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Mit dem digitalen Zwilling in die Praxis eintauchen

Das ZHAW-Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering (IEFE) hat einen Pumpensimulator für den Unterricht entwickelt. Der sogenannte Digital Twin ermöglicht es Studierenden, die Theorie in die Praxis umzusetzen. Ein Unterrichtsbesuch zeigt, wie das funktioniert.

Es dröhnt gewaltig im Maschinenlabor der ZHAW School of Engineering. Eine Maschinentechnik-Klasse im dritten Semester absolviert gerade ihre erste Übung mit Mitteldruck-Zentrifugalpumpen. Studierende stecken ihre Köpfe zusammen und schauen konzentriert auf die Bildschirme vor ihnen, auf denen ein neues Pumpensimulations-Programm läuft. Ein Stockwerk tiefer beenden derweil die Studierenden Dario Krajinovic und Justin Staller ihre Aufzeichnungen an einer echten Pumpenanlage. Sie erarbeiten die Vergleichsdaten für die Übung. «Wir haben dazu die Pumpe mit verschiedenen Paramatern laufen lassen und unsere Messungen aufgezeichnet», erklärt Justin Staller. «Diese geben wir weiter an die anderen Gruppen. Sie sollen überprüfen, ob die realen Daten mit den simulierten übereinstimmen.» 

Justin Staller (vorne) und Dario Krajinovic erarbeiten die Vergleichsdaten an einer realen Pumpe.

Intuitiv lernen

Eine dieser anderen Gruppen besteht aus Ralph Gronowski und Philippe Crenn. Sie vergleichen die Ergebnisse aus dem Test an der realen Pumpe mit der Simulation vor sich. Sie arbeiten zum ersten Mal mit dem Simulationstool. Zu Beginn der Übung bekamen sie eine Einführung durch einen wissenschaftlichen Assistenten des IEFE. «Das Programm ist sehr intuitiv», sagt Ralph Gronowski. «Mehr als zehn Minuten zum Einarbeiten haben wir nicht gebraucht.» Entsprechend problemlos simulieren die beiden Studenten das echte Pumpensystem am Bildschirm. Philippe Crenn führt aus: «Wir geben die gleichen Variablen ein, die Dario und Justin genutzt haben.» Er zeigt auf den Bildschirm: «Mit diesem Schieber hier können wir den Volumenstrom einstellen.»

Ralph Gronowski (vorne) und Philippe Crenn übertragen die Vergleichvariablen in das Simulations-Tool.
Das Tool errechnet nicht nur die Messwerte, sondern zeigt auch eine grafische Darstellung des Pumpensystems.

Experimente am digitalen Zwilling

Mit dem Pumpensimulator können Studierende Laborexperimente nicht wie bisher nur messtechnisch durchführen, sondern auch am Computer simulieren. Damit folgt die ZHAW School of Engineering dem Trend in der industriellen Praxis, in der zunehmend Prozesse in komplexen Anlagen digitalisiert werden, um sie dank ihres Digital Twins besser überwachen und optimieren zu können. «Für die Ausbildung ist es wichtig, dass die Studierenden tiefergehende Überlegungen anstellen und Erkenntnisse über die Funktionsweise von Pumpen in Anlagen sammeln können, was alleine mit dem Laborversuch nicht machbar ist», so Joachim Borth, der den Studiengang Energie- und Umwelttechnik leitet und das Projekt ihm Rahmen einer Ausschreibung für digitale Lehrformen initiiert hat. Die dreidimensionalen Darstellungen der Pumpensysteme können die Studierenden mit beliebig vielen Komponenten erweitern, zum Beispiel mit verschiedenen Rohren, Ventilen oder Behältern. Sämtliche Betriebszustände wie Volumenstrom und Druckverlauf werden in Echtzeit berechnet und decken sich mit den reellen Messungen im Labor.

«Für die Ausbildung ist es wichtig, dass die Studierenden tiefergehende Überlegungen anstellen und Erkenntnisse über die Funktionsweise von Pumpen in Anlagen sammeln können, was alleine mit dem Laborversuch nicht machbar ist.»

Joachim Borth, Studiengangleiter Energie- und Umwelttechnik

Theorie anwenden lernen

Im Labor haben Dario Krajinovic und Justin Staller ihre Arbeit an der Pumpe beendet und sitzen nun diskutierend vor einer Excel-Tabelle. «Wir versuchen einen Weg zu finden, wie wir die gewonnenen Daten am besten importieren können», sagt Justin Staller. Denn in der Übung geht es nicht nur darum, wie man mit einer Pumpe umgeht. Ziel ist es, ein vertieftes Verständnis über die Zusammenhänge zu erarbeiten. «Wir lernen, wie wir die Formeln, die wir aus der Theorie kennen, anwenden und wie man Diagramme interpretiert», sagt Dario Krajinovic. Und zu welchem Ergebnis sind Ralph Gronowski und Philippe Crenn mittlerweile gekommen? «Die Daten von Pumpe und Simulation stimmen überein. Wir haben es also vermutlich richtig gemacht», grinst Ralph Gronowski.

Dario Krajinovic (vorne) und Justin Staller suchen einen Weg, die Daten anschaulich zu importieren.
Theoretische Formeln sind die Grundlage für die Arbeit an den Pumpen – egal ob real oder simuliert.