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Flexibler produzieren mit dem Digital Twin

Viele Unternehmen denken darüber nach, wie sie mit Hilfe digitaler Techniken ihre Produktionsprozesse effizienter gestalten können, um ihre Wettbewerbsfähigkeit zu stärken. Im Mittelpunkt dieser Überlegungen steht der Digital Twin als Bindeglied zwischen digitaler Planungs- und realer Produktionswelt. Kernanforderung an einen digitalen Zwilling zur Unterstützung von Industrie-4.0-Initiativen ist die Fähigkeit, Massendaten aus unterschiedlichen Quellen in Echtzeit zu verarbeiten.

Mit einer Exportquote von 79 Prozent ist der deutsche Maschinen- und Anlagenbau von den internationalen Handelsstreitigkeiten besonders betroffen. Der VDMA hat aufgrund der damit verbundenen Verunsicherung der Marktteilnehmer seine  Produktionsprognose für das laufende Jahr von zwei auf ein Prozent gesenkt. Gleichzeitig nimmt der Kostendruck aufgrund der Globalisierung weiter zu. Insbesondere die Chinesen drängen mit immer hochwertigeren Produkten auf den europäischen Markt. Die deutschen Maschinen- und Anlagenbauer müssen deshalb nicht nur ihre Produkte kostengünstiger herstellen, sondern auch versuchen, sich durch neue daten-basierte Mehrwertdienste und Geschäftsmodelle von der Konkurrenz abzuheben.

Die positive Nachricht ist, dass die Maschinen- und Anlagenbauer den konjunkturellen Dämpfer offensichtlich nutzen wollen, um den digitalen Wandel voranzutreiben. Der Anteil der Unternehmen, die eine Digitalisierungsstrategie für Produkte, Services und Prozesse definiert haben, ist laut einer VDMA-Studie in den letzten beiden Jahren von 21 auf 40 Prozent gestiegen. Die Unternehmen machen nicht nur ihre Maschinen Industrie-4.0-fähig, sondern entwickeln auch neue Geschäftsmodelle. Vor diesem Hintergrund versteht sich das wachsende Interesse am Einsatz von Digitalen Zwillingen.

Im Kontext von Industrie 4.0 geht es im Wesentlichen um den Digital Twin der Produktion, wobei die Grenzen zum Product Twin fließend sind: Aus Sicht des Herstellers ist auch eine Maschine zunächst mal ein Produkt, das vielleicht um datengetriebene Services ergänzt werden soll. Für den Käufer hingegen ist sie Teil seiner Produktionsanlage, die er überwachen und effizienter steuern möchte. Maschinen- und Anlagenbauer sollten das Thema Digital Twin deshalb immer aus zwei Perspektiven betrachten: als potenzieller Nutzer und als Anbieter von digitalen Zwillingen und darauf aufbauenden Mehrwertdiensten für die Produktionsprozesse ihrer Kunden. Gerade die zweite Perspektive wird immer wichtiger: In drei bis fünf Jahren kauft kein Mensch mehr Maschinen, die keinen Digital Twin haben, prognostizieren Experten wie Karl-Heinz Streibich, Präsident der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften (acatech).

Fertigungskontext berücksichtigen

Der Begriff des Digital Twins wird zunehmend inflationär für jedes Simulationsmodell eines physischen Objekts verwendet, wie Mathias Stach, Geschäftsführer der Digital Twin Company ASCon Systems sagt: „Für uns ist der digitale Zwilling nur dann ein echter Zwilling, wenn er sowohl den digitalen Planungsprozess, als auch den realen Produktions- oder Logistikprozess mit allen beteiligten Anlagen, Werkzeugen, Fördertechnik, Aktuatoren und Sensoren virtuell abbildet. Vor allem aber muss er den semantischen Kontext kennen, das heißt das Verhalten der Anlage und die Abhängigkeiten der Komponenten zueinander. Sonst können wir allenfalls simulieren, aber nicht steuernd eingreifen, wenn z. B. Qualitäts- oder Prozessparameter aus dem Ruder laufen.“

Ohne Kenntnis des semantischen Kontexts können weder der Produkt-, noch der Produktions-Zwilling Steuerungsaufgaben übernehmen, weil sie nicht wissen, wie die Sensorsignale zu interpretieren sind. Dieser Kontext erschließt sich nicht automatisch aus den Sensordaten, so groß die Datenmengen und so intelligent die Algorithmen der Datenanalyse auch sein mögen. Das Kontextmodell legt fest, was die betreffende Anlage eigentlich tun soll und schlägt damit die Brücke zur digitalen Planungswelt, die sich normalerweise im PLM-Umfeld abspielt. Es gibt immer einen Schnittpunkt in die Welt der Produktdaten, wie Stach erläutert, denn in den digitalen Zwilling müssen notwendigerweise die Stücklisten-Informationen des zu fertigenden Produkts eingebunden werden.

Der Digital Twin einer Produktionsanlage muss in der Lage sein, Planungs- und Ist-Stand kontinuierlich miteinander abzugleichen. Er muss erkennen können, dass Fertigungs- und Logistikprozesse innerhalb der definierten Qualitätsparameter ablaufen, und dass auch das Bauteil, das auf der Anlage gerade gefertigt oder montiert wird, in Ordnung ist. Das geht nur, wenn die Daten (annähernd) in Echtzeit ausgewertet werden, um möglichst sofort eingreifen und Fehler nach Möglichkeit noch im laufenden Takt beheben oder das Produkt gleich ausschleusen zu können.


Abbildung 1: Der Digital Twin erlaubt das gleichzeitige Steuern und Planen

 

Produktion flexibel steuern

Zweifellos haben erst die Entwicklung der Sensortechnik, die Verfügbarkeit großer Datenmengen und die Fortschritte auf dem Gebiet der Datenanalyse mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz (KI) und Maschinellem Lernen (ML) den Digital Twin salonfähig gemacht. Das heißt aber nicht, dass er nur für moderne Maschinen und Anlagen genutzt werden kann, die von Hause aus mit Sensoren bestückt sind. Auch das Brown-Field bestehender Anlagen und Fertigungslinien lässt sich nachträglich mit Sensorik aufrüsten und mit digitalem Kontext anreichern, um die Produktionsprozesse effizienter zu steuern.

Effizienz bedeutet in diesem Zusammenhang vor allem Flexibilität. Der Trend in der Fertigungsindustrie geht in Richtung einer stärkeren Individualisierung der Produkte, die notwendigerweise in kleineren Losgrößen gefertigt werden; und das nach Möglichkeit zu den Kosten eines Massenprodukts. „Immer mehr Unternehmen fangen an, über die modulare Fertigung nachzudenken“, sagt Stach. „Spätestens dann brauchen sie eine durchgängige Digitalisierung ihrer Fertigungs- und Logistik-Prozesse über den digitalen Zwilling.“

Hinzu kommt, dass die Unternehmen beim Aufbau einer neuen Produktionslinie immer schwerer vorhersagen können, welche Produkte der Kunde morgen bestellen wird. Wie viele Diesel-Fahrzeuge werden die OEMs nächstes Jahr noch produzieren, wie viele Fahrzeuge mit Elektro- oder Hybridantrieb werden sie absetzen können? Oder kommt vielleicht doch noch die Brennstoffzelle? Fertigungsplaner und Automatisierungstechniker müssen viel flexibler auf solche Unwägbarkeiten reagieren und ihre Produktionslinien schneller anpassen können.

Eine wesentliche Voraussetzung dafür ist die Möglichkeit, die Steuerungssoftware der Anlagen zu virtualisieren, das heißt hart codierte SPS-Steuerungen durch eine flexible SoftwareIntegrationsschicht im digitalen Zwilling abzulösen. Die SPS-Hardware steuert nur noch die grundlegenden Maschinenfunktionen, während das eigentliche Bauprogramm auf der virtuellen Steuerungsebene definiert wird, wie Stach sagt: „Das hat den Vorteil, dass Veränderungen der Baufolgen, Umtaktungen etc. in Sekundenschnelle im laufenden Betrieb vorgenommen werden können.“ Die Automatisierungstechniker können dadurch schneller auf Änderungen der bestehenden Produktionsprozesse reagieren und neue Anlagen virtuell in Betrieb nehmen, was ihre Produktivsetzung beschleunigt. Die Virtualisierung der Steuerung spart darüber hinaus Kosten, weil weniger SPS-Hardware erforderlich ist.

Qualität prozessbegleitend sichern

Neben der Steuerung ist die Überwachung der Produktionsabläufe eine wesentliche Aufgabe des digitalen Zwillings. Dank seiner Echtzeit-Fähigkeit lassen sich Abweichungen der Produktqualität auch bei getakteter Fertigung im laufenden Prozess entdecken und sofort beheben, was aufwendige Nacharbeiten vermeidet. Die prozessbegleitende Qualitätssicherung gewährleistet eine Null-Fehler-Produktion, die Zeit und Geld spart. Dadurch dass der Digital Twin nicht nur das Produkt, sondern auch den Produktionsprozess überwacht, liefert er wertvolle Informationen für die Sicherstellung der maximalen Verfügbarkeit der Anlagen, z. B. durch neue Service-Angebote wie Predictive Maintenance.


Abbildung 2: Die größten Vorteile der Digitalisierung


Immer wichtiger wird im Zusammenhang mit dem Digital Twin auch die Möglichkeit, die generierten Datenmengen mit Hilfe von Algorithmen der KI und des ML auszuwerten, um Vorschläge für Prozessverbesserungen zu machen. Gerade in der automobilen Fertigung sind immer mehr Teilabschnitte vollständig automatisiert, so dass eine Vielzahl von Prozessparametern, die auf die Qualität Einfluss haben können, überwacht werden müssen. Es geht nicht mehr nur darum, Abweichungen vom definierten Sollzustand festzustellen, sondern auch die möglichen Ursachen dieser Abweichungen zu identifizieren, was für die Mitarbeiter aufgrund der komplexen Zusammenhänge zunehmend schwieriger wird. Hier können selbstlernende Systeme helfen, die Abhängigkeiten zu analysieren und den Zustand der Anlage permanent zu optimieren. „Das ist dann aber schon der nächste Level, der Digital Twin 2.0“, sagt Stach.

Massendaten in Echtzeit interpretieren

Die Werkzeuge für die Datenanalyse sind aber heute schon Bestandteil der Digital Twin-Plattform von ASCon Systems. Herzstück der Lösung sind ein Echtzeit-Systemkern und eine Semantik-Engine, die es erlaubt, die Zusammenhänge zwischen den Sensordaten und dem jeweiligen Fertigungskontext in einem semantischen Modell abzubilden und in Echtzeit zu interpretieren. Über einen ebenfalls echtzeitfähigen Datenbus lassen sich Planungs- und Fertigungsdaten aus heterogenen Datenquellen durchgängig miteinander vernetzen. Die Lösung ist in der Lage, Massendaten zu verarbeiten und sämtliche Signale und Informationen über Zustandsveränderungen mit ihrer Historie in einer LifecycleAkte zu speichern.


Abbildung 3: Der Digitale Zwilling vernetzt Daten und Logik


Mit Hilfe des ASCon Digital Twin können prinzipiell alle denkbaren Anwendungsfälle und Einsatzszenarien in Entwicklung, Fertigung und Service abgebildet werden. ASCon selbst konzentriert sich zurzeit vor allem auf den digitalen Zwilling für die Produktion, d. h. die Ebene der Fertigungsplanung und der Fertigung, Fördertechnik und Logistik, wie Stach betont. „Das ist unsere Welt.“ Er will aber nicht ausschließen, dass man Kunden künftig auch beim Aufbau digitaler Produkt-Zwillinge unterstützen wird.

 

Weitere Informationen finden Sie unter www.ascon-systems.de

Source: www.atpinfo.de
Autor: Michael Wendenburg
im Auftrag der ASCon Systems GmbH

Alle Abbildungen ©ASCon Systems GmbH