Kategorie: Internet der Dinge

Der Digitale Zwilling im Zeichen regenerativer Energie

Laut dem Bundesverband der Windenergie (BWE) liegt der Anteil der Windenergie an der deutschen Stromproduktion in diesem Jahr bei 27 Prozent, im Jahr 2020 stellte die Windenergie sogar die wichtigste Energiequelle im deutschen Strommix. Insgesamt sind mehr als 31.000 Anlagen installiert, die im Jahr 2019 89 Millionen Tonnen CO2-Equivalent eingespart haben. Windkraft ist somit eine tragende Säule für die CO2-arme und nachhaltige Energieerzeugung und liefert einen wichtigen Beitrag zur Energiewende. Die weitere Steigerung der Erträge bei gleichzeitiger Reduzierung der Wartungskosten ist deshalb von großer Bedeutung.

Mit smarten Systemen die Effizienz von Windparks steigern

Digitale Zwillinge sind das zentrale Element, um das volle Potenzial der Windkraft auszuschöpfen und die Erträge zu maximieren. Angetrieben von der Vision, ein datenbasiertes Entwicklungswerkzeug für die Windindustrie zu schaffen, startete vor eineinhalb Jahren das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderte Verbundprojekt WIND IO.

Unter Federführung des Instituts für integrierte Produktentwicklung BIK der Universität Bremen bauen wir hierfür mit mehreren Konsortialpartnern Forschungsanlagen als cyberphysische Systeme auf und rüsten diese mit Sensoren, Elektronik und Rechnern (sogenannte IoT-Gateways) nach. Dies ermöglicht es, alle Betriebsinformationen der realen Anlage digital abzubilden und an einem Digitalen Zwilling zusammenzuführen. Das Betriebsverhalten kann anhand des Digitalen Zwillings simuliert werden, was wiederum Erkenntnisse für weitere Optimierungen an der Windenergieanlage zulässt. Der Digitale Zwilling liefert hierzu nicht nur Informationen über den aktuellen Energieertrag, sondern bietet auch ein umfassendes Gesamtbild über den Zustand jeder einzelnen Anlage.

Verbesserte Montage-, Wartungs- und Instandhaltungsprozesse

Mit den gewonnenen Informationen lassen sich beispielsweise die Wartungs- und Instandhaltungsprozesse optimieren. So machen die Daten den Alterungsprozess von Bauteilen jederzeit transparent und geben bei Überschreitung festgelegter Grenzwerte automatisch Alarm. Der Digitale Zwilling ermittelt anhand der erhobenen Betriebs-, Umgebungs- und Wetterdaten zudem einen günstigen Wartungszeitpunkt der Anlage. Diese sollte idealerweise bei wenig Wind durchgeführt werden, um nicht auf Kosten der Energiegewinnung zu gehen.

Für die Berechnungen kommen hierbei sowohl statistische Methoden als auch Modelle aus dem Bereich der Künstlichen Intelligenz (KI) zum Einsatz. Diese Methoden helfen auch, den besten Zeitpunkt für den Aufbau einer Windkraftanlage zu bestimmen, da die Montage der Rotorblätter nur bei bestimmten Bedingungen erfolgen kann. Hierfür fließen neben den Wetterdaten zusätzliche Parameter, wie beispielsweise die Schwingung des Turms, in die Berechnungen mit ein.

Digitale Zwillinge für eine nachhaltige Industrie 

Das WIND IO Projekt zeigt anschaulich, welches Potenzial in der Digitalisierung und besonders im Konzept des Digitalen Zwillings steckt. Darüber hinaus können Unternehmen ihre Daten nutzen, um ganze Produktions- und Betriebszyklen zu simulieren. Dies ermöglicht es, den Ressourcenverbrauch zu minimieren, den Energieverbrauch zu reduzieren und gleichzeitig die Produktionsschritte effektiver aufeinander abzustimmen sowie die Transportwege zu optimieren. Konzepte wie der Digitale Zwilling und datenintensive Analysemethoden sind damit essenziell für eine schonende und effiziente Industrie.

Die Daten eines digitalen Zwillings helfen Unternehmen, die Effizienz energieintensiver Anlagen zu steigern. Das gilt vor allem, wenn zusätzlich KI-Mechanismen zum Einsatz kommen. Welchen Mehrwert diese Kombination für das Energiemanagement in Unternehmen bringt, erläutern Dr. Nicole Göckel und Johann Heinrich im Fachartikel „Mit digitalen Zwillingen zu mehr Ertrag“.

Erfolgreiches IoT-Geschäft: alles eine Frage der Standards?

Es gibt Tage, da machen mich die kleinen Dinge des Lebens glücklich. Als letzte Woche meine Mikrowelle kaputt gegangen ist und auch eine Reparatur sie nicht mehr retten konnte, brauchte ich keine fünf Minuten, um das Problem zu lösen: einfach mit dem Smartphone auf der Seite des Herstellers ein neues Modell ausgewählt, bestellt und per PayPal gezahlt. 3 Tage später war sie ausgepackt, eingesteckt und lief. Die Leichtigkeit dieses Prozesses verdeutlicht zwei Dinge:

  1. Die Digitalisierung macht es uns unglaublich einfach, selbst umfangreiche Prozesse schnell abzuwickeln.
  2. Ich habe mich nicht gefragt, ob die Mikrowelle auch in meine Steckdose passt und ob sie die üblichen Standards zur Funkstörung, zu gefährlichen Stoffen usw. erfüllt.

Dass diese Sorglosigkeit keine Selbstverständlichkeit ist, weiß jeder, der schon mal ins fernere Ausland verreist ist. Bei den Steckdosen wurde schlicht und einfach der richtige Zeitpunkt verpasst, für globale Standards zu sorgen. Inzwischen würde die Umsetzung eines Standards so viel Kosten und Elektroschrott verursachen, dass es nicht mehr praktikabel ist.

Unvorstellbar, dass unserer hoch entwickelten Gesellschaft so etwas noch einmal passiert… oder doch nicht?

Die Digitalisierung eröffnet neue Geschäftspotenziale. Dabei rückt der Fokus vom Austausch physischer Waren hin zum Austausch von Informationen. Bei dem Kauf meiner Mikrowelle verdient nicht nur der Hersteller, sondern auch der Online-Bezahldienst PayPal. Und das einzig und allein durch den Austausch von Informationen. Auch in Industrieunternehmen schafft die Digitalisierung die Basis für neue Geschäftsmodelle. Das zeigt eine aktuelle Studie von Sopra Steria und dem F.A.Z.-Institut. Immer mehr Maschinen und Anlagen werden im industriellen Internet der Dinge über IoT-Plattformen vernetzt, um Leistungsdaten zu ermitteln oder produktbegleitende Dienstleistungen anzubieten. Eine Entwicklung, die rund um den Globus eingesetzt hat und damit viele Lösungen mit unterschiedlichen Datenmodellen und Integrationsmöglichkeiten hervorbringt. Damit lässt sich eine besorgniserregende Parallele zum oben erwähnten Stecker-Durcheinander ziehen. Unternehmen, die ihr digitales Geschäft weiter vorantreiben wollen, verlieren hier schnell die Orientierung bei der Wahl einer für sie geeigneten IoT-Lösung. Denn: Wie zukunftssicher diese ist, hängt maßgeblich davon ab, wie gut sie sich mit anderen Systemen und Datenquellen verbinden lässt.

Globale Standards für nachhaltige Digitalisierung

Ernstzunehmende Initiativen machen hier Hoffnung für einen internationalen Standard im industriellen Internet der Dinge. Die Plattform Industrie 4.0 zum Beispiel hat das Konzept der Verwaltungsschale erarbeitet, welche als die digitale Repräsentanz eines Gerätes zu verstehen ist. Sie ermöglicht es, Maschinen mit allen notwendigen Informationen und Funktionen zu adressieren. So könnte ich beispielsweise für meine Mikrowelle eine App entwickeln, mit ihr interagieren, die Gebrauchsanweisung anzeigen lassen und die Leistungsintensität oder -dauer per Smartphone einstellen. Wenn auch der Hersteller meiner Waschmaschine die Informationen und Funktionen dieses Gerätes nach dem Konzept der Verwaltungsschale zur Verfügung stellt, ist es für App-Entwickler kein Aufwand, weitere Geräte in ihre Anwendung zu integrieren. Diese hersteller- und systemunabhängige Interoperabilität ebnet den Weg für die Zukunft von Industrie 4.0.

An welchem Punkt dieses Weges wir aktuell stehen, welche Initiativen auf globaler Ebene zusammenarbeiten, um einen Standard für das industrielle Internet der Dinge zu etablieren und wie die Umsetzung einer Verwaltungsschale aussehen kann, zeige ich in diesem Video.

Black Box IoT?

Wer kauft schon gerne die Katze im Sack? Zumal wenn damit komplettes Neuland betreten wird… Der erste Kinderwagen zum Beispiel: Man ist sich zwar schon darüber im Klaren, dass man ihn braucht, aber die Entscheidung, ob es ein kleines Packformat oder doch lieber die Fahrradanhänger-Kombi sein soll, ist da schon schwieriger.

Der letzte Kinderwagenkauf ist jetzt schon einige Zeit her (mittlerweile bin ich Experte im Kauf von Skateboards). Falls Sie aber gerade vor der Wahl stehen, empfehle ich Ihnen ein dunkles Modell, da sieht man den Dreck nicht so deutlich.

Ein IoT-System ist zwar in der Regel nicht so dreckempfindlich, seine Auswahl ist dafür aber umso komplexer. Zumal viele Unternehmen damit Neuland betreten und schon an der Auswahl der richtigen Kriterien schier verzweifeln können. 

Hier habe ich zwei gute Nachrichten. Erstens: Welche IoT-Lösung passt, lässt sich einfach ausprobieren. Ein Proof of Concept ist eine sehr gute Möglichkeit, eine Lösung ohne große Risiken zu testen, bevor Sie sich für ein System entscheiden. Und zweitens: So sehr IoT auch neue Chancen bietet – so sehr basieren smarte Geschäftsprozesse auf guten alten Tugenden:

  1. Sind Sie sich sicher, wie Ihr IoT-Geschäft aussehen wird und das es auf lange Zeit so bleibt? Wahrscheinlich nicht. IoT ist ein sehr volatiler Markt, in dem gerade eine ganze Menge passiert. Also muss Ihr IoT-System reaktionsstark sein und am besten von der Fachabteilung selbst angepasst werden können. Das Stichwort dahinter heißt „low code„, das heißt keine aufwändige Programmierung, um Ihre Prozesse abzubilden. Und wenn das nicht reicht, sollte das System so modular sein, dass man zusätzliche Komponenten einfach „nachladen“ kann.

  2. Entsteht Ihr IoT-Geschäft auf der grünen Wiese oder erweitert es Ihr bestehendes Business? Wenn Letzteres der Fall ist, dann sollte Ihr IoT-System mit der übrigen IT-Welt in Ihrem Unternehmen sprechen können: Ersatzteilbestellungen zum Beispiel sollten ja in aller Regel einmal bei der Finanzbuchhaltung vorbeigekommen sein. Offene oder sogar zertifizierte Schnittstellen sind auch hier das A und O.

  3. Stellen Sie Industriegüter her? Haben Sie auch mal mit Ersatzteilen und Wartung zu tun? Dann wird Ihr neuer bester Freund im IoT-Neuland der „Digitale Zwilling„. Aber nur, wenn er auch industrietauglich ist: Er muss die Komponenten Ihrer Anlage detailliert abbilden können (am besten mit zugehörigem 3D-Modell), die aktuellen Parameter wie Software-Stände kennen und insbesondere Veränderungen nach Wartung oder Umbau dokumentieren können.

Die Anbindung von Geräten ist ehrlich gesagt meist nur eine Frage von Fummelarbeit, in aller Regel aber kein grundsätzliches Problem. Schritt für Schritt setzen sich hier Standardprotokolle für die Machine-to-Machine (M2M)-Kommunikation wie MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) oder OPC/UA (Unified Architecture) durch und machen allen Beteiligten das Leben leichter.

Also: Probieren Sie es mit einem Proof of Concept einfach aus! Wenn Sie dabei auch noch auf die drei Prüfsteine achten, sind Sie gut im Rennen. Dann stehen Ihnen die Möglichkeiten von „Analytics“, „Big Data“, „Data Driven Processes“ oder „Predictive Maintenance“ offen.