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Digitale Zwillinge und vernetzte Modelle – Sensordaten einem Modell zuordnen

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Einleitung

Digitale Zwillinge und vernetzte Modelle – Sensordaten einem Modell zuordnen

Zielgruppe: Ausbildung in Mechatronik, Elektronik, Automatisierung und IT.

Dauer: etwa 60–75 Minuten in sechs kurzen Einheiten.

Lernziel: Du ordnest simulierte Sensordaten einem digitalen Anlagenmodell zu und prüfst Identität, Messgröße, Einheit und Zeitstempel.

Ein digitaler Zwilling verbindet ein Modell mit Informationen über ein Objekt oder einen Prozess. Hier arbeitest Du mit einem simulierten Datenabbild; eine Verbindung zur Produktionsanlage ist ausdrücklich nicht vorgesehen.

Bildauftrag: Zeige im Architekturdiagramm, wo Daten eingehen und wo das Modell liegt. Bild: Jamaica Lancee, CC BY 4.0.

Videostopp nach der Begriffserklärung: Was unterscheidet ein Modell von einem realen Förderband? Quelle: Siemens Software (2023); fremdes Video, keine freie Lizenz zugesichert.

Lernweg auf einen Blick

Einheit	Kernfrage	Mini-Aktion
1 · 10 Min.	Welche Anlage und welcher Sensor?	Kennungen verbinden
2 · 10 Min.	Welche Messgröße und Einheit?	Fahrenheit in Celsius umrechnen
3 · 10 Min.	Wann wurde gemessen?	Datenalter prüfen
4 · 15 Min.	Wohin gehört der Datensatz?	Modellzuordnung simulieren
5 · 10 Min.	Wie helfen Standards?	Quellen kritisch vergleichen
6 · 10–20 Min.	Kannst Du selbst entscheiden?	Basis, Anwendung, Transfer

Sicherheitsgrenze: Alle Anlagen, Messwerte, Zeitpunkte und Kennungen des Ausbildungsfalls sind frei erfundene Simulationsdaten. Keine SPS, kein MQTT-Broker und kein OPC-UA-Server einer echten Anlage wird verbunden oder beschrieben. Keine automatische Live-Ansteuerung, keine Manipulation oder Umgehung von Schutzeinrichtungen. Arbeiten an realen Anlagen nur mit betrieblicher Freigabe, Gefährdungsbeurteilung und geeigneter Fachaufsicht. Siehe Betriebssicherheitsverordnung.

Ausbildungsfall: Zwei Förderbänder

Auftrag: In einer Lernwerkstatt existieren die virtuellen Förderbänder FB-01 und FB-02. Du sollst der Modellansicht von FB-01 die korrekten Messwerte zuordnen, nicht die Maschine bewegen.

Anschauungsfoto, nicht die simulierte Anlage. Bild: Shixart1985, CC BY 2.0.

Modellziel	Kennung	Erwartete Größe	Ziel-Einheit
FB-01 / Motor M-01	FB-01 / TS-01	Motortemperatur	°C
FB-01 / Welle W-01	FB-01 / GS-01	Drehzahl	1/min
FB-02 / Motor M-01	FB-02 / TS-01	Motortemperatur	°C

Merksatz: Eine Sensor-ID allein reicht nicht: FB-01 / TS-01 ist ein anderes Messgerät als FB-02 / TS-01.

Lerneinheit 1: Identität finden

Beispielfoto eines Temperatursensors, kein Bauteil des Förderbandes. Bild: 1sfoerster, CC BY-SA 3.0.

Vier Fragen: Zu welcher Anlage, welchem Bauteil, welchem Sensor und welcher Messgröße gehört ein Wert? Kennungen sind im Betrieb anhand einer dokumentierten Zuordnungstabelle zu prüfen, nicht zu erraten.

Eine Asset Administration Shell (AAS) beschreibt ein Asset über Identifikatoren und Teilmodelle. Ein semanticId kann die fachliche Bedeutung einer Modelleigenschaft referenzieren. Das ist mehr als ein frei gewählter Anzeigename.

Offizielle Eclipse-BaSyx-Einführung. Suche gezielt die Passage zu Asset Administration Shell und Teilmodellen; der ganze Vortrag ist optional.

Basis-Check: Darf FB-02 / TS-01 den Temperatureintrag von FB-01 füllen?

Feedback: Nein. Die Anlagenidentität stimmt nicht überein, selbst wenn beide Werte gleich hoch sind.

Lerneinheit 2: Einheiten prüfen

Die Pt100-Kennlinie zeigt: Ein Sensorsignal und eine Temperaturanzeige sind nicht dasselbe. Bild: Saure, CC BY-SA 4.0.

Ein Zahlenwert ohne Einheit ist unvollständig. Das Modell erwartet für den Motor °C. Der Simulator meldet 122 °F.

Berechne:

Temperatur in °C = (Temperatur in °F − 32) × 5 / 9

122 °F = 50 °C.

Die Umrechnung verändert den Zahlenwert und die Einheit, nicht die Sensoridentität oder den Messzeitpunkt.

Für maschinenlesbare Einheiten gibt es beispielsweise UCUM mit dem Code Cel für Grad Celsius. Ein im Projekt gewähltes Einheitensystem muss konsequent dokumentiert werden.

Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes:

Beispiel eines Drehgebers. Bild: Joao Paulo Chagas, CC BY 4.0.

Mini-Entscheidung: 1200 1/min gehört zur Drehzahl – nicht zur Temperatur. Fehlende oder unbekannte Einheiten werden markiert und geklärt, nicht stillschweigend ergänzt.

Lerneinheit 3: Zeitstempel verstehen

Karte zur Diskussion der Zeitzonen, keine Quelle für aktuelle nationale Zeitregeln. Bild: Goran tek-en, CC BY-SA 4.0.

Ein Zeitstempel wie 2026-10-11T08:30:00Z steht für den 11. Oktober 2026 um 08:30:00 UTC. Das Z kennzeichnet UTC.

Andere Zeitversätze können ausdrücklich notiert werden, zum Beispiel 2026-10-11T10:30:00+02:00 für denselben Zeitpunkt. Die Schreibweise folgt dem Internetprofil RFC 3339.

Wichtig: Der Zeitpunkt der Messung ist nicht automatisch der Zeitpunkt, an dem ein Gateway die Nachricht empfängt. Für die Übung zählt die angegebene Messzeit. Wenn sie fehlt, lässt sich die Aktualität nicht zuverlässig prüfen.

Simulationsregel: Prüfzeit 08:30:05Z; höchstens 10 Sekunden Datenalter sind erlaubt. Diese Grenze gilt nur im Ausbildungsfall und ist keine allgemeine Industrienorm.

Lerneinheit 4: Modellzuordnung simulieren

Führe nur eine Datenprüfung durch; keinerlei Steuerbefehle.

Datensatz	Anlagen-ID / Sensor-ID	Messwert	Messzeit UTC
A	FB-01 / TS-01	122 °F	08:30:00Z
B	FB-01 / GS-01	1200 1/min	08:30:02Z
C	FB-02 / TS-01	50 °C	08:30:03Z
D	FB-01 / TS-01	80 °C	08:25:00Z
E	FB-01 / TS-01	51 ohne Einheit	08:30:04Z

Alle Zeitangaben gehören zum 11.10.2026. Bearbeite zunächst A bis E ohne die Lösung.

Zuordnungsalgorithmus auf Papier: Prüfe erst die vollständige Identität, danach die Messgröße, dann Einheit und Umrechnung, schließlich Zeitstempel und Datenalter.

Erst bei vier bestandenen Prüfungen übernimmst Du den Wert in die simulierte Anzeige. Bei einem Fehler bleibt der bisherige Anzeigewert unverändert und der Datensatz wird gekennzeichnet.

Anzeige im Trainingsmodell	Zuordnung	Zustand
FB-01.M-01.Motortemperatur	A → 50 °C	gültig
FB-01.W-01.Drehzahl	B → 1200 1/min	gültig
FB-02.M-01.Motortemperatur	C → 50 °C	gehört zu FB-02

Gestufte Hilfen

Hilfe 1 – Blickrichtung: Beginne links mit FB-01 oder FB-02, nicht mit dem Zahlenwert.
Hilfe 2 – Fachhinweis: Prüfe TS für Temperatur, GS für Drehzahl und rechne °F in °C um.
Hilfe 3 – Rechenhilfe: A ist 5 Sekunden alt; D ist 5 Minuten und 5 Sekunden alt. Bei E ist die Einheit unbekannt.

Begründetes Feedback zu A–E:

A akzeptieren: Richtige Identität und Messgröße, 122 °F ergeben 50 °C, Messung frisch.
B akzeptieren: Richtige Zuordnung, passende Einheit, 3 Sekunden alt.
C für FB-01 ablehnen: Gehört trotz plausibler Temperatur zu FB-02.
D zurückstellen: Korrekte Identität, aber älter als 10 Sekunden.
E zurückstellen: Ohne Einheit ist 51 nicht sicher vergleichbar.

Eclipse-BaSyx-Demonstration zu Dashboards, Teilmodellen und MQTT-Daten. Betrachte nur eine kurze ausgewählte Sequenz. Nicht mit einer echten Anlage nachbauen.

Lerneinheit 5: Vernetzung und Quellen kritisch prüfen

MQTT-Nachrichtenaufbau. Das Protokoll allein bestätigt weder die richtige Einheit noch die richtige Zuordnung. Bild: Blacktron, CC BY-SA 4.0.

MQTT kann Nachrichten transportieren; OPC UA kann Maschineninformationen strukturiert bereitstellen.

Weder Protokoll noch Dashboard ersetzen die Prüfung, was ein Datenpunkt bedeutet. Eine AAS strukturiert digitale Asset-Informationen, sie ist nicht gleichbedeutend mit einem Steuerbefehl.

OPC Foundation: „OPC UA in a Minute“. Prüfe: Erklärt das Video auch den konkreten Zeitstempel unseres Sensors? Nein – die technische Spezifikation ist dafür die bessere Quelle.

Quelle	Wofür geeignet?	Kritische Grenze
IDTA: AAS-Metamodell v3.2	Asset-IDs, Submodelle, Semantik	Ersetzt keine Messprüfung vor Ort
RFC 3339	Zeitformat und UTC-Offset	Legt keine zulässige Datenalter-Grenze fest
UCUM-Spezifikation	Eindeutige Einheiten-Codes	Kennt nicht die Einbaustelle eines Sensors
W3C SOSA/SSN	Sensor, beobachtete Größe, Beobachtungszeit	Ist keine konkrete SPS-Konfiguration
Eclipse BaSyx Web UI	Technische, bearbeitbare AAS-Ansicht	Funktioniert nur mit passender Testumgebung; keine Live-Freigabe
Siemens: Überblick	Beispiele und Motivation	Anbieterperspektive; keine Normquelle

Quellenvergleich – Anwendungsfrage: Eine Werbung verspricht „Echtzeit ohne Fehler“. Welche Quellen würdest Du zur Prüfung verlangen?

Feedback: Für Identität und Semantik IDTA, für das Zeitformat RFC 3339, für Einheiten UCUM, für das tatsächliche Datenalter eine dokumentierte Messung. Ein Anbieterprospekt allein belegt keine konkrete Zuordnungsqualität.

Fachliche Vertiefung, nur in einer isolierten Testumgebung: BaSyx AAS Web UI zeigt bearbeitbare Teilmodelle. Ein älteres, ausdrücklich als Beispiel zu behandelndes BaSyx-Szenario demonstriert sogar die Umrechnung Fahrenheit → Celsius.

Beachte die Versionsunterschiede; keine Verbindung zu Produktionssystemen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welches Merkmal verhindert die Verwechslung zweier gleich benannter Sensoren? (Anlagen-ID zusammen mit Sensor-ID) (!Nur der Temperaturwert) (!Die Farbe des Kabels) (!Nur die Ziffer im Sensornamen)

Welche Aussage zu 122 Grad Fahrenheit trifft zu? (Es entspricht 50 Grad Celsius) (!Es entspricht 122 Grad Celsius) (!Es entspricht 90 Grad Celsius) (!Eine Umrechnung ist unmöglich)

Welcher Wert passt zum Modellelement Drehzahl? (1200 Umdrehungen pro Minute) (!50 Grad Celsius) (!12 Volt ohne Messgrößenangabe) (!80 Grad Fahrenheit)

Was bezeichnet das Z am Ende eines Zeitstempels nach RFC 3339? (Einen UTC-Zeitversatz von null) (!Einen unbekannten Zeitpunkt) (!Eine Sommerzeitkorrektur) (!Einen Sensorfehler)

Welche Prüfung folgt auf die Identität im Ausbildungsfall? (Messgröße und fachliche Bedeutung) (!Automatischer Motorstart) (!Änderung der Schutzeinrichtung) (!Löschen aller Messdaten)

Warum wird Datensatz C für FB-01 zurückgestellt? (Er stammt von FB-02) (!Er ist zwingend zu alt) (!Er hat nie eine Einheit) (!Er enthält eine negative Drehzahl)

Warum darf Datensatz E nicht einfach übernommen werden? (Die Einheit fehlt) (!Die Sensor-ID ist unbekannt) (!Jeder Wert über 50 ist verboten) (!Ein Zeitstempel ist grundsätzlich unnötig)

Wie alt ist Datensatz A bei der Prüfzeit 08:30:05Z? (Fünf Sekunden) (!Fünf Minuten) (!Eine Stunde) (!Zehn Minuten)

Welche Quelle beschreibt das AAS-Metamodell verbindlicher als ein Werbevideo? (Die IDTA-Spezifikation) (!Eine anonyme Produktanzeige) (!Ein unkommentierter Social-Media-Post) (!Ein beliebiges Firmenlogo)

Was ist in dieser Ausbildungseinheit erlaubt? (Simulierte Messwerte im Modell prüfen) (!Eine reale SPS automatisch ansteuern) (!Schutzeinrichtungen überbrücken) (!Eine Maschine ohne Freigabe testen)

Memory

Anlagenkennung	Identifiziert die konkrete Förderstrecke
Sensor-ID	Benennt die Quelle des Messsignals
Messgröße	Beschreibt die physikalische Eigenschaft
Einheitencode	Ermöglicht eine eindeutige Größenangabe
Quellzeitstempel	Bezeichnet den Erfassungszeitpunkt
Datenalter	Zeitabstand bis zur Prüfung

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Bedeutung im Datenmodell
Asset-Identität	Unterscheidet verschiedene Förderbänder
Sensorzuordnung	Verknüpft das Messgerät mit einem Bauteil
Einheitenumrechnung	Macht Fahrenheit und Celsius vergleichbar
Messzeit	Beschreibt den Zeitpunkt der Erfassung
Gültigkeitsentscheidung	Übernimmt oder markiert den Datensatz nach allen Prüfungen

Kreuzworträtsel

Sensorik	Wie heißt die Gesamtheit technischer Einrichtungen zur Erfassung von Messgrößen?
Identitaet	Was muss stimmen, damit ein Wert zur richtigen Anlage gehört?
Zeitstempel	Welche Angabe ermöglicht die zeitliche Einordnung eines Messwerts?
Celsius	Wie heißt die Temperatur-Einheit der Modellanzeige?
Simulation	Wie heißt das gefahrfreie Nachbilden eines Anlagenablaufs am Modell?
Einheit	Welche Angabe fehlt, wenn nur der Zahlenwert 51 übermittelt wird?

LearningApps

Dies ist eine LearningApps-Suche, keine Zusage, dass dort eine geprüfte Einzel-App existiert.

Lückentext

Der digitale Zwilling beschreibt ein reales oder geplantes Objekt durch ein digitales

.

Im Ausbildungsfall trägt das erste virtuelle Förderband die Kennung

.

Für die eindeutige Zuordnung benötigt man neben der Anlagenkennung eine

.

Ein Temperaturwert muss eine geeignete

besitzen.

Die Anzeige für die Motortemperatur verwendet Grad

.

Der Wert 122 Grad Fahrenheit entspricht

Grad Celsius.

Ein Zeitstempel mit Z am Ende verwendet die Zeitzone

.

Die Prüfung verwendet den Zeitpunkt der

.

Datensatz C darf nicht in das Modell von FB-01 übernommen werden, denn er gehört zu

.

Die maximale Aktualitätsgrenze von zehn Sekunden ist eine Regel der

.

Begründetes Feedback zu den Lernniveaus

Niveau	Typischer Fehler	Begründetes Feedback
Basis	Nur gleiche Zahlen vergleichen	Identität ist unabhängig von der Höhe des Messwerts
Anwendung	122 °F als 122 °C übernehmen	Die Einheit bestimmt die Bedeutung des Zahlenwerts; korrekt sind 50 °C
Transfer	Daten sofort an die Maschine weitergeben	Erst Validierung, Sicherheitsprüfung, betriebliche Freigabe und verantwortliche Fachaufsicht; dieser Kurs steuert ausschließlich eine Simulation

Offene Aufgaben

Leicht – Basis

Modellskizze: Zeichne FB-01 mit Motor, Welle und beiden Sensoren; beschrifte die Kennungen.
Sensorpass: Gestalte für TS-01 eine Karte mit Anlage, Bauteil, Messgröße, Einheit und Zeitfeld.
Einheitendetektiv: Erstelle drei erlaubte und drei unvollständige Beispiel-Datensätze und erkläre die Unterschiede.
Zeitlinie: Trage A, B und D ein und markiere mit der Prüfzeit die älteren Messwerte.

Standard – Anwendung

Zuordnungstabelle: Prüfe A bis E in einer selbst erstellten Tabelle und begründe jeden Status.
Umrechnungsblatt: Rechne 68 °F und 158 °F in Grad Celsius um und dokumentiere die Formel.
Fehlerkarte: Tausche absichtlich in einer Kopie der Simulation FB-01 mit FB-02 und entwirf eine Erkennungsregel.
Lernclip: Produziere ein 60-Sekunden-Video über den Unterschied zwischen Messzeit und Empfangszeit, mit selbst erstellten Grafiken.

Schwer – Transfer

Teilmodell-Prototyp: Entwirf offline ein AAS-ähnliches Schema mit Asset-ID, Elementpfad, semantischer Bedeutung und Einheit.
Prüfkonzept: Formuliere Regeln für fehlende Einheit, alte Werte, widersprüchliche Sensor-IDs und fehlende Messzeit.
Quellenaudit: Vergleiche IDTA, RFC 3339 und eine Herstellerdarstellung nach Ziel, Nachprüfbarkeit und Grenzen.
Praxisinterview: Befrage unter betrieblicher Freigabe eine Fachkraft nach Dokumentation und Datengüte; führe keine Messung oder Steuerhandlung an der Maschine durch.

Lernkontrolle

Begründete Entscheidung: Ein frischer Temperaturwert stammt von FB-02. Warum bleibt er für FB-01 ungültig?
Modellfehler: Ein Dashboard meldet gleichzeitig 122 °F und 50 °C. Wann können beide Anzeigen richtig sein?
Datenalter: Eine Nachricht wird jetzt empfangen, ihre Messzeit liegt fünf Minuten zurück. Welche Schlussfolgerung ist begründet und welche nicht?
Quellentransfer: Ein neuer Sensor nutzt andere Kennungen. Wie passt Du das Mapping an, ohne allein nach Namensähnlichkeiten zu entscheiden?
Sicherheitsfall: Eine Person will die Simulation mit der echten SPS verbinden. Entwirf eine begründete Ablehnung und die Voraussetzungen eines späteren betrieblichen Prüfprozesses.
Beweisfrage: Eine Produktbroschüre nennt ihren Zwilling echtzeitfähig. Welche unabhängigen technischen Nachweise forderst Du?

Bewertungsmaßstab: Richtig ist nicht nur ein Ergebnis, sondern ein nachvollziehbarer Prüfweg mit Identität → Messgröße → Einheit → Messzeit → Status sowie sicherem Umgang mit Unsicherheit.

Lernnachweis

Für Deinen Lernnachweis reichst Du ein simuliertes Zuordnungsprotokoll ein: annotierte Modellskizze, Tabelle A–E mit Status, dokumentierte Umrechnung, Prüfung der UTC-Zeitstempel, zwei selbst formulierte Fehlerregeln und einen kurzen Quellenvergleich.

Begründe zudem, warum aus der Datenanzeige kein automatischer Stellbefehl folgt.

Erfolgskriterien: Beide gültigen Werte richtig zugeordnet; C, D und E mit korrektem Grund zurückgestellt; Formel, Zeitregel und sichere Systemgrenze erklärt.

OERs zum Thema

Geprüfte Fachquellen (Abruf: Oktober 2026):

IDTA: AAS Part 1 – Metamodel, Version 3.2 – technische Modellidentität und Semantik.
IETF: RFC 3339 – explizite Zeitformate und UTC-Offsets.
UCUM – maschinenlesbare Einheiten.
W3C: SOSA/SSN – Modell der Sensorbeobachtung.
Eclipse BaSyx: AAS Web UI – technische Demonstration.
BetrSichV – Schutzmaßnahmen und rechtliche Rahmenbedingungen.

Bilder und Medienrechte: Die folgenden Dateiseiten nennen Autor, Quelle und überprüfte Lizenz. Die Dateien wurden hier unverändert eingebunden.

Bilddatei auf Wikimedia Commons	Urheber / Lizenz
Sensat digital twin architecture.png	Jamaica Lancee / CC BY 4.0
Conveyor belt moves material in a factory.jpg	Shixart1985 / CC BY 2.0
Temperature sensor.jpg	1sfoerster / CC BY-SA 3.0
Pt100 Kennlinie.png	Saure / CC BY-SA 4.0
Rotary encoder.jpg	Joao Paulo Chagas / CC BY 4.0
Time zones of the world-UTC.svg	Goran tek-en / CC BY-SA 4.0
MQTT Publish packet.svg	Blacktron / CC BY-SA 4.0

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