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Warum die Automatisierung den „Digital Twin“ braucht

Abbild einer Frau, die ihr virtualisiertes Ich betrachtet.

Ob für Komponenten, Maschinen oder komplette Fertigungsabläufe: der Digitale Zwilling (Digital Twin) spielt mittlerweile eine große Rolle im Lebenszyklus von Produkten. Als digitales Abbild von Produkten oder Prozessen beschreibt er deren Eigenschaften, Zustand und Verhalten und verbindet dadurch die reale mit der virtuellen Welt. So sorgt er für sichere Abläufe in der Entwicklung, bei Inbetriebnahmen oder im Betrieb und dient zur Optimierung, Qualitäts- und Effizienzsteigerung. Auch für ctrlX AUTOMATION lassen sich die Potenziale des digitalen Zwillings ausschöpfen.

Digitale Zwillinge bilden in der Regel verschiedene Aspekte ab, z.B. kombinieren sie häufig Simulationsmodelle und Daten miteinander. Sie dienen zum einen der virtuellen Nachbildung von Produkten, Maschinen oder Anlagen für Simulationszwecke. Zum anderen lassen sich mit ihnen reale Abläufe und Prozesse anschaulich visualisieren und dadurch besser verstehen sowie virtuell automatisch prüfen und optimieren – ohne in die Realität eingreifen zu müssen.

Digital Twins können nicht nur die Entwicklungs- und Produktionsprozesse durch Prognosen verbessern, sie tragen auch zum Verständnis, zur Transparenz und Steigerung der Leistung im realen Betrieb von Systemen oder Anlagen bei. Die Entwicklung von Produkten wird durch Digitale Zwillinge einfacher, sicherer und effizienter. Neben der Optimierung von Produkteigenschaften durch Simulationsverfahren lässt sich beispielsweise das Zusammenspiel zwischen Hard- und Software frühzeitig virtuell testen und eventuelle Fehler lassen sich bereits vor der Inbetriebnahme risikofrei erkennen und ausräumen. Engineering- oder Produktionsprozesse können somit effizienter gestaltet werden – über die Unternehmensgrenzen eines Komponenten- oder Maschinenherstellers hinaus bis hin zum:zur Endanwendenden.

Zur Implementierung von Digitalen Zwillingen in ein Industrie 4.0-System etabliert sich die sogenannte Verwaltungsschale (VWS) als Standard und wird in der IEC63278 genormt. Demnach wird jede I4.0-Komponente von einer VWS repräsentiert, die eine Informationshülle für ein Asset oder eine Hierarchie von Assets bildet. Sie beschreibt alle enthaltenen Teilmodelle, die Aspekte wie z.B. Sensordaten oder Positionierungsmodus abbilden, sowie bereitgestellte Funktionen. In der Produktion dient die VWS durch ein Set an standardisierten Schnittstellen, wie OPC UA, TSN, DetNet, REST, JSON, XML u.a., der Sicherstellung der Interoperabilität und IT-Sicherheit in Fertigungs- und IT-Systemen. Auch Bosch Rexroth richtet sich an diesem Industriestandard zur Implementierung von Digitalen Zwillingen aus und setzt damit seine Strategie der Offenheit fort.

Bosch Rexroth-Produkte virtuell abbilden und testen

ctrlX AUTOMATION bietet Anwendenden verschiedene Möglichkeiten für die Nutzung Digitaler Zwillinge. Zum einen lassen sich für Automatisierungsprodukte von Bosch Rexroth virtuelle Abbilder in unterschiedlichsten Ausprägungen erstellen. Zum anderen können entsprechende Partner-Apps für verschiedene Digital Twin-Anwendungen aus der ctrlX World genutzt werden.

Mit der Software- und Engineering-Toolbox ctrlX WORKS lassen sich eine oder mehrere virtuelle Steuerungen auf einem PC anlegen und über eine web-basierte Oberfläche bedienen. ctrlX COREvirtual ist die virtuelle Variante der realen Steuerung und basiert auf der identischen Software. Mit dem virtuellen Abbild können Tests und Inbetriebnahmen ganz ohne Steuerungs-Hardware durchgeführt werden – bei voller Funktionalität. Das Simulationsmodell findet z.B. Einsatz beim Test von SPS- und Motion-Programmen. Des Weiteren wird sie für Kommunikationstests zwischen einer Steuerung und der E/A-Ebene eines Systems eingesetzt.

Mit Hilfe der Digitalen Zwillinge lassen sich auch die Produkte aus dem Antriebs- und Motorenprogramm von Bosch Rexroth virtuell in Betrieb nehmen, parametrieren und optimieren, auch im Rahmen der Betrachtung mechatronischer Systeme oder kompletter Maschinen. Das gilt auch für das kompakteste Antriebssystem im Markt ctrlX DRIVE. Anwendenden stehen Antriebsmodelle für unterschiedliche Anwendungsszenarien und verschiedene am Markt verfügbare Simulationssysteme zur Verfügung, wie z.B. für MATLAB/Simulink, Modelica-basierte Systeme und ISG Virtuos.

Skalierbare Simulationslösungen für verschiedene Use Cases

Neben den Digitalen Zwillingen der ctrlX AUTOMATION-Produkte bietet die Offenheit und Erweiterbarkeit des Systems eine Vielzahl an weiteren Möglichkeiten. So lassen sich beispielsweise IoT-Funktionalitäten zur Datenerfassung und somit zum Generieren Digitaler Zwillinge kompletter Produktionsprozesse implementieren. Dafür können Anwendende IoT-Apps von Bosch Rexroth oder von Partner:innen aus der ctrlX World einsetzen. Mit dem Software Development Kit ist auch die Entwicklung eigener Apps möglich.

Bosch Rexroth bietet skalierbare Simulationslösungen für jegliche Anforderungen, mit denen sich Simulationen für Peripherie, Kinematik, Dynamik und Physik in verschiedenen Topologien realisieren lassen. Die Lösungen ermöglichen dadurch unterschiedlichste Anwendungen, von der Kinematik-Simulation mit 3D-Geometrien bis hin zur Anbindung von High-Level-Simulationssystemen.

Der Digitale Zwilling ist weit mehr als die visuelle Nachbildung der Wirklichkeit und begleitet als digitaler Schatten ein Produkt bis hin zum Betrieb und Service. Im Maschinen- und Anlagenbau eignet sich der Digitale Zwilling zum Beispiel ideal für die Echtzeitüberwachung und vorausschauende Wartung von Maschinen und Anlagen. Digitale Informationen lassen sich ohne Bruch in Echtzeit orchestrieren.

Den Anwendungsmöglichkeiten sind also nahezu keine Grenzen gesetzt. Die Bosch-Rexroth-Kundschaft haben demnach zahlreiche Optionen, um einfach Prozesse zu optimieren, die Qualität ihrer Produkte zu steigern und Sicherheit durch Transparenz zu erlangen – und dies von der Entwicklung bis zum laufenden Betrieb.

 

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Karsten Kreusch

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