Bei der Mobilhydraulik denken Forscher und Entwickler inzwischen weit über die einzelne Maschine hinaus. (Bild: kosssmosss – stock.adobe.com)
Die Nachrichten aus den Unternehmen und Forschungsanstalten, aber auch die Vorträge bei Konferenzen zeigen, welche Trends die Mobil- und Stationärhydraulik im Moment bestimmen. Eine wichtige Neuerung für die Mobilhydraulik ist die Digitalisierung der Baustelle. Wie das letztlich aussehen könnte, erklärte Professor Jürgen Weber von der TU Dresden auf der Fluidtechnik-Konferenz IFK, die vom 12. bis 14. Oktober 2020 als Digital-Event stattfand.
Bei der Digitalisierung von Mobilhydraulik geht es nicht nur um die Maschinenflotte, sondern um die gesamte Baustelle, die als ein einziges, großes System gesehen wird. Die TU Dresden forscht zusammen mit der TU München und einem Konsortium aus 20 Firmen und fünf Forschungsstellen im Rahmen des Verbundprojektes Bauen 4.0 an diesem Thema. Die Idee dafür gibt es schon lange, wie Professor Weber in seinem Vortrag erläuterte, aber erst die jüngeren Fortschritte in Maschinenbau, Architektur und Kommunikationstechnik haben die Verwirklichung dieser Vision in greifbare Nähe rücken lassen.
Ähnlich wie in der Maschinen-Konstruktion waren in der Architektur lange Zeit statische Modelle üblich: Architekten fertigten eine Zeichnung oder 3D-Konstruktion an, die bei der Ausführung als Zielvorgabe diente. Änderungen verursachten stets einen erheblichen Koordinierungs- und Planungsaufwand. Nun setzt sich immer mehr die vernetzte Planung und Ausführung des Bauauftrags durch, abgekürzt als BIM-Methode (Building Information Modeling). Dabei werden dreidimensionale Gebäudemodelle mit zusätzlichen Informationen angereichert, beispielsweise auch Kosten und Terminplanung. Damit stehen also viele Informationen gebündelt zur Verfügung.
Komplett-Vernetzung der Baustelle
Für eine digitalisierte, automatisierte Baustelle braucht es aber mehr: die digitalen Zwillinge der Komponenten und Baumaschinen, digitale Zwillinge von Anwendungsfällen und Services, Vernetzungs- und Kommunikationstechnik, um die Maschinen untereinander, Managementsysteme auf der Baustelle und externe Clouddienste (für Zulieferer und OEMs) zu verbinden, Simulationsdaten von Baustellenprozessen und ein Baustellenleitsystem für Fahrzeugführer – um nur einige Punkte zu nennen.
In einem solchen Szenario würden sich die Aufgaben der Maschinenführer Schritt für Schritt Richtung Maschinen-Koordination entwickeln. Professor Weber ist überzeugt, dass sich hier neue Erkenntnisse und Geschäftsmodelle auftun werden. Außerdem sieht er in der digitalisierten Baustelle auch eine Frage der Technologieführerschaft.
Anforderungen an digitale Zwillinge
All diese digitalen Zwillinge müssten über gemeinsame Schnittstellen verfügen und Informationen austauschen können. Dazu gehören nicht nur Daten, sondern auch Algorithmen und verschiedene, spezielle Simulationsmodelle. Die Zwillinge sollen fähig sein, ihr reales Pendant zu beschreiben und sein Verhalten oder seine Eigenschaften vorherzusagen, sodass Betreiber beispielsweise rechtzeitig Wartungsmaßnahmen ergreifen können. Für solche Simulationen sind verschiedene Genauigkeiten denkbar. Bei Anfragen zur Lebenszeit ist beispielsweise keine Echtzeit-Antwort notwendig, anders als bei Steuerungsfunktionen.
Es sei für das Funktionieren des Systems notwendig, so der Professor, dass alle Ebenen bedacht sind. Das heißt, es haben nicht nur die Maschinen einen digitalen Zwilling, sondern auch deren Subsysteme und sogar einzelne Komponenten. Zur Kommunikation mit der realen oder virtuellen Welt hat jeder Gegenstand eine Administration Shell (englisch für: Verwaltungs-Hülle).
Bei einer hydraulischen Pumpe zum Beispiel liefert diese Hülle Informationen an den digitalen Pumpen-Zwilling zur Kolbenposition, Viskosität des Fluids, Dichte des Fluids, Drehmoment, Reibung und Ähnliches. Schon früher erstellte Simulationen liefern Referenzpunkte, etwa zum Verschleiß. Diese Referenzpunkte und der aktuelle Input werden im digitalen Zwilling verglichen. Er liefert dann Prognosen, beispielsweise zur Lebensdauer.
Der Zwilling eines Subsystems würde zusätzlich auch die digitalen Zwillinge seiner untergeordneten Komponenten mit einbeziehen. Dadurch ließen sich unter anderem Steuerungsparameter optimieren oder die Kommissionierung vereinfachen. Die Uni Dresden arbeitet beispielsweise an einem automatisierten Kommissionierungs-Assistenten.
Der Maschinen-Zwilling müsste auch Aspekte wie Fahrsituation und Umweltbedingungen beinhalten. Er könnte beispielsweise dazu beitragen Kollisionen zu verhindern und Lasten ermitteln.
Der Zwilling der Baustelle schließlich greift nicht nur auf Maschinen-Zwillinge als Datenquellen zurück, sondern erhält auch über Umwelt, Material und Werkzeuge Informationen. Er ermöglicht es, den Fortschritt der Bauarbeiten abzubilden, Material und Materialverbrauch zu überwachen und Flotten zu managen.
Digitalisierung in der Stationärhydraulik
Auch für stationäre Maschinen und Anlagen sind digitale Zwillinge und die Digitalisierung insgesamt wichtige Themen, wie Steffen Haack und Mark Krieg von Bosch Rexroth auf der Konferenz erläuterten.
Bei der Digitalisierung unterscheiden sich in der Industriehydraulik die Anforderungen der verschiedenen Teilmärkte. Diese Anforderungen liefern den Rahmen für die Ausstattung künftiger Produkte, von einfachen digitalen Schnittstellen wie IO-Link bis zu Echtzeit-Multi-Ethernet-Verbindungen.
Momentan, erklärt Haack, würden Informationen nur an die übergeordnete Ebene geleitet. In Zukunft werde die Anlagen-Kommunikation allerdings über alle Ebenen hinweg netzartig aufgebaut sein. Dafür braucht es allgemein gültige Kommunikationsstandards wie OPC-UA. Der VDMA habe vor mehreren Jahren begonnen, Vokabular, Semantik und ähnliches zu standardisieren, berichtet Haack, der bei Rexroth den Geschäftsbereich Industriehydraulik leitet. Nicht ganz klar lasse sich heute absehen, welche Auswirkungen der neue Mobilfunknetz-Standard 5G haben wird.
Nutzen digitaler Zwillinge für Anwender
Für den digitalen Zwilling sieht man bei Rexroth viele Anwendungsmöglichkeiten. Ziel ist dabei, den Anwendern von Industriehydraulik die Arbeit zu erleichtern. Dazu gehören zum Beispiel die virtuelle Kommissionierung, automatische Setups, Prozessparameter-Optimierung, Predictive Maintenance und automatische Ersatzteil-Bestellung.
Aktuell sind wichtige Elemente des digitalen Zwillings bereits verfügbar, zum Beispiel das CAD-Modell einer Komponente oder Maschine, Teilelisten, Simulationsmodelle und so weiter. Damit daraus ein echter digitaler Zwilling wird, der sich also nicht auf ein Modell, sondern auf ein einzelnes Exemplar bezieht, fehlen allerdings auch noch viele Bausteine. Mark Krieg nennt unter anderem Geo-, Kunden- und Sensor-Daten, Zeitstempel und Informationen zur Software-Version.
Krieg erläuterte anhand einiger Beispiele, welche Schritte aktuell anstehen. Bei der Kommissionierung von Industriehydraulik zum Beispiel können sich Hersteller an Verbraucher-Produkten orientieren. Denn die Ersteinrichtung sei in der Vergangenheit nicht immer einfach gewesen, kritisiert Krieg und fordert: „Hier müssen wir besser werden!“ Bei Konsumgütern ist es inzwischen die Regel, dass eine Software die Bediener durch die einzelnen Abschnitte der Produkt-Einrichtung führt. Dieses Prinzip lässt sich auf die Hydraulik übertragen. Dazu entwickeln Unternehmen Einrichtungs-Wizards, die mit der mechanischen, elektrischen und vor allem der hydraulischen Installation helfen.
Die beiden Vorträge am IFK zeigten: Beim Thema digitaler Zwilling arbeiten Forschung und Industrie mit großem Enthusiasmus an neuen Lösungen. Die Konzepte sind an einigen Stellen schon ziemlich konkret, an anderen Stellen müssen die Beteiligten noch viel Arbeit leisten.
Auf einen Blick
Digitale Zwillinge sind momentan noch Zukunftsmusik, aber Industrie und Forschung arbeiten mit Elan an dem Thema.
Für Betreiber von hydraulischen Anlagen und stationären Maschinen könnte diese Arbeit beispielsweise den Umgang mit der Technik vereinfachen, auch schon, bevor digitale Zwillinge wirklich verfügbar sind.
Bei den mobilen Maschinen arbeitet die TU Dresden in einem Konsortium aus 20 Firmen und fünf Forschungsstellen an einer größeren Vision: der digital komplett vernetzten Baustelle. Die Beteiligten versprechen sich davon unter anderem einfacheres Baustellen-Monitoring, mehr Sicherheit im Umgang mit Maschinen und Erleichterungen bei der Wartung von Fahrzeugflotten.
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