Ein Digitaler Zwilling ist eine exakte digitale Nachbildung eines physischen Objekts, Prozesses oder Systems. Durch die Integration von Echtzeitdaten, Simulationen und fortschrittlichen Algorithmen können Digitale Zwillinge Verhaltensweisen und Zustände präzise replizieren und vorhersagen. Sie verbinden die physische und die digitale Welt auf eine Weise, die bisher undenkbar war. 

Der klassische vs. virtuelle Prozess der Inbetriebnahme

Die Inbetriebnahme von Systemen und Anlagen ist ein vielschichtiger Prozess, der mehrere Phasen durchläuft. Der Einsatz von Digitalen Zwillingen kann diesen Prozess erheblich verändern und optimieren.

Bei der Realisation einer klassischen Automationslinie durchläuft ein Projekt die Projektphasen «Entwicklung» (Abklärung, Konzeption, Design), «Herstellung und Montage» sowie «Inbetriebnahme». Zwischen der Inbetriebnahme und der Produktion beim Betreiber entsteht der Gefahrenübergang, der sich auf den Moment bezieht, in dem das Risiko oder die Verantwortung für Schäden oder Gefahren von einem Vertragspartner auf den anderen übergeht.

Die Inbetriebnahme mit einem Digitalen Zwilling beginnt ebenfalls mit der Planung. Ein Digitaler Zwilling des geplanten Systems wird erstellt. Anders wie bei der klassischen Variante können dank virtueller Simulationen und Optimierungen potenzielle Probleme bereits in der Planungsphase identifiziert und behoben werden. Dies führt zu einem optimierten Design und einer besseren Vorbereitung auf die physische Installation.

Im nächsten Schritt erfolgen die virtuelle Installation und das Testen. Auf Basis der Testergebnisse wird die Konfiguration angepasst und optimiert.

Danach erfolgt die physische Installation auf Basis der bereits optimierten Pläne, die aus der virtuellen Phase hervorgegangen sind. Die physische Installation wird mit dem Digitalen Zwilling synchronisiert, um sicherzustellen, dass beide übereinstimmen.

Nach der physischen Installation erfolgen die synchronisierte Konfiguration und Einstellung. Die Konfigurationen und Einstellungen, die virtuell erarbeitet wurden, werden auf die physischen Systeme übertragen.

Die Test- und Validierungsphase wird sowohl virtuell als auch physisch durchgeführt. Umfassende Tests werden im digitalen Modell durchgeführt, um alle möglichen Szenarien abzudecken. Die Ergebnisse werden mit dem physischen System validiert. Fehler werden sowohl im digitalen als auch im physischen Bereich identifiziert und gegebenenfalls behoben.

Die letzte Phase umfasst die Übergabe, Schulung und Echtzeit-Überwachung. Die Mitarbeitenden werden mithilfe des Digitalen Zwillings geschult, was eine praxisnahe und risikoarme Ausbildung ermöglicht.

Nach der Auslieferung der Maschine besteht mit dem Digitalen Zwilling zudem die Möglichkeit, Softwareanpassungen, die nur bei Anlagenstillstand (üblicherweise in den Sommer- oder Winterferien) eingespielt und geprüft werden können, vorgängig am virtuellen Modell auszutesten und die Stillstandzeiten zu reduzieren. 

Die Firma Machineering konnte auf der Basis einer Fallstudie aufzeigen, dass durch die Verwendung Digitaler Zwillinge eine Zeitersparnis von 21% an Arbeitstagen (Abbildung 1) zu erwarten ist. Auf der Investitionsseite konnte der «Return on Investment» für die Erstellung des Digitalen Zwillings in wenigen Monaten erreicht werden. 

Mit Simulationen Zeit sparen, Kosten senken, schneller und innovativer werden

Digitale Zwillinge ermöglichen die Vorhersage von Ausfällen und durch die Simulation von Wartungsszenarien können Unternehmen teure Reparaturen vermeiden und die Lebensdauer ihrer Anlagen verlängern. Zudem liefern die Digitalen Zwillinge präzise Modelle, so dass in der Produktentwicklung die Innovationszyklen verkürzt und die Markteinführung beschleunigt werden können.

Digitale Zwillinge im Bildungsbereich

Durch die hohe Komplexität heutiger Systeme werden immer mehr Spezialisten benötigt, die wir an der ABB Technikerschule ausbilden.

Die in der Vergangenheit weitgehendst getrennten Disziplinen Mechanik, Hardware und Software verschmelzen durch die Digitalisierung zunehmend und die unterschiedlichen Fachbereiche beeinflussen sich gegenseitig mehr und mehr: Die Entscheidungen der Konstruktionsabteilungen haben bereits in der Designphase weitgehende Auswirkungen auf die Arbeit der Automationsspezialisten. Diese Abhängigkeiten zeigen wir in unseren Bildungsgängen auf und sensibilisieren die Studierenden auf die Auswirkungen.

Mithilfe der Digitalen Zwillinge können die Bereiche Mechanik, Elektronik und Software in Simulationen erkennen, welchen Einfluss ihre Entscheidungen haben, wie z.B. Auswahl von Materialien, Antrieben oder Sensoren. Auf Basis dieser Erkenntnisse können bessere, effizientere und kostengünstigere Systeme entwickelt werden.

Es gilt jedoch zu beachten, dass sich die virtuelle Welt nicht immer gleich der realen Welt verhält. Daher zeigen wir bei der ABB Technikerschule in unseren Bildungsgängen die Virtualisierung an konkreten Aufbauten auf, damit die Studierenden lernen, wie sie die Digitalen Zwillinge optimal einsetzen können.

Fazit: Ein unverzichtbares Werkzeug der Zukunft

Digitale Zwillinge repräsentieren einen bedeutenden Fortschritt in der Art und Weise, wie wir physische Systeme verstehen und steuern. Ihre Fähigkeit, reale Objekte und Prozesse digital zu replizieren und zu optimieren, eröffnet enorme Potenziale für Effizienzsteigerungen, Kostensenkungen und Innovationsförderung. Da die Welt zunehmend vernetzt und digitalisiert wird, werden Digitale Zwillinge eine zentrale Rolle bei der Gestaltung unserer Zukunft spielen. Sie sind die Brücke zwischen der physischen und der digitalen Welt, die es uns ermöglicht, präziser und effizienter zu arbeiten und die Herausforderungen der Zukunft zu meistern.