Wie digitale Zwillinge mit Smart Services die Produktion optimieren 

Kürzere Markteinführungszeiten, der Druck hin zu mehr Umweltfreundlichkeit und zunehmend individuellere Kundenwünsche spielen im Maschinen- und Anlagenbau sowie in der Konsumgüterherstellung eine immer größere Rolle. Die Digitalisierung der Fertigung unterstützt Hersteller und Zulieferer dabei, die mit diesen Veränderungen weiter stark wachsende Komplexität beherrschbar zu machen. Um die Prozess- und Bearbeitungsstufen intelligent zu steuern und die Qualität auf gleichbleibend hohem Niveau zu sichern, muss die heute aufwendige Konfiguration der Steuerungs- und Ausführungsebene dynamisiert und damit der Aufwand für Änderungen des Leistungsspektrums und der physischen oder logischen Konfiguration eines Fertigungssystems oder seiner Komponenten drastisch reduziert werden. Dies gelingt mit dem Digitalen Zwilling der Fertigung. Die hierdurch zu erzielenden Nutzeneffekte sind: Erhöhung von Verfügbarkeiten, Reduzierung von Rüstzeiten, Reduzierung von Kosten und Gewinn an Flexibilität, Reaktionsfähigkeit und Schnelligkeit.

1. Von der Dampfmaschine zu Industrie 4.0
Der Beginn der Industrialisierung reicht an den Anfang des 18. Jahrhunderts zurück als die ersten Maschinen Einzug in Produktion und Fertigung hielten. Die 2. Industrielle Revolution begann Anfang des 19. Jahrhunderts. Durch die Entdeckung der Elektrizität konnte in den Fabrikhallen plötzlich in Rekordzeit produziert werden. Die 3. Industrielle Revolution startete in den 1970er Jahren mit weiteren Entwicklungssprüngen begünstigt durch die Nutzung von Elektronik und Informationstechnologie in den Fabriken. Dies führte zu einer weitreichenden Automatisierung der Fertigungsprozesse, bei der nun Maschinen Arbeitsschritte übernahmen, die zuvor nur händisch erledigt werden konnten. Nach der Einführung von Großrechnern kamen dann zunehmend die Personal-Computer zum Einsatz und ermöglichten neue Arbeitsweisen. In dieser dritten Phase des Industrialisierungsprozesses befinden wir uns bis heute, jedoch stehen die Fertigungsabläufe nun an der Schwelle zur nächsten Revolution, der Industrie 4.0.

2. Flexibilität, Effizienz und Geschwindigkeit sind das Ziel
Dabei fallen die Grenzen zwischen der physikalischen und der virtuellen Welt mit der Freisetzung von erheblichen Potenzialen für die Entwicklung, die Planung, die Produktion und die Logistik. Ziel ist eine komplett vernetzte Fabrik mit allen Möglichkeiten der modularen und autonomen Fertigung. Produktion und Logistik sollen sich am Ende selbst steuern und die Produktion immer im optimalen Fluss halten. Qualifizierte Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter bleiben in der Industrie 4.0-Welt weiterhin unerlässlich, ihnen kommt eine neue, bedeutende und herausfordernde Rolle zu: sie werden Steuerer und Vordenker, die künftige Abläufe definieren und dann mit Hilfe von Software die Maschinen anlernen und deren Verhalten optimieren.

 
3. Daten alleine sind nicht die Lösung
Bezogen auf die Industrie 4.0 wird zumeist nur über Daten gesprochen (Big Data, Datalake etc.), dabei geht es bei der Digitalisierung der Fertigung in erster Line um die Potenzialausschöpfung der Geschäftslogik hinter diesen Daten, d. h. um deren Vernetzung und Interpretation. Nur so werden anpassungsfähige und flexible Geschäftsprozesse möglich. Dies bedeutet: Geschäftslogiken sind im Shopfloor nicht weiter starr hinterlegt. Deren Zusammenwirken kann flexibel organisiert und gesteuert werden und auf alle produktionsrelevanten Daten kann in Echtzeit zugegriffen werden. Damit erschließt sich nicht nur neues Potenzial bei der Fertigungssteuerung, wie z. B. bei kurzzyklischen Änderungen, sondern auch bei der Datenweiterverwendung, wie etwa bei Big-Data-Anwendungen, Analytics oder Cloud-basiertem Machine-Learning.

4. Der Digitale Zwilling sorgt für die Verknüpfung
Voraussetzung für eine vollständig vernetzte Fabrik ist der digitale Zwilling der Fertigung, bei dem die Geschäftslogik und die Fertigungsabläufe im Kontext stehen. Dafür müssen einerseits alle relevanten Informationen durch Vernetzung aller am Fertigungsprozess beteiligten Aktoren, Sensoren, Anlagen und Systeme zur Verfügung stehen, andererseits müssen die Daten ebenso schnell wie sie eintreffen, einem Kontext zugeordnet und dort interpretiert werden.

Digitale Zwillinge sind Teilmodelle, die im Sinne des Model based Production Engineering eine bestimmte Sicht auf Segmente der realen Fertigung repräsentieren. Dabei werden die Geschäftslogik, die Fertigungsabläufe, die Informationsprozesse und die Datenflüsse über ein semantisches Modell gekoppelt. Neue Anforderungen an eine Fertigungslinie werden direkt formuliert. Der digitale Zwilling ermöglicht dann deren kurzfristige Anpassung, um das neue Produkt fertigen zu können. Smart Services und Data-Analytics Methoden, wie z. B. IBM Watson, können mit diesen Modellen auf neuem Niveau operieren. Aus Big-Data werden mit diesem Kontextwissen Smart Data.

5. Die Digitale Transformation in der Fertigung
Um die Nutzenpotentiale der Digitalisierung heben zu können, müssen eine Reihe von Voraussetzungen geschaffen werden. Dazu gehört die Erfassung der physischen Fertigungsprozesse in einem ersten, digitalen Fertigungsabbild mit allen relevanten Anlagen, Messsystemen, Steuerungsmodulen und Betriebsmitteln.

Danach erfolgt die Zuordnung der digital vorliegenden Daten zu den Geschäftsabläufen im Kontext der Fertigung. Dieser Schritt ist der Schlüssel zu einer weiterführenden integrierten Wertschöpfungskette und führt zu einem Verständnis dafür, wie sich die Fertigungsprozesse mit anderen Teilen der Wertschöpfungskette, beispielsweise mit der technischen Entwicklung, den Lieferanten und den Kunden verbindet. Realisiert werden kann dies z. B. mit Hilfe semantischer Netze, die so aufgebaut sind, dass sie die Verarbeitung und Verortung der Daten in Echtzeit beherrschen.


Eine weitere wichtige Voraussetzung ist die Verknüpfung der beteiligten IT Systeme in einer Integrationsschicht. Hier kommt modernste Bus-Technologie zum Einsatz, um die heute existierenden, historisch gewachsenen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen IT-Systemen schrittweise aufzulösen. Diese Integrationsschicht bildet die Basis für die echtzeitfähige Verarbeitung der Informationen.

 

6. Anwendungsbeispiel: „Immer wissen, was auf dem Shopfloor los ist.“
Der Digitale Zwilling liefert in diesem Anwendungsbeispiel die geforderte Transparenz dadurch, dass die Arbeitsfortschritte auf dem Shopfloor über Sensorik erfasst und nachfolgend semantisch aufbereitet werden, ohne dass die Werker die einzelnen Arbeitsgänge zurückmelden müssen. Entscheidend ist in diesem Anwendungsfall, dass nicht jeder Prozessschritt überwacht werden muss, um zuverlässige Aussagen über den Bauzustand des Produktes machen zu können. Bestimmte Arbeitsfortschritte lassen sich indirekt über die Kombination verschiedener Sensordaten erschließen. Der Digitale Zwilling muss dafür Sensorsignale und Logik in Echtzeit verarbeiten können. Herzstück ist eine Semantik-Engine, die mit hochskalierbarer, auf Internet-Technologie basierenden Komponenten für die hochparallele Informationsverarbeitung ausgestattet ist. Sie ist in der Lage, in wenigen Millisekunden die entsprechenden Ergebnisse zu liefern – und das am laufenden Band.


Mit der Erfassung der Sensordaten ist es allerdings nicht getan. Sie müssen auch im richtigen Kontext interpretiert werden. Ob ein bestimmtes Material vorhanden ist oder nicht, ist als alleinige Information nicht aussagekräftig. Erst wenn das System weiß, dass genau dieses Material Voraussetzung für einen bestimmten Arbeitsschritt ist, kann es daraus Schlüsse ziehen, z. B. dass die Arbeitsschritte neu organisiert werden müssen, weil eben dieses Material fehlt. Deshalb muss zum einen die Logik der Montageabläufe in der Lösung abgebildet sein, so wie sie in der Produktionsplanung vorgedacht wurde, zum anderen muss diese Logik mit der Semantik der Sensorsignale verknüpft werden, um deren Bedeutung für die Montageabläufe bewerten zu können. Was auf den ersten Blick aufwendig erscheint, ist es nicht, weil bestimmte Situationen an den Arbeitsstationen wiederkehrend sind. Die Logik, wie z. B. bestimmte Ressourcen- oder Werkzeugbewegungen interpretiert werden, kann in wiederverwendbaren Blöcken beschrieben werden.

7. Der Digitale Zwilling im Einsatz
In der Fertigung gibt es eine Vielzahl von konkreten Einsatzmöglichkeiten für den Digitalen Zwilling. Im Folgenden werden einige Praxisbeispiele genannt:

7.1 Optimierung einer Einzelmaschine in der Fertigung
Anders als bei herkömmlichen Stichproben oder späteren statistischen Auswertungen unterstützt der Digitale Zwilling die Qualitätssicherung bei der Fertigung mit Einzelmaschinen und Maschinengruppen fortlaufend. Mit dem Fertigungskontext in Form des logischen und funktionalen Maschinenabbildes erfasst, speichert und historisiert der Digitale Zwilling kontinuierlich die Kombination aus Maschinen-, Produkt- und Prozessparametern und wertet diese aus. Abweichungen von den Sollwerten können ebenso ohne Verzug erkannt werden wie Qualitätsprobleme, die ein sofortiges Eingreifen erfordern.

7.2 Effizienzsteigerung bei Handarbeitsplätzen
Hier kennt der Digitale Zwilling in jedem Moment den Bauauftrag, die benötigten Teile, die Arbeitsprozesse und die zugehörigen Prozessparameter. Dort, wo es erforderlich ist, lassen sich damit auf einfache Weise eine Bauzustandsdokumentation und eine Teileverbauprüfung durchführen. Über eine Touch-Anzeige der zu verbauenden Teile und dazugehörigen Prozess-schritte kann der Werker bei nichtbehebbaren Fehlern, z. B. bei beschädigten Teilen oder fehlerhaften Prozessen, den Nacharbeitsprozess unmittelbar in Gang setzen.

7.3 Optimierung von starr verketteten Montagesystemen und flexibel verketteten Fertigungsinseln
Über ein komplettes Linienabbild, das sämtliche relevanten Parameter enthält, repräsentiert der Digitale Zwilling zu jedem Zeitpunkt den Zustand, in dem sich die Anlage gerade befindet. Diese Daten können einem beliebigen Simulationssystem bzw. Algorithmus gemeinsam mit dem topologischen Modell und den Informationen über die technische Verfügbarkeit sowie über anstehende Wartungsmaßnahmen zur Verfügung gestellt werden. Damit können Fertigungsinseln entweder direkt und rekurrierend getaktet bzw. das Produkt durch ständiges Simulieren und Optimieren hinsichtlich vorgegebener Zielkriterien wie Auslastung oder Durchlaufzeit optimal durch die modulare Fertigungsinsel geroutet werden.

Der Digitale Zwilling unterstützt darüber hinaus bei notwendigen Veränderungen einer Anlage, wie z. B. beim Umtakten oder im Rahmen von KVP-Maßnahmen, bei Verschiebungen der Materialanstellung inklusive Auslösen der dafür nötigen Änderungen in der Logistikkette und bei Anpassungen der elektronischen Arbeitsanweisungen. Auch bei der Sicherstellung der Teileverfügbarkeit an den Arbeitsplätzen über ein elektronisches Kanban-System, das erfasst, welche Teile verbraucht, weil verbaut sind, kann der Digitale Zwilling Hilfestellung leisten.

8. Digitaler Zwilling und Manufacturing Execution Systeme (MES)
Das Besondere am echtzeitfähigen Digitalen Zwilling ist, dass die „rohen“, nahezu unverarbeiteten Shopfloor-Signale erfasst und damit ein digitales Abbild des Verhaltens und des Zustandes der physikalischen Objekte sowie des jeweiligen Kontextes auf dem Shopfloor aufgebaut werden können. Mit diesem Abbild lässt sich das Verhalten dieser physikalischen Objekte analysieren und antizipieren. Sie lassen sich überwachen, steuern, diagnostizieren und prognostizieren.

Ein MES hingegen ist auf den Auftrag und auf den Auftragsfortschritt fokussiert und erfasst ausschließlich durch SPS und Zellenrechner vorverarbeitete Signale, um ein Abbild des Status der Fertigung zu gewinnen. Die Vorverarbeitung der Signale verbirgt einen erheblichen Teil der Objektzustände vor dem MES, das damit nur auf „harte“ Fakten, d. h. auf explizite Rückmeldungen reagieren kann.

Brauchbare Schnittstellen zwischen MES und der Planungswelt bestehen üblicherweise nur im proprietären Kontext, wenn Fertigungsplanungssystem und MES aus einer Hand kommen. Der Digitale Zwilling hingegen liefert über einen Enterprise-Service-Bus quasi eine Standardanbindung zwischen der PLM-Welt und dem MES und erlaubt die Feinsteuerung der Fertigung und nicht nur die Auftragssteuerung mit Statuserfassung.

9. Zusammenfassung
Ein Digitaler Zwilling, mit dem in Echtzeit geplant, gesteuert und dokumentiert werden kann, nutzt Voll-Kontext-Abbilder der Realität, also Abbilder der Material-, Energie- und Informationsflüsse in Planung, Inbetriebnahme, Betrieb und Monitoring von Produktionssystemen und Anlagen, sowie im Infrastrukturmanagement und in der Logistik. Damit lassen sich die eingehenden Signalströme z. B. aus der Fertigung zu jedem Geschäftsobjekt empfangen und in digitalen LifeCycle-Akten speichern. Ein solcher Digitaler Zwilling hat die Fähigkeit, Analyseergebnisse und Rückschlüsse zu spiegeln und kann damit das Systemverhalten einer Anlage oder Maschine in Echtzeit beeinflussen.

Die damit mögliche Virtualisierung von Teilen der Steuerungshardware löst Schnittstellenprobleme, unterstützt die Standardisierung in der Fertigung und erlaubt es, die Wertschöpfung mit allen Konsequenzen und Durchgriffsmöglichkeiten hinein in den laufenden Prozess zu steuern, statt sie nur abzuarbeiten, ggf. ergänzt durch voraus- und mitlaufende Simulationen.

10. Kernfähigkeiten eines Digitalen Zwillings
• Datenintegration in Echtzeit auf Basis eines Enterprise-Service-Bus
• Abbildung von Planung und Fertigung über semantische Vernetzung von Shopfloor-Daten und Business-Logik
• Vollständige Abbildung der logischen Vernetzung über alle Fertigungsbereiche hinweg.
• Datenerfassung, Prozessführung und Produktionssteuerung in Echtzeit
• Unmittelbare Rückführung von Erkenntnissen in den Fertigungsprozess und in die Qualitätsregelkreise