Der digi­ta­le Zwil­ling eines phy­si­schen Pro­dukts oder digi­ta­len Pro­zes­ses kann heu­te dank des Indus­tri­al Inter­net of Things (IIoT) in Echt­zeit Leis­tungs­pa­ra­me­ter ana­ly­sie­ren, über­wa­chen und bereit­stel­len. Ein digi­ta­ler Zwil­ling stellt dabei eine auf Simu­la­ti­ons­tech­no­lo­gie basie­ren­de, vir­tu­el­le Nach­bil­dung einer sich in Betrieb befind­li­chen Anla­ge oder eines Sys­tems dar, die mit dem rea­len Pro­dukt ver­bun­den ist. Die­se inte­grier­te Mul­ti-Domain-Sys­tem­si­mu­la­ti­on spie­gelt alle Gege­ben­hei­ten, Betriebs­be­din­gun­gen und Ereig­nis­se der rea­len Anla­ge wider. Dadurch ermög­licht sie opti­mier­tes Sys­tem-Design, vor­aus­schau­en­de War­tung, ein ver­bes­ser­tes Indus­trie­an­la­gen-Manage­ment und eine all­ge­mei­ne Leis­tungs­ver­bes­se­rung der Anla­gen und Sys­te­me.

IIot ist der Enabler für physik-basierte digitale Zwillinge

Indus­trie­bran­chen mit sehr hoher Kapi­tal­bin­dung durch Anla­gen wie die Energie‑, Pro­zess- und Strom­in­dus­trie nutz­ten in der Ver­gan­gen­heit regel­mä­ßi­ge Inspek­tio­nen und his­to­ri­sche sowie sta­tis­ti­sche Ana­ly­se­me­tho­den, um War­tungs­zeit­räu­me abzu­schät­zen sowie Aus­fäl­le und Defek­te zu mini­mie­ren.

Dank des IIoT, kom­bi­niert mit der Ent­wick­lung von smar­ten, ver­netz­ten Anla­gen sowie der brei­ten Ver­füg­bar­keit von Sen­so­ren, ist es nun mög­lich, genaue War­tungs- und Betriebs­be­rei­che für jede spe­zi­fi­sche Aus­rüs­tung einer bestimm­ten Anla­ge unter rea­len Betriebs­be­din­gun­gen zu ent­wi­ckeln. Die­se kön­nen unter ande­rem für die Anla­gen­leis­tung und ‑inspek­ti­on sowie die ope­ra­ti­ve Über­wa­chung ver­wen­det wer­den. Digi­ta­le Zwil­lin­ge wer­den dabei auch für die Ana­ly­se von Feh­lern auf­grund von Ermü­dung, Vibra­ti­on, Ero­si­on sowie ande­ren Betriebs­kon­di­tio­nen bei Anla­gen und Sys­te­men genutzt.

Gera­de bei altern­den Anla­gen stellt sich immer die Fra­ge, wie lan­ge sie noch zuver­läs­sig ihre Auf­ga­be erfül­len kön­nen und ob es sich lohnt, die Betriebs­zeit durch Inves­ti­tio­nen wei­ter zu ver­län­gern oder sie außer Betrieb zu neh­men. Um die­se Fra­ge im Hin­blick auf Sicher­heits­ri­si­ken sowie die öko­lo­gi­sche und öko­no­mi­sche Pro­fi­ta­bi­li­tät beant­wor­ten zu kön­nen, benö­tigt man zum einen das Wis­sen über die Betriebs­be­din­gun­gen und zum ande­ren eine ver­läss­li­che Aus­sa­ge über die Anla­gen­leis­tung. Bei­des kann über einen digi­ta­len Zwil­ling in Echt­zeit erfasst wer­den.

Tat­säch­lich ist Simu­la­ti­on schon seit län­ge­rem ein ele­men­ta­rer Bestand­teil in der Pro­dukt­ent­wick­lung. Sie erhöht die Sys­tem- oder Anla­gen­leis­tung um ein Viel­fa­ches, redu­ziert Ent­wick­lungs­kos­ten und ver­kürzt die Zeit bis zur Markt­rei­fe. Tech­no­lo­gi­en, die das Inter­net of Things mög­lich machen, erlau­ben es Inge­nieu­ren, noch einen Schritt wei­ter zu gehen. Simu­la­tio­nen kön­nen jetzt nicht mehr nur bei der Pro­dukt­ent­wick­lung genutzt wer­den, son­dern auch in Sys­te­me inte­griert wer­den, die in Betrieb sind. Dies bie­tet Unter­neh­men einen kom­plett neu­en Weg der Wert­schöp­fung, da sie ihren Betrieb und ihre War­tung viel effi­zi­en­ter gestal­ten sowie ihren Pro­dukt­ent­wick­lungs­pro­zess wei­ter beschleu­ni­gen kön­nen.

Woher kommt der Begriff digitaler Zwilling?

Der Begriff digi­ta­ler Zwil­ling wur­de in den frü­hen Anfän­gen des Online-Shop­pings geprägt, um ein digi­ta­les Abbild eines Kun­den und sei­ner Kauf­ge­wohn­hei­ten zu schaf­fen und die­se bes­ser zu ver­ste­hen. Heu­te wird er oft in Zusam­men­hang mit Indus­trie 4.0, dem Inter­net der Din­ge und der digi­ta­len Fer­ti­gung ver­wen­det. Der fast infla­tio­nä­re Gebrauch des Begriffs hat aber dazu geführt, dass er auch immer wie­der im fal­schen Kon­text genutzt wird. Ein ech­ter digi­ta­ler Zwil­ling muss in der Lage sein, bei der Ent­wick­lung, War­tung und dem Betrieb einer ver­bun­de­nen, vir­tu­el­len Nach­bil­dung einer sich in Betrieb befind­li­chen Anla­ge oder eines Sys­tems zu hel­fen, so dass unpro­duk­ti­ve Zei­ten mini­miert, Aus­fall­zei­ten eli­mi­niert und War­tungs­kos­ten durch das Sys­tem-Design redu­ziert wer­den. Dar­über hin­aus erlaubt er die vor­aus­schau­en­de War­tung und opti­miert das Anla­gen- und Sys­tem-Manage­ment. Der digi­ta­le Zwil­ling gehört aktu­ell zu den hei­ßes­ten und auf­re­gends­ten Grenz­tech­no­lo­gi­en in der Simu­la­ti­on.

Aber wie genau nutzen Ingenieure eigentlich einen digitalen Zwilling?

Digitale Zwillinge in der Energie- und Prozessindustrie Ansys

Bild: Ansys

Ein digi­ta­ler Zwil­ling ist eine sehr genaue digi­ta­le Kopie eines phy­si­schen Objekts, einer Kom­po­nen­te oder eines „Dings“. Mit tech­ni­scher Simu­la­ti­ons-Soft­ware, und Ansys Twin Buil­der im Spe­zi­el­len, wer­den kon­ti­nu­ier­lich Daten (Tem­pe­ra­tur, Druck, Durch­fluss­ra­te, et cete­ra) des Objekts mit­hil­fe von ange­brach­ten oder inte­grier­ten Sen­so­ren in Echt­zeit gesam­melt. Dadurch erlebt der digi­ta­le Zwil­ling die­sel­be Abnut­zung wie das phy­si­sche Gerät, aller­dings vir­tu­ell auf einem Com­pu­ter.

Inge­nieu­re kön­nen die­ses genaue Modell nut­zen, um Pro­ble­me vor­her­zu­se­hen und Aus­fall­zei­ten für Repa­ra­tu­ren zu pla­nen, anstatt sich auf War­tungs­zeit­plä­ne auf Basis von Zeit­in­ter­val­len zu ver­las­sen. Unge­plan­te Aus­fall­zei­ten sind wesent­lich teu­rer als sol­che, die man vor­aus­schau­end pla­nen kann. Dar­über hin­aus kön­nen Inge­nieu­re durch Simu­la­ti­on unter­schied­li­che Betriebs­be­din­gun­gen tes­ten, bevor sie die Anla­ge die­sen aus­set­zen. Der digi­ta­le Zwil­ling bie­tet zudem eine Viel­zahl unter­schied­li­cher Betriebs­da­ten, die dazu genutzt wer­den kön­nen, die nächs­te Ver­si­on des Objekts wesent­lich leis­tungs­fä­hi­ger zu machen.

Digi­ta­le Zwil­lin­ge sind aber weit mehr als nur eine Tech­no­lo­gie. Sie stel­len eine der Haupt­säu­len der digi­ta­len Trans­for­ma­ti­on in der Ener­gie- und Pro­zess­in­dus­trie dar. Der ech­te Wert eines digi­ta­len Zwil­lings besteht in sei­ner Fähig­keit, den tech­ni­schen und unter­neh­me­ri­schen Betrieb zu ver­än­dern und dabei zu hel­fen, neue Pro­zes­se für die Ent­wick­lung, das Design, den Betrieb und die War­tung vie­ler kri­ti­scher Anla­gen zu ent­wi­ckeln.

Kom­ple­xe Pro­jek­te benö­ti­gen oft auch kom­ple­xe Lösun­gen, um sich wei­ter­ent­wi­ckeln zu kön­nen. Zum Bei­spiel suchen Unter­neh­men in der Öl- und Gas­in­dus­trie immer nach Wegen, Mate­ria­li­en und Res­sour­cen so kos­ten- und zeit­ef­fi­zi­ent wie mög­lich zu gewin­nen. Mit einem digi­ta­len Zwil­ling kann die­se Indus­trie ihre Pipe­lines über­wa­chen und Ero­si­on, Kor­ro­si­on und Mate­ri­al­er­mü­dung früh­zei­tig erken­nen. Zudem kann simu­liert wer­den, wie die­se Pro­ble­me das phy­si­sche Objekt beein­flus­sen. Dar­über hin­aus kön­nen Inge­nieu­re die­se Daten in die Wei­ter­ent­wick­lung ein­flie­ßen las­sen, um das Design des Objekts zu opti­mie­ren und Betriebs­stö­run­gen zu mini­mie­ren.

Wie baut man einen digitalen Zwilling?

Um einen digi­ta­len Zwil­ling zu ent­wi­ckeln, star­ten Inge­nieu­re mit dem Bau eines Sys­tem­mo­dells, dass dann veri­fi­ziert und opti­miert wird. Vie­le unse­rer Kun­den nut­zen Ansys Twin Buil­der bereits, um ihre Sys­tem­mo­del­le ein­fach und schnell zu bau­en. Das Tool kom­bi­niert die Leis­tung eines Model­lie­rers für Mul­ti­do­mä­nen­sys­te­men mit umfas­sen­den, anwen­dungs­spe­zi­fi­schen 0D-Biblio­the­ken, 3D-Phy­sik-Lösern und Redu­ced-Order-Modell-Fähig­kei­ten (ROM) sowie einer eige­bet­te­ten Con­trol-Code-Inte­gra­ti­on. Es erlaubt auch die Wie­der­ver­wen­dung bereits exis­tie­ren­der Kom­po­nen­ten, um noch schnel­ler ein hoch prä­zi­ses Sys­tem­mo­dell eines Objekts zu erstel­len. Detail­lier­te 3D-Phy­sik kann dar­über hin­aus jeder­zeit genutzt wer­den.

Die­se Funk­tio­na­li­tä­ten machen den Ent­wick­lungs­pro­zess für einen digi­ta­len Zwil­ling deut­lich ein­fa­cher. Grund­sätz­lich wird der Auf­wand für das Erstel­len eines digi­ta­len Zwil­lings durch die hohe Zeit- und Kos­ten­er­spar­nis aber mehr als wie­der gut gemacht. Zu den Vor­tei­len zäh­len die Hal­bie­rung der Zeit in der Bau­pha­se und bis zu 25 Pro­zent höhe­re Leis­tung des Objekts in der Veri­fi­zie­rungs­pha­se. Im Ein­satz kann ein digi­ta­ler Zwil­ling zudem die War­tungs­kos­ten inner­halb eines Pro­dukt­le­bens­zy­klus um bis zu 20 Pro­zent sen­ken. Aus unter­neh­me­ri­scher Sicht för­dert die für das Erstel­len benö­tig­te Kol­la­bo­ra­ti­on zwi­schen den Inge­nieu­ren und den für den Betrieb ver­ant­wort­li­chen Mit­ar­bei­tern wich­ti­ge Arbeits­be­zie­hun­gen Denn es wer­den auto­ma­tisch die Infor­ma­ti­ons­flüs­se der Objekt­leis­tung über Zeit zu den Inge­nieu­ren opti­miert, die gera­de dabei sind, die nächs­te Genera­ti­on des Sys­tems zu ent­wi­ckeln.

Digitaler Zwilling einer Pumpe

Digitale Zwillinge in der Energie- und Prozessindustrie Ansys

Bild: Ansys

Erst kürz­lich konn­ten wir demons­trie­ren, wie ein ler­nen­der Algo­rith­mus die Anzahl der Betriebs­ta­ge bis zum Aus­fall eines hydrau­li­schen Pum­pen­sys­tems und der Regel­ven­ti­le auf der Saug- und Druck­sei­te einer Krei­sel­pum­pe vor­her­sag­te. Damit woll­ten wir zei­gen, wie die Sen­sor­da­ten des Motors und der Pum­pe dazu genutzt wer­den kön­nen, das Sys­tem effi­zi­ent zu betrei­ben und Aus­fäl­le zum Bei­spiel durch Hohl­raum­bil­dung zu ver­mei­den.

Um die Leis­tungs­fä­hig­keit eines phy­sik­ba­sier­ten digi­ta­len Zwil­lings zu demons­trie­ren, haben wir dabei den Ansaug­druck um 50 Pro­zent redu­ziert. Dadurch haben die Sen­so­ren auf dem rea­len Pro­dukt sofort gemel­det, dass etwas nicht stimmt. Zum Bei­spiel hat­ten sich der Innen­druck, Außen­druck und die Durch­fluss­ra­te dra­ma­tisch redu­ziert, wäh­rend die Betriebs­laut­stär­ke der Pum­pe sich erhöh­te. Was die Sen­so­ren aber nicht zei­gen konn­ten, waren dia­gnos­ti­sche Infor­ma­tio­nen. Es gab kei­ne Mög­lich­keit in die Pum­pe hin­ein­zu­se­hen, um fest­zu­stel­len, war­um sie so laut vibrier­te. Die Sen­sor­da­ten gaben auch kei­nen Auf­schluss dar­über, was pas­siert wäre, wenn unter­schied­li­che Maß­nah­men ergrif­fen wor­den wären, um das Pro­blem zu lösen. Daher wur­de der von Inge­nieu­ren bereit­ge­stell­te phy­sik­ba­sier­te digi­ta­le Zwil­ling genutzt, um die­se Her­aus­for­de­run­gen zu lösen. Dafür wur­den die Sen­sor­da­ten der Demons­tra­ti­ons­ein­heit über das Inter­net über­mit­telt und als Rah­men­be­din­gun­gen für das Sys­tem und die ein­zel­nen Kom­po­nen­ten des simu­lier­ten Models genutzt.

Das simu­lier­te Model begann dar­auf­hin sofort, die­sel­ben Sym­pto­me, redu­zier­ter Druck und Fluss, wie das rea­le Model zu zei­gen. Wäh­rend Inge­nieu­re das phy­si­sche Pro­dukt nur von außen betrach­ten konn­ten, erlaub­te ihnen der digi­ta­le Zwil­ling den Blick in das Inne­re des vir­tu­el­len Sys­tems, um das Pro­blem zu ver­ste­hen. Der Zwil­ling zeig­te, dass die Flüs­sig­keit im Inne­ren der Pum­pe Hohl­räu­me bil­de­te. Dadurch war klar, dass sowohl die Betriebs­laut­stär­ke als auch die Vibra­ti­on auf die­se Kavi­ta­ti­on zurück­zu­füh­ren waren. Im nächs­ten Schritt nutz­ten die Inge­nieu­re den digi­ta­len Zwil­ling, um her­aus­zu­fin­den was pas­siert, wenn sie die Betriebs­be­din­gun­gen ver­än­der­ten. Nach­dem sie den Effekt unter­schied­li­cher Ven­til­ein­stel­lun­gen getes­tet hat­ten, kamen sie zu dem Schluss, dass nur das Öff­nen des Ansaug­ven­tils auf 100 Pro­zent den nor­ma­len Druck und die rich­ti­ge Durch­fluss­ra­te wie­der­her­stel­len wür­de.

Digitaler Zwilling bei einem Wärmetauscher für Öl und Gas

Digitale Zwillinge in der Energie- und Prozessindustrie Ansys

Bild: Ansys

Wär­me­tau­scher wer­den in Öl‑, Gas‑, und Pro­zess­in­dus­trie­fa­bri­ken häu­fig ein­ge­setzt. Des­halb haben wir einen digi­ta­len Zwil­ling eines Wär­me­tau­schers genutzt, um unter­schied­li­che Aus­fall­va­ri­an­ten zu simu­lie­ren. Dies gelang, indem wir die Mul­ti­phy­sik­si­mu­la­ti­on des Wär­me­tau­schers unter­schied­li­chen Fließ- und Betriebs­be­din­gun­gen aus­setz­ten. Das Ziel war es, die­se aner­kann­te und eta­blier­te Simu­la­ti­ons­tech­no­lo­gie zu nut­zen, um mit Hil­fe eines Redu­ced-Order-Modells (ROM) die Feh­ler­quel­len, ‑ursa­chen und ‑orte fest­zu­stel­len sowie Sze­na­ri­en zur Feh­ler­re­du­zie­rung zu tes­ten.

Durch nume­ri­sche Strö­mungs­me­cha­nik (CFD) wur­den Abla­ge­run­gen und Kor­ro­si­on auf der Ober­flä­che der Roh­re, Dros­sel­schei­ben und dem Gehäu­se des Wär­me­tau­schers model­liert. Die Effek­te auf den Betrieb, wie zum Bei­spiel den Strö­mungs­druck, wur­den auch von den Hit­ze­trans­fer­cha­rak­te­ris­ti­ka und Feh­ler­mo­del­len ange­zeigt. Die Ergeb­nis­se der CFD (ther­ma­le und hydro­dy­na­mi­sche Belas­tun­gen) wur­den dann an den FEA-Löser trans­fe­riert, um Ermü­dung und Kni­cke der Metall­ober­flä­che zu ana­ly­sie­ren. Die­se Feh­ler­mo­del­le wur­den dann mit der digi­ta­len Fabrik auf Sys­tem­ebe­ne mit­hil­fe der spe­zi­ell für die­se Anwen­dung zur Leis­tungs­op­ti­mie­rung ent­wi­ckel­ten ROM ver­bun­den.

Fazit

Digi­ta­le Zwil­lin­ge erlau­ben den erwei­ter­ten Blick auf den Pro­dukt­le­bens­zy­klus, vom Design, über die Fer­ti­gung, bis hin zum Betrieb. Die Inte­gra­ti­on in alle Pha­sen wirkt sich sowohl auf Inves­ti­ti­ons­aus­ga­ben als auch auf Betriebs­kos­ten posi­tiv aus. Digi­ta­le Zwil­lin­ge ermög­li­chen es, Belan­ge für den Betrieb in den Pro­dukt­ent­wick­lungs­zy­klus ein­zu­be­zie­hen und eine Feed­back-Schlei­fe zu inte­grie­ren, um zukünf­ti­ge Pro­dukt-Designs anzu­pas­sen. Gleich­zei­tig wird durch ihren Ein­satz die Leis­tung von sich aktu­ell in Betrieb befind­li­chen Pro­duk­ten erhöht.

Inge­nieu­re kön­nen, die von einem digi­ta­len Zwil­ling gesam­mel­ten Daten nut­zen, um War­tungs­zy­klen und Repa­ra­tu­ren wäh­rend der Betriebs­zeit zu opti­mie­ren und so Zeit spa­ren und Kos­ten redu­zie­ren. Die Daten geben auch wert­vol­le Ein­bli­cke für die Ent­wick­lung zukünf­ti­ger Pro­duk­te, so dass in der sich schnell ent­wi­ckeln­den Welt der Tech­no­lo­gi­en ein Wett­be­werbs­vor­teil ent­steht.

Die Indus­trie setzt heu­te schon häu­fig sen­sor­ba­sier­te digi­ta­le Zwil­lin­ge ein. Die­se bie­ten Nut­zern einen Ein­blick in die aktu­el­len Betriebs­be­din­gun­gen, die Betriebs­dau­er und inter­ne wie exter­ne Belas­tun­gen. Ein phy­sik­ba­sier­ter digi­ta­ler Zwil­ling bie­tet zusätz­li­che Ein­bli­cke, die Unter­neh­men benö­ti­gen, um die Leis­tung einer Anla­ge zu bewer­ten. Sie nut­zen die Daten und ver­ar­bei­ten die­se in einer Sys­tem­si­mu­la­ti­on sowie einer ein­ge­bet­te­ten Kon­troll-Soft­ware, die die Reak­ti­on der Anla­ge in der rea­len Welt vir­tu­ell imi­tiert.

Autor: Ahmad H. Hai­da­ri, Ph.D. ist Glo­bal Indus­try Direc­tor für die Prozess‑, Ener­gie- und Strom­in­dus­trie bei Ansys.