Automatisierte Erstellung von Verhaltensmodellen für Digitale Zwillinge : neue Ansätze und Modelle am Beispiel der Vakuum-Handhabungstechnik

Abstract

Produktionsstandorte in Hochlohnregionen wie Europa oder Nordamerika geraten durch verschiedene Faktoren der Weltwirtschaft zunehmend unter Druck. Eine Möglichkeit, diesem Druck entgegenzuwirken und solche Produktionsstandorte weiterhin wirtschaftlich betreiben zu können, ist die zunehmende Automatisierung und Digitalisierung. Der Digitale Zwilling ist eine Schlüsselkomponente auf dem Weg zu digitalen und hochautomatisierten Produktionssystemen. Eine durchgängig verfügbare digitale Repräsentation physischer Assets kann Kosten und Zeit sparen, sowohl bei Design, Entwicklung und Inbetriebnahme als auch beim Betrieb von Produktionsanlagen. Dies gilt auch für Komponentenhersteller, die häufig hochspezialisierte Komponenten und Systeme für Produktionsanlagen entwickeln, herstellen und vertreiben. Für Komponentenhersteller sind dabei die Verhaltensmodelle in prozessrelevanter Modellierungstiefe aus dem Digitalen Zwilling von zentraler Bedeutung. Die Erstellung dieser Verhaltensmodelle ist jedoch sehr zeitintensiv und erfordert häufig die Expertise von langjährig ausgebildeten Simulationsexperten. Dies stellt eine wesentliche Hürde für den durchgängigen Einsatz von Verhaltensmodellen und Digitalen Zwillingen bei Komponentenherstellern dar. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung eines Konzepts zur durchgängig automatisierten Erstellung von Verhaltensmodellen für Komponenten und Systeme in prozessrelevanter Modellierungstiefe. Das entwickelte Konzept ermöglicht die automatisierte Erstellung von Verhaltensmodellen für Komponenten und Systeme auf Basis geeigneter Eingangsinformationen. Die Verhaltensmodelle können entweder sehr detailliert oder in einer geringeren Modellierungstiefe vollautomatisiert erstellt werden. Hierfür wird eine Verhaltensmodellbibliothek mit Verhaltensmodellen der relevanten Komponenten in großer Modellierungstiefe verwendet. Um die Erstellung dieser zu vereinfachen, wurde das Konzept um eine Möglichkeit zur assistierten Erstellung der Verhaltensmodellbibliothek aus Grundbausteinen erweitert. Die Strukturinformationen können aus verschiedenen Quellen stammen, einschließlich Fluidschaltplänen wahlweise in Papier- oder digitaler Form. Das Konzept wird zunächst in der Domäne Vakuum-Handhabungstechnik realisiert. Für eine vollständige Realisierung und Evaluierung des Konzepts sind Grundbausteine aller relevanten Komponenten der Domäne erforderlich. Im Rahmen dieser Arbeit werden die noch nicht verfügbaren Verhaltensmodelle der Basiskomponenten Vakuumerzeuger und Vakuumsauggreifer entwickelt und abschließend mit Messdaten evaluiert. Es konnte eine sehr gute Übereinstimmung zwischen dem simulierten und gemessenen Verhalten der entwickelten Grundbausteine festgestellt werden. Die vorgestellten Artefakte des Konzepts werden in Form eines Assistenzsystems realisiert. Dieses ermöglicht die aufwandsarme Erstellung der Verhaltensmodellbibliothek sowie die automatisierte Erstellung von Verhaltensmodellen von Komponenten und Systemen in prozessrelevanter Modellierungstiefe. Zudem ermöglicht es die automatisierte Ausführung der Verhaltensmodelle. Eine Evaluierung konnte anhand von zwei Evaluierungsfällen aus der Vakuum-Handhabungstechnik durchgeführt werden, in denen Verhaltensmodelle unter anderem in der virtuelle Produktauslegung und Optimierung sowie für die virtuelle Inbetriebnahme genutzt werden, um bessere und effizientere Systeme kostengünstiger und schneller zu entwerfen. Die Ergebnisse zeigen, dass die automatisiert erstellten Verhaltensmodelle je nach Modellierungstiefe sehr genau mit den gemessenen Verläufen übereinstimmen. Um die Zeitersparnis zu quantifizieren, ist ein Experten-Benchmark auf Basis der Systeme der beiden Evaluierungsfälle durchgeführt worden. Verglichen mit den Zeiten zur Erstellung, Parametrierung und Abstraktion aus dem Experten-Benchmark ermöglich das Assistenzsystem eine Zeitersparnis von bis zu einem Faktor von 54.