Digitalisierung Digitale Zwillinge beschleunigen Entwicklung und Inbetriebnahme

Autor / Redakteur: Christian Daniel / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Fünf Szenarien zeigen, wie eine virtuelle Komponentenbibliothek den Testaufwand im Maschinen- und Anlagenbau weiter reduzieren kann.

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Wird die Inbetriebnahme einzelner Baugruppen und der Gesamtanlage vorab mit ihren digitalen Zwillingen simuliert, lässt sich der Zeitaufwand für die reale Inbetriebnahme erfahrungsgemäß um rund 80 bis 90 % senken.
Wird die Inbetriebnahme einzelner Baugruppen und der Gesamtanlage vorab mit ihren digitalen Zwillingen simuliert, lässt sich der Zeitaufwand für die reale Inbetriebnahme erfahrungsgemäß um rund 80 bis 90 % senken.
(Bild: ISG)

Auf einen Blick

  • Die virtuellen Komponenten, Baugruppen und Anlagen bilden ihre realen Vorbilder 1:1 ab, von den Parametern über die Schnittstellen bis hin zum Steuerungsverhalten.
  • Zweierlei ist dafür nötig: ein ausgereiftes Hardware-in-the-Loop- Echtzeitsimulationssystem sowie die Komponenten und Baugruppen der jeweiligen Anlage in digitaler Form.
  • Es spricht sehr viel dafür, im Maschinen- und Anlagenbau eine gemeinsame Plattform für digitale Zwillinge zu verwenden.

Zahlreiche Maschinen- und Anlagenbauer betreiben keine eigenen Simulationssysteme inhouse, sondern greifen auf leistungsfähige Echtzeitanwendungen von Dienstleistern zurück, in denen Simulation und reale Steuerungstechnik optimal miteinander verbunden sind. Dabei werden Cloudlösungen immer beliebter, denn sie ermöglichen einen standort- und zeitunabhängigen Zugriff. Zudem können sich die Unternehmen statt auf Simulationssoftware auf ihre Kernkompetenzen konzentrieren und haben bezüglich des Simulationssystems keinen Pflege- und Wartungsaufwand. Unter diesen Bedingungen ist es nur folgerichtig, im nächsten Schritt eine Plattform aufzubauen. In diese sind das Simulationssystem, die Werkzeuge zur Erstellung digitaler Zwillinge und eine sukzessiv wachsende Bibliothek mit virtuellen Komponenten integriert. Dabei gewinnen alle Beteiligten:

  • Die Maschinen- und Anlagenbauer erhalten als primäre Nutzer der Simulationsplattform deutlich mehr Anwendungsmöglichkeiten.
  • Die Komponentenlieferanten steigern die Servicefreundlichkeit gegenüber ihren Kunden, und als Mitnutzer des Simulationssystems verbessern sie ihre Qualitätssicherung.
  • Der Anbieter der Simulationsplattform eröffnet seinen Kunden einen deutlichen Mehrwert gegenüber einem einzelnen Simulationssystem.

Eine Plattform für alle

Die folgenden fünf Beispiele zeigen die vielfältigen Wege, auf denen eine Integrationsplattform mit einer mitwachsenden, virtuellen Komponentenbibliothek die Komponenten- und Anlagenbauer unterstützt, um damit schneller, kostengünstiger und innovationsfreudiger zu sein.

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1. Vorhandenes nutzen

Die virtuellen Maschinen und Anlagen sind modular aufgebaut. Die kleinste Einheit ist die Komponente. Einmal in der Bibliothek abgelegt, lässt sie sich immer wieder neu verwenden – und das von jedem Unternehmen, das mit der Simulationsplattform arbeitet. Der Aufwand, das Bauteil zu digitalisieren, fällt nur ein einziges Mal an. Es ist zu erwarten, dass innerhalb der Nutzergemeinschaft jedes Unternehmen gelegentlich selbst liefert und gelegentlich von der Vorarbeit der anderen profitiert.

2. Für kleine und große Innovationen aus dem Vollen schöpfen

Entwicklungsarbeit ist zeit- und kostenintensiv, sie bindet Ressourcen. Insbesondere der Mittelstand legt den Schwerpunkt eher darauf, bewährte Technik weiter zu optimieren, als technologisch völlig neue Wege zu gehen. Wenn aber die Forschungs-und-Entwicklungsabteilung sicher und mit relativ geringem Aufwand mit Komponenten experimentieren kann, die bis dato im Unternehmen nicht genutzt wurden, wird sich daraus manche innovative Neuentwicklung ergeben.

3. Sich nur mit der bestmöglichen Alternative zufriedengeben

Wenn es notwendig ist, ein Bauteil oder eine Bauteilgruppe in einer Anlage durch das Produkt eines anderen Herstellers zu ersetzen, etwa weil der bisherige Lieferant nicht mehr zur Verfügung steht, so kann der Maschinenbauer nun alle in der Datenbank vorhandenen Varianten virtuell durchspielen und die technisch beste Lösung mit relativ geringem Aufwand auswählen.

4. Standardisierung senkt Kosten

Zunächst wird die Zahl der in der Bibliothek verfügbaren virtuellen Komponenten steigen, je mehr Hersteller die Simulationsplattform nutzen. Es ist allerdings anzunehmen, dass die Maschinen- und Anlagenbauer mittelfristig mehr oder weniger unbewusst einen Trend hin zur Vereinheitlichung von gleichartigen Komponenten in Gang setzen: Man greift bevorzugt auf in der Bibliothek vorhandene Komponenten zurück. Davon profitieren beide Seiten – die Komponentenhersteller und die Anlagenbauer. Schließlich sind standardisierte Bauteile in der Regel technologisch optimiert und kostengünstiger in der Fertigung.

5. Automatisierung

Die Digitale-Komponenten-Bibliothek stellt eine entscheidende Grundlage dafür dar, die Testsimulationen künftig vollautomatisiert ablaufen zu lassen. Vorab konfiguriert der Bediener mithilfe von Checklisten den Testablauf. Dann zieht das System selbstständig die entsprechenden Datensätze aus der Bibliothek und führt die Rechenprozesse durch. Die Simulation läuft komplett durch und niemand muss den Folgetest mehr manuell starten.

Selbst ist der Lieferant

In der Vergangenheit hat oft der Anbieter der Simulationssoftware für seinen Kunden die virtuellen Anlagenkomponenten erstellt. Mittlerweile übernehmen das viele Komponentenhersteller selbst. Mehr noch: Sie stellen auch selbst ihre digitalen Zwillinge in das Simulationssystem ein und nutzen so für ihre Qualitätssicherung die Prüfmöglichkeiten dieser virtuellen Welt. In der Regel fällt durch die Erstellung des digitalen Zwillings lediglich ein geringer Mehraufwand für sie an, da sie den gleichen Datensatz für die Hardwarefertigung benötigen.

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Zahlreiche Unternehmen – sowohl Lieferanten als auch Maschinen- und Anlagenbauer – sind von den Vorteilen einer gemeinsam genutzten Simulationsplattform bereits überzeugt: Sie haben sich in Gesprächen entsprechend committet und wollen mit Unterstützung der ISG ihre Komponenten, Baugruppen und steuerungsspezifischen Tools integrieren.

Die Simulationsplattform der ISG Industrielle Steuerungstechnik umfasst derzeit umfangreiche Bibliotheken für beispielsweise Robotersysteme, Antriebstechnik, Fördertechnik, Greifsysteme und Sensorik.

* Dr. Christian Daniel ist Business Manager Simulation Technology bei der ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH in 70563 Stuttgart

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