittstelle für den Zugang zu den Informationen bereitstellen.
  • 3. In Schritt 3 werden die gewählten Produkttypen instanziiert und die damit verbundenen Informationen (Kennung, Parameter usw.) in die digitalen Zwillinge der Produktinstanzen eingebunden. Die digitalen Zwillinge der Produktinstanzen werden in den digitalen Zwilling der Anlage eingebunden und mit den jeweiligen digitalen Zwillingen der Produkttypen verknüpft. Bei jedem Schritt werden Informationen ergänzt, und der digitale Zwilling eines Assets reift während des Lebenszyklus einer Anlage. Die digitalen Zwillinge von Produktinstanzen können z. B. für Simulationen und Tests auf Basis der Anlagentopologie genutzt werden. Die Ergebnisse der Simulationen werden wiederum im digitalen Zwilling der Produktinstanzen verwaltet.
  • 4. In Schritt 4 werden die realen Produkte mithilfe des digitalen Zwillings von Produktinstanzen bestellt. Dabei werden auftragsrelevante Teile des digitalen Zwillings an den Produktanbieter kommuniziert. Das Produkt wird dann später in die Anlage integriert, konfiguriert, getestet und in Betrieb genommen. In dieser Phase werden die digitalen Zwillinge um Installations- und Inbetriebnahmeinformationen, die Platzierung von Geräten, Seriennummern usw. ergänzt.
  • 5. In Schritt 5 werden die digitalen Zwillinge einzelner Produktinstanzen sowie der Anlage um Betriebs- und Wartungsinformationen ergänzt. Dazu gehören z. B. Echtzeit-Parameter, Funktionszustände und die Anzahl der Ausfälle. Bei der „Plattform Industrie 4.0“ [6] organisiert der digitale Zwilling (der dort als „Verwaltungsschale“ bezeichnet wird) Informationen für Anwendungsszenarien in jeweils ein entsprechendes Teilmodell, das Merkmale, Dateien, Methodenaufrufe, externe Verbindungen oder andere Daten für genau dieses Szenario enthält.

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