Digitale Produktionsabbildung Digital Twins – mehr als Prestigeprojekte für Großkonzerne?

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Wer Digital Twin hört, denkt meist an futuristisch anmutende Konzernprojekte. Für den Mittelstand scheint die Technologie zu teuer und praxisfern zu sein. Doch sie wird zum Standard werden. Auch KMUs sollten einsteigen – in kleinen Schritten, aber mit konkretem Nutzen.

Hochkomplexe Simulationen, die den Produktionsablauf um Millisekunden in die Zukunft projizieren, um Fehlfunktionen im Voraus zu erkennen. Oder dynamische Abbildungen der physischen Welt, die so realitätsgetreu sind, dass sie ein umfassendes Ausprobieren komplexer Parameterkonstellationen ermöglichen – von der optimalen Fertigungstemperatur bis hin zum richtigen Mischverhältnis der genutzten Materialien. Szenarien wie diese, die Produktionsabläufe optimieren, Ausschuss minimieren und hauptsächlich in großen, internationalen Konzernen realisiert werden, prägen derzeit unser Bild von der Digital-Twin-Technologie.

Die Realität im deutschen Mittelstand spiegelt diese Vorstellung jedoch kaum wider. In den Führungsetagen kleiner und mittlerer Unternehmen wird der Begriff als erklärungsbedürftig empfunden, ein konkreter, unmittelbarer Nutzen, der mit angemessenen Mitteln erreicht werden könnte, lässt sich nicht erkennen. Entsprechend wirken Hightech-Szenarien eher abschreckend und hemmend als inspirierend und nachahmenswert. Der Mittelstand befürchtet hohe Investitionen in eine aus seiner Sicht unerprobte Technologie, die sich im besten Fall erst in mehreren Jahren auszahlt, im schlimmsten Fall überhaupt nicht.

Digitale Zwillinge – so nah und doch so fern

Es besteht durchaus eine gewisse Ironie, dass digitale Zwillinge mit hoher Wahrscheinlichkeit bereits heute bei vielen Produktionsunternehmen zum Einsatz kommen, ohne dass sich diese darüber bewusst sind – vor allem, wenn sie schon erste Schritte im Umfeld von Industrie 4.0 unternommen haben. Denn Digital Twins bezeichnen im Grunde nicht mehr als das Datenabbild eines realen Assets wie einer Maschine, eines Bauteils, eines Werkstücks oder einer Person. Wer also zum Beispiel die Fertigungsdaten eines Produkts über den gesamten Bearbeitungsprozess hinweg erfasst und nachverfolgt, arbeitet bereits mit einem digitalen Zwilling.

Dass dieser nicht als solcher bezeichnet oder wahrgenommen wird, liegt unter anderem daran, dass das Konzept der digitalen Zwillinge bislang kaum standardisiert ist. Jeder Hersteller setzt auf sein eigenes Format, wie die erfassten Daten abgelegt und strukturiert werden. Entsprechend unterscheiden sich digitale Zwillinge von Szenario zu Szenario und sind untereinander ohne Weiteres meist nicht kompatibel.

Digital Twin

Der digitale Zwilling im Brownfield-Einsatz

Für die smarte Fabrik, die auf der Vernetzung aller am Fertigungsprozess beteiligten Assets ausgelegt ist, stellt das eine Herausforderung dar. Denn wenn sich Maschinen über Fertigungskapazitäten oder Zustände austauschen oder Werkstücke mit Anlagen kommunizieren sollen, müssen all diese eine einheitliche Sprache sprechen und gegenseitige Informationen unmittelbar verstehen, auch bei der Integration neuer Komponenten in das Gesamtsystem. Möglich wird dies nur, wenn die Digital-Twin-Technologie einem Standard folgt, der sich im Industriekontext etabliert – eine Entwicklung, die sich aktuell vollzieht, und zwar in Form der sogenannten Verwaltungsschale (kurz: VWS, engl. Asset Administration Shell, AAS).

Der digitale Zwilling wird Standard

Bei der Verwaltungsschale handelt es sich um eine konkrete, standardisierte Umsetzung des technologischen Konzepts des digitalen Zwillings, die damit dessen Interoperabilität und Integrationsfähigkeit sichert und das Konzept der smarten Fabrik als Ganzes voranbringt. Technisch gesehen ist eine Verwaltungsschale ein standardisiertes Format, in dem alle Daten oder Informationen zu einem bestimmten Asset abgelegt werden. Wie durch einen Datenstecker können diese Informationen dann per Schnittstelle von verschiedenen Systemen abgerufen und verwendet werden. Eine Verwaltungsschale kann sowohl als REST-API zur Verfügung gestellt werden als auch als aasx-Datei. Dabei handelt es sich um ein Open-XML-Format, welches bei Bedarf einfach entpackt werden kann, um die enthaltenen XML- oder JSON-Dateien sowie eventuell abgelegte Bilder oder PDFs einsehen zu können. Dabei können auch spezialisierte Tools unterstützen, die das Entpacken übernehmen und den Inhalt benutzerfreundlich aufbereitet zugänglich machen, wie etwa der Package Explorer, der als Open-Source auf Github verfügbar ist.

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Jede Verwaltungsschale ist in sogenannte Teilmodelle unterteilt, die jeweils Merkmale einer bestimmten Kategorie beziehungsweise Informationen für einen bestimmten Anwendungszweck gliedern. Einige Teilmodelle, die häufig zu einer Verwaltungsschale gehören, sind zum Beispiel Nameplate, Document, Bill of Material – ein Teilmodell ähnlich einer Stückliste, das jedoch weit über diese hinausgeht und den Aufbau ganzer Topologien ermöglicht – oder Contact Information, das Informationen für die Service-Kontakte beinhaltet.

Über diese Teilmodelle hinaus können beliebige weitere in die Verwaltungsschale integriert werden. Einige davon sind bereits vom Standardization Council Industrie 4.0 vereinheitlicht beschrieben. Innerhalb eines Teilmodells finden sich die Merkmale (engl. Prop für Properties), die aus einem Wert (engl. Value), dem Werttyp (engl. Value Type) und einer Semantic ID bestehen, die klar beschreibt, was das Merkmal konkret bedeutet. Außerdem kommt zum Beispiel der etablierte ECLASS-Katalog zum Einsatz, in dem tausende Werte semantisch beschrieben sind. Durch diese fest geregelte Struktur sind beliebige Verwaltungsschalen unmittelbar in der Lage, miteinander zu kommunizieren und sich gegenseitig zu verstehen.

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Smart Factory

Entsprechend wird die Digital-Twin-Technologie durch die standardisierte Verwaltungsschale in naher Zukunft einen deutlichen Schub erfahren und sich zunehmend auch in mittelständischen Werkshallen etablieren. Um die weitere Wettbewerbs- und Zukunftsfähigkeit zu sichern, gilt es daher, möglichst bald erste Erfahrungen mit der Technologie zu sammeln und eine solide Grundlage für deren Einsatz zu schaffen.

Einstiegsszenario für den Mittelstand: das digitale Typenschild

Eine sinnvolle Möglichkeit, in die Technologie einzusteigen, stellen beispielsweise die Implementierung und Nutzung eines digitalen Typenschilds für Maschinen und Anlagen dar. Dieses wird technisch als Teilmodell einer Verwaltungsschale realisiert. Es beinhaltet alle relevanten Informationen zur Maschine wie ihr Herstellungsjahr, Hersteller oder Seriennummer, verbaute Komponenten oder zugehörige Handbücher. All diese Informationen werden aus verschiedensten Quellen gebündelt und zum Beispiel über das Abscannen eines QR- oder Datenmatrix-Codes auf der Maschine oder per RFID zugänglich gemacht.

Auf den ersten Blick ist das ein simpler Anwendungsfall des digitalen Zwillings. Dennoch ermöglicht er es den Unternehmen, mit einer verhältnismäßig geringen Anfangsinvestition in die Technologie einzusteigen und erste Erfahrungen zu sammeln, während gleichzeitig ein unmittelbarer konkreter Nutzen gegeben ist: Durch die Nutzung des digitalen Typenschilds als Verwaltungsschale können Informationen aus beliebigen Quellsystemen kombiniert und somit Datensilos aufgebrochen werden. Damit lässt sich ein effizienter Datenzugriff auf alle relevanten Informationen sicherstellen – bei Bedarf auch für externe Prozessbeteiligte. Denn während es nicht zuletzt aus Sicherheitsgründen oft keine Option ist, diesen direkten Zugriff auf Daten im ERP-System zu gewähren, kann die Verwaltungsschale beliebig extern geteilt und weitergegeben werden.

Da die Daten über die Web-Schnittstelle standardisiert bereitgestellt werden, können sie leicht von verschiedenen Apps ausgelesen und auch auf jedem Display dargestellt werden. So wird eine unflexible und zeitaufwendige Papierdokumentation überflüssig. Vielmehr können die Informationen bei Bedarf dynamisch angepasst werden, sodass etwa Updates der Handbücher deutlich schneller in beliebigen Sprachen weltweit verteilt werden können, als dies via Postversand gedruckter Unterlagen möglich wäre. Generell entfällt der gerade bei kleinen oder auch günstigen Bauteilen verhältnismäßig hohe Anteil der Kosten für den Druck und Versand von Dokumentationen und Handbüchern.

Allem voran ebnet das digitale Typenschild jedoch den Weg zur umfassenden Nutzung digitaler Zwillinge in der smarten Fabrik. Nach und nach erstellen Unternehmen damit nebenbei digitale Zwillinge ihrer Maschinen, wodurch sie umfassende Vorarbeit für weitere Einsatzszenarien leisten. Darauf aufbauend können sie mittelfristig Ziele wie autonom arbeitende Maschinen, die Optimierung der Produktion oder die Erweiterung des Geschäftsmodells durch begleitende digitale Services zu verkauften Maschinen Schritt für Schritt im eigenen Unternehmen Realität werden lassen.

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Das digitale Typenschild ist damit eine niedrigschwellige Einstiegsmöglichkeit in die Digital-Twin-Technologie. Sie erfordert eine verhältnismäßig geringe Anfangsinvestition, ermöglicht es Unternehmen, sich mit der Technologie vertraut zu machen, schafft nach und nach die Grundlage für komplexere Anwendungen und bringt dabei von Anfang an einen unmittelbaren Nutzen für die Praxis mit sich.

Durch den Einstieg in Szenarien wie diese müssen kleine und mittlere Produktionsunternehmen keine Unsummen in die Planung und Umsetzung komplexer Projekte investieren, von deren Vorteilen sie erst in Jahren profitieren. Vielmehr bleibt die Digital-Twin-Technologie so nicht länger nur futuristisches Prestigeprojekt finanzkräftiger Großkonzerne, sondern wird zu einer sinnvollen technologischen Weiterentwicklung im Mittelstand und damit eine Investition in die Zukunftsfähigkeit des einzelnen Unternehmens.

* Christian Heinrich ist Digital-Twin-Experte bei Xitaso.

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