Bacher, T. (2020). Entwicklung eines Anwendungskonzeptes für einen Digitalen Zwilling am Beispiel Dampferzeuger [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2020.67700
E302 - Institut für Energietechnik und Thermodynamik
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Date (published):
2020
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Number of Pages:
180
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Keywords:
Digitalisierung; Digitaler Zwilling; fünf-dimensionale Modellierung; digitaler Dampferzeuger; Betriebs- und Instandhaltungsoptimierung
de
digitalization; digital twin; five-dimensional modelling; digital steam generator; operation and maintenance optimization
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Abstract:
Die derzeit stattfindende Digitalisierung führt ohne Zweifel zu einer neuerlichen Revolution von Industrie und Gesellschaft. Auslöser dieser Revolution sind die enormen Weiterentwicklungen, die in den letzten Jahrzehnten im Bereich digitaler Basistechnologien, wie beispielsweise dem Internet der Dinge, Cyber-Physical Systems, Big Data oder künstlicher Intelligenz, um nur einige davon zu nennen, stattgefunden haben. Schlagwörter wie Industrie 4.0 (I4.0) und Energie 4.0 (E4.0) zeichnen eine Zukunftsvision von Industrie- und Energiesystemen, die unter dem intensiven Einsatz dieser Basistechnologien arbeiten und einen noch nie dagewesenen Grad an Vernetzung, Flexibilisierung und Automatisierung versprechen. Zentrales Element für die Realisierung dieser Zukunftsvisionen ist die konsequente Integration der realen/physischen Welt in die virtuelle/digitale Welt. Ein Digital Twin oder Digitaler Zwilling (DT) als virtuelles Abbild eines realen Assets verspricht genau diese Konvergenz in einem ganzheitlichen Ansatz umzusetzen. Der Digitale Zwilling als sogenannte „enabling technology“ kann für Unternehmen ein wichtiges Werkzeug darstellen, um die eintretenden Veränderungen durch eine fortschreitende Digitalisierung handhaben und den Nutzen, die Zuverlässigkeit und die Produktivität eines Industriesystems steigern zu können. Damit Unternehmen bei der Gestaltung und Umsetzung eines DT in der Praxis unterstützt werden können, bedarf es konkreter Anwendungskonzepte oder Referenzarchitekturmodelle, die den DT in eine Struktur einbinden, in der das Zusammenspiel zwischen realer und digitaler Welt ersichtlich wird und der Nutzen dieses Konzepts dadurch sichergestellt werden kann. Bisherige Forschungsbeiträge in diesem Bereich beschäftigen sich zwar mit unterschiedlichen Anwendungskonzepten für unterschiedliche Anlagen, für eine Dampferzeugungsanlage selbst wurde in der Literatur jedoch noch kein vergleichbares Konzept erstellt. Aufbauend auf den theoretischen Grundlagen sowie grundlegenden Definitionen zu den Themengebieten Digitalisierung und DT wird in der vorliegenden Arbeit deshalb ein fünfdimensionales DT-Modell (5D-DTM) für die Entwicklung eines digitalen Dampferzeugers vorgestellt. Der Dampferzeuger als klassische wärmetechnische Anlage muss im Rahmen des sich einstellenden Paradigmenwechsels innerhalb der Industrie und des Energiesystems (I4.0 und E4.0) in einem immer dynamischeren Umfeld betrieben werden. Dies führt zwangsläufig zu steigenden Belastungen des Dampferzeugers und beutet für Anlagenbetreiber eine große Herausforderung, um den wirtschaftlichen Betrieb ihrer Anlagen trotzdem sicherstellen zu können. Diese erschwerten Rahmenbedingungen eignen sich deshalb ideal, um die Vorteile eines DT zu illustrieren. Mit Hilfe des vorgestellten 5D-DTM kann ein ganzheitliches Boiler Prognostics and System Health Management (Boiler-PHM) implementiert und somit die Systemüberwachung, Systemvorhersage und Systemoptimierung schrittweise verbessert werden. Anhand von konkreten Anwendungsszenarien soll dies im letzten Teil der vorliegenden Arbeit beispielhaft demonstriert werden.
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Without any doubt, digitalization is revolutionizing every aspect of our society as well as the industrial sector. This revolution has been triggered by the recent developments within the area of digital basic technologies, such as the internet of things, big data, artificial intelligence and cyber-physical systems, just to mention a few of them. Buzzwords like Industry 4.0 (I4.0) or Energy 4.0 (E4.0) picture a vision of the future industry and energy system, which are working under the intense usage of these basic technologies and promise an unprecedented degree of networking, system flexibility and automation. The core concept of these systems is the consequent integration of the real/physical world into the virtual/digital world. The digital twin (DT) as a high-fidelity digital mirror of its physical twin is a promising way to reach this convergence using a holistic approach. The digital twin as a so-called “enabling technology” can be an important tool for companies in different areas in order to cope with the changing environment they are currently working in due to the digital revolution, and it enables them to increase the benefits, reliability and productivity of their industrial system. To further support the design and implementation of a DT in practice, concrete application concepts or reference architecture models are needed to integrate the DT into a structure in which the interaction with its physical mirror can be modeled and the utilization of this interaction can be outlined. Previous research within this area deals with different application concepts for different systems, but there is no comparable concept that has been developed for a steam generator in the literature yet. Applying the theoretical fundamentals presented in the first part of the present work, a five-dimensional DT-Model (5D-DTM) for a steam generator is developed in the second part. A steam generator, as one of the most important thermal energy systems is directly affected by the outlined paradigm shift in the industrial sector as well as the energy system (I4.0 and E4.0) and has to consistently work within these more dynamic settings. For system operators, these increasing loads pose a great challenge to still ensure the economical operation of their systems. Therefore, these difficult conditions are ideally suited to illustrate the advantages of a DT. With the help of the 5D-DTM of a steam generator, a holistic Boiler Prognostics and System Health Management (Boiler-PHM) is illustrated and thus the system monitoring, system prediction and system optimization can be greatly improved. To further underline this Boiler-PHM, concrete application scenarios are presented in the last part of the present thesis.
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Additional information:
Zusammenfassung in englischer Sprache Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers