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Der digitale Zwilling: ein Game-Changer in der Produktentwicklung und Inbetriebnahme

Der digitale Zwilling ist im Maschinen- und Anlagenbau ein viel diskutiertes Thema. Während einige Unternehmen noch die theoretischen Einsatzmöglichkeiten evaluieren, setzen andere den Digital Twin bereits erfolgreich in der Praxis ein. Dies gilt beispielsweise im Bereich der virtuellen Inbetriebnahme. Wie Konstrukteure, Hardwareplaner, Elektrotechniker, SPS-Programmierer, Softwareentwickler und Außendiensttechniker hierbei konkret profitieren können, zeigt das Beispiel eines Engineering-Dienstleisters, der die Technologie in sein Tagesgeschäft implementiert hat.

Der digitale Zwilling und seine Relevanz im Engineering

Der digitale Zwilling ist nicht nur ein Kernelement der Industrie 4.0, sondern auch eine bedeutende Innovation für Engineering-Teams. Denn er verändert die Vorgehensweise bei der Entwicklung und Inbetriebnahme von Produkten grundlegend. Möglich macht dies seine Kerneigenschaft: das vollständige Abbilden einer realen Maschine im virtuellen Raum mit all ihren Details und physikalischen Eigenschaften.

Welche Vorteile der digitale Zwilling in der Praxis konkret mit sich bringt, kann das Team der blue automation GmbH sehr gut beurteilen. Der Dienstleister beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit Automatisierungstechnik für die Branchen Automotive, Zulieferer, Pharma- und Medizintechnik sowie Food and Beverage. Zum Portfolio zählen Hardware-Design und SPS-Software-Entwicklung ebenso wie Robot Engineering. Aus seiner langjährigen Projekterfahrung weiß der Siemens-Solution-Partner, dass Erwartung und Realität beim traditionellen Vorgehen der Produktentwicklung weit auseinandergehen können: Prozesse funktionieren nicht wie geplant, die Software erfüllt nicht alle Anforderungen, das Inbetriebnahme-Team hat Verständnisschwierigkeiten, es sind umfangreiche mechanische Änderungen erforderlich oder es kommt nach dem Start sogar zu Schäden durch einen Crash. All diese Probleme lassen sich vermeiden, wenn eine Maschine oder Anlage zunächst im virtuellen Raum getestet und optimiert wird.

Erhebliche Kosten- und Zeitersparnis möglich

Der Ansatz von blue automation ist stufenweise aufgebaut. Zunächst werden vom Kunden auf Basis der mechanischen Konstruktion die 3D-Daten der geplanten Anlage erstellt. Nun fügt der Anbieter die physikalischen Eigenschaften der Maschine mittels MCD hinzu. Dies ist notwendig, um Verhalten, Bewegungen und Schnittstellen sämtlicher Sensoren und Aktoren abzubilden. Im nächsten Schritt ist der somit entstandene virtuelle Zwilling bereit, in Verbindung mit der SPS-Steuerung virtuell getestet zu werden. Jede Funktion und der gesamte Prozess kann somit im Detail evaluiert werden, noch bevor die Anlage in den Bau geht. Selbstredend ergeben sich daraus eine ganze Reihe von Benefits.

Zunächst ist die virtuelle Inbetriebnahme mithilfe des Digital Twins hilfreich für grundlegende Machbarkeits- und Erreichbarkeitsanalysen. Weiterhin hilft sie dabei, Konstruktionsfehler in einer sehr frühen Phase zu identifizieren und zu beheben. Ebenso werden Möglichkeiten für Material- und Energieeinsparungen sichtbar. Auch lässt sich die Qualität der zugehörigen Softwareprogramme durch virtuelle Erprobung deutlich steigern. In Summe führen diese Eigenschaften dazu, dass Kosten für nachträgliche Änderungen sinken, nachhaltigere Lösungen entstehen und ein optimiertes Produkt ausgeliefert wird – sowohl im Hinblick auf die Hardware als auch auf die Software.

Inbetriebnahme-Prozess wird ebenfalls deutlich verbessert

Neben Kosten- und Zeiteinsparungen sowie deutlichen Qualitätsverbesserungen hat der digitale Zwilling einen weiteren großen Vorteil: Außendienstmitarbeiter können sich mit der Maschine oder Anlage im Detail vertraut machen, noch bevor sie die Reise zum Endkunden antreten. Gerade bei komplexen Produkten ist dies ein klarer Pluspunkt. Denn die virtuelle Erprobung im Vorfeld bewirkt, dass die reale Inbetriebnahme weitaus reibungsloser vonstattengeht. Dies wiederum steigert nicht nur die Zufriedenheit der Kunden, die einen planmäßigen und problemlosen Produktivstart natürlich begrüßen. Auch die vorhandenen Personalressourcen werden erheblich geschont. In Zeiten, in denen Personalmangel herrscht und die Reisebereitschaft der Mitarbeiter im Allgemeinen zurückgeht, ist dies ein ebenfalls nicht zu unterschätzender Faktor.
 

Weitere Use Cases für den Digital Twin

Da der digitale Zwilling mit 3D-Daten, SPS und Bedienelementen vorhanden ist, kann er auch dazu genutzt werden, unerfahrenes oder neues Bedienpersonal auszubilden. Gegenüber einer Ausbildung an der realen Anlage ist diese Variante vollkommen risikofrei, da Fehlbedienungen nicht zu Schäden führen. Weiterhin können verschiedene Fehlerszenarien inklusive der jeweiligen Problemlösung eingeübt werden.

Natürlich kommt es in der Praxis immer wieder vor, dass eine laufende Anlage umgebaut oder erweitert werden soll. Auch an dieser Stelle spielt der digitale Zwilling seine Stärken aus. Denn er ermöglicht es, den Umbau virtuell zu planen und umzusetzen, die Software anzupassen und das Gesamtkonstrukt zu testen. Erst wenn dies erfolgreich verläuft, wird die reale Anlage verändert. Durch diesen Ansatz lassen sich Stillstandszeiten beim Umbau deutlich minimieren.

Nicht zuletzt ist der digitale Zwilling durch die 3D-Modellierung eine sehr gute Visualisierung der realen Anlage. Somit kann er auch für Werbezwecke, auf Messen, für Kundenschulungen oder im Rahmen von Demonstrationen durch den Vertrieb eingesetzt werden.

Veröffentlichtes Advertorial im Handelsblatt, 28.02.2024

IT/OT-Integration für smarte Maschinen: Grundlagen, Herausforderungen und Perspektiven

In der Industrie existieren zwei große Technologie-Bereiche: IT und OT. Wem es gelingt, eine Brücke zwischen diesen beiden Welten zu bauen, erschließt erhebliche Potenziale. Doch wie lässt sich die IT/OT-Integration für smarte Maschinen realisieren?
 

IT und OT: zwei historisch getrennte Bereiche

IT (Information Technology) und OT (Operational Technology) erfüllen unterschiedliche Funktionen in industriellen Umgebungen. Die IT fokussiert sich auf Netzwerksysteme, die Verarbeitung und Speicherung von Daten in Datenbanken sowie den Umgang mit Informationen. Sie basiert auf hochentwickelten Programmiersprachen und unterstützt vor allem administrative Prozesse. Die OT beschäftigt sich hingegen mit Hard- und Software, die speziell für die Steuerung von Maschinen und Produktionsanlagen entwickelt wurde. Sie nutzt elektrotechnische Systeme und einfache Programmiersprachen, um industrielle Abläufe zu steuern und zu überwachen. In der Vergangenheit waren beide Bereiche voneinander getrennt. Im Zuge der Digitalisierung wurde es dann jedoch notwendig, Daten zwischen OT und IT auszutauschen. Relevant ist dies vor allem für Maschinenhersteller und Maschinenbetreiber.
 

IT/OT-Integration für smarte Maschinen: Relevanz steigt stetig

Die IT/OT-Integration für smarte Maschinen gewinnt in der Industrie zunehmend an Bedeutung. Sie ermöglicht es, die Potenziale beider Welten zu vereinen, um Produktionsprozesse effizienter, flexibler und nachhaltiger zu gestalten. Drei zentrale Interessensgruppen profitieren besonders von dieser Entwicklung:

• Maschinenbauunternehmen: Insbesondere im Serien- und Sondermaschinenbau ist die Fähigkeit, "smarte" Maschinen auszuliefern, ein entscheidender Wettbewerbsvorteil. Smarte Maschinen können Daten aus Produktionsprozessen sammeln, analysieren und in Echtzeit verfügbar machen. Dies eröffnet Maschinenherstellern neue Möglichkeiten, Mehrwert für ihre Kunden zu schaffen.


• Maschinenbetreiber älterer Anlagen: Viele Produktionsanlagen sind über Jahrzehnte gewachsen und nicht auf digitale Anforderungen ausgelegt. Die IT/OT-Integration eröffnet die Möglichkeit, auch ältere Maschinen nachträglich mit intelligenten Funktionen auszustatten. Durch die Verbindung von Sensorik mit Datenbanken können diese Maschinen in übergeordnete Systeme integriert werden, ohne dass umfangreiche Neubeschaffungen nötig sind.


• Maschinenbetreiber mit Fokus auf Innovation: Unternehmen, die auf Technologien wie Edge Computing, künstliche Intelligenz, Predictive Maintenance oder OEE-Monitoring (Overall Equipment Effectiveness) setzen, können durch die IT/OT-Integration erhebliche Optimierungen erzielen. Beispielsweise wird es möglich, Maschinendaten in Echtzeit zu analysieren und auf Anomalien zu prüfen.
   

Welche Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der IT/OT-Integration für smarte Maschinen?

Durch eine IT/OT-Integration wird es möglich, Sensordaten aus Maschinen in eine zentrale Datenbank zu übertragen. Dort können sie auf verschiedene Weise weiterverwendet werden. Eine Option ist beispielsweise die Echtzeitüberwachung der Parameter, das Condition Monitoring. Noch einen Schritt weiter geht das Konzept "Predictive Maintenance". Hier werden die erfassten Maschinendaten mithilfe von KI analysiert, um Anomalien zu erkennen, welche auf einen Wartungsbedarf, einen bevorstehenden Fehler oder einen drohenden Ausfall hindeuten. In solch einem Fall kann dann eine gezielte und frühzeitige Wartung angestoßen werden, was mit minimierten Ausfallzeiten und sinkenden Kosten einhergeht.

Auch ein Energie-Monitoring ist dank IT/OT-Integration umsetzbar. Die kontinuierliche Überwachung von Energieverbrauchsdaten hilft dabei, "Energiefresser" zu identifizieren und gezielt abzuschalten. So können Unternehmen nicht nur ihre Betriebskosten senken, sondern auch ihren CO₂-Fußabdruck verbessern.

Die IT/OT-Integration ermöglicht es darüber hinaus, wichtige Produktionskennzahlen wie Verfügbarkeit, Leistung und Qualität in Echtzeit zu überwachen. Auch ältere Maschinen ohne integrierte Visualisierung können durch kostengünstige Nachrüstlösungen in moderne OEE-Monitoringsysteme eingebunden werden.
 

Herausforderungen der IT/OT-Integration

Trotz der zahlreichen Vorteile ist die Umsetzung einer IT/OT-Integration für smarte Maschinen mit einigen Herausforderungen verbunden:

• Unterschiedliche Standards und Protokolle: IT und OT nutzen unterschiedliche Kommunikationsprotokolle, die oft inkompatibel sind. Diese technische Hürde erfordert spezialisierte Lösungen, um eine reibungslose Integration zu gewährleisten.


• Sicherheits- und Datenschutzrisiken: Jede Maschine, die mit dem Internet verbunden ist, erhöht das Risiko von Cyberangriffen. Sicherheitsmaßnahmen wie Firewalls, Verschlüsselung und Zugriffskontrollen sind daher essenziell, um sensible Produktionsdaten zu schützen.


• Kulturelle und organisatorische Unterschiede: IT- und OT-Teams arbeiten oft mit unterschiedlichen Schwerpunkten und Methoden. IT-Experten konzentrieren sich auf Softwareentwicklung und Netzwerksicherheit, während OT-Ingenieure die physische Funktion von Maschinen gewährleisten. Diese Unterschiede können Kommunikationsbarrieren schaffen, die durch enge Zusammenarbeit und klare Zielsetzungen überwunden werden müssen.
   

Hier erhalten Unternehmen Unterstützung

Die Umsetzung einer erfolgreichen IT/OT-Integration erfordert spezialisiertes Fachwissen und Erfahrung. Die blue automation GmbH aus Rennerod, ein Experte für Automatisierungstechnik, bietet umfassende Services an, die Unternehmen auf diesem Betätigungsfeld unterstützen.

Das Unternehmen ist in Branchen wie Automotive, Pharma- und Medizintechnik sowie Food and Beverage tätig. Zu den Leistungen zählen Hardware-Design, SPS-Software-Engineering, Robotiklösungen, virtuelle Inbetriebnahme und digitale Zwillinge. Dank der interdisziplinären Expertise realisiert blue automation nahtlose IT/OT-Integrationen für Maschinen unterschiedlichster Art.

Umfassendes Know-how, etwa in der Arbeit mit Siemens- und Rockwell-Systemen, ermöglicht es dem Dienstleister, individuelle Anforderungen präzise umzusetzen. blue automation garantiert dabei Qualität, Flexibilität und Sicherheit auf höchstem Niveau.
 

Effizienterer Maschinenbetrieb, Kostensenkung auf vielen Ebenen, mehr Nachhaltigkeit: Vieles spricht dafür, sich näher mit dem Thema der IT/OT-Integration für smarte Maschinen zu beschäftigen. Unternehmen, die hierbei Unterstützung benötigen, können sich jederzeit an das Team von blue automation wenden.

Veröffentlichtes Advertorial im Handelsblatt, 11.12.2024