Conceptul Digital Twin și cum funcționează

Implementarea culturii Digital Twin, care include software de gestionare a ciclului de viață al produsului în lumea reală și virtuală, reduce semnificativ durata ciclului de proiectare, testele și îmbunătățește randamentele. Aceste îmbunătățiri ale procesului de fabricație au loc cu o reducere rezonabilă a costurilor de întreținere și a costurilor produselor.

Sună atractiv? În ultimii ani, întreprinderile au asistat la migrarea Internetul industrial al lucrurilor (IIoT) Industry 4.0 către „gemenii digitali”. Această strategie, împreună cu soluțiile Siemens, reunește numeroasele insule de excelență secvențiale tradiționale din^{secolul XX} în aplicații coerente de la început până la sfârșit ale întreținerii predictive, planificării și optimizării proceselor, proiectării produselor și prototipării virtuale.

Datorită acestor beneficii, proiectele Digital Twin captează atenția celor care doresc un nivel de eșecuri cu adevărat zero și o accelerare continuă a excelenței proceselor. Esența conceptului Digital Twin este combinația dintre o punte în timp real între lumea reală și cea digitală.

Ce este Digital Twin?

Conceptul de Digital Twin, sau geamăn digital, creează un model virtual extrem de complex al unui omolog exact pentru un produs fizic, de la începutul până la sfârșitul ciclului de viață al produsului respectiv. „Articolul” poate fi următoarea generație de fabricație sau de produs, cele cinci faze majore de dezvoltare fiind planificarea, proiectarea, construcția, susținerea și încheierea ciclului de viață al articolului. Procesul Digital Twin conectează întreaga operațiune prin înregistrarea datelor pentru a prezice evoluția acestora cu ajutorul unui software de simulare (Figura 1).

Figura 1: această unitate de producție eficientă utilizează tehnologia Digital Twin pentru a conecta toate operațiunile de la început până la sfârșit. (Sursa imaginii: Analog Devices)

În Figura 1, monitoarele de proces utilizează date pentru a prezice rezultatul final al articolului pentru utilizatorul final. Geamănul digital valorifică implementarea acestor faze, forța de muncă a companiei fiind cel mai important avantaj competitiv al acesteia. Versiunea Digital Twin din Industry 4.0 promite să faciliteze pentru producători fabricarea de produse adecvate pentru piață, atrăgând și menținând în același timp noile talente în domeniul ingineriei care vin din generația Z.

Cum funcționează geamănul digital?

Senzorii conectați de pe dispozitivul fizic colectează date care sunt mapate în modelul virtual. Oricine se uită la geamănul digital vede informații esențiale despre planificarea, crearea și aplicarea în lumea reală a obiectului fizic. În acest fel, gemenii digitali ajută la înțelegerea prezentului și la prezicerea viitorului. În circuitul front-end, simularea procesului determină produsul geamăn digital (Figura 2).

Figura 2: gemenii digitali ajută la înțelegerea prezentului și la prezicerea viitorului. (Sursa imaginii: Siemens)

În cea de-a doua etapă (Figura 2), automatizarea și calitatea procesului susțin datele de performanță în timpul producției geamănului digital. În acest moment, este important de menționat că simularea și colectarea de date continuă să aibă loc. Fabricarea produsului real are loc în ultima etapă, deși simulările anterioare prezic în avans caracteristicile produsului real.

Una dintre cele mai importante părți ale datoriei tehnice la nivel personal și la nivel de software a geamănului digital este eliminarea zidurilor (virtuale și reale) care creează grupuri individuale între departamente. De exemplu, detaliile de proiectare ale unui produs din Industry 3.0 sunt practic inaccesibile în afara domeniului ingineriei. Este dificil pentru echipele de producție, de achiziții, de vânzări și de servicii să își facă treaba în mod eficient și să ofere feedback celorlalte grupuri pentru a îmbunătăți produsul și procesul. De exemplu, tehnicienii din atelier nu știu cum ar trebui să arate rezultatul odată ce este complet asamblat. Echipele de service parcurg PDF-uri virtuale pentru a încerca să își dea seama cum să repare o piesă pe care nu au văzut-o niciodată. Echipele de vânzări vând opțiuni de caracteristici, iar managerii lanțului de aprovizionare cunosc doar numerele de catalog. Pe lângă faptul că este o provocare pentru fiecare membru al echipei să își facă treaba, acest lucru înseamnă și că inginerii nu primesc informații esențiale pentru a-și îmbunătăți proiectele. Dacă întreprinderile pot face ca proiectele să fie mai accesibile, inovarea va avea loc mai repede, iar forța de muncă va fi mai implicată în proces.

Construcția geamănului digital

Tehnologia Digital Twin oferă o vizibilitate fără precedent asupra produselor și activelor, pentru a identifica blocajele, a eficientiza operațiunile și a aduce inovații în dezvoltarea produselor. Cei trei gemeni digitali principali sunt întreținerea predictivă, planificarea și optimizarea proceselor, precum și proiectarea produselor și prototiparea virtuală.

Întreținerea predictivă

Companiile găsesc instantaneu anomalii de funcționare și abateri în ceea ce privește starea de funcționare și performanța echipamentelor. Întreținerea planificată în mod proactiv și reaprovizionarea cu piese de schimb minimizează timpul de service și previn defecțiunile costisitoare ale resurselor. Întreținerea predictivă a gemenilor digitali oferă noi fluxuri de venituri bazate pe servicii, contribuind în același timp la îmbunătățirea fiabilității produselor pentru producătorii de echipamente originale.

Planificarea și optimizarea proceselor

O analiză cuprinzătoare a indicatorilor cheie de performanță (KPI) esențiali, cum ar fi ratele de fabricație și numărul de rebuturi, se bazează pe o amprentă digitală cu senzori și date de planificare a resurselor întreprinderii (ERP). Acest proces diagnostichează cauza principală a ineficienței și a pierderilor de producție, iar acest diagnostic poate optimiza randamentele și reduce pierderile. În plus, datele istorice privind echipamentele, procesele și mediile îmbunătățesc programarea producției, prin faptul că permit prezicerea timpilor morți.

Proiectarea produselor și prototiparea virtuală

Modelele de produse virtuale oferă informații despre modelele de utilizare, punctele de degradare, capacitatea de încărcare, defectele apărute etc. Înțelegerea caracteristicilor produsului și a modurilor de defecțiune permite proiectanților și dezvoltatorilor să evalueze gradul de utilizare a produsului și să îmbunătățească proiectarea viitoarelor componente. În mod similar, producătorii de echipamente originale pot furniza oferte personalizate pentru diferite grupuri de clienți pe baza comportamentelor specifice ale utilizatorilor și a contextelor de implementare a produselor. În plus, tehnologia Digital Twin ajută la dezvoltarea prototipurilor virtuale și la rularea unor stimulente robuste pentru testarea caracteristicilor pe baza datelor empirice.

Cazuri de utilizare în lumea reală

În lumea reală, este esențial să existe capacitatea de a testa produsele, procesele sau instalațiile înainte de a le introduce în linia de producție. Gemenii digitali îndeplinesc acest scop. La nivel mondial, companiile folosesc gemeni digitali pentru a îmbunătăți procesele, lanțurile de aprovizionare, gestionarea facilităților și multe altele. Iată câteva exemple despre modul în care tehnologia Digital Twin transformă o serie de industrii diferite.

Ambalarea mai inteligentă a livrărilor cu SIMATIC de la Siemens

Tehnologia SIMATIC de la Siemens se află în centrul a numeroase soluții pentru mașini de ambalare inovatoare. Aceste proiecte arată modul în care SIMATIC T-CPU (tehnologia schematică CPU) ajută mașinile să realizeze procese mai simple și mai ușoare, să atingă o calitate mai bună și o performanță optimă din toate punctele de vedere.

Compania TMG produce mașini de ambalat pentru ambalarea produselor alimentare și a băuturilor, a produselor cosmetice și chimice (Figura 3).

Figura 3: mașina de ambalat TMG. (Sursa imaginii: Siemens)

În sistemul lor, schimbarea celor șapte unități SINAMICS S120 și a formatului durează foarte puțin timp. Rețeaua PROFINET de la Siemens integrează CPU-ul SIMATIC S7-1500TF, panourile de confort, unitățile S120 și G120 pentru a dezvolta automatizarea, controlul mișcării și siguranța într-un singur mediu de portal Total Integrated Automation (TIA). Datorită unei soluții integrate și versatile cu SIMATIC S7-1500TF și a tehnologiilor de acționare SINAMICS, TMG are un punctaj ridicat în ceea ce privește eficiența configurației, performanța ridicată și simplitatea de conversie a noilor formate.

Inteligența artificială întâlnește controlul mișcării (147)

Sistemele de manipulare de la Wittmann Battenfeld prind și introduc piesele pentru mașinile de turnare prin injecție și apoi le reintroduc în altă mașină. Echipamentul mișcă și rotește în mod liber obiectul corespunzător pentru a oferi sistemului de manipulare cinci axe – trei pentru mișcarea în spațiu și încă două pentru rotirea inserțiilor în orice direcție. Sistemele de manipulare sporesc productivitatea prin realizarea acestei sarcini complexe cu timpi de ciclu rapizi, ceea ce permite procesului să fie cât mai flexibil posibil. SIMATIC, soluția Siemens pentru automatizare, oferă toate funcțiile de mapare într-un singur controler – controlul mișcării, recunoașterea imaginilor și automatizare. Wittmann Battenfeld implementează această funcție cu ajutorul aplicației standard de manipulare de la Siemens, care acceptă sarcini tehnice de control al mișcării și module de vizualizare. De asemenea, pachetul include o funcție de urmărire prin care dezvoltatorii Wittmann Battenfeld urmăresc mișcarea dispozitivului de prindere cu ajutorul unui model 3D.

Figura 4: controlerul SIMATIC acționează dispozitivul de prindere care prinde inserțiile pe masa vibrantă. Modulul IA procesează datele camerei. (Sursa imaginii: Siemens)

Considerente esențiale privind implementarea gemenilor digitali

Digital Twin este o nouă paradigmă a modelului de fabricație din^{secolul XX}. Finanțele influențează trecerea fabricilor la modelul Digital Twin. Cu toate acestea, investiția în tehnologia Digital Twin este rentabilizată prin creșterea fiabilității echipamentelor și a liniei de producție. Tehnologia Digital Twin îmbunătățește eficiența generală a echipamentelor (OEE) prin reducerea timpilor de nefuncționare și îmbunătățirea productivității și a performanței. Conectarea modelelor virtuale la realitate reduce riscurile în diverse domenii, inclusiv disponibilitatea produselor și reputația pe piață.

Geamănul digital este o reprezentare virtuală a produsului fizic proiectat, construit și întreținut în procesul de fabricație. Această reprezentare virtuală oglindește datele și analizele procesului în timp real, pe baza produsului fizic, a sistemelor de producție sau a configurațiilor echipamentelor. Un alt avantaj este că geamănul digital permite inginerilor să testeze concepte și ipoteze înainte de a le aplica la un dispozitiv fizic.

Digital Twin și imitarea digitală de la Siemens fac parte din revoluția automatizării industriale. Cum a influențat Digital Twin industria? Această imitație digitală influențează în mod continuu activele fizice, operațiunile și cadrele care produc date. Geamănul digital se află în centrul dezvoltării Industry 4.0, care cuprinde automatizarea, schimbul de date și procesele de producție, creând oportunități nesfârșite de creștere pentru industrii.

Referințe:

1. Perspective video: deschiderea drumului pentru gemenii digitali, 6 octombrie 2021, O conversație cu Dr. Michael Grieves, inventatorul conceptului de gemeni digitali.
2. TMG: mai multă performanță, mai puțin timp, video, Siemens.
3. Inteligența artificială întâlnește controlul mișcării: Tehnologia face un pas înainte, Siemens.