Logikebene ohne SPS abbilden

Digital Twin mit Echtzeitkernel

Mit dem digitalen Zwilling lassen sich Fertigungsprozesse mittels eines virtuellen Abbilds überwachen. Die Erkenntnisse daraus können wiederum in den Fertigungsprozess mit einfließen und diesen verbessern. Bei ASCon Systems will man noch einen Schritt weitergehen. So könnte der digitale Zwilling künftig die Steuerung übernehmen – ganz ohne SPS.

Auf dem Weg zur autonomen Produktion (Bild: ASCon System GmbH)
Auf dem Weg zur autonomen Produktion (Bild: ASCon System GmbH)

Der Betrieb automatisierter Produktionsanlagen wird mit zunehmendem Automatisierungsgrad und der wachsenden Durchdringung mit Sensorik und Software immer herausfordernder. Auch Anlagenführer können dabei den Überblick verlieren. Assistenzsysteme auf Basis von Technologien wie dem digitalen Zwilling und künstlicher Intelligenz können Nutzerinnen und Nutzern helfen, den reibungslosen Anlagenbetrieb dennoch sicherzustellen.

Der Digitale Zwilling

Unter einem digitalen Zwilling wird das digitale Abbild eines real existierenden Systems verstanden, welches über eine bidirektionale Kopplung dessen Eigenschaften, Zustände und Verhalten in der Realität unmittelbar in seinem digitalen Modell widerspiegeln kann. So werden Geschäftsprozesse, Produktinformationen und das Verhalten der Systeme sowie der entsprechende Kontext in einem gemeinsamen Datenmodell hinterlegt. Wie ein Navigationsgerät gibt das System beispielsweise Hinweise für den Anlagenbetrieb oder die automatische Umsetzung von Planungsmaßnahmen. Durch Überwachung und Optimierung der Produktion werden der Betrieb sowie Wieder- und Neuanläufe unterstützt. Während viele aktuelle Lösungen den Anlagenbedienern Verbesserungsmaßnahmen vorschlagen, will Ascon Systems Applikationen entwickeln, die künftig Optimierungen automatisch in die cyberphysikalischen Komponenten der Anlagen senden können. Auf dem Weg zur autonomen Produktion übernimmt der digitale Zwilling zunehmend Steuerungsfunktionen und kann sogar Hardware-Steuerungen ablösen.

Zwischen den Welten

Der digitale Zwilling als Schaltzentrale zwischen virtueller und realer Welt hält dem Zielbild zufolge alle relevanten Informationen und Daten von Planung, Steuerung und Ist-Abwicklung aller im Prozess eingesetzter Ressourcen sowie der im Prozess befindlichen Aufträge bereit. Ascon Systems bietet mit ihrer Technologie Echtzeit-Verhaltensmodelle zur Synchronisation von Fertigungsplanung und Produktion. Diese Technologie ermöglicht es, die Produktion und Logistik mit zunehmend weniger SPS-Programmierung zu steuern. Verbunden mit den Maschinen und Anlagen, erfasst digitale Abbild die Signalströme des Produktionsprozesses, um darauf Echtzeit-Analytics etwa mit KI-Unterstützung zu ermöglichen.

Die Execution Engine

Die Digital Twin-Anwendung von Ascon basiert auf einer echtzeitfähigen, ereignisdiskreten, nicht zeitgetakteten Prozessausführungsmaschine namens Execution Engine, oder auch Echtzeitkernel. Diese erlaubt es per No-Code-Ansatz, Steuerungsprozesse zu definieren und auszuführen, von der Modellierung über die Konnektivität bis zur Ausführung.

Daten laufend korrelieren

In der fertigenden Industrie sind häufig viele IoT-Informationen aus Anlagen, Betriebsmitteln und IT-Systemen zur Flexibilisierung der Produktion verfügbar. Dabei sind die Informationen, die auf dem Shopfloor zur Verfügung stehen, keine direkt verwertbaren Daten, sondern lediglich kontextfreie Messwerte. Die Voraussetzung zu deren Verarbeitung etwa für KI-basierte Echtzeitanalysen ist neben der Vernetzung die Kontextualisierung in einem einheitlichen Datenmodell. Dazu korreliert der digitale Zwilling laufend verfügbare Informationen in unterschiedlichen Formaten – Sensordaten, System- und Anlagenparameter sowie IT-Daten. Über das modular aufgebaute Verhaltensmodell können auch komplexe Fertigungsanlagen abgebildet werden – ebenfalls per No-Code-Modellierung. So können beispielsweise ausgewählte Ist-Werte im digitalen Zwilling angezeigt werden, sowie alle Zustände der intern verwendeten Variablen.

Digitaler Zwilling einer Montageanlage (Bild: ASCon System GmbH)

Digitaler Zwilling einer Montageanlage (Bild: ASCon System GmbH)

Dichtungsmontage mit KI und digitalem Abbild

In einer hochautomatisierten Anlage zur Montage von Dichtungen im Türrahmenbereich von Fahrzeugen wird die ASCon-Plattform bereits genutzt. In dieser Anlage fixieren sechs Industrieroboter im Zusammenspiel Moosgummidichtungen, die von Rollen zugeführt werden. Der gesamte Montageprozess wurde modelliert, die IoT-Ebene der Anlage angebunden und so ein virtuelles Abbild der Gesamtanlage bereitgestellt. In diesem Zwilling werden alle Signalzustände echtzeitnah erfasst sowie fortgeschrieben und stehen somit für die Optimierung der Anlage zur Verfügung. Die Signale werden im Hintergrund kontinuierlich ausgewertet und der Anlagenstatus sowie Fehlerentwicklungen auf einem Betriebsmonitor angezeigt. Die Anlagenführer bekommen durch die Ascon-Lösung Hinweise darüber, mit welchen Verbesserungsmaßnahmen gegenzusteuern ist. Ziel der Lösung war es, die Hochlaufphase der komplexen Anlage zu reduzieren und die Ausbringungsleistung schneller auf das angedachte Niveau zu bringen.

SPS ohne Logikebene

Wenn der digitale Zwilling direkt auf die Hardwareebene der Fertigung zugreift, könnte die Logikebene heutiger SPS-Lösungen künftig ersetzt werden. Dadurch lassen sich Änderungen am Produktionsprozess, Funktionserweiterungen und Parameteränderungen künftig von Anlagenführern oder Planern selbst umsetzen, ohne dafür Programmierkenntnisse abzufragen.

Ein Beispiel aus der Logistik

Im digitalen Zwilling spiegeln sich verschiedene Abbilder der im Prozess eingesetzten Ressourcen und Aufträge wider. In Logistik-Prozessen sind das auf Seiten der Ressourcen etwa Gabelstapler, Ladungsträger, Flächen für die Konsolidierung oder Arbeitsplätze. Abbilder von Aufträgen sind beispielsweise Lieferscheine oder Picking-Aufgaben. Dadurch stehen wiederum alle Informationen für die kurzzyklische Aktualisierungen der Planung zur Verfügung und die Abwicklung wird laufend nachgesteuert. Plandaten und Steuerungsinformationen werden ihrerseits dem digitalen Zwilling übermittelt, was die Ausführung der angepassten Pläne auslöst. Unvorhergesehene Ereignisse gehen damit ohne Zeitverzug in die Planung ein. Durch die Orchestrierung von Planung, Steuerung und Ausführung entfallen durch fixe Planungszyklen vorgegebene Zeitverluste sowie Frozen Zones, also Zeiten ohne Spielraum für Anpassungen.

Plattform-Ansatz

Die Kernfunktionalität der Ascon-Plattform sichert ihr Echtzeit-Kernel ab, da er die Erfassung und Verwaltung selbst großer Datenvolumen unterstützt. Auf der Plattform stehen weitere Services wie KI-Applikationen für Auswertungen zur Verfügung. Richtung Edge-Ebene ermöglichen Integrationsservices die Einbindung von Sensoren, Steuerungen und Anwendungen. Zur Entwicklung eigener Lösungsbausteine bietet die Plattform zudem unterschiedliche Schnittstellen zur Integration. Solche Apps wie ‘Logistikkontrolle’ werden in einem App-Store bereitgestellt. Dabei können sowohl unternehmensspezifische Lösungen als auch offene StandardShops angebunden werden.

 

Autoren: Mathias Stach, Geschäftsführer, ASCon Systems GmbH. Dr. Uwe Winkelhake, Executive Consultant for Digital Transformation, Professor TU Braunschweig.


Veröffentlichung in der Fachzeitschrift IT&Production

https://www.it-production.com/fertigungsnahe-it/logikebene-ohne-sps-abbilden/