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Digitalisierung in der Industrie

Zwillinge mit Potenzial

Der digitale Zwilling hat längst Einzug in die Industrie gehalten und revolutioniert dort die Abläufe entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Als virtuelles Abbild des Produkts, der Produktion oder der Performance ermöglicht er eine nahtlose Verknüpfung der einzelnen Prozessschritte. Das steigert durchgängig die Effizienz, minimiert die Fehlerquote, verkürzt die Entwicklungszyklen und eröffnet außerdem neue Geschäftsmöglichkeiten – sorgt also für eine nachhaltig gesteigerte Wettbewerbsfähigkeit.

Basis für Industrie 4.0

Das IT-Analyse- und Marktforschungsinstitut Gartner rechnet genau aus diesen Gründen damit, dass bereits 2021 die Hälfte der größeren Industrieunternehmen den digitalen Zwilling einsetzen und ihre Effektivität so um zehn Prozent steigern können (den Link zur Studie finden Sie unter den Related Links). Um das volle Potenzial der Zwillinge zu heben, müssen die realen Systeme künftig allerdings nicht nur miteinander vernetzt sein, sondern selbst Köpfchen entwickeln und autonom agieren. Die Entwicklung geht in Richtung künstlicher Intelligenz – von der bloßen gegenseitigen Wahrnehmung und Interaktion hin zur Kommunikation und eigenständigen Optimierung. Dafür braucht es auch integrierte Informationssysteme, die einen durchgängigen Austausch von Informationen zulassen.

Zur Entwicklung solcher digitalen Zwillinge braucht es leistungsstarke Software-Systeme, die den digitalen Zwilling über die gesamte Wertschöpfungskette realisieren – für die Planung und das Design von Produkten, Maschinen und Anlagen  sowie für den Betrieb von Produkten und Produktionssystemen. Die Anwender können so wesentlich flexibler und effizienter agieren und individualisierter produzieren.

Ein kleines Team junger Ingenieure bei Electra Meccanica hat sein neues Elektroauto dank des digitalen Zwillings nur zwei Jahren entworfen, simuliert und produziert

Vorteile im Überblick

Der digitale Zwilling des Produkts entsteht dabei bereits im Stadium der Definition und des Designs eines geplanten Produkts. Dies ermöglicht die Simulation und Validierung von Produkteigenschaften, angepasst an die jeweiligen Bedürfnisse: Ist das Produkt etwa stabil und intuitiv nutzbar? Bietet die Fahrzeugkarosserie möglichst wenig Luftwiderstand? Funktioniert die Elektronik zuverlässig? Egal ob Mechanik, Elektronik oder Software oder Systemverhalten – durch den digitalen Zwilling kann dies alles bereits im Vorfeld getestet und optimiert werden.

Ähnliches gilt für den digitalen Zwilling der Produktion: Er bildet den Einsatz von Maschinen und Anlagensteuerungen bis hin zu ganzen Fertigungsstraßen in der virtuellen Umgebung ab. Durch diese Simulation kann die Produktion mit SPS-Code-Generierung und virtueller Inbetriebnahme vorab optimiert werden. Fehler- oder Störquellen werden so schon vor dem Betriebsstart erkennbar und können verhindert werden. Das spart Zeit und ist ein Wegbereiter für die individuelle Massenproduktion, da auch hochkomplexe Fertigungswege in kürzester Zeit aufwandsarm berechnet, getestet und programmiert werden können.

Der digitale Zwilling der Performance wird wiederum laufend mit Daten aus dem Betrieb von Produkten oder Produktionsanlagen gefüttert. So können etwa laufend Zustandsdaten aus Maschinen oder Energieverbrauchsdaten von Fertigungssystemen verfolgt werden. Auf dieser Basis lassen sich vorausschauende Instandhaltungsstrategien realisieren, um Ausfallzeiten zu verhindern oder den Energieverbrauch zu optimieren. Manche Unternehmen entwickeln auf dieser Basis mit datenbasierten Services auch neue Geschäftsmodelle, wie etwa das Beispiel des Maschinenbauers Heller zeigt. Gleichzeitig können datenbasierte Erkenntnisse über Systeme wie MindSphere – das offene, cloudbasierte IoT-Betriebssystem von Siemens – in die gesamte Wertschöpfungskette bis hin zum Produktsystem zurückgespielt werden. Hierdurch entsteht ein vollständig geschlossener Entscheidungskreislauf für fortlaufende Optimierungen.

Die virtuelle Inbetriebnahme spart dem chinesischen Unternehmen Bozhon viel Zeit

Ganzheitliches Angebot

Die Siemens Digital Enterprise Suite bietet aufeinander abgestimmte, integrierte Software- und Automatisierungslösungen für einen ganzheitlichen Ansatz: Eine zentrale Datenplattform dient zur Digitalisierung des gesamten Wertschöpfungsprozesses der Industrie. Intelligente Netzwerke für die industrielle Kommunikation ermöglichen den einfachen Austausch von Daten innerhalb der verschiedenen Module einer Fertigung und erfassen laufend aktuelle Daten aus dem Betrieb.

Mit dem sogenannten Defense-in-Depth-Konzept von Siemens werden Unternehmen den gestiegenen Anforderungen an Industrial Security gerecht. Industrieanlagen werden so umfassend vor Angriffen von innen und außen geschützt. Mit einem normgerechten, strukturierten Aufbau an Schutzmechanismen – angefangen beim Passwortschutz bis hin zum kontinuierlichen Security-Monitoring – gelingt der zuverlässige und individuelle Schutz der digitalen Fabrik.

MindSphere dient gleichzeitig als Basis für die Entwicklung neuer digitaler Geschäftsmodelle für Industrieunternehmen und ergänzt das Siemens-Angebot an datenbasierten, digitalen Services für die Industrie. Hier kommen wiederum modernste Sicherheitsfunktionen für die Erfassung der Daten im Feld sowie für ihre Übertragung und die Speicherung in der Cloud zur Anwendung (mehr dazu lesen Sie hier im Interview).

Erste Erfolge

Bereits heute können Kunden mit dem Digital-Enterprise-Angebot von Siemens in zukunftsfähige Lösungen für die schrittweise Realisierung von Industrie 4.0 investieren. So nutzt beispielsweise der Sondermaschinenbauer Bausch + Ströbel die Digitalisierung für ein durchgängiges Engineering. Bis 2020 wird allein dadurch eine Effizienzsteigerung von mindestens 30 Prozent erwartet.

Auch die Firma Schunk, Weltmarktführer für Spanntechnik und Greifsysteme, nutzt bereits heute Digitalisierungslösungen für seine elektrisch gesteuerten Greifsystemkomponenten. Durch diesen neuen Engineering-Prozess können die Projektlaufzeiten signifikant verkürzt werden. Es werden eine schnellere Inbetriebnahme und eine deutliche Effizienzsteigerung beim Bau ähnlicher Anlagen erwartet.

Über alle Ebenen hinweg

Bausch + Ströbel will mindestens 30 Prozent mehr Engineering-Effizienz bis 2020

Durch die Vernetzung der Maschinen untereinander und mit den überlagerten Systemen wird eine zentrale Verwaltung der Ressourcen und Produktionsdaten möglich. Das sichert Kostenvorteile in der Anschaffung und im Betrieb. Auftragsdaten werden unternehmensweit zugänglich und es lässt sich eine optimale Strategie dafür finden, in welchem Werk des Unternehmens welche Aufträge gefertigt werden sollten. Außerdem können Materialbestände, Logistikprozesse oder die Werkzeugverfügbarkeit rasch überblickt und effizient koordiniert werden.

Genauso spannend sind die Potenziale, die der digitale Zwilling durch die bessere Dokumentation von Fertigungsprozessen und Produktionsparametern im Qualitätsmanagement bietet. Wenn ein Hersteller genau weiß, welches Bauteil mit welchen Merkmalen in welchem seiner Produkte wie verbaut worden ist, kann er zielgerichtet auf eventuelle Probleme reagieren und Prozesse optimieren. In seiner Simatic-Produktion in Amberg hat Siemens bereits ein umfassendes Dokumentations- und Auswertesystem im Einsatz und damit ein extrem niedriges Fehlerniveau in der Fertigung erreicht.

Und auch in der Prozessindustrie sorgt der digitale Zwilling für mehr Effizienz und Produktivität: Mit dem Schritt von Integrated Engineering zu Integrated Operations ermöglicht es Siemens Unternehmen der Prozessindustrie, ein durchgehendes Datenmodell vom Anlagenengineering bis hin zum Betrieb aufzubauen. Auch hier sorgt die Digitalisierung für kürzere Markteinführungszeiten, mehr Flexibilität und Effizienz. Damit besteht einmal mehr die Möglichkeit für Unternehmen, der Volatilität und Heterogenität der globalen Märkte Rechnung zu tragen und immer produktiver sowie energie- und ressourceneffizienter zu wirtschaften.

Picture credits: Electra Meccanica, Siemens AG