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Digitale Zwillinge brauchen Daten aus der Produktentstehung

Anlagenverfügbarkeit im Betrieb steigern - Inbetriebnahmezeiten um bis zu 70 % reduziert.
PROCAD GmbH & Co. KG | 27.09.2019
Digitale Zwillinge brauchen Daten aus der Produktentstehung © PROCAD GmbH & Co. KG
 
Digitale Zwillinge als 3D-Modelle leisten im Anlagenbau heute wertvolle Unterstützung bei Simulation und Test. Dafür benötigen sie historische Daten aus dem Produktentstehungsprozess, die ihnen PLM (= Product Lifecycle Management)-Systeme bereitstellen. Auf diese Weise können alle späteren Funktionen einer Anlage an ihrem virtuellen Abbild getestet werden.

Unter einem Digitalen Zwilling versteht man ein cyber-physisches System, das Detailinformationen für Analysen bereitstellt. Diese Informationen beziehen sich allein auf das Hier und Jetzt. Ein Anlagenhersteller möchte jedoch 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. Solche Informationen werden in einem sogenannten Digitalen Informationszwilling festgehalten, quasi der Lebenslaufakte (oder dem Langzeitgedächtnis) der Anlage.

Für den Aufbau solcher Digitalen Informationszwillinge eignen sich Product-Lifecycle-Management (PLM)-Systeme. PLM ist ein strategischer 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).

Anlagenverfügbarkeit im Betrieb steigern


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. Ein Konzept dafür wurde in den letzten zwei Jahren in einem durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Forschungsprojekt entwickelt, unter Beteiligung des Fraunhofer Institutes für Fabrikbetrieb und -automatisierung sowie des Karlsruher PLM-Anbieters PROCAD. Hier soll konkret aufgezeigt werden, wie das Zusammenspiel von Digitalem Zwilling und Informationszwilling die Anlagenverfügbarkeit im Betrieb steigern kann.

Der digitale Informationszwilling wurde hier durch das PLM-System PRO.FILE des Karlsruher Anbieters PROCAD abgebildet. Dazu entstanden ein Assistenzsystem auf Basis cyber-physischer Produktionssysteme, das aus Modulen zur Prozesskonformität und Sensorik besteht, und ein auf Basis des PLM-Systems abgebildetes paralleles Informationsmanagement. Dieses stellt alle Informationen von der Entwicklung über die Projektierung bis über die Inbetriebnahme hinaus zur Verfügung und dokumentiert in der Betriebsphase die Bauzustände der Anlage lückenlos mit.

Auf dem PLM-System setzt ein Kinematisierungstool auf. Es lädt aus der PLM-Umgebung 3D-CAD-Modelle und ermöglicht das virtuelle Vorführen der Abläufe durch die Bewegung der Anlagenelemente aus dem CAD anhand von Zeit, Ort, Geschwindigkeit und Beschleunigung. So lässt sich überprüfen, ob Änderungen durchführbar und die neuen Abläufe kollisionsfrei möglich sind. 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 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.

Frank Zscheile, IT-Journalist, München