Virtuelle Abbilder mit realen Vorteilen: Digitale Zwillinge in der Industrie 4.0

“Okay Houston, we’ve had a problem here.” – als sich im April 1970 der Pilot der Raumfahrtmission Apollo 13 Jack Swigert mit diesen Worten beim Mission Control Center in Houston meldete, wusste niemand, dass das nicht nur der Startschuss zu einer einzigartigen Rettungsaktion war – sondern auch die Geburtsstunde einer völlig neuen Art von Problemlösungsmethodik. 

Wie sollte man Menschen helfen, die sich zu dem Zeitpunkt etwa 300.000 km von der Erde entfernt in einer kleinen Raumkapsel befanden? Man begann das Problem zu modellieren: Ein Team in Houston recherchierte, was an Bord zur Verfügung stand, um daraus einen rettenden Adapter für einen CO2-Absorber zu bauen – Schläuche, Klebebänder, Deckel von Handbüchern und so weiter. Die von den Ingenieuren entwickelte Lösung, in der auch eine Socke Verwendung fand, wurde schließlich an die Crew übermittelt, die dann erfolgreich diesen Adapter nachbaute. Die NASA-Ingenieure hatten den ersten „technischen Zwilling“ gebaut. Im Jahr 2010 fügte die NASA erstmals das Attribut „digital“ dem technischen Zwilling hinzu. Der Begriff „Digitaler Zwilling“ wurde geboren.1

Das Gabler Wirtschaftslexikon definiert einen digitalen Zwilling als „virtuelles Modell z. B. eines Prozesses, eines Produkts oder einer Dienstleistung, welches die reale und virtuelle Welt verbindet.“ Aber was heißt das genau? 

Ein digitaler Zwilling ist auf jeden Fall mehr als „nur“ ein statisches digitales Modell einer Anlage oder eines Produktionsprozesses – dies ist nur die Basis, quasi die leere Hülle, die mit Leben gefüllt werden muss. Ein vollständiger Zwilling sammelt im besten Fall alle verfügbaren Daten, die über den gesamten Lebenslauf hinweg anfallen: von der Planung, Konstruktion und Produktion über die gesamte Nutzungsphase inklusive stattfindendem Service, eventueller Reparaturen bis hin zur Außerdienststellung und anschließendem Recycling.

Natürlich existieren innerhalb dieser virtuellen Abbildung verschiedene Abstufungen. Die höchste Stufe zeigt virtuelle 1-zu-1-Modelle der kompletten Anlage und simuliert diese bis ins letzte Detail. So ist es zum Beispiel möglich, eine Pumpe oder sogar eine Pumpenanlage virtuell unter wechselnden Bedingungen laufen zu lassen und zu prüfen, wie sich das System dabei verhält – ganz ohne aufwändige reale und teure Modellversuche. Oder es kann das Zusammenspiel mehrerer Pumpen in komplizierteren Systemen simuliert werden, schon bevor die Anlage gebaut wird.

Das Leben eines digitalen Zwillings lässt sich grob in drei Phasen einteilen:

Zunächst wird ein möglichst genaues digitales Abbild des realen Assets geschaffen, der „Digital Prototype“. Dazu dienen die Daten aus Konstruktions- und Bauplänen, CAD-Zeichnungen, Prozessbeschreibungen usw. Daraus ergibt sich ein (noch) statisches digitales Modell.

Im nächsten Schritt wird der Digital Prototype zum Leben erweckt – indem er mit allen verfügbaren Live-Daten gefüttert wird. Sensoren, die über den gesamten physischen Prozess verteilt sind, erfassen Daten entlang einer Vielzahl von Dimensionen: von Verhaltensmerkmalen der Maschinen und laufenden Arbeiten (Last, Drehzahlen, Mengendurchfluss, Maße, usw.) bis hin zu Umgebungsbedingungen innerhalb der Produktion selbst. Diese Daten werden kontinuierlich an den digitalen Zwilling übermittelt und von diesem verarbeitet.

Die Erkenntnisse, die aus dem Betrieb des digitalen Zwillings gewonnen werden, fließen auch in seine Weiterentwicklung mit ein. Denn um das volle Potenzial von digitalen Zwillingen zu heben, müssen die realen Systeme künftig nicht nur miteinander vernetzt sein, sondern selbst Köpfchen entwickeln und autonom agieren. Die weitere Verknüpfung kann schließlich zu einem bidirektionalen System führen, bei dem der digitale Zwilling seinem physischen Bruder kontinuierlich Rückmeldungen gibt – und es auf diese Weise zu einem selbststeuernden System kommt. 

Die Entwicklung geht in jedem Fall in Richtung künstlicher Intelligenz und Machine Learning – von der bloßen gegenseitigen Wahrnehmung und Interaktion hin zur aktiven Kommunikation und eigenständigen Optimierung.

KSB bietet Ihnen eine ganze Reihe an digitalen Pumpenlösungen und Smart Services zur digitalisierten Erfassung und Korrelation von Leistungs- und Zustandsparametern Ihrer Pumpen und Armaturen. Beispielsweise mit KSB Guard, einer digitalen Lösung zur cloud-basierten Überwachung von Pumpen und anderen rotierenden Maschinen: KSB Guard führt eine Trendanalyse der Zustandsdaten Ihrer Maschinen durch, und erkennt somit sich anbahnende Schäden frühzeitig. Auf diese Weise bringt KSB Guard Transparenz in Ihre Anlage und hilft Ihnen, Ihre Anlage schonender zu fahren und gezielt effizientere Wartungs- und Instandhaltungsmaßnahmen durchzuführen, indem Sie etwa Wartungsaufgaben dynamisch priorisieren oder Ihre Ersatzteilstrategie optimieren.

Die Ludwig Weinrich Schokoladenfabrik bekam durch die installierte Redundanz eine zuverlässige Prozesssicherheit. Durch die bedarfsgerechte Auslegung hat sie darüber hinaus Energieeinsparungen von sage und schreibe 75% gewonnen – eine äußerst effektive Kombination, die funktioniert.

Eine der wichtigsten Erfolgsvoraussetzungen für die Digitalisierung ist deren Akzeptanz. Es gibt allerdings noch immer viele Unternehmen, die den digitalen Möglichkeiten kritisch gegenüberstehen. Und dies ist durchaus nachvollziehbar: Immer wieder kommt es vor, dass Unternehmen zum Ziel von Cyberangriffen werden. Auch unzureichend gesicherte, vernetzte Anlagen können dabei empfindlich getroffen werden und so einen erheblichen Schaden verursachen.

Viele Unternehmen fragen sich in diesem Zusammenhang zurecht, wie zuverlässig ihre teils hochsensiblen Daten geschützt sind, wenn sie innerhalb der cyber-physischen Systeme ausgetauscht oder die Maschinendaten beim Cloud-Computing zum Speichern und Verarbeiten in ein externes Rechenzentrum ausgelagert werden. 

Um die Sicherheit dieser Daten zu gewährleisten, stellt KSB höchste Anforderungen, die weit über die Kriterien der DSGVO und die Empfehlungen des Bundesamtes für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) hinausgehen.

Beispiel KSB Guard: Sicherheit fängt bei KSB Guard bereits damit an, dass das System völlig autonom arbeitet. Ein Eindringen in das Netzwerk des Kunden ist somit quasi unmöglich. Aber auch beim Daten-Handling selbst achtet KSB auf höchste Sicherheit. Alle Daten werden nach deren Erfassung durch die KSB Guard Sensoreinheit von der KSB Guard Sende- und Batterieeinheit unter höchsten Sicherheitsstandards nach TLS 1.2 verschlüsselt, und über das Anwendungsprotokoll MQTT-SN an das KSB Guard Gateway weitergeleitet.

Auch, dass KSB sich für einen der größten Cloud-Anbieter der Welt entschieden, ist kein Zufall: Alle Daten von KSB Guard werden ausschließlich auf deutschen Servern mit höchsten Sicherheitsanforderungen gemäß der ISO 27001 gespeichert. Weitere Sicherheitsanforderungen sind beispielsweise C5, CSA oder auch PCI. Auch ist der Cloud-Partner von KSB so organisiert, dass das Personal getrennt auf die jeweilige Tätigkeit spezialisiert eingesetzt wird. Das bedeutet: Niemand kann gleichzeitig Zugriff auf die Server, auf Datenbanken oder die Dienste erlangen, die die Daten verarbeiten. Sicher ist eben sicher. Mit KSB.