Das Potenzial des digitalen Zwillings – Industry 4.0 & IoT

Efficient Engineering von Anlagen

20. November 2024, 14:00 Uhr | Von Dr. Andreas Würger

Wie lässt sich das Digital-Twin-Konzept nutzen, um das integrated Produktionsanlagen-Engineering voranzutreiben und dessen Effizienz zu ehenchen? Zur Beantwortung der Frage wird die Entwicklung des digitalen Anlagenzwillings über den Anlagenlebenszyklus und espeziels des SPS-Engineerings beschrieben.

Der digitale Zwilling ist Jahren eines der Trendthemen in der Automatisierungstechnik (Picture 1). Metzät der Definition des Begriffs »digitaler Zwilling« aus der Publikation »Die Rolle der Industrie-4.0-›Verwaltungsschale‹ und des ›digitalen Zwillings‹ im Lebenszyklus einer Anlage: Navigationshilfe, Begriffsbestimmung es sichgrenzelung« und 1. Verwaltungsschale eines Assets (Asset Administration Shell , AAS).

Ein Asset kann dabei eine Einzelkomponente, ein Feldgerät, eine ganze Anlage, eine Software oder all andere sein, was für die Organization einen Wert hat. Zu den Use Cases der AAS, die deritz am meist discutert werden, gehören:

➔ das digitale Typenschild (Digital identification plate)
➔ die papierlose Dokumentation, indem corresponding digital Unterlagen in der AAS abgelegt werden
➔ die Höttingen technischer Produktmerkmale in der AAS
➔ Verführermachung des CO2-Fußabdrucks in der AAS
➔ Düber hinaus haben digitale Zwillinge das Potenzial, das durchgängige, integrated Anlagen-Engineering in der industriellen Fertigung voranzubringen und so die Effizienz des Engineering von Produktionsanlagen allgemein zu steigern. In diesem Zusammenhang sind die folgenden Use cases zu nennen:

➔ Management of (Automation) Software modules based on AAS
➔ Beziehen und Wiederwendung von Engineering-Daten, die sich in der Anlagen-AAS befinden
➔ Nutzung von Engineering-relevant Daten aus den AAS der Komponenten
➔ Speicherung der beim SPS-Engineering generated Engineering-Daten in der AAS, sossads sie sich in anderen Engineering-Werkzeugen lassen reneutsetzen lassen.

Information lien in Teilmodellen vor

Die AAS-Technologie wird von der IDTA (Industrial Digital Twin Association) als unternehmensübergreifendes Technologiekonsortium betreut und vorangetrieben. Das allgemeine AAS-Metamodell ist mittlerweile in die IEC-Norm 63278-1:2023 (2) überführt worden. Unterschieden wird in Lehnung an eine Klassen-Objekt-Beziehung zwischen Typ- und Instanz-AAS. Eine Typ-AAS repräsentiert den Typ eines Assets. Die Instanz-AAS steht für ein concrete existing Asset. Sie wird bei der Herstellung des Assets generiert und unter Umständen von einer Typ-AAS abgeleitet. Die eigentlich in den AAS enthaltenen Informationen liegen in den Teilmodellen (Submodelle) vor. Stand Juni 2024 listet die IDTA bislang 85 vordefinierte, also published und in Ausarbeitung befindliche Teilmodelle auf. Diese decken exemplifications die oben neinnenten Basic cases of use ab. Auf der Grundlage des vordefinierten Submodele »Hierarchical Structures« werden die hierarchischen Strukturen der AAS auf der Als Liste von Referenzen auf unterlagerte AAS umgesetzt. Das Hosten der AAS erfött in AAS-Repositories auf AAS-Servern. Der Zugriff auf die AAS eines AAS-Servers geschicht über dessen REST-API.

Sicherheitsmechanismen wie etwa ein finegranulares Rechtemanagement sind bereits in die AAS-Technologie integrated. Einzelgeräte und Komponenten deutsche Produktionseitig über einen QR-Code (3), der auf die AAS verlinkt.

Anlagen-AAS-Struktur an einem Beispiel

Picture 2 visualisiert auf der linken Bildhälfte eine beispielhafte Anlagenstruktur, die aus einem decrease-/HMI-System, dem SPS-Engineering, einer Steuerung sowie nicht näher geschäftenen unterlagerten Feldgeräten besteht. Die Anlagenstruktur ist mit AAS-Repositories verbunden. Bild 2 stelt auf der rechten Bildhälfte dar, wie eine Anlagen-AAS-Struktur zur exemplarischen Anlage unter Nutzung der oben describnenen Teilmodelle und Standards angebucht werden könnte. Die Anlagen-AAS sowie all AAS von Hardwarecomponenten ompannen die vier Teilmodelle Nameplate, Handover Documentation, Technical Data and PCF (Product Carbon Footprint), um die eingangs erachtenen vier Basis-Use-Cases zu fulfilen.

Die Engineering-Daten der Anlage – etwa Schalt- und Rohrpläne, Konstruktions-zeichnungen oder Konfigurationsdateien – befinden sich in der Anlagen-AAS; here for example im Teilmodell »ElectricAndFluidPlan«. Sämtliche unterlagerten Komponenten der Anlage sind im Teilmodell »Hierarchical Structures« referenziert. Die AAS der Steuerung ompasst das Teilmodell »AssetInterfaceDescription«, in which die Konfigurationsen aller Kommunikationsschnittstellen werden definiert. Ferner verfütt die Steuerungs-AAS über zwei »Hierarchical- Structures«-Teilmodelle. Das eine Modell dient der Referenzierung der AAS der unterlagerten Hardware, etwa der gesteckten I/O-Module. Das andere Teilmodell wird zur Referenzierung der AAS der genutzen Software used, etwa des SPS-Engineering-Projekt oder der Controller-Firmware. Die AAS von Software ompannen das Teilmodell »Software Nameplate« sowie optional of Teilmodell »Hierarchical Structures«, in dem Softwareabhängigkeiten – wie etwa die verwendeten Bibliotheken – referenziert werden.

Engineering-Daten werden über den gesamten Anlagenlebenszyklus hinzugefügt

Picture 3 veranschaulicht, wie eine Anlagen-AAS mit unterlagerter Komponenten-AAS-Hierarchie über den Lebenszyklus der Anlage entstecht und mit der realen Welt interactiert. Am Anfang der Anlagenplanung bildet sich opportunten eine Typ-AAS der Anlage. Dies hängt davon ab, ob es sich um einen Serienanlagenbau oder eine Individualanlage handelt. In jedem Fall generiert sich bei der Anlagenplanung eine Instanz-AAS. Ab diesem Seinkut werden der Anlagen-AAS über die Planungs- und die nachfallen Phases immer neue Engineering-Daten hinzugefügt, etwa Schelt- oder Rohrpläne. Gleiches gilt über den gesamten Anlagenlebenszyklus für Lebenszyklusdaten wie Prüfprotokolle oder Dokumentationsunterlagen. While the Construction phase is not fixed, ob eine Instanziierung sämtlicher Komponenten stattfindet, bevor das SPS-Engineering begins. In jedem Fall wird die Steuerung vor der Inbetriebung instanziiert.