IT im Spiegelkabinett

Es gibt kaum ein spannenderes Thema in der modernen IT als Digitale Zwillinge. Sie sind die Kopie eines realen Gegenstücks. Sie versprechen, die Innovation zu revolutionieren und die Entwicklungszeit und -kosten zu reduzieren sowie die Zusammenarbeit entlang der Lieferkette zu verbessern. Aber was sind sie wirklich?

Diese „Digital Twins“, wie Geeks  sie nennen, sind aber weit mehr als nur Kopien eines Originals. Sie bilden sozusagen ein „Schattenreich“, wie der Economist schrieb. Digitale Nachbildungen von Flugzeugtriebwerken, Windturbinen und anderen schweren Ausrüstungen stehen an erster Stelle. Jetzt gesellen sich die elektronischen Geister der kleineren und größeren Dinge im virtuellen Raum dazu, von Zahnbürsten und Ampeln bis hin zu ganzen Geschäften und Fabriken. Sogar Menschen haben begonnen, solche Alter Egos zu entwickeln. In Amerika plant die National Football League, für jeden Spieler einen elektronischen Avatar zu entwerfen.

Die Technologien, die unter den Namen Industry 4.0 oder Smart Factory bekannt sind, bieten so große Vorteile bei der Herstellung von Produkten, dass diejenigen, die diesen Wandel nicht planen und sich nicht dafür begeistern, mit ziemlicher Sicherheit auf der Strecke bleiben werden. Digitale Zwillinge sind ein wesentlicher Baustein der intelligenten Fabrik. Dieses Konzept wurde erstmals 2002 von Dr. Michael Grieves durch seine Ideen zum Product Lifecycle Management (PLM) eingeführt. Es beinhaltete die Spiegelung dessen, was in der realen Welt existiert, in einem virtuellen Raum.

Wichtig ist, dass diese Definition dazu führt, dass physische Vermögenswerte nur dann richtig dargestellt und kontrolliert werden können, wenn sie modellierbar sind.

Die Digitalen Zwillinge sind daher nicht nur Spiegelbilder, sondern stehen in direkter Verbindung zu ihren realen Gegenstücken: Daten „fließen“ von den physischen Objekten in ihre virtuelle Kopie, was ein korrektes Verständnis ihres Zustands ermöglicht, während die virtuelle Kopie ihr Gegenstück durch Informationen oder Anweisungen, die an das physische Objekt gesendet werden, und durch Verhaltensänderungen beeinflusst.

Ein Digitaler Zwilling kann sogar aus mehreren ineinander verschachtelten Zwillingen bestehen, die einen breiteren Überblick über Ausrüstung und Anlagen bieten. Eine Ölraffinerie könnte zum Beispiel einen Digitalen Zwilling für einen Kompressormotor, den Kompressor selbst und die gesamte Mehrzuganlage einsetzen. Je nach Größe könnte die Raffinerie über 100.000 bis 500.000 Sensoren verfügen, die Messungen vornehmen, die dann im Digitalen Zwilling dargestellt werden, der es den Betreibern dann ermöglicht, die Dinge einfach zu vergleichen und so zu verstehen, was gut funktioniert und was nicht.

Die Vorteile, die die Digitalen Zwillinge bieten, finden heutzutage große Beachtung. Sie wurden vom Marktanalysten Gartner ausgiebig als einer der zehn wichtigsten strategischen Technologietrends im Jahr 2018 genannt und von IDC im Rahmen von IDC FutureScape detailliert beschrieben – weltweite IoT-Prognosen, die besagen: „Bis 2020  werden 30 Prozent der G2000-Unternehmen Daten von Digitalen Zwillingen von IoT-verbundenen Produkten und Anlagen nutzen, um die Erfolgsrate von Produktinnovationen und die Produktivität von Unternehmen zu verbessern und dabei Gewinne von bis zu 25 Prozent zu erzielen.“

Die Technologie ermöglicht die Visualisierung und Kontrolle von Produkten, Prozessen, Spezifikationen und Attributen, um eine Optimierung der Qualität zu ermöglichen. Sie identifiziert wertschöpfende und nicht wertschöpfende Produktionsschritte und -prozesse, um die Produktionseffizienz zu optimieren. Die Modellierung der realen Einheiten bedeutet auch, dass alles über sie registriert werden kann, was eine vollständige Rückverfolgbarkeit ermöglicht. Wenn es um die Einführung neuer Produkte geht, tragen schnelles Feedback und vollständige Informationen dazu bei, den Einführungsprozess zu beschleunigen.

Welcher ist welcher?

Der ursprüngliche Digitale Zwilling wurde als ein Konzept vorgestellt, das sich über den gesamten Lebenszyklus des Produkts (Erstellung, Produktion, Betrieb und Entsorgung) erstreckt und damit die Verbindung zur PLM-Welt herstellt.

Betrachtet man nur die Erstellungs- und Produktionsphasen (Herstellung), so lassen sich die Modelle des Digitalen Zwillings in drei große Kategorien einteilen, die von einigen Autoren in weitere Kategorien unterteilt werden: Produktdesign, Prozessplanung und -validierung sowie Ausführung. Beim Produktdesign wird die Verwendung eher mit PLM, mit der Steuerung und Visualisierung von Entwürfen, Variationen und Spezifikationen in Verbindung gebracht. Die Prozessplanung und -validierung hilft bei der Prüfung der Herstellbarkeit eines Produkts, indem sie die Möglichkeit bietet, Prozesse, Ressourcen und andere verwandte Faktoren zu planen.

Im Produktdesign und in der Planung wird der Digitale Zwilling zunehmend von PLM-Anbietern erforscht, während auf der Ausführungsebene die Möglichkeiten des Digitalen Zwillings noch nicht vollständig ausgeschöpft sind. Auf den ersten Blick mag es überraschen, dass dies der Fall ist, zumal das IoT in der Fertigung oder das Industrial Internet of Things (IIoT) zu einem echten Enabler für diese Modelle wird. Laut Gartner ist genau das der Grund, warum „Digital Twin im Rahmen von IoT-Projekten in den nächsten drei bis fünf Jahren besonders vielversprechend ist“.

Um jedoch die Möglichkeiten zu nutzen, die sich aus der relativ einfachen Erfassung und Übertragung von Daten von physischen Geräten mithilfe der IIoT-Technologie ergeben, muss auf der virtuellen Seite ein starkes Modell mit den entsprechenden Kontextinformationen vorhanden sein. Dieses System existiert, und es wird MES genannt.Die derzeit verwendeten Systeme sind in den meisten Fällen jedoch durch die veraltete Technologie belastet und nicht darauf vorbereitet, der Digitale Zwilling zu werden.

Wir bauen uns einen Zwilling

„Unternehmen werden Digitale Zwillinge zunächst einfach implementieren, dann im Laufe der Zeit weiterentwickeln und ihre Fähigkeit verbessern, die richtigen Daten zu sammeln und zu visualisieren, die richtigen Analysen und Regeln anzuwenden und effektiv auf die Geschäftsziele zu reagieren“, sagt Gartner.

Die erste Ebene der Implementierung des Digitalen Zwillings ist offensichtlich: Alle physischen Fertigungsobjekte haben drei Hauptelemente: einen physischen Standort, einen Zustand und zusätzliche Parameter. Alles, was das MES zur Implementierung dieser ersten Ebene haben muss, sind also x-, y- und z-Koordinaten, ein Zustandsmodell und ein Datensatz zur Speicherung von Parameterwerten. Dann geht es darum, diese in einem Bildschirm darzustellen und in der Lage zu sein, all diese in Echtzeit zu aktualisieren, wenn Änderungen auftreten.

Die Darstellung dieser Einheiten mit Farbcodes für die Zustände, Etiketten oder Diagramme ermöglicht die Überwachung der Fabrik, wobei Bereiche wie der Status von Maschinen und die Menge des Materials in der Werkstatt abgedeckt werden. Ein modernes MES implementiert schnell und ermöglicht Echtzeitaktualisierungen verschiedener Ausrüstungen, die über einen Webbrowser zur Verfügung gestellt werden, um Vorgesetzten, Managern und Ingenieuren einen Überblick über das Geschehen in der gesamten Fabrik zu geben. Dies kann auch auf einen Digitalen Zwilling mehrerer Fabriken ausgedehnt werden, sodass Manager eine komplette, globale Organisation von einem entfernten, mobilen Gerät aus überwachen können.

Gleichzeitig ist die Werkstatt ein sehr dynamisches Gebilde, und wenn die Aktualisierung der Digitalen Zwillinge sehr umständlich ist, wird sie schnell zurückbleiben und ihren Hauptzweck untergraben. Aus diesem Grund ermöglicht die einfache Drag-and-Drop-Technologie eine schnelle Implementierung solcher Modelle. Formen können schnell zu einem Layout hinzugefügt, bei Bedarf modifiziert und mit bestimmten Geräten verbunden werden. Der Schlüsselaspekt ist ein System, das von den Prozessverantwortlichen (nicht nur von IT-Spezialisten) so einfach und schnell wie möglich modelliert und aktualisiert werden kann.

Der Blick nach vorn

Auf der Ausführungsebene kann der Einsatz der Digital-Twin-Technologie der Betriebsumgebung in der Werkstatt reichhaltige Vorteile bringen. Die zunehmende Datenmenge von intelligenten Geräten eröffnet eine Welt von Informationen, die bei richtiger Nutzung die Betriebseffizienz erhöhen und zur maximalen Nutzung der Anlagen beitragen können. Mit einem zukunftsfähigen MES, das den Daten einen zusätzlichen Kontext verleiht und die Prozesse koordiniert, kann der Digital Twin für eine klare Anlagenvisualisierung einschließlich detaillierter Informationen über Anlagen-, Produkt- und Prozess-KPIs verwendet werden.

2-D- und 3-D-Modelle des Fertigungsbereichs können schnell und einfach mit leistungsfähigen grafischen Benutzeroberflächen erstellt werden, die auf die spezifischen Bedürfnisse der Systembenutzer zugeschnitten sind. Neben der Übersichtlichkeit aller Werkstattprozesse, die das MES und die Factory Digital Twin bieten, lassen sich mit VR- und AR-Szenarien noch weitere spannende Vorteile realisieren.

Es liegt in der Natur der Sache, dass sich die Zukunft schneller in Richtung Hightech-Industrien bewegt. Mit dem richtigen Partner muss die Realisierung der enormen Vorteile von Industry 4.0, einschließlich des Digital Twin, kein langer und schmerzhafter Prozess sein, sondern ein Prozess, der den heutigen und zukünftigen Geschäftsanforderungen entspricht.

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