Einsparpotenziale durch Digitale Zwillinge

Der „Digitale Zwilling“ spielt im Anlagen- und Maschinenbau eine immer wichtigere Rolle. Doch die Definitionen des Begriffs weichen nicht selten voneinander ab. Das Problem: Digitale Zwillinge unterschiedlicher Hersteller haben oft nicht die nötige Interoperabilität. Das Forschungsprojekt TeDZ des Technologie-Netzwerks it’s OWL setzte hier an und untersuchte mögliche Einsatzzwecke und wie diese realisiert werden können. KEB Automation war als Projektpartner mit an Bord, um Anwendern die Vorteile des Digitalen Zwillings zu ermöglichen.

TeDZ

Technische Infrastruktur für Digitale Zwillinge

Die digitale Modellierung von Maschinen, Anlagen und Komponenten lässt sich mit einem Digitalen Zwilling realisieren. Dieser stellt ein virtuelles Abbild eines Assets über den gesamten Lebenszyklus dar: von der Entwicklung über die Produktion bis zur Betriebs- und Servicephase. Das Projekt „Technische Infrastruktur für Digitale Zwillinge“ (TeDZ) nahm sich dieser zukunftsweisenden Technologie an und erarbeitete Erkenntnisse zu konkreten Use Cases wie Predictive Maintenance oder virtuelle Inbetriebnahmen. Mehr zu diesen Anwendungsfällen finden Sie auf dieser Seite weiter unten.

Die Entwicklung und Demonstration einer technischen Referenzinfrastruktur für Digitale Zwillinge basierte auf den Use Cases der Projektpartner. Die Infrastruktur ist kompatibel zur Verwaltungsschale der Plattform Industrie 4.0 und der in 2021 gegründeten Industrial Digital Twin Association (IDTA). Die interoperable und durchgängige Infrastruktur ermöglicht den Zugriff auf die Lebenszyklusdaten eines Produktes oder einer Maschine. Sie gewährt aber auch Zugriff auf die Fähigkeiten des eines zugrundeliegenden Assets. Die Infrastruktur für den Digitalen Zwilling wurde in den Pilotvorhaben „AssetLife“ und „Digitaler energetischer Zwilling“ demonstriert.

Hohe Einsparpotenziale für den Maschinenbau
Predictive Maintenance und virtuelle Inbetriebnahme
2,6 Millionen Euro Projektvolumen
Sieben Projektpartner
Projektlaufzeit: 01. Dezember 2018 bis 30. Mai 2021

Use Case: Virtuelle Inbetriebnahme

Ziel dieses Use Cases war es, Fehler des Automatisierungssystems anhand von Simulationen aufzudecken und zu beheben sowie den Steuerungscode des Systems zu entwickeln und zu validieren. Hierfür werden reale Steuerungen mit Simulationssystemen verbunden, auf denen Simulationsmodelle der Maschine oder Anlage ausgeführt werden. Diese bilden das Verhalten der geplanten Maschine oder Anlage simulativ ab. Detailgetreue Simulationsmodelle sind insbesondere dann von Bedeutung, wenn es um die korrekte Abbildung von Energieflüssen geht. Vor diesem Hintergrund wurden Methoden entwickelt, um Simulationsmodelle von KEB-Frequenzumrichtern auf Basis der originalen Firmware zu erstellen und übergreifend in verschiedene Simulationstools zu integrieren.

Use case: Predictive Maintenance

Bei dem Use Case Predictive Maintenance steht die Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit im Fokus. Hierbei werden mithilfe des Digitalen Zwillings Zustandsdaten kontinuierlich gesammelt und ausgewertet. Im Rahmen des Projektes TeDZ wurde ein Konzept entworfen, mit dem kritische Teilkomponenten und ihre Ausfallursachen identifiziert wurden. Sensor- und Zustandsgrößen der KEB-Geräte, die als Indikator für Abweichungen oder Eingangsgröße für Lebensdauermodelle dienen könnten, wurden ermittelt. Durch eine neu definierte Kommunikations-Infrastruktur wurde es ermöglicht, Daten aus KEB-Komponenten in eine Cloud-basierte Plattform zu transportieren. In dieser werden sie mit Lebensdauermodellen oder Algorithmen, die Unregelmäßigkeiten detektieren, überwacht.

Pilotvorhaben DeZ

Inwieweit digitale Zwillinge dabei helfen können, das energetische Verhalten von Komponenten und Maschinen zu optimieren, war Kern des TeDZ-Teilprojektes „Digitaler energetischer Zwilling“ (DeZ), an dem sich KEB Automation beteiligte. Teil des Pilotvorhabens DeZ war unter anderem die Erstellung von Modellen, die in möglichst vielen „Werkzeugen“ genutzt werden können. Darüber hinaus machte es sich das Projekt zur Aufgabe, Modelle mit einer skalierbaren Simulationstiefe zur Verfügung zu stellen. Diese Simulationstiefe ist von Bedeutung, da konventionelle Materialfluss-Simulationen das Antriebsverhalten nicht selten nur vereinfacht darstellen.

Technologiedemonstrator „Smart Warehouse“

Um die erreichten Erkenntnisse aus dem Forschungsprojekt abschließend zu demonstrieren, wurde ein Technologiedemonstrator konzipiert und aufgebaut. Die auf den Namen „Smart Warehouse“ getaufte Anlage stellt ein kleines Hochregallager dar, anhand dessen die Use Cases aus dem Projekt validiert werden konnten. So wurden beispielsweise Echtzeitdaten der Komponenten für den Use Case Predictive Maintenance in eine Cloud gesendet oder ein 3D-Modell der Anlage inklusive der Energieflüsse auf einem nebenstehenden Bildschirm visualisiert. Der Demonstrator steht auch heute noch in der SmartFactoryOWL und wird für weitere Forschungszwecke – z.B. im Bereich IIoT – genutzt.

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