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Digitalisierung im Maschinenbau

Zwillinge mit Potenzial

Er scheint der Inbegriff der Digitalisierung von Anlagen und Maschinen zu sein – der digitale Zwilling – das virtuelle Abbild einer realen Maschine oder Anlage. Und tatsächlich tritt er immer öfter den Beweis an, dass er für ein optimiertes Maschinendesign, eine effizientere Inbetriebnahme, kurze Umrüstzeiten und einen fehlerfreien Betrieb sorgt.

Im Jahr 2025 sollen laut ITK-Branchenverband Bitkom alle digitalen Zwillinge in der Fertigungsbranche zusammen ein wirtschaftliches Potenzial von über 78 Milliarden Euro aufweisen. Allerdings nur dann, wenn die Systeme künftig nicht nur miteinander vernetzt sind, sondern zusätzlich sehen und verstehen können, vorbereitet sind und sich selbst optimieren. Dafür braucht es auch integrierte Informationssysteme, die einen durchgängigen Austausch von Informationen für die Planung und Produktion über Auftragsabwicklung bis hinunter in die Maschinenebene zulassen.

Im Jahr 2025 sollen laut ITK-Branchenverband Bitkom alle digitalen Zwillinge in der Fertigungsbranche zusammen ein wirtschaftliches Potenzial von über 78 Milliarden Euro aufweisen. Allerdings nur dann, wenn die Systeme künftig nicht nur miteinander vernetzt sind, sondern zusätzlich sehen und verstehen können, vorbereitet sind und sich selbst optimieren. Dafür braucht es auch integrierte Informationssysteme, die einen durchgängigen Austausch von Informationen für die Planung und Produktion über Auftragsabwicklung bis hinunter in die Maschinenebene zulassen.

Basis für Industrie 4.0

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 der Produkte, für die Produktion, für gesamte Anlagen und für datenbasierte Services. Die Anwender können so wesentlich flexibler und effizienter im Betrieb ihrer Maschinen agieren und individualisierter produzieren.

Konzepte können früher validiert und die Projektierung der Maschinensteuerung kann in der virtuellen Umgebung getestet werden. Diese Vorverlagerung von Routinen und Checks reduziert in kritischen Phasen des Lebenszyklus, zum Beispiel in der Inbetriebnahme, die Gefahr von Fehlern und Störungen, die sonst nur aufwendig und unter Zeitdruck zu beheben wären. Stehen die Informationen zur Maschine auf einer integrierten und durchgängigen Datenplattform zur Verfügung, lassen sich spätere Modifikationen auf genau die gleiche Weise testen und verifizieren – und so die Einführung eines neuen Produkts beschleunigen. Darüber hinaus können die Betriebsdaten der Maschine auch genutzt werden, um anhand von Modellen Kennwerte für die Fertigung zu optimieren – vom Energieverbrauch bis hin zu Fehlerraten, Wartung oder Reinigungszyklen. Diese Digitalisierungsmöglichkeiten ermöglichen eine erhebliche Flexibilität für das Design und den Betrieb der Maschine oder ganzer Anlagen.

Über das cloudbasierte, offene IoT-Betriebssystem MindSphere lassen sich die Maschinen und die physische Infrastruktur mit der digitalen Welt verbinden. MindApps analysieren auf diesem Betriebssystem die Datenmengen, so dass sich beispielsweise KPI-Daten wie Stückzahl-, Downtime-Analysen, Störraten und Energiedaten auswerten lassen. Diese Auswertungen werden dann wieder in den digitalen Zwilling zurückgespielt, sodass das Datenmodell von Produkt und Produktion kontinuierlich verbessert werden kann. MindSphere bietet modernste Sicherheitsfunktionen für die Erfassung der Daten im Feld sowie für ihre Übertragung und die Speicherung in der Cloud.

Industrial Security-Konzepte sind für die umfassende Sicherheit in der Automatisierung wichtig.

Runde Sache

Das Siemens Portfolio bietet aufeinander abgestimmte Lösungen für einen ganzheitlichen Ansatz: Software als zentrale Datenplattform zur digitalen Unterstützung des gesamten Wertschöpfungsprozesses für die diskrete Industrie, intelligente Netzwerke für die industrielle Kommunikation, die die Grundlage für einen einfachen Austausch von Daten innerhalb der verschiedenen Module einer Fertigung schaffen und dabei helfen, die Daten aus dem Betrieb zu erfassen. Mit einem sogenannten Defense-in-Depth-Konzept, wie es Siemens seit Jahren systematisch etabliert, können neue Anforderungen im Bereich Industrial Security gelöst werden, die aus der zunehmenden Vernetzung resultieren. 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 die sichere und individuelle Anpassung an den vorhandenen Schutzbedarf 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 das industrielle Umfeld.

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 als Schlüssel zur Durchgängigkeit im Engineering. Bis 2020 wird allein dadurch eine Effizienzsteigerung von mindestens 30 Prozent erwartet.

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

Über alle Ebenen hinweg

Durch die Vernetzung der Maschinen untereinander und mit den überlagerten Systemen wird eine zentrale Verwaltung der Ressourcen und Produktionsdaten möglich –  auch PLM- und MES-Systeme lassen sich zur Steigerung der Produktivität leicht anschließen. 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 für die Qualitäts- und Effizienzsteigerung durch die bessere Dokumentation von Prozessen und Maschinen hat. Wenn jeder Hersteller genau weiß, welche Komponente 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 anderen Industrien sorgt der digitale Zwilling für mehr Effizienz und Produktivität: Mit dem Schritt von Integrated Engineering zu Integrated Operation ermöglicht es Siemens der Prozessindustrie, ein durchgehendes Datenmodell vom Anlagenengineering bis hin zum Betrieb aufzubauen. Auch hier sorgt die Digitalisierung auf diese Weise für eine kürzere Time-to-Market, 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: Siemens AG