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Digitale Zwillinge und vernetzte Modelle – Digitales Modell Schatten und Zwilling unterscheiden

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Digitale Zwillinge und vernetzte Modelle – Digitales Modell Schatten und Zwilling unterscheiden

Zielgruppe: Ausbildung in Mechatronik, Automatisierungstechnik, Industrie und IT. Lernzeit: ca. 60–75 Minuten. Lernziel: Du unterscheidest Digitales Modell, digitalen Schatten und digitalen Zwilling anhand ihrer Datenkopplung und ihres Leistungsumfangs.

Sicherheitsregel: Alle Maschinenabläufe bleiben zunächst Simulationen mit Übungsdaten. Verbinde keine Übung mit realen SPS, Robotern, Netzwerken oder Aktoren; erteile keine Live-Befehle und umgehe keine Schutzeinrichtungen. Reale Arbeiten erfolgen ausschließlich unter geeigneter Fachaufsicht, nach betrieblicher Freigabe und geltenden Sicherheitsvorgaben. Eine Simulation ersetzt keine betriebliche Unterweisung.

Einleitung

Leitfrage: Ein Bildschirm zeigt laufend die Temperatur einer Förderanlage. Ist das schon ein digitaler Zwilling?

Vergleich der Datenflüsse nach Kritzinger et al.; Grafik: Martina Signorini, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0.

Merksatz: Nicht die 3D-Optik entscheidet, sondern wer Daten überträgt, in welche Richtung und ob dies automatisch geschieht. Die Dreiteilung folgt der wissenschaftlichen Klassifikation von Kritzinger et al. (2018) und wird auch von Fraunhofer IESE (2026) verwendet.

Lerneinheit 1: Drei Kopplungsstufen (ca. 10 Minuten)

Stufe	Datenverbindung	Typische Funktion	Grenze
Digitales Modell	Daten werden manuell übertragen.	Planen, Zeichnen, Durchspielen.	Kein automatisches Aktualisieren.
Digitaler Schatten	Reale Anlage → digitales Abbild: automatisch.	Zustände beobachten, Trends und Abweichungen erkennen.	Kein automatischer Rückkanal aus dem Modell zur Anlage.
Digitaler Zwilling	Reale Anlage ↔ digitales System: automatisierte Datenkopplung in beide Richtungen.	Zusätzlich Szenarien bewerten, Rückmeldungen oder Aktionen ermöglichen.	Ein Rückkanal ist keine Erlaubnis zur unkontrollierten Maschinensteuerung.

Manueller Austausch. Grafik: Martina Signorini, CC BY-SA 4.0.

Automatische Datenerfassung in einer Richtung. Grafik: Martina Signorini, CC BY-SA 4.0.

Automatisierte Kopplung in beide Richtungen. Grafik: Martina Signorini, CC BY-SA 4.0.

Wichtig: Diese drei Begriffe bilden eine strenge Einteilung nach Kopplungsgrad. In anderen Publikationen wird „digitaler Zwilling“ weiter gefasst. Eine gute Simulation allein ist noch kein automatisch gekoppelter Zwilling. Ein Zwilling muss auch nicht selbstständig Maschinenbewegungen auslösen.

Videodemonstration: Fraunhofer IEM erklärt den digitalen Zwilling und seine Anwendungsfälle.

Beobachtungsauftrag: Notiere beim Ansehen zwei Leistungen des Modells und suche nach einem Beleg für die Richtung des Datenflusses. Feedback: Eine eindrucksvolle Visualisierung belegt für sich genommen keine bidirektionale Kopplung.

Lerneinheit 2: Ausbildungsfall Förder- und Sortieranlage (ca. 15 Minuten)

Fiktiver Auftrag: Eine Förderanlage transportiert Werkstücke an einer Lichtschranke vorbei. Ein Temperatursensor meldet Motortemperaturen. Die Auszubildenden sollen eine Störung nur anhand künstlicher Messwerte untersuchen.

Beispiel einer SPS, nicht die Anlage aus unserem Fall. Foto: Bisgaard, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0.

Übungszeit	Temperatur	Werkstücke gezählt	Datenstatus
08:00	38 °C	12	aktuell
08:05	57 °C	24	aktuell
08:10	71 °C	36	aktuell im Datensatz
08:15	999 °C	36	offensichtlich unplausibler Testwert

Nur im Übungsfall gilt: Über 65 °C wird ein Prüfhinweis angezeigt. Das ist kein realer Grenzwert und keine sicherheitsgerichtete Funktion.

Drei Arbeitsaufträge zur gleichen Anlage:

Modell: Du tippst die vier Datensätze von Hand in eine Tabelle und zeichnest den Temperaturverlauf.
Schatten: Ein simulierter Sensor übergibt die Werte automatisch an ein Dashboard. Das Dashboard kann nur anzeigen.
Zwilling-Prinzip: Eine vollständig vom Betrieb getrennte Simulation übernimmt Werte und übermittelt eine berechnete Empfehlung an ein simuliertes Anlagenobjekt zurück. Das zeigt die zweiseitige Kopplung im Modelllabor, ist aber noch kein real gekoppelter digitaler Zwilling.

Deine Prüfung: Was geschieht bei 71 °C? Warum darf bei 999 °C kein Maschinenbefehl folgen? Was passiert, wenn das Dashboard bei 08:05 stehen bleibt?

Begründetes Feedback: 71 °C löst im Übungsmodell einen Prüfhinweis aus, keinen echten Stopp. 999 °C ist zu plausibilisieren statt als gültiger Messwert behandelt zu werden. Ein veralteter Zeitstempel macht eine grüne Zustandsanzeige unzuverlässig.

Lerneinheit 3: Interaktive Modelle und Simulation (ca. 15 Minuten)

Interaktives Modell A: realvirtual WEB – 3D-Demonstration für Förderer, Sensoren und Antriebe. Verwende nur den eigenständigen Demo- oder Simulationsmodus; keine Live-SPS-, OPC-UA- oder sonstige Anlagenverbindung. Der Quellcode wird vom Anbieter mit AGPL-3.0 ausgewiesen; die Web-Demo wird hier lediglich verlinkt.

Auftrag: Finde im virtuellen Modell ein bewegtes Objekt und eine Zustandsänderung. Zeichne Pfeile für mögliche Datenwege. Feedback: Ein interaktiver 3D-Ablauf allein weist weder automatische Sensordaten aus einer realen Maschine noch einen realen Rückkanal nach.

Interaktives Modell B: Open Roberta Lab – SIM des Fraunhofer IAIS. Wähle einen virtuellen Roboter; programmiere in „SIM“ das Anhalten vor einem Hindernis. Keine Hardware koppeln. Das zeigt Sensorik und simulierte Reaktion, ist aber nicht automatisch ein digitaler Zwilling einer realen Anlage.

Entscheidungsexperiment: Prüfe diese rein simulierten Varianten:

Variante	Was ist gekoppelt?	Deine begründete Einordnung
A	Datentabelle wird von Hand aktualisiert.	Modell: kein automatischer Datenfluss.
B	Sensordaten erscheinen automatisch in der Anzeige, sonst nichts.	Schatten: nur Realität → digital.
C	Ein reales System und sein digitales Modell tauschen technisch automatisch Daten in beiden Richtungen aus.	Zwilling im strengen Kopplungssinn; reale Umsetzung benötigt zusätzlich Berechtigung, Validierung und Sicherheitskonzept.
D	Eine 3D-Simulation sendet nur an eine zweite Simulation.	Zwillingsprinzip im Modelllabor, jedoch kein mit einer realen Maschine gekoppelter Zwilling.

Mini-Auftrag: Ändere in Deinem Papiermodell den simulierten Schwellenwert von 65 °C auf 75 °C. Vergleiche die Warnungen für 71 °C. Feedback: Bei 65 °C erscheint ein Prüfhinweis, bei 75 °C nicht. Daraus folgt nicht, dass 75 °C im Betrieb sicher ist: Schwellenwerte brauchen fachliche Festlegung und Freigabe.

Lerneinheit 4: Datenqualität, Quellen und Sicherheit (ca. 15 Minuten)

Konzept aus physischer und digitaler Welt mit Informationsverbindung. Grafik: Wilmjakob, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0.

Prüfe vor jeder Aussage: Zeitstempel, Messgröße und Einheit, Sensorqualität, Latenz, Datenherkunft, Rückkanal, Zuständigkeit und Zugriffsrechte. Ein Digitaler Zwilling ist nur so verlässlich wie seine Daten und sein validiertes Modell.

Fachlich geprüfte Demonstrationen:

Fraunhofer ISST: „Was ist ein Digitaler Zwilling?“ (2020). Schwerpunkt: Datenintegration statt bloßer Simulation. YouTube-Einbettung, keine Übernahme des Videos unter freier Lizenz.

Fraunhofer ISST, „Data Researchers“, Folge 35 (03/2026): Digitale Zwillinge in Datenökosystemen. Originalseite und Video-Kontext. YouTube-Einbettung, keine offene Nachnutzungslizenz unterstellt.

Kritischer Quellenvergleich:

Quelle	Was ist belastbar?	Was musst Du kritisch prüfen?
Kritzinger et al. (2018), Fachartikel	Unterscheidung über manuelle, einseitig automatische und beidseitig automatische Datenflüsse.	Klassifikation ist ein Forschungsansatz, nicht die einzige Definition.
Fraunhofer IESE (2026)	Aktuelle, anschauliche Dreiteilung mit Anwendungsbeispielen.	Beispiele stammen aus der Landwirtschaft; für die Förderanlage übertragen.
NIST (2024) und NIST (2025)	Normungsübersicht, Umsetzung und Validierung von Fertigungszwillingen.	Forschung und Testfeld sind kein Nachweis, dass ein Produkt sicher ist.
fischertechnik Lernfabrik	Reales Ausbildungsangebot mit Beispielen vernetzter Fertigung.	Herstellerbeschreibung zeigt Möglichkeiten, ersetzt keinen unabhängigen Funktions- oder Sicherheitsnachweis.

Normbezug: Die Reihe ISO 23247 beschreibt ein Rahmenwerk für digitale Zwillinge in der Fertigung. Die Begriffsabgrenzung im Kurs orientiert sich primär an Kritzinger, nicht an einer behaupteten einzigen Normdefinition.

Sicherheitscheck: Vor realen Versuchen gelten Gefährdungsbeurteilung, betriebliche Freigabe und qualifizierte Aufsicht. Schutzeinrichtungen dürfen weder überbrückt noch unwirksam gemacht werden. Die DGUV-Forschung SafetySim verdeutlicht den Ausbildungswert gefahrloser Simulation; DGUV (2026) erläutert, warum reine Softwaretests keine persönliche Sicherheitsunterweisung ersetzen.

Gestufte Hilfen zum Ausbildungsfall

Hilfe 1 – Denkanstoß: Zeichne zwei Kästen „Anlage“ und „digitales Modell“. Wo sind die Pfeile?
Hilfe 2 – Struktur: Prüfe für jeden Pfeil „manuell oder automatisch?“ und unterscheide Anzeige, Empfehlung und tatsächlichen Aktorbefehl.
Hilfe 3 – Musteransatz: Automatisch nur von der Anlage zum Dashboard bedeutet Schatten. Eine automatische Rückkopplung in einem abgeschotteten Simulationspaar zeigt zwar das Zwillingsprinzip, bleibt aber ein Simulationsmodell ohne reales Gegenstück.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welcher Datenfluss kennzeichnet ein digitales Modell nach der Dreiteilung? (Manuelle Datenübertragung) (!Automatischer Rückkanal zur Maschine) (!Autonome Maschinensteuerung) (!Ständige Live-Synchronisierung)

Was kennzeichnet einen digitalen Schatten? (Automatischer Datenfluss von der Anlage zum digitalen System) (!Ausschließlich manuell übertragene Messwerte) (!Automatische Maschinenbefehle aus dem Modell) (!Eine besonders aufwendige dreidimensionale Darstellung)

Was kennzeichnet einen digitalen Zwilling in der strengen Klassifikation? (Automatisierte Datenkopplung in beide Richtungen) (!Nur eine digitale Zeichnung) (!Nur ein automatisch befülltes Dashboard) (!Ein beliebiges dreidimensionales Modell)

Warum reicht eine gute 3D-Animation nicht als Nachweis eines digitalen Zwillings? (Die technische Datenkopplung bleibt ungeklärt) (!Die Darstellung ist immer zu langsam) (!Ein digitaler Zwilling darf keine Grafik besitzen) (!Die Auflösung eines Bildschirms ist ausschlaggebend)

Wie ist ein Dashboard einzuordnen, das automatisch Sensordaten liest und nicht zurücksendet? (Digitaler Schatten) (!Digitaler Zwilling mit Rückkanal) (!Manuell gepflegtes Modell) (!Sicherheitssteuerung)

Wie reagierst Du im Übungsfall auf einen offensichtlich unplausiblen Messwert? (Messwert prüfen und nicht als gültige Grundlage verwenden) (!Maschine automatisch beschleunigen) (!Sicherheitsgrenze ohne Freigabe ändern) (!Schutzeinrichtung deaktivieren)

Welche Information zeigt an, ob ein Messwert veraltet sein könnte? (Zeitstempel) (!Hintergrundfarbe) (!Dateisymbol) (!Bildschirmgröße)

Was beweist die Kopplung zweier reiner Simulationen nicht? (Einen real gekoppelten digitalen Zwilling) (!Das Vorhandensein digitaler Modelle) (!Einen Austausch von Simulationsdaten) (!Die Existenz eines virtuellen Tests)

Welche Aussage zu einem technischen Rückkanal ist richtig? (Er erfordert bei realen Anlagen ein geeignetes Sicherheitskonzept) (!Er gestattet grundsätzlich unkontrollierte Aktorbefehle) (!Er ersetzt die betriebliche Freigabe) (!Er macht fachliche Aufsicht überflüssig)

Wodurch wird eine Herstellerdemo fachlich besser eingeordnet? (Durch Abgleich mit Fachliteratur und unabhängigem Nachweis) (!Durch die Zahl der Animationseffekte) (!Durch das Firmenlogo allein) (!Durch möglichst große Videodateien)

Feedback zu typischen Irrtümern: „Live-Dashboard = Zwilling“ ist falsch, weil der Rückkanal fehlt. „3D = Zwilling“ ist falsch, weil Grafik und Kopplung verschiedene Merkmale sind. „Simulation = Sicherheitsnachweis“ ist falsch, weil ein Modell validiert und eine reale Anlage gesondert beurteilt werden muss.

Memory

Digitales Modell	Manuelle Datenpflege
Digitaler Schatten	Automatischer Eingangsdatenstrom
Digitaler Zwilling	Bidirektionale Datenkopplung
Zeitstempel	Messzeitpunkt
Plausibilitätsprüfung	Auffällige Werte erkennen
Simulation	Virtuelles Experiment

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Bedeutung
Sensor	Messwerte erfassen
Dashboard	Zustände anzeigen
Rückkanal	Daten zum realen System zurückführen
Freigabe	Befugte Zustimmung
Validierung	Modellgüte überprüfen

Kreuzworträtsel

Sensor	Wie heißt ein Bauteil zum Erfassen einer Messgröße?
Modell	Wie heißt eine vereinfachte digitale Darstellung?
Schatten	Wie lautet der zweite Begriff in digitaler ...?
Zwilling	Wie heißt eine digital gekoppelte Repräsentation mit Rückkanal im strengen Modell?
Zeitstempel	Woran erkennst Du den Zeitpunkt einer Messung?
Freigabe	Was wird vor betrieblichen Eingriffen durch Berechtigte benötigt?

LearningApps

Suchansicht für ergänzende Aufgaben; einzelne fremde LearningApps wurden nicht inhaltlich oder lizenzrechtlich geprüft.

Lückentext

Ein digital gepflegter Plan ohne automatischen Datenfluss ist ein digitales

.

Eine automatische Übertragung nur von der Anlage zur Anzeige erzeugt einen digitalen

.

Der streng eingeordnete digitale Zwilling besitzt einen automatisierten

.

Ein Messwert sollte einen

haben.

Ein offensichtlich unmöglicher Messwert benötigt eine

.

Virtuelle Versuche ohne echte Maschine nennt man

.

Bei unklarer Datenqualität ist eine direkte Steuerungsentscheidung nicht

.

Vor realen Arbeiten benötigst Du eine betriebliche

.

Die Qualität eines Modells prüfst Du durch

.

Schutzfunktionen dürfen nicht

werden.

Offene Aufgaben

Leicht – Basis

Datenfluss: Zeichne für alle drei Kopplungsstufen jeweils zwei Kästen und die passenden Pfeile; markiere automatische Pfeile farbig.
Digitales Modell: Pflege die vier Übungsmesswerte manuell in einer Tabelle und skizziere den Temperaturverlauf.
Digitaler Schatten: Erkläre auf einer Karte, warum ein automatisch aktualisiertes Dashboard noch keinen Rückkanal besitzt.
Medienkompetenz: Vergleiche ein Commons-Schaubild mit einem Fraunhofer-Video: Welche Information ist dort tatsächlich belegt?

Standard – Anwendung

Datenqualität: Kennzeichne im Übungsdatensatz den auffälligen Wert und dokumentiere eine plausible Prüfstrategie.
Zeitstempel: Simuliere ein Dashboard, das bei 08:05 stehen bleibt; erläutere, warum ein späterer grüner Status täuschen kann.
Simulation: Spiele die beiden Übungs-Schwellenwerte 65 °C und 75 °C durch und erstelle eine Entscheidungstabelle nur für Prüfhinweise.
Anforderungsanalyse: Schreibe eine Mini-Spezifikation für eine rein lesende Überwachung der Förderanlage mit Messgrößen, Einheiten und Zugriffsrechten.

Schwer – Transfer

Digitaler Zwilling: Entwirf einen ausschließlich simulierten Rückkanal. Zeige, wo Validierung, Berechtigungen und menschliche Freigaben erforderlich wären.
Fehleranalyse: Simuliere Sensorfehler und Netzwerkausfall. Beschreibe, welche Aussagen das Modell dann nicht mehr zuverlässig treffen darf.
Quellenkritik: Vergleiche Kritzinger, Fraunhofer IESE und eine Herstellerbeschreibung. Formuliere eine begründete Einordnung des Herstellerprodukts.
Arbeitssicherheit: Gestalte ein Erklärvideo oder Poster mit fünf Prüffragen, die vor jedem späteren Realversuch mit Fachaufsicht zu klären sind.

Begründetes Feedback für die Selbstkontrolle: Basis ist erreicht, wenn Richtung und Automatisierungsgrad stimmen. Anwendung ist gelungen, wenn Du veraltete oder unplausible Daten sichtbar machst und keine Live-Befehle erzeugst. Transfer gelingt, wenn Du Grenzen des Modells, Quellenlage und Sicherheitsfreigaben ausdrücklich begründest. Vergleiche Deine Arbeit mit der Tabelle aus Lerneinheit 1 und der Entscheidungstabelle in Lerneinheit 3.

Lernkontrolle

Anlagenüberwachung: Eine Firma nennt ihr rein lesendes Dashboard „Digital Twin“. Ordne das System nach Kritzinger ein und begründe die mögliche Abweichung zur Werbeaussage.
Datenintegrität: Begründe, wie ein veralteter Zeitstempel trotz korrekt gemessener Temperatur zu einer falschen Entscheidung führen kann.
Modellvalidierung: Erläutere, welche Tests vor der fachlichen Nutzung einer Temperaturprognose im virtuellen Modell sinnvoll wären.
Mensch-Maschine-Interaktion: Unterscheide „Hinweis ausgeben“, „Handlung vorschlagen“ und „realen Aktor ansteuern“ im Hinblick auf Verantwortung und Risiko.
Technikfolgenabschätzung: Entscheide für einen kleinen Ausbildungsbetrieb, ob Modell, Schatten oder Zwilling für die Störungsanalyse angemessen ist. Begründe Aufwand, Nutzen, Datenbedarf und Schutzmaßnahmen.
Quellenbewertung: Nenne mindestens zwei Unterschiede zwischen Fachartikel, Forschungsinstitut und Herstellerdarstellung und erkläre deren Bedeutung für Deine Entscheidung.

Lernnachweis

Für Deinen Lernnachweis erstellst Du eine Seite Prozessgrafik und eine Seite begründete Auswertung. Nachzuweisen sind: eine korrekte Einordnung aller drei Kopplungsstufen, ein dokumentierter Versuch mit den künstlichen Messwerten, die Bewertung eines Datenfehlers, der Abgleich zweier fachlicher Quellen, die Kennzeichnung des Simulationscharakters und eine begründete Sicherheitsentscheidung. Bewertung: Fachliche Richtigkeit 40 %, Anwendungsbezug 25 %, Begründung und Quellenkritik 20 %, Sicherheitsbewusstsein 15 %. Eine reale Maschine wird nicht benötigt und nicht angesteuert.

OERs zum Thema

Freie Fachgrafiken: Die sechs im Kurs gezeigten Wikimedia-Commons-Abbildungen dürfen nach ihren jeweils angegebenen Creative-Commons-Bedingungen genutzt werden; Namensnennung und gegebenenfalls Weitergabe unter gleichen Bedingungen sind zu beachten. YouTube-Videos sind hier nur über den regulären Player eingebettet; ihre Wiedergabe ist keine allgemeine Erlaubnis zur Bearbeitung oder Weiterveröffentlichung. Externe Simulatoren sind verlinkte Dienste, keine zur freien Weitergabe übernommenen Kursmedien.

Weitere Quellen: NIST Digital Twins · Fraunhofer IPA · ISO 23247-1, offizielle Normübersicht.