Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB Laut dem »Digital Twin Consortium« ist ein Digitaler Zwilling eine virtuelle Repräsentation von realen Assets und Prozessen, die mit einer bestimmten Frequenz und Genauigkeit synchronisiert werden. Digitale Zwillinge können eigenständig als Repräsentationen existieren, werden aber häufig in größere Systeme zur Überwachung, Analyse und Steuerung integriert.
Digitale Zwillingssysteme – das Schlüsselkonzept für Industrie 4.0
Digitaler Zwilling in der Produktion.
Digitale Zwillingssysteme umfassen die gesamte Infrastruktur, Werkzeuge und Prozesse, die zur Erstellung, Verwaltung und Nutzung Digitaler Zwillinge eingesetzt werden. Diese Systeme sind darauf ausgelegt, Echtzeitdaten von physischen Assets zu sammeln, Modelle von Digitalen Zwillingen zu aktualisieren, Analysen, Simulationen, Optimierungen oder andere Berechnungen durchzuführen und Einblicke sowie Steuerung der physischen Assets oder Prozesse anzubieten.
Das Konzept des Digitalen Zwillings steht somit für die Möglichkeit, Produkte sowie Maschinen und ihre Komponenten mit Hilfe Digitaler Werkzeuge modelliert werden, und zwar einschließlich sämtlicher Geometrie-, Kinematik- und Logikdaten. Ein Digitaler Zwilling ist das Abbild des physischen Assets in der realen Fabrik und erlaubt dessen Simulation, Steuerung und Verbesserung.
Teilmodelle eines Digitalen Zwillings
Aus Sicht der industriellen Produktion und des Engineerings umfassen Digitale Zwillinge beispielsweise folgende Teilmodelle:
- Modellbasierte Selbstbeschreibungen mit dem Ziel von Autoidentifikation und Autokonfiguration, z.B. damit sich Maschinen und ihre Komponenten mit Hilfe von mitgelieferten Treiberinformationen am MES-System oder im IoT-System mit ihren Fähigkeiten und Diensten anmelden.
- Beschreibung von Fähigkeiten (‚Skills‘) von Produktionsanlagen, bestimmte Fertigungsverfahren wie Drehen oder MAG-Schweißen ausführen zu können oder Materialflussfunktionen wie Heben oder Stetigfördern durchzuführen. Außerdem umfassen die Fähigkeiten Attribute und ihre zulässigen Wertbereiche sowie ggfs. Teile der Logik. Mit diesen Beschreibungen können Produktionsmittel schnell zu Anlagen für neue Fertigungsaufgaben zusammengebaut, konfiguriert und in Betrieb genommen werden.
- Datenbasierte Modelle des Normalverhaltens einer Maschine, einer Linie oder einer kompletten Produktion, basierend auf Laufzeitdaten, die beispielsweise über ein MES aus dem realen Betrieb, z.B. mit Hilfe maschinellen Lernens, gewonnen werden.
- Offline- und Online-Simulationen einschließlich spezieller Simulatoren, z.B. für Finite Elemente, Virtuelle Inbetriebnahme oder die Simulation physikalischer Prozesse. Im Idealfall interagieren verschiedene Simulationsmodelle miteinander. Der Begriff des Digitalen Zwillings ist in der Vergangenheit oft mit der Simulation gleichgesetzt worden; aus der Sicht des IOSB ist diese Definition jedoch zu eng.
- Die Digitale Fabrik, die ein „umfassendes Netzwerk von digitalen Modellen, Methoden und Werkzeugen (…)“ beschreibt, „die durch ein durchgängiges Datenmanagement integriert werden“, z.B. für Produktions- und Materialflussanlagen, Gebäude und Technische Gebäudeausrüstung (VDI 4499, Blatt1). Der Begriff der Digitalen Fabrik ist seit langem bekannt und in einschlägigen Standards beschrieben, z.B. der Richtlinienreihe 4499 des VDI.
- Zu vollständigen Digitalen Zwillingen gehören außerdem IT-Sicherheit, Zugriffsrechte, Zertifikatshandling, Versionsmanagement und Kompatibilitätstests verschiedener Versionen Digitaler Zwillinge.
Digitale Zwillinge sind für Industrie 4.0 und die Digitalisierung der Fertigung essentiell. Ihr Inhalt entsteht in den verschiedenen Lebenszyklusphasen eines Produkts oder einer Fabrik, mit unterschiedlichen Werkzeugen auf diversen Plattformen.
FA³ST: Werkzeugkasten für Standard-konforme Digitale Zwillige
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Der offene Standard, auf den wir uns bei der Umsetzung Digitaler Zwillinge im Industrie-4.0-Kontext stützen, ist die sogenannte Verwaltungsschale (engl. Asset Administration Shell).
Mit FA³ST (Fraunhofer Advanced Asset Administration Shell Tools for Digital Twins) hat das Fraunhofer IOSB eine Sammlung von Werkzeugen zur Realisierung der Verwaltungsschalen-konformen Systeme für Digitale Zwillinge entwickelt.
Die FA³ST-Werkzeuge unterstützen den gesamten Lebenszyklus Digitaler Zwillinge: von der Identifizierung über die Modellierung, Entwicklung, gemeinsame Nutzung, z. B. in Datenräumen, bis hin zur kontinuierlichen Verbesserung. Unsere Werkzeuge bieten flexible Lösungen zur Verwaltung Digitaler Zwillinge: Sie erleichtern es Mitarbeitern aus Planungsabteilungen oder der Produktion, schnell und konsistent Digitale Zwillinge zu erstellen, ohne den zugrunde liegenden Standard im Detail kennen zu müssen.