Digitaler Zwilling Industrie 4.0

Er ist noch nicht lange im Einsatz und es gibt Unternehmen, die ihn bisher noch nicht eingesetzt haben. Jedoch verspricht er eine vielseitige Anwendbarkeit: Der digitale Zwilling.

Eine der Schlüsselfragen dabei ist, inwieweit der digitale Zwilling in der Lage ist, Produktions- und Betriebskosten zu senken. Wie kann er die Wertschöpfung beeinflussen und wie können Geschäftsmodelle in der digitalen Welt gestaltet werden? Inwieweit kann der digitale Zwilling zur Steigerung der Geschäftsleistung beitragen?

Die Fertigungsprozesse werden zunehmend immer digitaler. Während sich dieser Trend in immer mehr Unternehmen etabliert, haben andere Unternehmen Schwierigkeiten zu entscheiden, was sie tun sollten, um sowohl operativ als auch strategisch einen echten Mehrwert zu erzielen. Tatsächlich schaffen digitale Lösungen einen signifikanten Mehrwert für ein Unternehmen. Dies ist ein Mehrwert, der vor dem Aufkommen vernetzter, intelligenter Technologien nie hätte realisiert werden können. Besonders stark hebt sich aktuell der Begriff des digitalen Zwillings hervor: ein nahezu in Echtzeit erstelltes digitales Abbild eines physischen Objekts oder Prozesses, das zur Optimierung der Geschäftsleistung beiträgt.

Digitaler Zwilling Definition und Übersicht
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Bis vor kurzem blieben der digitale Zwilling und die damit verarbeiteten riesigen Datenmengen für Unternehmen oft schwer fassbar, da die Möglichkeiten der digitalen Technologie eingeschränkt und die Investitionen für die IT für Unternehmen wirtschaftlich unrentabel waren. Solche Hindernisse sind jedoch durch moderne Software-Lösungen in den letzten Jahren drastisch zurückgegangen. Deutlich niedrigere Kosten sowie neue performante Hardware-Lösungen ermöglichen es Unternehmen, Informationstechnologie und Betriebstechnik zu kombinieren, um so einen digitalen Zwilling zu schaffen.

Warum ist der digitale Zwilling für Unternehmen so wichtig?

Der digitale Zwilling kann es Unternehmen ermöglichen, ein vollständiges digitales Abbild ihrer Produkte vom Design und der Entwicklung bis zum Ende des Produktlebenszyklus zu erhalten. Damit ergeben sich neue Möglichkeiten, das eigene Produkt und die damit verbundenen Produktionsprozesse, vollständig zu verstehen. Auch wächst das Verständnis für den Kunden, da man nun beispielsweise durch das live Monitoring Möglichkeiten erhält genau zu erfahren, wie das Produkt im Feld eingesetzt wird. Mit der Schaffung des digitalen Zwillings können Unternehmen mit einem neuen Produkt, verbesserten Abläufen, reduzierten Fehlerraten und neuen Geschäftsmodellen zur Umsatzsteigerung einen signifikanten Mehrwert und eine schnellere Markteinführung erzielen.

Der digitale Zwilling kann es Unternehmen ermöglichen, physische Probleme schneller zu lösen. So können die an den digitalen Zwilling angebundenen Analysesysteme dazu beitragen, einzelne Fehler viel früher zu erkennen. Damit können bestimmte Ereignisse mit einem viel höheren Maß an Genauigkeit vorhergesagt werden. Auf diese Weise kann das Unternehmen bessere Produkte entwerfen und produzieren, womit es letztlich seine Kunden besser bedienen kann. Dieses smarte Design auf Basis eines digitalen Zwillings ermöglicht es Unternehmen, Werte und Nutzen iterativ und schneller als zuvor zu realisieren.

Die Schaffung eines digitalen Zwillings stellt für jedes Unternehmen eine Herausforderung dar. Der Schlüssel zum Erfolg liegt darin, Beratungsdienstleistungen in Anspruch zu nehmen und sich auf Basis dieses Expertenwissens weiter zu entwickeln. In erster Linie sollten Unternehmen zunächst die Definition und den Ansatz für die Entwicklung des digitalen Zwillings grundlegend verstehen, um nicht mit der praktischen Umsetzung überfordert zu werden.

Digitaler Zwilling: Was ist es und warum ist es so wichtig?

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Industrie und Wissenschaft definieren einen digitalen Zwilling auf verschiedene Weise. Einige dieser Definitionen bezeichnen den digitalen Zwilling beispielsweise als ein integriertes Modell eines Bestandsproduktes. Dieses enthält dann alle Informationen zu diesem Produkt sowie über dessen gesamten Lebenszyklus. Damit kann dann die genaue Abnutzung einzelner Produktteile während des Gebrauchs bestimmt werden. Andere weit verbreitete Definitionen beschreiben den digitalen Zwilling hingegen als sensorgestütztes digitales Modell eines physischen Objekts, welches das Objekt in einer digitalen Umgebung live simuliert.

Ein digitaler Zwilling wächst – er entwickelt sich kontinuierlich weiter

Ein digitaler Zwilling kann als ein sich kontinuierlich entwickelndes Profil definiert werden. Dieses Profil trägt an entscheidenden Stellen beispielsweise durch Kostenreduktion zur Optimierung der Geschäftsleistung bei. Es basiert auf massiven, kumulativen Datenmessungen in Echtzeit und über eine Vielzahl von Dimensionen. Diese Messungen können ein Profil des Objekts oder Prozesses in der digitalen Welt erzeugen, das wichtige Erkenntnisse über die mit dem digitalen Zwilling in Verbindung stehende Systemleistung liefern kann. Dies wiederum kann zu Aktionen in der physikalischen Welt führen, wie beispielsweise zu einer Änderung des Produktdesigns oder des Herstellungsprozesses.

Ein digitaler Zwilling unterscheidet sich vom traditionellen computergestützten Design (CAD) und dient nicht nur als eine weitere sensorgestützte Internet of Things (IoT)-Lösung. Er kann vielmehr beides sein. CAD ist vollständig in einer computersimulierten Umgebung gekapselt. Einfachere IoT-Plattformen messen Dinge wie Position und Diagnose für ein ganzes Bauteil, und deren Wechselwirkungen im gesamten Lebenszyklusprozess.

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Die Verbindung zwischen physischer und digitaler Welt

Die wahre Stärke eines digitalen Zwillings besteht darin, dass er nahezu in Echtzeit eine umfassende Verbindung zwischen der physischen und der digitalen Welt herstellen kann. Aufgrund dieser Interaktivität zwischen der realen und der digitalen Produkt- oder Prozesswelt kann der digitale Zwilling reichhaltigere Modelle erzeugen, die realistischere und ganzheitlichere Messungen liefern. Dank billigerer und leistungsfähigerer IT können diese interaktiven Messungen mit modernen Architekturen und fortschrittlichen Algorithmen für Feedback in Echtzeit und Offline-Analysen genutzt werden. Dies ermöglicht grundlegende Design- und Prozessänderungen, die mit den herkömmlichen Methoden nicht zu erreichen wären.

Der digitale Zwilling im Herstellungsprozess bietet eine besonders leistungsstarke und überzeugende Anwendung. Er dient als virtuelle Nachbildung dessen, was in der Produktion in nahezu Echtzeit tatsächlich geschieht. Tausende von Sensoren, die über den gesamten physischen Fertigungsprozess verteilt sind, erfassen gemeinsam Daten entlang einer Vielzahl von Dimensionen: von Verhaltensmerkmalen der Produktionsmaschinen und laufenden Arbeiten (Dicke, Farbqualität, Härte, Drehmoment, Drehzahlen usw.) bis hin zu Umgebungsbedingungen innerhalb der Produktion selbst. Diese Daten werden kontinuierlich an die digitale Zwilling-Anwendung übermittelt und von dieser aggregiert.

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Im Laufe der Zeit können die Analysen unannehmbare Trends in der tatsächlichen Leistung des Herstellungsprozesses in einer bestimmten Dimension im Vergleich zu einem idealen Bereich der tolerierbaren Leistung aufdecken. Solche vergleichenden Erkenntnisse könnten Untersuchungen und eine mögliche Veränderung eines Aspekts des Herstellungsprozesses in der physikalischen Welt auslösen.

So entsteht Ihr digitaler Zwilling

Wie entsteht ein digitaler Zwilling? Im Allgemeinen umfasst dieser Schaffungsprozess des digitalen Zwillings zwei Elemente:

Design der digitalen Zwillingsprozesse und Informationsanforderungen im Produktlebenszyklus

Die digitale Zwillingskreation beginnt mit dem Prozessdesign. Dabei steht das allgemeine Geschäftsmodell und die damit verbundenen Prozesse an erster Stelle, woraus sich wiederum weitere Fragestellungen ergeben: Was sind die Prozesse und Integrationspunkte, für die der Zwilling modellieren wird? In dieser Phase kommen standardisierte Prozessdesigntechniken zum Einsatz, um zu zeigen, wie Geschäftsprozesse, Personen, die die Prozesse ermöglichen, Geschäftsanwendungen, Informationen und physische Vermögenswerte miteinander interagieren. Die einzelnen Prozesse und deren Zusammenhänge sind später bei der Kreierung des digitalen Zwillings entscheidend. Denn auch die Veränderung einzelner Prozesse kann zu einer Optimierung der Unternehmensleistung führen.

Optimierte Datenstruktur

Der Schlüssel zum digitalen Zwilling liegt in der Konzentration auf die Arten von Informationen, die über den gesamten Lebenszyklus des betrachteten Objekts benötigt werden. Oft ist es wichtig, die Informationen wiederverwendbar zu strukturieren. Zu diesem Zweck kann die Erstellung eines kanonischen Datenmodells als unternehmensweit einheitliche Datenstruktur wichtig sein. Sie ermöglicht es verschiedenen Systemen und Anwendungen, Unternehmensinformationen zu verbinden und auszutauschen. Eine kanonische Struktur kann es den verschiedenen Systemen ermöglichen, in einem einfach vereinbarten Format zu kommunizieren.

Digitale konzeptionelle Zwillingsarchitektur

Die konzeptionelle Architektur kann am besten als eine Sequenz von sechs Schritten verstanden werden:

1. Anlegen:

Der Erstellungsschritt umfasst die Ausrüstung des physikalischen Prozesses mit Sensoren, die kritische Eingaben aus dem physikalischen Prozess und seiner Umgebung messen. Die Messungen der Sensoren lassen sich grob in zwei Kategorien einteilen:

a) Betriebliche Messungen in Bezug auf die physikalischen Leistungskriterien des Produktionsgutes (einschließlich mehrerer laufender Arbeiten), wie zum Beispiel Zugfestigkeit, Verschiebung, Drehmoment oder Farbgleichheit.

b) Umwelt- oder externe Daten, die den Betrieb eines Produktionsgutes beeinflussen, wie Umgebungstemperatur, Luftdruck und Feuchtigkeitsgehalt. Die Messungen können mit Hilfe von Encodern in gesicherte digitale Nachrichten umgewandelt und dann an den digitalen Zwilling übertragen werden.

Die Signale der Sensoren können mit prozessbasierten Informationen aus Systemen wie den Manufacturing Execution Systemen, Enterprise Resource Planning Systemen, CAD-Modellen und Supply Chain Systemen ergänzt werden. Dies stellt dem digitalen Zwilling eine breite Palette von kontinuierlich aktualisierten Daten zur Verfügung, die als Input für seine Analyse verwendet werden können.

2. Kommunizieren:

Der Kommunikationsschritt unterstützt die nahtlose, echtzeitfähige, bidirektionale Integration beziehungsweise Konnektivität zwischen dem physikalischen Prozess und der digitalen Plattform. Die Netzwerkkommunikation ist eine der radikalen Veränderungen, die den digitalen Zwilling ermöglicht haben. Sie besteht aus drei Hauptkomponenten:

Die Edge-Schnittstelle verbindet Sensoren, verarbeitet deren Signale und Daten und leitet diese Daten an die Plattform weiter. Dies dient dazu, proprietäre Protokolle in leichter verständliche Datenformate zu übersetzen und die Netzwerkkommunikation zu reduzieren.

Kommunikationsschnittstellen helfen bei der Übertragung von Informationen aus der Sensorfunktion in die Integrationsfunktion. In diesem Bereich sind viele Optionen erforderlich, da der Sensor, der die Erkenntnisse liefert, theoretisch an fast jedem Ort platziert werden kann, je nach der betrachteten digitalen Zwillingskonfiguration: innerhalb einer Fabrik, in einem Haus oder beispielsweise auf einem Parkplatz.

Sicherheitsschnittstellen: Neue Sensor- und Kommunikationsmöglichkeiten führen auch zu neuen Herausforderungen im Bereich der Sicherheit. Die gebräuchlichsten Sicherheitsansätze sind die Verwendung von Firewalls, Anwendungsschlüsseln, Verschlüsselung und Gerätezertifikaten.

3. Aggregation:

Dieser Schritt kann die Aufnahme der Daten des digitalen Zwillings in eine Datenbank unterstützen, wo sie verarbeitet und für die Analytik vorbereitet werden. Die Datenaggregation und -verarbeitung kann entweder vor Ort oder durch Cloud-Lösungen (https://www.cad-schroer.de/loesungen/industrie-40/internet-of-things/) erfolgen.

4. Analyse:

Im Analyseschritt werden die durch den digitalen Zwilling gewonnenen Daten analysiert und visualisiert. Hierbei können unsere Kunden fortschrittliche Analyseplattformen und -technologien nutzen, um iterative Modelle zu entwickeln, die Erkenntnisse und Empfehlungen generieren und die Entscheidungsfindung leiten.

5. Präsentation:

In diesem Schritt werden die Erkenntnisse aus der Analytik durch Dashboards mit Visualisierungen präsentiert, die inakzeptable Unterschiede in der Leistung des digitalen Zwillingsmodells und des physikalischen Welt in einer oder mehreren Dimensionen aufzeigen und auf Bereiche hinweisen, die möglicherweise untersucht und verändert werden müssen.

6. Handeln:

Im Handlungsschritt können umsetzbare Erkenntnisse aus den vorangegangenen Schritten auf den physischen Bestand und den digitalen Prozess zurückgeführt werden. Die Erkenntnisse werden dann in die Stellglieder des Asset-Prozesses eingespeist, die für Bewegungs- oder Kontrollmechanismen verantwortlich sind, oder sie werden in Backend-Systemen aktualisiert, die Lieferketten und Ordnungsverhalten steuern. Diese Interaktion vervollständigt die Verbindung zwischen der physischen Welt und dem digitalen Zwilling.

Fazit zum digitalen Zwilling

Die Rechenleistung großer Daten-Engines, die Vielseitigkeit der Analysetechnologien, die massiven und flexiblen Speichermöglichkeiten des Aggregationsbereichs und die Integration mit kanonischen Daten ermöglichen es dem digitalen Zwilling, eine reiche, weniger isolierte Umgebung als zuvor zu modellieren. Diese Möglichkeiten können zu einem detaillierten und realistischen Modell führen und auf diesem Wege Wettbewerbsvorteile generieren.

CAD Schroer bietet Unternehmen verschiedene Produkte, Beratungs- und Dienstleistungen zum digitalen Zwilling an. Die erfahrenen Berater und IT-Experten können während des gesamten Prozesses kundenspezifische Standards und Sicherheitsmaßnahmen für die Datenverwaltung und die interoperable Konnektivität anwenden und somit Lösungen erschaffen, die exakt zu Ihrem Unternehmen passen.

FAQ – Häufig gestellte Fragen zum digitalen Zwilling

Was ist ein digitaler Zwilling?

Industrie und Wissenschaft definieren einen digitalen Zwilling auf verschiedene Weise. Einige dieser Definitionen bezeichnen den digitalen Zwilling beispielsweise als ein integriertes Modell eines Bestandsproduktes. Dieses enthält dann alle Informationen zu diesem Produkt sowie über dessen gesamten Lebenszyklus. Damit kann dann die genaue Abnutzung einzelner Produktteile während des Gebrauchs bestimmt werden. Andere weit verbreitete Definitionen beschreiben den digitalen Zwilling hingegen als sensorgestütztes digitales Modell eines physischen Objekts, welches das Objekt in einer digitalen Umgebung live simuliert.

Was sind die Vorteile eines digitalen Zwillings?

Der große Vorteil eines digitalen Zwillings besteht darin, dass er nahezu in Echtzeit eine umfassende Verbindung zwischen der physischen und der digitalen Welt herstellen kann. Diese Verbindung einzelner Prozesse kann zu einer Optimierung der Geschäftsleistung beitragen. Aufgrund dieser Interaktivität zwischen der realen und der digitalen Produkt- oder Prozesswelt kann der digitale Zwilling reichhaltigere Modelle erzeugen, die realistischere und ganzheitlichere Messungen liefern. Dies ermöglicht grundlegende Design- und Prozessänderungen, die mit den herkömmlichen Methoden nicht zu erreichen wären.

Warum ist der digitale Zwilling für Unternehmen so wichtig?

Der digitale Zwilling ermöglichen es Unternehmen, physische Probleme schneller zu lösen. So können die an den digitalen Zwilling angebundenen Analysesysteme dazu beitragen, einzelne Fehler viel früher zu erkennen. Damit können bestimmte Ereignisse mit einem viel höheren Maß an Genauigkeit vorhergesagt werden. Auf diese Weise kann das Unternehmen bessere Produkte entwerfen und produzieren, womit es letztlich seine Kunden besser bedienen kann. Dieses smarte Design auf Basis eines digitalen Zwillings ermöglicht es Unternehmen, Werte und Nutzen iterativ und schneller als zuvor zu realisieren.

Womit erstellt man einen digitalen Zwilling?

Moderne Software-Lösungen sowie neue performante Hardware-Lösungen ermöglichen es Unternehmen heute zu deutlich niedrigere Kosten, Informationstechnologie und Betriebstechnik zu kombinieren, um so einen digitalen Zwilling zu schaffen.

Wie entsteht ein digitaler Zwilling?

Die Kreation des digitalen Zwillings beginnt mit dem Prozessdesign. Dabei steht das allgemeine Geschäftsmodell und die damit verbundenen Prozesse an erster Stelle. In dieser Phase kommen standardisierte Prozessdesigntechniken zum Einsatz, die zeigen, wie Geschäftsprozesse und deren Zusammenhänge miteinander interagieren. Sie sind später bei der Kreierung des digitalen Zwillings entscheidend.