Digitale Zwillinge Wie Echtzeit-Elektronik die Erstellung digitaler Zwillinge optimiert

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Dank datengesteuerter Echtzeit-Replikaten physischer Systeme können Hersteller mit digitalen Zwillingen etwa Prozesse optimieren und Maschinenausfälle vorhersagen. Doch für die Effektivität digitaler Zwillinge sind präzise Echtzeitdaten erforderlich.

Von Embedded-Systemen über Gateways für das Internet der Dinge (IoT) bis hin zu Präzisionssensoren: Elektronik ist die Basis für das Ökosystem digitaler Zwillinge. Diese elektronischen Bauteile sammeln, verarbeiten und übertragen wichtige Informationen, die den Zwilling versorgen und so die Feedback-Schleife ermöglichen, mit der vorausschauende Wartung und adaptive Fertigung realisiert werden können. In diesem Blogbeitrag erläutern wir, wie Elektronik digitale Zwillinge möglich macht, welche Rolle wichtige Bauteile dabei spielen und warum Datensicherheit der Dreh- und Angelpunkt für intelligentere und widerstandsfähigere Fertigungsprozesse ist.

Was sind digitale Zwillinge und warum sie wichtig sind

Ein digitaler Zwilling ist eine virtuelle Darstellung eines physischen Objekts oder Systems. In der Fertigung kann dies von einer einzelnen Maschine bis hin zu einer gesamten Fertigungslinie reichen. Im Gegensatz zu statischen Modellen oder Simulationen sind digitale Zwillinge dynamisch. Sie empfangen kontinuierlich Daten aus der realen Welt, die den aktuellen Zustand, die Leistung und die Umgebung abbilden.

Durch diese Echtzeit-Spiegelung sind mehrere erweiterte Funktionen möglich. Durch die Identifizierung von Geräteproblemen, bevor sie zu Ausfällen führen, wird eine vorausschauende Wartung möglich. Hersteller können Prozesse optimieren, indem sie Ineffizienzen oder Engpässe identifizieren. Anhand von Prüfszenarien mit digitalen Zwillingen können Entwickler Änderungen modellieren oder Systeme vor der Implementierung virtuell einem Stresstest unterziehen, dazu erleichtert die Ferndiagnose die Überwachung von Geräten an mehreren oder schwer erreichbaren Standorten.

Digitale Zwillinge unterstützen auch eine agilere und reaktionsschnellere Fertigungsumgebung. Anstatt sich auf veraltete Pläne oder Schätzungen zu verlassen, können Hersteller Entscheidungen auf der Grundlage aktueller Daten treffen. Dies reduziert Ausfallzeiten, verbessert die Qualität der Produkte und trägt zur Senkung der Betriebskosten bei.

Durch die Erstellung virtueller Echtzeit-Replikate physischer Anlagen verändern digitale Zwillinge die Art und Weise, wie Hersteller ihren Betrieb überwachen, warten und optimieren.

Daten in Echtzeit: Die Basis digitaler Zwillinge

Digitale Zwillinge sind nur so zuverlässig wie die Daten, mit denen sie versorgt werden. Um die physische Welt präzise abzubilden, benötigen sie einen stetigen Informationsfluss, der die aktuellen Bedingungen rund um das Objekt oder System widerspiegelt. In der Fertigung gehören Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Durchflussraten, Vibration, Bewegung und Maschinenstatus zu den wichtigsten Bedingungen.

Die Elektronik liefert die Instrumente zur Erfassung und Weiterleitung dieser Informationen. Sensoren messen diese Variablen direkt an der Quelle. Embedded-Systeme verarbeiten die Daten lokal, und IoT-Gateways übernehmen die Kommunikation zwischen den Bauteilen und digitalen Plattformen. Im Zusammenspiel sorgen diese Technologien dafür, dass der digitale Zwilling mit seinem physischen Gegenstück synchron bleibt.

Was diesen Informationsfluss so wirkungsvoll macht, ist die damit geschaffene kontinuierliche Feedbackschleife. Wenn sich die Bedingungen in der Fertigung ändern, spiegelt der digitale Zwilling diese Änderungen in Echtzeit wider (Bild 1). Umgekehrt können die vom digitalen Zwilling generierten Erkenntnisse, wie Warnmeldungen zu Verschleißmustern oder Leistungsabweichungen, genutzt werden, um den Betrieb des physischen Systems anzupassen, bevor Probleme auftreten.

Die Bedeutung der Elektronik für digitale Zwillinge

Im Zentrum jedes Einsatzes digitaler Zwillinge steht ein eng integriertes Netzwerk aus Elektronik, das Betriebsdaten erfasst, verarbeitet und weiterleitet. Diese elektronischen Bauteile müssen nicht nur in anspruchsvollen Umgebungen zuverlässig funktionieren, sondern auch bestimmte technische Leistungsanforderungen erfüllen.

Sensoren sind in der Datenerfassung die erste Schnittstelle. Aus diesem Grund müssen Sensoren präzise, empfindlich und langlebig sein, um aussagekräftige Messungen in Echtzeit zu liefern. In der Fertigung kann dies die Erkennung geringfügiger Temperaturänderungen, Druckschwankungen oder früher Anzeichen mechanischer Vibrationen umfassen, die alle auf einen notwendigen Eingriff hinweisen können.

Embedded-Systeme sind für die Auswertung dieser Rohdaten zuständig. Diese Systeme verwenden häufig Edge-Computing-Techniken, um Informationen zu filtern, zu verarbeiten und zu komprimieren, bevor sie weitergeleitet werden. Diese verteilte Verarbeitung trägt zur Reduzierung von Latenzen bei und ermöglicht eine schnellere, lokalisierte Entscheidungsfindung, insbesondere in zeitkritischen Applikationen wie der Fehlererkennung oder bei Sicherheitswarnungen.

IoT-Gateways und Kommunikationsmodule spielen eine entscheidende Rolle dabei, dass die Daten ihr Ziel erreichen. Unabhängig davon, ob sich die digitale Zwillingsplattform vor Ort oder in der Cloud befindet, muss die Netzwerkinfrastruktur Echtzeit-Updates mit minimalen Unterbrechungen unterstützen. Herausforderungen hinsichtlich der Verbindungsfähigkeit, wie z. B. zeitweiliger Signalverlust, Bandbreitenbeschränkungen oder Cybersicherheitsrisiken, müssen durch robuste Hardware und sichere Protokolle gelöst werden.

Schließlich müssen die Systeme so konzipiert sein, dass die Datensicherheit an jedem Punkt der Signalkette gewährleistet ist. Selbst geringfügige Verzerrungen, Verzögerungen oder Verluste können die Genauigkeit eines digitalen Zwillings beeinträchtigen und seinen Wert mindern. Daher müssen Entwickler von Anfang an auf sehr leistungsfähige Bauteile setzen und das Design auf Zuverlässigkeit auslegen (Bild 2).

Aufbau einer zuverlässigen Infrastruktur für digitale Zwillinge

Die Effektivität eines digitalen Zwillings hängt letztendlich von den Bauteilen ab, die ihn mit der physischen Welt verbinden. Es gibt eine Vielzahl von Hardware-Lösungen, mit denen sich digitale Zwillinge robust und in Echtzeit realisieren lassen. Zu diesen gehören auch die folgenden Beispiele aus dem Produktportfolio von Mouser Electronics.

Das X300 von Lantronix ist ein kompaktes Mobilfunk-IoT-Gateway, das für den Einsatz in anspruchsvollen industriellen Umgebungen entwickelt wurde. Es bietet sichere Verbindungen über LTE Cat 1-, NB-IoT- und Cat M1-Netzwerke. Dieses Gateway spielt eine entscheidende Rolle als Brücke für die Kommunikation zwischen verteilten Sensornetzwerken und cloudbasierten Plattformen. Durch seine integrierten Edge-Verarbeitungsfähigkeiten kann das X300 die Daten vor der Übertragung vorverarbeiten, was zur Optimierung der Netzwerkbandbreite und zur Reduzierung der Latenz beiträgt. Es eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen kabelgebundene Verbindungen nicht praktikabel sind oder mobile Anlagen bzw. Geräte kontinuierlich überwacht werden müssen.

Der SSD 250A von Bourns ist ein hochpräziser Stromsensor zur Überwachung von Gleichstrom- und Impulsstrompegeln. Durch seine kompakte Bauform und sein robustes Design eignet er sich besonders für industrielle Applikationen, insbesondere dort, wo die Überwachung des Energieverbrauchs für die Wartung und den effizienten Betrieb von Anlagen von zentraler Bedeutung ist. In einem digitalen Zwilling liefert er zuverlässige Daten, mit denen Stromabweichungen erkannt und der Energieverbrauch analysiert werden können.

Der SN-GCQB1 von Panasonic ist ein kompakter und reaktionsschneller Sensor, der speziell für die Erkennung von Gaskonzentrationen und Partikeln entwickelt wurde. Er bietet schnelle Reaktionszeiten und eine hohe Empfindlichkeit, was in Fertigungsumgebungen, in denen selbst kleine Änderungen der Luftqualität die Zuverlässigkeit der Maschinen oder die Konsistenz der Produkte beeinträchtigen können, unerlässlich ist. Durch die Einspeisung von Umgebungsdaten in einen digitalen Zwilling trägt dieser Sensor dazu bei, potenziell störende Umstände zu erkennen, bevor sie sich auf den Betrieb auswirken.

Die Kombination dieser Bauteile zeigt, wie wichtig die Auswahl der richtigen Hardware für die Erfassung hochpräziser Daten und den Erhalt der Echtzeit-Reaktionsfähigkeit ist, durch die digitale Zwillinge in der modernen Fertigung so effektiv sind (Bild 3).

Der Erfolg digitaler Zwillinge hängt von passenden Daten und Elektronik ab

Digitale Zwillinge verändern die Art und Weise, wie Hersteller ihren Betrieb verwalten, Wartungsarbeiten durchführen und Entscheidungen treffen. Ihr Erfolg hängt jedoch von präzisen und aktuellen Daten ab, wobei Elektronik eine entscheidende Rolle spielt.

Durch die Integration präziser Sensoren, robuster Embedded-Systeme und sicherer IoT-Gateways in die Infrastruktur digitaler Zwillinge können Hersteller reaktionsschnelle, datengesteuerte Systeme schaffen, die umfassende Einblicke und messbare Verbesserungen liefern. Bauteile wie das X300 von Lantronix, der SSD 250A von Bourns und der SN-GCQB1 von Panasonic aus dem Portfolion von Mouser, erfüllen die Anforderungen an Zuverlässigkeit und Leistung, die für diese Fertigungslösungen der nächsten Generation erforderlich sind.

Mit der richtigen Basis spiegeln digitale Zwillinge nicht nur die Realität wider, sondern tragen auch aktiv zu ihrer Gestaltung bei und ermöglichen den Herstellern mit Blick auf die Zukunft eine höhere Effizienz, Ausfallsicherheit und Anpassungsfähigkeit. (mk)

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* Mark Patrick ist Director of Technical Content, EMEA bei Mouser Electronics.

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