Digitale Zwillinge können an vielen Stellen im Engineering verwendet werden. »Maschinen- und Anlagenbauer werden zunehmend Digitale Zwillinge einfordern, um ihre Maschinen und Anlagen schneller entwickeln zu können und dabei weniger Fehler zu machen«, erklärt Gerhard Borho, Digitalisierungsvorstand bei Festo. Schritt für Schritt entwickelt sich das Prinzip »Digital First« weiter: Komponenten und Maschinen werden so weit wie möglich virtuell entwickelt, bevor die erste Hardware hergestellt wird – dies zieht sich bis ins Testing und die Systemintegration. Analoge Entwicklungen sieht man in der Fabrikplanung.

Projektlaufzeit sinkt, Produktivität steigt

Kürzere Entwicklungszeiten erfordern eine Parallelisierung von Entwicklungsschritten bei den Maschinenbauern. Mit Digitalen Zwillingen verkürzen sie sich. Noch bevor ein Maschinenentwickler die Maschine als Hardware zusammengebaut hat, kann er über einen Digital Twin simulieren, testen und nochmals verändern. So kann er zum Beispiel Handhabungssysteme bereits am virtuellen Modell optimal und effizient auslegen und programmieren. Fehler lassen sich frühzeitig finden und beheben, was erheblich zum effizienten Betrieb beiträgt. Die Projektlaufzeiten der Kunden sinkt, die Produktivität steigt.

Mehr als nur 3D-Modelle

Digitale Zwillinge von Automatisierungskomponenten sind viel mehr als nur 3D-Modelle, die sich virtuell bewegen. Sie sind digitale Abbilder mit Informationen zu Komponenten, was unter anderem die eindeutige Beschreibung ihrer Fähigkeiten, die Dokumentation, das Verhalten – beispielsweise die Simulation ihrer Kinematik und Kinetik – und die Kommunikation mit ihnen umfasst. Die Industrie-4.0-Maschinenarchitektur basiert vollständig auf Digitalen Zwillingen, die mit standardisierten Kommunikationsschnittstellen während des gesamten Lebenszyklus einer Maschine das Leben erleichtern: Von der virtuellen Inbetriebnahme über die Steuerung der Maschine bis zur Datenerhebung und den daraus resultierenden Mehrwertdiensten wie Wartung oder Diagnose.

Festo arbeitet an einer bruchfreien Kommunikationstechnologie wie OPC-UA

Bisher lagen für jede Automatisierungskomponente eine Vielzahl von Daten in unterschiedlichen Formaten wie CAD, PDF oder sogar Handbüchern aus Papier vor. Datenhaltung war damit schwerfällig, die fehlende digitale Durchgängigkeit erschwerte die vollständige Vernetzung aller Objekte. Daher arbeitet Festo an einer bruchfreien und durchgängigen Kommunikationstechnologie wie OPC-UA. Letztlich wird die Verwaltungsschale als zentrales Informationsobjekt genutzt, um digitale Zwillinge über den Lebenszyklus zu nutzen. Bereits die Planung und konkrete Angebotserstellung wird durch Digitale Zwillinge erleichtert. »Durch intelligente Algorithmen können die Komponenten optimal und gleichzeitig energieeffizient ausgelegt und konfiguriert werden«, ergänzt der Digitalisierungsvorstand von Festo.

Vorteile bei der Inbetriebnahme

Im virtuellen Modell kann der Entwickler sich beispielsweise Prozessdaten oder das Signale von Sensoren anschauen. Möchte er die Steuerungsabläufe der Maschine erstellen, stehen dem Entwickler Fähigkeiten der Komponenten wie Ausfahren, Drehen oder Greifen zur Verfügung, mit denen er einen gewünschten Ablauf festlegen kann.

Weitere Mehrwertdienste werden auf Basis Digitaler Zwillinge implementierbar. Bevor etwa Komponenten das Ende ihrer Lebensdauer erreichen, meldet dies die Zustandsüberwachung: Der Digitale Zwilling könnte dann automatisiert Ersatzteile bestellen. Außerdem kann die Zustandsüberwachung im Zusammenspiel mit den Simulationsmodellen der Digitalen Zwillinge vorausschauende Wartungspläne erstellen. Auch spätere Änderungen, Optimierungen oder Umkonfigurationen an der Maschine können die Kunden durch Digitale Zwillinge im Voraus am virtuellen Modell entwickeln und somit schneller realisieren.