Digitaler-Zwilling-Lösungen in der Prozessfertigung

Was ist ein digitaler Zwilling in der Prozessfertigung?

In einem früheren Blogbeitrag haben wir erklärt, dass die aktuelle Sprache der Branche oder Schlagwörter zu Verwirrung führen können. Ein Beispiel für ein gängiges Prozess-Schlagwort, das Verwirrung stiften kann, ist das Konzept der digitalen Transformation der Fertigung oder eines „digitalen Zwillings“. Kunden fragen danach und die Anbieter preisen ihn an. Aber was genau ist ein digitaler Zwilling? Lassen Sie uns einfach mit der Wikipedia-Definition beginnen:

„Ein digitaler Zwilling (engl. digital twin) ist eine digitale Repräsentanz eines materiellen oder immateriellen Objekts aus der realen Welt in der digitalen Welt. Digitale Zwillinge ermöglichen einen übergreifenden Datenaustausch.“

„Digitale Zwillinge bestehen aus Modellen des repräsentierten Objekts und können daneben Simulationen, Algorithmen und Services enthalten, die Eigenschaften oder Verhalten des repräsentierten Objekts beschreiben, beeinflussen, oder Dienste darüber anbieten.“

Ein digitaler Zwilling kann je nach Definition von einem grafischen HMI-Bildschirm mit Echtzeitdaten des tatsächlichen Asset-Wertes bis hin zu einem Erstprinzip-Simulationsmodell reichen, das eine „Was wäre wenn“-Szenarienanalyse in Echtzeit über das Asset ermöglicht.

Das erste Beispiel ist allgegenwärtig und kann schnell und kostengünstig erzielt werden. Das zweite ist jedoch hochspezialisiert und erfordert einen erheblichen Aufwand.

Da die Digitaler-Zwilling-Technologie eine Vielzahl von Möglichkeiten bietet, erfordert die Definition einer Digitaler-Zwilling-Lösung im Bereich der Fertigungsprozesse einen gezielten Ansatz. In der allgemeinen Fertigung könnten digitale Zwillinge einfach physische Systeme spiegeln. In einem Produktionsprozess können Digitale Zwillinge komplexe chemische und physikalische Prozesse modellieren.

Diese Modelle replizieren nicht nur ein physisches Asset, sondern simulieren auch die Interaktionen zwischen verschiedenen Prozessvariablen in Echtzeit. Diese Fähigkeit ermöglicht ein tieferes Verständnis und eine Optimierung von Prozessen, die in Branchen wie der Chemie-, Öl- und Gas- sowie der Pharmaindustrie von entscheidender Bedeutung sind.

Die gewählte spezifische Digitaler-Zwilling-Lösung sollte daher direkt den spezifischen Herausforderungen und Zielen des Betriebs entsprechen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Technologie so eingesetzt wird, dass die Effizienz maximiert wird. Verbessert die vorausschauende Wartung und optimiert die Gesamtleistung der Produktion

Anstatt einen Digitalen Zwilling als eine Universallösung zu betrachten, sollten Sie sich die folgende Frage stellen: „Was sind die Anforderungen für meinen digitalen Zwilling?“ Dies ist ein klassischer Fall, in dem man nicht die Technologie nicht das Problem definieren lässt, sondern das Problem die Technologie.

Schritte zur Einbindung digitaler Zwillinge in der Prozessindustrie

In vielen Szenarien sowohl innerhalb der Prozessfertigung als auch in der breiteren Prozessindustrie besteht das ultimative Ziel darin, Anlagenbediener und Fachleute mit umfassenden digitalen Informationen zu versorgen. Je mehr sie über eine Anlage wissen, desto mehr leisten sie bei der Fehlersuche und Betriebsoptimierung.

Schritt eins: Datenerfassung und Speicherung

Der erste Schritt bei der Optimierung von Abläufen durch digitale Zwillinge umfasst eine Datenbewertung. Es ist wichtig, die Datenerfassungs- und Speicherpraktiken Ihrer Einrichtung zu kennen. Es ist unerlässlich, dass Ihre Anlage mit einem robusten Daten-Historian ausgestattet ist. Einem, der in der Lage ist, Daten von allen kritischen Sensoren zu erfassen und sicher zu speichern. Diese grundlegende Aufgabe ist sowohl für Anlagen der Fertigungs- als auch der Prozessindustrie von entscheidender Bedeutung, da sie die Grundlage für die gesamte digitale Infrastruktur bildet.

Die Anzeige mehrerer Trends mit Echtzeitdaten ist nur mit Datenerfassung und -speicherung möglich. Diese Visualisierung hilft bei der Verfolgung der Leistung im Laufe der Zeit und dient als erster Schritt zur Erstellung genauer digitaler Zwillinge.

• Umfassende Datenerfassung: Der Daten-Historian sollte nicht nur jeden relevanten Datenpunkt erfassen, sondern dies mit hoher Genauigkeit und Präzision ausführen. Dazu gehören u. a. kontinuierliche Datenströme von Temperatursensoren, Druckmessgeräten, Durchflussmessgeräten und chemischen Analysatoren. Der Ausgang jedes Sensors muss in Echtzeit genau protokolliert werden. Dann können auf der Basis zuverlässiger und umfassender Datensätze nachfolgende Analysen durchgeführt werden.
• Skalierbarkeit und Zugänglichkeit: Die Datenspeicherlösung muss skalierbar sein, um die mit der Integration neuer Sensoren und Datenpunkte im Laufe der Zeit wachsenden Datenmengen aufnehmen zu können. Sie sollte auch einen einfachen Zugang zu historischen Daten für die Analyse ermöglichen. Bediener und Ingenieure können vergangene Leistungsdaten schnell abrufen und analysieren, um Muster, Trends und Anomalien zu erkennen.
• Integrationsfähigkeit: Effektive Daten-Historians sollten sich nahtlos in andere betriebliche Systeme wie ERP-Systeme, Wartungsmanagementsysteme und fortschrittliche Analyseplattformen integrieren lassen. Diese Integrationsfähigkeit ermöglicht das ganzheitliche Management von Betriebsdaten. Daten aus verschiedenen Quellen können korreliert und umfassend analysiert werden.

Indem Sie sicherstellen, dass Ihre Einrichtung Daten von allen kritischen Sensoren in einem effizienten und sicheren Daten-Historian sammelt und richtig speichert, legen Sie eine starke Grundlage für die Nutzung fortschrittlicher Digitaler- Zwilling-Technologien. Dies verbessert die Überwachung und Kontrolle in Echtzeit. Es erhöht auch die Kapazität der des Werks für vorausschauende Wartung und betriebliche Optimierung.

Schritt zwei: Kontextualisierung von Daten

Sehen wir uns Werke an, die erfolgreich umfassende Datenerfassungssysteme eingeführt haben. Die nachfolgende Herausforderung für den Aufbau von digitalen Zwillingen zur Fertigung liegt in der effektiven Kontextualisierung dieser Daten. Kontextualisierung ist mehr als nur Datenorganisation; es geht um die Umwandlung von Rohdaten in verwertbare Informationen. Dieser Prozess umfasst mehrere wichtige Schritte, die jeweils darauf abzielen, die Zugänglichkeit und Relevanz der Daten für operative Entscheidungen zu verbessern.

Prozessdiagramme veranschaulichen, wie Daten in einen Zusammenhang gebracht werden, um eine klare, visuelle Darstellung komplexer Vorgänge zu ermöglichen. Durch die Integration von Echtzeitdaten in visuelle Prozessbilder können Bediener den Vorgang besser verstehen und fundierte Entscheidungen treffen.

• Anlagenspezifische Organisation: Der erste Schritt bei der Kontextualisierung besteht darin, die Daten nach bestimmten Assets zu kategorisieren. Dies ist notwendig, um digitale Zwillinge zu erstellen. Die Daten müssen spezifisch für das Asset sein. Das bedeutet, dass alle Datenpunkte zu einer bestimmten Maschine, Produktionslinie oder Anlage zusammengefasst werden. Diese Organisation ermöglicht eine einfachere Überwachung und Analyse der Leistung, des Wartungsbedarfs und der betrieblichen Effizienz der einzelnen Assets.
• Datenfilterung und -aggregation: Sobald die Daten organisiert sind, müssen sie gefiltert und aggregiert werden, um Rauschen zu entfernen und wichtige Trends hervorzuheben. Die Verarbeitung von Daten könnte das Verwerfen von Ausreißern beinhalten, die die Analyse verzerren könnten. Aggregation könnte bedeuten, dass stündliche Daten zu Tagesdurchschnittswerten oder Schichten zusammengefasst werden. Diese Prozesse sind entscheidend, um die riesigen Mengen gesammelter Daten in Formen zu destillieren, die sowohl überschaubar als auch sinnvoll sind.
• Verbesserung der Zugänglichkeit: Der nächste Aspekt der Kontextualisierung besteht darin, sicherzustellen, dass die Daten in der virtuellen Umgebung leicht zugänglich sind. Daten nur zu erfassen, um sie dann isoliert in einem Datensilo zu halten, untergräbt den Nutzen der Echtzeit-Sichtbarkeit. Dazu gehört die Bereitstellung benutzerfreundlicher Schnittstellen, die es Bedienern, Ingenieuren und der Geschäftsleitung ermöglichen, Daten schnell abzurufen und zu interpretieren, je nach ihren spezifischen Aufgaben und Bedürfnissen. Effektive Visualisierungstools, wie Dashboards und interaktive Diagramme, können helfen, eine digitale Darstellung des Produktionsbereichs oder des Assets zu erstellen.
• Sinnvolle Integration: Über einzelne Datenpunkte hinaus umfasst die Kontextualisierung auch die übergreifende Integration von Daten über verschiedene Systeme hinweg, um eine ganzheitliche Sicht auf den Betrieb zu ermöglichen. Dies kann bedeuten, dass die Produktionsdaten mit den Qualitätskontrollmessungen verknüpft werden oder die Wartungsaufzeichnungen mit den Leistungskennzahlen der Geräte korreliert werden. Eine solche Integration ist in Prozessumgebungen von entscheidender Bedeutung, bei denen der Betrieb in hohem Maße von der genauen Kenntnis der Wechselwirkung zwischen verschiedenen Prozessparametern abhängt

Durch eine effektive Kontextualisierung der Daten können Werke sicherstellen, dass ihre Informationsfülle nicht nur gespeichert wird. Sie wird stattdessen aktiv genutzt, um die Entscheidungsfindung und die betriebliche Effizienz zu verbessern. In Prozessumgebungen, in denen die Wechselwirkungen von Variablen komplex sind und die Kosten von Fehlern hoch sein können, ist die Fähigkeit, Situationen schnell zu interpretieren und auf genaue, kontextualisierte Daten zu reagieren, von unschätzbarem Wert

Schritt drei: Integration zusätzlicher digitaler Daten

Neben den unmittelbaren Erkenntnissen, die durch Echtzeit-Sensordaten gewonnen werden, gibt es in der intelligenten Fertigung ein riesiges Reservoir an „digitalen Daten“. Wenn diese realen Daten genutzt werden, können sie die operativen Fähigkeiten erheblich erweitern. Sowohl das Herstellungs- als auch die Versorgungsunternehmen innerhalb der Prozessindustrie können davon profitieren. Dies umfasst sowohl offline- als auch historische Datenquellen, die Echtzeitinterpretationen von Daten bereichern.

Übersichtsgrafiken können integrierte Prozess- und Labordaten auf einem einzigen Bildschirm anzeigen. Dies bietet eine ganzheitliche Sicht auf die betriebliche Effizienz und ermöglicht eine Echtzeit-Überwachung für Energiemanagement und Umweltkonformität

• Integration von Offline-Daten: Systeme wie Laborinformation-Managementsysteme (LIMS) spielen eine zentrale Rolle bei der Verwaltung von Labor- und Qualitätsdaten, die für die Validierung der Produktqualität und die Einhaltung von Industriestandards entscheidend sind. Diese Systeme sammeln und speichern Datenmengen aus verschiedenen Tests und Prozessen. Eine detaillierte historische Aufzeichnung ist verfügbar, um Trends, Anomalien oder Verbesserungsbereiche zu identifizieren. Beispielsweise kann die Korrelation von LIMS-Daten mit Produktionsdaten helfen, die Ursachen von Qualitätsproblemen zu identifizieren. Dies kann die Abläufe rationalisieren und die Produktkonsistenz verbessern.
• Verknüpfung von digitalen Inhalten mit physischen Anlagen: Die Integration dieser digitalen Zwillinge und Daten mit physischen Anlagen über erweiterte Plattformen ermöglicht eine kohärentere Betriebsstrategie. Wenn eine Maschine beispielsweise auf einen Wartungsbedarf hinweist, kann das System automatisch die entsprechenden SOPs vorschlagen. Oder tief auf historische Wartungsaufzeichnungen zurückgreifen und schnellere und fundiertere Entscheidungen erleichtern. Zusätzlich können Schulungsmaterialien auf spezifische betriebliche Herausforderungen zugeschnitten werden, die durch Datenanalyse identifiziert wurden und das kontinuierliche Lernen und die Verbesserung unterstützen.

Durch die Nutzung des Spektrums der verfügbaren digitalen Daten können Fertigungsunternehmen in der Prozessbranche ihren Betrieb transformieren. Kosten reduzieren und Zeit sparen. Dieser Ansatz steigert die tägliche Effizienz und Effektivität. Er kann auch eine Kultur der kontinuierlichen Verbesserung und Innovation fördern, was zu anhaltender operativer Vortrefflichkeit führt.

Durch diese Schritte verbessern Werke das Asset-Management durch digitale Zwillinge zur Fertigung. Sie führen weiterhin zu erheblichen Verbesserungen der betrieblichen Effizienz und Effektivität.

Beispiele für den Digitalen Zwillingsprozess in der Industrie

Ein Kunde aus der Papierindustrie, mit dem wir zusammengearbeitet haben, hat zentralisierte Fachexperten für den Betrieb seiner Anlagen übernommen.

Es gibt mehrere komplizierte und unterschiedliche Prozesse, die erforderlich sind, um aus einem Holzspan ein fertiges Produkt zu machen. Es ist nicht möglich, einen Experten für jeden dieser Vorgänge an jedem Standort zu haben. Der Verdampfungsprozess ist ein gutes Beispiel. Er ist energieintensiv und an vielen Standorten ein Produktionsengpass.

Um den Erfolg zu sichern, hat der Kunde ein Modell der notwendigen Informationen für jeden Verdampfer erstellt. In diesem Fall umfassten die Informationen die üblichen Verdächtigen von Historian- und Laborqualitätsdaten, die in einer Asset-Struktur organisiert wurden. Sie enthielten auch einen gemeinsamen Inhalt für jeden Standort, der zentral vom SME und am Standort verwendet wird:

1. Leistungsstarke Prozessgrafik
2. Detaillierte Trendübersicht
3. Betriebsbereiche
4. Automatisierte Benachrichtigungen

Von besonderem Wert war die leistungsstarke Prozessgrafik. Es ist eine exakte Darstellung jedes Standortes, gebaut mit Prozessflussdiagrammen, Bediener-Anzeigen und R+I-Diagrammen. Diese detaillierte Darstellung erlaubte, dass das entfernte SME mit den effektiven Operationen und Wartungsteams vor Ort kommuniziert.

In vielen Fällen enthielt diese Grafik Informationen, die normalerweise in 10-12 DCS-Bildschirmen dargestellt und optimal mit einem 4K-Monitor betrachtet wurde. Die Kombination aus den richtigen Datenanalyse-Tools und dem Zugang zu diesem „digitalen Zwilling“ ermöglichte eine erfolgreiche Fernüberwachung. Das Unternehmen war in der Lage, bestehende Infrastruktur ohne teuren Komplettaustausch zu nutzen, was von kritischer Bedeutung war, angesichts der Vielfalt von Systemen (mehrfache Hersteller für Historian und Labor/Qualität).

Umfassende Übersichtsanzeigen ersetzen mehrere DCS-Bildschirme auf einem 4K-Monitor. Dies ist ein wesentlicher Vorteil der digitalen Zwillinge, der eine verbesserte operative Sichtbarkeit ermöglicht. Die Bediener können verschiedene gleichzeitige und besser fundiertere Entscheidungen auf der Grundlage von Echtzeitdaten überwachen.

In einem konkreten Beispiel hatten sie Kondensatverunreinigung im Back-end. Aufgrund einer umfassenden, alles kombinierenden Trend-Anzeige hat der Bediener eine Änderung in Frontend bemerkt, während die Kontamination im Back-end vorlag.

Der Bediener fand Anhaltspunkte für das Problem, verstand diese jedoch nicht warum. Diese Diskussion entstand in einer Bediener-Schulungssitzung. Mit der umfassenden grafischen Komplett-Anzeige war es einfach zu demonstrieren, warum die Änderung, die der Bediener im Frontend des Sets sah, in Wirklichkeit ein Problem im Back-end des Sets war.

Nachdem der Bediener die Interaktion verstanden hatte, wusste er sofort, wie das Problem behoben werden musste, was erforderte das Asset zu schließen. Es war eine großartige Trainingsübung für alle in der Klasse und es benötigte eine Kombination aus Menschen und einem „digitalen Zwilling“, um das Problem schnell zu lösen.

Digitaler Zwilling zur Weitergabe von altem Wissen und Prozessen

Ein weiterer Bereich, zu dem wir immer häufiger gefragt werden, sind digitale Tools zur Erfassung des inhärenten Wissens der Belegschaft. Die Herausforderung könnte das sogenannte „Braindrain“ durch eine Welle ausscheidender Arbeitnehmer sein, der Wunsch Mitarbeiter effizient zu einem anderen Standort zu wechseln, oder andere wichtige Gründe.

Die Möglichkeit, das Wissen Ihrer erfahrensten Bediener oder Fachexperten effizient an alle im Werk weiterzugeben, bietet einen erheblichen Wert. Dies kann in Form einer schnelleren Schulung für neue Mitarbeiter bis zu weniger Anrufem zum SME erfolgen, wo man momentan den Urlaub genießt.

Zum Mindesten haben Sie eine besser gestimmte und optimalen Fall läuft Ihr Werk mit einer zufriedenen Belegschaft viel besser. So oder so, es ist ein Gewinn!

Als Beispiel hatten wir kürzlich einen Kunden, der eine Initiative mit der Bezeichnung „5 Warum“ startete. Er fand heraus, dass ein Problem in im Prozess konsequent gelöst werden konnte, aber dabei das Wissen über die Lösung verloren gehen würde.

Der zuständige Bediener wusste beim ersten Mal grundsätzlich, wie man das Problem löst, aber dieses Wissen war niemandem anderem bekannt. Wenn das Problem also wieder auftreten würde, könnte es nicht sofort gelöst werden.

Um dies zu lösen, verfügt er jetzt über eine Funktion, die es jedem im Werk ermöglicht, Tag-Beziehungen zu erstellen und externe Ressourcen (SOP’s, Schulungen, Intranet-Seiten usw.) zu verknüpfen und dann problemlos auf diese Beziehungen zuzugreifen. Das Ergebnis ist ein lebendiges Wissen über den Prozess.

Vorteile der Nutzung des digitalen Zwillings für die Prozessindustrie

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Lieferung eines digitalen Zwillings ein überzeugendes Konzept ist. Die Benutzer nutzen diese Kapazität seit zwanzig Jahren.

Das Lösen von Problemen ist nicht neu, aber niedrigere Kosten und kontinuierliche Innovationen machen es für Anlagen einfacher und einfacher, den digitalen Zwilling zu nutzen und effizienter mit höherer Rentabilität zu arbeiten.

Sind Sie neugierig, was ein digitaler Zwilling für Ihr Unternehmen tun kann? Kontaktieren Sie uns noch heute, und wir werden die Möglichkeiten untersuchen, die dataPARC ihrer Anlage mit einem digitalen Zwilling bieten kann.