Wie Unternehmen von einem digitalen Zwilling profitieren

Das digitale Abbild der Realität ist nicht erst seit dem Hollywood-Film Avatar ein prägender Begriff in der Industrie-4.0-Welt. Laut Gartner lassen sich hierüber Produktivitätspotenztiale von rund zehn Prozent heben. So ist nachvollziehbar, dass sich in den kommenden zehn Jahren ein Großteil der produzierenden Unternehmen mit Digital Twins beschäftigen wird. Ein guter Grund also, sich das Thema etwas näher anzusehen.

Motivation und Potenziale

Für die Analysten von Gartner ist das Thema Digital Twin eines der zehn Top-Technologietrends (Stand 2017). Den Analysten zufolge wird es bis zur vollständigen Reife der Technik noch zirka fünf Jahre dauern. Nichtsdestotrotz gibt es bereits jede Menge Projekte in diesem Umfeld. So treiben derzeit alle deutschen Automobilhersteller das Thema mit Nachdruck voran. Über das digitale Abbild lässt sich einfach und schnell nachprüfen, ob und wie ein Teil nachgerüstet werden kann und ob es kompatibel zum Rest des Fahrzeuges ist. Der Nutzen fängt in der Produktentwicklung an, geht über die Produktion und endet im Aftersales bei der Planung von Rückrufaktionen.

Praktische Beispiele

Digitale Zwillinge sind schon lange keine theoretischen Konstrukte mehr, auch wenn deren konkrete Ausprägung je nach Anwendungsfeld unterschiedlich ausfallen kann. Das gilt vor allem für die Funktionen und die Abdeckung des physikalischen Gebildes. Vorreiter auf diesem Gebiet ist sicher die Elektronikfertigung.

Das Siemens-Werk in Amberg ist nicht nur ein Paradebeispiel für eine Smart Factory, sondern auch für die Umsetzung eines Digital Twin im großen Maßstab. Mit schöner Regelmäßigkeit heimst die Fabrik Auszeichnungen ein. Die Elektronikfertigung ist aber auch für das Thema mehr als prädestiniert. Ein hoher Automatisierungsgrad ist hier schon seit Jahren auf Grund der Fertigungskomplexität ein absolutes Muss. Die Bestückung von Leiterplatten auf hohem Qualitätsniveau ist durch manuelle Tätigkeiten von Menschen schlicht nicht möglich.

Weitere Beispiele sind digitale Zwillinge von Häfen etwa in Rotterdam oder Hamburg. Hierbei wird allerdings nicht der gesamte Hafen in seinen kleinsten Details nachgebildet, sondern ausschließlich jene Aspekte, die für den Betrieb relevant sind. Man kann hier erstmal mit wenigen Datenpunkten auskommen. Tatsächlich ist das einer der wichtigsten Punkte bei der Modellierung eines digitalen Zwillings: die Granularität. Akademische Vollständigkeit ist hier nicht gefragt, wohl aber Pragmatismus. Es ist nicht sinnvoll, für den geforderten Zweck irrelevante Attribute zu beschreiben oder zu modellieren.

Bei Porsche werden alle Fertigungsschritte in Echtzeit mit einem digitalen Abbild verglichen. So können Qualitätsschwankungen erkannt werden, bevor sie beim Kunden negativ auffallen. Auch viele Zulieferer haben sich auf den Weg gemacht, ein digitales Abbild ihrer Produkte zu erstellen. Neue Geschäftsmodelle beflügeln hierbei diese Ansätze. Weitere Ansätze sind etwa die virtuelle Inbetriebnahme von Maschinen und ganzen Produktionslinien. Ein oft vernachlässigter Punkt ist der mögliche Einsatz eines digitalen Abbilds im Vertrieb. Verkaufsgespräche ließen sich deutlich realistischer und auch emotionaler führen, etwa für das Produkt Auto, wenn ein digitales Abbild vorläge. Auch könnten mittels Virtual Reality die Ausmaße des neuen Autos oder auch von Maschinen viel realistischer dargestellt werden.

Der Aufbau eines Digital Twin

Zuerst zur Begrifflichkeit. Beim digitalen Zwilling wird versucht die Realität virtuell abzubilden - in einer möglichst sinnvollen Granularität. Da hierbei leicht viele Daten und Informationen entstehen, ist eine Unterteilung sinnvoll. Im Weiteren erfolgt eine Darstellung gemäß der Siemens-Nomenklatur, da diese sich in der Praxis bewährt hat. Demnach gibt es folgende Spielarten eines Digital Twin:

• Digitaler Product Twin - hier befinden wir uns in der Produktentwicklung, also das Produkt mit 3D-Modell/CAD-Modell, Prüfmerkmalen, notwendigen Simulationen während der Produktentwicklung.

• Digital Production Twin - nun sind wir in der Fabrikplanung angelangt, also Maschinen und Anlagen, Werkzeuge, NC-Programme und Prüfprogramme zur Produktion unseres Produktes.

• Digital Performance Twin - auch als digitales Produktgedächtnis bekannt: Es geht um Produktionskennzahlen und Daten wie Durchlaufzeit, Einhalten von Lieferzeiten, Qualität etc.

Aggregiert werden die Daten über einen Data Lake und mithilfe von Advanced-Analytics-Plattformen. Die verschiedensten Lösungsanbietern sind hier natürlich bestrebt, ihre Cloud-basierten IIoT-Plattformen in Position zu bringen. Diese sind aber durchaus nicht zwingend erforderlich. Zu den einzelnen Produktanbietern kommen wir gleich. Zuerst aber noch etwas Grundsätzliches.

Es ist schon angeklungen, dass es sich beim digitalen Zwilling um die Sammlung aller relevanten Daten eines Produkts und der Produktionsumgebung handelt. Daher ist wohl klar, dass die Daten aus den jeweils führenden Systemen kommen müssen, also dem Product Lifecycle Management (PLM) für die Produktentwicklung, der digitalen Fabrik für die Produktionsplanung, dem ERP-System für die unternehmerischen Belange und dem Manufacturing Execution System (MES) für die Produktion.Hinzu kommen die Informationen aus dem Feld, also wenn das Produkt beim Kunden im Einsatz ist. So ergibt sich schon fast zwangsläufig die Architektur eines digitalen Zwillings.

Digital Twins bringen erhebliche Herausforderungen bei der Integration mit sich - einschließlich dem Master Data Management. So ist verständlich, dass eine einheitliche Beschreibungssprache erforderlich ist, um der Heterogenität Herr zu werden. Es gibt also viel zu tun, wenn man sich daran macht einen digitalen Zwilling aufzusetzen.

Wichtig ist das methodische Vorgehen. Hier haben sich Unternehmen wie Deloitte entsprechende Gedanken gemacht, außerdem kann man auf die Ansätze der weiter unten beschriebenen Produkthersteller zurückgreifen. Entscheidend ist, dass der digitale Zwilling Schritt für Schritt aufgebaut wird nach agilen Vorgehensmustern. Konkrete Use Cases führen zu mehr Akzeptanz in den jeweiligen Fachbereichen. Mit ihnen werden allen Verantwortlichen Nutzen und Vorteile schnell klar.

Digital Twin - Produkthersteller und ihre Lösungen

Die Hersteller gliedern sich im Wesentlichen in die Gruppe der PLM-Anbieter und jene der Cloud-Dienste. Alle relevanten PLM-Hersteller verfolgen ihre eigenen, differenzierten Strategien. Die Umfassendste hat sicherlich Siemens zu bieten. Daneben gibt es natürlich auch die SAP. In Summe handelt es sich um die folgenden Anbieter, wobei die Auswahl sicherlich etwas subjektiv erfolgte:

PLM-Hersteller

• Siemens

• PTC

• Dassault

Cloud- und Softwareanbieter

• IBM

• Microsoft

• SAP

Im Folgenden werden die einzelnen Anbieter kurz vorgestellt. Allen Ansätzen gemeinsam ist, dass die Daten letztendlich in der Cloud des jeweiligen Herstellers landen. Hierüber wird versucht, ein entsprechendes digitales Eco-System aufzubauen - natürlich das des jeweiligen Herstellers und mit allen Konsequenzen. Demzufolge bauen alle Unternehmen eine entsprechende IIoT-Plattform auf.

Siemens

Es dürfte kaum überraschen, dass Siemens das umfangreichste Lösungsportfolio aufweist. Dies betrifft nicht nur die funktionalen Bausteine, sondern auch die Branchen. Am Anfang des Artikels wurde bereits das Elektronikwerk Amberg genannt. Über MindSphere wird seitens Siemens nicht ausschließlich eine Cloud-Lösung für Kunden aufgebaut. Sie dient auch als Integrationsplattform für die Vielzahl an erforderlichen Lösungen, nicht nur rund um den digitalen Zwilling, sondern auch zum Aufbau einer digitalen Fabrik.

Der Reifegrad der Lösungen ist hierbei natürlich auch von der jeweiligen Branche abhängig und somit unterschiedlich. MindSphere wurde anlässlich der Hannover Messe im Jahr 2017 vorgestellt. Die Plattform befindet sich somit noch im Aufbau. Zeitlich hinkt das Unternehmen seinem größten Wettbewerber General Electric (GE) etwas hinterher.

Einzelne Lösungsbausteine wie PLM (Teamcenter), MES (SIMATIC IT) etc. bieten mehr oder minder Standardschnittstellen. In der Praxis gilt es aber, diese auf die jeweiligen Bedürfnisse (unter anderem in Richtung ERP-System, also meist SAP) anzupassen. Dieser Aufwand darf keineswegs unterschätzt werden. Dies gilt aber für alle Anbieter. Namhafte Unternehmen wie Volkswagen setzen unter anderem auf die Lösungen von Siemens. Leider weist die MES-Lösung Schwächen auf.

Eine Maschinenanbindung per OPC-UA ist aktuell nicht vorgesehen. Diese wird zukünftig wohl über der Cloud-Plattform erfolgen. Auch sind die Customizing-Aufwände beträchtlich. Die neuesten Maschinensteuerungen S7-1500 verfügen über einen eingebauten OPC-UA Server. Hierüber ist eine einfache Integration in die MindSphere Cloud möglich.

Dassault

Dassault Systems legt als einer der führenden Hersteller von PLM-Systemen naturgemäß einen Schwerpunkt im Bereich der Produktentwicklung, also des Product Twins. Auch bei dem französischen Unternehmen kommt Augmented Reality zur Visualisierung der neuen Produkte zum Einsatz. Somit startet die "digitale Reise" beim CAD- und 3D-Modell. Dassault bietet SaaS-Lösungen (Software as a Service) an, um Kunden einen schnellen und kostengünstigen Start anzubieten.

Analog zu Siemens steht auch für das französische Unternehmen die Integration in die Produktion ganz oben auf der Agenda. Mit Apriso hat sich Dassault ein MES zugekauft. Analog zu Siemens erfolgt hier der Aufbau eines Lösungsportfolios für den gesamten Produktionsbereich. In Summe ist das Lösungsangebot vergleichbar mit Siemens - bleibt aber etwas hinter dem Münchner Unternehmen zurück.

PTC

Im Gegensatz zu den beiden großen PLM-Anbietern Dassault und Siemens konzentriert sich PTC stark auf das Thema Produktentwicklung. PTC hat wie seine Konkurrenten eine IoT-Plattform aufgebaut. Big-Data-Lösungen gehören ebenso zum Portfolio wie die Unterstützung der Anwender über Augmented-Reality-Lösungen. Über Big-Data-Tools und die eigene IoT-Plattform lassen sich Erkenntnisse aus der Produktnutzung ziehen. Sensoren können hierbei über die Plattform angebunden werden.

Um die Lücke im Bereich der Produktion in Form eines MES zu schließen, erfolgt seit 2013 eine Kooperation mit GE. Von der Partnerschaft profitieren beide Seiten. GE hat im Bereich von PLM entsprechende Lücken aufzuweisen. Beide Systemwelten werden entsprechend integriert. Wie bei allen anderen Anbietern gilt es auch hier, sich von Standardschnittstellen zu verabschieden. Diese werden zwar natürlich von den jeweiligen Herstellern angeboten. In der Praxis halten sie aber nicht das Versprechen, was mit entsprechenden Anpassungen und damit Aufwänden verbunden ist. Das Schnittstellenthema ist leider durch den digitalen Zwilling nicht obsolet geworden. Generell ist eine Integration der einzelnen Systemwelten vorzuziehen.

IBM

IBM geht mit "Cognitive Digital Twin" ins Rennen. Im Wesentlich verbirgt sich dahinter ein entsprechendes Integrations-Framework. Die Ausführungen hinsichtlich des Aufbaus eines digitalen Zwillings haben gezeigt, dass die Quellen der Daten aus den führenden Systemen ERP, PLM und MES stammen. Somit bedarf es zur Realisierung einer entsprechenden Integrationsleistung. Hier setzt IBM an. Zum Portfolio gehören jede Mengte Connected Services und auch Sensoren.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist natürlich die Nutzung der Daten über entsprechende Advanced-Analytics-Ansätzen. Hier kann "Big Blue" seine volle Stärke ausspielen - in Verbindung mit Cloud-Ansätzen. Inwieweit die Referenzen seitens IBM nun echte Digital-Twin-Projekte sind oder doch nur Advanced-Analytics-Referenzen ist wohl zweitrangig. Big-Data-Technologie ist das Gehirn eines digitalen Zwillings. In Summe bietet das Unternehmen einen Teilaspekt des digitalen Zwillings ab.

Microsoft

Die Strategie von Microsoft ähnelt der von IBM. Bei beiden Unternehmen handelt es sich letztendlich um Softwarehersteller, was sich natürlich in den Lösungen niederschlägt. Auch das Unternehmen aus Redmond bietet umfangreiche Advanced-Analytics-Lösungen. Microsoft hat auf der Hannover Messe 2017 einen Showcase präsentiert. Der Fokus lag auch hier auf dem Bereich der Produktion. Speziell die Themen vertikale und horizontale Integration wurden adressiert.

Daneben geht Microsoft auch in Richtung des Production Twins - also dem digitalen Abbild des Gebäudes. Natürlich darf auch bei Microsoft das Thema Cloud nicht fehlen. Alle Lösungen sind über die Azure-Cloud erhältlich. Ein weiterer Punkt ist das Thema Advanced Analytics. Parallel zu den anderen IT-Unternehmen baut Microsoft kräftig an seinem digitalen Eco-System.

SAP

SAP bietet ein breites Spektrum an Lösungen rund um den digitalen Zwilling an. Eines der jüngeren Produkte ist BIM (Building Information System), ein digitaler Zwilling für das Gebäudemanagement. SAP versucht unter anderem branchen- respektive themenspezifische Lösungen zu entwickeln und diese mit branchenübergreifenden Lösungen zu kombinieren. Beim Digital Twin für die angesprochene Branche finden unter anderem deren PLM, Asset Management und Connected Manufacturing Eingang. Hierüber ist das Unternehmen in der Lage, schnell funktional schwergewichtige Lösungen zu etablieren.

Da es sich bei BIM noch um einen jungen Spross in der SAP-Familie handelt, bleibt abzuwarten, wie der Markt darauf reagiert. Das Beispiel zeigt aber die Heterogenität der Lösungen und auch der Problemstellungen. Gebäudemanagement, Häfen oder Automobilhersteller sind nur Anwendungsbeispiele eines digitalen Zwillings. So unterschiedlich die Fragestellungen sind, so divers und umfänglich sind die jeweiligen Lösungen.

Bleiben wir beim Beispiel BIM. Hier wird der gesamte Lebenszyklus eines Gebäudes, also von der Planung bis zur Instandhaltung (Facility Management), abgebildet. Über den Cloud-basierten Lösungsansatz sind alle Prozessbeteiligte in der Lage, effizient zu kommunizieren und Informationen auszutauschen. Darüber hinaus wird sichergestellt, dass die Daten aktuell und vollständig sind. Die Zukunftssicherheit spielt auf Grund der Langlebigkeit der "Produkte", also der Gebäude, eine wichtige Rolle. Dies wird durch die Verwendung von entsprechenden Standards sichergestellt.

General Electric

Werfen wir zum Schluss noch einen Blick auf GE, das schon vor einigen Jahren mit der Cloud-basierten Lösung Predix begonnen hat, sich dem Thema Digital Twin zu nähern. Der ehemalige CEO Jeffrey Immelt hat einmal gesagt: "Jedes Unternehmen wird früher oder später zu einem Softwareunternehmen." Vor diesem Hintergrund verwundert es nicht, dass GE früh die Weichen gestellt hat und sich in etwa auf Augenhöhe mit dem Erzrivalen Siemens sieht. Die IIoT-Plattform weist auf Grund der langen Historie einen entsprechenden Funktionsumfang auf.

Über die Kooperation mit PTC konnte die Lücke im Bereich PLM schnell und mit einem etablierten Hersteller geschlossen werden. Somit ist eine Gesamtlösung vom Engineering bis zur Produktion darstellbar. Das unternehmenseigene MES ist hierbei für die Steuerung und Überwachung der Produktion zuständig. Unabhängig von der jeweiligen Produktreife ist bei Einführung derartige Systeme mit einem nicht unerheblichen Anpassungsaufwand zu rechen. Zu unterschiedlich sind die jeweiligen anzubindenden Maschinen. OPC-UA verspricht hier zwar eine Lösung, diese wird aber von den wenigsten MES-Herstellern unterstützt.

Fazit und Zusammenfassung

Die Einführung eines Digital Twin ist ein komplexes, umfangreiches Unterfangen. Es gilt alle Kerngeschäftsprozesse von der Produktentwicklung über die Produktion bis hin zu Sales und Aftersales einzubinden, um ein vollständiges Abbild der Realität zu erhalten. Auf der anderen Seite ist vor allzu umfänglichen Lösungen zu warnen. Der Geschäftsnutzen sollte die treibende Kraft sein. Somit gilt es, den Zwilling Schritt für Schritt - also agil - aufzubauen. So lassen sich erste Mehrwerte konkret aufzeigen, und die Komplexität ist deutlich leichter zu beherrschen.

In den Projekten gilt es, eine vertikale und horizontale Integration in Kombination mit Big Data und Advanced Analytics umzusetzen. Derartige Vorhaben waren schon in den vergangenen Jahren extrem anspruchsvoll und durch den digitalen Zwilling werden sie nicht einfacher. Die Transformation der Organisation darf bei allem technischen Tiefgang nicht außen vor bleiben. Es gilt, die Menschen mitzunehmen, denn sie müssen am Ende die neuen Systeme - auch den digitalen Zwilling - nutzen. (mb)