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Digitalisierung im Maschinenbau

Der digitale Zwilling

Er wird schon bald jede Maschine von der ersten Idee bis zur Modernisierung begleiten: Mit dem digitalen Zwilling kann der Maschinenbau das Potenzial der Digitalisierung für mehr Effizienz und Qualität nutzen. Denn er sorgt für ein optimiertes Maschinendesign, eine unkomplizierte Inbetriebnahme, kurze Umrüstzeiten und einen fehlerfreien Betrieb.

Nicht nur in Deutschland, sondern weltweit ist Industrie 4.0 und die Digitalisierung der produzierenden Industrie ein wichtiges Thema. Neue Produkte müssen in immer schnelleren Zyklen auf den Markt gebracht werden, bis hin zu vollständig individualisierten Produkten, die vom Kunden online konfiguriert und erst danach hergestellt werden. Das klassische statische Linienkonzept in der Fertigung wird zunehmend durch modulare Konzepte ergänzt. Flexibilität ist aber auch noch an anderer Stelle gefordert: Trotz der zunehmenden Produkt- und Prozessvielfalt darf die Fertigung nicht mehr an Zeit, Energie und Ressourcen verbrauchen als bisher. Daher werden alle Innovationen rund um die Digitalisierung auch immer dahingehend überprüft, inwiefern sie einen Beitrag zu mehr Effizienz leisten – angefangen vom Produktdesign über die Produktionsplanung und das Engineering bis hin zu Inbetriebnahme, Betrieb, Service und Modernisierung von Systemen und Anlagen.

Startschuss für den digitalen Maschinenbau

Genau an diesem Punkt setzt das Konzept des digitalen Zwillings an. Gemeint ist damit ein digitales Abbild der realen Maschine, das gleichzeitig mit dieser erstellt und erweitert wird, und zwar idealerweise schon von der ersten Studie an. Zur Entwicklung solcher digitalen Zwillinge gibt Siemens seinen Kunden leistungsstarke Software-Systeme an die Hand. Damit wurde beispielsweise ein innovatives Transportsystem des deutschen Maschinenbauers Optima digital abgebildet. Der Hersteller von Verpackungs- und Sondermaschinen für verschiedene Branchen legte großen Wert darauf, dass die Maschine als mechatronisches System konzipiert wird, das virtuell getestet, geplant und validiert werden kann. Auf diese Weise konnten die Ideen vorab geprüft und weiterentwickelt werden, noch bevor die eigentliche Realisierung begann. Schon in der Konstruktionsphase wurde das Modell nach und nach mit den Daten der realen Maschine gefüllt. So entstand ein digitaler Zwilling, mit dem sich Umrüstvorgänge und der Produktfluss über den gesamten Lebenszyklus der Maschine simulieren lassen. Über eine Cloud-Anbindung wird die Auswertung von KPI-Daten wie Stückzahl-, Downtime-Analysen, Störraten und Energiedaten ermöglicht. Um die sensiblen Produktionsdaten zu schützen spielen auch die umfangreichen Industrial-Security-Konzepte eine entscheidende Rolle. Durch den Einsatz modernster Softwaretools für die Digitalisierung des Maschinenlebenszyklus gewinnt der Anwender eine erhebliche Flexibilität für das Design und den Betrieb der Maschine – ein Meilenstein für den Maschinenbau.

Integrierte Basis für die Digitalisierung

Mit den richtigen Werkzeugen bringt Digitalisierung in allen Phasen des Lebenszyklus ein Plus an Effizienz. Konzepte können früher validiert werden, die Projektierung der Maschinensteuerung kann früher getestet werden. Diese Vorverlagerung von Routinen und Checks reduziert in kritischen Phasen im Lebenszyklus wie der Inbetriebnahme die Gefahr von Fehlern und Störungen, die früher nur aufwendig und unter Zeitdruck zu beheben waren. 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 oder Reinigungszyklen.

Wesentliche Komponenten für die vollständige Digitalisierung der Wertschöpfungskette und das digitale Unternehmen stellt Siemens bereits heute in seinem Portfolio für das Digital Enterprise Portfolio zur Verfügung. Zu diesem abgestimmten Lösungsansatz gehören vier Felder: 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 der zunehmenden Vernetzung ergeben sich auch im Bereich der Industrial Security neue Fragestellungen, die über bisherige Sicherheitsszenarien hinausgehen. Der Druck auf Betreiber, Systemintegratoren und Automatisierungsspezialisten steigt, die Digitale Fabrik vor Bedrohungen zu schützen. Dies gelingt unter anderem mithilfe des sogenannten Defense-in-Depth-Konzepts, wie Siemens es seit Jahren systematisch etabliert. Dabei orientiert sich der Konzern an der neuen Norm IEC 62443. Mit einem 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.

Gleichzeitig treibt Siemens den Ausbau der industriellen Services voran. So können zum Beispiel mit der offenen Plattform „Siemens Cloud for Industry“ als Basis neuer digitaler Geschäftsmodelle für Industrieunternehmen Maschinen- und Anlagendaten sicher in eine Cloud übertragen und über spezielle Tools ausgewertet werden, zum Beispiel um den Zustand von Maschinen und Anlagen zu beurteilen und zu optimieren. Damit ergänzt Siemens sein Angebot an datenbasierten, digitalen Services für das industrielle Umfeld.

Neue Anlagenkonzepte, neue Geschäftsmodelle

Wie weit die Digitalisierung schon gediehen ist und welche Vorteile Maschinenbauer davon haben, zeigt ein Beispiel aus dem Werkzeugmaschinenbau. So konnte durch die Entwicklung einer neuen Fräsmaschine mit einer einheitlichen CAM-Plattform auf Basis von Teamcenter der Weg vom virtuellen Produkt zur realen Produktionsanlage erheblich verkürzt werden. Teamcenter als Datenbackbone integriert alle Module und garantiert den Zugriff auf Informationen für späteres Umrüsten oder für Wartung und Service. Die virtuelle Werkzeugmaschine ermöglicht es, die Maschine mit einer realistischen Simulation der realen Sinumerik-Steuerung am realen Werkstück einzufahren. Die Ergebnisse dieses Projekts waren beeindruckend: Die Abweichung der realen Maschine von ihrem digitalen Zwilling lag unter 1 %, die Einfahrzeit der Maschine konnte um mehr als 70 % reduziert werden und die Produktivität im Betrieb war um mehr als 10 % höher.

Die nächsten Schritte

Bereits heute können Kunden mit dem Digital-Enterprise-Angebot von Siemens in zukunftsfähige Lösungen für die schrittweise Realisierung von Industrie 4.0 investieren. Schon sehr konkret sind die Konzepte für die Digitalisierung und Flexibilisierung der Abläufe rund um die Maschinen, insbesondere für die Zuführung von Teilen oder für Handlingaufgaben. Roboter werden immer komplexere und anspruchsvollere Arbeitsschritte präzise und effizient erledigen. Auch die Vernetzung der Maschinen untereinander und mit den überlagerten Systemen macht aktuell große Fortschritte. So können Ressourcen und ­Produktionsdaten zentralisiert verwaltet werden. Hierbei macht sich die Durchgängigkeit des ­Siemens-Portfolios bezahlt, da für noch mehr ­Produktivität auch PLM- und MES-Systeme leicht angeschlossen werden können. Das sichert Kostenvorteile in der Anschaffung und im Betrieb. Auftragsdaten warden somit unternehmensweit zugänglich und es ließ sich eine optimale Strategie dafür finden, in welchem Werk des Unternehmens welche Aufträge gefertigt  warden sollten. Außerdem können Materialbestände, Logistikprozesse oder die Werkzeugverfügbarkeit rasch überblickt und effizient koordiniert werden.

Zwar ist ein einfaches Zusammenfügen von Maschinen zu einer Linie nach dem Motto „Plug-and-Produce“ analog zum USB-Anschluss für externe Geräte an einen Computer in der Fertigungsumgebung noch Zukunftsmusik, aber ein wichtiges Ziel für die Entwicklungen im Bereich Automatisierung und industrielle Kommunikation. Maschinen sollen sich dann selbst identifizieren und in das Netzwerk einbinden können und so die erforderlichen Modifikationen an den Linien schneller und effizienter machen.

Viel spannender sind nach Ansicht von Experten aber die Potenziale, die der digitale Zwilling für die Qualitäts- und Effizienzsteigerung durch die bessere Dokumentation von Prozessen und Maschinen hat. Zukünftig wird jeder Hersteller genau wissen, welche Komponente mit welchen Merkmalen in welchem seiner Produkte wie verbaut worden ist – und kann so zielgerichtet auf Probleme reagieren und Prozesse optimieren. In seiner Simatic-Produktion in Amberg hat Siemens bereits ein umfassendes Dokumentations- und Auswertesystem im Einsatz und damit ein i shin 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 bishin 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: © Michael Hitoshi