Umwandlung des industriellen IoT mit Digital-Twin-Integration

Das Industrial Internet of Things (IIoT) nutzt intelligente Sensoren und Aktoren, die Daten überwachen, sammeln, analysieren und teilen. IIoT zusammen mit Industrie 4.0 hat den Einsatz intelligenter Maschinen erhöht, die Sensoren verwenden, um Prozesse zu automatisieren und die Effizienz zu steigern, indem menschliche Eingriffe reduziert werden. Die riesige Menge an Daten, die diese Sensoren erzeugen, wird genutzt, um wichtige Einblicke in die industriellen Prozesse zu gewinnen. Mit diesen Daten werden verschiedene KI/ML-basierte Modelle trainiert, und die Ausgabe dieser Modelle erfolgt in Form von Upgrades und Änderungen, die am System vorgenommen werden könnten, um die Effizienz zu verbessern. Die Implementierung dieser Upgrades und Änderungen in das eigentliche System birgt das Risiko des Ausfalls oder der Beschädigung unternehmenskritischer Systeme und Prozesse. Ein Ausfall der unternehmenskritischen Systeme kann sowohl der Branche als auch der Öffentlichkeit großen Schaden zufügen. Außerdem können wesentliche Dienste wie Übertragungssysteme nicht direkt aufgerüstet oder geändert werden, ohne sicherzustellen, dass die Änderung nicht zum Zusammenbruch des Systems führt. Hier setzt Digital Twin an, um der Industrie dabei zu helfen, diese Änderungen sicherer und effizienter umzusetzen.

Ein Digitaler Zwilling kann als Stellvertreter für das physische System in einer digitalen Welt verstanden werden. Es ist eine digitale Nachbildung der Vermögenswerte einer bestimmten Branche. Die Verbindung, die das physische Attribut mit dem digitalen verbindet, wird als digitaler Faden bezeichnet. Die von verschiedenen Sensoren und Aktoren im industriellen Aufbau gesammelten Daten werden verwendet, um eine digitale Nachbildung zu erstellen, die dem Benutzer Zugriff auf die Struktur, den Kontext und das Verhalten des physischen Vermögenswerts gibt. Die vergangenen und gegenwärtigen Zustände des Systems können beobachtet werden und auf der Grundlage davon kann das zukünftige Verhalten vorhergesagt werden, wenn die Upgrades oder Änderungen daran vorgenommen werden. Das spart nicht nur Zeit und Geld, sondern verhindert auch Schäden an den eigentlichen Anlagen. Digitale Zwillinge ermöglichen kontinuierliche Prozessverbesserungen, Designverbesserungen, effiziente Abläufe, vorausschauende Wartung und bedingte Zustände der Maschinen.

Wie Digital Twin Industrien transformiert

Bei Industrie 4.0 dreht sich alles um Automatisierung und Digitalisierung durch die schnellere Erfassung, Verarbeitung und Verwaltung von Daten. Kantensensoren ersetzen die herkömmliche Sensortechnologie, um eine schnellere Verarbeitung und einen schnelleren Austausch von Daten zu ermöglichen. Technologien wie 5G nehmen langsam Fahrt auf, um die Datenübertragungsgeschwindigkeit und die Konnektivität zwischen verschiedenen Knoten zu verbessern. Die Integration solcher Technologien hat noch verschiedene Herausforderungen wie hohe Investitionskosten, Kompatibilität von Sensoren, Datensicherheit und Skalierbarkeit. Diese Herausforderungen machen es Unternehmern schwer, riesige Summen in die Digitalisierung zu investieren.

Ein Großteil der oben genannten Mängel wird durch die Digital-Twin-Technologie behoben. Ein bestehendes physisches Setup wird in eine digitale Form umgewandelt, die über den digitalen Faden mit der realen Maschine verbunden ist. Mit Hilfe von KI/ML-Modellen konnte die gesamte Funktionsweise der Maschine in digitaler Form abgebildet werden, indem Daten von den Sensoren, vergangene Statistiken und Open-Source-Daten aufgenommen wurden. Dieser Proxy-Computer wird verwendet, um vorherzusagen, wie der tatsächliche Computer reagieren würde, wenn Änderungen daran vorgenommen werden. Um neuere Technologien wie Kantensensoren und 5G-Kompatibilität zu integrieren, werden daher Experimente in der virtuellen Welt durchgeführt und nur die beste Lösung in der realen Welt implementiert. Der komplette Prozess spart Zeit und Kosten und erstellt auch eine digitale Kopie der Maschine, die für die Digitalisierung weiter verwendet werden kann.

Digitale Zwillinge werden in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, darunter Fertigung, Energie, Transport und Bauwesen. Verschiedene Hersteller und Dienstleister nutzen digitale Zwillinge, um einen Stellvertreter für Flugzeugtriebwerke, Lokomotiven, Offshore-Plattformen und Windkraftanlagen zu bauen. Unternehmen dieser Branchen investieren in digitale Zwillinge, um den Betrieb und die Wartung dieser Produkte zu optimieren.

Digitale Zwillinge bieten Branchen einen außergewöhnlichen Mehrwert in drei Schlüsselbereichen. Die erste besteht darin, Verbesserungen im Herstellungsprozess voranzutreiben. Vom Prototyping und Design bis zur physischen Fertigung des Produkts können Unternehmen die tatsächliche und erwartete Leistung kontinuierlich überwachen und Änderungen vornehmen, um ein nahezu perfektes Produkt herzustellen. Fertigungsabläufe können optimiert werden, indem Linienausfälle vorhergesagt und die notwendigen Schritte unternommen werden, um das erforderliche Ziel zu erreichen.

Der zweite Bereich ist die vorbeugende Wartung, bei der der digitale Zwilling verwendet werden kann, um die vergangenen Daten zu analysieren und Echtzeit-Eingaben aus dem tatsächlichen System aufzunehmen, um Ausfälle vorherzusagen und eine vorbeugende Wartung vorzuschlagen, um Ausfälle zu verhindern. Techniker können aus der Ferne analysieren und präventive Anpassungen vornehmen, und wenn physische Anpassungen erforderlich sind, können Techniker aus der Ferne analysieren und Teile im Voraus bestellen, um Zeit zu sparen.

Der dritte Bereich ist die Entwicklung neuer Produkte und der Eintritt in neue Märkte auf der Grundlage der Nutzung bestehender Produkte und Dienstleistungen durch Kunden. Digitale Zwillinge helfen dabei, Einblicke in die Nutzung von Produkten durch Kunden zu geben und welche Änderungen an der Entwicklung und Herstellung neuer Produkte vorgenommen werden könnten oder sollten, um die Marktdurchdringung zu verbessern, neue Märkte zu erobern und die Kundenzufriedenheit zu verbessern. Dies kann den Betrag, den Unternehmen für Marktforschung und Kundenfeedback ausgeben, erheblich reduzieren.

Voraussetzungen für digitale Zwillinge und IoT

Die digitale Zwillingsbildung eines Flugzeugtriebwerks oder einer komplexen Maschine aus einer Fertigungseinheit ist nicht das Ende, sondern nur der Anfang der Revolution, die die Technologie bringen wird. Fortschritte beim Edge-Computing und leistungsstarke Edge-Geräte werden in Branchen eingesetzt, die durch fortschrittliche Netzwerksysteme wie privates 5G verbunden sind, was die Verbindung digitaler Zwillinge ermöglichen kann. Das Ergebnis wäre eine vollständige Kette miteinander verbundener Geräte, die eine digitale Fabrik bilden.

Beispielsweise hat Singapur einen vollständigen digitalen Zwilling der Stadt erstellt, um Verkehr, Umweltverschmutzung, Klima und Stadtgrundrisse zu verfolgen, damit Stadtverwalter Zugänglichkeitsoptionen testen, die potenziellen Auswirkungen neuer Bauten sehen, Notfallmaßnahmen verwalten und den Zustand der Stadt überwachen können. In der Zwischenzeit erstellen Ärzte patientenspezifische digitale Lungenzwillinge, um Entscheidungen über den Einsatz von Beatmungsgeräten bei der Behandlung von COVID-19-Patienten zu treffen.

Obwohl es sich noch um eine aufstrebende Technologie handelt, besteht kein Zweifel daran, dass digitale Zwillinge die Zukunft sind. Sie verfügen über endlose Anwendungen in den Abteilungen Betrieb, Wartung, Finanzen, Vertrieb und Marketing, um auf eine einheitliche Quelle realer Daten zuzugreifen, um die Wartung vorherzusagen, das Design zu verbessern, die Nutzung zu verstehen und die Preise anzupassen.