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Institut für Automatisierungstechnik und Softwaresysteme
Forschung
Demonstratoren
Digitaler Zwilling

Digitaler Zwilling: Synchronisierung mit Ankerpunktmethode

Domänenübergreifende Änderungsdetektion und Synchronisierung des Digitalen Zwillings

Heutzutage steht die Industrie zunehmend vor der Herausforderung, kundenspezifische Produkte in stetig kürzer werdenden Produktionszeiten zu liefern. Dies erfordert, dass flexible Produktionssysteme zur Verfügung stehen, die bei Bedarf effizient rekonfiguriert werden können. Dementsprechend müssen zwei Aspekte berücksichtigt werden. Ein Aspekt ist die Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit mithilfe der Verbesserung der Produktionsprozessschritte im Rahmen der Erstellung von individuellen Produkten. Der zweite Aspekt ist, dass mit verkürzten Lebenszyklen und steigenden Marktanforderungen eine ständige Verbesserung und Rekonfiguration der aktuellen Systeme stattfindet. Im Kontext der Cyber-Physical Systems (CPS) kann ein Digitaler Zwilling für ein Produktionssystem diese Herausforderung angehen, um Systeme einfach und schnell rekonfigurierbar zu machen, indem Rekonfigurations-Szenarien in einer simulativen Umgebung realisiert und getestet werden. Die Wiederinbetriebnahme des Fertigungssystems benötigt daher weniger Zeit und ermöglicht eine höhere Systemverfügbarkeit.

Digitaler Zwilling (Mechanik) des Modularen Produktionssystems

Foto: IAS

Hierzu wird im Institut für Automatisierungstechnik und Softwaresysteme ein Digitaler Zwilling eines Modularen Produktionssystem (MPS) als Demonstrator erstellt. Dieser Digitale Zwilling beinhaltet multidisziplinäre Engineering-Modelle der Anlage der Domänen Mechanik, Elektrik und Software. Die Modelle werden im gesamten Lebenszyklus des Produktionssystems automatisch mithilfe der Ankerpunktmethode synchronisiert.

Assistenzsystem zur Änderungsdetektion des Digitalen Zwillings

Foto: IAS

Die Ankerpunktmethode ist eine Methodik zur domänenübergreifenden Änderungsdetektion in der Fertigungsautomatisierung und Synchronisierung des Digitalen Zwillings durch die Identifizierung von Ankerpunkten und deren Relationen in der Softwaredomäne sowie der anschließenden, automatisierten Anpassung der Modelle im zentralen Digitalen Zwilling.

Publikationen zum Thema "Digitaler Zwilling"

2019
1. B. Ashtari Talkhestani, T. Jung, B. Lindemann, N. Sahlab, N. Jazdi, W. Schloegl, und M. Weyrich, „An architecture of an Intelligent Digital Twin in a Cyber-Physical Production System“, at - Automatisierungstechnik, Band 67, Heft 9, Seiten 762–782, 2019.
  Zusammenfassung
  The role of a Digital Twin is increasingly discussed within the context of Cyber-Physical Production Systems. Accordingly, various architectures for the realization of Digital Twin use cases are conceptualized. There lacks, however, a clear, encompassing architecture covering necessary components of a Digital Twin to realize various use cases in an intelligent automation system. In this contribution, the added value of a Digital Twin in an intelligent automation system is highlighted and various existing definitions and architectures of the Digital Twin are discussed. Flowingly, an architecture for a Digital Twin and an architecture for an Intelligent Digital Twin and their required components are proposed, with which use cases such as plug and produce, self-x and predictive maintenance are enabled. In the opinion of the authors, a Digital Twin requires three main characteristics: synchronization with the real asset, active data acquisition from the real environment and the ability of simulation. In addition to all the characteristics of a Digital Twin, an Intelligent Digital Twin must also include the characteristics of Artificial Intelligence. The Intelligent Digital Twin can be used for the realization of the autonomous Cyber-Physical Production Systems. In order to realize the proposed architecture for a Digital Twin, several methods, namely the Anchor-Point-Method, a method for heterogeneous data acquisition and data integration as well as an agent-based method for the development of a co-simulation between Digital Twins were implemented and evaluated.
  BibTeX
  @article{ashtaritalkhestani2019, abstract = {The role of a Digital Twin is increasingly discussed within the context of Cyber-Physical Production Systems. Accordingly, various architectures for the realization of Digital Twin use cases are conceptualized. There lacks, however, a clear, encompassing architecture covering necessary components of a Digital Twin to realize various use cases in an intelligent automation system. In this contribution, the added value of a Digital Twin in an intelligent automation system is highlighted and various existing definitions and architectures of the Digital Twin are discussed. Flowingly, an architecture for a Digital Twin and an architecture for an Intelligent Digital Twin and their required components are proposed, with which use cases such as plug and produce, self-x and predictive maintenance are enabled. In the opinion of the authors, a Digital Twin requires three main characteristics: synchronization with the real asset, active data acquisition from the real environment and the ability of simulation. In addition to all the characteristics of a Digital Twin, an Intelligent Digital Twin must also include the characteristics of Artificial Intelligence. The Intelligent Digital Twin can be used for the realization of the autonomous Cyber-Physical Production Systems. In order to realize the proposed architecture for a Digital Twin, several methods, namely the Anchor-Point-Method, a method for heterogeneous data acquisition and data integration as well as an agent-based method for the development of a co-simulation between Digital Twins were implemented and evaluated.}, author = {Ashtari Talkhestani, B. and Jung, T. and Lindemann, B. and Sahlab, N. and Jazdi, N. and Schloegl, W. and Weyrich, M}, doi = {https://doi.org/10.1515/auto-2019-0039}, issn = {ISSN (Print) 0178-2312}, journal = {at - Automatisierungstechnik, Band 67, Heft 9, Seiten 762–782}, title = {An architecture of an Intelligent Digital Twin in a Cyber-Physical Production System}, url = {https://www.ias.uni-stuttgart.de/dokumente/publikationen/2019_An_architecture_of_an_Intelligent_Digital_Twin_in_a_Cyber-Physical_Production_System.pdf}, year = 2019 }
  Link
  https://www.ias.uni-stuttgart.de/dokumente/publikationen/2019_An_architecture_of_an_Intelligent_Digital_Twin_in_a_Cyber-Physical_Production_System.pdf
2. M. Klein, B. Maschler, A. Zeller, B. Ashtari Talkhestani, N. Jazdi, R. Rosen, und M. Weyrich, „Architektur und Technologiekomponenten eines digitalen Zwillings“, in 20. Leitkonferenz der Mess- und Automatisierungstechnik Automation 2019, 02.-03.Juli 2019, Baden-Baden, 2019.
  Zusammenfassung
  Die Konzepte des digitalen Zwillings werden sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie immer relevanter. Daraus ergeben sich viele verschiedene Sichtweisen. Ein Überblick über das vorherrschende Verständnis wird in diesem Beitrag gegeben. Darüber hinaus werden die notwendigen Aspekte eines digitalen Zwillings erläutert und der Bedarf an zukünftiger Forschung zu Schlüsseltechnologien (Technologiekomponenten) im Kontext digitaler Zwilling begründet. Auf dieser Grundlage werden mögliche Vorteile eines digitalen Zwillings über seinen Lebenszyklus dargestellt. Weiterhin wird in diesem Beitrag ein ausgearbeiteter Vorschlag für die Architektur eines digitalen Zwillings präsentiert. Der Beitrag schließt mit einem Prototyp, in dem Artefakte und Konzepte des digitalen Zwillings eines Lkws exemplarisch implementiert sind.
  BibTeX
  @conference{klein2019architektur, abstract = {Die Konzepte des digitalen Zwillings werden sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie immer relevanter. Daraus ergeben sich viele verschiedene Sichtweisen. Ein Überblick über das vorherrschende Verständnis wird in diesem Beitrag gegeben. Darüber hinaus werden die notwendigen Aspekte eines digitalen Zwillings erläutert und der Bedarf an zukünftiger Forschung zu Schlüsseltechnologien (Technologiekomponenten) im Kontext digitaler Zwilling begründet. Auf dieser Grundlage werden mögliche Vorteile eines digitalen Zwillings über seinen Lebenszyklus dargestellt. Weiterhin wird in diesem Beitrag ein ausgearbeiteter Vorschlag für die Architektur eines digitalen Zwillings präsentiert. Der Beitrag schließt mit einem Prototyp, in dem Artefakte und Konzepte des digitalen Zwillings eines Lkws exemplarisch implementiert sind.}, author = {Klein, M. and Maschler, B. and Zeller, A. and Ashtari Talkhestani, B. and Jazdi, N. and Rosen, R. and Weyrich, M.}, journal = {20. Leitkonferenz der Mess- und Automatisierungstechnik Automation 2019, 02.-03.Juli 2019, Baden-Baden}, title = {Architektur und Technologiekomponenten eines digitalen Zwillings}, url = {https://www.ias.uni-stuttgart.de/dokumente/publikationen/2019_Architektur_und_Technologiekomponenten_eines_digitalen_Zwillings.pdf}, year = 2019 }
  Link
  https://www.ias.uni-stuttgart.de/dokumente/publikationen/2019_Architektur_und_Technologiekomponenten_eines_digitalen_Zwillings.pdf
2018
1. B. Ashtari Talkhestani, N. Jazdi, W. Schloegl, und M. Weyrich, „Consistency check to synchronize the Digital Twin of Manufacturing automation based on anchor points“, in 51st CIRP Conference on Manufacturing Systems, Stockholm, 2018.
  Zusammenfassung
  Increasing product variety and the shortening of product lifecycles require a fast and inexpensive reconfiguration of existing manufacturing automation systems. To face this challenge one solution is a Digital Twin, which can be used to reduce the complexity and time of reconfiguration by early detection of design or process sequence errors of the system with a cross domain simulation. For engineering the Digital Twin and systemically synchronizing the data of mechatronic components in the interdisciplinary engineering models of a Digital Twin during the life cycle of manufacturing automation systems, this paper presents a concept for the engineering of a Digital Twin based on model integration in a PLM IT Platform and an Anchor Point method to systematically detect variances of the mechatronic data structure between the digital models and the physical system. The data of a mechatronic component from interdisciplinary domains, developed by the corresponding engineering tools are referred to as anchor points. This paper analyses domain specific challenges in automation software code to develop an assistance system for rule based consistency check and for synchronizing the engineering models of the Digital Twin of the manufacturing automation system based on the Anchor Point method.
  BibTeX
  @inproceedings{ashtaritalkhestani2018consistency, abstract = {Increasing product variety and the shortening of product lifecycles require a fast and inexpensive reconfiguration of existing manufacturing automation systems. To face this challenge one solution is a Digital Twin, which can be used to reduce the complexity and time of reconfiguration by early detection of design or process sequence errors of the system with a cross domain simulation. For engineering the Digital Twin and systemically synchronizing the data of mechatronic components in the interdisciplinary engineering models of a Digital Twin during the life cycle of manufacturing automation systems, this paper presents a concept for the engineering of a Digital Twin based on model integration in a PLM IT Platform and an Anchor Point method to systematically detect variances of the mechatronic data structure between the digital models and the physical system. The data of a mechatronic component from interdisciplinary domains, developed by the corresponding engineering tools are referred to as anchor points. This paper analyses domain specific challenges in automation software code to develop an assistance system for rule based consistency check and for synchronizing the engineering models of the Digital Twin of the manufacturing automation system based on the Anchor Point method.}, author = {Ashtari Talkhestani, Behrang and Jazdi, Nasser and Schloegl, Wolfgang and Weyrich, Michael}, booktitle = {51st CIRP Conference on Manufacturing Systems, Stockholm}, eventdate = {16-18 may 2018}, month = {05}, title = {Consistency check to synchronize the Digital Twin of Manufacturing automation based on anchor points}, url = {https://www.ias.uni-stuttgart.de/dokumente/publikationen/2018_Consistency_check_to_synchronize_the_Digital_Twin_of_Manufacturing_automation_based_on_anchor_points.pdf}, year = 2018 }
  Link
  https://www.ias.uni-stuttgart.de/dokumente/publikationen/2018_Consistency_check_to_synchronize_the_Digital_Twin_of_Manufacturing_automation_based_on_anchor_points.pdf
2017
1. B. Ashtari Talkhestani, N. Jazdi, W. Schlögl, und M. Weyrich, „A Concept in Synchronization of Virtual Production System with Real Factory Based on Anchor-Point Method“, in CIRP ICME ’17 - 11th CIRP Conference on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering 19- 21 July 2017 Gulf of Naples, Italy, 2017.
  - Zusammenfassung
  - BibTeX
  Zusammenfassung
  A Digital Twin, an always in sync digital model of existing manufacturing cells, can be used to reduce time and risk of reconfiguration by early detection of design or process sequence flaws of the system in virtual commissioning and simulation. In this paper the need of Digital Twins in future production plants as well as the structure of the Digital Twin is presented. The engineering process of production systems is a cross-domain challenge between mechanics, electrics and software, but a lack of collaboration and universal information transfer between the domains leads to a high investment volume by synchronization the digital model from the time of commissioning. To synchronize cross-domain mechatronic data models of mechatronic components in the digital world during the life cycle of existing production systems this paper presents the anchor point method to firstly detect variances of cross-domain mechatronic data structure between the digital model and the real system in the specific domains electrics, mechanics and software and update the virtual models to have a consistent data model of the Digital Twin.
  BibTeX
  @inproceedings{noauthororeditorconcept, abstract = {A Digital Twin, an always in sync digital model of existing manufacturing cells, can be used to reduce time and risk of reconfiguration by early detection of design or process sequence flaws of the system in virtual commissioning and simulation. In this paper the need of Digital Twins in future production plants as well as the structure of the Digital Twin is presented. The engineering process of production systems is a cross-domain challenge between mechanics, electrics and software, but a lack of collaboration and universal information transfer between the domains leads to a high investment volume by synchronization the digital model from the time of commissioning. To synchronize cross-domain mechatronic data models of mechatronic components in the digital world during the life cycle of existing production systems this paper presents the anchor point method to firstly detect variances of cross-domain mechatronic data structure between the digital model and the real system in the specific domains electrics, mechanics and software and update the virtual models to have a consistent data model of the Digital Twin.}, author = {Ashtari Talkhestani, Behrang and Jazdi, Nasser and Schlögl, Wolfgang and Weyrich, Michael}, booktitle = {CIRP ICME ’17 - 11th CIRP Conference on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering 19- 21 July 2017 Gulf of Naples, Italy}, title = {A Concept in Synchronization of Virtual Production System with Real Factory Based on Anchor-Point Method}, year = 2017 }
2. B. Ashtari Talkhestani, W. Schlögl, und M. Weyrich, „Synchronisierung von digitalen Modellen - Anwendung einer Ankerpunktmethode für Fertigungszellen“, atp edition - Automatisierungstechnische Praxis, Bd. 59, Nr. 07–08, S. 62–69, 2017.
  - Zusammenfassung
  - BibTeX
  Zusammenfassung
  Die zunehmende Produktvielfalt und die Verkürzung der Produktlebenszyklen erfordern eine schnelle und kostengünstige Rekonfiguration bestehender Produktionssysteme. Dafür ist ein aktuelles digitales Modell der bestehenden Fertigungszelle, ein digitaler Zwilling, eine geeignete Lösung. Der digitale Zwilling verringert die Kosten und verkürzt die Umrüstzeiten durch virtuelle Planung und Simulation – basierend auf dem aktuellen Zustand der realen Produktionsanlage und durch eine frühzeitige Erkennung von Konstruktions- oder Prozessablauffehlern in der Produktionsanlage. Voraussetzung ist allerdings, dass ein aktuelles (virtuelles) Anlagenmodell von den mechatronischen Bestandteilen der realen Anlage während der verschiedenen Phasen ihres Lebenszyklus existiert. Im Beitrag wird die domänenübergreifende, mechatronische Datenstruktur virtueller Fertigungszellen in der Automobilindustrie diskutiert. Es wird eine systematische Ankerpunktmethode vorgestellt, mit Hilfe derer sich die Abweichungen zwischen den virtuellen Modellen und der Realität ermitteln lassen. Basierend darauf wird eine regelbasierte Konsistenzprüfung zur durchgängigen, domänenübergreifenden Synchronisierung der aktuellen mechatronischen Ressourcenkomponenten der Produktionssysteme mit deren virtuellem Anlagemodell vorgestellt.
  BibTeX
  @article{ashtaritalkhestanisynchronisierung, abstract = {Die zunehmende Produktvielfalt und die Verkürzung der Produktlebenszyklen erfordern eine schnelle und kostengünstige Rekonfiguration bestehender Produktionssysteme. Dafür ist ein aktuelles digitales Modell der bestehenden Fertigungszelle, ein digitaler Zwilling, eine geeignete Lösung. Der digitale Zwilling verringert die Kosten und verkürzt die Umrüstzeiten durch virtuelle Planung und Simulation – basierend auf dem aktuellen Zustand der realen Produktionsanlage und durch eine frühzeitige Erkennung von Konstruktions- oder Prozessablauffehlern in der Produktionsanlage. Voraussetzung ist allerdings, dass ein aktuelles (virtuelles) Anlagenmodell von den mechatronischen Bestandteilen der realen Anlage während der verschiedenen Phasen ihres Lebenszyklus existiert. Im Beitrag wird die domänenübergreifende, mechatronische Datenstruktur virtueller Fertigungszellen in der Automobilindustrie diskutiert. Es wird eine systematische Ankerpunktmethode vorgestellt, mit Hilfe derer sich die Abweichungen zwischen den virtuellen Modellen und der Realität ermitteln lassen. Basierend darauf wird eine regelbasierte Konsistenzprüfung zur durchgängigen, domänenübergreifenden Synchronisierung der aktuellen mechatronischen Ressourcenkomponenten der Produktionssysteme mit deren virtuellem Anlagemodell vorgestellt.}, author = {Ashtari Talkhestani, Behrang and Schlögl, Wolfgang and Weyrich, Michael}, journal = {atp edition - Automatisierungstechnische Praxis}, number = {07-08}, pages = {62-69}, title = {Synchronisierung von digitalen Modellen - Anwendung einer Ankerpunktmethode für Fertigungszellen}, volume = 59, year = 2017 }
3. B. Ashtari Talkhestani, W. Schlögl, und M. Weyrich, „Synchronisierung von digitalen Modellen mit realen Fertigungszellen auf Basis einer Ankerpunktmethode am Beispiel der Automobilindustrie“, in Automation 2017 27.-28.06.2017 Baden-Baden, 2017.
  Zusammenfassung
  Die zunehmende Produktvielfalt und die Verkürzung der Produktlebenszyklen erfordern eine schnelle und kostengünstige Rekonfiguration bestehender Produktionssysteme 1. Um die- sen Herausforderungen zu begegnen, ist ein aktuelles digitales Modell der bestehenden Fer- tigungszelle, im Folgenden Digitaler Zwilling genannt, eine geeignete Lösung. Der Digitale Zwilling führt zu einer Kostenreduktion durch Verkürzung der Umrüstzeiten durch virtuelle Planung und Simulation basierend auf dem aktuellen Zustand der realen Produktionsanlage als auch durch eine frühzeitige Erkennung von Konstruktions- oder Prozessablauffehlern in der Produktionsanlage. Voraussetzung für die Verwendbarkeit des Digitalen Zwillings vom Produktionssystem ist allerdings, dass ein ak tuelles (virtuelles) Anlagenmodell von den me- chatronischen Bestandteilen der realen Anlage während der verschiedenen Phasen ihres Lebenszyklus existiert. In diesem Beitrag wird die domänenübergreifende, mechatronische Datenstruktur der virtuellen Fertigungszellen in der Automobilindustrie diskutiert. Es wird eine systematische Ankerpunktmethode vorgestellt, mithilfe derer die Abweichungen zwischen den virtuellen Modellen und der Realität detektiert und ermittelt werden können. Basierend darauf wird eine sogenannte regelbasierte Konsistenzprüfung zur durchgängigen, domänen- übergreifenden Synchronisierung der aktuellen mechatronischen Ressourcenkomponenten der Produktionssysteme mit deren virtuellem Anlagemodell vorgestellt.
  BibTeX
  @inproceedings{noauthororeditor2017synchronisierung, abstract = {Die zunehmende Produktvielfalt und die Verkürzung der Produktlebenszyklen erfordern eine schnelle und kostengünstige Rekonfiguration bestehender Produktionssysteme [1]. Um die- sen Herausforderungen zu begegnen, ist ein aktuelles digitales Modell der bestehenden Fer- tigungszelle, im Folgenden Digitaler Zwilling genannt, eine geeignete Lösung. Der Digitale Zwilling führt zu einer Kostenreduktion durch Verkürzung der Umrüstzeiten durch virtuelle Planung und Simulation basierend auf dem aktuellen Zustand der realen Produktionsanlage als auch durch eine frühzeitige Erkennung von Konstruktions- oder Prozessablauffehlern in der Produktionsanlage. Voraussetzung für die Verwendbarkeit des Digitalen Zwillings vom Produktionssystem ist allerdings, dass ein ak tuelles (virtuelles) Anlagenmodell von den me- chatronischen Bestandteilen der realen Anlage während der verschiedenen Phasen ihres Lebenszyklus existiert. In diesem Beitrag wird die domänenübergreifende, mechatronische Datenstruktur der virtuellen Fertigungszellen in der Automobilindustrie diskutiert. Es wird eine systematische Ankerpunktmethode vorgestellt, mithilfe derer die Abweichungen zwischen den virtuellen Modellen und der Realität detektiert und ermittelt werden können. Basierend darauf wird eine sogenannte regelbasierte Konsistenzprüfung zur durchgängigen, domänen- übergreifenden Synchronisierung der aktuellen mechatronischen Ressourcenkomponenten der Produktionssysteme mit deren virtuellem Anlagemodell vorgestellt.}, author = {Ashtari Talkhestani, Behrang and Schlögl, Wolfgang and Weyrich, Michael}, booktitle = {Automation 2017 27.-28.06.2017 Baden-Baden}, title = {Synchronisierung von digitalen Modellen mit realen Fertigungszellen auf Basis einer Ankerpunktmethode am Beispiel der Automobilindustrie}, url = {https://www.ias.uni-stuttgart.de/dokumente/publikationen/2017_Synchronisierung_von_digitalen_Modellen_mit_realen_Fertigungszellen_auf_Basis_einer_Ankerpunktmethode_am_Beispiel_der_Automobilindustrie.pdf}, year = 2017 }
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  https://www.ias.uni-stuttgart.de/dokumente/publikationen/2017_Synchronisierung_von_digitalen_Modellen_mit_realen_Fertigungszellen_auf_Basis_einer_Ankerpunktmethode_am_Beispiel_der_Automobilindustrie.pdf

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