Effiziente Digitalisierung – Schritt für Schritt 

​Digitalisierung ist eine Notwendigkeit

In der Prozessautomatisierung lautet ein Grundprinzip: Man kann nur das regeln, was zuvor gemessen wurde. Was für die Shop Floor-Ebene gilt, trifft auch auf Geschäftsprozesse zu: Informationen aus Daten bilden die Grundlage für alle Entscheidungen. Die Aufgabe besteht also darin, Daten aus allen Ebenen der Informationspyramide – von der Sensor-Aktor-Ebene im Feld über die Prozess- und Betriebsleitebene bis hin zur Unternehmensebene – nutzbar zu machen, und sogar darüber hinaus. Dass dies nicht mehr mit Klemmbrettern und manueller Eingabe funktionieren kann, dürfte spätestens hier einleuchten: Digitalisierung tut not – aber nicht nur die Digitalisierung einzelner, isolierter Aufgaben und Abläufe. Die Systeme der Informationspyramide müssen sinnvoll miteinander verknüpft werden.

Schritt für Schritt zum digitalen Zwilling

Im Zeitalter von Industrie 4.0 und in der digitalen Transformation von Prozessanlagen hat sich für die Digitalisierung von Produktionseinheiten ein Konzept als Dreh- und Angelpunkt herauskristallisiert: der digitale Zwilling. Gemeint ist damit eine virtuelle Nachbildung einer tatsächlichen Industrieanlage, die jeden Aspekt widerspiegelt: von Maschinen und Anlagen bis hin zu Prozessen und Abläufen. Das Konzept des digitalen Zwillings hat seine Wurzeln in der Luft- und Raumfahrt und in der Fertigungsindustrie, wo es zur Erstellung virtueller Prototypen von Flugzeugen und Produkten verwendet wurde. Der digitale Zwilling ist allerdings nicht auf eine Branche beschränkt. Im Kern ist ein digitaler Zwilling mehr als nur ein 3D-Modell oder eine Simulation. Er ist ein dynamisches, datengesteuertes Abbild, das Echtzeitinformationen von Sensoren, IoT-Geräten und bestehenden Anlagensystemen erfasst. Dieser digitale Doppelgänger spiegelt nicht nur die physischen Attribute der Anlage wider, sondern bildet auch ihr Verhalten nach und ermöglicht es Betreibern, Ingenieuren und Datenanalysten, Prozesse auf völlig neue Weise zu überwachen, zu steuern und zu optimieren.

Zu den konkreten Anwendungen, in denen der digitale Zwilling Nutzen stiften kann, gehört beispielsweise die präventive Wartung: Durch die kontinuierliche Überwachung von Anlagen und Prozessen kann der digitale Zwilling vorhersagen, wann ein Maschinenausfall wahrscheinlich ist, was eine vorausschauende Wartung ermöglicht. Ausfallzeiten werden minimiert und kostspielige Reparaturen vermieden. Ein weiteres Beispiel ist die Prozessoptimierung: Datenanalysen in Echtzeit ermöglichen die Feinabstimmung von Prozessen, wodurch Effizienz, Qualität und Ressourcennutzung verbessert werden. Der digitale Zwilling wird zu einem virtuellen Sandkasten für das Experimentieren mit Prozessverbesserungen. Auch für Schulung und Simulation kann der digitale Zwilling eingesetzt werden: Er dient als Übungsfeld für Bediener und Ingenieure und ermöglicht es ihnen, sich in einer risikofreien Umgebung mit dem Anlagenbetrieb und der Fehlerbehebung vertraut zu machen.

Überhaupt gehören die Verbesserung der Sicherheit und das Verringern von Prozessrisiken zu den größten Nutzenpotenzialen der Brownfield-Digitalisierung: „Durch Digitalisierung werden Anlagenbetreiber in die Lage versetzt, ihre Prozesse besser zu überwachen: Wartungsarbeiten können so geplant werden, dass das Personal nicht nur optimal vorbereitet ist, sondern sich auch nur so lange in einem Gefahrenbereich aufhalten muss, wie unbedingt notwendig“, nennt Andoni Gonzalo, der bei Siemens für die Digitalisierungslösung PlantSight zuständig ist, ein konkretes Beispiel. Der Ansatz erlaubt es, aus 2D-Zeichnungen, 3D-Modellen und Tag-Informationen einen kontextualisierten digitalen Zwilling zu erstellen.

Neue Technologien nutzbar machen

„PlantSight“ heißt eines von zahlreichen Elementen, die Siemens im Rahmen des Brownfield Digital Enablement-Ansatzes nutzt. „Über die in der Prozessindustrie typischen Anlagen-Betriebszeiten von 20 bis 30 Jahren kann Digitalisierung zu erheblichen Kosteneinsparungen führen“, ist Gordon Meng überzeugt. Meng verantwortet global das Lösungsgeschäft Brownfield Digital Enablement und kennt das enorme Potenzial in diesen Anlagen: „Durch den Einsatz eines digitalen Zwillings können wir langfristig eine Effizienzsteigerung von bis zu 20 Prozent erzielen.“ Ein Schätzwert, den auch Jan Rougoor bestätigt: „Der schnelle Zugang zu relevanten Daten ist der Schlüssel – auch um neue Technologien für den Anlagenbetrieb nutzbar zu machen.“ 

Neben der Planung von Instandhaltungseinsätzen verspricht auch die vorausschauende Wartung einen hohen Nutzen: Die Auswertung von Sensordaten und deren Analyse im Kontext von Anlagenzustand und historischen Zustandsdaten kann dazu genutzt werden, um Ausfallzeiten und Wartungskosten zu verringern. Zudem ist es möglich, auf Basis digitaler Technologien komplexe Prozesse in Echtzeit zu optimieren und dadurch die Produktqualität zu steigern und den Einsatz von Ressourcen und Energie zu verringern. Das hilft nicht nur dabei, Kosten zu reduzieren, sondern auch den Ausstoß von Treibhausgasen. Deren Bilanzierung im Rahmen steigender Anforderungen an die Nachhaltigkeit ist ein weiterer Aspekt, der sich nur durch konsequente Digitalisierung lösen lässt. 

Zudem ermöglicht es Digitalisierung Technologie- und Handlungsoptionen für die Zukunft zu erschließen: Mehr und mehr wird künftig künstliche Intelligenz dazu genutzt werden, um aus Betriebsdaten bisher verborgene Erkenntnisse über den Prozess zu gewinnen und datengestützte Entscheidungen zu unterstützen. Und noch ein weiteres Zukunftsfeld setzt die Digitalisierung voraus: Autonome Anlagen, die weitgehend ohne Betriebspersonal auskommen und die aus der Ferne betrieben und überwacht werden können. Doch wie lassen sich solche Effizienzgewinne konkret erreichen? Und wie kann es gelingen, den Aufwand für die Digitalisierung zu reduzieren?

Schneller RoI und langfristige Ziele

Wesentlich für das Gelingen von Digitalisierungsprojekten ist eine konsequente Nutzenbetrachtung: „Man sollte sich von Anfang an auf die Bereiche konzentrieren, in denen der größte Nutzen entsteht“, empfiehlt Jan Rougoor. Auch wenn Unternehmen einen schnellen Return-on-Invest anstreben, sollten sie außerdem den langfristigen Horizont nicht aus den Augen verlieren: „Je länger der Investitionshorizont, desto größer die Rendite“, weiß Andoni Gonzalo.

Der Nutzen durch Digitalisierung entsteht für Prozessbetreiber durch Einsparungen beim Rohstoff- und Energieeinsatz, aber vor allem auch durch eine vorausschauende und zustandsbezogene Wartung: In der digitalisierten Anlage sind laufend Zustandsinformationen verfügbar und lassen sich Szenarien für ein sich abzeichnendes Versagen von Anlagenkomponenten durchspielen. Durch gezieltes Eingreifen ist es möglich, ungeplante Anlagenstillstände zu vermeiden – dadurch steigt die Produktivität der Anlage. Zudem unterstützen es digitale Applikationen wie der „Digital Worker“ das Personal in der Feldebene indem dieser per Tablet-Computer vor Ort einfachen Zugriff auf alle für seine Arbeit benötigten Informationen erhält. Dadurch steigt nicht nur die Qualität der Arbeiten, auch der Personaleinsatz vor Ort wird effizienter und die Sicherheit steigt. 

Dieser Ansatz zahlt sich nicht nur in der Instandhaltung aus, sondern kann auch in ganz anderen Bereichen Nutzen stiften: Zum Beispiel in der pharmazeutischen Produktion im Reinraum. Dort unterstützet Tools wie der Digital Worker das Personal dabei, ihren Reinraumeinsatz so vorzubereiten, dass keine unnötigen Schleusen-Schritte notwendig werden.

In Anlagen der (Petro-)Chemie hilft die Digitalisierung dabei, den Personaleinsatz schrittweise zu reduzieren – bis hin zu komplett autonomen Anlagen, wie sie beispielsweise bei Luftzerlegern bereits weitgehend gängige Praxis sind. Dadurch lassen sich auf Sicht gleich mehrere Probleme gleichzeitig lösen: Das bestehende Sicherheitsrisiko für Menschen in gefährlichen Umgebungen sowie der zunehmende Fachkräftemangel.  

Doch auch dieses Fernziel beginnt mit dem ersten Digitalisierungsschritt. Mit dem Brownfield Digital Enablement ist es möglich, die Digitalisierung klein zu beginnen und Schritt für Schritt Nutzen zu generieren – und dadurch mit neuen Technologien das Potenzial von Brownfield-Anlagen für die Zukunft zu entfesseln.