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Digitale Zwillinge und Smart Factory Digital Twins und die Blockchain

Autor / Redakteur: Dipl. Betriebswirt Otto Geißler / Peter Schmitz

Mithilfe eines digitalen Zwillings (digital Twin) finden Smart Factory und Blockchain zueinander. Daraus entsteht eine unkorrumpierbare Plattform für direkte Transaktionen zwischen Maschinen für digitale Geschäftsprozesse. Sie bietet aber auch virtuelle Testverfahren von Alternativen sowie Daten in Echtzeit über den Zustand der Anlagen.

Als virtuelles Abbild eines Produkts, einer Produktion oder einer bestimmten Performance ermöglicht ein digitaler Zwilling mit der Blockchain als Vertrauensgarant eine nahtlose Verknüpfung einzelner Prozessschritte. Die logische Folge: Effizienzsteigerung, Minimierung von Fehlerquoten, Verkürzung der Entwicklungszyklen und Eröffnung neuer Geschäftsmöglichkeiten.
Als virtuelles Abbild eines Produkts, einer Produktion oder einer bestimmten Performance ermöglicht ein digitaler Zwilling mit der Blockchain als Vertrauensgarant eine nahtlose Verknüpfung einzelner Prozessschritte. Die logische Folge: Effizienzsteigerung, Minimierung von Fehlerquoten, Verkürzung der Entwicklungszyklen und Eröffnung neuer Geschäftsmöglichkeiten.
(© chesky - stock.adobe.com)

Eine effiziente Steuerung der Produktion gehört zu den obersten Zielsetzungen in der Industrie. Für die Überprüfung von Prozess-Alternativen würden manche Fertigungsleiter am liebsten gleich zwei Fabriken parallel aufbauen. Interessanter Ansatz. Was wäre aber, wenn eine der Fabriken nur in virtueller Form existierte und man auf dieser Basis „Was-wäre-wenn-Analysen“ durchführen könnte?

Das heißt, es wäre dann möglich, bestimmte Alternativen beispielsweise für die Produktionsplanung zu überprüfen, ohne dass man die bestehende Anlage dafür außer Betrieb setzen muss. Dafür müsste aber die reale Produktionsstätte komplett auf digitaler Ebene nachgebildet werden.

Gesamtsystem aus realer und digitaler Welt

Das Ergebnis wäre ein virtueller digitaler Zwilling, der nicht nur die gesamte Produktionsanlage mit sämtlichen Maschinen umfasst, sondern insbesondere auch alle Prozesse und die Auswirkungen der Systembausteine während der Fertigung in Echtzeit abbildet. Denn in einem digitalen Zwilling lässt sich der gesamte Fertigungsprozess genau nachvollziehen.

Eine Vielzahl an Sensoren geben kontinuierlich den Status der einzelnen Stationen bzw. Maschinen an das System weiter. Für die Produktionssteuerung ergeben sich dadurch völlig neue Möglichkeiten. Das heißt, die Produktionsplaner könnten den Herstellungsprozess im virtuellen Abbild analysieren und dann gegebenenfalls einzelne Schritte optimieren oder neu gestalten. Der große Vorteil des virtuellen Testens ist die Minimalisierung von Stillstandzeiten und die enorme Erhöhung der Flexibilität bei unvermeidlichen Umrüstungen.

Vorteile eines digitalen Zwillings

Durch die Verbindung der realen und digitalen Produktion entsteht quasi ein übergeordnetes System, das sich so im laufenden Betrieb - unabhängig vom Menschen - selbst steuert, überwacht und letztlich sogar korrigiert. Im Falle einer Störung entscheidet das System autonom, wie ein Problem zu lösen ist. Der Produktionsleiter und sein Team müssen dafür nicht eingreifen.

Natürlich kann das System, das laufend von der Anlage mit Daten gefüttert wird, auch die Qualität der Werkstücke und des Endprodukts prüfen. Das Konzept des digitalen Zwillings ermöglicht sogar Kleinserien mit individualisierten Einzelstücken bzw. Einzelstücke (Losgröße-1), ohne die restliche Fertigung wesentlich zu beeinträchtigen.

Mit einem digitalen Zwilling kann virtuell erprobt werden, ob eine neue Anlage zu einer älteren mit bestimmten Modifikationen passen könnte. Wobei das Konzept des digitalen Zwillings schon bei der Planung und beim Bau der Anlage anwendbar ist. Das bedeutet, noch bevor das erste physische Werkstück die Anlage durchläuft, kann im Vorhinein der Fertigungsprozess simuliert, Schwachstellen gefunden und optimiert werden.

Überorganisatorischer Datenaustausch

Die digitalen Zwillinge sind ein Abbild der Maschinen, Prozesse, Werkstücke und Akteure wie Menschen oder Unternehmen. Gleichzeitig verschmilzt die digitale mit der realen Welt. Was passiert aber, wenn diese Daten eine abgeschlossene und regulierte Organisation verlassen und mit anderen überorganisationalen digitalen Zwillingen kommunizieren sollen?

Das ist dann der Fall, wenn spezialisierten Mittelständlern oder kleineren Firmen oft die Kapazität für Großaufträge fehlen, nicht alle Fertigungsschritte selbst leisten können oder der eigene Maschinenpark freie Restkapazitäten aufweist. Alle drei Zustände haben eines gemeinsam: Sie wirken sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit des Unternehmens aus.

Daher schließen sich Hersteller gerne zusammen, um solche Aufgaben zu übernehmen. Da es hierbei um sehr sensible Daten geht, geschieht dies aktuell eher in lokalen Netzwerken oder mit bereits bekannten Unternehmen. Zudem laufen solche Kooperationen mangels gemeinsamer Technologieplattform noch mit vielen manuellen Schritten.

Das ist vielfach natürlich so gewollt, denn wer möchte schon seine CNC-Fräse direkt und ohne Schutzfunktionen ans Internet anschließen? Bezahlt wird das alles mit höheren Prozesskosten und einer deutlichen Beschränkung der möglichen Kooperationspartner. Damit auch Aufträge außerhalb des eigenen lokalen Netzwerkes vertrauensvoll abgewickelt werden können, braucht es eine manipulationssichere Blockchain-basierte Transaktionsplattform, die als neutraler und zuverlässiger Mittler fungiert.

Blockchain schafft sichere Plattformen

Die Blockchain ist ein digitales verteiltes Register. Da jede Transaktion bei jedem Teilnehmer abgelegt wird, ist sie besonders ausfall- und manipulationssicher. Trotzdem lässt sich der Datenschutz sehr gut abbilden. Dies geschieht über Chanels bzw. Zuweisungen von Berechtigungen, Einblicke in Daten nehmen zu können. Das heißt, wenn nun ein digitaler Zwilling in die Blockchain gespeichert wird, ist deren Identität samt aller verknüpften Datensätze absolut manipulationssicher. Zusätzlich ist eine Plattform erforderlich, auf der die Daten, welche die Geschäftspartner benötigen, auch ausgetauscht werden können.

Möchten beispielsweise mehrere Hersteller für einen größeren Auftrag verschiedene Auftragsdaten miteinander teilen, so ist es über eine Blockchain-basierte Plattform möglich, einer Maschine einen Teilauftrag in einem bekannten, standardisierten und bereits einsatzfähigen Datenformat mitzuteilen. Zu diesem Zweck wird die Maschine als digitaler Zwilling auf der Plattform abgebildet und ist damit eindeutig identifizierbar und kann individuell belegbar beauftragt oder gesteuert werden. Gleichzeitig werden alle Aktivitäten genau dokumentiert.

Der digitale Zwilling erhält beispielsweise die Fähigkeit zu Fräsen. Gleichzeitig können die Maschinenkonfigurationen automatisiert übernommen werden, wodurch sich dieser digitale Zwilling immer aktualisiert. Dies hat zur Folge, dass alle vernetzten Maschinen jetzt virtuell als „eine Firma“ in einer sogenannten Smart Factory agieren können. Das bedeutet, Aufträge können so je nach der spezifischen Kapazitätssituation der Hersteller gemeinsam über mehrere Anlagen oder nur bei einem Dienstleister abgearbeitet werden.

Da alle Prozesse lückenlos dokumentiert werden, lassen sich auch Mängel einer Ursache bzw. Maschine direkt zuordnen. Aus diesem Grunde müssen auch nur jene Produkte kontrolliert werden, in denen ein fehlerhaftes Bauteil integriert wurde.

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