Konzept zur Modularisierung von Komponenten des Digitalen Prozesszwillings

Knobloch, Robert (2023)
Konzept zur Modularisierung von Komponenten des Digitalen Prozesszwillings.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023382
Bachelorarbeit, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/23382

Kurzbeschreibung (Abstract)

Digitale Prozesszwillinge (DPTs) sind vernetzte Software-Systeme im Industrie-4.0-Kontext, die Produktionsprozesse digital abbilden, überwachen und steuern. Damit können Produktivitätssteigerungen erzielt und Wertschöpfungsketten flexibilisiert werden. Allerdings kann der Betrieb von DPTs zu sehr hohen Anforderungen an die ausführende Rechenressource führen. Zu diesen Anforderungen gehören eine hohe und variable benötigte Rechenleistung, Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit. Diese können mit monolithischen DPT-Architekturen nicht immer ausreichend erfüllt werden. Außerdem sind monolithische DPTs schwer wartbar, da einzelne Teile nur umständlich ersetzt werden können. Wenige wissenschaftliche Arbeiten befassten sich aber bisher mit nicht-monolithischen Digitalen Zwillingen.

Der Aufbau eines DPT in modularer statt monolithischer Architektur verspricht eine längere Lebensdauer durch bessere Wartbarkeit und Austauschbarkeit der DPT-Komponenten. Außerdem lassen sich die Module mittels Software-Virtualisierung durch Container von der physischen Hardware trennen und so flexibel zwischen beliebigen Hosts bewegen. Diese Portabilität erlaubt die horizontale Skalierung des DPT, Ausfalltoleranz sowie eine Auslagerung von Modulen in die Cloud. Austauschbarkeit und Wiederverwertbarkeit der Module sowie Portabilität der Container-Technologie ermöglichen zudem ein herstellerübergreifendes Ökosystem für den DPT.

In dieser Arbeit werden die Komponenten eines DPT modularisiert und containerisiert. Es wird eine Architektur für diesen containerisierten, modularisierten DPT (CMDPT) geschaffen, welche insbesondere die benötigte Infrastruktur für den Betrieb spezifiziert. Das Konzept wird in einer prototypischen Implementierung umgesetzt. Die Validierung des Konzepts zeigt, dass der CMDPT neue Anwendungsgebiete für den DPT schafft, die zugrundeliegenden Technologien aber in Hinsicht Echtzeit und Latenz noch nicht ausgereift sind.

Typ des Eintrags:

Bachelorarbeit

Erschienen:

2023

Autor(en):

Knobloch, Robert

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Konzept zur Modularisierung von Komponenten des Digitalen Prozesszwillings

Sprache:

Deutsch

Publikationsjahr:

17 November 2023

Ort:

Darmstadt

Kollation:

92 Seiten

Datum der mündlichen Prüfung:

1 November 2022

DOI:

10.26083/tuprints-00023382

URL / URN:

https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/23382

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

Digital Process Twins (DPTs) are connected software systems in the industry 4.0 context, which digitally represent, monitor and control production processes. This technology promises productivity gains and can improve the flexibility of supply chains. On the other hand, DPTs are setting difficult-to-achieve requirements for the executing computing resource, such as high and variable performance, reliability and fault tolerance. These requirements might not be satisfyingly met by a monolithic DPT architecture. Monolithic DPTs are also more difficult to maintain because components can not be easily replaced. Few scientific works have yet proposed explicitly non-monolithic digital twins.

A modular DPT promises a longer lifespan through improved maintainability and the ability to replace components. The modules are detached from the physical hardware using container software virtualization. This way the modules can be quickly and reliably migrated between hosts. This portability enables the horizontal scaling of the modules and the moving of modules to the cloud. Horizontally scaled modules also gain fault tolerance to a degree. The exchangeability and reusability of the modules enable a producer-independent module ecosystem.

In this thesis, the components of a DPT are modularized and containerized. An architecture for this containerized, modularized DPT is created (CMDPT), which provides the required infrastructure for its operation. This concept is realized in a prototypical implementation which demonstrates the characteristics of the CMDPT. The validation of the concept shows new areas of applications for the DPT, but also notes that underlying technologies might not yet have the required real-time and latency capabilities.

Englisch

Freie Schlagworte:

Digitaler Zwilling, Digital Twin, Digitaler Prozesszwilling, Container, Modularisation, Industrie 4.0

Status:

Verlagsversion

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-233821

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet Product Life Cycle Management (PLCM)

Hinterlegungsdatum:

17 Nov 2023 12:41

Letzte Änderung:

20 Nov 2023 06:24

PPN:

Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung:

1 November 2022

Export: