Virtuelle Inbetriebnahme setzt Vision des digitalen Zwillings um
Smarte Produktion: Den Nutzen virtueller Abbilder beschreibt der VDI-Statusreport „Simulation und digitaler Zwilling im Anlagenlebenszyklus“. Hierzu erläutern Prof. Dr-Ing. Jens Jäkel und Roland Rosen vom VDI/VDE-GMA Fachausschuss „Virtuelle Inbetriebnahme“ im Gespräch, inwiefern der Ansatz des digitalen Zwillings einen Schub bringt.
Warum wird die „virtuelle Inbetriebnahme“ künftig wichtiger?
Jäkel: Die virtuelle Inbetriebnahme steht zwischen der Entwicklung und dem Betrieb von Systemen und Anlagen. Damit verbindet sie diese Phasen und wird in Zukunft verstärkt eine zentrale Mittlerrolle einnehmen. Sie setzt die Vision des digitalen Zwillings mit durchgängig verwendbaren Simulationsmodellen um.
Was ist die notwendige Basis, um eine virtuelle Inbetriebnahme überhaupt umsetzen zu können? Ist es das klassische 3-D-CAD-Modell?
Rosen: Der konsequente Einsatz von modellbasierten Ansätzen ist ein Schlüsselelement in der Systementwicklung. Dies umfasst Anforderungsmodelle, Design- und Engineering-Modelle für alle involvierten Disziplinen. Damit ist, insbesondere für das Mechanical Engineering, das 3-D-CAD-Modell wichtig. Da die virtuelle Inbetriebnahme alle Disziplinen vereint, kommen weitere Modelle, zum Beispiel aus der Automatisierungstechnik, hinzu.
In der Vergangenheit gab es allein bei den Konstruktionsdaten immer wieder Probleme mit der Datenqualität. Wie lässt sich diese gewährleisten?
Rosen: Die Datenqualität – wir sprechen auch von Daten- und Modellqualität – ist ein wichtiger Aspekt. Insbesondere in einer arbeitsteiligen Welt muss es klar sein, was ein virtuelles Inbetriebnahmemodell „kann“ und was es „nicht kann“ und welche Eingabedaten es in welcher Güte benötigt. Die Erarbeitung von entsprechenden Qualitätsmetriken ist entsprechend ein wichtiges Zukunftsthema.
In welchen Bereichen können wir bereits gut Digitale Zwillinge in der Inbetriebnahme nutzen und wo sehen Sie derzeit noch Grenzen?
Jäkel: Bei mechatronischen Komponenten und Maschinen aus der diskreten Fertigung ist der Einsatz bereits weit verbreitet. Grundsätzliche, methodisch bedingte Grenzen sehen wir nicht, allerdings sind die Aufwände für eine virtuelle Inbetriebnahme großer Systeme, wie komplette Produktionsanlagen, noch sehr hoch. Hier wird der Ansatz des digitalen Zwillings einen Schub bringen.
Wo sehen Sie über den Anlagenlebenszyklus hinweg noch die größten Informationslücken?
Rosen: Die Informationen an sich gibt es in den meisten Fällen. Die Verfügbarkeit, die durchgängige Verwendung und das aktuell Halten der Informationen, Daten und Modelle ist die Herausforderung. Die Durchgängigkeit bezieht sich hierbei auf den Detaillierungsgrad, die verschiedenen Ingenieurdisziplinen und die Veränderung über die Zeit hinweg.
Wie sieht es aus, wenn zusätzlich Altanlagen in die Simulation neu gestalteter Prozessabläufe einzubinden sind?
Jäkel: Ja, im Greenfield ist einiges einfacher als im Brownfield. Hier stehen meist keine Simulationsmodelle zur Verfügung und deren Erstellung ist zeit- und arbeitsintensiv. Eine Chance bilden hier datenbasierte und lernende Verfahren, die eine Modellbildung aus den Messdaten erlauben. Langfristig sehen wir hier hybride Modelle, die physikalisches Wissen, beispielsweise in mathematischen Gleichungen verpackt, mit neuronalen Netzen verbinden.
Proprietäre Lösungen großer Anbieter bekommen die Durchgängigkeit der Daten schon gut hin. Was ist nun wichtig, damit das auch herstellerübergreifend funktioniert?
Jäkel: Das sind die Stärkung der Modularisierung und der Standards. Wir müssen Konzepte entwickeln, die Modelle – also hier Simulationsmodelle und damit auch virtuelle Inbetriebnahmemodelle – besser kapseln und verfügbar machen. Eine Standardisierung ist hierbei hilfreich, um den herstellübergreifenden Austausch und Verknüpfung der Modelle zu erleichtern. Dies ist ein wichtiger Aspekt für mittelständische Betriebe zum Einsatz und Nutzen der virtuellen Inbetriebnahme.
Welche Rolle spielen Edge- und Cloud-Technologien dabei, wenn Unternehmen künftig immer mehr Informationen zu Produkten und Prozessen sammeln?
Rosen: In der Betriebsphase werden eine riesige Menge an Daten erzeugt, gesammelt und zunehmend auch für effizienteren Betrieb, neue Servicefunktionen und für die Entwicklung neuer Produktgenerationen genutzt. Intelligente Edge- und Cloud-Architekturen werden dabei zum nötigen Wissensschutz und der Datensicherheit – Cybersecurity – beitragen. Wichtig ist auch die Ressourceneffizienz. Denn unnötiger Datentransfer und Datenhaltung kosten Energie, schaden der Umwelt und belasten das Konto.
Was sind nun die dringlichsten Aufgaben im Fachausschuss „Virtuelle Inbetriebnahme“?
Jäkel: Die Modellqualität wurde bereits angesprochen, hier arbeiten wir an Bewertungsaspekten und Qualitätskriterien für Simulationsmodelle. Weitere Aufgaben sind das Vorantreiben der Mittlerrolle von virtuellen Inbetriebnahmemodellen, um die Vision des digitalen Zwillings umzusetzen sowie die Unterstützung der Entwicklung hin zu modularen Konzepten in der Simulationstechnik.
Interview: Martin Ciupek
Ansprechpartner im VDI:
Dr. Heinz Bedenbender
VDI/VDE-Fachbereich Engineering & Betrieb
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