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Digital Twins im
Anlagen-Lebenszyklus
Das DTZ wird im Rahmen
von WISS 2025 vom
Land Salzburg gefördert
WHITE PAPER
Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.)
Mit Beiträgen von
Michael Eberle, Dietmar Glachs, Simon Kranzer, Georg Schäfer, Christoph Schranz
©
Salzburg
Research;
Fotolia.com
–
macrovector,
PureSolution;
Shutterstock.com
–
M.Style
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis ............................................................................................................... 2
Vorwort ................................................................................................................................ 3
1 Von welchem digitalen Zwilling sprechen wir?.......................................................... 4
1.1 Motivation...............................................................................................................4
1.2 Kategorisierung von Digital Twins...........................................................................5
1.3 Die vielen „Gesichter“ des Digital Twins .................................................................7
2 Virtuelle Inbetriebnahme mittels Digital Twins..........................................................10
2.1 Ausprägungen des digitalen Zwillings...................................................................11
2.2 Simulationsarten in der virtuellen Inbetriebnahme ................................................12
2.3 Vorteile von Simulationen.....................................................................................14
3 Anwendungsszenarien für die virtuelle Inbetriebnahme ..........................................15
3.1 Gute Steuerungssoftware als Basis......................................................................15
3.2 Digitale Zwillinge im Engineering von Automatisierungslösungen.........................15
3.3 Mit virtueller Inbetriebnahme werden Projekte effizienter: Praxisbeispiel ..............16
4 Betrieb und Instandhaltung mittels Digital Twins .....................................................19
4.1 Der digitale Lebenszyklus industrieller Anlagen....................................................19
4.2 Die Rolle von Digital Twins im Asset Management...............................................20
4.3 Der Nutzen von Digital Twins in Betrieb und Instandhaltung.................................20
5 Anwendungsszenarien in Betrieb und Instandhaltung.............................................23
5.1 Remote Service Konzepte mit dem Digital Twin ...................................................23
5.2 Pumpen und ihre digitalen Zwillinge .....................................................................24
5.3 Robotik in der Cloud.............................................................................................25
6 Im Dickicht der Standards ..........................................................................................26
6.1 DIN SPEC 91345: RAMI4.0 und die Verwaltungsschale.......................................27
6.2 ISO 55000: Asset Management............................................................................28
6.3 DIN 77005: Lebenslaufakte für technische Anlagen .............................................29
6.4 VDI 2770: Digitale Herstellerinformation...............................................................29
6.5 VDMA 40001-1: OPC UA for Machinery...............................................................30
Anhang A: Referenzen.......................................................................................................32
Anhang B: Digitales Transferzentrum Salzburg (DTZ) ....................................................34
Anhang C: Die White Papers des DTZ im Überblick ........................................................36
Anhang D: Autoren ............................................................................................................38
Impressum..........................................................................................................................39
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Vorwort
Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 3 /39
© Digitales Transferzentrum Salzburg (2020)
Vorwort
Georg Güntner, Simon Hoher
Das Digitale Transferzentrum Salzburg (DTZ) wurde im Herbst 2017 gefördert mit Mitteln des
Landes Salzburg im Rahmen von WISS 2025 mit dem Ziel gegründet, die Forschungsleistun-
gen an der Fachhochschule Salzburg und bei Salzburg Research für die regionalen Wirt-
schaftsunternehmen zu bündeln und zugänglich zu machen.
Eines der vier Themenfelder des DTZ umfasste die Virtualisierung von Anlagen, Produkten
und Prozessen in der industriellen Fertigung: Unter der Bezeichnung „Digital Twin“ werden alle
Bestrebungen zusammengefasst, realen Objekten des industriellen Wertschöpfungsprozes-
ses ein digitales Abbild zur Seite zu stellen. Der Prozess dieser Virtualisierung wird dann auch
folgerichtig als „Digital Twinning“ bezeichnet.
Digitale Zwillinge haben in praktisch allen Phasen des Anlagen-Lebenszyklus vielfältige An-
wendungsmöglichkeiten. Im DTZ lag der Fokus der Aktivitäten auf der Entwicklungs-, der In-
betriebnahme-, der Betriebs- und der Instandhaltungs-Phase. Die dortigen Möglichkeiten wur-
den den Unternehmen über verschiedene Mittel zugänglich gemacht:
 Die DTZ-Symposien boten Fachvorträge aus den vier Themenfeldern des DTZ, in denen
jeweils eine Expert/-in des DTZ und/oder ein Unternehmensvertreter/-in über den theore-
tischen und den praktischen Rahmen der Anwendung von Digital Twins berichteten.
 Ein weiteres Mittel zur Veranschaulichung der Digital Twin Konzepte am DTZ bildeten die
an den Labors in Urstein und an der Science City Itzling entwickelten Demonstratoren,
z.B. die Steuerung eines digitalen Modells eines Lastenkrans, die Sammlung und Visuali-
sierung von Anlagen- und Umgebungsdaten zur Erkennung von Anomalien, ein selbstler-
nendes System in der Anlagenentwicklung sowie die virtuelle Abbildung von Robotersys-
temen in einem dreidimensionalen Modell und anhand von Kennwerten für Betrieb und
Instandhaltung.
 Der intensivste Austausch mit den Unternehmensvertreter/-innen bestand aber in den vom
DTZ angebotenen Digitalisierungsgesprächen: Hier ging es darum, orientiert an den An-
forderungen der Unternehmen Lösungsansätze und –konzepte durch den Einsatz von di-
gitalen Zwillingen vorzustellen und zu entwickeln. Dabei ging es um die Erhebung und
Mitgestaltung des Potenzials von Digital Twins für die Betriebe der Region.
In dem vorliegenden Bericht haben wir wichtige konzeptionelle Grundlagen von Digital Twins
im Anlagen-Lebenszyklus und Beispiele für deren Anwendung und Nutzung in der industriellen
Praxis zusammengestellt. Uns ist bewusst, dass wir das Thema Digital Twins weder in seiner
Breite noch in seiner technischen Komplexität in diesem White Paper auch nur annähernd
vollständig behandeln können: Wir haben daher eine von unserem jeweiligen fachlichen Hin-
tergrund geprägte Auswahl für das Konzept der Digital Twins getroffen: Der Fokus der Beiträge
liegt einerseits auf Anwendungen in der Entwicklungs- und Inbetriebnahme-Phase (Ab-
schnitte 2 und 3), und andererseits auf der Nutzung in der Betriebs- und Instandhaltungs-
Phase (Abschnitte 4 und 5) von Anlagen. Ein Beitrag über die grundlegende Kategorisierung
von Digital Twins (Abschnitt 1), die Darstellung relevanter Standards (Abschnitt 6) und ein
Literaturverzeichnis (Anhang A) für weiterführende Informationen zum Thema Digital Twins
runden den Bericht ab.
Salzburg, im September 2020
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Von welchem digitalen Zwilling sprechen wir?
Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 4 /39
© Digitales Transferzentrum Salzburg (2020)
1 Von welchem digitalen Zwilling sprechen wir?
Potenziale, Kategorisierung und Anwendungsfelder von Digital Twins
im Anlagen-Lebenszyklus
Georg Güntner
Im Themenfeld „Digital Twin“ des Digitalen Transferzentrums Salzburg (DTZ) erfolgt eine sys-
tematische Untersuchung der Potenziale von digitalen Zwillingen. Die Ausgangsbasis bildet
dabei die These, dass durch Industrie 4.0 reale und virtuelle Welt zunehmend vernetzt werden.
Der Digital Twin eines Produkts, einer Produktionsanlage oder eines Prozesses spielt eine
immer größere Rolle im gesamten Produkt- bzw. Anlagenlebenszyklus. Im folgenden Beitrag
geben wir einen Überblick über die unterschiedlichen „Gesichter“ von digitalen Zwillingen in
industriellen Wertschöpfungsprozessen und zeigen eine Möglichkeit zur Kategorisierung.
1.1 Motivation
Das renommierte amerikanische Marktforschungsunternehmen Gartner hat 2017 die Digital
Twins zu einem der zehn bedeutendsten technologischen Trends erklärt. Auch die Hannover
Messe 2018 widmete dem Thema Digital Twin einen Schwerpunkt. Bei der internationalen
Digital Twin Konferenz1
im Dezember 2019 wurden eine Reihe von Anwendungsszenarien
vorgestellt, die bei der digitalen Anlagen-Kennzeichnung starteten und über die Einführung
von Sensoren zur Zustandsüberwachung bis hin zu Simulationsmodellen und analytischen
Verfahren zur Erhöhung der Asset Performance und Prognose von Anlagenausfällen reichten.
Definition
Eine allgemeine Definition des Begriffs digitaler Zwilling findet sich im Gabler Wirtschaftsle-
xikon: „Ein digitaler Zwilling (englisch ‚Digital Twin‘) bezieht sich auf ein computergestütztes
Modell eines materiellen oder immateriellen Objekts, welches für verschiedene Zwecke ver-
wendet werden kann.“ (Quelle: Gabler Wirtschaftslexikon2
). Unter „(Digital) Twinning“ werden
in jüngster Zeit verstärkt Prozesse zur Entwicklung, Einführung und Nutzung von Digital Twins
in Unternehmen zusammengefasst.
Digital Twins für industrielle Assets
In die industrielle Fertigung übertragen treten an die Stelle der materiellen Objekte Maschinen
und Anlagen (industrielle Assets) sowie deren Komponenten, aber auch Werkzeuge, Ersatz-
teile und die erzeugten Halb- und Fertig-Produkte. Die computergestützten Modelle bilden die
geometrischen, kinetischen und/oder Zustandsinformationen dieser Objekte ab. Immaterielle
Objekte sind im industriellen Kontext beispielsweise die Produktions- und Instandhaltungspro-
zesse.
1
Konferenz „Digital Twin 2019“ (manetch): www.manetch.com/events/dtw19
2
Springer Gabler Verlag (Herausgeber), Gabler Wirtschaftslexikon: „Digitaler Zwilling“ (2017). Online: wirtschaftslexikon.gab-
ler.de/definition/digitaler-zwilling-54371/version-189152
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Von welchem digitalen Zwilling sprechen wir?
Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 5 /39
© Digitales Transferzentrum Salzburg (2020)
Integrationstiefe zwischen realem und digitalem Objekt
Eine grundlegende Unterscheidung in der Verbindung zwischen realen und digitalen Objekten
ist anhand der Integrationstiefe möglich: Werner Kritzinger u.a. [Kritz2018] verwenden in ihrem
Literaturüberblick über Digital Twins in der Fertigung eine begriffliche Einteilung, die auf drei
Ebenen der Integration beruht:
 Digitales Modell (Digital Model): Ein digitales Modell
bildet ein digitales Abbild eines realen Objekts ohne die
Verwendung eines automatisierten Datenaustauschs
zwischen dem physischen Objekt und seinem digitalen
Pendant. Bespiele hierfür sind Simulationsmodelle von
Anlagen oder Fabriken oder mathematische Modelle von
Produkten.
 Digitaler Schatten (Digital Shadow): Dieses Konzept
beschreibt eine Erweiterung des digitalen Modells, indem
es einen unidirektionalen automatisierten Datenaus-
tausch zwischen dem realen Objekt und seinem digitalen
Modell gibt. eine Zustandsänderung im realen Objekt
führt zu einer Zustandsänderung in der digitalen Reprä-
sentation. Beispiele sind die heute verfügbaren meist
cloudbasierten Lösungen zum Monitoring von Anlagen
und zur Visualisierung von Betriebszuständen.
 Digitaler Zwilling (Digital Twin): Digitale Zwillinge er-
weitern das Konzept des digitalen Schattens, indem der
Informationsfluss zwischen realem und digitalem Objekt
bidirektional (und nicht mehr nur vom realen zum digita-
len Objekt) erfolgt. Das digitale Pendant greift in das re-
ale Objekt ein, indem es Daten oder Steuerungsinforma-
tionen an das reale Objekt überträgt. Beispiel sind An-
wendungen von digitaler Repräsentation von Anlagen
zur frühzeitigen Vorhersage und Erkennung von Fehlern
und Stillständen (Predictive Maintenance) oder zur Opti-
mierung von Betriebsparametern zur Qualitätsverbesse-
rung.
Im vorliegenden Bericht wird der Begriff „Digital Twin“ als Sy-
nonym für die beiden Arten von datengetriebenen virtuellen Abbildern von realen Objekten
(industriellen Anlagen und deren Komponenten) verstanden: Er umfasst also „Digital Sha-
dows“ und „Digital Twins“ (im engeren Sinn) gleichermaßen.
1.2 Kategorisierung von Digital Twins
In den Gesprächen mit Unternehmen und Lösungsanbietern über die Realisierung von Digital
Twins wurden die Forscher am DTZ immer wieder mit der Frage konfrontiert, wie eine techno-
logische Implementierung des Konzepts der digitalen Zwillinge erfolgen kann. Dabei traten
unterschiedliche Sichtweisen auf die Problemstellung, unterschiedliche Anforderungen an den
Nutzen, und unterschiedliche Make-or-Buy-Fragestellungen auf.
Um eine grundsätzliche Einteilung von Digital Twins im Sinne einer Kategorisierung zu ermög-
lichen, sei auf eine Arbeit des Beratungsunternehmens IoT Analytics zurückgegriffen, die unter
Abbildung 1: Integrationstiefe zwischen
realen und digitalen Objekten
(nach [Kritz2018])
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Von welchem digitalen Zwilling sprechen wir?
Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 6 /39
© Digitales Transferzentrum Salzburg (2020)
dem Titel „Wie unterscheiden sich die 250 Digital Twins“ („How the world’s 250 Digital Twins
compare? Same, same but different“)3
.
Grundsätzlich ist die dort getroffene Einteilung für alle Arten von digitalen Zwillingen getroffen
worden: Sie bezieht sich insbesondere nicht ausschließlich auf den Bereich der Fertigung und
der industriellen Assets.
Das Modell der Hamburger Forscher unterscheidet drei Dimensionen (eine Darstellung der
Kategorien nach der Einteilung von IoT Analytics GmbH zeigt Abbildung 2):
1. Hierarchie-Stufen: Hierbei handelt es sich um eine Unterscheidung nach der hierarchi-
schen Komplexität des digital abgebildeten Objekts. Diese reicht von Informationsobjekten
(wie z.B. Betriebs- und Wartungshandbücher) über Komponenten, Produkte und Prozesse
bis hin zu Systemen und Multi-Systemen.
2. Lebenszyklus-Phasen: Diese umfassen alle Phasen der Produkt- bzw. Anlagenentwick-
lung vom Design und der Entwicklung (Engineering) über den Betrieb und die Instandhal-
tung bis zur Optimierung und zur Stilllegung.
3. Anwendungsgebiete: Durch Analyse des Digital Twin Markts identifizierten die Hambur-
ger Forscher eine Reihe von grundlegenden Anwendungsgebieten für Digital Twins (diese
werden grundsätzlich als erweiterbar angesehen): Darunter fallen Anwendungen im Be-
reich von Digitalisierung, Visualisierung, Simulation, Emulation, Extraktion (Erfassung von
Sensor-Datenströmen), Orchestrierung (virtuelle Steuerung) und Vorhersage.
Abbildung 2: Klassifikations-Modell für Digital Twins
Quelle: „The 250 classifications of a Digital Twin“ (IoT Analytics GmbH)
Das Klassifikationsmodell unterstützt bei der Realisierung von Digital Twin Projekten, indem
es eine Positionierung der Anforderungen und des erwarteten Nutzens sowie die Kommuni-
kation mit den Anbietern erleichtert: Welche Aspekte sollen in einem Projekt berücksichtigt
3
IoT Analytics GmbH: „How the world’s 250 Digital Twins compare? Same, same but different.“ (2020) – online: https://iot-analy-
tics.com/how-the-worlds-250-digital-twins-compare/
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Von welchem digitalen Zwilling sprechen wir?
Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 7 /39
© Digitales Transferzentrum Salzburg (2020)
werden? Welche sind im Sinne einer Abgrenzung nicht Teil des Projekts? Gibt es umgekehrt
Aspekte, die in den initialen Anforderungen nicht berücksichtigt wurden, die aber einen zusätz-
lichen Nutzen generieren?
1.3 Die vielen „Gesichter“ des Digital Twins
Die vielfältigen eingangs gezeigten Klassifikations- und Kategorisierungsmöglichkeiten zei-
gen, dass ein Digital Twin sehr unterschiedliche Erscheinungsformen („Gesichter“) haben
kann. Im Bereich der industriellen Anlagen und der sie umgebenden Informationssysteme
spielen Digital Twins ihr volles Potenzial wohl dann aus, wenn sie die über eine reale Anlage
verfügbaren digitalen Informationen intelligent verknüpfen und dadurch zu einem für den je-
weiligen Anwendungsbereich vollständigeren digitalen Abbild der Anlage kommen. Ein Digital
Twin kann also viele verschiedene Gesichter haben. Allein die Anwendung und der geplante
Nutzen entscheiden, welcher Ausschnitt des gesamten digitalen Abbilds umgesetzt wird.
Digitale Zwillinge als fachübergreifender Ansatz
Die Informationen, die das digitale Modell eines industriellen Assets formen, kommen – unab-
hängig von der Integrationstiefe und der betrachteten Lebenszyklus-Phase – aus verschiede-
nen Fachbereichen (siehe Abbildung 3):
 dem Produktionsplanungs- und Steuerungs-System (ERP-System),
 den Supply-Chain-Management-Systemen,
 den Konstruktions- und Entwicklungsabteilungen mit den dort eingesetzten CAD- und Si-
mulations-Systemen,
 den Instandhaltungsabteilungen mit den dort eigesetzten CMMS-Systemen (Compute-
rized Maintenance Management System bzw. Instandhaltungsplanungssystem),
 den Produktionsabteilungen und den dort eingesetzten Betriebsdatenerfassungs- und
SCADA-Systemen,
 den Dokumentationsabteilungen,
 den Asset Management Abteilungen,
 den IT-Abteilungen und den dort verwalteten Datenhaltungssystemen einschließlich der
Cloud-Plattformen.
Abbildung 3: Informationsintegration im Digital Twin
(© Salzburg Research)
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Von welchem digitalen Zwilling sprechen wir?
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© Digitales Transferzentrum Salzburg (2020)
Das Puzzle der Daten und Informationen eines digitalen Zwillings
Zur Erstellung des digitalen Modells eines industriellen Assets werden, wie in Abbildung 3
dargestellt, Informationen aus unterschiedlichen IT-Systemen und Fachbereichen integriert.
Die Liste der möglichen/relevanten Informationen umfasst dabei:
 Die Stammdaten der Anlage: z.B. die beschreibenden Daten eines technischen Platzes,
die „Verwaltungsschale“ von RAMI 4.0 (vgl. [BMWi2016], [DIN91345-2016]), dazu gehören
auch Ortskoordinaten (für Weg- und Lagebeschreibung) und kennzeichnende RFID-Codes
(für die Identifikation von Anlagen und Bauteilen), usw.
 Die Anlagenstruktur: z.B. aus dem CAD-System beim Hersteller, dem ERP-System, dem
CMMS-System, usw.
 Instandhaltungspläne und die Dokumentation von Instandhaltungsmaßnahmen: üblicher-
weise im CMMS (Computerized Maintenance Management System) verwaltet.
 Die Betriebs- und Prozessdaten als Basis für Monitoring, Diagnostik und Predictive Main-
tenance: Dies entspricht dem eingangs erwähnten Aspekt der Sensorik, kann jedoch um
weitere Informationen ergänzt werden (Position, Bewegung, Formen, usw.).
 Die 3D-/CAD-Modelle der Anlage: diese unterstützen neben der kinetischen Simulation
auch Schulungsmaßnahmen und Instandhaltungsanleitungen mit Augmented Reality und
Virtual Reality (z.B. für Assistenzsysteme).
 Die Anlagen-Dokumentation: CAD-Zeichnungen, Betriebs- und Wartungsanleitungen
(auch audiovisuelle Aufzeichnungen über die Durchführung von Instandhaltungsmaßnah-
men), Prüfbescheide, Zertifikate, usw. Dies ist die Domäne von Dokumenten-Verwaltungs-
systemen (DMS).
 Dynamische Modelle der Anlage für Simulationszwecke (z.B. für virtuelle Steuerungskon-
zepte und für Tests in der Inbetriebnahme-Phase).
 Informationen zum Lebenszyklus: Änderungsdokumentation, historische Information über
Störmeldungen, Stillstände und Instandhaltungsmaßnahmen.
Gesamtkonzept für den Digital Twin
Die Integration und Beherr-
schung der Vielfalt der in
einem Digital Twin zusam-
menlaufenden Informatio-
nen und Daten ist eine
durchaus komplexe Auf-
gabe, der sich Software-
Anbieter (z.B. ERP-Lösun-
gen, IoT-Plattformen), Sys-
temintegratoren, Anlagen-
Herstellern und Service-
Anbietern aus verschiede-
nen Blickwinkeln annähern.
Die Unternehmen sind bei
der Wahl der richtigen Digi-
talisierungsstrategie und ihrer Partner durchaus gefordert.
Aber es ist nicht die Entwicklungs-, Produktions- oder Instandhaltungsabteilung allein, die das
Konzept und die Implementierung einer Digital Twin Lösung beauftragen muss. Vielmehr geht
Abbildung 4: Digital Twins unterstützen in der Ausbildung
(© Salzburg Research, fotolia.com, Gorodenkoff)
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Von welchem digitalen Zwilling sprechen wir?
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© Digitales Transferzentrum Salzburg (2020)
es um ein Gesamtkonzept für das digitale Modell eines industriellen Assets, an dem die IT-,
Engineering-, Produktions-, Instandhaltungs- und Asset Management Abteilungen gleicher-
maßen – und oft über die Unternehmensgrenzen (z.B. Anlagen-Hersteller, Service-Anbieter)
hinaus – beteiligt sind. Die Aufgabe der Instandhaltungs-Abteilung besteht darin, dafür zu sor-
gen, dass ihre wichtigsten Anliegen in einer Digital Twin Implementierung berücksichtigt wer-
den: Dazu gehören das Monitoring (z.B. Instandhaltungs-Dashboards), die Unterstützung fort-
schrittliche Instandhaltungsstrategien (nutzungs- oder zustandsorientierte Instandhaltung),
komplexe Prognostik (z.B. Predictive Maintenance), die Verfügbarkeit von Dokumentation und
multimedialen Anleitungen, AR-/VR-Assistenzsysteme für die Instandhaltung.
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Virtuelle Inbetriebnahme mittels Digital Twins
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2 Virtuelle Inbetriebnahme mittels Digital Twins
Simulationsmodelle für die Entwicklung von mechatronischen
Systemen
Georg Schäfer
Der Beitrag beschreibt, wie die Entwicklung von mechatronischen Systemen durch den Ein-
satz von digitalen Zwillingen parallelisiert werden kann: Die virtuelle Inbetriebnahme wird durch
Simulationskonzepte, wie Model-, Software- und Hardware-in-the-Loop, unterstützt. Unter-
schiedliche Ausprägungen von digitalen Zwillingen begünstigen dabei ganzheitlich mit ver-
schiedenen Eigenschaften die Inbetriebnahme von industriellen Anlagen.
Eine große Herausforderung bei der Entwicklung von mechatronischen Systemen bildet das
interdisziplinäre Zusammenwirken von Mechanik, Elektronik und Informatik. Die starke Abhän-
gigkeit dieser Disziplinen kann bei ineffizienter Parallelisierung zu längeren Fertigungszeiten
und Qualitätseinbußen führen. Ursache dafür ist, dass das Testen der Anlagenfunktionalität
erst nach Abschluss der Hardwarekonfigurationen möglich ist.
Mit Hilfe von digitalen Zwillingen lässt sich in den verschiedenen Phasen der Produktion von
Industrieanlagen das Produkt und dessen Eigenschaften bereits im Vorfeld virtuell erproben.
Abbildung 5 zeigt den parallelisierbaren Entwicklungsprozess einer Industrieanlage mit der
Unterstützung eines digitalen Zwillings. Hierbei greifen alle involvierten Disziplinen, also Me-
chanik, Elektrik und Informatik, auf den digitalen Zwilling der Anlage zu, um das mechatroni-
sche System ganzheitlich zu entwickeln.
Abbildung 5: Engineering Prozess einer Industrieanlage
(Quelle: [ISG2020])
Der digitale Zwilling der Anlage ermöglicht durch die virtuelle Inbetriebnahme ein enormes
Optimierungspotential im Engineering-Prozess. In fast allen Bereichen der Automatisierungs-
technik, wie beispielsweise der Prozess- und Fertigungsautomatisierung, der Intralogistik so-
wie der Gebäudetechnik, können Methoden der virtuellen Inbetriebnahme eingesetzt werden
[VDI3693]. Diese Methoden werden verwendet, um Fehler im Steuerungscode, wie logische
Fehler und Ablauffehler, Fehler in der Bedienoberfläche, sowie Fehler des dynamischen Ver-
haltens zu identifizieren [VDI4499].
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Virtuelle Inbetriebnahme mittels Digital Twins
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2.1 Ausprägungen des digitalen Zwillings
Unterschiedliche Ausprägungen des digitalen Zwillings unterstützen die Entwicklung von me-
chatronischen Anlagen in den verschiedenen Phasen der Produktentwicklung. In der VDI-
Richtlinie Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme [VDI2206] werden Methodiken
vorgestellt, welche die interdisziplinäre Entwicklung mechatronischer Systeme unterstützen.
Abbildung 6: V-Modell als Makrozyklus
(Quelle: [Brökel2015])
Das V-Model beschreibt im Bereich des Software-Engineerings eine generische Vorgehens-
weise für den Entwurf von mechatronischen Systemen, bei dem die folgenden Phasen durch-
laufen werden [Brökel2015]:
 Anforderungen: Als Startpunkt muss die gegebene Aufgabenstellung anhand von Anfor-
derungen festgelegt und definiert werden, um die Problemstellung zu präzisieren. Diese
Anforderungen dienen im späteren Lauf der Evaluierung.
 Systementwurf: Ein domänenübergreifendes Lösungskonzept muss gefunden werden,
welches die wesentlichen physikalischen und logischen Eigenschaften festlegt.
 Domänenspezifischer Entwurf: Ein detailliertes, domänenspezifisches Lösungskonzept
muss von beteiligten Disziplinen, wie Mechanik, Elektronik und Informatik, ausgearbeitet
werden.
 Systemintegration: Die domänenspezifischen Lösungskonzepte werden zu einem Ge-
samtkonzept zusammengefasst.
 Eigenschaftsabsicherung: Anhand der gegebenen Anforderungen und dem Lösungskon-
zept müssen die tatsächlichen Systemeigenschaften verifiziert und validiert werden.
 Modellbildung und -analyse: Die Systemeigenschaften können mit Analyse- und Simulati-
onswerkzeugen in Form von Software in der Entwicklungsphase untersucht werden.
 Produkt: Das Produkt ist das Ergebnis eines Durchlaufs des Makrozyklus. Dabei muss es
sich nicht zwingendermaßen um das Endergebnis handeln.
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
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Um Systementwurf, domänenspezifischen Entwurf und die
Phase der Systemintegration und die darin involvierten un-
terschiedlichen Disziplinen zu unterstützen, werden ver-
schiedene Simulationsarten verwendet. Abbildung 7 zeigt
den allgemeinen Aufbau eines Systems der Automatisie-
rungstechnik (AT) mit den für die virtuelle Inbetriebnahme
relevanten Komponenten. Das HMI (Benutzerschnittstelle),
ermöglicht dem Menschen eine Interaktionsmöglichkeit mit
der Anlage. Diese ist mit der Steuerung beziehungsweise
dem Automatisierungssystem verbunden, auf welcher die
Automatisierungssoftware ausgeführt wird. Über die Kom-
munikationsperipherie werden in Echtzeit die Aktoren der
Anlage gesetzt und im selben Zyklus die Sensorwerte dem
Automatisierungssystem kommuniziert. Diese Darstellung
eines Automatisierungstechnik-Systems wird für die Erläu-
terung der verschiedenen Ausprägungen des digitalen Zwil-
lings in den folgenden Abschnitten verwendet.
2.2 Simulationsarten in der virtuellen Inbetriebnahme
Model-in-the-Loop
Unter einer Model-in-the-Loop (MiL) Simulationsart versteht man ein Simulationsmodell eines
digitalen Zwillings, der vor allem in frühen Entwicklungsphasen des Designs mechatronischer
Systeme Anwendung findet. Eine MiL-Simulation unterstützt die Entwicklung eines funktiona-
len Systementwurfs und ermöglicht es den ver-
schiedenen Disziplinen der Mechatronik, die Dy-
namik und logische Funktionen des zu entwi-
ckelnden Systems virtuell zu erproben. Hierfür
werden an mathematischen und physikbasierten
Modellen, ohne der Verwendung von realer Hard-
ware, Signale in einer virtualisierten Umgebung
untersucht ([Berg2016]). Mit dieser Simulations-
art lässt sich kein Steuerungscode der Anlage
testen, da für die Programmlogik eine Modellspra-
che, welche beispielsweise auf Automaten be-
ruht, verwendet wird. Diese Anlagenmodelle ha-
ben zumeist eine geringe Komplexität, was eine
Ausführung auf einem handelsüblichen Rechner ermöglicht, wie in Abbildung 8 zu sehen ist.
Um realen Steuerungscode zu testen, ist eine weitere Spielart bestimmter Simulationen nötig,
welche im nächsten Abschnitt näher beschrieben wird.
Abbildung 7: Generalisierter Aufbau
eines Automatisierungstechnik-Sys-
tems (Quelle: [VDI3693])
Abbildung 8: Model-in-the-Loop-Simulation
(Quelle: [VDI3693])
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Virtuelle Inbetriebnahme mittels Digital Twins
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Software-in-the-Loop
Bei einer Software-in-the-Loop (SiL) Simulation wird das Steuerungssystem mit der Steue-
rungslogik emuliert sowie das Anlagenmodell und die Kommunikationsperipherie virtuell simu-
liert, um eine hardwareunabhängige Entwicklung zu ermöglichen, wie in Abbildung 9 gezeigt
wird. Dadurch können auch komplexe und detail-
lierte Anlagenmodelle simuliert werden, da diese
nicht an Echtzeitanforderungen gebunden sind.
Das bedeutet, dass Simulationen sowohl langsa-
mer als auch schneller als die Realzeit ablaufen
können. So können komplexe Aufgaben, wie bei-
spielsweise die Berechnung von Reibungen bei
Materialflussanlagen, simuliert werden. SiL-Simu-
lationen finden vor allem in der Implementierungs-
phase Anwendung. Ein weiterer Vorteil ist die
Möglichzeit zur Durchführung frühzeitiger Logik-
tests, um mögliche Fehler in Funktionen und Algo-
rithmen zu identifizieren. Bei einer SiL-Simulation
liegt der Steuerungscode als Seriencode vor, was
das Testen der realen Programmlogik (z.B. nach
EN 61131-3) ermöglicht. Um anschließend die
eingesetzte Hardware eingehend prüfen zu kön-
nen, wird eine eigene Umgebung entwickelt, die
das Simulationsmodell und die reale Hardware
koppelt – das Hardware-in-the-Loop-System.
Hardware-in-the-Loop
Bei einer Hardware-in-the-Loop (HiL) Simulation
wird realer Zielsteuerungscode auf einer realen
Steuerung gegen ein simulierten Anlagenmodell
getestet (vgl. Abbildung 10). Für die virtuelle Inbe-
triebnahme werden in Wissenschaft und Praxis
vorrangig Hardware-in-the-Loop (HiL) Simulatio-
nen verwendet [Brökel2015]. Für die Kopplung
des realen Steuerungssystems mit einem Simula-
tionsmodell werden häufig Feldbussysteme ver-
wendet, da diese ebenfalls bei der realen Anlage
Anwendung finden. Durch eine schrittweise Erset-
zung simulierter Komponenten durch reale Hard-
ware ist es möglich, ein mechatronisches System
ganzheitlich in Betrieb zu nehmen [Rode2018].
Durch die Verwendung der realen Hardware lässt
sich das System auf gegebene Echtzeitanforde-
rungen, wie minimale Zykluszeiten, und die Bus-
auslastung testen. Daher werden HiL-Simulatio-
nen häufig für Integrationstests eingesetzt [Brö-
kel2015].
Abbildung 9: Software-in-the-Loop-Simulation
(Quelle: [VDI3693])
Abbildung 10: Hardware-in-the-Loop-Simulation
(Quelle: [VDI3693])
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Virtuelle Inbetriebnahme mittels Digital Twins
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2.3 Vorteile von Simulationen
Simulationen bieten einen wesentlichen Mehrwert für die Entwicklung von mechatronischen
Systemen. In der [VDI3693] werden einige Vorteile für die Verwendung von Simulationen in
der virtuellen Inbetriebnahme genannt. Dazu gehört beispielsweise, dass Simulationen für das
Testen von kritischen Zuständen, die Schäden an Menschen, der Umwelt und der Anlage
selbst verursachen würden, eingesetzt werden können. Durch das virtuelle Testen von kriti-
schen Abläufen kann somit der potenzielle Schaden und die daraus resultierenden Auswirkun-
gen risikofrei erprobt werden.
Durch die Verwendung von Simulationsmodellen können bereits in frühen Entwicklungspha-
sen Steuerungstests durchgeführt werden. Des Weiteren kann durch das Pausieren, Abbre-
chen und Fortsetzen der Simulation zu beliebigen Zeitpunkten eine detaillierte Sicht des Au-
tomatisierungsprozesses gewonnen werden. Durch Initialzustände kann eine Reproduzierbar-
keit gewährleistet werden, welche eine Validierung von Fehlerbehebungen ermöglicht. Durch
Signalmanipulationen können auch Komponentenausfälle simuliert werden. Ein weiterer we-
sentlicher Vorteil ist, dass Simulationen in verschiedenen Geschwindigkeiten durchgeführt
werden können. Dies begünstigt das Erproben von Grenzwerten, da diese entsprechend
schnell erreicht werden können.
Der Anwenderbericht im folgenden Abschnitt zeigt die Vorteile des Einsatzes von Simulations-
konzepten bei der Entwicklung von mechatronischen Systemen in Verbindung mit 3D-Simula-
tion.
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Anwendungsszenarien für die virtuelle Inbetriebnahme
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3 Anwendungsszenarien für die virtuelle Inbetriebnahme
Wie Maschinensimulation in 3D und virtuelle Inbetriebnahme die
Entwicklung von Steuerungssoftware revolutioniert
Michael Eberle
Risikominimierung und Qualitätssicherung sollten integrale Bestandteile von Anlagen-Entwick-
lungsprojekten sein. Das ist nichts Neues. In Automatisierungsprojekten sind diese Forderun-
gen jedoch meist nicht ganz trivial umzusetzen. Hier kommen digitale Zwillinge und Maschi-
nensimulation in 3D ins Spiel, denn sie liefern einen wichtigen Baustein dafür – und das in
nahezu allen Projektphasen. Realistisches und ganzheitliches Testen von Konzepten, Steue-
rungssoftware und Abläufen, Robotercode und mehr wird endlich möglich. Klingt alles super,
aber bringt das denn auch in der Praxis einen echten Mehrwert? Ein Anwendungsbericht.
3.1 Gute Steuerungssoftware als Basis
Für erfolgreiche Automatisierungsprojekte ist die Qualität der Steuerungssoftware von ent-
scheidender Bedeutung. Qualitativ hochwertige Software verringert die Inbetriebnahmezeit vor
Ort sowie Stillstandszeiten von Maschinen. Zusätzlich können Änderungen am bestehenden
Code ohne großes Risiko durchgeführt werden: Never change a running system – ein durch-
aus bekannter Spruch. Durch Qualitätssteigerung in der Steuerungssoftware wird also das
Risiko im Automatisierungsprojekt reduziert. Alles schon bekannt. Doch warum kämpfen wir
immer noch mit Schwierigkeiten bei z.B. der Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen?
Wie können wir die Qualität von Steuerungssoftware weiter steigern und zusätzlich das Risiko
in Automatisierungsprojekten verringern? Die Antwort liegt im frühzeitigen, ganzheitlichen und
umfangreichen Testen aller Automatisierungskomponenten. Frühzeitig bedeutet, dass alle
Teile eines Projektes getestet werden müssen, wenn sie entstehen. Beispielsweise müssen
Maschinenkonzepte schon zu Projektbeginn validiert werden und Steuerungssoftware muss
getestet werden, während sie entsteht. Ganzheitlich bedeutet, dass alle Teile getestet werden
müssen. Das bedeutet nicht nur die Steuerungssoftware, sondern auch HMIs, Roboterpro-
gramme, SCADA-Systeme, u.v.m. „Umfangreiches Testen“ bedeutet, dass z.B. auch Situatio-
nen getestet werden müssen, die in der Realität nur schwer nachzustellen sind oder Maschi-
nen- bzw. Personenschäden verursachen können.
3.2 Digitale Zwillinge im Engineering von Automatisierungslösungen
Umfangreiche Tests für die im vorangehenden Abschnitt beschriebenen Situationen sind in
der Realität bis dato nur schwer möglich. Hier bieten digitale Zwillinge von Maschinen in 3D
die Lösung. Das digitale Pendant verhält sich dank physikbasierter Simulation in 3D (vgl. Ab-
bildung 11) exakt wie die reale Maschine. Virtuelle Sensoren liefern realistische Signale und
virtuelle Aktoren bewegen Komponenten im digitalen Zwilling. Alles wird in das reale 3D-CAD-
Modell der Maschine integriert, eben genau so wie in der Realität auch. Der digitale Zwilling
ersetzt die mechanischen, elektrischen und fluidischen Komponenten einer Maschine. Reale
Steuerungen, welche an den digitalen Zwilling angeschlossen werden, merken keinen Unter-
schied zur realen Maschine (vgl. Abbildung 12 und Abbildung 13). Dadurch wird es erstmals
möglich, Konzepte in frühen Stadien in einer virtuellen Welt so realistisch wie möglich zu testen
und realistische Aussagen über z.B. Taktzeiten, benötigte Komponenten oder Platzbedarf zu
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Anwendungsszenarien für die virtuelle Inbetriebnahme
Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 16 /39
© Digitales Transferzentrum Salzburg (2020)
treffen. In einem weiteren Schritt können Fach-
kräfte Steuerungssoftware schreiben und diese,
während sie programmieren, an der virtuellen
Maschine testen. Virtuelle Inbetriebnahme wird
zur Realität. Bewegungsabläufe werden im digi-
talen Zwilling sichtbar, Kollisionen haben keine
Auswirkung und die Zusammenarbeit mehrerer
Inbetriebnahmetechniker wird erleichtert. Der di-
gitale Zwilling ist beliebig oft reproduzierbar, be-
nötigt keinen Platz und kostet ein Bruchteil von
realen Maschinen. Digitale Zwillinge und Maschinensimulation in 3D haben das Potential, die
Entwicklung von Automatisierungslösungen zu revolutionieren.
Physikbasierte Simulation in 3D ist ein entscheidender Baustein für die realistische Simulation
von Maschinen. Nur so lässt sich der Materialtransport sowie das Verhalten von Aktoren wie
z.B. Förderbänder und Sensoren wie z.B. Lichtschranken abbilden, ohne dass geschummelt
werden muss (vgl. Abbildung 11).
Abbildung 12: Virtuelles Pendant der realen Anlage
Quelle: © Eberle Automatische Systeme GmbH & Co KG
Der digitale Zwilling verhält sich aus Sicht der Steuerungskomponenten exakt wie das reale
Pendant. Leitsystem, SPS, Robotercontroller und andere Komponenten werden mit der entwi-
ckelten Software betrieben und steuern entweder die reale Maschine oder den digitalen Zwil-
ling (vgl. Abbildung 12).
Mit der Simulationssoftware twin können digitale Zwillinge schnell und intuitiv aus vorhandenen
CAD-Daten erstellt werden. Die einfache Anbindung von Steuerungen, Robotercontroller, Leit-
systeme, u.v.m. ermöglicht erstmals das ganzheitliche Testen aller Komponenten während
einer virtuellen Inbetriebnahme (vgl. Abbildung 13).
3.3 Mit virtueller Inbetriebnahme werden Projekte effizienter: Praxisbeispiel
Virtuelle Inbetriebnahme ist nicht nur für große Serienmaschinen interessant. Ganz im Gegen-
teil: kleine Sondermaschinen beinhalten meist sehr komplexe Abläufe und genau hier bringt
das frühzeitige Testen der Steuerungssoftware enorme Vorteile. Des Weiteren kann die Steu-
erungssoftware parallel zur Beschaffung entwickelt werden, wodurch z.B. Kapazitätsengpässe
Abbildung 11: Physikbasierte Simulation in 3D
Quelle: © Eberle Automatische Systeme GmbH & Co KG
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Anwendungsszenarien für die virtuelle Inbetriebnahme
Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 17 /39
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besser ausgeglichen werden können. Der Aufwand für die Erstellung eines digitalen Zwillings
ist mit ca. 5 bis 10 % der benötigten Softwarestunden überschaubar klein. Durch eine frühzei-
tige virtuelle Inbetriebnahme ist es weiters möglich, bis zu 30 % der teuren Inbetriebnahmezeit
ins Büro zu verlagern. Durch die verringerten Reisekosten wird ganz nebenbei auch noch die
Umwelt geschont.
Abbildung 13: Simulationssoftware twin
Quelle: © Eberle Automatische Systeme GmbH & Co KG
Diese Konzepte wurden in einem aktuellen Automatisierungsprojekt eines Sondermaschinen-
bauers praktisch umgesetzt: Durch Terminverschiebungen in anderen Projekten wäre es mög-
lich gewesen, die Entwicklung von Steuerungssoftware vorzuziehen. Aufgrund der Komplexi-
tät der Anlage wäre die endgültige Entwicklung der Abläufe im Steuerungsprogramm jedoch
erst bei der Inbetriebnahme möglich gewesen. Innerhalb kürzester Zeit konnte der Maschinen-
bauer gemeinsam mit Eberle Automatische Systeme einen digitalen Zwilling der geplanten
Anlage erstellen. Dank diesem konnten die Steuerungstechniker des Maschinenbauers früher
mit der Entwicklung der Abläufe beginnen (Abbildung 14). Achsen, die ineinander fahren konn-
ten und gegenseitig verriegelt werden muss-
ten, Materialhandling, Hoch- und Leerlauf der
Anlage, Handbetriebe, Automatikbetrieb und
Alarme. Alles konnte getestet und virtuell in Be-
trieb genommen werden. Die mechanischen
Komponenten der realen Maschine waren zu
dem Zeitpunkt noch nicht einmal gefertigt. Der
Endkunde konnte währen der gesamten Ent-
wicklung der Abläufe mit einbezogen werden
und seine Wünsche und Vorschläge konnten
direkt in die Entwicklung mit aufgenommen
werden. Klingen da agile Methoden in der
Steuerungstechnik durch?
Am Ende wurde die Anlage gebaut und in Betrieb genommen. Die Signaltests, die Einstellung
von Motoren und Sensoren und diverse Feintunings erfolgten wie in früheren Automatisie-
rungsprojekten. Allerdings mussten währen der gesamten Inbetriebnahme keine einzige Än-
derung am Ablauf durchgeführt werden
Heute läuft die Maschine so, wie sie vermutlich auch ohne virtuelle Inbetriebnahme laufen
würde. Aufgrund der Terminverschiebungen in anderen Projekten konnte allerdings die Steu-
erungssoftware jedoch früher erstellt werden. Das bedeutet, der Kunden konnte die Anlage
Zum Autor:
Michael Eberle studierte Elektrotechnik an der TU
Graz und leitet bei Eberle Automatische Systeme
GmbH & Co KG die Abteilung für Modellierung und
Simulation. Das Unternehmen entwickelt und ver-
treibt die Simulationssoftware twin unter der Marke
digifai. Zusätzlich werden unter anderem auch
Dienstleistungen im Bereich virtuelle Inbetrieb-
nahme, digitale Zwillinge und Simulation angebo-
ten.
Mehr Infos auf www.digifai.com
Eberle Automatische Systeme GmbH & Co KG
Schwefel 87a, 6850 Dornbirn
info@eberle.at
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Anwendungsszenarien für die virtuelle Inbetriebnahme
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© Digitales Transferzentrum Salzburg (2020)
früher als geplant verwenden. Änderungswünsche, welche im Betrieb der Maschine auftreten,
werden zuerst am digitalen Zwilling getestet. Erst danach werden sie auf die reale Maschine
gespielt, wodurch Stillstandszeiten in der Produktion verringert werden.
Ob virtuelle Inbetriebnahme einen Mehrwert bring? Laut den beteiligten technischen Fachkräf-
ten und Entscheidern ganz klar ja. Ob mit virtueller Inbetriebnahme die Kosten verringert wer-
den können? Das ist schwer zu fassen und ist wahrscheinlich von Projekt zu Projekt unter-
schiedlich. Fakt ist, dass komplizierte Maschinen besser abgesichert werden können, sprich
das Projektrisiko kann reduziert werden. Ob virtuelle Inbetriebnahme die Zukunft im Enginee-
ring von Automatisierungslösungen ist? Ganz klar JA.
Abbildung 14: Virtueller Test von Steuerungsprogrammen und -abläufen am digitalen Zwilling in 3D
Quelle: © Eberle Automatische Systeme GmbH & Co KG
Abbildung 14 zeigt, wie Steuerungstechniker durch die Verwendung digitaler Zwillinge - hier
mit der Simulationssoftware twin - ihre Programme und Abläufe testen können, während sie
programmieren. Die reale Maschine wird für die Entwicklung der Software obsolet.
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Betrieb und Instandhaltung mittels Digital Twins
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4 Betrieb und Instandhaltung mittels Digital Twins
Rolle, Nutzen und Anwendung von digitalen Zwillingen im Anlagen-
Lebenszyklus
Georg Güntner
Im folgenden Beitrag werden ausgehend vom digitalen Lebenszyklus industrieller Anlagen die
Rolle von Digital Twins im Asset Management und der Nutzen in der Betriebs- und Instand-
haltungsphase einer Anlage beschrieben.
4.1 Der digitale Lebenszyklus industrieller Anlagen
Gemäß der DIN EN 16646 („Instandhaltung im Rahmen des Anlagenmanagements“,
[EN16646]) gewährleistet Asset Management die optimale Nutzung von (industriellen) Anla-
gen, um die angegebenen Geschäftsziele nachhaltig zu erreichen. Die Aktivitäten des Asset
Managements lassen sich in 5 Kernfunktionen beschreiben:
 Wertorientiertes Verwalten der Assets über den gesamten Lebenszyklus hinweg
 Organisation des Einsatzes und der Zustandserhaltung der Assets
 Reduzieren des Ersatzbedarfs durch maximales Nutzen und Erhalten der Assets
 Wertsteigerung durch Erweitern der Nutzungsmöglichkeiten und Verringern der Erhal-
tungskosten
 Erzeugen und Bereitstellen von Asset-bezogenen Informationen – z.B. über Verlauf und
Prognose des Anlagenzustandes zur Entscheidungsunterstützung
Die Kernfunktionen des Asset Managements erstrecken sich über alle Lebenszyklus-Phasen
(Life Cycle) von Anlagen: Beginnend mit Konzeption und Planung über Beschaffung und Er-
richtung, Betrieb, Instandhaltung und Optimierung bis hin zum Rückbau der Anlagen (vgl. Ab-
bildung 15).
Die Einführung des betrieblichen Asset Management bedingt die Entwicklung einer Asset Ma-
nagement Strategie bzw. eines entsprechenden Management Systems: Die Elemente eines
Anlagenmanagementsystems werden ausführlich in ISO 55000 und folgende beschrieben (s.
Abschnitt 6.2 auf Seite 28).
Abbildung 15: Phasen des Anlagenlebenszyklus nach ISO 55000
Quelle: Darstellung von dankl+partner consulting gmbh
Die gegenwärtige digitale Innovation im Bereich der industriellen Fertigung führt zu einem Pa-
radigmenwechsel im Asset Management (vgl. [Guen2015c], [Guen2018g]): Entscheidun-
gen in der Anlagenwirtschaft können in der Zukunft viel stärker daten- und faktenbasiert ge-
troffen werden. Eine Vielzahl von neueren technologischen Ansätzen ermöglicht das Messen,
Sammeln, Verarbeiten und Analysieren von Zustands- und Betriebsdaten der Anlagen und der
Produktionsprozesse. Zudem stehen die über die Anlagen erhobenen Daten allen „Stakehol-
dern“, also nicht nur den Betreibern, sondern auch den Anlagenbauern (Herstellern) und den
Instandhaltungseinheiten zur Verfügung. Dies ermöglicht und fördert das Entstehen neuer
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Betrieb und Instandhaltung mittels Digital Twins
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Service-Konzepte und Geschäftsmodelle für die zukünftige Kooperation zwischen diesen Sta-
keholdern.
Als zentrales technologisches Konzept für die Kommunikation der Stakeholder einer industri-
ellen Anlage bietet sich der „Digital Twin“ an: Die im Digital Twin realisierte digitale Abbildung
von Anlagen und ihren Komponenten schafft für viele rund um die Assets verwendeten Soft-
ware Systeme eine Möglichkeit zur Datenintegration und damit auch zur Kommunikation und
optimalen Bewirtschaftung der Anlagen durch die Stakeholder.
4.2 Die Rolle von Digital Twins im Asset Management
Digital Twins für industrielle Assets
In die industrielle Fertigung übertragen treten an die Stelle der in den Definitionen der digitalen
Zwillinge genannten „materiellen Objekte“ Maschinen und Anlagen (industrielle Assets) so-
wie deren Komponenten, aber auch Werkzeuge, Ersatzteile und die erzeugten Halb- und Fer-
tig-Produkte. Die computergestützten Modelle bilden die geometrischen, kinetischen und/oder
Zustandsinformationen dieser Objekte ab. „Immaterielle Objekte“ sind im industriellen Kontext
beispielsweise die Produktions- und Instandhaltungsprozesse.
Sensoren, Lebenszyklus und die Nutzung der Daten
Digitale Zwillinge bilden ein digitales Abbild von industriellen Anlagen in einem computerge-
stützten Modell. Sie verwenden Sensoren, um die Betriebszustände und -prozesse von indust-
riellen Assets über ihren Lebenszyklus hinweg digital zu erfassen. Die gesammelten Daten
werden in einem Datenhaltungs-
system gespeichert. Dabei kom-
men klassische Datenbanksysteme
oder Cloud-Lösungen zum Einsatz.
Digital Twins bilden daher eine ak-
tuelle digitale Kopie der Zustände
und Eigenschaften von industriellen
Assets ab. Sie unterstützen damit
potenziell die Überwachung (Moni-
toring), Diagnose und Vorhersage
des Betriebes von Anlagen, indem
sie die gesammelten Daten visuali-
sieren, analysieren und zukünftige
Zustände und Ereignisse prognosti-
zieren können.
4.3 Der Nutzen von Digital Twins in Betrieb und Instandhaltung
Zukunftsorientierte Asset Management und Instandhaltungsstrategien
Allein aus der sensorischen Erfassung von Zustandsinformationen lässt sich die Frage nach
dem Bezug von digitalen Zwillingen zum Asset Management eindeutig beantworten: Die Pro-
zesse des Asset Managements profitieren deutlich vom Konzept des digitalen Zwillings, indem
sie die Zustände und Betriebsparameter von Maschinen und Anlagen über längere Zeit erfas-
sen und damit Lebenszyklus-orientierte betriebs- und instandhaltungsrelevante Entscheidun-
gen und Handlungen bei der Bewirtschaftung von Anlagen ermöglichen.
Visualisierung von Anlagendaten mit Digital Twins
© Salzburg Research, fotolia.com, zapp2photo
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Betrieb und Instandhaltung mittels Digital Twins
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© Digitales Transferzentrum Salzburg (2020)
Erfüllen nicht auch Condition Monitoring Ansätze einen ähnlichen Zweck? Im Grunde ja, aber
wir haben bisher nur einen Aspekt der digitalen Zwillinge betrachtet. Aber schon dieser Aspekt
zeigt uns, wie digitale Zwillinge für die Anlagenüberwachung, die Ermittlung von Kennzahlen,
die frühe Erkennung, Vorhersage und gänzliche Vermeidung von Schadensfällen und Still-
ständen und somit für die Bewirtschaftung einer Anlage über deren gesamten Lebenszyklus
hinweg verwenden können.
Nach Einschätzung von Expertinnen und Experten werden Produktion, Instandhaltung und
Anlagenbau durch die Nutzung gemeinsamer und integrierter Datenbestände in Zukunft näher
zusammenrücken. Zustandsorientierte und vorausschauende Instandhaltungsstrategien wer-
den gegenüber reaktiven und präventiven Ansätzen an Bedeutung gewinnen. Der Einsatz kos-
tengünstiger Sensoren, von IoT- und Cloud-Technologien schafft in Verbindung mit Software-
systemen zur Visualisierung und Prognose neue Geschäftsmodelle für das betriebliche
Asset Management. Neue Wertschöpfungsketten bergen disruptives Potenzial für die traditi-
onellen Beziehungen zwischen Anlagenherstellern, -betreibern und Instandhaltern.
Kommunikation zwischen Hersteller, Betreiber und Instandhaltungsservices
Ein zukunftsträchtiges Nutzungsszenario für Digital Twins ergibt sich im Bereich der Kommu-
nikation zwischen Hersteller, Betreiber und Instandhaltungsservices. Ein Anlagenhersteller
verfügt aus dem Engineering-Prozess heraus eine Fülle von digitalen Informationen, die in
entsprechender Form auch dem Betreiber und den Instandhaltungsservices zur Verfügung
gestellt werden können. Dies können neben allgemeinen Klassifikationsmerkmalen zur Be-
schreibung der Anlage auch Konstruktionsdaten, Zeichnungen, Anleitungen, Stücklisten, aber
letztlich auch die Zeitreihendaten von den verbauten Sensoren sein.
Was liegt also näher, als die Kommunikation zwischen Anlagenhersteller und –betreiber (und
ggfs. auch beteiligten Dienstleistern) über das Konzept der Digital Twins zu ermöglichen (vgl.
Abbildung 16)? Wichtig sind dabei in jedem Falle ein gutes informationstechnisches Sicher-
heitskonzept und ein rechtliches Rahmenwerk, das die Möglichkeit zum Zugriff, zur Nutzung
und zur Veränderung der Informationen regelt.
Abbildung 16: Kommunikation zwischen Hersteller, Betreiber und Instandhaltungsservices mit Digital Twins
© Salzburg Research, 2019
Dabei nützen Hersteller idealerweise einen herstellerübergreifenden Standard zur Beschrei-
bung von Anlagen-Informationen. Solche Standards sind in der nahen Vergangenheit bei-
spielsweise im Bereich der Strukturierung von digitalen Herstellerinformationen (VDI 2770:
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Betrieb und Instandhaltung mittels Digital Twins
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© Digitales Transferzentrum Salzburg (2020)
s. Abschnitt 6.2 auf Seite 28) oder in der Beschreibung eines Modells für eine „Verwaltungs-
schale“ von industriellen Assets in RAMI4.0 erfolgt (DIN SPEC 91345: s. Abschnitt 6.1 auf
Seite 27). Die Verwaltungsschale (Asset Administration Shell) bildet die konzeptionelle Grund-
lage für die Beschreibung von Digital Twins für industrielle Assets und schafft damit Regeln
zur datentechnischen Beschreibung entlang des Lebenslaufs und des damit verbundenen
Werteverlaufs einer industriellen Anlage bzw. ihrer Komponenten.
Die Betreiber und Instandhaltungsservices erhalten von den Herstellern ein „digitales Informa-
tionspaket“, welches sie in ihre Asset Management Systeme, ERP-Systeme oder Instandhal-
tungsmanagementsysteme übernehmen können. Es gibt nun zwei wichtige Aspekte, die bei
dieser Herangehensweise zu beachten sind: Erstens sind Redundanzen und inkonsistente
Informationsstände zu vermeiden, die dadurch entstehen, das Zustandsänderungen in den
Informationssystemen des Betreibers nicht an die Hersteller oder Dienstleister gemeldet wer-
den. Und zweitens legen viele Hersteller ihre Anlageninformationen (inkl. der Sensor-Daten)
in eine Cloud-Anwendung: Dies führt dazu, dass auf der Seite des Betreibers – je nach Anzahl
seiner Lieferanten – eine Vielzahl von herstellerspezifischen Clouds zu verwalten ist und eine
integrative Sicht auf die Anlagen nicht oder nur mit hohem Aufwand möglich ist.
Idealerweise werden demnach die Anlagen-Informationen über eine Plattform zur Verfügung
gestellt, die verschiedenen Herstellern und Betreibern gleichermaßen Zugriff auf die Anla-
geninformationen gewährt, wobei der Zugriff und die Nutzung der Informationen rollenspezi-
fisch geregelt wird.
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Anwendungsszenarien in Betrieb und Instandhaltung
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5 Anwendungsszenarien in Betrieb und Instandhaltung
Remote Service Konzepte und cloudbasierte Plattformen zur
Überwachung und Instandhaltung von Anlagen
Georg Güntner, Georg Schäfer, Christoph Schranz
Aus der Vielzahl der möglichen Anwendungen von digitalen Zwillingen in der Betriebs- und
Instandhaltungsphase sind im Folgenden einige Fallbeispiele angeführt, anhand derer das Po-
tenzial für die Verwendung von digitalen Zwillingen aus konzeptioneller und aus praktischer
Sicht erkennbar wird.
5.1 Remote Service Konzepte mit dem Digital Twin
Eine von Anlagenbauern und –betreibern immer häufiger genutztes Anwendungsszenario für
Digital Twins besteht in der Überwachung, Diagnostik und Prognostik von Anlagen. Dabei
senden Produktionsanlagen über das Internet der Dinge Betriebsdaten an den Anlagenher-
steller (bzw. an einen von diesem bereitgestellten Datenpool oder ein Cloud-Plattform). Durch
vertragliche Rahmenbedingungen ist sicherzustellen, dass die Daten nur zu vorgesehenen
Zwecken verwendet werden, dass die Daten vor ungerechtfertigtem Zugriff geschützt sind und
dass die Daten nicht oder nur für vorgesehene Zwecke (z.B. die Analyse) an Dritte weiterge-
geben werden. Der Hersteller muss also den Schutz der Daten (IT-Sicherheit) und der Pri-
vatsphäre gewährleisten und vertraglich garantieren.
Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass der Hersteller auf der Basis der übermittelten
Daten viel verlässlichere Diagnosen und Prognosen als der Betreiber der Anlage stellen kann,
weil die Berechnungsmodelle (Real-Time Diagnose bzw. Real-Time Analytik) des Herstellers
auf einer wesentlich breiteren Datenbasis beruhen. Auch in diesem Szenario können Anforde-
rungen wie die frühzeitige Erkennung von ungünstigen Betriebszuständen und die voraus-
schauende Instandhaltung (Predictive Maintenance) unterstützt werden. Ein Nachteil dieses
Szenarios ist, dass die Betriebsdaten der Anlagen unterschiedlicher Hersteller in unterschied-
lichen Cloud-Plattformen gespeichert werden und der Betreiber selbst keinen einheitlichen
Überblick über die Gesamtheit seiner Daten hat und diese auch nur schwer in Beziehung zu-
einander setzen kann.
Die Anlagenhersteller knüpfen an die Sammlung und Auswertung von Betriebsdaten Ge-
schäftsmodelle wie Remote Service Konzepte und andere After Sales Services (z.B. Er-
satzteil-Lieferungen, Obsoleszenz-Management). Aber auch die Weiterentwicklung und Opti-
mierung von neuen Anlagengenerationen kann durch die Analyse der vorliegenden Daten un-
terstützt werden, wovon letztlich sowohl der Anlagenhersteller als auch der Betreiber profitie-
ren.
Im Anlagen- und Maschinenbau gibt es bereits eine Vielzahl von digitalen Service-Konzepten,
die auf der sensorischen Erfassung von Anlagendaten und deren Analyse beruhen. Exempla-
risch seinen zwei Anwendungen bei KÜNZ GmbH und bei UNTHA shredding technology
GmbH dargestellt.
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Anwendungsszenarien in Betrieb und Instandhaltung
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Beim Vorarlberger Kranbauer KÜNZ GmbH (www.kuenz.com) dient das auf der IoT-Plattform
der Firma Senseforce4
beruhende KIS („KÜNZ Information System“) zur Erfassung von Be-
triebsdaten: Messwerte der in Häfen und Bahnanlagen auf der ganzen Welt eingesetzten Con-
tainer-Kräne werden in einer Datenplattform gesammelt und ausgewertet. Sie erlauben die
frühzeitige Erkennung von Materialermüdungen, kritischen Betriebszuständen und erforderli-
chen Instandhaltungsmaßnahmen5
. Darauf basierend entwickelt das Unternehmen neue Ge-
schäftsmodelle und datenbasierte Services, z.B. für die intelligente Ersatzteilbewirtschaftung,
die Einsatzplanung von mobile Service Teams oder die Zusammenlegung von geplanten Rou-
tine-Wartungsaufgaben mit vorausschauenden Instandhaltungsmaßnahmen.
Die Tennengauer UNTHA shredding technology GmbH (www.untha.com) bietet für die grö-
ßeren Modelle der Zerkleinerungsanlagen unter der Bezeichnung „GENIUS“ ein digitales As-
sistenzsystem6
an, das die sensorische Erfassung von Betriebsdaten und ihre Darstellung in
einem Informations-Dashboard ermöglicht. Damit lassen sich die Produktivität der Anlagen
und die Anlagenverfügbarkeit steigern und die Betriebskosten reduzieren. Ebenso sind dro-
hende Störungen und Anomalien durch remote Überwachung und Diagnose erkennbar. Die
Kunden erhalten über eine eigene Plattform (myUNTHA) einen Zugang zu den wesentlichen
KPIs ihrer Anlagen und können aufgrund der Betriebsparameter die Effizienz der Anlage über-
wachen.
5.2 Pumpen und ihre digitalen Zwillinge
Das deutsche Traditions-Unternehmen KSB erzielt den Großteil seines Umsatzes mit der Ent-
wicklung, der Produktion, dem Vertrieb und dem Service von Pumpen. Die Digitalisierung er-
öffnete dem „gestandenen“ Maschinenbauer die Chance, die Potenziale der vierten industriel-
len Revolution für die Weiterentwicklung eigener Technologie und für die Erschließung neuer
digitaler Geschäftsmodelle zu nutzen.
Zum Hintergrund: Durch die Abhängigkeit oft großer industrieller Anlagen von der Funktiona-
lität einer oder mehrerer Pumpen, ist deren Betriebssicherheit sowohl für die die Anlagenbe-
treiber als auch die Hersteller der Pumpen von großem wirtschaftlichem Interesse. Das Ziel
von KSB im Rahmen der Digitalisierung bestand darin, durch den Einsatz von digitalen Zwil-
lingen eine effiziente Möglichkeit zur Fernüberwachung zu schaffen, einen störungsarmen Be-
trieb ihrer Pumpen zu garantieren und den Instandhaltungsbedarf zu minimieren.
KSB entwickelte für die Palette der digitalen Produkterweiterungen eine umfassende Lösung
für das cloudbasierte Condition Monitoring, die Analyse und die Fernwartung der Pumpen: Mit
einem optionalen Modul (KSB PumpMeter7
) werden charakteristische Betriebsparameter der
Pumpen erfasst und an die KSB-Cloud übertragen. In der Cloud entstehen durch die Verknüp-
fung von Anlagen-Stammdaten mit den erfassten Betriebsdaten digitale Zwillinge der im Be-
trieb eingesetzten Pumpen.
Die in den digitalen Zwillingen gesammelten Daten unterstützen nun einerseits KSB bei der
Fernüberwachung der Pumpen bzw. ihrer Bauteile, der frühzeitigen Erkennung von Anomalien
und Einleitung von Service-Maßnahmen, bei der Optimierung der Energieeffizienz der Pum-
4
Senseforce GmbH: https://senseforce.io/
5
instandhaltung.de: „Wartung und Schmierstoffanalyse: Damit der Kran länger hebt“ – online: www.instandhaltung.de/praxisan-
wendung/wartung-und-schmierstoffanalyse-damit-der-kran-laenger-hebt-114.html
6
UNTHA GENIUS: www.untha.com/de/produkte/GENIUS
7
KSB PumpMeter: www.ksb.com/ksb-de/Produkte_Leistungen/Industrietechnik/PumpMeter/
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Anwendungsszenarien in Betrieb und Instandhaltung
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pen, aber auch bei der Entwicklung und Einführung von nutzungsbezogenen Geschäftsmo-
dellen („Pump-as-a-Service“). Andererseits erhalten auch die Betreiber die Möglichkeiten zur
effizienten Überwachung ihrer Pumpen oder zur frühzeitigen Erkennung von Störungen, indem
sie beispielsweise auf einem mobilen Endgerät die Kennwerte der Pumpen in Echtzeit anzei-
gen oder Alarme über vorliegende Störungen melden.
5.3 Robotik in der Cloud
Mit KUKA Connect8
stellt das für seine orangefarbenen Robotersysteme bekannte Automati-
sierungsunternehmen KUKA eine cloudbasierte Plattform für die Verwaltung von Robotersys-
temen und für die Sammlung und Analyse von Betriebsdaten zur Verfügung. Mit Hilfe der Soft-
ware-Plattform lassen sich Daten von KUKA Robotern sammeln, verschlüsseln und über eine
sichere Verbindung in die Cloud übertragen. Damit entsteht in der Cloud ein digitales Abbild
der Anlagen und ihrer Betriebsdaten: der Digital Twin eines Robotersystems. Dieser Digital
Twin unterstützt die Aufgaben des Asset Managements (Anlagenverwaltung) und eine Opti-
mierung des Betriebs und der Instandhaltung der Anlagen.
Über die Netzwerk-Kommunikationsschnittstelle werden Roboterdaten am Gateway empfan-
gen und im nächsten Schritt verschlüsselt an die KUKA-Cloud übertragen. Über die KUKA
Connect Weboberfläche kann mit einem beliebigen internetfähigen Gerät auf die in der Cloud
verfügbaren Informationen zugegriffen werden: Es stehen dabei verschiedene Features und
Funktionen zu Verfügung, die die Überwachung und Instandhaltung erleichtern. Durch das
„Wartungsfeature“ kann beispielsweise automatisiert eine Zeitplanung vorgenommen werden,
um einen optimalen Zustand der verbundenen Roboter zu gewährleisten.
In der Betriebsphase der Roboter wird an verschiedene anfallende Wartungsaufgaben (wie
Basisinspektionen, Datensicherungen, Getriebespielmessungen, Elektrowartungen und Rie-
menwechsel) erinnert. Über das KUKA Connect Interface können die geplanten Wartungen
jedes einzelnen Roboters anhand einer Zeitleistenansicht überwacht werden. Des Weiteren
können Wartungsereignisse in einem Wartungsprotokoll dargestellt werden. Nach Abschluss
einer geplanten Wartungsaufgabe können die abgeschlossenen Aufgaben entsprechend do-
kumentiert werden.
KUKA Connect ermöglicht die Fernüberwachung der Betriebszustände und Fehlerprotokolle
eines Roboters. Durch die Analyse von historischen Daten wird der Normalzustand des Robo-
ters erlernt. Eine ebenfalls verfügbare Anomalie-Erkennung identifiziert Abweichungen vom
normalen Betriebsablauf und stellt diese entsprechend dar. Gegebenenfalls werden Maßnah-
men und erforderliche Korrektur-Aktionen vorgeschlagen.
Administratoren können mittels KUKA Connect eine Alarmverwaltung erstellen. Damit werden
Anwender über bestimmte, für sie relevante Alarme informiert. Zu den verfügbaren Alarmen
zählen beispielsweise gestoppte Roboterbewegungen, Statusänderungen, diverse Informati-
onen und Dialoge. Die Alarmierung erfolgt per SMS oder E-Mail.
8
KUKA Connect: https://connect.kuka.com/
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Im Dickicht der Standards
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6 Im Dickicht der Standards
Ausgewählte neue Standardisierungsinitiativen in der Virtualisierung
von Anlagen und im digitalen Anlagen-Lebenszyklus
Georg Güntner, Dietmar Glachs, Simon Kranzer
Die Digitalisierung der industriellen Fertigungs- und Instandhaltungsprozesse mit Hilfe von Di-
gital Twins setzt einen hohen Grad an Vernetzung der Anlagen, ihrer Komponenten sowie den
sie steuernden Systemen voraus. Industrie 4.0 beruht auf der Integration unterschiedlicher IT-
Systeme unter der Maßgabe der betrachteten Geschäftsprozesse und der Phasen des Anla-
gen- bzw. Produkt-Lebenszyklus. Wenn diese Integration nachhaltig gelingen soll, sind Archi-
tekten und Entwickler der Industrie 4.0-Lösungen gut beraten, standardisierte Schnittstellen,
Informationsstrukturen und Protokolle zu verwenden. Der folgende Beitrag beinhaltet eine
Auswahl von (neueren) Standards, die für die Konzeption und Entwicklung von digital Twins
im Anlagen-Lebenszyklus relevant sind.
Im Zusammenhang mit der Planung und Umsetzung von Digitalisierungsvorhaben im Anlagen-
Lebenszyklus ist zu berücksichtigen, dass Digitalisierung nie eine Frage der Technologie allein
ist, sondern dass der Erfolg nur über das Zusammenspiel von technologischen, organisatori-
schen und kompetenzbildenden Maßnahmen führt.
Darüber hinaus haben digitale Infrastrukturen und die ihnen zugrundeliegenden Standards je
nach der betrachteten Phase im Asset-Life-Cycle eine unterschiedliche Bedeutung: So sind
im Engineering andere Standards relevant wie in der Betriebs- und Instandhaltungsphase.
Wieder andere Prioritäten gelten bei einer Lebenszyklus-übergreifenden Betrachtung von An-
lagen im Asset Management.
Eine Reihe von weiteren relevanten Standards ist in der folgenden Auflistung angeführt – auch
diese erhebt nicht den Anspruch auf Vollständigkeit (die hervorgehobenen Standards werden
in den nachfolgenden Kapiteln vorgestellt):
 DIN 77005-1: Lebenslaufakte für technische Anlagen (Teil 1)
 DIN EN 16646: Instandhaltung im Rahmen des Anlagenmanagements
 DIN EN 62264: Integration von Unternehmens-EDV und Leitsystemen
 DIN SPEC 91345: RAMI 4.0 und die Verwaltungsschale
 eCl@ss: Stammdaten-Standard für Produkte und Dienstleistungen
 EN 17007: Instandhaltungsprozess
 IEC 61360: Common Data Dictionary
 ISO 23247: Digital Twin Manufacturing Framework
 ISO 55000 ff: Asset Management
 VDI 2206: Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme
 VDI 2770: Digitale Herstellerinformation
 VDMA 40001-1: OPC UA for Machinery
Die nachfolgend getroffene Auswahl umfasst einige (aber längst nicht alle) für die Konzep-
tion von Digital Twins relevante Standards. Eines der Auswahlkriterien ist die Aktualität und
die Neuigkeit der Normen. Ein anderes die Abdeckung von technologischen und organisato-
rischen Aspekten der Einführung und Nutzung von Digital Twins.
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Im Dickicht der Standards
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6.1 DIN SPEC 91345: RAMI4.0 und die Verwaltungsschale
Steckbrief
Code DIN SPEC 91345
Bezeichnung Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI4.0)
Details of the Asset Administration Shell
Datum / Status 2016-04 bzw. 2018-11
Information https://www.beuth.de/de/technische-regel/din-spec-
91345/250940128
https://www.plattform-i40.de/PI40/Redaktion/DE/Downloads/Publi-
kation/2018-verwaltungsschale-im-detail.html
Das von der Plattform Industrie 4.09
entwickelte Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0, kurz
RAMI 4.0, stellt eine grundlegende Architektur für Industrie 4.0 unter Verwendung eines drei-
dimensionalen Schichtenmodells vor.
RAMI 4.0 schafft mit dem Konzept der Verwaltungsschale (Synonyme: Industrie 4.0 Kompo-
nente, Asset Administration Shell, kurz AAS) die Voraussetzung der Abbildung von techni-
schen Gegenständen (Assets) in der IT-Welt. Sie legt also damit den konzeptionellen Grund-
stein für die Beschreibung von Digital Twins für industrielle Assets und schafft damit Regeln
zur datentechnischen Beschreibung entlang des Lebenslaufs und des damit verbundenen
Werteverlaufs einer industriellen Anlage bzw. ihrer Komponenten.
Abbildung 17: Asset Administration Shell – Informationsbausteine
© Salzburg Research, 2020
Für die Plattform Industrie 4.0 hat die Verwaltungsschale folgende Funktionen: Sie
 bindet Assets in die Industrie 4.0 Kommunikation ein.
 ist im Netz adressierbar und identifiziert das Asset eindeutig.
 erlaubt den kontrollierbaren Zugriff auf alle Informationen des Gegenstands.
 hat eine standardisierte und sichere Kommunikationsschnittstelle und schafft dadurch eine
herstellerübergreifende Interoperabilität.
 kann intelligente und nicht intelligente („passive“) Assets (ohne Kommunikationsschnitt-
stelle) einbinden, z.B. über Bar oder QR Codes.
 bildet den gesamten Lebenszyklus von Produkten, Geräten, Maschinen und Anlagen ab.
9
Plattform Industrie 4.0: www.plattform-i40.de
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Im Dickicht der Standards
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Details der Verwaltungsschale wurden im November 2018 von der Plattform Industrie 4.0 in
Kooperation mit dem ZVEI unter dem Titel „Details of the Asset Administration Shell. Part 1 -
The exchange of information between partners in the value chain of Industrie 4.0 (Version 1.0)“
veröffentlicht ([pi40zvei2020]).
Die Verwaltungsschale ist als Format für den Datenaustausch in durchgängigen Wertschöp-
fungsketten der Industrie 4.0 konzipiert. Eine Kommunikation zwischen einer aufrufenden Ap-
plikation und einer Industrie 4.0 Komponente folgt somit vordefinierten Mustern und die jewei-
lige Antwort muss immer im vordefinierten Format der Verwaltungsschale erfolgen. Devices
und Anwendungen können so die Informationen und Befehle erkennen und interpretieren.
Quelle: Plattform Industrie 4.0, DIN SPEC 91345, Wikipedia
6.2 ISO 55000: Asset Management
Steckbrief
Code ISO 55000, ISO 55001, ISO 55002
Bezeichnung Asset Management (Übersicht und Prinzipien; Anforderungen; Richt-
linien zur Umsetzung)
Datum / Status 2014
Information de.wikipedia.org/wiki/Anlagenwirtschaft
www.iso55000.de
Asset Management gewährleistet die optimale Nutzung von Anlagen, um die Geschäftsziele
einer Organisation nachhaltig zu erreichen. Die Normenserie ISO 55000 beschreibt die Auf-
gaben und Inhalte des Asset Managements, dessen Aktivitäten aus fünf Kernfunktionen be-
stehen:
 dem wertorientierten Verwalten der Assets über den gesamten Lebenszyklus hinweg,
 der Organisation des Einsatzes und der Zustandserhaltung der Assets,
 der Reduktion des Ersatzbedarfs durch maximales Nutzen und Erhalten der Assets,
 der Wertsteigerung durch Erweitern der Nutzungsmöglichkeiten und Verringern der Erhal-
tungskosten,
 der Erzeugung und Bereitstellung von Asset-bezogenen Informationen, z.B. über den Ver-
lauf und die Prognose des Anlagenzustandes zur Entscheidungsunterstützung.
Die Kernfunktionen des Asset Managements erstrecken sich über alle Lebenszyklus-Phasen
(Life Cycle) von Anlagen: Beginnend mit Konzeption und Planung über Beschaffung und Er-
richtung, Betrieb, Instandhaltung und Optimierung bis hin zum Rückbau der Anlagen.
Die Einführung des betrieblichen Asset Management bedingt die Entwicklung einer Asset Ma-
nagement Strategie bzw. eines entsprechenden Management Systems: Die Elemente eines
Anlagenmanagementsystems werden ausführlich in den Normen ISO 55000, ISO 55001 und
ISO 55002 beschrieben:
 ISO 55000 bietet eine Übersicht über die Grundlagen, Leitlinien und Begriffe des Asset
Managements.
 ISO 55001 definiert die Anforderungen an ein Asset Management System. Unternehmen
können ihr Asset Management System nach ISO 55001 zertifizieren lassen.
 ISO 55002 schließlich bietet Richtlinien zur Umsetzung der in ISO 55001 definierten An-
forderungen an das Asset Management System.
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
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6.3 DIN 77005: Lebenslaufakte für technische Anlagen
Steckbrief
Code DIN 77005-1
Bezeichnung Lebenslaufakte für technische Anlagen - Teil1: Strukturelle und in-
haltliche Festlegungen
Datum / Status 2018-09
Information www.beuth.de/de/norm/din-77005-1/290281150
Die fortschreitende Digitalisierung im Bereich technischer Anlagen veranlasste den Standard-
ization Council Industrie 4.0 (https://sci40.com), die DIN und den VDE|DKE, eine einheitliche
Lebenslaufakte für industrielle Anlagen, deren Bauteile und Komponenten zu schaffen. Die
daraus entstandene DIN 77005-1 findet Anwendung bei Lebenslaufakten für technische Anla-
gen in der Verfahrenstechnik, in der Energietechnik und in der Produktionstechnik. Die Nutz-
nießer der Norm sind unter anderem Entwickler, Planer, Anlagenbetreiber, Instandhaltungs-
dienstleister und Gutachter, die auf qualitativ hochwertige und aktuelle Informationen über die
Anlagen im Zuge ihre Asset Management Aufgaben angewiesen sind.
Die DIN 77005-1 erlaubt die übersichtliche Ablage von Dokumenten und relevanten Daten in
einer digitalen Lebenslaufakte. Dies schafft in einem Bereich, der von Hersteller-dominierten
proprietären Strukturen dominiert wird, Transparenz, Übersichtlichkeit und Vergleichbarkeit
bei der Beschreibung von anlagenbezogenen Informationen über den Lebenszyklus hinweg.
Um den unterschiedlichen Anforderungen der beteiligten Akteure gerecht zu werden, werden
die Inhalte in einer nach DIN 77005-1 aufgebauten Lebenslaufakte rollenspezifisch geordnet:
Die Norm erlaubt eine Unterscheidung zwischen technischer, rechtlicher, ökonomischer und
prozesstechnischer Sicht auf die Informationen und Dokumente.
Quelle: DIN 77005-1, Redaktion QZ (Hanser Verlag, www.hanser.de)
6.4 VDI 2770: Digitale Herstellerinformation
Steckbrief
Code VDI 2770 Blatt 1
Bezeichnung Betrieb verfahrenstechnischer Anlagen - Mindestanforderungen an
digitale Herstellerinformationen für die Prozessindustrie - Grundlagen
Datum / Status 2018-10 / Entwurf
Information www.vdi.de/richtlinien/details/vdi-2770-blatt-1-betrieb-verfahrenstech-
nischer-anlagen-mindestanforderungen-an-digitale-herstellerinforma-
tionen-fuer-die-prozessindustrie-grundlagen
Für die Übergabe von Dokumenten zwischen Anlagenherstellern, -betreibern und Instandhal-
tungsdienstleistern kommen heute zumeist historisch gewachsene, proprietäre Kommunikati-
onsstrukturen zur Anwendung. Die Richtlinie VDI 2770 Blatt 1 schafft einen Standard für die
Struktur und den Austausch von Herstellerinformationen. Nach VDI 2770 strukturierte Unter-
lagen enthalten Informationen, die für die richtige Auslegung, Aufstellung, Inbetriebnahme, Er-
satzteilbevorratung, Bedienung, Reinigung, Inspektion, Wartung und Instandsetzung erforder-
lich sind. Darüber hinaus schreiben gesetzliche Bestimmungen das Vorhandensein bestimm-
ter Herstellerunterlagen vor, wie z.B. CE-Konformitätserklärungen, ATEX-Zertifikate oder
Werkstoffzeugnisse. Die Übertragung dieser Informationen in die IT-Systeme der Anlagenbe-
treiber wird durch die Richtlinie vereinheitlicht, um den Aufwand für Hersteller und Betreiber
zu minimieren und dadurch Zeit und Kosten zu sparen.
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
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Die Standardisierung der Struktur von digitalen Herstellerinformationen ist eine Grundvoraus-
setzung für die vollautomatisierbare digitale Übertragung der Informationen aus den IT-Syste-
men des Herstellers in die IT-Systeme des Betreibers. Durch die Standardisierung kann zu-
künftig jede Einzelinformation eindeutig identifiziert und in allen IT-Systemen abgerufen wer-
den. Dis reduziert das ressourcenintensive Suchen in der Herstellerdokumentation weitestge-
hend. Bei gleichem Ressourceneinsatz wird so eine deutliche Intensivierung der Nutzung von
technischen Informationen zur Verbesserung der Prozessabläufe in Produktionsanlagen er-
möglicht.
Durch die Standardisierung der Herstellerinformation nach VDI 2770 werden verbindliche Re-
geln für den Austausch digitaler anlagenbezogener Informationen geschaffen. Dies unterstützt
die Konzeption und Einführung von digitalen Zwillingen (dem digitalen Abbild einer realen An-
lage) insofern, als nun eindeutig festgelegt ist, zu welchem Zeitpunkt im Prozess welches Do-
kument mit welchem Inhalt vorhanden sein muss. Die Richtlinie VDI 2770 klassifiziert die Do-
kumententypen in vier Gruppen (Identifikation, technische Beschaffenheit, tätigkeitsbezogene
Dokumente und Vertragsunterlagen) mit insgesamt 12 Kategorien (beispielsweise das elekt-
ronischen Typenschild, 3D-Modelle, Stücklisten, Montage-, Gebrauchs- und Wartungsanlei-
tungen, sowie Lieferscheine und Rechnungen).
Quelle: VDI 2270 Blatt 1, VDI (www.vdi.de)
6.5 VDMA 40001-1: OPC UA for Machinery
Steckbrief
Code VDMA 40001-1 (Draft), OPC 40001-1 (Release Candidate)
Bezeichnung OPC UA for Machinery
Datum / Status 2020-06 / Entwurf
Information https://opcua.vdma.org/
Die OPC Foundation hat mit den Companion Specifications die Möglichkeit geschaffen spezi-
elle Informationsmodelle für OPC UA zu definieren. Bis dato sind, neben anderen, etwa die
Specifications für Robotik, für Werkzeugmaschinen und für CNC-Systeme erschienen. Wei-
tere Informationsmodelle befinden sich in einem Draft-Status. Die Companion Specification
OPC UA for Machinery liegt aktuell in einer Draft-Version der VDMA vor. Sie nimmt eine Son-
derrolle innerhalb der Informationsmodelle ein.
Abbildung 18: OPC UA for Machinery
Quelle: VDMA 4001-1 (eigene Darstellung)
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
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Da alle Companion Specifications grundlegende Informationen und Funktionen benötigen wer-
den diese durch die OPC UA for Machinery zusammengefasst. Diese bildet damit die Grund-
lage, um alle aus den anderen Specifications resultierenden Basisinformationsmodelle zusam-
menführen. In Building Blocks für Maschinen werden Maschinenkomponenten definiert, um
letztendlich ganze Maschinen abbilden zu können. Aktuell liegt Teil 1 als Entwurf der VDMA
(VDMA 40001-1:2020-06) bzw. der OPC-Foundation (OPC 40001-1) vor, der die Anwen-
dungsfälle „Identifikation und Namensschild von Maschinen“ und „Finden aller Maschinen im
Server“ behandelt. Weitere Anwendungsfälle folgen in den kommenden Jahren.
Das Ziel der VDMA und der OPC-Foundation ist dabei kein einzelnes Informationsmodell, das
alle Maschinen abbilden kann, sondern verallgemeinernde Konzepte, die es erlauben einzelne
Maschinen aus Bausteinen zusammenzusetzen und mit darüber liegenden Companion Spe-
cifications genauer zu beschreiben. Zusammenfassen sind die Ziele der OPC UA for Machi-
nery die Harmonisierung der Informationsmodelle im Maschinen- und Anlagenbau und die De-
finition von Informations-Bausteinen zur Modellierung von Maschinen und Anlagen.
Quelle: VDMA, OPC-Foundation
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Referenzen
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Anhang A: Referenzen
Literaturverzeichnis
[Berg2016] David Bergström und Robert Göransson: „Model- and Hardware-in-the-
Loop Testing in a Model-Based Design Workflow,” Masterthesis an der
Fachhochschule Salzburg, 2016.
[BMWi2016] Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), Plattform Indust-
rie 4.0 (Herausgeber): „Ergebnispapier: Struktur der Verwaltungsschale
- Fortentwicklung des Referenzmodells für die Industrie 4.0-Kompo-
nente“ (2018). Online: bit.ly/2LTOvWW
[Brökel2015] Jan Brökelmann: „Systematik der virtuellen Inbetriebnahme von auto-
matisierten Produktionssystemen“. In: Digitale Sammlungen der Univer-
sität Paderborn (Heinz-Nixdorf-Institut). ISSN 2195-5239. Verlagshaus
Monsenstein und Vannerdat OHG (Münster). 2015. Online:
https://core.ac.uk/reader/50519522
[DIN91345-2016] DIN SPEC 91345:2016-04 "Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0
(RAMI4.0)". 2016-04. Online: https://www.beuth.de/de/technische-re-
gel/din-spec-91345/250940128
[EN16646] DIN EN 16646 (2014): Instandhaltung – Instandhaltung im Rahmen des
Anlagenmanagements
[Gartner2017] Gartner Inc. (Christy Pettey): „Prepare for the Impact of Digital Twins“
(2017). Online: www.gartner.com/smarterwithgartner/prepare-for-the-
impact-of-digital-twins/
[Guen2015c] Georg Güntner, Michael Benisch, Andreas Dankl, Jutta Isopp (Hrsg.):
“Roadmap der Instandhaltung 4.0 ” - bit.ly/1IFGJfu, Mai 2015.
[Guen2018g] Georg Güntner, Lydia Höller (Hrsg.): „Die digitale Transformation der In-
standhaltung“, White Paper. Projektkonsortium i-Maintenance. Novem-
ber 2018. Online: www.maintenance-competence-center.at/i-mainte-
nance/digitale-transformation/
[Han2018a] Hannover-Messe: „Die IoT-Industrie geschieht doppelt“ (2018). Online:
www.hannovermesse.de/de/news/die-iot-industrie-geschieht-doppelt-
64456.xhtml
[Han2018b] Hannover-Messe: „Auf ewig verbunden“ (2018). Online: www.hannover-
messe.de/de/news/top-themen/digital-twin/
[iot-analyt2020] IoT Analytics GmbH: „How the world’s 250 Digital Twins compare?
Same, same but different.“ (2020) – online: https://iot-analy-
tics.com/how-the-worlds-250-digital-twins-compare/
[ISG2020] Stefan Scheifele: „ISG empfiehlt Strategien zur virtuellen Inbetrieb-
nahme“ (2020). Online: https://wirautomatisierer.industrie.de/smart-fac-
tory/isg-empfiehlt-strategien-zur-virtuellen-inbetriebnahme/
[ISO55000] ISO 55000 (2014): Asset Management - Übersicht und Prinzipien des
Asset Managements; ISO 55001 (2014) Anforderungen an die Anlagen-
wirtschaft als „Managementsystem“; ISO 55002 (2014) Leitlinie zur Ein-
führung eines Anlagenwirtschaftssystems
[Kritz2018] Werner Kritzinger, Matthias Karner, Georg Traar, Jan Henjes, Wilfried
Sihn: „Digital Twin in manufacturing: A categorical literature review and
classification“. IFAC-PapersOnLine, Volume 51, Issue 11, 2018, p. 1016
ff., ISSN 2405-8963
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Referenzen
Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 33 /39
© Digitales Transferzentrum Salzburg (2020)
[pi40zvei2020] Plattform Industrie 4.0: „Details of the Asset Administration Shell“; Fed-
eral Ministry of Economic Affairs and Energy, 2020. Online:
https://www.plattform-i40.de/PI40/Redaktion/DE/Downloads/Publika-
tion/Details-of-the-Asset-Administration-Shell-Part1.pdf
[RAMI40-2017] Heidel R., Hoffmeister M., Hankel M., Döbrich U.; „Basiswissen RAMI4.0
– Referenzarchitekturmodell mit Industrie 4.0 Komponente“; Beuth Ver-
lag Berlin, 2017, ISBN 978-3-410-26482-8
[Rode2018] Gerda Rodewald: „Virtuelle Inbetriebnahme einer Werkzeugmaschine
mittels Hardware-in-the-Loop“, Masterthesis an der Fachhochschule
Salzburg, 2018.
[Spring2017] Springer Gabler Verlag (Herausgeber), Gabler Wirtschaftslexikon: „Digi-
taler Zwilling“ (2017). Online: wirtschaftslexikon.gabler.de/definition/digi-
taler-zwilling-54371/version-189152
[VDI2206] VDI 2206: Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme, Juni
2004. Online: https://www.vdi.de/richtlinien/details/vdi-2206-entwick-
lungsmethodik-fuer-mechatronische-systeme
[VDI2770] VDI 2770 Blatt 1: „Betrieb verfahrenstechnischer Anlagen - Mindestan-
forderungen an digitale Herstellerinformationen für die Prozessindustrie
– Grundlagen“. 2018-10 / Entwurf. Online: www.vdi.de/richtlinien/de-
tails/vdi-2770-blatt-1-betrieb-verfahrenstechnischer-anlagen-mindest-
anforderungen-an-digitale-herstellerinformationen-fuer-die-prozessin-
dustrie-grundlagen
[VDI3693] VDI/VDE 3693 Blatt 1: Virtuelle Inbetriebnahme – Modellarten und
Glossar, August 2016. Online: https://www.vdi.de/richtlinien/de-
tails/vdivde-3693-blatt-1-virtuelle-inbetriebnahme-modellarten-und-
glossar
[VDI4499] VDI 4499 Blatt 1: Digitale Fabrik – Grundlagen, Februar 2008. Online:
https://www.vdi.de/richtlinien/details/vdi-4499-blatt-1-digitale-fabrik-
grundlagen
[VDMA40001] VDMA 40001-1: 2020-06 OPC UA for Machinery – Part 1: Basic Building
Blocks, Juni 2020. Online: https://opcua.vdma.org/catalog-detail/-/ca-
talog/3803
[Wiki2018] Wikipedia: “Digital Twin” (2018). Online: en.wikipedia.org/wiki/Digi-
tal_Twins
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Digitales Transferzentrum Salzburg (DTZ)
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Anhang B: Digitales Transferzentrum Salzburg (DTZ)
Das Digitale Transferzentrum Salzburg (DTZ Salzburg) ist eine vom Land Salzburg im Rah-
men der Wissenschafts- und Innovationsstrategie Salzburg 2025 (WISS 202510
) geförderte
Maßnahme. Durch Bündelung der Forschungskompetenzen der Fachhochschule Salzburg
und Salzburg Research im Bereich der Digitalisierung erhalten heimische Betriebe - insbeson-
dere kleine und mittelständische Unternehmen - Zugang zu aktuellen Forschungsergebnissen,
Innovationen und Digitalisierungs-Technologien.
Themenfelder des DTZ
Thematisch ist das Digitale Transferzentrum in den folgenden Feldern der Digitalisierung tätig:
Digital Twins, Smart Logistics & Mobility, Kollaborative Fertigung sowie Digitale Geschäftsmo-
delle & Smart Services.
Digital Twins Durch Industrie 4.0 werden die reale und virtuelle Welt zunehmend ver-
netzt, Mensch und Maschine arbeiten Hand in Hand. Digital Twins, das
virtuelle Abbild eines Produkts, einer Produktionsanlage oder eines
Prozesses, spielen eine immer größere Rolle im gesamten Produkt-
bzw. Anlagenlebenszyklus. In Demonstrationslabors veranschaulichen
Show Cases und Demonstratoren die Anwendungs- und Nutzungssze-
narien in den Bereichen Engineering, Betrieb und Instandhaltung.
Smart Logistics
& Mobility
Gemeinsam mit Unternehmen entwickeln wir aktuelle Werkzeuge, Me-
thoden und Lösungen aus der Grundlagenforschung im Bereich Digita-
lisierung und Industrie 4.0 für die praktische Anwendung weiter. Wir ad-
ressieren dabei insbesondere die unternehmensübergreifenden Her-
ausforderungen, die neben technischen Aspekten auch betriebswirt-
schaftliche oder rechtliche Herausforderungen umfassen. Die Erforder-
nisse und Herausforderungen von KMU werden dabei besonders be-
rücksichtigt, um die Supply Chain als Ganzes für die digitale Zukunft zu
qualifizieren.
Des Weiteren bilden selbstfahrende Transportmittel eine wesentliche
Voraussetzung für zukünftige Formen der Mobilität. Sowohl Warenlo-
gistik wie auch Personentransport mit autonomen Fahrzeugen bieten
neue Herausforderungen und Chancen, die gemeinsam mit Unterneh-
men weiterentwickelt werden.
Kollaborative
Fertigung
Die Digitalisierung bietet neue Möglichkeiten durch die zunehmende
Variantenvielfalt, Fertigung kleiner Stückzahlen ohne signifikante Um-
rüstzeiten oder die Fertigung von Einzelstücken aufgrund individueller
Kundenwünsche. Hinzu kommen Einschulung oder Anleitung von Ma-
schinenbedienern und Montagepersonal während der laufenden Pro-
duktion sowie die temporäre Verlagerung von Produktionsprozessen.
Eine dynamische Kollaboration zwischen Menschen und Maschine, mit
10
Wissenschafts- und Innovationsstrategie Salzburg 2025 (WISS 2025): https://www.salzburg.gv.at/themen/wirtschaft/wissen-
schaftsstrategie
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Digitales Transferzentrum Salzburg (DTZ)
Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 35 /39
© Digitales Transferzentrum Salzburg (2020)
weichen Grenzen der Zuordnung von Arbeitsabläufen und wechselsei-
tigen Kontrollfunktionen und der Erfahrungsaustausch zwischen Men-
schen und selbstlernenden Systemen sind essentiell für die Verwirkli-
chung der Konzepte von digitalen Fabriken. In den Robotik-Labors des
DTZ arbeiten Menschen und kollaborative Roboter Hand in Hand.
Digitale Ge-
schäftsmodelle
& Smart Ser-
vices
Digitale Geschäftsmodelle und neue Formen der Dienstleistungen wer-
den in vielen Branchen und Unternehmen zu einer digitalen Transfor-
mation führen: Durch Einsatz von Sensorik werden Verbrauchsdaten
ermittelt, aufbereitet und ausgewertet. Support-Prozesse, wie zum Bei-
spiel automatisierte Bestellvorgänge oder vorbeugende Instandhaltung
werden mittels Prognoseverfahren automatisiert. Technologie-De-
monstratoren, Datenbanken und Modelle zeigen die betriebswirtschaft-
lichen Potentiale digitaler Wertschöpfungsketten.
Leistungsumfang
Das Digitale Transferzentrum versteht sich als Partner von Industrie und KMU und bietet
Transferleistungen mit folgendem Leistungsumfang:
Veranstaltungen
 Zugang zu aktuellen Forschungsergebnissen
 Einblick in erfolgreiche Unternehmensprojekte (Best Practice)
 Übersicht zum Stand der Technik in den Themenschwerpunkten des DTZ
 Anregungen und Ideen für eigene Digitalisierungsprojekte
 Vernetzung mit Experten aus Industrie und Wissenschaft
Kleingruppenmodule zu Spezialthemen
 Wissensvermittlung zu den Themenschwerpunkten des DTZ
 Präsentation von Technologie-Demonstratoren und Use-Cases
 Machbarkeits- und Potentialeinschätzungen anhand konkreter Unternehmens-Use-Cases
 Diskussion und Erarbeitung möglicher Anwendungsfälle
Persönlicher Kontakt
 DTZ- Office für die direkte und schnelle Kontaktaufnahme
 Vermittlung der ForschungsexpertInnen der Salzburg Research und FH Salzburg.
 Vor-Ort-Gespräch im Unternehmen zu Anforderungen, Zielen und Lösungsansätzen
 Entwicklung von Projekt- bzw. Umsetzungsvorschlägen
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Die White Papers des DTZ im Überblick
Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 36 /39
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Anhang C: Die White Papers des DTZ im Überblick
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Die Virtualisierung von Anlagen, Produkten und Prozes-
sen ist ein zentraler Baustein der Digitalisierung in der
industriellen Fertigung. Dabei spielt das Konzept der di-
gitalen Zwillinge eine zunehmend wichtige Rolle: Digital
Twins schaffen ein digitales Abbild der realen Objekte
des industriellen Wertschöpfungsprozesses und ermög-
lichen eine informationstechnische Beschreibung von
Anlagen über deren Lebenszyklus hinweg.
Im White Paper "Digital Twins im Anlagen-Lebenszyk-
lus" werden die im DTZ gesammelten und umgesetzten
Konzepte für Digitale Twins zusammengefasst: Neben
den konzeptionellen Grundlagen von Digital Twins im
Anlagen-Lebenszyklus werden auch Beispiele für deren
Anwendung in der industriellen Praxis dargestellt. Die
Auswahl der Beiträge erfolgte vor dem jeweiligen fachli-
chen Hintergrund der Autoren: Der thematische Fokus
liegt einerseits auf Anwendungen in der Entwicklungs-
und Inbetriebnahme-Phase, und andererseits auf der
Nutzung in der Betriebs- und Instandhaltungs-Phase von Anlagen. Ein Beitrag über die grund-
legende Kategorisierung von Digital Twins, die Darstellung relevanter Standards und ein Lite-
raturverzeichnis für weiterführende Informationen zum Thema Digital Twins runden den Be-
richt ab.
 Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.): "Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus". Mit Bei-
trägen von Michael Eberle, Dietmar Glachs, Simon Kranzer, Georg Schäfer, Christoph
Schranz. White Paper des DTZ Salzburg. © Salzburg Research, FH Salzburg, 2020.
Digitale Geschäftsmodelle und Smart Services
Reine Produkt- oder Prozessinnovationen sind für In-
dustrieunternehmen nicht mehr ausreichend, stattdes-
sen werden vermehrt auch neue Dienstleistungen oder
Kombinationen aus Produkten und Dienstleistungen, so-
genannte hybride Geschäftsmodelle entwickelt. Das
Konzept des Geschäftsmodells stellt dabei die Logik ei-
nes Unternehmens dar, d.h. welche Wertangebote (z.B.
Produkte, Dienstleistungen) das Unternehmen dem
Kunden anbietet, wie das Unternehmen dieses Wertan-
gebot erstellt und wie das Wertangebot monetarisiert
wird.
Im White Paper "Digitale Geschäftsmodelle und Smart
Services" werden die im Digitalen Transferzentrum Salz-
burg (DTZ) gewonnenen Erkenntnisse zu Geschäftsmo-
dellinnovationen und Smart Services vorgestellt. Begin-
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Die White Papers des DTZ im Überblick
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nend mit einem Beitrag über hybride und offene Geschäftsmodellinnovationen stellt das Whi-
tepaper weiterhin Besonderheiten von Geschäftsmodellinnovationen im Kontext der Digitalen
Transformation vor. Ein weiteres Kapitel legt unterschiedliche Methoden zum Innovieren von
Geschäftsmodellen dar, beispielsweise den Business Model Navigator, den Business Model
Canvas, die Übertragung von TRIZ auf Geschäftsmodellinnovationen, sowie das Platform In-
novation Toolkit. Weitere Inhalte umfassen typische Herausforderungen und Strategien bei
der Implementierung von Geschäftsmodellinnovationen sowie ein Anwendungsbeispiel, in
dem ein Demonstrator aus dem DTZ zum Thema Smart Service genauer erläutert wird.
 Julian Müller, Markus Lassnig, Karin Klieber: "Digitale Geschäftsmodelle und Smart Ser-
vices". White Paper des DTZ Salzburg. © Salzburg Research, FH Salzburg, 2020.
Smart Logistics
Effiziente und nachhaltige Supply Chains sind für Unter-
nehmen, nicht zuletzt aufgrund der globalen Krisen der
letzten Jahre, zu einem entscheidenden Wettbewerbs-
faktor geworden. Während sich die Industrie 4.0 Bemü-
hungen vieler Unternehmen immer noch auf die Optimie-
rung der eigenen internen Logistik- und Produktionspro-
zesse fokussiert, sind Unternehmen mit der umfassen-
den digitalen Transformation ihrer unternehmensüber-
greifenden Wertschöpfungsnetzwerke vielfach überfor-
dert. Der Einsatz von Informations- und Kommunikati-
onstechnologie in der Supply Chain führt zu einem zu-
nehmenden Datenaustausch zwischen den Unterneh-
men und neue technologische Entwicklungen erhöhen
zwar die Transparenz und Flexibilität, gleichzeitig verän-
dert sich aber auch grundlegend die Art und Weise, wie
Unternehmen in komplexen Wertschöpfungsnetzwerken
zusammenarbeiten.
Im White Paper "Smart Logistics" werden unterschiedliche Möglichkeiten aufgezeigt, wie die
Digitalisierung des Supply Chain Managements in der Literatur beschreiben wird, und wie sie
auch in der Praxis anhand von konkreten Beispielen umgesetzt werden kann. Das Whitepaper
gliedert sich in eine technologische Perspektive und eine organisatorische Perspektive. In der
technologischen Perspektive werden dabei die Themen Process Mining, RFID, ein automati-
siertes Bestellsystem, sowie der Einsatz von Augmented Reality in der Kommissionierung be-
trachtet. Organisatorisch stehen die Lieferantenintegration von Industrie 4.0 sowie Supply
Chain Risk Management im Fokus.
 Veit Kohnhauser (Hrsg): "Smart Logistics". Mit Beiträgen von Margot Elwischger, Michael
Huber, Julia Kemeder, Julian M. Müller, Monika Schobesberger, Alexander Zeisler. White
Paper des DTZ Salzburg. © Salzburg Research, FH Salzburg, 2020.
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Autoren
Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 38 /39
© Digitales Transferzentrum Salzburg (2020)
Anhang D: Autoren
Herausgeber
Georg Güntner ist Senior Researcher bei der Salzburg Research For-
schungsgesellschaft, einem unabhängigen Forschungsinstitut mit dem
Schwerpunkt Motion Data Intelligence mit Sitz in Salzburg. Die Schwer-
punkte seiner Arbeit liegen im Bereich der Begleit- und Akzeptanzfor-
schung von Internet-Technologien und des Internets der Dinge in Produk-
tions- und Instandhaltungsunternehmen. Er koordiniert das "Maintenance
Competence Center" und die IoT-Gruppe Salzburg. Im DTZ Salzburg lei-
tet er bei Salzburg Research das Themenfeld Digital Twins.
Simon Hoher ist Senior Lecturer am Studiengang „Informationstechnik &
System-Management“ der Fachhochschule Salzburg und leitet den Fach-
bereich Mechatronik und Robotik. Seine Forschungsschwerpunkte liegen
im Bereich der Smart-Factory-Technologien. Mit seiner Beteiligung wurde
vor zwei Jahren die Forschergruppe „Smart Factories & Edge Computing“
und das SmartFactory-Lab an der FH Salzburg gegründet. Im DTZ Salz-
burg leitet er bei der Fachhochschule das Themenfeld Digital Twins.
Autoren
Wir bedanken uns bei den folgenden Personen für ihre Beiträge:
Autorin / Autor Organisation Kontakt
DI Georg Güntner Salzburg Research
Forschungsges.m.b.H.
georg.guentner@salzburgresearch.at
www.salzburgresearch.at
DI Michael Eberle Eberle Automatische
Systeme GmbH & Co KG
info@eberle.com
www.eberle.com
DI(FH) Dietmar Glachs Salzburg Research
Forschungsges.m.b.H.
dietmar.glachs@salzburgresearch.at
www.salzburgresearch.at
DI Dr. Simon Hoher Fachhochschule Salzburg
GmbH
simon.hoher@fh-salzburg.ac.at
www.fh-salzburg.ac.at
DI (FH) DI Simon Kranzer Fachhochschule Salzburg
GmbH
simon.kranzer@fh-salzburg.ac.at
www.fh-salzburg.ac.at
DI Georg Schäfer Fachhochschule Salzburg
GmbH
georg.schaefer@fh-salzburg.ac.at
www.fh-salzburg.ac.at
Christoph Schranz, BSc Salzburg Research
Forschungsges.m.b.H.
christoph.schranz@salzburgresearch.at
www.salzburgresearch.at
Wir freuen uns über Feedback, Kritik, Anregungen und Ihre Rückfragen.
Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus
Impressum
Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 39 /39
© Digitales Transferzentrum Salzburg (2020)
Impressum
Das Digitale Transferzentrum Salzburg (DTZ) ist ein Kooperationsprojekt der FH Salzburg
(Puch/Urstein) und der Salzburg Research Forschungsgesellschaft m.b.H (Salzburg). Das
Projekt wird im Rahmen von WISS 2025 vom Land Salzburg gefördert.
Titel Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus (White Paper)
Autoren Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.)
Mit Beiträgen von Michael Eberle(1), Dietmar Glachs(2),
Simon Kranzer(3), Georg Schäfer(3), Christoph Schranz(2)
(1) Eberle Automatische Systeme GmbH & Co KG
(2) Salzburg Research Forschungsgesellschaft m.b.H.
(3) Fachhochschule Salzburg GmbH
Erscheinungsdatum September 2020
Kontakt DI Georg Güntner
Salzburg Research Forschungsgesellschaft m.b.H.
Jakob-Haringer-Straße 5/3 | 5020 Salzburg | Austria
T +43-662-2288-401 | georg.guentner@salzburgresearch.at
FH-Prof. DI Dr. Simon Hoher
Fachhochschule Salzburg GmbH
Urstein Süd 1 | 5412 Puch/Salzburg | Austria
T +43-50-2211-1339 | simon.hoher@fh-salzburg.ac.at
Copyright Salzburg Research Forschungsgesellschaft m.b.H.
Jakob-Haringer-Straße 5/3 | 5020 Salzburg | Austria
T +43-662-2288-0 | info@salzburgresearch.at
Fachhochschule Salzburg GmbH
Urstein Süd 1 | 5412 Puch/Salzburg | Austria
T +43-50-2211-0 | office@fh-salzburg.ac.at
WWW www.dtz-salzburg.at
 office@dtz-salzburg.at
Verwendete Fotos und Grafiken
© Salzburg Research Forschungsgesellschaft m.b.H.
© Salzburg Research, Fotolia.com (Gorodenkoff, zapp2photo, kinwun, ekkasit919,
macrovector, PureSolution); Shutterstock.com (M.Style)
© Fachhochschule Salzburg GmbH
© Eberle Automatische Systeme GmbH & Co KG
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Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus

  • 1. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Das DTZ wird im Rahmen von WISS 2025 vom Land Salzburg gefördert WHITE PAPER Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) Mit Beiträgen von Michael Eberle, Dietmar Glachs, Simon Kranzer, Georg Schäfer, Christoph Schranz © Salzburg Research; Fotolia.com – macrovector, PureSolution; Shutterstock.com – M.Style
  • 2. Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis ............................................................................................................... 2 Vorwort ................................................................................................................................ 3 1 Von welchem digitalen Zwilling sprechen wir?.......................................................... 4 1.1 Motivation...............................................................................................................4 1.2 Kategorisierung von Digital Twins...........................................................................5 1.3 Die vielen „Gesichter“ des Digital Twins .................................................................7 2 Virtuelle Inbetriebnahme mittels Digital Twins..........................................................10 2.1 Ausprägungen des digitalen Zwillings...................................................................11 2.2 Simulationsarten in der virtuellen Inbetriebnahme ................................................12 2.3 Vorteile von Simulationen.....................................................................................14 3 Anwendungsszenarien für die virtuelle Inbetriebnahme ..........................................15 3.1 Gute Steuerungssoftware als Basis......................................................................15 3.2 Digitale Zwillinge im Engineering von Automatisierungslösungen.........................15 3.3 Mit virtueller Inbetriebnahme werden Projekte effizienter: Praxisbeispiel ..............16 4 Betrieb und Instandhaltung mittels Digital Twins .....................................................19 4.1 Der digitale Lebenszyklus industrieller Anlagen....................................................19 4.2 Die Rolle von Digital Twins im Asset Management...............................................20 4.3 Der Nutzen von Digital Twins in Betrieb und Instandhaltung.................................20 5 Anwendungsszenarien in Betrieb und Instandhaltung.............................................23 5.1 Remote Service Konzepte mit dem Digital Twin ...................................................23 5.2 Pumpen und ihre digitalen Zwillinge .....................................................................24 5.3 Robotik in der Cloud.............................................................................................25 6 Im Dickicht der Standards ..........................................................................................26 6.1 DIN SPEC 91345: RAMI4.0 und die Verwaltungsschale.......................................27 6.2 ISO 55000: Asset Management............................................................................28 6.3 DIN 77005: Lebenslaufakte für technische Anlagen .............................................29 6.4 VDI 2770: Digitale Herstellerinformation...............................................................29 6.5 VDMA 40001-1: OPC UA for Machinery...............................................................30 Anhang A: Referenzen.......................................................................................................32 Anhang B: Digitales Transferzentrum Salzburg (DTZ) ....................................................34 Anhang C: Die White Papers des DTZ im Überblick ........................................................36 Anhang D: Autoren ............................................................................................................38 Impressum..........................................................................................................................39
  • 3. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Vorwort Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 3 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) Vorwort Georg Güntner, Simon Hoher Das Digitale Transferzentrum Salzburg (DTZ) wurde im Herbst 2017 gefördert mit Mitteln des Landes Salzburg im Rahmen von WISS 2025 mit dem Ziel gegründet, die Forschungsleistun- gen an der Fachhochschule Salzburg und bei Salzburg Research für die regionalen Wirt- schaftsunternehmen zu bündeln und zugänglich zu machen. Eines der vier Themenfelder des DTZ umfasste die Virtualisierung von Anlagen, Produkten und Prozessen in der industriellen Fertigung: Unter der Bezeichnung „Digital Twin“ werden alle Bestrebungen zusammengefasst, realen Objekten des industriellen Wertschöpfungsprozes- ses ein digitales Abbild zur Seite zu stellen. Der Prozess dieser Virtualisierung wird dann auch folgerichtig als „Digital Twinning“ bezeichnet. Digitale Zwillinge haben in praktisch allen Phasen des Anlagen-Lebenszyklus vielfältige An- wendungsmöglichkeiten. Im DTZ lag der Fokus der Aktivitäten auf der Entwicklungs-, der In- betriebnahme-, der Betriebs- und der Instandhaltungs-Phase. Die dortigen Möglichkeiten wur- den den Unternehmen über verschiedene Mittel zugänglich gemacht:  Die DTZ-Symposien boten Fachvorträge aus den vier Themenfeldern des DTZ, in denen jeweils eine Expert/-in des DTZ und/oder ein Unternehmensvertreter/-in über den theore- tischen und den praktischen Rahmen der Anwendung von Digital Twins berichteten.  Ein weiteres Mittel zur Veranschaulichung der Digital Twin Konzepte am DTZ bildeten die an den Labors in Urstein und an der Science City Itzling entwickelten Demonstratoren, z.B. die Steuerung eines digitalen Modells eines Lastenkrans, die Sammlung und Visuali- sierung von Anlagen- und Umgebungsdaten zur Erkennung von Anomalien, ein selbstler- nendes System in der Anlagenentwicklung sowie die virtuelle Abbildung von Robotersys- temen in einem dreidimensionalen Modell und anhand von Kennwerten für Betrieb und Instandhaltung.  Der intensivste Austausch mit den Unternehmensvertreter/-innen bestand aber in den vom DTZ angebotenen Digitalisierungsgesprächen: Hier ging es darum, orientiert an den An- forderungen der Unternehmen Lösungsansätze und –konzepte durch den Einsatz von di- gitalen Zwillingen vorzustellen und zu entwickeln. Dabei ging es um die Erhebung und Mitgestaltung des Potenzials von Digital Twins für die Betriebe der Region. In dem vorliegenden Bericht haben wir wichtige konzeptionelle Grundlagen von Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus und Beispiele für deren Anwendung und Nutzung in der industriellen Praxis zusammengestellt. Uns ist bewusst, dass wir das Thema Digital Twins weder in seiner Breite noch in seiner technischen Komplexität in diesem White Paper auch nur annähernd vollständig behandeln können: Wir haben daher eine von unserem jeweiligen fachlichen Hin- tergrund geprägte Auswahl für das Konzept der Digital Twins getroffen: Der Fokus der Beiträge liegt einerseits auf Anwendungen in der Entwicklungs- und Inbetriebnahme-Phase (Ab- schnitte 2 und 3), und andererseits auf der Nutzung in der Betriebs- und Instandhaltungs- Phase (Abschnitte 4 und 5) von Anlagen. Ein Beitrag über die grundlegende Kategorisierung von Digital Twins (Abschnitt 1), die Darstellung relevanter Standards (Abschnitt 6) und ein Literaturverzeichnis (Anhang A) für weiterführende Informationen zum Thema Digital Twins runden den Bericht ab. Salzburg, im September 2020
  • 4. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Von welchem digitalen Zwilling sprechen wir? Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 4 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) 1 Von welchem digitalen Zwilling sprechen wir? Potenziale, Kategorisierung und Anwendungsfelder von Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Georg Güntner Im Themenfeld „Digital Twin“ des Digitalen Transferzentrums Salzburg (DTZ) erfolgt eine sys- tematische Untersuchung der Potenziale von digitalen Zwillingen. Die Ausgangsbasis bildet dabei die These, dass durch Industrie 4.0 reale und virtuelle Welt zunehmend vernetzt werden. Der Digital Twin eines Produkts, einer Produktionsanlage oder eines Prozesses spielt eine immer größere Rolle im gesamten Produkt- bzw. Anlagenlebenszyklus. Im folgenden Beitrag geben wir einen Überblick über die unterschiedlichen „Gesichter“ von digitalen Zwillingen in industriellen Wertschöpfungsprozessen und zeigen eine Möglichkeit zur Kategorisierung. 1.1 Motivation Das renommierte amerikanische Marktforschungsunternehmen Gartner hat 2017 die Digital Twins zu einem der zehn bedeutendsten technologischen Trends erklärt. Auch die Hannover Messe 2018 widmete dem Thema Digital Twin einen Schwerpunkt. Bei der internationalen Digital Twin Konferenz1 im Dezember 2019 wurden eine Reihe von Anwendungsszenarien vorgestellt, die bei der digitalen Anlagen-Kennzeichnung starteten und über die Einführung von Sensoren zur Zustandsüberwachung bis hin zu Simulationsmodellen und analytischen Verfahren zur Erhöhung der Asset Performance und Prognose von Anlagenausfällen reichten. Definition Eine allgemeine Definition des Begriffs digitaler Zwilling findet sich im Gabler Wirtschaftsle- xikon: „Ein digitaler Zwilling (englisch ‚Digital Twin‘) bezieht sich auf ein computergestütztes Modell eines materiellen oder immateriellen Objekts, welches für verschiedene Zwecke ver- wendet werden kann.“ (Quelle: Gabler Wirtschaftslexikon2 ). Unter „(Digital) Twinning“ werden in jüngster Zeit verstärkt Prozesse zur Entwicklung, Einführung und Nutzung von Digital Twins in Unternehmen zusammengefasst. Digital Twins für industrielle Assets In die industrielle Fertigung übertragen treten an die Stelle der materiellen Objekte Maschinen und Anlagen (industrielle Assets) sowie deren Komponenten, aber auch Werkzeuge, Ersatz- teile und die erzeugten Halb- und Fertig-Produkte. Die computergestützten Modelle bilden die geometrischen, kinetischen und/oder Zustandsinformationen dieser Objekte ab. Immaterielle Objekte sind im industriellen Kontext beispielsweise die Produktions- und Instandhaltungspro- zesse. 1 Konferenz „Digital Twin 2019“ (manetch): www.manetch.com/events/dtw19 2 Springer Gabler Verlag (Herausgeber), Gabler Wirtschaftslexikon: „Digitaler Zwilling“ (2017). Online: wirtschaftslexikon.gab- ler.de/definition/digitaler-zwilling-54371/version-189152
  • 5. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Von welchem digitalen Zwilling sprechen wir? Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 5 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) Integrationstiefe zwischen realem und digitalem Objekt Eine grundlegende Unterscheidung in der Verbindung zwischen realen und digitalen Objekten ist anhand der Integrationstiefe möglich: Werner Kritzinger u.a. [Kritz2018] verwenden in ihrem Literaturüberblick über Digital Twins in der Fertigung eine begriffliche Einteilung, die auf drei Ebenen der Integration beruht:  Digitales Modell (Digital Model): Ein digitales Modell bildet ein digitales Abbild eines realen Objekts ohne die Verwendung eines automatisierten Datenaustauschs zwischen dem physischen Objekt und seinem digitalen Pendant. Bespiele hierfür sind Simulationsmodelle von Anlagen oder Fabriken oder mathematische Modelle von Produkten.  Digitaler Schatten (Digital Shadow): Dieses Konzept beschreibt eine Erweiterung des digitalen Modells, indem es einen unidirektionalen automatisierten Datenaus- tausch zwischen dem realen Objekt und seinem digitalen Modell gibt. eine Zustandsänderung im realen Objekt führt zu einer Zustandsänderung in der digitalen Reprä- sentation. Beispiele sind die heute verfügbaren meist cloudbasierten Lösungen zum Monitoring von Anlagen und zur Visualisierung von Betriebszuständen.  Digitaler Zwilling (Digital Twin): Digitale Zwillinge er- weitern das Konzept des digitalen Schattens, indem der Informationsfluss zwischen realem und digitalem Objekt bidirektional (und nicht mehr nur vom realen zum digita- len Objekt) erfolgt. Das digitale Pendant greift in das re- ale Objekt ein, indem es Daten oder Steuerungsinforma- tionen an das reale Objekt überträgt. Beispiel sind An- wendungen von digitaler Repräsentation von Anlagen zur frühzeitigen Vorhersage und Erkennung von Fehlern und Stillständen (Predictive Maintenance) oder zur Opti- mierung von Betriebsparametern zur Qualitätsverbesse- rung. Im vorliegenden Bericht wird der Begriff „Digital Twin“ als Sy- nonym für die beiden Arten von datengetriebenen virtuellen Abbildern von realen Objekten (industriellen Anlagen und deren Komponenten) verstanden: Er umfasst also „Digital Sha- dows“ und „Digital Twins“ (im engeren Sinn) gleichermaßen. 1.2 Kategorisierung von Digital Twins In den Gesprächen mit Unternehmen und Lösungsanbietern über die Realisierung von Digital Twins wurden die Forscher am DTZ immer wieder mit der Frage konfrontiert, wie eine techno- logische Implementierung des Konzepts der digitalen Zwillinge erfolgen kann. Dabei traten unterschiedliche Sichtweisen auf die Problemstellung, unterschiedliche Anforderungen an den Nutzen, und unterschiedliche Make-or-Buy-Fragestellungen auf. Um eine grundsätzliche Einteilung von Digital Twins im Sinne einer Kategorisierung zu ermög- lichen, sei auf eine Arbeit des Beratungsunternehmens IoT Analytics zurückgegriffen, die unter Abbildung 1: Integrationstiefe zwischen realen und digitalen Objekten (nach [Kritz2018])
  • 6. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Von welchem digitalen Zwilling sprechen wir? Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 6 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) dem Titel „Wie unterscheiden sich die 250 Digital Twins“ („How the world’s 250 Digital Twins compare? Same, same but different“)3 . Grundsätzlich ist die dort getroffene Einteilung für alle Arten von digitalen Zwillingen getroffen worden: Sie bezieht sich insbesondere nicht ausschließlich auf den Bereich der Fertigung und der industriellen Assets. Das Modell der Hamburger Forscher unterscheidet drei Dimensionen (eine Darstellung der Kategorien nach der Einteilung von IoT Analytics GmbH zeigt Abbildung 2): 1. Hierarchie-Stufen: Hierbei handelt es sich um eine Unterscheidung nach der hierarchi- schen Komplexität des digital abgebildeten Objekts. Diese reicht von Informationsobjekten (wie z.B. Betriebs- und Wartungshandbücher) über Komponenten, Produkte und Prozesse bis hin zu Systemen und Multi-Systemen. 2. Lebenszyklus-Phasen: Diese umfassen alle Phasen der Produkt- bzw. Anlagenentwick- lung vom Design und der Entwicklung (Engineering) über den Betrieb und die Instandhal- tung bis zur Optimierung und zur Stilllegung. 3. Anwendungsgebiete: Durch Analyse des Digital Twin Markts identifizierten die Hambur- ger Forscher eine Reihe von grundlegenden Anwendungsgebieten für Digital Twins (diese werden grundsätzlich als erweiterbar angesehen): Darunter fallen Anwendungen im Be- reich von Digitalisierung, Visualisierung, Simulation, Emulation, Extraktion (Erfassung von Sensor-Datenströmen), Orchestrierung (virtuelle Steuerung) und Vorhersage. Abbildung 2: Klassifikations-Modell für Digital Twins Quelle: „The 250 classifications of a Digital Twin“ (IoT Analytics GmbH) Das Klassifikationsmodell unterstützt bei der Realisierung von Digital Twin Projekten, indem es eine Positionierung der Anforderungen und des erwarteten Nutzens sowie die Kommuni- kation mit den Anbietern erleichtert: Welche Aspekte sollen in einem Projekt berücksichtigt 3 IoT Analytics GmbH: „How the world’s 250 Digital Twins compare? Same, same but different.“ (2020) – online: https://iot-analy- tics.com/how-the-worlds-250-digital-twins-compare/
  • 7. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Von welchem digitalen Zwilling sprechen wir? Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 7 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) werden? Welche sind im Sinne einer Abgrenzung nicht Teil des Projekts? Gibt es umgekehrt Aspekte, die in den initialen Anforderungen nicht berücksichtigt wurden, die aber einen zusätz- lichen Nutzen generieren? 1.3 Die vielen „Gesichter“ des Digital Twins Die vielfältigen eingangs gezeigten Klassifikations- und Kategorisierungsmöglichkeiten zei- gen, dass ein Digital Twin sehr unterschiedliche Erscheinungsformen („Gesichter“) haben kann. Im Bereich der industriellen Anlagen und der sie umgebenden Informationssysteme spielen Digital Twins ihr volles Potenzial wohl dann aus, wenn sie die über eine reale Anlage verfügbaren digitalen Informationen intelligent verknüpfen und dadurch zu einem für den je- weiligen Anwendungsbereich vollständigeren digitalen Abbild der Anlage kommen. Ein Digital Twin kann also viele verschiedene Gesichter haben. Allein die Anwendung und der geplante Nutzen entscheiden, welcher Ausschnitt des gesamten digitalen Abbilds umgesetzt wird. Digitale Zwillinge als fachübergreifender Ansatz Die Informationen, die das digitale Modell eines industriellen Assets formen, kommen – unab- hängig von der Integrationstiefe und der betrachteten Lebenszyklus-Phase – aus verschiede- nen Fachbereichen (siehe Abbildung 3):  dem Produktionsplanungs- und Steuerungs-System (ERP-System),  den Supply-Chain-Management-Systemen,  den Konstruktions- und Entwicklungsabteilungen mit den dort eingesetzten CAD- und Si- mulations-Systemen,  den Instandhaltungsabteilungen mit den dort eigesetzten CMMS-Systemen (Compute- rized Maintenance Management System bzw. Instandhaltungsplanungssystem),  den Produktionsabteilungen und den dort eingesetzten Betriebsdatenerfassungs- und SCADA-Systemen,  den Dokumentationsabteilungen,  den Asset Management Abteilungen,  den IT-Abteilungen und den dort verwalteten Datenhaltungssystemen einschließlich der Cloud-Plattformen. Abbildung 3: Informationsintegration im Digital Twin (© Salzburg Research)
  • 8. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Von welchem digitalen Zwilling sprechen wir? Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 8 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) Das Puzzle der Daten und Informationen eines digitalen Zwillings Zur Erstellung des digitalen Modells eines industriellen Assets werden, wie in Abbildung 3 dargestellt, Informationen aus unterschiedlichen IT-Systemen und Fachbereichen integriert. Die Liste der möglichen/relevanten Informationen umfasst dabei:  Die Stammdaten der Anlage: z.B. die beschreibenden Daten eines technischen Platzes, die „Verwaltungsschale“ von RAMI 4.0 (vgl. [BMWi2016], [DIN91345-2016]), dazu gehören auch Ortskoordinaten (für Weg- und Lagebeschreibung) und kennzeichnende RFID-Codes (für die Identifikation von Anlagen und Bauteilen), usw.  Die Anlagenstruktur: z.B. aus dem CAD-System beim Hersteller, dem ERP-System, dem CMMS-System, usw.  Instandhaltungspläne und die Dokumentation von Instandhaltungsmaßnahmen: üblicher- weise im CMMS (Computerized Maintenance Management System) verwaltet.  Die Betriebs- und Prozessdaten als Basis für Monitoring, Diagnostik und Predictive Main- tenance: Dies entspricht dem eingangs erwähnten Aspekt der Sensorik, kann jedoch um weitere Informationen ergänzt werden (Position, Bewegung, Formen, usw.).  Die 3D-/CAD-Modelle der Anlage: diese unterstützen neben der kinetischen Simulation auch Schulungsmaßnahmen und Instandhaltungsanleitungen mit Augmented Reality und Virtual Reality (z.B. für Assistenzsysteme).  Die Anlagen-Dokumentation: CAD-Zeichnungen, Betriebs- und Wartungsanleitungen (auch audiovisuelle Aufzeichnungen über die Durchführung von Instandhaltungsmaßnah- men), Prüfbescheide, Zertifikate, usw. Dies ist die Domäne von Dokumenten-Verwaltungs- systemen (DMS).  Dynamische Modelle der Anlage für Simulationszwecke (z.B. für virtuelle Steuerungskon- zepte und für Tests in der Inbetriebnahme-Phase).  Informationen zum Lebenszyklus: Änderungsdokumentation, historische Information über Störmeldungen, Stillstände und Instandhaltungsmaßnahmen. Gesamtkonzept für den Digital Twin Die Integration und Beherr- schung der Vielfalt der in einem Digital Twin zusam- menlaufenden Informatio- nen und Daten ist eine durchaus komplexe Auf- gabe, der sich Software- Anbieter (z.B. ERP-Lösun- gen, IoT-Plattformen), Sys- temintegratoren, Anlagen- Herstellern und Service- Anbietern aus verschiede- nen Blickwinkeln annähern. Die Unternehmen sind bei der Wahl der richtigen Digi- talisierungsstrategie und ihrer Partner durchaus gefordert. Aber es ist nicht die Entwicklungs-, Produktions- oder Instandhaltungsabteilung allein, die das Konzept und die Implementierung einer Digital Twin Lösung beauftragen muss. Vielmehr geht Abbildung 4: Digital Twins unterstützen in der Ausbildung (© Salzburg Research, fotolia.com, Gorodenkoff)
  • 9. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Von welchem digitalen Zwilling sprechen wir? Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 9 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) es um ein Gesamtkonzept für das digitale Modell eines industriellen Assets, an dem die IT-, Engineering-, Produktions-, Instandhaltungs- und Asset Management Abteilungen gleicher- maßen – und oft über die Unternehmensgrenzen (z.B. Anlagen-Hersteller, Service-Anbieter) hinaus – beteiligt sind. Die Aufgabe der Instandhaltungs-Abteilung besteht darin, dafür zu sor- gen, dass ihre wichtigsten Anliegen in einer Digital Twin Implementierung berücksichtigt wer- den: Dazu gehören das Monitoring (z.B. Instandhaltungs-Dashboards), die Unterstützung fort- schrittliche Instandhaltungsstrategien (nutzungs- oder zustandsorientierte Instandhaltung), komplexe Prognostik (z.B. Predictive Maintenance), die Verfügbarkeit von Dokumentation und multimedialen Anleitungen, AR-/VR-Assistenzsysteme für die Instandhaltung.
  • 10. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Virtuelle Inbetriebnahme mittels Digital Twins Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 10 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) 2 Virtuelle Inbetriebnahme mittels Digital Twins Simulationsmodelle für die Entwicklung von mechatronischen Systemen Georg Schäfer Der Beitrag beschreibt, wie die Entwicklung von mechatronischen Systemen durch den Ein- satz von digitalen Zwillingen parallelisiert werden kann: Die virtuelle Inbetriebnahme wird durch Simulationskonzepte, wie Model-, Software- und Hardware-in-the-Loop, unterstützt. Unter- schiedliche Ausprägungen von digitalen Zwillingen begünstigen dabei ganzheitlich mit ver- schiedenen Eigenschaften die Inbetriebnahme von industriellen Anlagen. Eine große Herausforderung bei der Entwicklung von mechatronischen Systemen bildet das interdisziplinäre Zusammenwirken von Mechanik, Elektronik und Informatik. Die starke Abhän- gigkeit dieser Disziplinen kann bei ineffizienter Parallelisierung zu längeren Fertigungszeiten und Qualitätseinbußen führen. Ursache dafür ist, dass das Testen der Anlagenfunktionalität erst nach Abschluss der Hardwarekonfigurationen möglich ist. Mit Hilfe von digitalen Zwillingen lässt sich in den verschiedenen Phasen der Produktion von Industrieanlagen das Produkt und dessen Eigenschaften bereits im Vorfeld virtuell erproben. Abbildung 5 zeigt den parallelisierbaren Entwicklungsprozess einer Industrieanlage mit der Unterstützung eines digitalen Zwillings. Hierbei greifen alle involvierten Disziplinen, also Me- chanik, Elektrik und Informatik, auf den digitalen Zwilling der Anlage zu, um das mechatroni- sche System ganzheitlich zu entwickeln. Abbildung 5: Engineering Prozess einer Industrieanlage (Quelle: [ISG2020]) Der digitale Zwilling der Anlage ermöglicht durch die virtuelle Inbetriebnahme ein enormes Optimierungspotential im Engineering-Prozess. In fast allen Bereichen der Automatisierungs- technik, wie beispielsweise der Prozess- und Fertigungsautomatisierung, der Intralogistik so- wie der Gebäudetechnik, können Methoden der virtuellen Inbetriebnahme eingesetzt werden [VDI3693]. Diese Methoden werden verwendet, um Fehler im Steuerungscode, wie logische Fehler und Ablauffehler, Fehler in der Bedienoberfläche, sowie Fehler des dynamischen Ver- haltens zu identifizieren [VDI4499].
  • 11. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Virtuelle Inbetriebnahme mittels Digital Twins Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 11 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) 2.1 Ausprägungen des digitalen Zwillings Unterschiedliche Ausprägungen des digitalen Zwillings unterstützen die Entwicklung von me- chatronischen Anlagen in den verschiedenen Phasen der Produktentwicklung. In der VDI- Richtlinie Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme [VDI2206] werden Methodiken vorgestellt, welche die interdisziplinäre Entwicklung mechatronischer Systeme unterstützen. Abbildung 6: V-Modell als Makrozyklus (Quelle: [Brökel2015]) Das V-Model beschreibt im Bereich des Software-Engineerings eine generische Vorgehens- weise für den Entwurf von mechatronischen Systemen, bei dem die folgenden Phasen durch- laufen werden [Brökel2015]:  Anforderungen: Als Startpunkt muss die gegebene Aufgabenstellung anhand von Anfor- derungen festgelegt und definiert werden, um die Problemstellung zu präzisieren. Diese Anforderungen dienen im späteren Lauf der Evaluierung.  Systementwurf: Ein domänenübergreifendes Lösungskonzept muss gefunden werden, welches die wesentlichen physikalischen und logischen Eigenschaften festlegt.  Domänenspezifischer Entwurf: Ein detailliertes, domänenspezifisches Lösungskonzept muss von beteiligten Disziplinen, wie Mechanik, Elektronik und Informatik, ausgearbeitet werden.  Systemintegration: Die domänenspezifischen Lösungskonzepte werden zu einem Ge- samtkonzept zusammengefasst.  Eigenschaftsabsicherung: Anhand der gegebenen Anforderungen und dem Lösungskon- zept müssen die tatsächlichen Systemeigenschaften verifiziert und validiert werden.  Modellbildung und -analyse: Die Systemeigenschaften können mit Analyse- und Simulati- onswerkzeugen in Form von Software in der Entwicklungsphase untersucht werden.  Produkt: Das Produkt ist das Ergebnis eines Durchlaufs des Makrozyklus. Dabei muss es sich nicht zwingendermaßen um das Endergebnis handeln.
  • 12. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Virtuelle Inbetriebnahme mittels Digital Twins Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 12 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) Um Systementwurf, domänenspezifischen Entwurf und die Phase der Systemintegration und die darin involvierten un- terschiedlichen Disziplinen zu unterstützen, werden ver- schiedene Simulationsarten verwendet. Abbildung 7 zeigt den allgemeinen Aufbau eines Systems der Automatisie- rungstechnik (AT) mit den für die virtuelle Inbetriebnahme relevanten Komponenten. Das HMI (Benutzerschnittstelle), ermöglicht dem Menschen eine Interaktionsmöglichkeit mit der Anlage. Diese ist mit der Steuerung beziehungsweise dem Automatisierungssystem verbunden, auf welcher die Automatisierungssoftware ausgeführt wird. Über die Kom- munikationsperipherie werden in Echtzeit die Aktoren der Anlage gesetzt und im selben Zyklus die Sensorwerte dem Automatisierungssystem kommuniziert. Diese Darstellung eines Automatisierungstechnik-Systems wird für die Erläu- terung der verschiedenen Ausprägungen des digitalen Zwil- lings in den folgenden Abschnitten verwendet. 2.2 Simulationsarten in der virtuellen Inbetriebnahme Model-in-the-Loop Unter einer Model-in-the-Loop (MiL) Simulationsart versteht man ein Simulationsmodell eines digitalen Zwillings, der vor allem in frühen Entwicklungsphasen des Designs mechatronischer Systeme Anwendung findet. Eine MiL-Simulation unterstützt die Entwicklung eines funktiona- len Systementwurfs und ermöglicht es den ver- schiedenen Disziplinen der Mechatronik, die Dy- namik und logische Funktionen des zu entwi- ckelnden Systems virtuell zu erproben. Hierfür werden an mathematischen und physikbasierten Modellen, ohne der Verwendung von realer Hard- ware, Signale in einer virtualisierten Umgebung untersucht ([Berg2016]). Mit dieser Simulations- art lässt sich kein Steuerungscode der Anlage testen, da für die Programmlogik eine Modellspra- che, welche beispielsweise auf Automaten be- ruht, verwendet wird. Diese Anlagenmodelle ha- ben zumeist eine geringe Komplexität, was eine Ausführung auf einem handelsüblichen Rechner ermöglicht, wie in Abbildung 8 zu sehen ist. Um realen Steuerungscode zu testen, ist eine weitere Spielart bestimmter Simulationen nötig, welche im nächsten Abschnitt näher beschrieben wird. Abbildung 7: Generalisierter Aufbau eines Automatisierungstechnik-Sys- tems (Quelle: [VDI3693]) Abbildung 8: Model-in-the-Loop-Simulation (Quelle: [VDI3693])
  • 13. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Virtuelle Inbetriebnahme mittels Digital Twins Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 13 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) Software-in-the-Loop Bei einer Software-in-the-Loop (SiL) Simulation wird das Steuerungssystem mit der Steue- rungslogik emuliert sowie das Anlagenmodell und die Kommunikationsperipherie virtuell simu- liert, um eine hardwareunabhängige Entwicklung zu ermöglichen, wie in Abbildung 9 gezeigt wird. Dadurch können auch komplexe und detail- lierte Anlagenmodelle simuliert werden, da diese nicht an Echtzeitanforderungen gebunden sind. Das bedeutet, dass Simulationen sowohl langsa- mer als auch schneller als die Realzeit ablaufen können. So können komplexe Aufgaben, wie bei- spielsweise die Berechnung von Reibungen bei Materialflussanlagen, simuliert werden. SiL-Simu- lationen finden vor allem in der Implementierungs- phase Anwendung. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichzeit zur Durchführung frühzeitiger Logik- tests, um mögliche Fehler in Funktionen und Algo- rithmen zu identifizieren. Bei einer SiL-Simulation liegt der Steuerungscode als Seriencode vor, was das Testen der realen Programmlogik (z.B. nach EN 61131-3) ermöglicht. Um anschließend die eingesetzte Hardware eingehend prüfen zu kön- nen, wird eine eigene Umgebung entwickelt, die das Simulationsmodell und die reale Hardware koppelt – das Hardware-in-the-Loop-System. Hardware-in-the-Loop Bei einer Hardware-in-the-Loop (HiL) Simulation wird realer Zielsteuerungscode auf einer realen Steuerung gegen ein simulierten Anlagenmodell getestet (vgl. Abbildung 10). Für die virtuelle Inbe- triebnahme werden in Wissenschaft und Praxis vorrangig Hardware-in-the-Loop (HiL) Simulatio- nen verwendet [Brökel2015]. Für die Kopplung des realen Steuerungssystems mit einem Simula- tionsmodell werden häufig Feldbussysteme ver- wendet, da diese ebenfalls bei der realen Anlage Anwendung finden. Durch eine schrittweise Erset- zung simulierter Komponenten durch reale Hard- ware ist es möglich, ein mechatronisches System ganzheitlich in Betrieb zu nehmen [Rode2018]. Durch die Verwendung der realen Hardware lässt sich das System auf gegebene Echtzeitanforde- rungen, wie minimale Zykluszeiten, und die Bus- auslastung testen. Daher werden HiL-Simulatio- nen häufig für Integrationstests eingesetzt [Brö- kel2015]. Abbildung 9: Software-in-the-Loop-Simulation (Quelle: [VDI3693]) Abbildung 10: Hardware-in-the-Loop-Simulation (Quelle: [VDI3693])
  • 14. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Virtuelle Inbetriebnahme mittels Digital Twins Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 14 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) 2.3 Vorteile von Simulationen Simulationen bieten einen wesentlichen Mehrwert für die Entwicklung von mechatronischen Systemen. In der [VDI3693] werden einige Vorteile für die Verwendung von Simulationen in der virtuellen Inbetriebnahme genannt. Dazu gehört beispielsweise, dass Simulationen für das Testen von kritischen Zuständen, die Schäden an Menschen, der Umwelt und der Anlage selbst verursachen würden, eingesetzt werden können. Durch das virtuelle Testen von kriti- schen Abläufen kann somit der potenzielle Schaden und die daraus resultierenden Auswirkun- gen risikofrei erprobt werden. Durch die Verwendung von Simulationsmodellen können bereits in frühen Entwicklungspha- sen Steuerungstests durchgeführt werden. Des Weiteren kann durch das Pausieren, Abbre- chen und Fortsetzen der Simulation zu beliebigen Zeitpunkten eine detaillierte Sicht des Au- tomatisierungsprozesses gewonnen werden. Durch Initialzustände kann eine Reproduzierbar- keit gewährleistet werden, welche eine Validierung von Fehlerbehebungen ermöglicht. Durch Signalmanipulationen können auch Komponentenausfälle simuliert werden. Ein weiterer we- sentlicher Vorteil ist, dass Simulationen in verschiedenen Geschwindigkeiten durchgeführt werden können. Dies begünstigt das Erproben von Grenzwerten, da diese entsprechend schnell erreicht werden können. Der Anwenderbericht im folgenden Abschnitt zeigt die Vorteile des Einsatzes von Simulations- konzepten bei der Entwicklung von mechatronischen Systemen in Verbindung mit 3D-Simula- tion.
  • 15. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Anwendungsszenarien für die virtuelle Inbetriebnahme Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 15 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) 3 Anwendungsszenarien für die virtuelle Inbetriebnahme Wie Maschinensimulation in 3D und virtuelle Inbetriebnahme die Entwicklung von Steuerungssoftware revolutioniert Michael Eberle Risikominimierung und Qualitätssicherung sollten integrale Bestandteile von Anlagen-Entwick- lungsprojekten sein. Das ist nichts Neues. In Automatisierungsprojekten sind diese Forderun- gen jedoch meist nicht ganz trivial umzusetzen. Hier kommen digitale Zwillinge und Maschi- nensimulation in 3D ins Spiel, denn sie liefern einen wichtigen Baustein dafür – und das in nahezu allen Projektphasen. Realistisches und ganzheitliches Testen von Konzepten, Steue- rungssoftware und Abläufen, Robotercode und mehr wird endlich möglich. Klingt alles super, aber bringt das denn auch in der Praxis einen echten Mehrwert? Ein Anwendungsbericht. 3.1 Gute Steuerungssoftware als Basis Für erfolgreiche Automatisierungsprojekte ist die Qualität der Steuerungssoftware von ent- scheidender Bedeutung. Qualitativ hochwertige Software verringert die Inbetriebnahmezeit vor Ort sowie Stillstandszeiten von Maschinen. Zusätzlich können Änderungen am bestehenden Code ohne großes Risiko durchgeführt werden: Never change a running system – ein durch- aus bekannter Spruch. Durch Qualitätssteigerung in der Steuerungssoftware wird also das Risiko im Automatisierungsprojekt reduziert. Alles schon bekannt. Doch warum kämpfen wir immer noch mit Schwierigkeiten bei z.B. der Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen? Wie können wir die Qualität von Steuerungssoftware weiter steigern und zusätzlich das Risiko in Automatisierungsprojekten verringern? Die Antwort liegt im frühzeitigen, ganzheitlichen und umfangreichen Testen aller Automatisierungskomponenten. Frühzeitig bedeutet, dass alle Teile eines Projektes getestet werden müssen, wenn sie entstehen. Beispielsweise müssen Maschinenkonzepte schon zu Projektbeginn validiert werden und Steuerungssoftware muss getestet werden, während sie entsteht. Ganzheitlich bedeutet, dass alle Teile getestet werden müssen. Das bedeutet nicht nur die Steuerungssoftware, sondern auch HMIs, Roboterpro- gramme, SCADA-Systeme, u.v.m. „Umfangreiches Testen“ bedeutet, dass z.B. auch Situatio- nen getestet werden müssen, die in der Realität nur schwer nachzustellen sind oder Maschi- nen- bzw. Personenschäden verursachen können. 3.2 Digitale Zwillinge im Engineering von Automatisierungslösungen Umfangreiche Tests für die im vorangehenden Abschnitt beschriebenen Situationen sind in der Realität bis dato nur schwer möglich. Hier bieten digitale Zwillinge von Maschinen in 3D die Lösung. Das digitale Pendant verhält sich dank physikbasierter Simulation in 3D (vgl. Ab- bildung 11) exakt wie die reale Maschine. Virtuelle Sensoren liefern realistische Signale und virtuelle Aktoren bewegen Komponenten im digitalen Zwilling. Alles wird in das reale 3D-CAD- Modell der Maschine integriert, eben genau so wie in der Realität auch. Der digitale Zwilling ersetzt die mechanischen, elektrischen und fluidischen Komponenten einer Maschine. Reale Steuerungen, welche an den digitalen Zwilling angeschlossen werden, merken keinen Unter- schied zur realen Maschine (vgl. Abbildung 12 und Abbildung 13). Dadurch wird es erstmals möglich, Konzepte in frühen Stadien in einer virtuellen Welt so realistisch wie möglich zu testen und realistische Aussagen über z.B. Taktzeiten, benötigte Komponenten oder Platzbedarf zu
  • 16. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Anwendungsszenarien für die virtuelle Inbetriebnahme Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 16 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) treffen. In einem weiteren Schritt können Fach- kräfte Steuerungssoftware schreiben und diese, während sie programmieren, an der virtuellen Maschine testen. Virtuelle Inbetriebnahme wird zur Realität. Bewegungsabläufe werden im digi- talen Zwilling sichtbar, Kollisionen haben keine Auswirkung und die Zusammenarbeit mehrerer Inbetriebnahmetechniker wird erleichtert. Der di- gitale Zwilling ist beliebig oft reproduzierbar, be- nötigt keinen Platz und kostet ein Bruchteil von realen Maschinen. Digitale Zwillinge und Maschinensimulation in 3D haben das Potential, die Entwicklung von Automatisierungslösungen zu revolutionieren. Physikbasierte Simulation in 3D ist ein entscheidender Baustein für die realistische Simulation von Maschinen. Nur so lässt sich der Materialtransport sowie das Verhalten von Aktoren wie z.B. Förderbänder und Sensoren wie z.B. Lichtschranken abbilden, ohne dass geschummelt werden muss (vgl. Abbildung 11). Abbildung 12: Virtuelles Pendant der realen Anlage Quelle: © Eberle Automatische Systeme GmbH & Co KG Der digitale Zwilling verhält sich aus Sicht der Steuerungskomponenten exakt wie das reale Pendant. Leitsystem, SPS, Robotercontroller und andere Komponenten werden mit der entwi- ckelten Software betrieben und steuern entweder die reale Maschine oder den digitalen Zwil- ling (vgl. Abbildung 12). Mit der Simulationssoftware twin können digitale Zwillinge schnell und intuitiv aus vorhandenen CAD-Daten erstellt werden. Die einfache Anbindung von Steuerungen, Robotercontroller, Leit- systeme, u.v.m. ermöglicht erstmals das ganzheitliche Testen aller Komponenten während einer virtuellen Inbetriebnahme (vgl. Abbildung 13). 3.3 Mit virtueller Inbetriebnahme werden Projekte effizienter: Praxisbeispiel Virtuelle Inbetriebnahme ist nicht nur für große Serienmaschinen interessant. Ganz im Gegen- teil: kleine Sondermaschinen beinhalten meist sehr komplexe Abläufe und genau hier bringt das frühzeitige Testen der Steuerungssoftware enorme Vorteile. Des Weiteren kann die Steu- erungssoftware parallel zur Beschaffung entwickelt werden, wodurch z.B. Kapazitätsengpässe Abbildung 11: Physikbasierte Simulation in 3D Quelle: © Eberle Automatische Systeme GmbH & Co KG
  • 17. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Anwendungsszenarien für die virtuelle Inbetriebnahme Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 17 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) besser ausgeglichen werden können. Der Aufwand für die Erstellung eines digitalen Zwillings ist mit ca. 5 bis 10 % der benötigten Softwarestunden überschaubar klein. Durch eine frühzei- tige virtuelle Inbetriebnahme ist es weiters möglich, bis zu 30 % der teuren Inbetriebnahmezeit ins Büro zu verlagern. Durch die verringerten Reisekosten wird ganz nebenbei auch noch die Umwelt geschont. Abbildung 13: Simulationssoftware twin Quelle: © Eberle Automatische Systeme GmbH & Co KG Diese Konzepte wurden in einem aktuellen Automatisierungsprojekt eines Sondermaschinen- bauers praktisch umgesetzt: Durch Terminverschiebungen in anderen Projekten wäre es mög- lich gewesen, die Entwicklung von Steuerungssoftware vorzuziehen. Aufgrund der Komplexi- tät der Anlage wäre die endgültige Entwicklung der Abläufe im Steuerungsprogramm jedoch erst bei der Inbetriebnahme möglich gewesen. Innerhalb kürzester Zeit konnte der Maschinen- bauer gemeinsam mit Eberle Automatische Systeme einen digitalen Zwilling der geplanten Anlage erstellen. Dank diesem konnten die Steuerungstechniker des Maschinenbauers früher mit der Entwicklung der Abläufe beginnen (Abbildung 14). Achsen, die ineinander fahren konn- ten und gegenseitig verriegelt werden muss- ten, Materialhandling, Hoch- und Leerlauf der Anlage, Handbetriebe, Automatikbetrieb und Alarme. Alles konnte getestet und virtuell in Be- trieb genommen werden. Die mechanischen Komponenten der realen Maschine waren zu dem Zeitpunkt noch nicht einmal gefertigt. Der Endkunde konnte währen der gesamten Ent- wicklung der Abläufe mit einbezogen werden und seine Wünsche und Vorschläge konnten direkt in die Entwicklung mit aufgenommen werden. Klingen da agile Methoden in der Steuerungstechnik durch? Am Ende wurde die Anlage gebaut und in Betrieb genommen. Die Signaltests, die Einstellung von Motoren und Sensoren und diverse Feintunings erfolgten wie in früheren Automatisie- rungsprojekten. Allerdings mussten währen der gesamten Inbetriebnahme keine einzige Än- derung am Ablauf durchgeführt werden Heute läuft die Maschine so, wie sie vermutlich auch ohne virtuelle Inbetriebnahme laufen würde. Aufgrund der Terminverschiebungen in anderen Projekten konnte allerdings die Steu- erungssoftware jedoch früher erstellt werden. Das bedeutet, der Kunden konnte die Anlage Zum Autor: Michael Eberle studierte Elektrotechnik an der TU Graz und leitet bei Eberle Automatische Systeme GmbH & Co KG die Abteilung für Modellierung und Simulation. Das Unternehmen entwickelt und ver- treibt die Simulationssoftware twin unter der Marke digifai. Zusätzlich werden unter anderem auch Dienstleistungen im Bereich virtuelle Inbetrieb- nahme, digitale Zwillinge und Simulation angebo- ten. Mehr Infos auf www.digifai.com Eberle Automatische Systeme GmbH & Co KG Schwefel 87a, 6850 Dornbirn info@eberle.at
  • 18. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Anwendungsszenarien für die virtuelle Inbetriebnahme Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 18 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) früher als geplant verwenden. Änderungswünsche, welche im Betrieb der Maschine auftreten, werden zuerst am digitalen Zwilling getestet. Erst danach werden sie auf die reale Maschine gespielt, wodurch Stillstandszeiten in der Produktion verringert werden. Ob virtuelle Inbetriebnahme einen Mehrwert bring? Laut den beteiligten technischen Fachkräf- ten und Entscheidern ganz klar ja. Ob mit virtueller Inbetriebnahme die Kosten verringert wer- den können? Das ist schwer zu fassen und ist wahrscheinlich von Projekt zu Projekt unter- schiedlich. Fakt ist, dass komplizierte Maschinen besser abgesichert werden können, sprich das Projektrisiko kann reduziert werden. Ob virtuelle Inbetriebnahme die Zukunft im Enginee- ring von Automatisierungslösungen ist? Ganz klar JA. Abbildung 14: Virtueller Test von Steuerungsprogrammen und -abläufen am digitalen Zwilling in 3D Quelle: © Eberle Automatische Systeme GmbH & Co KG Abbildung 14 zeigt, wie Steuerungstechniker durch die Verwendung digitaler Zwillinge - hier mit der Simulationssoftware twin - ihre Programme und Abläufe testen können, während sie programmieren. Die reale Maschine wird für die Entwicklung der Software obsolet.
  • 19. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Betrieb und Instandhaltung mittels Digital Twins Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 19 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) 4 Betrieb und Instandhaltung mittels Digital Twins Rolle, Nutzen und Anwendung von digitalen Zwillingen im Anlagen- Lebenszyklus Georg Güntner Im folgenden Beitrag werden ausgehend vom digitalen Lebenszyklus industrieller Anlagen die Rolle von Digital Twins im Asset Management und der Nutzen in der Betriebs- und Instand- haltungsphase einer Anlage beschrieben. 4.1 Der digitale Lebenszyklus industrieller Anlagen Gemäß der DIN EN 16646 („Instandhaltung im Rahmen des Anlagenmanagements“, [EN16646]) gewährleistet Asset Management die optimale Nutzung von (industriellen) Anla- gen, um die angegebenen Geschäftsziele nachhaltig zu erreichen. Die Aktivitäten des Asset Managements lassen sich in 5 Kernfunktionen beschreiben:  Wertorientiertes Verwalten der Assets über den gesamten Lebenszyklus hinweg  Organisation des Einsatzes und der Zustandserhaltung der Assets  Reduzieren des Ersatzbedarfs durch maximales Nutzen und Erhalten der Assets  Wertsteigerung durch Erweitern der Nutzungsmöglichkeiten und Verringern der Erhal- tungskosten  Erzeugen und Bereitstellen von Asset-bezogenen Informationen – z.B. über Verlauf und Prognose des Anlagenzustandes zur Entscheidungsunterstützung Die Kernfunktionen des Asset Managements erstrecken sich über alle Lebenszyklus-Phasen (Life Cycle) von Anlagen: Beginnend mit Konzeption und Planung über Beschaffung und Er- richtung, Betrieb, Instandhaltung und Optimierung bis hin zum Rückbau der Anlagen (vgl. Ab- bildung 15). Die Einführung des betrieblichen Asset Management bedingt die Entwicklung einer Asset Ma- nagement Strategie bzw. eines entsprechenden Management Systems: Die Elemente eines Anlagenmanagementsystems werden ausführlich in ISO 55000 und folgende beschrieben (s. Abschnitt 6.2 auf Seite 28). Abbildung 15: Phasen des Anlagenlebenszyklus nach ISO 55000 Quelle: Darstellung von dankl+partner consulting gmbh Die gegenwärtige digitale Innovation im Bereich der industriellen Fertigung führt zu einem Pa- radigmenwechsel im Asset Management (vgl. [Guen2015c], [Guen2018g]): Entscheidun- gen in der Anlagenwirtschaft können in der Zukunft viel stärker daten- und faktenbasiert ge- troffen werden. Eine Vielzahl von neueren technologischen Ansätzen ermöglicht das Messen, Sammeln, Verarbeiten und Analysieren von Zustands- und Betriebsdaten der Anlagen und der Produktionsprozesse. Zudem stehen die über die Anlagen erhobenen Daten allen „Stakehol- dern“, also nicht nur den Betreibern, sondern auch den Anlagenbauern (Herstellern) und den Instandhaltungseinheiten zur Verfügung. Dies ermöglicht und fördert das Entstehen neuer
  • 20. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Betrieb und Instandhaltung mittels Digital Twins Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 20 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) Service-Konzepte und Geschäftsmodelle für die zukünftige Kooperation zwischen diesen Sta- keholdern. Als zentrales technologisches Konzept für die Kommunikation der Stakeholder einer industri- ellen Anlage bietet sich der „Digital Twin“ an: Die im Digital Twin realisierte digitale Abbildung von Anlagen und ihren Komponenten schafft für viele rund um die Assets verwendeten Soft- ware Systeme eine Möglichkeit zur Datenintegration und damit auch zur Kommunikation und optimalen Bewirtschaftung der Anlagen durch die Stakeholder. 4.2 Die Rolle von Digital Twins im Asset Management Digital Twins für industrielle Assets In die industrielle Fertigung übertragen treten an die Stelle der in den Definitionen der digitalen Zwillinge genannten „materiellen Objekte“ Maschinen und Anlagen (industrielle Assets) so- wie deren Komponenten, aber auch Werkzeuge, Ersatzteile und die erzeugten Halb- und Fer- tig-Produkte. Die computergestützten Modelle bilden die geometrischen, kinetischen und/oder Zustandsinformationen dieser Objekte ab. „Immaterielle Objekte“ sind im industriellen Kontext beispielsweise die Produktions- und Instandhaltungsprozesse. Sensoren, Lebenszyklus und die Nutzung der Daten Digitale Zwillinge bilden ein digitales Abbild von industriellen Anlagen in einem computerge- stützten Modell. Sie verwenden Sensoren, um die Betriebszustände und -prozesse von indust- riellen Assets über ihren Lebenszyklus hinweg digital zu erfassen. Die gesammelten Daten werden in einem Datenhaltungs- system gespeichert. Dabei kom- men klassische Datenbanksysteme oder Cloud-Lösungen zum Einsatz. Digital Twins bilden daher eine ak- tuelle digitale Kopie der Zustände und Eigenschaften von industriellen Assets ab. Sie unterstützen damit potenziell die Überwachung (Moni- toring), Diagnose und Vorhersage des Betriebes von Anlagen, indem sie die gesammelten Daten visuali- sieren, analysieren und zukünftige Zustände und Ereignisse prognosti- zieren können. 4.3 Der Nutzen von Digital Twins in Betrieb und Instandhaltung Zukunftsorientierte Asset Management und Instandhaltungsstrategien Allein aus der sensorischen Erfassung von Zustandsinformationen lässt sich die Frage nach dem Bezug von digitalen Zwillingen zum Asset Management eindeutig beantworten: Die Pro- zesse des Asset Managements profitieren deutlich vom Konzept des digitalen Zwillings, indem sie die Zustände und Betriebsparameter von Maschinen und Anlagen über längere Zeit erfas- sen und damit Lebenszyklus-orientierte betriebs- und instandhaltungsrelevante Entscheidun- gen und Handlungen bei der Bewirtschaftung von Anlagen ermöglichen. Visualisierung von Anlagendaten mit Digital Twins © Salzburg Research, fotolia.com, zapp2photo
  • 21. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Betrieb und Instandhaltung mittels Digital Twins Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 21 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) Erfüllen nicht auch Condition Monitoring Ansätze einen ähnlichen Zweck? Im Grunde ja, aber wir haben bisher nur einen Aspekt der digitalen Zwillinge betrachtet. Aber schon dieser Aspekt zeigt uns, wie digitale Zwillinge für die Anlagenüberwachung, die Ermittlung von Kennzahlen, die frühe Erkennung, Vorhersage und gänzliche Vermeidung von Schadensfällen und Still- ständen und somit für die Bewirtschaftung einer Anlage über deren gesamten Lebenszyklus hinweg verwenden können. Nach Einschätzung von Expertinnen und Experten werden Produktion, Instandhaltung und Anlagenbau durch die Nutzung gemeinsamer und integrierter Datenbestände in Zukunft näher zusammenrücken. Zustandsorientierte und vorausschauende Instandhaltungsstrategien wer- den gegenüber reaktiven und präventiven Ansätzen an Bedeutung gewinnen. Der Einsatz kos- tengünstiger Sensoren, von IoT- und Cloud-Technologien schafft in Verbindung mit Software- systemen zur Visualisierung und Prognose neue Geschäftsmodelle für das betriebliche Asset Management. Neue Wertschöpfungsketten bergen disruptives Potenzial für die traditi- onellen Beziehungen zwischen Anlagenherstellern, -betreibern und Instandhaltern. Kommunikation zwischen Hersteller, Betreiber und Instandhaltungsservices Ein zukunftsträchtiges Nutzungsszenario für Digital Twins ergibt sich im Bereich der Kommu- nikation zwischen Hersteller, Betreiber und Instandhaltungsservices. Ein Anlagenhersteller verfügt aus dem Engineering-Prozess heraus eine Fülle von digitalen Informationen, die in entsprechender Form auch dem Betreiber und den Instandhaltungsservices zur Verfügung gestellt werden können. Dies können neben allgemeinen Klassifikationsmerkmalen zur Be- schreibung der Anlage auch Konstruktionsdaten, Zeichnungen, Anleitungen, Stücklisten, aber letztlich auch die Zeitreihendaten von den verbauten Sensoren sein. Was liegt also näher, als die Kommunikation zwischen Anlagenhersteller und –betreiber (und ggfs. auch beteiligten Dienstleistern) über das Konzept der Digital Twins zu ermöglichen (vgl. Abbildung 16)? Wichtig sind dabei in jedem Falle ein gutes informationstechnisches Sicher- heitskonzept und ein rechtliches Rahmenwerk, das die Möglichkeit zum Zugriff, zur Nutzung und zur Veränderung der Informationen regelt. Abbildung 16: Kommunikation zwischen Hersteller, Betreiber und Instandhaltungsservices mit Digital Twins © Salzburg Research, 2019 Dabei nützen Hersteller idealerweise einen herstellerübergreifenden Standard zur Beschrei- bung von Anlagen-Informationen. Solche Standards sind in der nahen Vergangenheit bei- spielsweise im Bereich der Strukturierung von digitalen Herstellerinformationen (VDI 2770:
  • 22. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Betrieb und Instandhaltung mittels Digital Twins Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 22 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) s. Abschnitt 6.2 auf Seite 28) oder in der Beschreibung eines Modells für eine „Verwaltungs- schale“ von industriellen Assets in RAMI4.0 erfolgt (DIN SPEC 91345: s. Abschnitt 6.1 auf Seite 27). Die Verwaltungsschale (Asset Administration Shell) bildet die konzeptionelle Grund- lage für die Beschreibung von Digital Twins für industrielle Assets und schafft damit Regeln zur datentechnischen Beschreibung entlang des Lebenslaufs und des damit verbundenen Werteverlaufs einer industriellen Anlage bzw. ihrer Komponenten. Die Betreiber und Instandhaltungsservices erhalten von den Herstellern ein „digitales Informa- tionspaket“, welches sie in ihre Asset Management Systeme, ERP-Systeme oder Instandhal- tungsmanagementsysteme übernehmen können. Es gibt nun zwei wichtige Aspekte, die bei dieser Herangehensweise zu beachten sind: Erstens sind Redundanzen und inkonsistente Informationsstände zu vermeiden, die dadurch entstehen, das Zustandsänderungen in den Informationssystemen des Betreibers nicht an die Hersteller oder Dienstleister gemeldet wer- den. Und zweitens legen viele Hersteller ihre Anlageninformationen (inkl. der Sensor-Daten) in eine Cloud-Anwendung: Dies führt dazu, dass auf der Seite des Betreibers – je nach Anzahl seiner Lieferanten – eine Vielzahl von herstellerspezifischen Clouds zu verwalten ist und eine integrative Sicht auf die Anlagen nicht oder nur mit hohem Aufwand möglich ist. Idealerweise werden demnach die Anlagen-Informationen über eine Plattform zur Verfügung gestellt, die verschiedenen Herstellern und Betreibern gleichermaßen Zugriff auf die Anla- geninformationen gewährt, wobei der Zugriff und die Nutzung der Informationen rollenspezi- fisch geregelt wird.
  • 23. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Anwendungsszenarien in Betrieb und Instandhaltung Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 23 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) 5 Anwendungsszenarien in Betrieb und Instandhaltung Remote Service Konzepte und cloudbasierte Plattformen zur Überwachung und Instandhaltung von Anlagen Georg Güntner, Georg Schäfer, Christoph Schranz Aus der Vielzahl der möglichen Anwendungen von digitalen Zwillingen in der Betriebs- und Instandhaltungsphase sind im Folgenden einige Fallbeispiele angeführt, anhand derer das Po- tenzial für die Verwendung von digitalen Zwillingen aus konzeptioneller und aus praktischer Sicht erkennbar wird. 5.1 Remote Service Konzepte mit dem Digital Twin Eine von Anlagenbauern und –betreibern immer häufiger genutztes Anwendungsszenario für Digital Twins besteht in der Überwachung, Diagnostik und Prognostik von Anlagen. Dabei senden Produktionsanlagen über das Internet der Dinge Betriebsdaten an den Anlagenher- steller (bzw. an einen von diesem bereitgestellten Datenpool oder ein Cloud-Plattform). Durch vertragliche Rahmenbedingungen ist sicherzustellen, dass die Daten nur zu vorgesehenen Zwecken verwendet werden, dass die Daten vor ungerechtfertigtem Zugriff geschützt sind und dass die Daten nicht oder nur für vorgesehene Zwecke (z.B. die Analyse) an Dritte weiterge- geben werden. Der Hersteller muss also den Schutz der Daten (IT-Sicherheit) und der Pri- vatsphäre gewährleisten und vertraglich garantieren. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass der Hersteller auf der Basis der übermittelten Daten viel verlässlichere Diagnosen und Prognosen als der Betreiber der Anlage stellen kann, weil die Berechnungsmodelle (Real-Time Diagnose bzw. Real-Time Analytik) des Herstellers auf einer wesentlich breiteren Datenbasis beruhen. Auch in diesem Szenario können Anforde- rungen wie die frühzeitige Erkennung von ungünstigen Betriebszuständen und die voraus- schauende Instandhaltung (Predictive Maintenance) unterstützt werden. Ein Nachteil dieses Szenarios ist, dass die Betriebsdaten der Anlagen unterschiedlicher Hersteller in unterschied- lichen Cloud-Plattformen gespeichert werden und der Betreiber selbst keinen einheitlichen Überblick über die Gesamtheit seiner Daten hat und diese auch nur schwer in Beziehung zu- einander setzen kann. Die Anlagenhersteller knüpfen an die Sammlung und Auswertung von Betriebsdaten Ge- schäftsmodelle wie Remote Service Konzepte und andere After Sales Services (z.B. Er- satzteil-Lieferungen, Obsoleszenz-Management). Aber auch die Weiterentwicklung und Opti- mierung von neuen Anlagengenerationen kann durch die Analyse der vorliegenden Daten un- terstützt werden, wovon letztlich sowohl der Anlagenhersteller als auch der Betreiber profitie- ren. Im Anlagen- und Maschinenbau gibt es bereits eine Vielzahl von digitalen Service-Konzepten, die auf der sensorischen Erfassung von Anlagendaten und deren Analyse beruhen. Exempla- risch seinen zwei Anwendungen bei KÜNZ GmbH und bei UNTHA shredding technology GmbH dargestellt.
  • 24. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Anwendungsszenarien in Betrieb und Instandhaltung Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 24 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) Beim Vorarlberger Kranbauer KÜNZ GmbH (www.kuenz.com) dient das auf der IoT-Plattform der Firma Senseforce4 beruhende KIS („KÜNZ Information System“) zur Erfassung von Be- triebsdaten: Messwerte der in Häfen und Bahnanlagen auf der ganzen Welt eingesetzten Con- tainer-Kräne werden in einer Datenplattform gesammelt und ausgewertet. Sie erlauben die frühzeitige Erkennung von Materialermüdungen, kritischen Betriebszuständen und erforderli- chen Instandhaltungsmaßnahmen5 . Darauf basierend entwickelt das Unternehmen neue Ge- schäftsmodelle und datenbasierte Services, z.B. für die intelligente Ersatzteilbewirtschaftung, die Einsatzplanung von mobile Service Teams oder die Zusammenlegung von geplanten Rou- tine-Wartungsaufgaben mit vorausschauenden Instandhaltungsmaßnahmen. Die Tennengauer UNTHA shredding technology GmbH (www.untha.com) bietet für die grö- ßeren Modelle der Zerkleinerungsanlagen unter der Bezeichnung „GENIUS“ ein digitales As- sistenzsystem6 an, das die sensorische Erfassung von Betriebsdaten und ihre Darstellung in einem Informations-Dashboard ermöglicht. Damit lassen sich die Produktivität der Anlagen und die Anlagenverfügbarkeit steigern und die Betriebskosten reduzieren. Ebenso sind dro- hende Störungen und Anomalien durch remote Überwachung und Diagnose erkennbar. Die Kunden erhalten über eine eigene Plattform (myUNTHA) einen Zugang zu den wesentlichen KPIs ihrer Anlagen und können aufgrund der Betriebsparameter die Effizienz der Anlage über- wachen. 5.2 Pumpen und ihre digitalen Zwillinge Das deutsche Traditions-Unternehmen KSB erzielt den Großteil seines Umsatzes mit der Ent- wicklung, der Produktion, dem Vertrieb und dem Service von Pumpen. Die Digitalisierung er- öffnete dem „gestandenen“ Maschinenbauer die Chance, die Potenziale der vierten industriel- len Revolution für die Weiterentwicklung eigener Technologie und für die Erschließung neuer digitaler Geschäftsmodelle zu nutzen. Zum Hintergrund: Durch die Abhängigkeit oft großer industrieller Anlagen von der Funktiona- lität einer oder mehrerer Pumpen, ist deren Betriebssicherheit sowohl für die die Anlagenbe- treiber als auch die Hersteller der Pumpen von großem wirtschaftlichem Interesse. Das Ziel von KSB im Rahmen der Digitalisierung bestand darin, durch den Einsatz von digitalen Zwil- lingen eine effiziente Möglichkeit zur Fernüberwachung zu schaffen, einen störungsarmen Be- trieb ihrer Pumpen zu garantieren und den Instandhaltungsbedarf zu minimieren. KSB entwickelte für die Palette der digitalen Produkterweiterungen eine umfassende Lösung für das cloudbasierte Condition Monitoring, die Analyse und die Fernwartung der Pumpen: Mit einem optionalen Modul (KSB PumpMeter7 ) werden charakteristische Betriebsparameter der Pumpen erfasst und an die KSB-Cloud übertragen. In der Cloud entstehen durch die Verknüp- fung von Anlagen-Stammdaten mit den erfassten Betriebsdaten digitale Zwillinge der im Be- trieb eingesetzten Pumpen. Die in den digitalen Zwillingen gesammelten Daten unterstützen nun einerseits KSB bei der Fernüberwachung der Pumpen bzw. ihrer Bauteile, der frühzeitigen Erkennung von Anomalien und Einleitung von Service-Maßnahmen, bei der Optimierung der Energieeffizienz der Pum- 4 Senseforce GmbH: https://senseforce.io/ 5 instandhaltung.de: „Wartung und Schmierstoffanalyse: Damit der Kran länger hebt“ – online: www.instandhaltung.de/praxisan- wendung/wartung-und-schmierstoffanalyse-damit-der-kran-laenger-hebt-114.html 6 UNTHA GENIUS: www.untha.com/de/produkte/GENIUS 7 KSB PumpMeter: www.ksb.com/ksb-de/Produkte_Leistungen/Industrietechnik/PumpMeter/
  • 25. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Anwendungsszenarien in Betrieb und Instandhaltung Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 25 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) pen, aber auch bei der Entwicklung und Einführung von nutzungsbezogenen Geschäftsmo- dellen („Pump-as-a-Service“). Andererseits erhalten auch die Betreiber die Möglichkeiten zur effizienten Überwachung ihrer Pumpen oder zur frühzeitigen Erkennung von Störungen, indem sie beispielsweise auf einem mobilen Endgerät die Kennwerte der Pumpen in Echtzeit anzei- gen oder Alarme über vorliegende Störungen melden. 5.3 Robotik in der Cloud Mit KUKA Connect8 stellt das für seine orangefarbenen Robotersysteme bekannte Automati- sierungsunternehmen KUKA eine cloudbasierte Plattform für die Verwaltung von Robotersys- temen und für die Sammlung und Analyse von Betriebsdaten zur Verfügung. Mit Hilfe der Soft- ware-Plattform lassen sich Daten von KUKA Robotern sammeln, verschlüsseln und über eine sichere Verbindung in die Cloud übertragen. Damit entsteht in der Cloud ein digitales Abbild der Anlagen und ihrer Betriebsdaten: der Digital Twin eines Robotersystems. Dieser Digital Twin unterstützt die Aufgaben des Asset Managements (Anlagenverwaltung) und eine Opti- mierung des Betriebs und der Instandhaltung der Anlagen. Über die Netzwerk-Kommunikationsschnittstelle werden Roboterdaten am Gateway empfan- gen und im nächsten Schritt verschlüsselt an die KUKA-Cloud übertragen. Über die KUKA Connect Weboberfläche kann mit einem beliebigen internetfähigen Gerät auf die in der Cloud verfügbaren Informationen zugegriffen werden: Es stehen dabei verschiedene Features und Funktionen zu Verfügung, die die Überwachung und Instandhaltung erleichtern. Durch das „Wartungsfeature“ kann beispielsweise automatisiert eine Zeitplanung vorgenommen werden, um einen optimalen Zustand der verbundenen Roboter zu gewährleisten. In der Betriebsphase der Roboter wird an verschiedene anfallende Wartungsaufgaben (wie Basisinspektionen, Datensicherungen, Getriebespielmessungen, Elektrowartungen und Rie- menwechsel) erinnert. Über das KUKA Connect Interface können die geplanten Wartungen jedes einzelnen Roboters anhand einer Zeitleistenansicht überwacht werden. Des Weiteren können Wartungsereignisse in einem Wartungsprotokoll dargestellt werden. Nach Abschluss einer geplanten Wartungsaufgabe können die abgeschlossenen Aufgaben entsprechend do- kumentiert werden. KUKA Connect ermöglicht die Fernüberwachung der Betriebszustände und Fehlerprotokolle eines Roboters. Durch die Analyse von historischen Daten wird der Normalzustand des Robo- ters erlernt. Eine ebenfalls verfügbare Anomalie-Erkennung identifiziert Abweichungen vom normalen Betriebsablauf und stellt diese entsprechend dar. Gegebenenfalls werden Maßnah- men und erforderliche Korrektur-Aktionen vorgeschlagen. Administratoren können mittels KUKA Connect eine Alarmverwaltung erstellen. Damit werden Anwender über bestimmte, für sie relevante Alarme informiert. Zu den verfügbaren Alarmen zählen beispielsweise gestoppte Roboterbewegungen, Statusänderungen, diverse Informati- onen und Dialoge. Die Alarmierung erfolgt per SMS oder E-Mail. 8 KUKA Connect: https://connect.kuka.com/
  • 26. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Im Dickicht der Standards Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 26 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) 6 Im Dickicht der Standards Ausgewählte neue Standardisierungsinitiativen in der Virtualisierung von Anlagen und im digitalen Anlagen-Lebenszyklus Georg Güntner, Dietmar Glachs, Simon Kranzer Die Digitalisierung der industriellen Fertigungs- und Instandhaltungsprozesse mit Hilfe von Di- gital Twins setzt einen hohen Grad an Vernetzung der Anlagen, ihrer Komponenten sowie den sie steuernden Systemen voraus. Industrie 4.0 beruht auf der Integration unterschiedlicher IT- Systeme unter der Maßgabe der betrachteten Geschäftsprozesse und der Phasen des Anla- gen- bzw. Produkt-Lebenszyklus. Wenn diese Integration nachhaltig gelingen soll, sind Archi- tekten und Entwickler der Industrie 4.0-Lösungen gut beraten, standardisierte Schnittstellen, Informationsstrukturen und Protokolle zu verwenden. Der folgende Beitrag beinhaltet eine Auswahl von (neueren) Standards, die für die Konzeption und Entwicklung von digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus relevant sind. Im Zusammenhang mit der Planung und Umsetzung von Digitalisierungsvorhaben im Anlagen- Lebenszyklus ist zu berücksichtigen, dass Digitalisierung nie eine Frage der Technologie allein ist, sondern dass der Erfolg nur über das Zusammenspiel von technologischen, organisatori- schen und kompetenzbildenden Maßnahmen führt. Darüber hinaus haben digitale Infrastrukturen und die ihnen zugrundeliegenden Standards je nach der betrachteten Phase im Asset-Life-Cycle eine unterschiedliche Bedeutung: So sind im Engineering andere Standards relevant wie in der Betriebs- und Instandhaltungsphase. Wieder andere Prioritäten gelten bei einer Lebenszyklus-übergreifenden Betrachtung von An- lagen im Asset Management. Eine Reihe von weiteren relevanten Standards ist in der folgenden Auflistung angeführt – auch diese erhebt nicht den Anspruch auf Vollständigkeit (die hervorgehobenen Standards werden in den nachfolgenden Kapiteln vorgestellt):  DIN 77005-1: Lebenslaufakte für technische Anlagen (Teil 1)  DIN EN 16646: Instandhaltung im Rahmen des Anlagenmanagements  DIN EN 62264: Integration von Unternehmens-EDV und Leitsystemen  DIN SPEC 91345: RAMI 4.0 und die Verwaltungsschale  eCl@ss: Stammdaten-Standard für Produkte und Dienstleistungen  EN 17007: Instandhaltungsprozess  IEC 61360: Common Data Dictionary  ISO 23247: Digital Twin Manufacturing Framework  ISO 55000 ff: Asset Management  VDI 2206: Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme  VDI 2770: Digitale Herstellerinformation  VDMA 40001-1: OPC UA for Machinery Die nachfolgend getroffene Auswahl umfasst einige (aber längst nicht alle) für die Konzep- tion von Digital Twins relevante Standards. Eines der Auswahlkriterien ist die Aktualität und die Neuigkeit der Normen. Ein anderes die Abdeckung von technologischen und organisato- rischen Aspekten der Einführung und Nutzung von Digital Twins.
  • 27. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Im Dickicht der Standards Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 27 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) 6.1 DIN SPEC 91345: RAMI4.0 und die Verwaltungsschale Steckbrief Code DIN SPEC 91345 Bezeichnung Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI4.0) Details of the Asset Administration Shell Datum / Status 2016-04 bzw. 2018-11 Information https://www.beuth.de/de/technische-regel/din-spec- 91345/250940128 https://www.plattform-i40.de/PI40/Redaktion/DE/Downloads/Publi- kation/2018-verwaltungsschale-im-detail.html Das von der Plattform Industrie 4.09 entwickelte Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0, kurz RAMI 4.0, stellt eine grundlegende Architektur für Industrie 4.0 unter Verwendung eines drei- dimensionalen Schichtenmodells vor. RAMI 4.0 schafft mit dem Konzept der Verwaltungsschale (Synonyme: Industrie 4.0 Kompo- nente, Asset Administration Shell, kurz AAS) die Voraussetzung der Abbildung von techni- schen Gegenständen (Assets) in der IT-Welt. Sie legt also damit den konzeptionellen Grund- stein für die Beschreibung von Digital Twins für industrielle Assets und schafft damit Regeln zur datentechnischen Beschreibung entlang des Lebenslaufs und des damit verbundenen Werteverlaufs einer industriellen Anlage bzw. ihrer Komponenten. Abbildung 17: Asset Administration Shell – Informationsbausteine © Salzburg Research, 2020 Für die Plattform Industrie 4.0 hat die Verwaltungsschale folgende Funktionen: Sie  bindet Assets in die Industrie 4.0 Kommunikation ein.  ist im Netz adressierbar und identifiziert das Asset eindeutig.  erlaubt den kontrollierbaren Zugriff auf alle Informationen des Gegenstands.  hat eine standardisierte und sichere Kommunikationsschnittstelle und schafft dadurch eine herstellerübergreifende Interoperabilität.  kann intelligente und nicht intelligente („passive“) Assets (ohne Kommunikationsschnitt- stelle) einbinden, z.B. über Bar oder QR Codes.  bildet den gesamten Lebenszyklus von Produkten, Geräten, Maschinen und Anlagen ab. 9 Plattform Industrie 4.0: www.plattform-i40.de
  • 28. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Im Dickicht der Standards Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 28 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) Details der Verwaltungsschale wurden im November 2018 von der Plattform Industrie 4.0 in Kooperation mit dem ZVEI unter dem Titel „Details of the Asset Administration Shell. Part 1 - The exchange of information between partners in the value chain of Industrie 4.0 (Version 1.0)“ veröffentlicht ([pi40zvei2020]). Die Verwaltungsschale ist als Format für den Datenaustausch in durchgängigen Wertschöp- fungsketten der Industrie 4.0 konzipiert. Eine Kommunikation zwischen einer aufrufenden Ap- plikation und einer Industrie 4.0 Komponente folgt somit vordefinierten Mustern und die jewei- lige Antwort muss immer im vordefinierten Format der Verwaltungsschale erfolgen. Devices und Anwendungen können so die Informationen und Befehle erkennen und interpretieren. Quelle: Plattform Industrie 4.0, DIN SPEC 91345, Wikipedia 6.2 ISO 55000: Asset Management Steckbrief Code ISO 55000, ISO 55001, ISO 55002 Bezeichnung Asset Management (Übersicht und Prinzipien; Anforderungen; Richt- linien zur Umsetzung) Datum / Status 2014 Information de.wikipedia.org/wiki/Anlagenwirtschaft www.iso55000.de Asset Management gewährleistet die optimale Nutzung von Anlagen, um die Geschäftsziele einer Organisation nachhaltig zu erreichen. Die Normenserie ISO 55000 beschreibt die Auf- gaben und Inhalte des Asset Managements, dessen Aktivitäten aus fünf Kernfunktionen be- stehen:  dem wertorientierten Verwalten der Assets über den gesamten Lebenszyklus hinweg,  der Organisation des Einsatzes und der Zustandserhaltung der Assets,  der Reduktion des Ersatzbedarfs durch maximales Nutzen und Erhalten der Assets,  der Wertsteigerung durch Erweitern der Nutzungsmöglichkeiten und Verringern der Erhal- tungskosten,  der Erzeugung und Bereitstellung von Asset-bezogenen Informationen, z.B. über den Ver- lauf und die Prognose des Anlagenzustandes zur Entscheidungsunterstützung. Die Kernfunktionen des Asset Managements erstrecken sich über alle Lebenszyklus-Phasen (Life Cycle) von Anlagen: Beginnend mit Konzeption und Planung über Beschaffung und Er- richtung, Betrieb, Instandhaltung und Optimierung bis hin zum Rückbau der Anlagen. Die Einführung des betrieblichen Asset Management bedingt die Entwicklung einer Asset Ma- nagement Strategie bzw. eines entsprechenden Management Systems: Die Elemente eines Anlagenmanagementsystems werden ausführlich in den Normen ISO 55000, ISO 55001 und ISO 55002 beschrieben:  ISO 55000 bietet eine Übersicht über die Grundlagen, Leitlinien und Begriffe des Asset Managements.  ISO 55001 definiert die Anforderungen an ein Asset Management System. Unternehmen können ihr Asset Management System nach ISO 55001 zertifizieren lassen.  ISO 55002 schließlich bietet Richtlinien zur Umsetzung der in ISO 55001 definierten An- forderungen an das Asset Management System.
  • 29. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Im Dickicht der Standards Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 29 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) 6.3 DIN 77005: Lebenslaufakte für technische Anlagen Steckbrief Code DIN 77005-1 Bezeichnung Lebenslaufakte für technische Anlagen - Teil1: Strukturelle und in- haltliche Festlegungen Datum / Status 2018-09 Information www.beuth.de/de/norm/din-77005-1/290281150 Die fortschreitende Digitalisierung im Bereich technischer Anlagen veranlasste den Standard- ization Council Industrie 4.0 (https://sci40.com), die DIN und den VDE|DKE, eine einheitliche Lebenslaufakte für industrielle Anlagen, deren Bauteile und Komponenten zu schaffen. Die daraus entstandene DIN 77005-1 findet Anwendung bei Lebenslaufakten für technische Anla- gen in der Verfahrenstechnik, in der Energietechnik und in der Produktionstechnik. Die Nutz- nießer der Norm sind unter anderem Entwickler, Planer, Anlagenbetreiber, Instandhaltungs- dienstleister und Gutachter, die auf qualitativ hochwertige und aktuelle Informationen über die Anlagen im Zuge ihre Asset Management Aufgaben angewiesen sind. Die DIN 77005-1 erlaubt die übersichtliche Ablage von Dokumenten und relevanten Daten in einer digitalen Lebenslaufakte. Dies schafft in einem Bereich, der von Hersteller-dominierten proprietären Strukturen dominiert wird, Transparenz, Übersichtlichkeit und Vergleichbarkeit bei der Beschreibung von anlagenbezogenen Informationen über den Lebenszyklus hinweg. Um den unterschiedlichen Anforderungen der beteiligten Akteure gerecht zu werden, werden die Inhalte in einer nach DIN 77005-1 aufgebauten Lebenslaufakte rollenspezifisch geordnet: Die Norm erlaubt eine Unterscheidung zwischen technischer, rechtlicher, ökonomischer und prozesstechnischer Sicht auf die Informationen und Dokumente. Quelle: DIN 77005-1, Redaktion QZ (Hanser Verlag, www.hanser.de) 6.4 VDI 2770: Digitale Herstellerinformation Steckbrief Code VDI 2770 Blatt 1 Bezeichnung Betrieb verfahrenstechnischer Anlagen - Mindestanforderungen an digitale Herstellerinformationen für die Prozessindustrie - Grundlagen Datum / Status 2018-10 / Entwurf Information www.vdi.de/richtlinien/details/vdi-2770-blatt-1-betrieb-verfahrenstech- nischer-anlagen-mindestanforderungen-an-digitale-herstellerinforma- tionen-fuer-die-prozessindustrie-grundlagen Für die Übergabe von Dokumenten zwischen Anlagenherstellern, -betreibern und Instandhal- tungsdienstleistern kommen heute zumeist historisch gewachsene, proprietäre Kommunikati- onsstrukturen zur Anwendung. Die Richtlinie VDI 2770 Blatt 1 schafft einen Standard für die Struktur und den Austausch von Herstellerinformationen. Nach VDI 2770 strukturierte Unter- lagen enthalten Informationen, die für die richtige Auslegung, Aufstellung, Inbetriebnahme, Er- satzteilbevorratung, Bedienung, Reinigung, Inspektion, Wartung und Instandsetzung erforder- lich sind. Darüber hinaus schreiben gesetzliche Bestimmungen das Vorhandensein bestimm- ter Herstellerunterlagen vor, wie z.B. CE-Konformitätserklärungen, ATEX-Zertifikate oder Werkstoffzeugnisse. Die Übertragung dieser Informationen in die IT-Systeme der Anlagenbe- treiber wird durch die Richtlinie vereinheitlicht, um den Aufwand für Hersteller und Betreiber zu minimieren und dadurch Zeit und Kosten zu sparen.
  • 30. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Im Dickicht der Standards Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 30 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) Die Standardisierung der Struktur von digitalen Herstellerinformationen ist eine Grundvoraus- setzung für die vollautomatisierbare digitale Übertragung der Informationen aus den IT-Syste- men des Herstellers in die IT-Systeme des Betreibers. Durch die Standardisierung kann zu- künftig jede Einzelinformation eindeutig identifiziert und in allen IT-Systemen abgerufen wer- den. Dis reduziert das ressourcenintensive Suchen in der Herstellerdokumentation weitestge- hend. Bei gleichem Ressourceneinsatz wird so eine deutliche Intensivierung der Nutzung von technischen Informationen zur Verbesserung der Prozessabläufe in Produktionsanlagen er- möglicht. Durch die Standardisierung der Herstellerinformation nach VDI 2770 werden verbindliche Re- geln für den Austausch digitaler anlagenbezogener Informationen geschaffen. Dies unterstützt die Konzeption und Einführung von digitalen Zwillingen (dem digitalen Abbild einer realen An- lage) insofern, als nun eindeutig festgelegt ist, zu welchem Zeitpunkt im Prozess welches Do- kument mit welchem Inhalt vorhanden sein muss. Die Richtlinie VDI 2770 klassifiziert die Do- kumententypen in vier Gruppen (Identifikation, technische Beschaffenheit, tätigkeitsbezogene Dokumente und Vertragsunterlagen) mit insgesamt 12 Kategorien (beispielsweise das elekt- ronischen Typenschild, 3D-Modelle, Stücklisten, Montage-, Gebrauchs- und Wartungsanlei- tungen, sowie Lieferscheine und Rechnungen). Quelle: VDI 2270 Blatt 1, VDI (www.vdi.de) 6.5 VDMA 40001-1: OPC UA for Machinery Steckbrief Code VDMA 40001-1 (Draft), OPC 40001-1 (Release Candidate) Bezeichnung OPC UA for Machinery Datum / Status 2020-06 / Entwurf Information https://opcua.vdma.org/ Die OPC Foundation hat mit den Companion Specifications die Möglichkeit geschaffen spezi- elle Informationsmodelle für OPC UA zu definieren. Bis dato sind, neben anderen, etwa die Specifications für Robotik, für Werkzeugmaschinen und für CNC-Systeme erschienen. Wei- tere Informationsmodelle befinden sich in einem Draft-Status. Die Companion Specification OPC UA for Machinery liegt aktuell in einer Draft-Version der VDMA vor. Sie nimmt eine Son- derrolle innerhalb der Informationsmodelle ein. Abbildung 18: OPC UA for Machinery Quelle: VDMA 4001-1 (eigene Darstellung)
  • 31. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Im Dickicht der Standards Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 31 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) Da alle Companion Specifications grundlegende Informationen und Funktionen benötigen wer- den diese durch die OPC UA for Machinery zusammengefasst. Diese bildet damit die Grund- lage, um alle aus den anderen Specifications resultierenden Basisinformationsmodelle zusam- menführen. In Building Blocks für Maschinen werden Maschinenkomponenten definiert, um letztendlich ganze Maschinen abbilden zu können. Aktuell liegt Teil 1 als Entwurf der VDMA (VDMA 40001-1:2020-06) bzw. der OPC-Foundation (OPC 40001-1) vor, der die Anwen- dungsfälle „Identifikation und Namensschild von Maschinen“ und „Finden aller Maschinen im Server“ behandelt. Weitere Anwendungsfälle folgen in den kommenden Jahren. Das Ziel der VDMA und der OPC-Foundation ist dabei kein einzelnes Informationsmodell, das alle Maschinen abbilden kann, sondern verallgemeinernde Konzepte, die es erlauben einzelne Maschinen aus Bausteinen zusammenzusetzen und mit darüber liegenden Companion Spe- cifications genauer zu beschreiben. Zusammenfassen sind die Ziele der OPC UA for Machi- nery die Harmonisierung der Informationsmodelle im Maschinen- und Anlagenbau und die De- finition von Informations-Bausteinen zur Modellierung von Maschinen und Anlagen. Quelle: VDMA, OPC-Foundation
  • 32. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Referenzen Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 32 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) Anhang A: Referenzen Literaturverzeichnis [Berg2016] David Bergström und Robert Göransson: „Model- and Hardware-in-the- Loop Testing in a Model-Based Design Workflow,” Masterthesis an der Fachhochschule Salzburg, 2016. [BMWi2016] Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), Plattform Indust- rie 4.0 (Herausgeber): „Ergebnispapier: Struktur der Verwaltungsschale - Fortentwicklung des Referenzmodells für die Industrie 4.0-Kompo- nente“ (2018). Online: bit.ly/2LTOvWW [Brökel2015] Jan Brökelmann: „Systematik der virtuellen Inbetriebnahme von auto- matisierten Produktionssystemen“. In: Digitale Sammlungen der Univer- sität Paderborn (Heinz-Nixdorf-Institut). ISSN 2195-5239. Verlagshaus Monsenstein und Vannerdat OHG (Münster). 2015. Online: https://core.ac.uk/reader/50519522 [DIN91345-2016] DIN SPEC 91345:2016-04 "Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI4.0)". 2016-04. Online: https://www.beuth.de/de/technische-re- gel/din-spec-91345/250940128 [EN16646] DIN EN 16646 (2014): Instandhaltung – Instandhaltung im Rahmen des Anlagenmanagements [Gartner2017] Gartner Inc. (Christy Pettey): „Prepare for the Impact of Digital Twins“ (2017). Online: www.gartner.com/smarterwithgartner/prepare-for-the- impact-of-digital-twins/ [Guen2015c] Georg Güntner, Michael Benisch, Andreas Dankl, Jutta Isopp (Hrsg.): “Roadmap der Instandhaltung 4.0 ” - bit.ly/1IFGJfu, Mai 2015. [Guen2018g] Georg Güntner, Lydia Höller (Hrsg.): „Die digitale Transformation der In- standhaltung“, White Paper. Projektkonsortium i-Maintenance. Novem- ber 2018. Online: www.maintenance-competence-center.at/i-mainte- nance/digitale-transformation/ [Han2018a] Hannover-Messe: „Die IoT-Industrie geschieht doppelt“ (2018). Online: www.hannovermesse.de/de/news/die-iot-industrie-geschieht-doppelt- 64456.xhtml [Han2018b] Hannover-Messe: „Auf ewig verbunden“ (2018). Online: www.hannover- messe.de/de/news/top-themen/digital-twin/ [iot-analyt2020] IoT Analytics GmbH: „How the world’s 250 Digital Twins compare? Same, same but different.“ (2020) – online: https://iot-analy- tics.com/how-the-worlds-250-digital-twins-compare/ [ISG2020] Stefan Scheifele: „ISG empfiehlt Strategien zur virtuellen Inbetrieb- nahme“ (2020). Online: https://wirautomatisierer.industrie.de/smart-fac- tory/isg-empfiehlt-strategien-zur-virtuellen-inbetriebnahme/ [ISO55000] ISO 55000 (2014): Asset Management - Übersicht und Prinzipien des Asset Managements; ISO 55001 (2014) Anforderungen an die Anlagen- wirtschaft als „Managementsystem“; ISO 55002 (2014) Leitlinie zur Ein- führung eines Anlagenwirtschaftssystems [Kritz2018] Werner Kritzinger, Matthias Karner, Georg Traar, Jan Henjes, Wilfried Sihn: „Digital Twin in manufacturing: A categorical literature review and classification“. IFAC-PapersOnLine, Volume 51, Issue 11, 2018, p. 1016 ff., ISSN 2405-8963
  • 33. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Referenzen Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 33 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) [pi40zvei2020] Plattform Industrie 4.0: „Details of the Asset Administration Shell“; Fed- eral Ministry of Economic Affairs and Energy, 2020. Online: https://www.plattform-i40.de/PI40/Redaktion/DE/Downloads/Publika- tion/Details-of-the-Asset-Administration-Shell-Part1.pdf [RAMI40-2017] Heidel R., Hoffmeister M., Hankel M., Döbrich U.; „Basiswissen RAMI4.0 – Referenzarchitekturmodell mit Industrie 4.0 Komponente“; Beuth Ver- lag Berlin, 2017, ISBN 978-3-410-26482-8 [Rode2018] Gerda Rodewald: „Virtuelle Inbetriebnahme einer Werkzeugmaschine mittels Hardware-in-the-Loop“, Masterthesis an der Fachhochschule Salzburg, 2018. [Spring2017] Springer Gabler Verlag (Herausgeber), Gabler Wirtschaftslexikon: „Digi- taler Zwilling“ (2017). Online: wirtschaftslexikon.gabler.de/definition/digi- taler-zwilling-54371/version-189152 [VDI2206] VDI 2206: Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme, Juni 2004. Online: https://www.vdi.de/richtlinien/details/vdi-2206-entwick- lungsmethodik-fuer-mechatronische-systeme [VDI2770] VDI 2770 Blatt 1: „Betrieb verfahrenstechnischer Anlagen - Mindestan- forderungen an digitale Herstellerinformationen für die Prozessindustrie – Grundlagen“. 2018-10 / Entwurf. Online: www.vdi.de/richtlinien/de- tails/vdi-2770-blatt-1-betrieb-verfahrenstechnischer-anlagen-mindest- anforderungen-an-digitale-herstellerinformationen-fuer-die-prozessin- dustrie-grundlagen [VDI3693] VDI/VDE 3693 Blatt 1: Virtuelle Inbetriebnahme – Modellarten und Glossar, August 2016. Online: https://www.vdi.de/richtlinien/de- tails/vdivde-3693-blatt-1-virtuelle-inbetriebnahme-modellarten-und- glossar [VDI4499] VDI 4499 Blatt 1: Digitale Fabrik – Grundlagen, Februar 2008. Online: https://www.vdi.de/richtlinien/details/vdi-4499-blatt-1-digitale-fabrik- grundlagen [VDMA40001] VDMA 40001-1: 2020-06 OPC UA for Machinery – Part 1: Basic Building Blocks, Juni 2020. Online: https://opcua.vdma.org/catalog-detail/-/ca- talog/3803 [Wiki2018] Wikipedia: “Digital Twin” (2018). Online: en.wikipedia.org/wiki/Digi- tal_Twins
  • 34. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Digitales Transferzentrum Salzburg (DTZ) Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 34 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) Anhang B: Digitales Transferzentrum Salzburg (DTZ) Das Digitale Transferzentrum Salzburg (DTZ Salzburg) ist eine vom Land Salzburg im Rah- men der Wissenschafts- und Innovationsstrategie Salzburg 2025 (WISS 202510 ) geförderte Maßnahme. Durch Bündelung der Forschungskompetenzen der Fachhochschule Salzburg und Salzburg Research im Bereich der Digitalisierung erhalten heimische Betriebe - insbeson- dere kleine und mittelständische Unternehmen - Zugang zu aktuellen Forschungsergebnissen, Innovationen und Digitalisierungs-Technologien. Themenfelder des DTZ Thematisch ist das Digitale Transferzentrum in den folgenden Feldern der Digitalisierung tätig: Digital Twins, Smart Logistics & Mobility, Kollaborative Fertigung sowie Digitale Geschäftsmo- delle & Smart Services. Digital Twins Durch Industrie 4.0 werden die reale und virtuelle Welt zunehmend ver- netzt, Mensch und Maschine arbeiten Hand in Hand. Digital Twins, das virtuelle Abbild eines Produkts, einer Produktionsanlage oder eines Prozesses, spielen eine immer größere Rolle im gesamten Produkt- bzw. Anlagenlebenszyklus. In Demonstrationslabors veranschaulichen Show Cases und Demonstratoren die Anwendungs- und Nutzungssze- narien in den Bereichen Engineering, Betrieb und Instandhaltung. Smart Logistics & Mobility Gemeinsam mit Unternehmen entwickeln wir aktuelle Werkzeuge, Me- thoden und Lösungen aus der Grundlagenforschung im Bereich Digita- lisierung und Industrie 4.0 für die praktische Anwendung weiter. Wir ad- ressieren dabei insbesondere die unternehmensübergreifenden Her- ausforderungen, die neben technischen Aspekten auch betriebswirt- schaftliche oder rechtliche Herausforderungen umfassen. Die Erforder- nisse und Herausforderungen von KMU werden dabei besonders be- rücksichtigt, um die Supply Chain als Ganzes für die digitale Zukunft zu qualifizieren. Des Weiteren bilden selbstfahrende Transportmittel eine wesentliche Voraussetzung für zukünftige Formen der Mobilität. Sowohl Warenlo- gistik wie auch Personentransport mit autonomen Fahrzeugen bieten neue Herausforderungen und Chancen, die gemeinsam mit Unterneh- men weiterentwickelt werden. Kollaborative Fertigung Die Digitalisierung bietet neue Möglichkeiten durch die zunehmende Variantenvielfalt, Fertigung kleiner Stückzahlen ohne signifikante Um- rüstzeiten oder die Fertigung von Einzelstücken aufgrund individueller Kundenwünsche. Hinzu kommen Einschulung oder Anleitung von Ma- schinenbedienern und Montagepersonal während der laufenden Pro- duktion sowie die temporäre Verlagerung von Produktionsprozessen. Eine dynamische Kollaboration zwischen Menschen und Maschine, mit 10 Wissenschafts- und Innovationsstrategie Salzburg 2025 (WISS 2025): https://www.salzburg.gv.at/themen/wirtschaft/wissen- schaftsstrategie
  • 35. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Digitales Transferzentrum Salzburg (DTZ) Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 35 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) weichen Grenzen der Zuordnung von Arbeitsabläufen und wechselsei- tigen Kontrollfunktionen und der Erfahrungsaustausch zwischen Men- schen und selbstlernenden Systemen sind essentiell für die Verwirkli- chung der Konzepte von digitalen Fabriken. In den Robotik-Labors des DTZ arbeiten Menschen und kollaborative Roboter Hand in Hand. Digitale Ge- schäftsmodelle & Smart Ser- vices Digitale Geschäftsmodelle und neue Formen der Dienstleistungen wer- den in vielen Branchen und Unternehmen zu einer digitalen Transfor- mation führen: Durch Einsatz von Sensorik werden Verbrauchsdaten ermittelt, aufbereitet und ausgewertet. Support-Prozesse, wie zum Bei- spiel automatisierte Bestellvorgänge oder vorbeugende Instandhaltung werden mittels Prognoseverfahren automatisiert. Technologie-De- monstratoren, Datenbanken und Modelle zeigen die betriebswirtschaft- lichen Potentiale digitaler Wertschöpfungsketten. Leistungsumfang Das Digitale Transferzentrum versteht sich als Partner von Industrie und KMU und bietet Transferleistungen mit folgendem Leistungsumfang: Veranstaltungen  Zugang zu aktuellen Forschungsergebnissen  Einblick in erfolgreiche Unternehmensprojekte (Best Practice)  Übersicht zum Stand der Technik in den Themenschwerpunkten des DTZ  Anregungen und Ideen für eigene Digitalisierungsprojekte  Vernetzung mit Experten aus Industrie und Wissenschaft Kleingruppenmodule zu Spezialthemen  Wissensvermittlung zu den Themenschwerpunkten des DTZ  Präsentation von Technologie-Demonstratoren und Use-Cases  Machbarkeits- und Potentialeinschätzungen anhand konkreter Unternehmens-Use-Cases  Diskussion und Erarbeitung möglicher Anwendungsfälle Persönlicher Kontakt  DTZ- Office für die direkte und schnelle Kontaktaufnahme  Vermittlung der ForschungsexpertInnen der Salzburg Research und FH Salzburg.  Vor-Ort-Gespräch im Unternehmen zu Anforderungen, Zielen und Lösungsansätzen  Entwicklung von Projekt- bzw. Umsetzungsvorschlägen
  • 36. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Die White Papers des DTZ im Überblick Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 36 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) Anhang C: Die White Papers des DTZ im Überblick Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Die Virtualisierung von Anlagen, Produkten und Prozes- sen ist ein zentraler Baustein der Digitalisierung in der industriellen Fertigung. Dabei spielt das Konzept der di- gitalen Zwillinge eine zunehmend wichtige Rolle: Digital Twins schaffen ein digitales Abbild der realen Objekte des industriellen Wertschöpfungsprozesses und ermög- lichen eine informationstechnische Beschreibung von Anlagen über deren Lebenszyklus hinweg. Im White Paper "Digital Twins im Anlagen-Lebenszyk- lus" werden die im DTZ gesammelten und umgesetzten Konzepte für Digitale Twins zusammengefasst: Neben den konzeptionellen Grundlagen von Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus werden auch Beispiele für deren Anwendung in der industriellen Praxis dargestellt. Die Auswahl der Beiträge erfolgte vor dem jeweiligen fachli- chen Hintergrund der Autoren: Der thematische Fokus liegt einerseits auf Anwendungen in der Entwicklungs- und Inbetriebnahme-Phase, und andererseits auf der Nutzung in der Betriebs- und Instandhaltungs-Phase von Anlagen. Ein Beitrag über die grund- legende Kategorisierung von Digital Twins, die Darstellung relevanter Standards und ein Lite- raturverzeichnis für weiterführende Informationen zum Thema Digital Twins runden den Be- richt ab.  Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.): "Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus". Mit Bei- trägen von Michael Eberle, Dietmar Glachs, Simon Kranzer, Georg Schäfer, Christoph Schranz. White Paper des DTZ Salzburg. © Salzburg Research, FH Salzburg, 2020. Digitale Geschäftsmodelle und Smart Services Reine Produkt- oder Prozessinnovationen sind für In- dustrieunternehmen nicht mehr ausreichend, stattdes- sen werden vermehrt auch neue Dienstleistungen oder Kombinationen aus Produkten und Dienstleistungen, so- genannte hybride Geschäftsmodelle entwickelt. Das Konzept des Geschäftsmodells stellt dabei die Logik ei- nes Unternehmens dar, d.h. welche Wertangebote (z.B. Produkte, Dienstleistungen) das Unternehmen dem Kunden anbietet, wie das Unternehmen dieses Wertan- gebot erstellt und wie das Wertangebot monetarisiert wird. Im White Paper "Digitale Geschäftsmodelle und Smart Services" werden die im Digitalen Transferzentrum Salz- burg (DTZ) gewonnenen Erkenntnisse zu Geschäftsmo- dellinnovationen und Smart Services vorgestellt. Begin-
  • 37. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Die White Papers des DTZ im Überblick Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 37 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) nend mit einem Beitrag über hybride und offene Geschäftsmodellinnovationen stellt das Whi- tepaper weiterhin Besonderheiten von Geschäftsmodellinnovationen im Kontext der Digitalen Transformation vor. Ein weiteres Kapitel legt unterschiedliche Methoden zum Innovieren von Geschäftsmodellen dar, beispielsweise den Business Model Navigator, den Business Model Canvas, die Übertragung von TRIZ auf Geschäftsmodellinnovationen, sowie das Platform In- novation Toolkit. Weitere Inhalte umfassen typische Herausforderungen und Strategien bei der Implementierung von Geschäftsmodellinnovationen sowie ein Anwendungsbeispiel, in dem ein Demonstrator aus dem DTZ zum Thema Smart Service genauer erläutert wird.  Julian Müller, Markus Lassnig, Karin Klieber: "Digitale Geschäftsmodelle und Smart Ser- vices". White Paper des DTZ Salzburg. © Salzburg Research, FH Salzburg, 2020. Smart Logistics Effiziente und nachhaltige Supply Chains sind für Unter- nehmen, nicht zuletzt aufgrund der globalen Krisen der letzten Jahre, zu einem entscheidenden Wettbewerbs- faktor geworden. Während sich die Industrie 4.0 Bemü- hungen vieler Unternehmen immer noch auf die Optimie- rung der eigenen internen Logistik- und Produktionspro- zesse fokussiert, sind Unternehmen mit der umfassen- den digitalen Transformation ihrer unternehmensüber- greifenden Wertschöpfungsnetzwerke vielfach überfor- dert. Der Einsatz von Informations- und Kommunikati- onstechnologie in der Supply Chain führt zu einem zu- nehmenden Datenaustausch zwischen den Unterneh- men und neue technologische Entwicklungen erhöhen zwar die Transparenz und Flexibilität, gleichzeitig verän- dert sich aber auch grundlegend die Art und Weise, wie Unternehmen in komplexen Wertschöpfungsnetzwerken zusammenarbeiten. Im White Paper "Smart Logistics" werden unterschiedliche Möglichkeiten aufgezeigt, wie die Digitalisierung des Supply Chain Managements in der Literatur beschreiben wird, und wie sie auch in der Praxis anhand von konkreten Beispielen umgesetzt werden kann. Das Whitepaper gliedert sich in eine technologische Perspektive und eine organisatorische Perspektive. In der technologischen Perspektive werden dabei die Themen Process Mining, RFID, ein automati- siertes Bestellsystem, sowie der Einsatz von Augmented Reality in der Kommissionierung be- trachtet. Organisatorisch stehen die Lieferantenintegration von Industrie 4.0 sowie Supply Chain Risk Management im Fokus.  Veit Kohnhauser (Hrsg): "Smart Logistics". Mit Beiträgen von Margot Elwischger, Michael Huber, Julia Kemeder, Julian M. Müller, Monika Schobesberger, Alexander Zeisler. White Paper des DTZ Salzburg. © Salzburg Research, FH Salzburg, 2020.
  • 38. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Autoren Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 38 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) Anhang D: Autoren Herausgeber Georg Güntner ist Senior Researcher bei der Salzburg Research For- schungsgesellschaft, einem unabhängigen Forschungsinstitut mit dem Schwerpunkt Motion Data Intelligence mit Sitz in Salzburg. Die Schwer- punkte seiner Arbeit liegen im Bereich der Begleit- und Akzeptanzfor- schung von Internet-Technologien und des Internets der Dinge in Produk- tions- und Instandhaltungsunternehmen. Er koordiniert das "Maintenance Competence Center" und die IoT-Gruppe Salzburg. Im DTZ Salzburg lei- tet er bei Salzburg Research das Themenfeld Digital Twins. Simon Hoher ist Senior Lecturer am Studiengang „Informationstechnik & System-Management“ der Fachhochschule Salzburg und leitet den Fach- bereich Mechatronik und Robotik. Seine Forschungsschwerpunkte liegen im Bereich der Smart-Factory-Technologien. Mit seiner Beteiligung wurde vor zwei Jahren die Forschergruppe „Smart Factories & Edge Computing“ und das SmartFactory-Lab an der FH Salzburg gegründet. Im DTZ Salz- burg leitet er bei der Fachhochschule das Themenfeld Digital Twins. Autoren Wir bedanken uns bei den folgenden Personen für ihre Beiträge: Autorin / Autor Organisation Kontakt DI Georg Güntner Salzburg Research Forschungsges.m.b.H. georg.guentner@salzburgresearch.at www.salzburgresearch.at DI Michael Eberle Eberle Automatische Systeme GmbH & Co KG info@eberle.com www.eberle.com DI(FH) Dietmar Glachs Salzburg Research Forschungsges.m.b.H. dietmar.glachs@salzburgresearch.at www.salzburgresearch.at DI Dr. Simon Hoher Fachhochschule Salzburg GmbH simon.hoher@fh-salzburg.ac.at www.fh-salzburg.ac.at DI (FH) DI Simon Kranzer Fachhochschule Salzburg GmbH simon.kranzer@fh-salzburg.ac.at www.fh-salzburg.ac.at DI Georg Schäfer Fachhochschule Salzburg GmbH georg.schaefer@fh-salzburg.ac.at www.fh-salzburg.ac.at Christoph Schranz, BSc Salzburg Research Forschungsges.m.b.H. christoph.schranz@salzburgresearch.at www.salzburgresearch.at Wir freuen uns über Feedback, Kritik, Anregungen und Ihre Rückfragen.
  • 39. Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus Impressum Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) 39 /39 © Digitales Transferzentrum Salzburg (2020) Impressum Das Digitale Transferzentrum Salzburg (DTZ) ist ein Kooperationsprojekt der FH Salzburg (Puch/Urstein) und der Salzburg Research Forschungsgesellschaft m.b.H (Salzburg). Das Projekt wird im Rahmen von WISS 2025 vom Land Salzburg gefördert. Titel Digital Twins im Anlagen-Lebenszyklus (White Paper) Autoren Georg Güntner, Simon Hoher (Hrsg.) Mit Beiträgen von Michael Eberle(1), Dietmar Glachs(2), Simon Kranzer(3), Georg Schäfer(3), Christoph Schranz(2) (1) Eberle Automatische Systeme GmbH & Co KG (2) Salzburg Research Forschungsgesellschaft m.b.H. (3) Fachhochschule Salzburg GmbH Erscheinungsdatum September 2020 Kontakt DI Georg Güntner Salzburg Research Forschungsgesellschaft m.b.H. Jakob-Haringer-Straße 5/3 | 5020 Salzburg | Austria T +43-662-2288-401 | georg.guentner@salzburgresearch.at FH-Prof. DI Dr. Simon Hoher Fachhochschule Salzburg GmbH Urstein Süd 1 | 5412 Puch/Salzburg | Austria T +43-50-2211-1339 | simon.hoher@fh-salzburg.ac.at Copyright Salzburg Research Forschungsgesellschaft m.b.H. Jakob-Haringer-Straße 5/3 | 5020 Salzburg | Austria T +43-662-2288-0 | info@salzburgresearch.at Fachhochschule Salzburg GmbH Urstein Süd 1 | 5412 Puch/Salzburg | Austria T +43-50-2211-0 | office@fh-salzburg.ac.at WWW www.dtz-salzburg.at  office@dtz-salzburg.at Verwendete Fotos und Grafiken © Salzburg Research Forschungsgesellschaft m.b.H. © Salzburg Research, Fotolia.com (Gorodenkoff, zapp2photo, kinwun, ekkasit919, macrovector, PureSolution); Shutterstock.com (M.Style) © Fachhochschule Salzburg GmbH © Eberle Automatische Systeme GmbH & Co KG Sofern nicht anders angegeben