Das virtuelle Abbild einer realen Anlage, das sein physisches Pendant ein Leben lang begleitet: Der digitale Zwilling spielt im Zuge von Industrie 4.0 und der dazugehörigen Digitalisierung eine immer größere Rolle. Dabei wird ein Simulationsmodell einem bestimmten Produkt zugeordnet und mit den entsprechenden echten Daten versorgt. Damit spiegelt das Modell in Echtzeit den Anlagenzustand wider und liefert darüber hinaus wertvolle Informationen zu anliegenden Störungen oder Optimierungspotenzialen. Mit dem digitalen Zwilling nutzt der Maschinenbau die Digitalisierung für höhere Effizienz- und Qualitätsausbeute – und noch mehr. 

Dank des digitalen Zwillings steht einem Anlagenbetreiber zu jedem Zeitpunkt ein auf Echtzeitdaten basierendes, virtuelles Abbild seiner realen Anlage zur Verfügung. Dieses Modell macht die Überwachung jeder Anlage – unabhängig vom Standort oder dessen Größe – sehr einfach möglich. Der reibungslose Materialfluss beziehungsweise Fertigungsablauf lässt sich sicherstellen und bei möglichen Störungen oder Unregelmäßigkeiten im Ablauf kann sofort gezielt gehandelt werden. So lassen sich Ausfallzeiten verhindern. Doch nicht nur die tägliche Überwachung einer realen Anlage wird erleichtert. Auch der Support sowie die Wartung profitieren von dem virtuellen Ebenbild. Wartungsmaßnahmen lassen sich auf den tatsächlichen Zustand der Anlage abstimmen, anstatt eine vorbeugende, präventive Wartung vorzunehmen. 

Die Anlagen optimieren

Auch wenn es darum geht, die Anlage zu optimieren oder Abläufe umzustellen, kommt der digitale Zwilling zum Einsatz: Das virtuelle Ebenbild basiert auf Echtzeitdaten, die mit einer Frequenz von 10 ms oder schneller aktualisiert werden. Doch es geht noch mehr: Der digitale Zwilling kann sogar in die Zukunft schauen. Basierend auf den vorhandenen Daten wird das virtuelle Modell vorgeschaltet und bildet somit das Anlagenverhalten mit möglichen Szenarien in der Zukunft ab. Der dafür vorgeschaltete Zeitraum ist frei wählbar, egal ob einige Sekunden oder mehrere Tage – alles ist machbar und nur eine Frage der Rechenkapazität. So können Anlagenbetreiber verschiedene Abläufe völlig risikolos durchspielen, Effizienz messen und Sinnhaftigkeit überprüfen. Erst wenn die optimale Lösung gefunden ist, schaltet man den digitalen Zwilling wieder mit seinem echten Pendant gleich. So können negative Überraschungen und etwaige Kosten für Standzeiten vermieden werden. Ein Beispiel für den gewinnbringenden Einsatz eines digitalen Zwillings ist die Arbeitsvorbereitung. In diesem Prozess- schritt kann bei Losgröße 1 mit unbekanntem Werkstück die Anlage komplett digital durchlaufen werden und das über Stunden oder Tage. So lassen sich bereits frühzeitig Komplikationen der kompletten Anlage erkennen. 

Anbindung über Feldbus-­Systeme

Wo platziere ich die Roboter, wie schnell soll das Band laufen? Mit der Software Industrialphysics lassen sich Anlangen vorab simulieren, um etwa Staus in der späteren Produktion zu vermeiden.

© Machineering

Doch wo sollte der digitale Zwilling verortet sein? Durch die Integration des digitalen Zwillings in die Maschine beziehungsweise im Schaltschrank steigt nicht nur die Echtzeit-Fähigkeit der generierten Daten – viel wichtiger, es verlassen keine strategischen Daten über den Produktionsausstoß oder den ge-rade produzierten Produktmix die Produktionsstätte. Der Betreiber behält die volle Kontrolle über die Informationen, die seine Räumlichkeiten verlassen und kann eigenem oder fremdem Personal per virtuellem Netzwerk dennoch den Fernzugriff ermöglichen.

Der digitale Zwilling läuft über die physikbasierte 3D-Simulationssoftware Industrialphysics von Machineering auf einem Industrie-PC im Schaltschrank. Die Anbindung zu verschiedenen internen und realen Steuerungen erfolgt über TCP/IP oder mit Zusatzhardware auch über diverse Feldbus-Systeme wie beispielsweise Profibus, Profinet oder Ethernet/IP wie OPC UA und ADS. Zusätzlich steht den Nutzern neben einer integrierten Bibliothek mit zahlreichen, handelsüblichen Roboterkinematiken, etwa der Firmen Stäubli, Fanuc, Kuka, Universal Robots, Yaskawa uvm., die Integration der realen Robotersteuerungen zur Verfügung.

Voraussetzung für die technische Umsetzung eines digitalen Zwillings ist die zuverlässige Verbindung des physischen Produktes mit der Simulation und eine geeignete Simulationstechnologie, die auf Echtzeitdaten zurückgreift und eine extrem hohe Datentaktung hat. Dies ist mit Industrialphysics jederzeit gewährleistet. Denn durch die vielen angebundenen Systeme und Steuerungen ist es dem Ingenieur mit wenigen Handgriffen möglich, schon vorab den digitalen Zwilling der geplanten Maschine zu generieren. 

Helfer in der Entwicklung

Der digitale Zwilling ist aber nicht nur in Kombination mit einer realen Maschine sinnvoll. Entwickler können ihn bereits in frühen Phasen des Entwicklungsprozesses als Simulationsplattform zur Absi-cherung von Konzepten einsetzen. Dabei werden originale und tagesaktuelle CAD- beziehungsweise CAE-Daten aus der Engineering-Software bidirektional in die Simulationssoftware übertragen. Der große Vorteil liegt darin, dass jegliche Änderungen am Modell unmittelbar auch im CAD-System zur Verfügung stehen. Somit entfällt das redundante Ändern des Modells und allen Mitgliedern des mechatronischen Teams steht jederzeit die aktuellste Version als Arbeitsgrundlage zur Verfügung. Industrialphysics verfügt derzeit über Schnittstellen zu den gängigsten CAD-Systemen wie beispielsweise SolidWorks, Inventor oder Pro/E.

Enorme Vorteile

In einer Studie unter Anwendern von Industrialphysics konnte Machineering herausfinden, dass sich die Inbetriebnahmezeit um bis zu 75 % und die Gesamtdurchlaufzeit um 15 % verringert. Die Softwarequalität steigt hingegen um mehr als 40 %. 

Dabei zeichnet die exakte Darstellung von Planungs-, Realisierungs- und Ablaufprozessen die Simulationssoftware aus. Vor allem in der Entwicklungsphase ermöglicht die Software als universelle Plattform einen schnellen Informationsaustausch und eine effektive Kommunikation innerhalb des mecha-tronischen Teams. Auch können durch den Einsatz von Simulationssoftware mögliche Veränderungen an den Abläufen schon vor der realen Inbetriebnahme getestet und die Auswirkungen auf alle Parameter in der virtuellen Welt genauestens analysiert werden. Verschiedene Arbeitsgeschwindigkeiten, Maschinentaktzeiten und Varianten des Materialhandlings lassen sich rasch visualisieren und optimieren.  

Der ganzheitliche Engineering-Ansatz gehört schon länger zur Unternehmensphilosophie von Machineering. Der digitale Zwilling hat dabei eine komplett neue Rolle in der Anlagen-entwicklung, die weit über eine reine Überprüfungsfunktion hinausgeht. Simulationsmodelle stehen dabei als eine bereichsübergreifende Plattform zur Verfügung, auf der zu jedem Zeitpunkt der aktuelle Entwicklungsstand verifiziert und auf Realisierbarkeit mit weiteren Bereichen überprüft wird. Eine sofortige Rückkopplung mit Hilfe von Tests in einem Simulationsmodell, welches das Verhalten des Systems realistisch abbildet, ist dabei stets gewährleistet. Dabei greifen die Fachbereiche Mechanik, Elektrik und Software-Entwicklung zeitgleich auf dieselben Modelle zurück, die sie jeweils in ihrer nativen Entwicklungsumgebung bearbeiten, gemeinsam weiterentwickeln und mittels der Simulation sofort im Zusammenspiel testen. Durch den permanenten Abgleich des Arbeitsstandes werden jederzeit Machbarkeit und Erreichbarkeit der Ziele auf Herz und Nieren überprüft.

Aufwand vertretbar

Ist der digitale Zwilling derzeit zwar oft nur ein Werbemittel, setzen viele erfolgreiche Unternehmen bereits seit Jahren auf ein digitales Abbild der Maschine. Der Nutzen hoch, der Aufwand vertretbar – gerade kleine Unternehmen können es sich nicht mehr erlauben, ausschließlich auf eine reale In-betriebnahme zu setzen, um dann langwierige und kostenintensive Än-derungen vornehmen zu müssen, die durch eine vorhergehende Simulation hätten vermieden werden können. Zukünftig wird jeder Hersteller genau wissen, welche Komponente mit welchen Merkmalen in welchem seiner Produkte wie verbaut worden ist – und kann so zielgerichtet auf Probleme reagieren und Prozesse optimieren. Mit dem digitalen Zwilling steht somit eine perfekte virtuelle Abbildung der laufenden beziehungsweise geplanten Maschine zur Verfügung. Der Hersteller bietet so mehr Effizienz in der Entwicklung, der virtuellen Inbetriebnahme, der Fertigung und im Service – auch im After Sales.

Autorin:
Beate Freyer ist Geschäftsführerin bei Machineering.

VR- und AR-Systeme angebunden

Mit der HoloLens-Brille von Microsoft lassen sich Anlagen als Hologramme direkt ins Sichtfeld projizieren.

© Machineering

Mit der Anbindung von Virtual-Reality- ­beziehungsweise Augmented-Reality-Brillen an Industrialphysics bietet Machineering dem Anwender eine besondere Möglichkeit, noch tiefer in die simulierte Anlage einzutauchen. Den Anwendern steht somit nicht nur das exakte Modell der realen Maschine als digitaler Zwilling zur Verfügung, sondern dieses Pendant kann – je nach angewandtem System – direkt in der Brille als 3D-Simulation oder als Hologramm in der Industriehalle betrachtet werden. Die kompatiblen Modelle HTC Vive und Oculus Rift basieren auf einem Virtual Reality-System (VR) mit einem Head-Mounted-Display. Durch die Brille ist der Anwender komplett von der Außenwelt abgeschnitten und bewegt sich frei im virtuellen Raum, beispielsweise in einer Produktionshalle im laufenden Betrieb – ohne vor Ort zu sein. Die Microsoft HoloLens hingegen ist ein Augmented-Reality-System (AR), also die computergestützte Erweiterung der Realitätswahrnehmung, durch das der Benutzer mit der Unterstützung durch ein Natural User Interface interaktive 3D-Projektionen in der direkten Umgebung darstellen kann. Der Nutzer blickt durch transparente Bildschirme, durch die die Projektionen dann direkt zu sehen sind. 

Auf der SPS IPC Drives 2017 können Messe­besucher auf dem Messestand von Machineering die verschiedenen AR-und VR-Systeme mit der Simulations-­Software live in Halle 6, Stand 114 testen. Machineering präsentiert darüber hinaus Weiter­entwicklungen rund um die Software.