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Digitale Zwillinge und vernetzte Modelle – Ein Anlagenmodell für Wartung nutzen

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Einleitung

Digitale Zwillinge und vernetzte Modelle – Ein Anlagenmodell für Wartung nutzen

Zielgruppe: Technische Ausbildung, insbesondere Mechatronik, Industriemechanik und Elektronikerberufe.

Lernziel: Du erkennst den Zustand einer simulierten Anlage anhand vernetzter Modelldaten und formulierst nachvollziehbare Prüfhinweise. Dabei unterscheidest Du Beobachtungen, Vermutungen und freigegebene Maßnahmen.

Lernweg: Sechs kurze Lerneinheiten, ein Ausbildungsfall, interaktive Modelle, Selbsttests und ein eigener Wartungsbericht.

Sicherheitsregel: Alle Maschinenabläufe und Veränderungen werden zunächst ausschließlich simuliert. Es erfolgt keine automatische Live-Ansteuerung. Schutzeinrichtungen dürfen niemals umgangen werden. Reale Arbeiten sind nur unter geeigneter Fachaufsicht, nach Gefährdungsbeurteilung und mit betrieblicher Freigabe zulässig.

Eine Förderanlage als Anschauungsbeispiel. Die Anlage B1 in diesem Kurs ist vollständig fiktiv.

Lernpfad: Sechs kurze Lerneinheiten

Lerneinheit 1: Was ist ein digitaler Zwilling?

Ein digitaler Zwilling ist eine digitale Repräsentation eines realen oder geplanten Objekts, die mit passenden Informationen und gegebenenfalls aktuellen Betriebsdaten verbunden ist.

Ein reines CAD-Bild zeigt vor allem den Aufbau. Ein zustandsbezogenes Anlagenmodell kann zusätzlich Messwerte, Zeitverläufe und Bauteilbeziehungen darstellen.

Demonstration: Fraunhofer IEM erklärt die Grundidee des digitalen Zwillings.

Mini-Aufgabe: Nenne zwei Informationen, die eine Zeichnung allein nicht über den aktuellen Zustand eines Lagers verrät.

Feedback: Beispielsweise Schwingung und Temperatur. Beide benötigen geeignete Messungen; ein Modell erzeugt keine zuverlässigen Zustandsdaten aus dem Nichts.

Lerneinheit 2: Bauteile, Sensoren und vernetzte Modelle

Unsere simulierte Förderanlage besteht aus dem Antrieb M1, dem Lager L1, dem Temperatursensor T1 und dem Schwingungssensor V1.

OPC UA ist ein Standard für den strukturierten Informationsaustausch in der industriellen Automatisierung. Die Verwaltungsschale (AAS) beschreibt industrielle Assets und ihre Informationen auf standardisierte Weise. Beides kann zusammenwirken, erfüllt aber unterschiedliche Aufgaben.

Modellebene	Beispiel B1
Anlagenstruktur	Förderband B1 enthält Antrieb M1 und Lager L1
Sensorzuordnung	T1 und V1 beziehen sich auf Lager L1
Messdaten	Temperatur, Schwingung und Zeitstempel
Betriebsbedingung	Auslastung des Förderbands
Quellenangabe	Sensor, Einheit, Erfassungszeit und Datenstand

Mini-Aufgabe: Zeichne vier Kästchen für B1, L1, T1 und V1. Verbinde die Kästchen durch Pfeile und beschrifte die Beziehungen.

Feedback: Ein Messwert ist für die Wartung nur sinnvoll, wenn klar ist, zu welchem Bauteil und zu welcher Betriebssituation er gehört.

Lerneinheit 3: Ausbildungsfall Förderanlage B1

Auftrag: Du sollst einen begründeten Prüfhinweis für Lager L1 vorbereiten. Du hast keinen Zugriff auf die reale Maschinensteuerung.

Alle folgenden Werte sind frei erfundene Übungsdaten, keine realen Maschinenmessungen.

Uhrzeit	Lagertemperatur	Schwingungswert	Auslastung
08:00	37 °C	1,1 mm/s	60 %
09:00	39 °C	1,3 mm/s	60 %
10:00	44 °C	2,6 mm/s	61 %
11:00	47 °C	3,2 mm/s	60 %

Ausschließlich für diese Unterrichtssimulation ist bei vergleichbarer Auslastung eine Hinweismarke von 3,0 mm/s festgelegt. Sie ist weder ein Grenzwert aus einer Norm noch eine Herstellerfreigabe oder Sicherheitsabschaltung.

Beobachtung: Der Schwingungswert steigt von 1,1 auf 3,2 mm/s; gleichzeitig erhöht sich die Temperatur. Die Auslastung bleibt ungefähr gleich.

Noch unbekannt: Ursache, Sensorzustand, Messbedingungen und tatsächlicher Zustand des Lagers.

Mini-Aufgabe: Markiere den Zeitpunkt, zu dem die fiktive Hinweismarke überschritten wird. Formuliere einen Satz mit Messbeleg und einen Satz mit einer offenen Frage.

Feedback: Um 11:00 Uhr liegt der Schwingungswert über der Unterrichtsmarke. Das rechtfertigt einen Prüfhinweis, beweist aber keinen Lagerschaden.

Lerneinheit 4: Vom Messwert zum begründeten Prüfhinweis

Zustandsüberwachung erkennt auffällige Signale. Vorausschauende Instandhaltung kann darüber hinaus Prognosen nutzen, benötigt dafür jedoch geeignete Daten und überprüfte Modelle.

Demonstration: Fraunhofer IPK erläutert Smart Maintenance.

Schritt	Begründete Aussage zu B1
Beobachtung	Schwingung und Temperatur steigen bei annähernd gleicher Last
Hypothese	Denkbar sind Lagerveränderungen, veränderte Befestigung oder ein Messproblem
Plausibilitätsprüfung	Sensorzuordnung, Zeitstempel, Einheiten und Datenqualität prüfen
Vergleich	Frühere Werte bei vergleichbarer Last und Drehzahl heranziehen
Prüfhinweis	Fachlich beaufsichtigte Überprüfung von Messkette und Lagerzustand planen
Freigabe	Zuständige Fachkraft entscheidet über weitere Maßnahmen nach betrieblichem Verfahren

Muster eines Prüfhinweises:

„Bei Förderanlage B1 steigen zwischen 08:00 und 11:00 Uhr die simulierten Schwingungswerte von 1,1 auf 3,2 mm/s und die Lagertemperatur von 37 auf 47 °C bei annähernd gleicher Auslastung. Die Daten legen eine Zustandsprüfung nahe, erlauben aber keine eindeutige Fehlerdiagnose. Zunächst sind Datenherkunft, Sensormontage und Vergleichsmessungen fachlich zu prüfen. Reale Maßnahmen bedürfen einer betrieblichen Freigabe.“

Gestufte Hilfen

Hilfe 1 – Erkennen: Unterstreiche die Werte, die sich verändern. Kreise die nahezu konstante Auslastung ein.
Hilfe 2 – Einordnen: Unterscheide eine gemessene Veränderung von einer vermuteten Ursache.
Hilfe 3 – Begründen: Verwende das Satzmuster „Weil die Daten … zeigen, sollte zunächst … geprüft werden. Noch nicht belegt ist …“.

Feedback: Gute Prüfhinweise nennen Daten, Grenzen der Aussage und den nächsten sicheren Prüfschritt. „Lager sofort austauschen“ wäre aus den Übungsdaten allein nicht begründet.

Lerneinheit 5: Das Anlagenmodell interaktiv erkunden

Interaktives Forschungsmodell: Fraunhofer-IPK-Testbed als 3D-Modell – Erkunde die Anlage und suche Beziehungen zwischen Bauteilen und Informationen.

Browserdemonstration: realvirtual.io – virtuelle Industrieanlagen – Nutze ausschließlich die bereitgestellten Demonstrations- und Simulationsfunktionen. Verbinde keine SPS, Steuerung oder reale Maschine.

Auftrag im Modell:

Finde eine Komponente, deren Zustand für die Wartung wichtig ist.
Skizziere ihre Beziehung zu einem passenden Sensor.
Ordne anschließend die fiktiven B1-Messwerte der richtigen Modellkomponente zu.
Spiele auf Papier zwei Varianten durch: erhöhte Auslastung und veralteter Zeitstempel.

Feedback: Bei höherer Last ist ein unmittelbarer Vergleich problematisch. Bei veralteten Daten darf auch eine grüne Zustandsanzeige nicht unkritisch übernommen werden.

Sicherheitsgrenze: Die Lernaktivität ist eine Offline-Simulation beziehungsweise Modellbetrachtung. Es gibt keine automatische Freigabe und keine Live-Ansteuerung.

Lerneinheit 6: Quellen und Demonstrationen kritisch vergleichen

Fachliche Vertiefung: Fraunhofer ITWM erläutert Condition Monitoring und Predictive Maintenance.

Herstellerperspektive: Eine Demonstration zur Verwaltungsschale zeigt mögliche Anwendungen, ersetzt aber keine unabhängige Prüfung.

Quellentyp	Geeignet für	Kritische Grenze
IDTA-Spezifikationen	Struktur und Austausch von Informationen mittels Verwaltungsschale	Belegen nicht die Richtigkeit einzelner Sensordaten
NIST – Digital Twins	Grundverständnis, Nutzen und Anforderungen an digitale Zwillinge	Ersetzt keine Prüfung der konkreten Anlage
Fraunhofer IPK	Forschungs- und Praxisdemonstrationen zur Zustandsanalyse	Forschungsbeispiele sind nicht automatisch auf B1 übertragbar
Anbieter-Demo	Anschauliche Simulation und Modellnavigation	Produktdarstellung ist kein unabhängiger Wirksamkeitsnachweis
DGUV Information 209-015	Sichere Organisation von Instandhaltungsarbeiten	Liefert keine Ferndiagnose für das simulierte Lager

Mini-Aufgabe: Vergleiche eine Aussage aus der Herstellerdemonstration mit einer Aussage aus einer IDTA-Spezifikation. Notiere, was die Quelle tatsächlich belegt und was nicht.

Feedback: Standards erklären Anforderungen und Datenstrukturen; Demonstrationen zeigen mögliche Umsetzungen. Eine überzeugende Animation beweist weder Diagnosegenauigkeit noch Arbeitssicherheit.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was macht ein zustandsbezogenes Anlagenmodell gegenüber einer reinen Zeichnung besonders nützlich? (Es verknüpft Anlagenkomponenten mit passenden Zustandsinformationen) (!Es ersetzt jede Wartungsfachkraft) (!Es erteilt automatisch Arbeitsfreigaben) (!Es macht Sensorprüfungen überflüssig)

Welche Information hilft beim Einordnen eines Schwingungswertes besonders? (Die Betriebsbelastung während der Messung) (!Die Farbe des Gehäuses) (!Der Name der Ausbildungsgruppe) (!Die Bildschirmgröße)

Was zeigt der simulierte Wert von 3,2 mm/s um 11 Uhr? (Die fiktive Hinweismarke der Übung ist überschritten) (!Ein Lagerschaden ist sicher bewiesen) (!Das Förderband muss automatisch abgeschaltet werden) (!Ein realer Grenzwert wurde rechtsverbindlich überschritten)

Wozu dient ein Zeitstempel bei Zustandsdaten? (Er ordnet einem Messwert einen Erfassungszeitpunkt zu) (!Er repariert fehlerhafte Sensoren) (!Er ersetzt die Sensorbezeichnung) (!Er garantiert die Sicherheit der Anlage)

Wofür wird die Verwaltungsschale eingesetzt? (Für die standardisierte Beschreibung und Bereitstellung von Assetinformationen) (!Als mechanische Schutzhaube) (!Als Ersatz für die Gefährdungsbeurteilung) (!Zur automatischen Beseitigung aller Störungen)

Welche Aufgabe kann OPC UA übernehmen? (Den strukturierten Austausch industrieller Informationen) (!Die mechanische Ausrichtung einer Welle) (!Das Schmieren eines Lagers) (!Die Freigabe gefährlicher Wartungsarbeiten)

Was darf aus gleichzeitig steigender Temperatur und Schwingung geschlossen werden? (Eine Auffälligkeit liegt vor und muss fachlich eingeordnet werden) (!Das Lager ist nachweislich zerstört) (!Der Temperatursensor ist sicher defekt) (!Die Maschine darf ohne Prüfung geöffnet werden)

Welche Daten sind für einen fairen Trendvergleich wichtig? (Messwerte aus vergleichbaren Betriebsbedingungen) (!Nur der höchste jemals gemessene Wert) (!Nur ein Foto der Maschine) (!Nur die zuletzt gewählte Bildschirmfarbe)

Was ist bei einer interaktiven Industrie-Demonstration in diesem Kurs zulässig? (Eine Simulation ohne Verbindung zur realen Steuerung) (!Eine direkte Ansteuerung der laufenden Maschine) (!Das Überbrücken eines Schutzschalters) (!Ein ungeprüfter Eingriff in die Anlage)

Was muss vor einer realen Instandhaltungsarbeit vorliegen? (Eine geeignete Fachaufsicht und die erforderliche betriebliche Freigabe) (!Nur eine Warnmeldung aus dem Modell) (!Nur eine Empfehlung aus einem YouTube-Video) (!Nur eine mündliche Vermutung aus der Lerngruppe)

Begründetes Quiz-Feedback

Zustandsbezug entsteht durch passende, zugeordnete Daten; die Grafik allein genügt nicht.
Schwingungen können von Last und Betriebszustand beeinflusst werden.
Die Marke von 3,0 mm/s ist nur eine Unterrichtsfestlegung.
Ohne Zeitbezug lassen sich veraltete und aktuelle Daten schwer unterscheiden.
Die Verwaltungsschale standardisiert Informationsstrukturen, nicht den Wahrheitsgehalt der Daten.
OPC UA unterstützt den Informationsaustausch, übernimmt aber keine mechanische Reparatur.
Eine Auffälligkeit ist ein Anlass zur Prüfung und noch keine eindeutige Diagnose.
Unvergleichbare Betriebsbedingungen können einen Trend verfälschen.
Ein sicherer Übungsaufbau hat keine unkontrollierte Verbindung zu realen Steuerungen.
Reale Tätigkeiten folgen den betrieblichen Schutz- und Freigabeverfahren.

Memory

Anlagen-ID	Eindeutige Zuordnung einer Komponente
Zeitstempel	Zeitpunkt der Datenerfassung
Lastprofil	Beschreibung der Betriebsbelastung
Schwingungssensor	Erfassung mechanischer Schwingungen
Verwaltungsschale	Standardisierte digitale Assetbeschreibung
Simulation	Modellversuch ohne reale Maschinenansteuerung
Arbeitsfreigabe	Betriebliche Erlaubnis für eine geplante Tätigkeit

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Sensorwert	Temperaturmessung
Modellstruktur	Bauteilzuordnung
Betriebsdaten	Lastprofil
Arbeitsplanung	Prüfauftrag
Sicherheitsorganisation	Freigabeprozess

Kreuzworträtsel

Sensor	Welches Bauteil erfasst eine physikalische Größe?
Zwilling	Wie heißt das digitale Gegenstück in der Bezeichnung digitaler Zwilling?
Zeitstempel	Wie nennt man die Information über den Erfassungszeitpunkt eines Messwerts?
Lastprofil	Wie heißt die Beschreibung einer sich verändernden Betriebsbelastung?
Simulation	Wie heißt das Nachbilden eines Ablaufs ohne reale Maschinenansteuerung?
Freigabe	Welche betriebliche Erlaubnis ist vor geplanten realen Tätigkeiten erforderlich?

LearningApps

Die folgende Suche führt zu gegebenenfalls vorhandenen Lernaktivitäten. Die Ergebnisse sind fremde Angebote und müssen vor dem Einsatz fachlich geprüft werden.

Lückentext

Ein digitaler

kann Informationen über eine Anlage mit einem digitalen Modell verknüpfen.

Im Ausbildungsfall werden Daten einem

zugeordnet.

Die Temperatur wird durch einen geeigneten

erfasst.

Jeder Messwert benötigt einen nachvollziehbaren

.

Bei der Bewertung wird die betriebliche

berücksichtigt.

Eine Reihe zeitlich geordneter Werte kann einen

zeigen.

Eine mögliche Fehlerursache bleibt zunächst eine

.

Die standardisierte digitale Beschreibung eines Assets heißt

.

Maschinenabläufe werden im Kurs ausschließlich durch

untersucht.

Reale Arbeiten benötigen die betriebliche

.

Offene Aufgaben

Leicht: Basisaufgaben

Anlagenmodell: Zeichne B1 mit Antrieb M1, Lager L1 und beiden Sensoren. Beschrifte alle Beziehungen.
Messdaten: Trage die vier Temperatur- und Schwingungswerte in zwei selbst gezeichnete Zeitdiagramme ein.
Digitaler Zwilling: Erstelle drei Lernkarten zu Anlagenmodell, Messwert und Zeitstempel.
Medienkompetenz: Notiere zwei Aussagen aus dem Fraunhofer-IEM-Video und überprüfe sie anhand des Modellbilds.

Begründetes Feedback: Richtig zugeordnete Bauteile verhindern Fehlinterpretationen. Ein Diagramm macht einen zeitlichen Anstieg sichtbar; eine einzelne Zahl zeigt den Verlauf nicht.

Standard: Anwendungsaufgaben

Zustandsüberwachung: Formuliere einen Prüfhinweis für B1 mit zwei Messbelegen, einer Unsicherheit und einem sicheren nächsten Schritt.
Datenqualität: Erstelle eine Prüfliste für Sensorzuordnung, Einheit, Zeitstempel, Vergleichslast und Datenherkunft.
Asset Administration Shell: Entwirf eine einfache Modellkarte mit Kennung, Bauteil, Sensor, Messgröße und Datenstand.
Quellenkritik: Vergleiche die Fraunhofer-IPK-Demonstration mit einer Anbieter-Demo. Trenne gezeigte Funktionen von unbelegten Versprechen.

Begründetes Feedback: Gute Anwendungen machen jeden Schluss überprüfbar. Eine Messwertänderung ohne geprüfte Datenqualität rechtfertigt keine eindeutige Diagnose.

Schwer: Transferaufgaben

Fehlerdiagnose: Erfinde zwei alternative Ursachen für den Trend bei B1. Plane für beide eine ungefährliche Offline-Prüfung im Modell.
Datenanalyse: Verändere in einer zweiten Simulation die Auslastung stark. Erkläre, warum der ursprüngliche Trendvergleich nun eingeschränkt ist.
Arbeitssicherheit: Entwirf einen Entscheidungsablauf von einer Modellwarnung bis zur betrieblich freigegebenen fachlichen Prüfung. Schließe automatische Live-Eingriffe ausdrücklich aus.
Qualitätssicherung: Untersuche einen Fall mit veralteten Sensorwerten und entwirf eine Kennzeichnung für „Datenstand unklar“. Begründe Deine Empfehlung anhand von mindestens zwei unterschiedlichartigen Fachquellen.

Begründetes Feedback: Ein überzeugender Transfer berücksichtigt alternative Erklärungen, Datenunsicherheit und klare Zuständigkeiten. Die Modellwarnung führt zur Bewertung, nicht unmittelbar zur Maschinenhandlung.

Lernkontrolle

Bearbeite die folgenden Aufgaben schriftlich oder als kurze Präsentation. Begründe jede Entscheidung.

Transfer: Die Schwingung steigt, gleichzeitig verdoppelt sich die Auslastung. Erkläre, warum die Beurteilung anders ausfallen kann als im ursprünglichen Fall B1.
Datenqualität: Der digitale Zwilling zeigt „unauffällig“, aber der letzte Messwert ist mehrere Tage alt. Entwickle eine verantwortbare Reaktion.
Fehleranalyse: Zwei Sensoren widersprechen einander. Beschreibe eine Reihenfolge von Plausibilitätsprüfungen, ohne eine Ursache vorwegzunehmen.
Quellenkritik: Eine Herstellerdemonstration verspricht eine sichere Ausfallvorhersage. Erkläre, welche unabhängigen Belege und anlagenspezifischen Prüfungen fehlen könnten.
Instandhaltungsplanung: Ein Team möchte wegen einer Modellwarnung sofort ein Lager öffnen. Erläutere die notwendigen fachlichen, organisatorischen und sicherheitsbezogenen Zwischenschritte.
Modellierung: Ergänze das B1-Modell um einen zweiten Sensor. Begründe, welche neue Information er liefern würde und welche Unsicherheit trotzdem bestehen bleibt.

Bewertungsmaßstab: Wesentlich sind nachvollziehbare Zusammenhänge, sachgerechte Unsicherheit, geeignete Vergleichsdaten, sichere Handlungsplanung und eine begründete Quellenbewertung.

Lernnachweis

Erstelle eine digitale Wartungsfallakte für B1 mit folgenden Bestandteilen:

Ein beschriftetes Anlagenmodell mit Sensorzuordnungen.
Eine Darstellung des simulierten Messwertverlaufs einschließlich Einheiten und Zeitangaben.
Eine Trennung von Beobachtung, Hypothese und offenem Prüfbedarf.
Einen priorisierten Prüfhinweis ohne automatische Live-Ansteuerung.
Eine Sicherheitsnotiz zu Fachaufsicht, Gefährdungsbeurteilung, Schutzmaßnahmen und betrieblicher Freigabe.
Einen kritischen Vergleich von mindestens zwei Fachquellen einschließlich Urheber- und Lizenzangaben für übernommene Medien.
Eine kurze Reflexion darüber, was das Modell nicht sicher aussagen kann.

Bewertungsvorschlag: Modell und Datenzuordnung 20 %, Dateninterpretation 25 %, begründeter Prüfhinweis 25 %, Sicherheitskonzept 20 %, Quellen- und Medienkritik 10 %.

Erfolgreich ist der Lernnachweis, wenn die Schlussfolgerungen aus den Übungsdaten nachvollziehbar sind und keine unzulässigen Eingriffe in reale Anlagen empfohlen werden.

OERs zum Thema

Wikipedia-Einstieg:

Fachlich überprüfbare Ausgangsquellen:

NIST: Digital Twins – Grundlagen und technische Anforderungen.
NIST: Digital Twins Workshops Summary Report, 2026 – Themen wie Vertrauen, Modellvalidierung und Unsicherheit.
Industrial Digital Twin Association: AAS-Spezifikationen – Standardisierte Assetinformationen.
IDTA: Downloads und Teilmodelle – Weiterführende Spezifikationen.
Fraunhofer ITWM: Predictive Maintenance – Forschung und fachliche Demonstrationen.
Fraunhofer IPK: Monitoring und Analyse – Praxisbezogene Forschung.
DGUV Information 209-015: Instandhaltung an Maschinen und Anlagen – Sicherheitsbezogene Fachgrundlage.

Mediennachweise und Nutzungsrechte

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Accelerometer (Piezoelectric type) NT.PNG – Tosaka, CC BY 3.0.

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Wichtiger Hinweis: Die hier konstruierten B1-Messdaten, die Hinweismarke und die daraus erstellten Mustertexte sind Unterrichtsmaterial; sie sind keine reale Anlagenfreigabe, kein geprüftes Diagnosemodell und keine betrieblich gültige Arbeitsanweisung.