Gastbeitrag

Digitale Zwillinge werden Realität

DI Herbert Schlacher, Geschäftsführer der trisoft informationsmanagement gmbh

PLM-Systeme liefern historische Daten, auf Basis derer ein digitaler Zwilling kinematisiert wird. Alle späteren Funktionen einer Anlage können damit an ihrem virtuellen Abbild simuliert werden.

von: DI Herbert Schlacher

Unter Product Lifecycle Management (PLM) versteht man gemeinhin einen strategischen Ansatz der Unternehmensführung, bei dem Produktlebenszyklen unter Heranziehen und Analysieren der im Laufe der Zeit entstandenen Daten und Dokumente optimiert werden sollen. Eine PLM-Software fungiert dabei als zentrale Basis für Produktdaten (Product Data Backbone). Die trisoft informationsmanagement gmbh implementiert und betreut solche Systeme; sie verfügt über umfangreiches PLM-Know-how sowie zahlreiche Referenzen in Österreich. Technische Basis ist die Software Pro.File des deutschen PLM-Anbieters PROCAD.

Fraunhofer-Forschungsprojekt untersucht Anlagenverfügbarkeit

PLM-Software stellt auch die Basis für den sog. „Digitalen Informationszwilling“ dar. Was darunter zu verstehen ist und wie dieser mit dem viel beschriebenen digitalen Zwilling interagiert, wurde jetzt in einem durch das deutsche Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördertem Forschungsprojekt unter Beteiligung von Procad und des Fraunhofer Institutes für Fabrikbetrieb und -automatisierung untersucht. Ziel des mit rund zwei Millionen Euro geförderten Projektes ist es, konkret und real aufzuzeigen, wie das Zusammenspiel von Digitalem Zwilling und Digitalem Informationszwilling die Anlagenverfügbarkeit im Betrieb steigern kann. Hierzu entstanden ein Assistenzsystem auf Basis cyber-physischer Produktionssysteme, das aus Modulen zur Prozesskonformität und Sensorik besteht, und ein mittels PLM abgebildetes paralleles Informationsmanagement.

Digitale Zwillinge als 3D-Modelle leisten im Anlagenbau heute wertvolle Unterstützung bei Simulation und Test. In der Regel versteht man darunter ein cyber-physisches System, das Detailinformationen für Analysen bereitstellt. Diese Informationen beziehen sich allein auf das Hier und Jetzt. Ein Anlagenhersteller möchte aber auch wissen, welche Dokumente und Informationen im Zuge eines Projektes entstanden sind. Bezieht die Verwendung von digitalen Zwillingen auch den Betrieb ein, fällt eine Fülle von Informationen mit Bezug zur Anlagenstruktur der konkreten Maschine vor Ort an.

Tandem aus digitalem Zwilling und digitalem Informationszwilling

Solche Informationen werden in einem Digitalen Informationszwilling festgehalten, quasi dem Langzeitgedächtnis der Anlage. Ohne ihn fehlen wichtige Produktdaten und Informationen im Prozess. Gerade im Falle cyber-physischer Systeme, also Systemen mit einem hohen Software und Vernetzungsanteil, wird das Tandem aus digitalem Zwilling und digitalem Informationszwilling immer wichtiger. Auch lassen sich hierdurch neue Geschäftsmodelle (Serviceangebote) etablieren.   

Der Anlagenbau unterteilt sich in drei wesentliche aufeinanderfolgende Tätigkeitsphasen: Akquise, Anlagenentwicklung (kundenspezifische Auslegung der Anlage) und Betrieb (zweckbestimmte Nutzung über ihre Lebensdauer). Digitale Zwillinge als virtuelle Abbilder einer Anlage werden in allen Phasen dieses Lebenszyklus eingesetzt. In der Entwicklung können am Zwilling alle späteren Funktionen inklusive der Steuerungsprogramme (SPS) entsprechend der realen Steuerung simuliert werden. Während der Inbetriebnahme sowie anschließenden Produktion wird der Zwilling unter Verwendung aktueller Maschinendaten neben der realen Anlage betrieben, um an ihm Systemverhalten nachzuempfinden zu können.

Die Aufgaben eines digitalen Zwillings fallen also unterschiedlich aus, je nachdem in welcher Phase er eingesetzt wird. Der digitale Zwilling als virtuelles Anlagenmodell bildet die aktuellen Anlagenzustände ab und greift hierfür auf die Strukturen, Dokumente und Modelle des digitalen Informationszwillings zurück. Das PLM-System als digitaler Informationszwilling unterfüttert den digitalen Zwilling. Es stellt alle Informationen von der Entwicklung über die Projektierung bis über die Inbetriebnahme hinaus zur Verfügung und dokumentiert in der Betriebsphase alle Bauzustände der Anlage lückenlos mit.

Entwicklungszeiten und Projektierung im Anlagenbau sind heute zumeist sequentielle Abläufe und bedürfen intensiver Kommunikation und Abstimmung zwischen den einzelnen Abteilungen. Der Konstrukteur übergibt dem Automatisierer sein „starres“ Werk, der es dann zum Leben erwecken und sich dafür in die Gedankenwelt des Konstrukteurs hineinversetzen muss. Die Anlage wird real als Prototyp 1:1 aufgebaut, um Funktionen und Kinematik testen zu können. Nicht selten gibt es dann ein böses Erwachen, wenn sich herausstellt, dass durch fehlende Abstimmung etwas nicht so funktioniert wie vorgesehen.

Änderungen werden rückwärts dokumentiert, ohne real durchgeführt worden zu sein

Deshalb  wurde im Forschungsprojekt ein eigens entwickeltes Tool für die Kinematisierung eingesetzt. Es setzt auf dem PLM-System auf, lädt aus diesem 3D-CAD-Modelle über das Step-Austauschformat und ermöglicht das virtuelle Vorführen der Abläufe durch die Bewegung der Anlagenelemente aus dem CAD anhand von Zeit, Ort, Geschwindigkeit und Beschleunigung. Bauteile werden zu Baugruppen und kinematischen Modellgruppen zusammengeführt und CAD-Komponenten werden kinematischen Strukturen (Körper, Achsen, Verbindungen) zugeordnet. Das Kinematisierungstool übernimmt zudem Modelloptimierungen (Simulationsfallverwaltung) und ergänzt den Zwilling um Zusatzelemente wie Werkzeugsysteme, Sensorik und Kameras.

Bestehende Anlagenmodule werden permanent geändert – dies muss dokumentiert werden. Wird die Geometrie im CAD-System geändert, wird diese Änderung per Stepfile an das Kinematisierungstool überführt. Dieses überprüft, ob die Änderungen durchführbar und die neuen Abläufe kollisionsfrei möglich sind. Die Simulationsergebnisse (Protokolle, Dokumentation, BMK) gibt der digitale Zwilling an den Informationszwilling zurück. Die Änderung ist somit rückwärts dokumentiert, ohne dass sie real durchgeführt wurde.

Inbetriebnahmezeiten um bis zu 70 % reduziert

Die Kinematisierung ist entscheidend im Zusammenspiel zwischen Konstruktion und Steuerungsprogrammierung, die traditionell autark arbeiten. Indem die starre Konstruktion in das Kinematisierungstool geladen wird, lässt sich die Anlage rein virtuell in Bewegung setzen. Der Konstrukteur kann die Funktionsweise spielerisch beschreiben, sie dem Kunden vorführen und schafft die Grundlage für den Automatisierer. Direkt im Kinematisierungstool kann bereits der Steuerungscode generiert werden, was dem Automatisierer einen großen Teil seiner Fleißarbeit abnimmt. Damit verringert man Missverständnisse, kann sicheren Code generieren und zur Verfügung stellen. Das Fraunhofer IFF hat das System im 24x7-Echtbetrieb bei verschiedenen Sondermaschinenbauern getestet und konnte dabei eine Reduzierung der Inbetriebnahmezeiten von bis zu 70 % und bei Entwicklung/Programmierung von bis zu 50 % feststellen.

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