Digitale Zwillinge sind eine transformative Technologie, die die Wartung in der Industrie 4.0 verändert. Ein digitaler Zwilling ist ein virtuelles Abbild eines physischen Vermögenswerts, Prozesses oder Systems, das mithilfe von Echtzeitdaten und anderen Quellen erstellt wurde. Er stellt dessen Lebensdauer dar und erleichtert das Lernen, das logische Denken sowie die dynamische Neukalibrierung zur besseren Entscheidungsfindung. Obwohl diese Idee auf systemtechnischen Konzepten beruht, haben Big-Data-Analytik, künstliche Intelligenz (KI) und das Internet der Dinge (IoT) zu ihrem raschen Fortschritt beigetragen.
Was sind digitale Zwillinge?
Digitale Zwillinge verwenden historische Daten, Algorithmen des maschinellen Lernens, Simulationen und Echtzeitdaten von Sensoren an den Anlagen, um ein vollständig digitales Modell zu entwickeln. Anhand dieses Modells kann die Anlagenleistung überwacht, Probleme frühzeitig behoben und Wartungspläne optimiert werden, was letztlich die Produktivität steigert, die Kosten senkt und die allgemeine Betriebssicherheit erhöht. Zu den wichtigsten Komponenten eines digitalen Zwillings gehören:
- Physischer Vermögenswert: Die tatsächliche Maschine oder das System, das digital repliziert wird.
- Datenerfassung: IoT-Geräte und Sensoren erfassen Informationen über die Umgebung und die Funktionsweise der Anlag
- Digitales Modell: Eine virtuelle Darstellung des Objekts,die mit Simulationen, Daten und Algorithmen erstellt wird.
- Analyse-Tools: Algorithmen für maschinelles Lernen und KI verarbeiten Daten, um Erkenntnisse zu gewinnen.
- Visualisierung und Interaktion: Benutzeroberflächen, die es den Nutzern ermöglichen, mit dem digitalen Zwilling zu kommunizieren und Prognosen und Daten einzusehen.
Welche Rolle spielen digitale Zwillinge bei der Wartung?
Mit den Bemühungen der Industrie, die Effizienz zu steigern und die Betriebskosten zu senken, ist die Instandhaltung zu einem wichtigen Innovationsbereich geworden. Digitale Zwillinge ermöglichen eine proaktive, zustandsorientierte und vorausschauende Wartung und stellen damit einen revolutionären Ansatz dar. Denn im Gegensatz zu herkömmlichen Wartungsverfahren, wie die der geplanten und reaktiven Wartung, verhindert die vorausschauende Instandhaltung unvorhergesehene, kostspielige Ausfallzeiten. Einem Bericht von Markets and Markets zufolge wird der globale Markt für digitale Zwillinge von 10,1 Mrd. US-Dollar im Jahr 2023 bis 2028 auf 110,1 Mrd. US-Dollar steigen, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 61,3 % entspricht. Dieses rasante Wachstum unterstreicht den bedeutenden Einfluss, den digitale Zwillinge auf die industrielle Instandhaltung haben.
Vorausschauende Wartung
Dank der Einführung digitaler Zwillinge wird die vorausschauende Wartung auf eine neue Ebene gehoben. Digitale Zwillinge können mithilfe von Echtzeitdaten Prognosen aufstellen, wann ein Bauteil kaputtgehen wird. Dadurch kann die Wartung genau dann durchgeführt werden, wenn sie erforderlich ist und wird nicht, wie bei der geplanten Wartung, unabhängig vom Anlagenzustand oder im Fall der reaktiven Wartung, erst nach einem Ausfall und damit zu spät durchgeführt. Das minimiert nicht nur die Ausfallzeiten, sondern spart auch Kosten. Siemens setzt digitale Zwillinge in seinem Elektronikwerk Amberg ein, um Produktionslinien zu simulieren und zu überwachen und so die Produktivität zu steigern, Ausfallzeiten zu reduzieren und Kosten zu senken.
Zustandsabhängige Wartung
Digitale Zwillinge liefern Informationen über den Zustand einer Anlage in Echtzeit, was die zustandsorientierte Wartung erleichtert. Anstatt sich an voreingestellte Zeitpläne zu halten, werden Instandhaltungsmassnahmen als Reaktion auf den tatsächlichen Zustand der Anlage eingeleitet, was besonders in Bereichen wie dem Transportwesen und dem Schwermaschinenbau, wo die Betriebsbedingungen sehr variabel sind, oder im Gesundheitswesen von Vorteil ist. So verwendet Philips beispielsweise digitale Zwillinge, um den Zustand von medizinischen Bildgebungsgeräten wie CT- und MRT-Scannern zu überwachen. Diese zustandsorientierte Instandhaltungsstrategie stellt sicher, dass die Geräte entsprechend ihrer tatsächlichen Nutzung und ihrem Zustand gewartet und repariert werden, und trägt so dazu bei, Ausfallzeiten zu minimieren und eine hohe Verfügbarkeit lebenswichtiger medizinischer Geräte zu gewährleisten.
Verwaltung des Lebenszyklus von Anlagen
Wenn es um die Kontrolle des gesamten Lebenszyklus einer Anlage geht, von der Planung über die Produktion bis zum Betrieb und der Stilllegung, sind digitale Zwillinge unverzichtbar. Digitale Zwillinge können verwendet werden, um eine Anlage bereits in der Entwurfsphase zu optimieren, indem ihre Leistung unter verschiedenen Szenarien simuliert wird. Digitale Zwillinge helfen bei der Leistungsüberwachung, Problemdiagnose und Wartungsplanung während des Einsatzes. Wenn sich die Lebensdauer eines Objekts dem Ende zuneigt, können digitale Zwillinge bei der Entscheidung über Aufarbeitung, Wiederverwendung oder Entsorgung helfen.
Rolls-Royce verwendet digitale Zwillinge, um den Lebenszyklus seiner Triebwerke zu verwalten. Mehr dazu erfahren Sie im Video unten. Digitale Zwillinge erfassen und werten kontinuierlich Leistungsdaten aus, um Konstruktionsverfahren zu verbessern, Prognosen zur Motorleistung aufzustellen und die Wartungspläne zu optimieren. Das Ergebnis sind Anlagen mit einer längeren Lebensdauer und einer höheren Zuverlässigkeit.
Ausbildung und Simulation
Auch bei der Schulung von Wartungspersonal sind digitale Zwillinge von grossem Vorteil, da sie diesem die Möglichkeit bieten, Wartungsverfahren in virtuellen Fehlersimulationen zu üben. Dies verkürzt die Lernkurve, verbessert die Einsatzbereitschaft der Wartungsteams und vermeidet kostspielige Ausfallzeiten für Schulungen.
Automobilunternehmen, wie Ford, verwenden etwa digitale Zwillinge von komplizierten Technologien, wie Roboterarme, die in Fertigungsstrassen eingesetzt werden, damit Fachkräfte die Wartungsverfahren üben können. Diese praktische Ausbildungsmethode verbessert die Entwicklung von Fertigkeiten und gewährleistet, dass die Wartungsarbeiten ordnungsgemäss durchgeführt werden.
Bessere Zusammenarbeit
Digitale Zwillinge erleichtern die Zusammenarbeit im Team, da alle relevanten Personen auf denselben digitalen Zwilling zugreifen können, sodass sichergestellt wird, dass alle mit den neuesten Daten arbeiten. Dieses gemeinsame Wissen erleichtert eine bessere Koordinierung von Wartungsaufgaben, Fehlersuche und Lösungsimplementierung. Im Öl- und Gassektor setzt Shell beispielsweise digitale Zwillinge von Offshore-Plattformen ein, damit die Ingenieure an Land in Echtzeit mit den Plattformbetreibern kommunizieren können, was die Genauigkeit der Diagnose und die Effizienz der Wartungsarbeiten verbessert.
Daten-gestützte Einblicke für kontinuierliche Verbesserungen
Durch die Analyse der von digitalen Zwillingen gesammelten Daten können Unternehmen Einblicke in die Leistung von Anlagen unter verschiedenen Bedingungen gewinnen und Verbesserungsmöglichkeiten erkennen. Diese Erkenntnisse können zur Verbesserung der Leistung von Anlagen, zur Verbesserung von Wartungsplänen und zur Förderung der kontinuierlichen Entwicklung eingesetzt werden. Digitale Zwillinge von Windkraftanlagen werden beispielsweise in der Stromerzeugungsbranche eingesetzt, um Daten über Emissionen, Kraftstoffverbrauch und Leistung zu sammeln. Durch die Analyse dieser Daten kann der Betrieb der Turbinen optimiert werden, um einen höheren Wirkungsgrad, niedrigere Wartungskosten und eine geringere Umweltbelastung zu erreichen.
Herausforderungen und Überlegungen für digitale Zwillinge in der Instandhaltung
Neben den Vorteilen gibt es auch einige Herausforderungen, die mit dem Einsatz digitaler Zwillinge verbunden sind:
- Datensicherheit und Datenschutz: Die umfangreiche Datenerfassung, die mit der Erstellung und Pflege digitaler Zwillinge einhergeht, wirft Bedenken hinsichtlich der Datensicherheit und des Datenschutzes auf. Es muss unbedingt sichergestellt werden, dass die Datenschutzgesetze eingehalten werden und die Daten vor Cyberangriffen geschützt sind.
- Integration in bestehende Systeme: Die Integration des digitalen Zwillings in bestehende Infrastrukturen und Systeme kann eine Herausforderung darstellen und bedarf einer sorgfältigen Planung. Herausforderungen können durch veraltete Systeme, Kompatibilitätsprobleme und Datensilos entstehen. Die Überwindung dieser Hindernisse kann durch die Verwendung standardisierter Datenformate und-protokolle in Verbindung mit einem schrittweisen Integrationsansatz erleichtert werden.
- Qualifizierte Arbeitskräfte: Für die Umsetzung und Verwaltung digitaler Zwillinge werden Arbeitskräfte mit Erfahrung in Datenanalyse, künstlicher Intelligenz und IoT-Technologien benötigt. Ein erfolgreicher Einsatz hängt von der Finanzierung von Ausbildungs- und Entwicklungsinitiativen ab, um das derzeitige Personal weiterzubilden und neue Talente mit den erforderlichen Fähigkeiten zu gewinnen.
- Anfängliche Kosten: Die für den Einsatz digitaler Zwillinge erforderlichen Anfangsinvestitionen können beträchtlich sein und umfassen Ausgaben für Sensoren, IOT-Geräte, Datenspeicherung und Analyse-Tools.
- Datenqualität und -management: Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit digitaler Zwillinge hängt von der Qualität der erfassten Daten ab. Daher müssen Sensoren und IoT-Geräte präzise und zeitnah Daten liefern. Darüber hinaus hängt die Aufrechterhaltung der Integrität digitaler Zwillinge von effizienten Datenverwaltungstechniken ab, wie etwa Datenintegration, -bereinigung und -speicherung.
Die Zukunft der digitalen Zwillinge in der Instandhaltung
KI und maschinelles Lernen
Durch die Integration modernster KI und maschineller Lernalgorithmen werden digitale Zwillinge komplexere prädiktive und präskriptive Wartungsfunktionen ermöglichen. Durch den Einsatz dieser Technologien werden Ausfallprognosen präziser und der Wartungsaufwand durch praktische Ratschläge optimiert.
Edge Computing
Die Echtzeitfähigkeiten digitaler Zwillinge werden durch Edge Computing verbessert, bei dem Daten lokal an der Quelle und nicht auf zentralen Cloud-Servern verarbeitet werden. Dadurch können Entscheidungen und Wartungsmassnahmen vor allem in dezentralen und abgelegenen Umgebungen schneller getroffen und durchgeführt werden.
5G-Konnektivität
Die Hochgeschwindigkeits-Konnektivität mit geringer Latenz, die für die Echtzeit-Datenübertragung zwischen physischen Vermögenswerten und ihren digitalen Zwillingen erforderlich ist, wird durch die Einführung von 5G-Netzen ermöglicht. Dies wird die Effizienz digitaler Zwillinge bei der Überwachung und Wartung von Anlagen verbessern, insbesondere in Sektoren mit weitverbreiteter IoT-Einführung.
Nachhaltigkeit
Da digitale Zwillinge die Ressourcennutzung maximieren und die Umweltauswirkungen minimieren, sind sie für die Nachhaltigkeitsziele von Unternehmen wichtig. Denn durch einen effektiveren Betrieb und eine optimierte Wartung können Unternehmen ihren CO2-Fussabdruck verringern.
Fazit
Digitale Zwillinge revolutionieren die Wartung im industriellen Sektor. Sie bieten einen proaktiven, datengesteuerten Wartungsansatz, der die Effizienz erhöht, die Kosten senkt und die Zuverlässigkeit der Anlagen verbessert. Auch wenn es einige Herausforderungen gibt, ist die Technologie des digitalen Zwillings aufgrund ihrer Vorteile und der bevorstehenden Fortschritte ein wesentlicher Bestandteil der modernen Instandhaltungsmethoden. Die künftige Instandhaltung wird durch eine verbesserte Entscheidungsfindung, mehr Zusammenarbeit und ein ständiges Streben nach kontinuierlicher Verbesserung gekennzeichnet sein, da die Industrie weiterhin digitale Zwillinge einführt
