Vernetzte Produktion 26.02.2019, 07:04 Uhr

Digitale Zwillinge vereinfachen Industrie 4.0

Das Fraunhofer IESE hat eine Software entwickelt, die Unternehmen den Übergang zur Industrie 4.0 erleichtern soll. Herzstück ist das Prinzip digitaler Zwillinge. Sie könnten für mehr Flexibilität sorgen.

Illustration des digitalen Zwillings

Links ist ein realer Industrieroboter zu sehen. Die rechte Seite symbolisiert den digitalen Zwilling.

Foto: iStock / Fraunhofer IESE

Die Digitalisierung stellt vor allem kleine und mittlere Unternehmen vor große Herausforderungen. Nicht umsonst wird sie, in Anknüpfung an die drei vorangegangenen industriellen Revolutionen, als Industrie 4.0 bezeichnet. Vor allem bedarf es einer Software, die flexible Abläufe in einem Fertigungsprozess unterstützt und gleichzeitig einfach zu integrieren ist – auch wenn zu dem System sehr unterschiedliche Maschinen gehören. Das Fraunhofer-Institut für Experimentelles Software Engineering (IESE) und das Unternehmen NetApp haben dafür gemeinsam die Idee der digitalen Zwillinge für die Software BaSys 4.0 genutzt.

Ein digitaler Zwilling enthält, vereinfacht gesagt, alle Informationen zu einem realen Gegenstand. Die Forscher vom IESE nennen diesen Zwilling auch Verwaltungsschale und sehen ihn als eine zentrale Säule der Produktionsarchitektur in der Industrie 4.0, weil er eine allgemeine Kommunikationsschnittstelle sein könnte. So sieht ihr Konzept aus: Jeder einzelne Bestandteil der Produktion, das kann zum Beispiel die Maschine, das Produkt oder der Fertigungsmitarbeiter sein, wird mit einer solchen Verwaltungsschale ausgestattet. Diese enthält alle relevanten Informationen zu dem jeweiligen Bestandteil in digitaler Form oder verweist auf sie. Relevante Informationen sind unter anderem grundlegende Eigenschaften, bei einer Maschine also Größe, Gewicht und Energieverbrauch. Darüber hinaus sind auch Formeln und Simulationsmodelle denkbar, die physikalische Prozesse beschreiben, etwa die Arbeitsweise der Maschine. Durch den digitalen Zwilling liegen die Informationen zudem in einer einheitlichen Form vor, losgelöst vom eigentlichen Gegenstand. Das heißt unter anderem, dass es problemlos möglich ist, Geräte mit identischen Produktionsfähigkeiten gegeneinander auszutauschen und die digitale Schale für die neue Maschine zu verwenden – die Produktion wird flexibler.

Digitale Prozessdaten aus der Produktion

Auf der Hannover Messe vom 1. bis 5. April 2019 wollen die Wissenschaftler mit einer Modellfabrik zeigen, wie das Prinzip funktioniert. Die Miniaturfabrik von Fischertechnik wird gelenkt über die Software BaSys 4.0. Es handelt sich um eine sogenannte Middleware, deren Aufgabe darin besteht, für den Datenaustausch zwischen zwei Systemen zu sorgen. In diesem Fall produziert sie die digitalen Zwillinge und nutzt sie als Schnittstelle, um die Fertigungsprozesse zu vernetzen. Das System lässt sich sowohl in bestehende Anlagen als auch in neue Geräte integrieren. Das erlaubt eine Umwandlung der Produktion innerhalb von Minuten, statt innerhalb von Monaten.

NetApp hat zu diesem Projekt eine Referenzarchitektur beigesteuert, mit der Qualitätsdaten aus der laufenden Produktion aus unterschiedlichen Quellen gesammelt, verarbeitet und Auftraggebern zur weiteren Analyse zur Verfügung gestellt werden können. Zudem haben die Mitarbeiter vollen Durchgriff auf die Prozessdaten. Und nicht zuletzt bietet BaSys 4.0 fertige Referenzkomponenten für eine schnelle Inbetriebnahme neuer Produktionslinien.

Software BaSys 4.0 ist frei verfügbar

Für BaSys 4.0 arbeiten die Forscher übrigens mit dem Konzept dienstbasierter Fertigung. Denn normalerweise wird der Produktionsprozess von Speicherprogrammierbaren Steuerungen, kurz SPS, gelenkt. Verändert man etwas im Prozess, entstehen jedoch Seiteneffekte, sodass man weitere Anpassungen vornehmen muss. Das ist bei einer dienstbasierten Fertigung anders. Dabei wird die Einführung eines Dienstes strikt vom Produktionsprozess getrennt und nur über Schnittstellen mit ihm verbunden. Im sogenannten Orchestrator laufen die Fäden zusammen. Er ruft die Dienste auf, die für den Fertigungsprozess benötigt werden.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt BaSys 4.0. Darin setzt das Fraunhofer IESE zusammen mit 14 Partnern aus Forschung und Industrie zentrale Konzepte und Standards der Plattform Industrie 4.0 um. Ziel ist die Entwicklung eines Basissystems für Produktionsanlagen, das effiziente und flexible Produktionsprozesse ermöglicht. BaSys 4.0 ist eine Open-Source-Software, die frei zugänglich ist.

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