Digitaler Zwilling und IIoT: Brücke zwischen Echtzeitdaten und Erfahrungswissen

515769
Bild: ©putilov/stock.adobe.com

Der digitale Zwilling entwickelt sich zunehmend zu einer tragenden Säule der digitalen Transformation industrieller Produktionsprozesse. In Verbindung mit künstlicher Intelligenz und dem Industrial Internet of Things-Infrastrukturen entsteht eine neue Qualität industrieller Steuerungssysteme: Erfahrungswissen von Mitarbeitenden wird mit objektiven Echtzeitdaten aus der Fertigung verknüpft, um eine fundierte Entscheidungsgrundlage zu liefern. Die Fähigkeit, kontinuierliche Rückmeldungen aus dem laufenden Betrieb in Echtzeit zu verarbeiten und daraus unmittelbar handlungsleitende Impulse abzuleiten, ermöglicht Transparenz über Produktionsprozesse hinweg und versetzt Unternehmen in die Lage, flexibel und präzise auf interne wie externe Veränderungen zu reagieren.

Datenmodell und Kontextualisierung

Damit ein digitaler Zwilling effektiv arbeiten kann, benötigt er Zugriff auf ein intelligentes, semantisch strukturiertes Datenmodell. Dieses umfasst sowohl explizite, sensorisch erfasste Datenströme aus Maschinen und Anlagen als auch implizites Wissen aus früheren Entscheidungsprozessen, etwa aus Erfahrungswerten von Mitarbeitenden oder typischen Reaktionsmustern auf Störungen. Die Kombination beider Datenquellen ermöglicht eine kontextuelle Bewertung von Situationen und eine proaktive Steuerung.

Systemarchitektur und Funktionslogik

Die Grundlage für adaptive, digitale Zwillinge in der Fertigungssteuerung bildet eine modulare Systemarchitektur, die aus funktional differenzierten Komponenten besteht:

  • Der Observer erfasst kontinuierlich Prozessdaten und Zustände aus dem physischen Produktionsumfeld. Diese Daten werden in strukturierter Form gespeichert und bilden die Basis für alle weiteren Analysen.
  • Der Explanator nutzt semantische Informationsmodelle, um auf Basis der Beobachtungsdaten Abweichungen vom erwarteten Systemverhalten zu erklären. Dabei kommen sowohl regelbasierte als auch dynamisch lernende Modelle zum Einsatz, die Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge identifizieren.
  • Der Evaluator bewertet mögliche Handlungsoptionen, um Abweichungen unter Berücksichtigung von Zielgrößen, Systemgrenzen und vergangenen Entscheidungen zu bewerten. In der Praxis kommen dabei einfache Entscheidungsbäume bis hin zu mehrkriteriellen Bewertungsverfahren zur Anwendung.
  • Der Decision Maker wählt aus den bewerteten Alternativen eine geeignete Maßnahme aus. Dabei werden typischerweise Optionen wie ‚Abwarten‘, ‚Parameteranpassung‘, ‚Konfigurationswechsel‘ oder ‚Delegation‘ berücksichtigt. Die Entscheidung kann regelbasiert, heuristisch oder durch KI unterstützt erfolgen.
  • Der Executor bereitet die Umsetzung der Maßnahme vor und übergibt sie an den Actuator, der die physische Ausführung innerhalb des Systems realisiert, sei es durch Anpassung von Maschinenparametern oder durch Kommunikation mit übergeordneten oder parallelen Systemen.

Diese Architektur ermöglicht kurzzeitige Anpassungen im laufenden Betrieb – automatisiert und situationsabhängig. Im Zusammenspiel mit digitalen Zwillingen, die verschiedene Konfigurationszustände digital repräsentieren, können Maßnahmen zudem vorab simuliert und hinsichtlich ihrer Wirksamkeit geprüft werden. Damit entstehen lernfähige, selbstoptimierende Systeme, die nicht nur reaktiv, sondern zunehmend auch prädiktiv agieren.

Echtzeitreaktion in der Lernfabrik

Ein Beispiel für die Umsetzung bietet ein in einer Lernfabrik entwickeltes cyber-physisches Produktionssystem. Die Architektur gliedert sich in aufeinander abgestimmte Module, die gemeinsam eine geschlossene Steuerungsschleife bilden. Der Observer erfasst kontinuierlich Betriebsdaten, der Explanator analysiert Abweichungen vom Sollzustand und der Evaluator prüft mögliche Handlungsoptionen unter Berücksichtigung vorheriger Entscheidungen und aktueller Parameter. Der Decision Maker wählt auf dieser Basis die optimale Strategie und überträgt diese an Executor und Actuator, die die Umsetzung in der Anlage übernehmen. In einem konkreten Anwendungsfall an einer Mensch-Roboter-Arbeitsstation identifizierte das System beispielsweise eine abfallende Leistungskennzahl, analysierte semantisch relevante Einflussgrößen wie Ermüdung oder Störung und veranlasste eine automatische Anpassung des Arbeitstakts. Die neue Konfiguration wurde ohne manuelles Eingreifen umgesetzt. Dieses Beispiel verdeutlicht die Stärke des digitalen Zwillings, operative Prozesse nicht nur zu beobachten, sondern aktiv zu gestalten.

Während IIoT-Plattformen vor allem der Aggregation und Verfügbarkeit von Daten dienen, stellt der digitale Zwilling die semantische Ebene bereit, die für eine sinnvolle Interpretation und operative Nutzung dieser Daten notwendig ist. Die Kombination beider Elemente eröffnet neue Möglichkeiten der Fertigungssteuerung: Rückmeldungen aus dem laufenden Betrieb werden in Echtzeit erfasst, bewertet und direkt in Steuerungsentscheidungen überführt. Daraus entsteht eine adaptive Systemarchitektur, die sich an veränderte Anforderungen, schwankende Auslastungen oder technische Abweichungen eigenständig anpassen kann. Unternehmen erhalten so die Möglichkeit, ihre Produktionsprozesse kontinuierlich zu verbessern, Engpässe frühzeitig zu erkennen und Optimierungspotenziale auszuschöpfen. Gleichzeitig unterstützt der digitale Zwilling dabei, aus jedem Zyklus zu lernen und dieses Wissen in zukünftige Prozessentscheidungen einfließen zu lassen.

Strategische Relevanz

Auch vor dem Hintergrund des demografischen Wandels und der sich verändernden Arbeitswelt erhält der digitale Zwilling strategische Relevanz. Gehen Mitarbeitende in Rente, geht Erfahrungswissen verloren. Digitale Zwillinge bieten hier einen Ansatz, um dieses Wissen strukturiert zu erfassen, zu sichern und über Systemgrenzen hinweg verfügbar zu halten. Durch die enge Verzahnung von Echtzeitdaten mit Erfahrungswissen entsteht eine lernfähige Steuerungsebene, die flexibel auf Unwägbarkeiten reagieren kann und gleichzeitig als Wissensspeicher dient.

Die Entwicklung hin zu selbststeuernden, adaptiven Fertigungssystemen wird entscheidend durch die Verfügbarkeit semantisch angereicherter Datenmodelle und die Fähigkeit zur Echtzeitanalyse geprägt. Der digitale Zwilling fungiert dabei als Bindeglied. Seine Fähigkeit, Datenkontexte herzustellen, menschliche Entscheidungslogiken nachzuvollziehen und diese in aktuelle Situationen zu überführen, macht ihn zu einer Schlüsselkomponente im zukünftigen Produktionsumfeld. Besonders dort, wo hohe Komplexität und variable Anforderungen aufeinandertreffen, zeigt sich sein Potenzial: etwa bei der schnellen Umrüstung von Anlagen, der individuellen Anpassung von Lieferketten oder der Simulation von Produktionsalternativen im Rahmen strategischer Entscheidungsfindung.

Prof Gueter Bitsch 2
Bild: Becos GmbH

Autor:

Prof. Dr. Günter Bitsch ist
Gesellschafter und Geschäftsführer bei
der Becos GmbH.



  • Neue Höchstzahl an Industrierobotern in Deutschland

    Neue Höchstzahl an Industrierobotern in Deutschland

    Die deutsche Wirtschaft hat 28.355 neue Industrieroboter installiert – ein neues Allzeithoch: 2023 stieg der Absatz um 7 Prozent im Vergleich zum Vorjahr. Der operative Bestand erreichte den neuen europäischen…

    mehr lesen: Neue Höchstzahl an Industrierobotern in Deutschland

  • Arvato Systems und Advanco starten Partnerschaft

    Arvato Systems und Advanco starten Partnerschaft

    Arvato Systems und Advanco, ein Anbieter von Track & Trace-Systemen für die Pharma- und Life Science-Branche, bündeln ihre Expertise und starten eine Partnerschaft.

    mehr lesen: Arvato Systems und Advanco starten Partnerschaft

  • Saskia Fontanive und Christian Schweizer werden COOs

    Saskia Fontanive und Christian Schweizer werden COOs

    Im September 2024 hat der SAP-Gold-Partner und Cloudspezialist Innovabee seine Geschäftsführung um Saskia Fontanive und Christian Schweizer erweitert.

    mehr lesen: Saskia Fontanive und Christian Schweizer werden COOs

  • Siemens gliedert eMobility-Geschäft aus

    Siemens gliedert eMobility-Geschäft aus

    Siemens plant, sein eMobility-Geschäft auszugliedern. Im Jahr 2018 bündelte das Unternehmen seine Ladeaktivitäten für Elektrofahrzeuge und überführte diese 2022 in eine eigene Geschäftseinheit.

    mehr lesen: Siemens gliedert eMobility-Geschäft aus

  • Rechtliche Orientierung für Cybersicherheitsforschende

    Rechtliche Orientierung für Cybersicherheitsforschende

    Cybersicherheitsforschende stehen mitunter gefühlt mit einem Bein im Gefängnis – es herrscht viel Unsicherheit darüber, was rechtlich im Rahmen von Wissenschaft erlaubt ist und was nicht.

    mehr lesen: Rechtliche Orientierung für Cybersicherheitsforschende

  • DFKI und Taiwan AICoE vereinbaren KI-Zusammenarbeit

    DFKI und Taiwan AICoE vereinbaren KI-Zusammenarbeit

    Das Taiwan AI Center of Excellence (AICoE) und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) haben eine Absprache zur wissenschaftlichen Zusammenarbeit geschlossen.

    mehr lesen: DFKI und Taiwan AICoE vereinbaren KI-Zusammenarbeit

  • Auftragsbestand der Industrie wächst um 1 Prozent

    Auftragsbestand der Industrie wächst um 1 Prozent

    Der Auftragsbestand in der Industrie ist nach vorläufigen Angaben des Statistischen Bundesamtes (Destatis) im Juli 2024 gegenüber Juni 2024 saison- und kalenderbereinigt um 1 Prozent gestiegen.

    mehr lesen: Auftragsbestand der Industrie wächst um 1 Prozent

  • Sebastian Durst wird CEO bei Weidmüller

    Sebastian Durst wird CEO bei Weidmüller

    Die Weidmüller-Gruppe gibt zum 1. Oktober 2024 Veränderungen in der ersten Führungsebene bekannt: Dr. Sebastian Durst, bisher Vorstand Operations, übernimmt die neu geschaffene Position des Chief Executive Officer (CEO).

    mehr lesen: Sebastian Durst wird CEO bei Weidmüller

  • Sereact macht Jörg Ziesmann zum Sales Director

    Sereact macht Jörg Ziesmann zum Sales Director

    Jörg Ziesmann (Bild) ist neuer Sales Director beim KI-Robotik-Spezialisten Sereact.

    mehr lesen: Sereact macht Jörg Ziesmann zum Sales Director

  • RWTH-Lehrstuhl PEM entwickelt mit Partnern Natrium-Ionen-Batterie

    RWTH-Lehrstuhl PEM entwickelt mit Partnern Natrium-Ionen-Batterie

    Der Lehrstuhl ‚Production Engineering of E-Mobility Components‘ (PEM) der RWTH Aachen erarbeitet mit Partnern aus der Forschung und der Industrie in den nächsten drei Jahren ein nachhaltiges elektrochemisches Speicherkonzept auf…

    mehr lesen: RWTH-Lehrstuhl PEM entwickelt mit Partnern Natrium-Ionen-Batterie

  • Theobald Software stellt Führungsspitze neu auf

    Theobald Software stellt Führungsspitze neu auf

    Theobald Software, ein Spezialist für SAP-Integration, strukturiert seine Führungsspitze neu und geht damit den nächsten Schritt in der Unternehmensgeschichte.

    mehr lesen: Theobald Software stellt Führungsspitze neu auf

  • Docufy übernimmt KI-Spezialisten Theum

    Docufy übernimmt KI-Spezialisten Theum

    Docufy, ein Anbieter von Software für die Technische Dokumentation, gibt die Übernahme der Theum AG bekannt.

    mehr lesen: Docufy übernimmt KI-Spezialisten Theum