Basis für produktlebenslange Optimierungen
Der virtuelle Zwilling und der digitale Produktpass
Viele Produzenten werden in den nächsten Jahren Energie-Labels und digitale Produktpässe einrichten müssen. Auch die Energiepreise treiben nachhaltigere Prozesse voran. Der digitale Zwilling rückt als Datenmodell in den Fokus.
Mit Green Deal und Öko-Designrichtlinie will die EU die Digitalisierung von Produkten und Kreislaufwirtschaft durch standardisierte Daten fördern. Ein wichtiger Aspekt dabei ist der digitale Produktpass, der den Weg von einer linearen zur zirkulären Wirtschaft ebnen soll. Über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg könnte der digitale Produktpass künftig über standardisierte Schnittstellen mit maschinell lesbaren Daten befüllt werden. Ein Produktpass startet im Engineering des Produktes, bezieht jedoch Herstellung, Nutzungsphase und Recycling konsequent ein. Dieses Umdenken wirkt sich auf das digitale Zusammenspiel aller Beteiligten in der Wertschöpfungskette aus. Um sich darauf vorzubereiten, können Unternehmen heute schon auf das Modell des digitalen Zwillings als standardisierte Verwaltungsschale von Eigenschaften der Objekte im Life Cycle setzen. So lassen sich relevante Daten sowohl aus Nachhaltigkeits-, als auch aus Automatisierungssicht sammeln.
Ein Datenmodell für den Lebenszyklus
Die ersten Digital Twins (DT) entstanden bei der NASA als virtuelle Abbilder von Raumfahrtobjekten, deren Zustand nicht physisch überprüft werden konnten. Mittlerweile setzt sich das Konzept auf breiter Basis durch. Bosch etwa bekennt sich explizit zum digitalen Zwilling als wichtige Technologie rund um die Nachhaltigkeit und sieht sie als Paradigmenwechsel. Ein Digital Twin setzt sich aus drei wesentlichen Bestandteilen zusammen: Das physische Produkt im realen Raum, das virtuelle Produkt im digitalen Raum und die Datenverarbeitung, mit der beide Welten verbunden werden. Digitale Zwillinge können nicht nur Produkte abbilden, sondern auch Prozesse und Dienstleistungen. In der chemischen Industrie beispielsweise eignen sich Digital Twins für die Produktionsanlagen ebenso wie für Ausrüstung, darunter intelligente Flansche, Pumpen und Kondensatableiter.
Auf den Produktbetrieb fokussiert
In der Praxis sind viele kleine und mittelständische Unternehmen noch weit von solchen Projekten entfernt. Die IT-Landschaften prägen noch immer Datensilos, obwohl Daten für eine ganze Reihe von Zukunftsthemen die treibende Kraft sind. Das gilt für digitale Geschäftsmodelle und Services, die oft auf der Integration von IoT-Sensoren und KI-Analytik basieren. Digitale Services helfen etwa den Betreibern, Maschinen und Anlagen innerhalb profitableren Leitplanken zu fahren. So lässt sich Energie sparen, Ausschuss vermeiden oder mit vorausschauender Wartung für weniger Ausfälle und eine längere Produktlebensdauer sorgen. Zudem entsteht für Maschinen- und Anlagenbauer so ein Fenster in Richtung der nächsten Lebensphase des Produkts beim Betreiber. Dazu sollten sie jedoch ihren Fokus von der Entwicklung und Herstellung auf den gesamten Lebenszyklus ihrer Produkte ausdehnen – und damit auf den Digital Twin.
Intensive Verbraucher unerwünscht
Das demnächst von der EU geforderte Nachhaltigkeits-Reporting ändert für betroffene Unternehmen einiges. Ab 2026 verpflichtet die Corporate Sustainability Reporting Directive (CSRD) auch Mittelständler ab 250 Mitarbeitenden zur Erstellung eines Nachhaltigkeitsberichts. Viele Betreiber erkennen derzeit die Wichtigkeit, für eine Verbesserung der CO2-Bilanz die größten Verursacher in ihren Prozessen zu identifizieren. Hohe Energiekosten sind dabei ebenfalls ein Treiber. Hier gerät etwa Rotating Equipment wie Pumpen und Ventilatoren besonders in den Fokus, das jetzt perspektivisch einem Retrofit mit Sensorik unterzogen wird. So schätzt Steve Schofield vom Verband europäischer Pumpenhersteller Europumps, dass Pumpensysteme etwa ein Fünftel des weltweiten Stroms verbrauchen. Die Pumpen sind in der Industrie innerhalb der EU damit der größte Einzelposten. Er steht mit seinem Stromverbrauch von über 300 TWh pro Jahr für über 65 Mio. Tonnen CO2-Ausstoß. Bemerkenswert ist dabei, dass rotodynamische Pumpen in der Regel zu 20 bis 30 Prozent überdimensioniert sind – und rund 80 Prozent der installierten Basis ausmachen.
Brüche in der Informationskette
Doch aktuell sind die Pumpenhersteller noch oft von der Lieferkette abgeschnitten. Sie liefern an Maschinen- und Anlagenbauer und haben meist keine Verbindung zum Endkunden. Nur selten findet ein Austausch statt, auch die Instandhaltung ist bei den Daten derzeit meist außen vor. Zwar sind im Engineering der Hersteller fast immer digitale Werkzeuge im Einsatz. Im Feld stehen die Ausrüstungsinformationen aber oft nur auf dem Papier zur Verfügung. Beim Digitalisieren von Brownfield-Umgebungen erarbeitet sich dann jeder Betreiber seine eigene digitale Informationswelt. Solche digitalen Brüche im Lebenszyklus des Produkts sind kontraproduktiv. Beim digitalen Produktpass geht es ganz konkret um eine bessere Kommunikation zwischen Herstellern, Betreibern, Instandhaltern und Recyclingunternehmen. Für eine erfolgreiche Umsetzung ist es deshalb sinnvoll, sämtliche Life-Cycle-Daten von Ausrüstung, aber auch Maschinen und Anlagen, von Beginn an in einem digitalen Zwilling zu sammeln.
Cloud-Service für Digital Twins
Digitale Zwillinge basieren oft auf Modellgraphen als Datenmodell. Als Infrastruktur für das Erstellen, Verwalten und Speichern von digital Twins bieten große Cloud-Plattformen wie Microsoft Azure bereits entsprechende Services an. Der Azure Digital Twin kann dabei analog zur Verwaltungsschale genutzt werden, die von der Plattform Industrie 4.0 definiert wurde. Auf dieser Basis können die erfassten Daten auch kommende Anforderungen der Datenbereitstellung innerhalb einer Wertschöpfungskette erfüllen. Das dürfte insbesondere für Unternehmen interessant sein, die schon jetzt mit dem Aufbau von digitalen Zwillingen starten wollen.
In der Azure-Cloud von Microsoft steht ein Ansatz für den Aufbau Übergreifender digitaler Zwillinge zur Verfügung. Darin abgelegte Ergebnisse sollen mit den kommenden Entwicklungen bei der Verwaltungsschale (VWS) verwendbar bleiben. (Bild: Cosmo Consult SSC GmbH)
Wichtige Funktionen des Cloud-Services
Der Service nutzt die Konnektoren der Azure-Plattform, um Systeme und Sensorik für die Erfassung der Life-Cycle-Daten einzubinden. Das gilt etwa für 3D-Konstruktionsmodelle aus CAD-Umgebungen. Die DT Definition Language soll die Beschreibung eines beliebigen physischen Objekts ermöglichen, etwa für digitale Abbilder von physischen Umgebungen wie Ausrüstung, Anlagen, Maschinen oder Gebäuden. Aus dem Modellgraph können unterschiedliche digitale Zwillinge erzeugt und beispielsweise für die Visualisierung oder Simulierung von Produktionsprozessen zusammengefügt oder für die Erstellung von Kunden-Apps genutzt werden.
Die Ausrüster sind jetzt gefragt
Die Informationskette beginnt beim Ausrüstungshersteller, der künftig als erstes ein Datenmodell mit relevanten Informationen digital füllen und übergeben muss. Die Erfassung der Informationen in einem Datenmodell kann durch einfache Apps automatisiert werden. Damit könnten schon einmal direkt die Informationen aus vorhandenen Datenblättern und von Erstabnahmen auf dem Prüfstand eingelesen werden. Eine wichtige Aufgabe, an der schon viele Hersteller arbeiten, besteht darin, konzeptionell die passende Sensorik mitzuliefern, damit der digitale Zwilling in der Betriebsphase mit aktuellen IoT-Daten angereichert werden kann. Diese Daten legen zugleich die Grundlage für Data Analytics rund um Energieoptimierung, Problemerkennung oder Predictive Maintenance. Mit Blick auf Technologien wie Pumpen muss auch insbesondere der Abgleich zwischen dem konkretem Einsatzszenario und der benötigten Auslegung und Dimensionierung deutlich besser werden. Perspektivisch könnte beispielsweise ein digitaler Variantenkonfigurator als App den Kunden dabei helfen, auf Grundlage des Einsatzzweckes die richtige Pumpe zu konfigurieren.
