Digitaler energetischer Zwilling Den Energieverbrauch von Maschinen realistisch simulieren

Von Markus Kiele-Dunsche*

Mit dem digitalen Zwilling steht den Entwicklern, Herstellern und Anwendern von Maschinen ein mächtiges Werkzeug zur Verfügung. Im Projekt TeDZ von it’s OWL wurde nun der „Digitale energetische Zwilling“ entwickelt.

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Die Anlage und ihr Zwilling: In einem it´s OWL-Projekt erarbeiten mehrere Industriepartner und Forschungsinstitute das Konzept des „digitalen energetischen Zwillings“.
Die Anlage und ihr Zwilling: In einem it´s OWL-Projekt erarbeiten mehrere Industriepartner und Forschungsinstitute das Konzept des „digitalen energetischen Zwillings“.
(Bild: Lenze SE)

Für große Maschinenbauunternehmen gehört es mittlerweise zum Alltag: Während der Entwicklung einer neuen Maschine werden alle relevanten Daten, über sämtliche Gewerke hinweg, in einem zentralen und möglichst reichhaltigen Modell aggregiert. So entsteht Schritt für Schritt ein „digitaler Zwilling“, dessen Daten und Modelle ein Abbild der geplanten und später realisierten Maschine darstellen. Das bietet viele Vorteile über den gesamten Lebenszyklus. So können zum Beispiel in allen Phasen der Entwicklung Simulationen durchgeführt und die entsprechenden Modelle wiederverwendet werden. Das verringert den Entwicklungsaufwand und verkürzt die Time to Market.

Ziel: Der digitale Zwilling für KMUs

Der Maschinenbau besteht aber nicht nur aus großen, sondern auch aus zahlreichen kleinen, oftmals hoch spezialisierten Unternehmen. Deshalb ist es im Sinne der internationalen Wettbewerbsfähigkeit sinnvoll, ihnen den Einstieg in die „Geburt“ und die möglichst umfassende Nutzung des digitalen Zwillings zu erleichtern – das heißt: die durchgängige Verwendung und kontinuierliche Anreicherung der Daten einer Maschine auch über Herstellergrenzen hinweg. Dieses Ziel verfolgt das Projekt „Technische Infrastruktur für Digitale Zwillinge“ (TeDZ) des Spitzenclusters it´s OWL.

Konkret: Im Rahmen des Projektes ist eine interoperable durchgängige Infrastruktur entstanden, die Zugriffe auf die digitalen Beschreibungen von Maschinen einschließlich deren Teillösungen und Komponenten sowie deren Interaktion über den gesamten Lebenszyklus ermöglicht. Diese Infrastruktur entsteht auf der Basis der standardisierten Industrie 4.0-Verwaltungsschale (Asset Administration Shell/ AAS).

Neben dem Zugriff auf digitale Zwillinge beliebiger Gegenstände wird innerhalb der Referenzinfrastruktur auch die Kommunikation zwischen digitalen Zwillingen realisiert. Beispielsweise kann im Anwendungsfall „auftragsgesteuerte Produktion“ der digitale Zwilling eines herzustellenden Produktes direkt mit digitalen Zwillingen von Produktionsressourcen (Maschinen) kommunizieren und – vereinfacht ausgedrückt – seine benötigten Fertigungsschritte selbst buchen.

Teilprojekt: Digitaler energetischer Zwilling

Eines von zwei Teilprojekten von TeDZ hat zum Ziel, eine möglichst umfassende und genaue digitale Abbildung einer Maschine im Hinblick auf den Energieverbrauch und damit auf die energetische Optimierung zu ermöglichen. In diesem Projekt arbeiten die Industriepartner KEB, Lenze und Weidmüller mit der TH OWL in Lemgo als Forschungspartner zusammen. Die Arbeiten sind abgeschlossen, so dass nun ein Bericht angebracht ist.

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(Bildquelle: VCG)

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Grundlage: Vorhandene Simulations- und Berechnungsmodelle

Um eine energetische Bewertung in den verschiedenen Phasen einer Maschine zur ermöglichen, konnten die Projektbeteiligten davon profitieren, dass zumindest bei geregelten Antrieben schon gute Berechnungsmodelle für die Antriebsauslegung und auch erste Simulationsmodelle (die u.a. für die virtuelle Inbetriebnahme genutzt werden) bereitstehen. Zum Beispiel wird bei der Antriebsauslegung der Energiebedarf der Anwendung sowie der Energieversorgung des Antriebs mit aufwändigen Berechnungen ermittelt.

Hier befindet sich die in der Praxis erreichbare Genauigkeit der Angaben (zwischen 2 und 5 Prozent) schon auf einem guten Level. Außerdem gibt es bereits Modelle, die das Verhalten von Antrieben für weitere Bewertungen bei der Lösungsfindung und Realisierung einer Maschine abbilden. So werden bei der klassischen „virtuellen Inbetriebnahme“ einer Maschinenlösung die Feldgeräte, z.B. der Antrieb, als Simulation abgebildet, um das SPS-Programm einer konkreten Maschine schon testen zu können, bevor die Maschine überhaupt aufgebaut ist.

Für die Nutzung dieser Modelle wird auf das Konzept des digitalen Zwillings der Plattform Industrie 4.0 gesetzt. Mit dem Ansatz des digitalen Zwillings für eine Maschinenlösung ist es vorstellbar, wie diese Modelle beim Maschinenbauer und -betreiber zusammen kommen, in die bestehenden Prozesse integriert werden können und zu einer verlässlichen energetische Bewertung befähigen.

Basis: Die digitale Maschinenbeschreibung

Grundlage für einen umfassenden digitalen Zwilling sind die Modelle der Komponenten, die von den jeweiligen Herstellern bereitgestellt werden müssen. Im hier beschriebenen Projekt wurden diese Modelle auf Basis des Standards der Verwaltungsschale mit dem „AASX-Explorer“ modelliert. Die Maschinenstruktur mit den Modellen der Komponenten wurde mit einem von Lenze entwickelten Modellierungswerkzeug für Maschinenlösungen – dem Easy System Designer – generiert. Dabei haben die Projektingenieure eine in Forschungsprojekten entstandenes Open Source-Projekt Eclipse BaSyX genutzt, das Software für die Nutzung der Industrie 4.0-Verwaltungsschale zur Verfügung stellte.

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Die Verwaltungsschale ermöglicht es, dass Engineering-Werkzeuge standardisiert und maschinenlesbar Informationen von der Maschine nutzen und auswerten können. Somit wird nur noch eine Schnittstelle zu den diversen Engineering-Ergebnissen und -artefakten der Komponentenzulieferer benötigt wird. Die Entwicklung einer solchen Schnittstelle war und ist eine der Aufgaben im it´s OWL-Projekt TeDZ.

Auf der Basis der Simulations- und Berechnungsmodelle kann der Konstrukteur mit dem digitalen Zwilling, in dem die Modelle aller Antriebskomponenten hinterlegt sind, eine Simulation der Maschine erzeugen, um typische Betriebszustände (z.B. das horizontale und vertikale Fördern von Packstücken oder Behältern auf einer Förderanlage) zu simulieren und für jedes Bewegungsprofil die aufgebrachte bzw. benötigte Energie ermitteln zu können. Da dies noch vor der Detailkonstruktion und dem Bau der Maschine erfolgt, kann eine energetische Bewertung in die Iterationsschleifen der Entwicklung integriert werden – mit dem Ergebnis, dass die Maschine energieeffizienter arbeiten wird.

Fünf Teilaufgaben bzw. Use Cases

Für den digitalen energetischen Zwilling einer Maschine gibt es interessante und effizienzsteigernde Use Cases über den gesamten Lebenszyklus hinweg.
Für den digitalen energetischen Zwilling einer Maschine gibt es interessante und effizienzsteigernde Use Cases über den gesamten Lebenszyklus hinweg.
(Bild: Lenze SE)

Damit ist schon eine Grundlage für die Konzeption des digitalen energetischen Zwillings einer Maschine oder Anlage gegeben. Und es ist typisch für den digitalen Zwilling, dass seine Daten möglichst umfassend und in verschiedenen Phasen des Lebenszyklus genutzt werden. Dementsprechend wurden im Projekt fünf Use Cases erarbeitet, die sowohl die Entwicklung, Komponentenauswahl und Konstruktion einer Maschine oder Anlage als auch deren Betrieb und Instandhaltung bzw. Modernisierung oder Erweiterung einbeziehen.

Die Nutzung des digitalen energetischen Zwillings beginnt bei der Auslegung der Antriebe in der Entwicklungsphase sowie bei der energetisch optimalen Auswahl der Antriebskomponenten. Dabei kann auch der in den (ebenfalls an der TH OWL in Lemgo angesiedelten) Projekten DC Industrie 1 und 2 identifizierte Bedarf an Engineering-Lösungen berücksichtigt werden, um die Auslegung der Gleichstromversorgung einer Fabrik zu erleichtern.

In einem weiteren Use Case lässt sich – ebenfalls auf der Basis der Simulation, d.h. noch während des Planungsprozesses – eine ErP-gerechte Einstufung der Maschine im Hinblick auf die Energieeffizienz vornehmen. Eine solche Erklärung, die Aufschluss über den „ökologischen Fußabdruck“ des Betriebs einer Maschine gibt, wird von den Anwendern in der Industrie immer häufiger gewünscht bzw. gefordert.

Virtuelle Inbetriebnahme, energetische Optimierung

3D-Visualisierung des Smart Warehouse, für das die Projektbeteiligten den „Digitalen energetischen Zwilling“ entwickelt haben.
3D-Visualisierung des Smart Warehouse, für das die Projektbeteiligten den „Digitalen energetischen Zwilling“ entwickelt haben.
(Bild: Lenze SE)

Hilfreich ist die Ermittlung des Energieverbrauchs im Vorfeld auch für die Planung der Installation: Der Anwender weiß, welche energetische Infrastruktur er benötigt und kann das Stromnetz entsprechend vorbereiten. Im nächsten Schritt, bei der (virtuellen) Inbetriebnahme der Maschine, wird die Maschinenlösung gegen verschiedene Szenarien, zum Beispiel Störungen, getestet und somit die reale Inbetriebnahme absichern und beschleunigen. Diese Szenarien können auch gegen Grenzen der Energieversorgung (um Beispiel kurzzeitige Spitzen durch Not-Aus-Betrieb) geprüft werden.

Während der Betriebsdauer der Maschine schließlich können – um nur eines von vielen Beispielen zu nennen – die realen Verbrauchsdaten mit dem „Soll“ des digitalen energetischen Zwillings abgeglichen werden. Abweichungen deuten dann auf Probleme hin, die zu einem Wartungsbedarf führen können. Bei der energetischen Optimierung und bei Anlagenerweiterungen (zwei weitere Use Cases) schafft der digitale energetische Zwilling ebenfalls Mehrwerte.

Sichtbares Ergebnis: Das Smart Warehouse

Die Ergebnisse des Projektes können live an einem Demonstrator in der Smart Factory OWL in Augenschein genommen werden.
Die Ergebnisse des Projektes können live an einem Demonstrator in der Smart Factory OWL in Augenschein genommen werden.
(Bild: Lenze SE)

Inzwischen ist das Projekt „Digitaler energetischer Zwilling“ abgeschlossen. Die Ergebnisse sind vielschichtig, so wird zum Beispiel die Bereitstellung von standardisierten Modellen zu Produkten in Entwicklungsprojekte eingeplant. Weitere Use Cases mit dem Digitalen Zwilling werden in anderen Forschungsprojekten weiterverfolgt.

In dem Projekt erprobte Teilaspekte der digitalen Abbildungen werden derzeit in die Standardisierung, z.B. bei der IDTA überführt. Als sehr reales (und nicht nur digitales) Ergebnis der Projektarbeit ist in der Smart Factory OWL in Lemgo das „Smart Warehouse“ entstanden: die erste Anlage, die mit dem „digitalen energetischen Zwilling“ entwickelt wurde und dauerhaft mit ihm verknüpft ist.

* Markus Kiele-Dunsche ist Global Expert Engineering und Innovationsmanager für Automatisierung bei Lenze SE.

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