IoT Wie digitale Doppelgänger den Maschinen- und Anlagenbau revolutionieren

In fünf Jahren könnte ein Großteil der Welt von Geräten und Anlagen gelenkt werden, die über ihr privates Internet der Dinge vernetzt sind. Ihre Zahl könnte in die Milliarden gehen, und sie alle hätten einen virtuellen Doppelgänger. Ein Horrorszenario aus einem Science Fiction? Keinesfalls, wie die folgenden Erläuterungen zeigen.

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Bis vor kurzem ließ sich die Performance von Produktionsanlagen nur überwachen, indem die von ihnen erzeugten Produkte physisch überprüft wurden. Dies hatte viele Nachteile. Es war nicht nur mühsam und zeitaufwendig – problematisch und teuer wurde es insbesondere dadurch, dass die Konstrukteure kaum eine Chance zur Nachbesserung ihrer Prototypen hatten, bevor sie das fertige Produkt in Händen hielten. Was auf dem Weg vom Ausgangsmaterial zum Endprodukt passierte, blieb im Wesentlichen verborgen.

Heute ist dies anders: Mikrosensoren und Spezialsoftware gestatten ein feinmaschiges Management von Fertigungsstraßen, mit ebenso signifikanten wie viel gepriesenen Effizienzgewinnen. Möglich wurde dies durch ein Konzept, bei dem jeder noch so kleine Aspekt eines Objekts erfasst und anhand dieser Daten in der Cloud in digitaler Form nachgebildet wird. Die Softwarerepräsentation des Objekts wird als Digital Twin, digitaler Doppelgänger, bezeichnet.

Das Digital-Twin-Konzept ist keinesfalls neu; erste Vorläufer wurden von der Universität von Michigan schon 2001 vorgestellt. Zum Durchbruch verhalfen ihm jedoch erst jüngste Fortschritte bei der industriellen Vernetzung und der maschinellen Intelligenz. Mittlerweile haben Digital Twins das Internet der Dinge erobert und entwickeln sich schnell zur bevorzugten Technologie für die Digitalisierung der physischen Welt. Vereinfacht ausgedrückt werden dabei Daten zu Struktur, Kontext und Verhalten eines physischen Objekts mit einer Schnittstelle kombiniert, die Einblicke in Vergangenheit und Gegenwart sowie Vorhersagen zur Zukunft erlaubt.

Messbarer Nutzen von der Planung bis zur Produktion

Die digitale Kopie eines Produkts kann während des gesamten Entstehungsprozesses nach Belieben getestet, modifiziert und optimiert werden. Wenn das Produkt dann tatsächlich in die industrielle Fertigung geht, zeichnet es sich durch maximale Effizienz aus. Damit nicht genug: Indem der digitale Doppelgänger über die gesamte Produktlebensdauer wichtige Rückmeldung gibt, senkt er nicht die Prototyping- und Konstruktionskosten, sondern ermöglicht auch eine effektive Fehlervorhersage, geringere Wartungskosten und weniger Ausfallzeiten.

Das Digital-Twin-Konzept erlaubt Effizienzgewinne innerhalb der gesamten Produktionskette. Als Beispiel soll hier ein Windpark dienen, bei dem sämtliche Anlagen durch einen Digital Twin gedoppelt sind. Anhand der digitalen Abbilder kann jedes Windrad vor der Beschaffung und Montage präzise konfiguriert werden. Im laufenden Betrieb können die virtuellen Windräder dann anhand der Daten ihrer realen Gegenstücke die Stromerzeugung der Gesamtanlage optimieren, indem sie kleine Änderungen an Parametern wie Generatormoment oder Flügeldrehzahl vornehmen.

Die Vorteile von Digital Twins erschöpfen sich jedoch keinesfalls in der Optimierung von Produktionsprozessen – letztendlich können sie jeden Ablauf im Unternehmen effizienter gestalten. Komplexe Prozesse und Systeme erzeugen in der Regel große Datenmengen. Wenn mehrere dieser Prozesse oder Systeme z. B. über das Internet miteinander verknüpft werden, steigt die Anzahl der Daten exponentiell an. Mithilfe von Analytics-Software können diese Daten für prädiktive Aussagen genutzt werden, während eine Regelengine die Aussagen in konkrete Handlungen umsetzt.

Auch Entwickler und Softwareingenieure profitieren von digitalen Abbildern. Durch die Bündelung von Digital Twins mit Data Intelligence erhalten sie einen 360-Grad-Blick auf die bisherige und die mögliche künftige Performance ihrer Assets. Der kontinuierliche Fluss von Frühwarnung-, Vorhersage- und Verhaltensdaten ermöglicht die fortlaufende Verfeinerung der Algorithmen, die hinter den Prozessen und Produkten stehen, und damit nicht zuletzt eine bessere Ausführungsplanung und längere Asset-Lebensdauer.

Reibungslose M2M-Kommunikation

Die große Zahl an Anbietern und neuartigen Fertigungsverfahren machen es Maschinen- und Anlagenbauern allerdings nicht immer leicht, eine effektive Digital-Twin-Strategie einzuführen. Das oben entworfene Szenario ist ein Idealbild, bei dem das Digital-Twin-Konzept über die gesamte Supply Chain hinweg von allen Beteiligten umgesetzt wird und so allen Vorteile bringt. Es kann nur Wirklichkeit werden, wenn der Informationsaustausch zwischen den beteiligten Maschinen reibungslos funktioniert. Für Tibco ist dies ein Ansporn, bei der Integration von IoT-Geräten eine Führungsrolle zu übernehmen.

Als Säulen des Tibco-Ansatzes dienen Project Flogo und die Tibco Graph Database. Project Flogo ist eine ultraleichte Integrationslösung, die Rechenoperationen auch an sehr kleine Geräte auslagern kann und durch ihre quelloffene Konzeption besonders flexibel ist. Die Integrationsengine ist so schlank, dass der durchschnittliche Installationsumfang bis zu 20 Mal unter dem von üblicher Middleware wie Node.js und bis zu 50 Mal unter dem von Java liegt.

Trotz aller Kompaktheit nutzt Project Flogo die leistungsstarke Translytical-Datenbank Tibco Graph Database, so dass Entwickler bei der Schaffung von IoT-Umgebungen die größtmögliche Gestaltungsfreiheit haben. Die Tibco Graph Database überträgt ein Netz von dynamischen Daten in aussagekräftige, verständliche und traversierbare Beziehungen, aus denen sich Einblicke und Aktionen gewinnen lassen.

Mehr Konnektivität auf dem Weg zum digitalen Doppelgänger

Mit der Koppelung aus Project Flogo und Graph Database leistet Tibco einen wesentlichen Beitrag zum Digital-Twin-Konzept. Gemeinsam verbessern die beiden Tibco-Technologien die Konnektivität, machen das Internet der Dinge smarter und erweitern die Grenzen des Digital Business für Unternehmen. Ihr Erfolg zeigt einmal mehr, welch überragende Resultate die Verbindung aus einem leichtgewichtigen, leistungsfähigem Reportingtool und der massiven Rechen- und Speicherleistung der Cloud hervorbringen kann. (mz)

* Maurizio Canton ist CTO EMEA bei TIBCO Software

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