Zukunft der Fertigung Effizientere Produktion durch Digitalen Zwilling

Anbieter zum Thema

Open Industry 4.0 Alliance

Schneider Electric GmbH

PSI Software SE | Business Unit Discrete Manufacturing

IGZ Ingenieurgesellschaft für logistische Informationssysteme mbH

Die globale Produktionswirtschaft wandelt sich tiefgreifend. Der ideale Zeitpunkt also, Informationssysteme und IT-Anwendungen in der Produktion neu zu denken und zu modernisieren.

Aktuelle technologische Lösungen sind zwar fortschrittlich, aber oft fragmentiert und nicht nahtlos wie systemübergreifend einsetzbar. Beispielsweise können Roboter mit Kamerasystemen in komplexen Umgebungen navigieren und ihre Aktionen optimal anpassen, sind jedoch immer noch eingeschränkt. Das liegt nicht zuletzt daran, dass ihre Fähigkeiten zur autonomen Interaktion mit anderen Systemen und zur Bereitstellung von Echtzeit-Feedback verbesserungswürdig sind. Diese Defizite erfordern weiterhin menschliche Eingriffe, was den Betrieb verlangsamt, Fehlerquoten erhöht und die Effizienz schlussendlich verringert oder zumindest nicht steigert. Der menschliche Beitrag zur Produktion von morgen bleibt zu wertvoll, als dass ihn sich wiederholende Einrichtungsprozesse belasten dürfen.

Eine Vision für die Produktion der Zukunft

Digitale Zwillinge sind umfassende digitale Repräsentationen von Produkten, Maschinen und Systemen. Sie bieten Lösungen für viele Herausforderungen der modernen Fertigungsindustrie, indem sie mehr Interaktion, Autonomie und nahtlose Zusammenarbeit zwischen Systemen ermöglichen. Dies schafft die Grundlage für eine flexiblere, effizientere und stärker vernetzte Produktionsumgebung.Einige zentrale Begriffe gilt es in dem Kontext zu klären, sind sie doch für das Verständnis digitaler Produktionssysteme entscheidend: Der Digitale Datencontainer ist ein standardisiertes Repository, das produktbezogene Informationen aus verschiedenen Systemen wie ERP, MES und CAD beziehungsweise CAM speichert. Er dient als zentrale, ID-basierte Datenquelle, ohne selbst aktiv zu agieren. Der Digitale Zwilling erweitert dieses Konzept durch Interaktions- und Kooperationsfähigkeit. Dieser fungiert als lebenszyklusübergreifende Informationsdrehscheibe und ermöglicht durch standardisierte Datenmodelle hochautonome Produktionsprozesse.Der autonome Avatar stellt die nächste Entwicklungsstufe dar. Als weiterentwickelter Digitaler Zwilling agiert er eigenständig und beeinflusst seine Umgebung aktiv, um vorgegebene Ziele zu erreichen. Er kombiniert autonome Interaktion mit standardisierten Informationsmodellen und bricht mit konventionellen Produktionsparadigmen.

Der Weg zu autonomen Avataren

Ähnlich wie ein Kind grundlegende Fähigkeiten erlernt, bevor es selbstständig wird, verläuft die Entwicklung autonomer Avatare in der Produktionsumgebung. Die Avatare lernen zunächst dadurch, grundlegende Aufgaben zu erfüllen, insbesondere durch das Sammeln und Speichern von Informationen. Daraufhin lernen sie, mit anderen Systemen zu interagieren und schließlich eigenständig Entscheidungen zu treffen und Prozesse autonom zu steuern. Der Fokus bleibt auf der Steigerung der Effizienz, Flexibilität und Resilienz in der „Produktion von morgen“, so auch der Titel des neuen Whitepaper der Open Industry 4.0 Alliance zu dem Thema.

Breaking News von der SPS

Mehr Rechenleistung für Digitale Zwillinge: Rockwell Automation kooperiert mit Nvidia

Digitale Datenspeicher entwickeln sich in Phasen, die denen des menschlichen Lebens ähneln. Zu Beginn wird ein Digitaler Container erstellt, der Produktionsressourcen und Produkte speichert. Dieser Container sammelt Daten, wie Auftrags- und Fertigungsinformationen, ohne jedoch aktiv mit anderen Systemen zu interagieren. Im Laufe des Produktlebenszyklus wird der Container für die Rückverfolgbarkeit und Wartung immer wertvoller.

Produkt, Werkzeug und Maschine interagieren miteinander

In der zweiten Phase entwickelt sich das „One-Trick-Pony“ der Datenspeicherung aus der ersten Phase weiter: Der Digitale Zwilling trifft Entscheidungen und erledigt Aufgaben. Die Container für Produkt, Werkzeug und Maschine interagieren nun miteinander, da die Daten strukturiert und semantisch eindeutig beschrieben sind. Das ermöglicht eine standardisierte Kommunikation zwischen den Digitalen Zwillingen, wobei jener des Produkts den nächsten Produktionsschritt der Maschine weitergibt. Trotz der Aufgabenübernahme bleibt die Autonomie des Zwillings aber begrenzt, da Entscheidungen weiterhin auf vordefinierten Richtlinien basieren.In der dritten Phase trifft der Digitale Zwilling zunehmend autonome Entscheidungen, indem er Funktionen wie Maschinenparameter und Sollwerte integriert, die zuvor von Systemen wie MES und SCADA verwaltet wurden. Er wählt alternative Produktionssequenzen und Maschinen basierend auf seinem Arbeitsplan. Der Digitale Zwilling entwickelt sich zu einem autonomen Avatar, der selbstständig Entscheidungen trifft, aber weiterhin menschliche Unterstützung benötigt. Der Avatar nutzt strukturierte Daten, eine Regel-Engine und eine Workflow-Engine, um Prozesse zu steuern und alle relevanten Informationen zentral zu speichern. Dadurch lassen sich manueller Aufwand und Komplexität reduzieren.

Avatare lernen aus historischen Daten und nutzen KI

In der vierten Phase kann der autonome Avatar mit anderen Avataren zusammenarbeiten und seine Pläne basierend auf Echtzeitinformationen anpassen. Er kommuniziert mit Logistiksystemen und passt seine Aktivitäten an die dazugehörigen Ereignisse an, beispielsweise durch das Auslösen eines Alarms bei fehlenden Transportfahrzeugen. Der Avatar bereitet Maschinen eigenständig vor und konfiguriert sie. Dank standardisierter Selbstbeschreibung der Avatare wählt dieser optimale Maschinen und Fertigungsprozesse automatisch aus. Ein übergeordnetes Planungssystem bleibt für höhere Entscheidungen und Konflikte verantwortlich, was die Produktionsplanung vereinfacht.Nun können autonome Avatare in der fünften Phase komplexe Herausforderungen bewältigen, indem sie Konflikte und die Ressourcennutzung in Wettbewerbssituationen steuern. Sie verhandeln und passen die Reihenfolge der Aufgaben dynamisch an. Als Basis dafür dienen Echtzeitinformationen und eine übergeordnete Planungsintelligenz. Die Avatare lernen aus historischen Daten und nutzen Künstliche Intelligenz, um Produktionsprozesse zu optimieren, etwa durch die Vorhersage von Ausrüstungsfehlern und Verbesserung der Maschinennutzung. Dadurch werden Ausfallzeiten reduziert und Ineffizienzen vermieden.

Vernetzte Intelligenz für eine transparente Zukunft

In der letzten Phase erweitern autonome Avatare ihre Interaktionen über Unternehmensgrenzen hinweg und arbeiten mit Avataren anderer Unternehmen, zum Beispiel von Lieferanten und Kunden, zusammen. Diese Phase ermöglicht den nahtlosen Datentransfer und verbessert die Rückverfolgbarkeit sowie die Qualitätsoptimierung. Durch den Informationsaustausch zwischen Unternehmen lassen sich Rückmeldungen von Kunden zurück zu den Lieferanten senden, was kontinuierliche Verbesserungen fördert.