Fraunhofer IIS & Red Hat für KI in Total Productive Maintenance im Energiesektor

Fraunhofer IIS & Red Hat für KI in Total Productive Maintenance im Energiesektor

Die Energiebranche befindet sich im Spannungsfeld zwischen Stabilität, Nachhaltigkeit und wirtschaftlichen Anforderungen. Die Fähigkeit, die Infrastruktur maximal verfügbar und leistungsfähig zu halten, ist entscheidend für Netzstabilität, Versorgungssicherheit und wirtschaftliche Effizienz.

Total Productive Maintenance (TPM) ist ein ganzheitliches Instandhaltungskonzept zur optimalen Anlagen- und Infrastrukturpflege. Da ungeplante Störungen die Versorgungssicherheit und Wirtschaftlichkeit erheblich gefährden, bietet TPM ein Framework für vorbeugende Wartung, kontinuierliche Optimierung und die enge Einbindung der Mitarbeitenden.

Mit dem Aufkommen neuer technologischer Möglichkeiten durch sensorbasiertes Condition Monitoring in Kombination mit prädiktiver und generativer Künstlicher Intelligenz verändert sich die Rolle von TPM grundlegend. Echtzeitdaten aus Anlagen und Netzen ermöglichen eine kontinuierliche Zustandsüberwachung, bei der KI-gestützte Vorhersagemodelle frühzeitig Muster erkennen, die auf bevorstehende Störungen oder Effizienzverluste hinweisen. Generative KI liefert detaillierte Fehlerbehebungsanleitungen, präzise Inspektionshinweise und verständliche Ursachenanalysen für potenzielle Störungen. In Kombination mit einer eventgesteuerten Automatisierung, können Steuerungssysteme sofort auf Abweichungen reagieren und präventive Maßnahmen ausführen. Damit wird TPM im Energiesektor zu einem integrativen System, das vorausschauende Instandhaltung, Field-Service-Unterstützung, intelligente Entscheidungsfindung und automatisierte Umsetzung nahtlos verbindet.

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Digitale Zwillinge für Total Productive Maintenance

Ein Digitaler Zwilling ist eine digitale Repräsentation eines physischen Systems, welche kontinuierlich mit Echtzeitdaten gespeist wird, um Analyse, Simulation und Optimierung zu ermöglichen. Oft wird der Begriff jedoch missverstanden, denn ein Digitaler Zwilling muss nicht zwingend eine einzelne Softwarelösung oder primär eine visuelle Darstellung der Realität sein. Vielmehr handelt es sich um ein verteiltes, datengetriebenes System, das das physische System kontinuierlich überwacht, sein Verhalten abbildet, zukünftige Zustände vorhersagt und darauf basierend Handlungsvorschläge unterbreitet oder automatisierte Prozesse einleitet. Eine KI-gestützte, echtzeitdatenbasierte Total-Productive-Maintenance-Lösung erfüllt genau diese Kriterien, da sie Betriebsdaten integriert, Analysen durchführt und vorausschauende Wartungsmaßnahmen ermöglicht. Damit erfüllt diese die Definition eines Digitalen Zwillings.

Fraunhofer IIS, Vorreiter bei Digitalen Zwillingen

Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS steht für internationale Spitzenforschung zu mikroelektronischen sowie informationstechnischen Systemlösungen und Dienstleistungen. Die Forschenden am Standort in Dresden arbeiten dabei an Schlüsseltechnologien für zukunftsweisende adaptive Systeme, die Veränderungen in ihrer Umwelt oder in ihrer inneren Struktur selbstständig erkennen, analysieren und bewerten können und erarbeiten damit die technologische Basis für die Entwicklung und Umsetzung Digitaler Zwillinge.

Im Fokus der Arbeit des Fraunhofer IIS steht der Transfer innovativer Lösungen in die Praxis. Hierfür ermitteln die Forschenden zunächst den Status quo hinsichtlich der Prozesse, Daten und dem Einsatz von KI. Dies ermöglicht nicht nur die Einordnung des Automatisierungsniveaus von Prozessen, sondern stellt auch die Basis für eine passgenaue Betreuung dar. Gemeinsam mit seinen Partnern betritt das Fraunhofer IIS regelmäßig wissenschaftliches, technisches und prozessuales Neuland. Dabei unterstützt das Fraunhofer IIS seine Partner mit:

• Studien zur Ermittlung der optimalen Instrumentierung,
• Entwicklung von Prototypen in Hard- und Software zur Lösung der gestellten Forschungsaufgabe und
• Überführung dieser Prototypen in den alltäglichen Betrieb.

Insbesondere im Kontext von KI bietet das Fraunhofer IIS Schulungen zum Einsatz und zur Einführung von KI im Unternehmen an. Darüber hinaus entwickelt das Fraunhofer IIS Methoden zum Erstellen von Digitalen Zwillingen aus strukturierten sowie unstrukturierten Daten und Methoden zur Integration des Wissens des Personals. Damit leistet das Fraunhofer IIS einen integralen Beitrag zum Management von verteiltem Wissen. Aufbauend auf diesen Digitalen Zwillingen bieten die vom Fraunhofer IIS entwickelten Algorithmen die Möglichkeit, den Zustand von Assets zu überwachen, deren Betriebsführung zu optimieren und passende Wartungszeitpunkte vorherzusagen.

Red Hat für eine offene Digital-Twin-Infrastruktur

Als weltweit führender Anbieter von Enterprise Open Source Software führt Red Hat hunderte Open-Source-Projekte zu stabilen und sicheren Gesamtlösungen für Unternehmen zusammen, inklusive Support, Lifecycle Management, Patching und umfassender Dokumentation. Durch die modulare Integration von Runtimes, Middleware, DevOps, MLOps und Automatisierung bietet Red Hat eine sichere und konsistente Open-Source-Plattform für Entwicklung und Betrieb moderner Lösungen. 

Viele KI-Projekte scheitern nicht an der Modellentwicklung, sondern daran, dass sie nicht in den produktiven Betrieb überführt und integriert werden können. Analog zu den Erfahrungen aus der DevOps-Bewegung braucht es eine stärkere Zusammenführung von ML und Ops. Um KI effizient in geschäftswertgenerierende Anwendungen zu integrieren, ist außerdem eine enge Verzahnung von MLOps und DevOps erforderlich. Darüber hinaus müssen diese Anwendungen und Modelle flexibel in Entwicklung und Betrieb von Automatisierungsworkflows eingebunden werden. Red Hat hat diesen Bedarf an zunehmend komplexen IT-Lösungen erkannt und vereint DevOps- und MLOps-Tooling mit eventgesteuerten Automatisierungsworkflows auf einer zentralen Plattform. Zudem bietet die Plattform Stabilität, Sicherheit und Compliance, von der Entwicklung bis zur Produktion, sowohl für die Infrastruktur als auch Software-Supply-Chain.

Ein Digitaler Zwilling für TPM darf nicht als monolithisches, sondern stark verteiltes System betrachtet werden. Eine solche Lösung besteht dabei aus Komponenten, die sowohl im Rechenzentrum oder der Cloud als auch direkt in OT-Anlagen im Edge-Umfeld angesiedelt sind, und umfasst zudem Integrationen mit Geräten und Sensorik. Gerade diese Vielfalt an Infrastruktur erfordern eine Plattform, die sich einheitlich über alle Umgebungen erstreckt. Diese Plattform dient als Konsistenzschicht, die Stabilität, Kompatibilität und Governance sicherstellt und gleichzeitig optimal auf die spezifischen Anforderungen der jeweiligen Umgebungen abgestimmt ist. Red Hat bietet die marktführende Hybrid/Multi-Cloud-Plattform, die von On-Premises über Public und Sovereign Clouds bis hin zu entfernten Edge-Standorten eine durchgängige Konsistenzschicht für Innovation schafft. Dadurch lassen sich KI-Modelle und Automatisierungs-Workflows kontinuierlich entwickeln, verteilen, aktualisieren und betreiben.

Für einen Digitalen Zwilling reicht keine einzelne Kaufsoftware. Es ist essentiell, die gesamte IT konsequent mit der OT-Welt zu einem interoperablen Gesamtsystem zusammenzuführen und zu harmonisieren. Dabei genügt es nicht, isolierte Automatisierungsabläufe zu programmieren; erforderlich ist vielmehr eine unternehmensweite Kultur der teamübergreifenden Automatisierung. Diese Kultur sollte auf einer zentralen Plattform etabliert werden, auf der alle Teams gemeinschaftlich und transparent Prozesse entwickeln, optimieren, sichern und steuern können. Durch einen Infrastructure-as-Code-Ansatz wird somit ebenfalls Security und Compliance Governance vereinfacht und verstärkt. Nur durch diese integrative Herangehensweise entstehen nachhaltige Synergien zwischen IT und OT, die langfristig Mehrwert schaffen. Red Hat bietet hierfür eine Plattform, die kollaborative Automatisierung über verschiedene IT-Ebenen hinweg ermöglicht und somit die Skalierbarkeit, Effizienz und Zukunftsfähigkeit von Digitalen Zwillingen erheblich verbessert. 

Kooperation mit Fraunhofer IIS und Red Hat

Die Entwicklung und Implementierung von KI- und Automatisierungslösungen für Total Productive Maintenance im Energiesektor ist ein komplexes Unterfangen. Die in diesem Artikel dargestellten Aspekte beleuchten einen Teil der Herausforderungen und Chancen, die Vielseitigkeit der Anwendungsfälle und branchenspezifischen Anforderungen gehen jedoch weit darüber hinaus. Genau hier setzt die Zusammenarbeit des Fraunhofer IIS mit Red Hat an: Gemeinsam bieten wir eine umfassende Kompetenz — von der Infrastruktur bis zur Entwicklung maßgeschneiderter Lösungen.

Als erster Einstiegspunkt dient ein gemeinsamer Workshop mit Fraunhofer IIS und Red Hat, in dem Energieunternehmen mögliche Anwendungsfälle skizzieren, Herausforderungen näher beleuchten und geeignete Ansätze zur Umsetzung diskutieren können.

Zur Umsetzung konkreter Projekte bieten wir ein Joint AI & Automation Lab an. Red Hat stellt die skalierbare Plattform-Infrastruktur bereit, während Fraunhofer IIS die Projektleitung sowie die Forschung und Entwicklung der KI- und Automatisierungskomponenten übernimmt. Diese enge Zusammenarbeit ermöglicht die Entwicklung innovativer, praxisnaher und produktiv einsetzbarer Lösungen.