Vom virtuellen Modell zum Einblick in die reale Welt

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Ein digitaler Zwilling ist ein virtuelles Modell, das ein physisches Objekt darstellt und in Echtzeit aktualisiert wird. Diese Verbindung nutzt Daten von Sensoren des physischen Objekts.

Durch diese Echtzeitverbindung wird das Modell transformiert. Es wird mehr als nur eine statische Simulation. Es wird zu einer Live-Kommunikationsbrücke zwischen der physischen Anlage und dem Ingenieur. Die Daten fließen in beide Richtungen und ermöglichen einen kontinuierlichen Dialog, bei dem rohe Sensormesswerte in umsetzbares Ingenieurwissen übersetzt werden.

In diesem Blog wird diese Technologie anhand einer Magnetspule als einfaches Beispiel erforscht, um komplexe Ideen zu verdeutlichen. Wir werden untersuchen, was digitale Zwillinge sind, wie sie aufgebaut sind und warum sie wertvoll sind.

Den digitalen Zwilling verstehen

Was ist ein Digitaler Zwilling?

Ein digitaler Zwilling ist eine virtuelle Nachbildung in Echtzeit. Er spiegelt ein reales System oder einen Vermögenswert wider. Bei dieser Anlage kann es sich um ein einzelnes Bauteil handeln. Es kann aber auch eine ganze Fabrik oder ein Kraftwerk sein.

Der Zwilling wird mit der physischen Anlage synchronisiert. Diese Synchronisierung erfolgt mit einer bestimmten Frequenz. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das virtuelle Modell die reale Welt zu jeder Zeit genau widerspiegelt.

Sensoren an der realen Anlage sammeln Daten. Diese Daten können Temperatur, Druck oder elektrischen Strom umfassen. Diese Daten fließen kontinuierlich in das virtuelle Modell ein. Durch diesen Prozess bleibt der Zwilling genau und aktuell.

Der Wert eines digitalen Zwillings

Digitale Zwillinge bieten tiefe betriebliche Einblicke. Sie zeigen, was innerhalb einer Anlage in Echtzeit passiert. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Systemanalyse und Leistungsüberwachung.

Dieser Einblick ermöglicht eine vorausschauende Wartung. Unternehmen können Probleme vorhersehen, bevor sie auftreten. Diese Fähigkeit verhindert kostspielige, ungeplante Ausfallzeiten. Ingenieure nutzen die Zwillinge auch zur Leistungsoptimierung. Sie können verschiedene Betriebsszenarien virtuell und sicher testen. Diese Optimierung führt zu höherer Effizienz und niedrigeren Betriebskosten.

Dieser kontinuierliche Strom von Betriebsdaten bewirkt eine grundlegende Veränderung. Die herkömmliche Technik konzentriert sich häufig auf die Entwicklung eines Produkts, das bei der Markteinführung korrekt funktioniert. Die Entwurfsphase ist weitgehend abgeschlossen, wenn das Produkt ausgeliefert wird. Ein digitaler Zwilling hingegen durchläuft die gesamte Lebensdauer der Anlage an der Seite ihres physischen Gegenstücks. Er sammelt Daten über die tatsächliche Nutzung, Abnutzungsmuster und Leistung in verschiedenen Umgebungen. Diese Informationen schaffen eine leistungsfähige Feedback-Schleife, in der die Erkenntnisse aus dem Betriebszwilling einer Produktgeneration direkt in die Konstruktion der nächsten einfließen. Der Schwerpunkt der Entwicklung verlagert sich von einer einzelnen Markteinführung auf den gesamten Produktlebenszyklus. Dies verschafft dem Unternehmen einen zunehmenden Wissensvorsprung.

Ansys Twin Builder

Ansys Twin Builder ist eine Softwareplattform. Sie ermöglicht es Ingenieuren, digitale Zwillinge zu erstellen. Die Plattform ist eine offene Lösung. Sie lässt sich mit vielen verschiedenen Tools und Datenquellen verbinden.

Twin Builder integriert mehrere Modelltypen. Er kombiniert detaillierte 3D-Physikmodelle, umfassendere Systemmodelle und eingebettete Software in einer Umgebung. Er unterstützt Industriestandards wie das Functional Mock-up Interface (FMI) für eine nahtlose Werkzeugintegration.

Die Plattform verwaltet den gesamten Prozess der Zwillingsbildung. Ingenieure erstellen, validieren und implementieren Zwillinge mit Twin Builder. Dieser strukturierte Arbeitsablauf kann die für die Erstellung eines genauen Modells benötigte Zeit um die Hälfte reduzieren. Die Plattform bietet auch Werkzeuge, um den fertigen Zwilling mit Plattformen des industriellen Internet der Dinge (IIoT) für den Live-Betrieb zu verbinden.

Der Wert der Plattform geht über die reine Erstellung von Zwillingen hinaus. Sie macht die Technologie auch leichter zugänglich. Die Erstellung eines komplexen Systemmodells erforderte bisher tiefgreifende Kenntnisse in der Programmierung und in verschiedenen Simulationsbereichen. Twin Builder bietet eine „Low-Code“-Schnittstelle, assistentengesteuerte Editoren und umfangreiche Bibliotheken mit vorgefertigten Komponenten. Diese Funktionen senken die Einstiegshürde. Sie ermöglichen es Ingenieuren mit wenig bis gar keinen Programmierkenntnissen, anspruchsvolle digitale Zwillinge zu erstellen. Diese Demokratisierung der Technologie ermöglicht es Fachleuten, sich auf die Lösung des technischen Problems zu konzentrieren, nicht auf das Softwareproblem.

Modelle reduzierter Ordnung (ROMs)

Komplexe Physik schnell machen: Was ist ein ROM?

Vollständige 3D-Physiksimulationen sind sehr genau. Sie modellieren komplexe Phänomene wie Flüssigkeitsströmungen, strukturelle Spannungen oder Elektromagnetismus. Diese Simulationen sind jedoch sehr rechenintensiv. Die Durchführung einer einzigen Analyse kann Stunden oder sogar Tage in Anspruch nehmen.

Digitale Zwillinge benötigen Ergebnisse in Echtzeit. Sie müssen sofort auf Veränderungen in der physischen Welt reagieren. Sie können nicht stundenlang auf eine Aktualisierung einer Simulation warten. Diese Geschwindigkeitsanforderung stellt eine große technische Herausforderung dar.

Ein Modell reduzierter Ordnung (ROM) ist die Lösung. Ein ROM ist eine hochgenaue Vereinfachung eines komplexen Modells. Es fängt das wesentliche Verhalten der vollständigen Physiksimulation ein. Es liefert Ergebnisse in Sekunden oder weniger und benötigt nur minimale Rechenressourcen.

Von Stunden zu Sekunden: Wie ROMs hergestellt werden

Die Erstellung eines ROM folgt einem strukturierten Prozess. Die Ingenieure erstellen zunächst ein realitätsgetreues 3D-Modell. Für unser Spulenbeispiel wäre dies eine detaillierte magnetostatische Simulation in Ansys Maxwell.

Anschließend führen sie mit diesem Modell viele Simulationen durch. Dieser Prozess wird als Design of Experiments (DOE) bezeichnet. Bei der DOE wird systematisch ein breites Spektrum von Eingangswerten getestet. Für die Spule würde dies bedeuten, dass das Magnetfeld für viele verschiedene Stromstärken simuliert wird.

Mit den Ergebnissen dieser Simulationen wird das ROM „trainiert“. Das ROM verwendet fortschrittliche mathematische Algorithmen, um die Beziehung zwischen den Eingaben und den Ausgaben zu lernen. Durch diesen Prozess entsteht eine kompakte, effiziente und genaue mathematische Darstellung der zugrunde liegenden Physik. Das fertige ROM kann exportiert und in anderen Tools wie Ansys Twin Builder verwendet werden. Das ROM dient als schneller und zuverlässiger Ersatz für das vollständige 3D-Modell.

Dynamische ROMs: Modellierung von Systemen in Bewegung

Einige Systeme haben ein statisches Verhalten. Ihre Ausgabe hängt nur von dem aktuellen Eingabewert ab. Ein Standard-ROM, das häufig auf einer Reaktionsfläche basiert, eignet sich gut für diese Fälle.

Die meisten realen Anlagen sind dynamisch. Ihr Verhalten ändert sich mit der Zeit. Ihre Ergebnisse hängen von einer Reihe von Eingaben ab, nicht nur vom aktuellen Zustand. Die Temperatur eines Motors hängt zum Beispiel davon ab, wie lange er schon läuft und mit welcher Last.

Für diese Systeme wird ein dynamischer ROM benötigt. Es wurde speziell für transiente, nichtlineare Probleme entwickelt. Ein dynamisches ROM akzeptiert Eingaben, die sich im Laufe der Zeit ändern. Es sagt voraus, wie sich die Ausgaben des Systems im Laufe der Zeit als Reaktion darauf entwickeln werden. Diese Fähigkeit ist unerlässlich für die Erstellung eines echten digitalen Zwillings, der eine echte, in Betrieb befindliche Anlage widerspiegelt.

Dieser Prozess stellt einen grundlegenden Wandel in der Art und Weise dar, wie Simulationen einen Mehrwert schaffen. Traditionell ist die Ausgabe einer Simulation eine Datendatei oder ein statischer Bericht. Ein ROM hingegen ist ein ausführbares Modell. Es kann als standardmäßige, in sich geschlossene Komponente verpackt werden, beispielsweise als Functional Mock-up Unit (FMU). Dadurch wird das Simulationsergebnis von einem Stück Daten in einen funktionalen, „Plug-and-Play“-Baustein umgewandelt. Ein Lieferant kann ein ROM seiner Komponente liefern, das ein OEM dann direkt in eine größere Systemsimulation integrieren kann. Diese Modularität macht ROMs zu einem verteilbaren, funktionalen Vermögenswert, der auch das geistige Eigentum eines Unternehmens schützt, indem er als „Black Box“ fungiert.

Ein Beispiel für eine Magnetspule

Der physikalische Aufbau

In diesem Beispiel wird ein einfacher physikalischer Aufbau verwendet, der aus einer Magnetspule und einer Stromversorgung besteht, die einen elektrischen Strom durch die Spule schickt. Magnetspulen sind elektromagnetische Geräte, die in vielen Bereichen und Anwendungen, von der industriellen Automatisierung bis zur Unterhaltungselektronik, unverzichtbar sind. Sie sind das Herzstück von Magnetantrieben und ermöglichen das automatische Schalten, Verriegeln oder Bewegen verschiedener Teile in elektrischen und mechanischen Systemen.

Wenn ein elektrischer Strom durch die Magnetspule fließt, erzeugt er ein Magnetfeld, das dazu verwendet werden kann, einen Anker zu bewegen, der ein angeschlossenes Gerät aktiviert oder steuert. Ein physikalischer Sensor wird in der Nähe der Spule angebracht, um die Stärke dieses Magnetfelds zu messen. Ein Bediener kann die Stromstärke an der Stromversorgung manuell einstellen, um das Magnetfeld in der realen Welt zu verändern.

Bau des digitalen Zwillings der Spule

Der digitale Zwilling der Spule wird in Ansys Twin Builder erstellt. Das Projekt enthält mehrere Schlüsselblöcke. Diese Blöcke arbeiten zusammen, um den kompletten Zwilling zu bilden.

Ein Schlüsselblock ist der Data Connector. Dieser Block ist die Verbindung des Zwillings zur Realität. Er liest den aktuellen Stromwert direkt von der Stromversorgung ab. Ein einfaches Python-Skript erleichtert oft diese Kommunikation und fungiert als digitaler Draht zwischen der physischen Hardware und dem virtuellen Modell.

Der wichtigste Block ist das dynamische ROM. Dieser Block stellt die Physik der Spule dar. Er wurde auf der Grundlage einer detaillierten magnetostatischen Ansys-Maxwell-Simulation erstellt.

Dieses Beispiel-ROM nimmt den aktuellen Stromwert vom Data Connector als Eingabe. Es gibt dann einen vorhergesagten Magnetfeldwert (B-Feld) aus.

Der Zwilling bei der Arbeit

Die Live-Demonstration zeigt den Twin in Aktion. Ein Bediener erhöht den Strom in der Stromversorgung. Der Data Connector liest diesen neuen Wert sofort ab und sendet ihn an den Twin.

Diese Live-Stromdaten fließen in das dynamische ROM. Das ROM berechnet sofort die neue B-Feldstärke auf der Grundlage der physikalischen Erkenntnisse, die es bei seiner Erstellung gewonnen hat. Die Vorhersage des Zwillings erscheint dann auf dem Bildschirm.

Das Ergebnis bestätigt die Genauigkeit des Zwillings. Die Demo zeigt, dass der physikalische Sensor ein Magnetfeld von 4,63 mT anzeigt. Die Ausgabe des Zwillings zeigt gleichzeitig einen vorhergesagten Wert von 4,6 mT an. Diese Eins-zu-Eins-Übereinstimmung zwischen der physikalischen Messung und der virtuellen Vorhersage beweist, dass der Zwilling korrekt arbeitet.

Von einer Magnetspule zu komplexen Systemen

Warum dieses Beispiel wichtig ist

Ein digitaler Zwilling für eine einzelne Spule mag übertrieben erscheinen, da die Physik relativ einfach und gut verstanden ist. Der Zweck dieses Beispiels ist jedoch nicht die Lösung eines einfachen Problems, sondern die Demonstration einer leistungsfähigen und wiederholbaren Methode.

Der Arbeitsablauf ist der Schlüssel zum Erfolg. Zunächst modellieren wir die komplexe Physik in einem High-Fidelity-Tool. Zweitens reduzieren wir dieses Modell auf ein schnelles und genaues ROM. Drittens verbinden wir dieses ROM mit realen Daten in einer Umgebung auf Systemebene. Dieser Prozess ist hochgradig skalierbar.

Skalierung des Konzepts

Betrachten wir nun eine komplexe industrielle Anlage. Eine moderne Windturbine oder ein kommerzielles Düsentriebwerk sind gute Beispiele. Dies sind unglaublich komplexe Systeme. Sie beinhalten das Zusammenspiel von Aerodynamik, Strukturmechanik, thermischen Effekten, Elektronik und Kontrollsystemen.

Es ist unmöglich, eines dieser kompletten Systeme mit vollständiger 3D-Physik in Echtzeit zu simulieren, da der Rechenaufwand viel zu hoch ist. Außerdem arbeiten diese industriellen Systeme in unvorhersehbaren Umgebungen. Sie unterliegen komplexen Wechselwirkungen zwischen vielen verschiedenen Komponenten, was die Herausforderung noch erhöht.

Die Stärke einer skalierbaren Methode

Die mit der Spule demonstrierte Methode löst dieses Komplexitätsproblem. Ingenieure können jede Hauptkomponente eines größeren Systems separat modellieren. Sie erstellen ein ROM für den Generator, ein weiteres für das Getriebe und ein weiteres für die Rotorblätter einer Windkraftanlage.

Jedes ROM ist ein schnelles, genaues und validiertes Modell der jeweiligen Komponente. Es fungiert als „Black Box“, die das physikalische Verhalten der jeweiligen Komponente perfekt abbildet. Ansys Twin Builder setzt dann diese einzelnen ROMs zusammen. Er verbindet sie zu einem vollständigen, domänenübergreifenden Systemmodell, das die gesamte Anlage darstellt.

Dieser modulare Ansatz macht das Unmögliche möglich. Er ermöglicht Leistungsanalysen und -vorhersagen in Echtzeit für ganze, komplexe Industrieanlagen. Die einfache Spulen-Demo lehrt die genaue Methode, die zur Bewältigung dieser gewaltigen Herausforderungen erforderlich ist. Mit dieser Methodik werden Industriedaten von einer passiven, historischen Aufzeichnung zu einem aktiven, vorausschauenden Vermögenswert. Durch die Verschmelzung von Echtzeit-Sensordaten mit prädiktiven physikalischen Modellen erschließt der digitale Zwilling den zukunftsorientierten Wert, der in den massiven Datenströmen der modernen Industrie schlummert.

Schlussfolgerung

Digitale Zwillinge sind virtuelle Live-Modelle. Sie sind über Echtzeitdaten mit physischen Anlagen verbunden. Diese Verbindung liefert einen konstanten Strom von Informationen über die Leistung und den Zustand einer Anlage.

Modelle reduzierter Ordnung machen diese Technologie praktikabel. ROMs bieten die unglaubliche Geschwindigkeit, die für Echtzeitsimulationen erforderlich ist, ohne die Genauigkeit der detaillierten Physik zu opfern. Diese Kombination aus Genauigkeit und Geschwindigkeit ist die wichtigste technische Voraussetzung für den digitalen Zwilling.

Diese Technologie verschafft Ingenieuren leistungsstarke neue Einblicke. Sie können die Leistung von Anlagen während ihres gesamten Lebenszyklus überwachen, vorhersagen und optimieren. Diese Fähigkeit stellt eine grundlegende und wertvolle Veränderung in der technischen Praxis dar.

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