Det digitale tvillingekoncept og hvordan det fungerer

Implementering af Digital tvilling-kulturen, som omfatter software til styring af produktets livscyklus i den virkelige verden og virtuelt, hvilket betydeligt reducerer designcyklustiden, testning og forbedrer udbyttet. Disse produktionsforbedringer sker med en rimelig reduktion af vedligeholdelses- og produktomkostningerne.

Lyder det attraktivt? I løbet af de sidste par år har virksomhederne set Industri 4.0 Industrial Internet of Things (IIoT) migrere til digitale tvillinger. Denne strategi, sammen med Siemens' løsninger, samler de mange traditionelle sekventielle ekspertiseøer fra det^{20. århundrede} i sammenhængende start til slut-applikationer af forudsigelig vedligeholdelse, procesplanlægning og -optimering samt produktdesign og virtuel prototyping.

Med disse fordele fanger digitale tvillingeprojekter opmærksomheden hos dem, der ønsker faktiske nulfejl og fortsat acceleration af procesekspertise. Digitale tvillingers kerne er kombinationen af en realtidsbro mellem den virkelige og digitale verden.

Hvad er digitale tvillinger?

Et digitalt tvillingekoncept skaber en meget kompleks virtuel model af en fysisk genstand, som er en nøjagtig modpart af den fysiske genstand fra starten til produktets udløb. "Genstanden" kan være den næste generation af produktion eller produkt, hvor planlægning, design, konstruktion, bygning, support og enden af genstandens levetid er de fem vigtigste udviklingsfaser. Den digitale tvillingeproces forbinder hele operationen ved at indsamle data til at forudsige fremtiden med simuleringssoftware (figur 1).

Figur 1: Dette effektive produktionsgulv anvender digital tvillingeteknologi til at forbinde alle operationer fra start til slut. (Billedkilde: Analog Devices)

I figur 1 bruger procesmonitorerne data til at forudsige det endelige produktresultat for slutbrugeren. Digital tvilling udnytter implementeringen af disse faser med virksomhedens arbejdsstyrke som dens væsentligste konkurrencefordel. Den digitale tvillingeversion af Industri 4.0 lover at gøre det lettere for producenterne at fremstille passende produkter på markedet og samtidig tiltrække og fastholde de nye ingeniørtalenter, der findes i den kommende generation Z.

Hvordan fungerer Digital tvilling?

Tilsluttede sensorer på det fysiske aktiv indsamler data, som kortlægges i den virtuelle model. Enhver, der ser på den digitale tvilling, kan se vigtige oplysninger om den fysiske genstands planlægning, oprettelse og anvendelser i den virkelige verden. På denne måde hjælper digitale tvillinger med at forstå nutiden og forudsige fremtiden. I frontenden bestemmer processimulering det digitale tvillingeprodukt (figur 2).

Figur 2: Digitale tvillinger hjælper med at forstå nutiden og forudsige fremtiden. (Billedkilde: Siemens)

På anden fase (figur 2) understøtter procesautomatiseringen og proceskvaliteten ydeevnedataene under den digitale tvillingeproduktion. På dette tidspunkt er det vigtigt at bemærke, at simulering og dataindsamling fortsat finder sted. Produktionen af det virkelige produkt sker i sidste fase, selv om tidligere simuleringer forudsiger det rigtige produkts egenskaber på forhånd.

En af de mest betydningsfulde dele af den digitale tvillings personlige og softwaretekniske gæld er elimineringen af de vægge (virtuelle og virkelige), der skaber vidensiloer mellem afdelinger. F.eks. er designdetaljerne i et industri 3.0-produkt praktisk talt utilgængelige uden for ingeniørernes vægge. Det er svært for produktions-, indkøbs-, salgs- og serviceteams at udføre deres arbejde effektivt og give feedback til de andre grupper for at forbedre produktet og processen. For eksempel ved værkstedsteknikere ikke, hvordan resultatet skal se ud, når det er fuldt monteret. Serviceteamene bladrer i virtuelle PDF-filer for at forsøge at finde ud af, hvordan de skal servicere en del, de aldrig har set. Salgsteams sælger funktionsmuligheder, og forsyningskædeledere kender kun varenumre. Det er ikke kun en udfordring for hvert enkelt teammedlem at udføre sit arbejde, men det betyder også, at ingeniørerne ikke får vigtig input til at forbedre deres design. Hvis virksomhederne kan gøre design mere tilgængeligt, vil innovationen ske hurtigere, og arbejdsstyrken vil være mere engageret i processen.

Digital tvillingekonstruktion

Digital tvillingeteknologi giver uovertruffen synlighed i produkter og aktiver for at finde flaskehalse, strømline driften og innovere produktudviklingen. De tre primære digitale tvillinger er forudsigelig vedligeholdelse, procesplanlægning og -optimering samt produktdesign og virtuel prototypefremstilling.

Forudsigelig vedligeholdelse

Virksomhederne kan øjeblikkeligt finde driftsanomalier og afvigelser i forbindelse med udstyrets tilstand og ydeevne. Proaktivt planlagt vedligeholdelse og genopfyldning af reservedele minimerer servicetiden og undgår kostbare ressourcefejl. Digitale tvillingers forudsigelige vedligeholdelse giver nye servicebaserede indtjeningsmuligheder og hjælper samtidig med at forbedre produktpålidelighed for OEM'er.

Planlægning og optimering af processer

En omfattende analyse af kritiske nøgleresultatindikatorer (KPI'er), f.eks. produkthastigheder og skrotantal, kommer fra et digitalt fodaftryk med sensor- og ERP-data (Enterprise Resource Planning). Denne proces diagnosticerer den grundlæggende årsag til ineffektivitet og throughput-tab, og denne diagnose kan optimere udbyttet og reducere spild. Desuden forbedrer historiske data, processer og miljøer for udstyr også produktionsplanlægningen ved at give mulighed for at forudsige nedetid.

Produktdesign og virtuel prototypefremstilling

Virtuelle produktmodeller giver indsigt i brugsmønstre, nedbrydningspunkter, arbejdsbelastningskapacitet, opståede defekter osv. Forståelse af produktkarakteristika og fejltilstande giver designere og udviklere mulighed for at evaluere produktets anvendelighed og forbedre fremtidige komponentdesign. På samme måde kan OEM'er levere tilpassede tilbud til forskellige grupper af kunder baseret på specifik brugeradfærd og produktimplementeringskontekst. Digital tvillingeteknologi hjælper desuden med at udvikle virtuelle prototyper og køre robuste stimulatorer til test af funktioner baseret på empiriske data.

Anvendelsestilfælde i den virkelige verden

I den virkelige verden er det afgørende at have mulighed for at teste produkter, processer eller faciliteter, før de indføres i produktionslinjen. Digitale tvillinger opfylder dette formål. Virksomheder over hele verden bruger digitale tvillinger til at forbedre processer, forsyningskæder, anlægsstyring og meget mere. Her er eksempler på, hvordan digital tvillingeteknologi forandrer en række forskellige brancher.

Smartere forsendelsesemballage med Siemens' SIMATIC

Siemens' SIMATIC-teknologi er kernen i mange løsninger i innovative pakkemaskiner. Disse projekter viser, hvordan SIMATIC T-CPU (CPU skematisk teknologi) hjælper maskinerne med at opnå enklere og bedre processer, bedre kvalitet og optimal ydelse i alle henseender.

TMG producerer pakkemaskiner til emballage af fødevarer og drikkevarer, kosmetik og kemikalier (figur 3).

Figur 3: TMG's pakkemaskine. (Billedkilde: Siemens)

I deres system tager de syv SINAMICS S120-drev og formatskiftet meget kort tid. Siemens' PROFINET-netværk integrerer SIMATIC S7-1500TF CPU'en, komfortpaneler, S120- og G120-drev til udvikling af automatisering, bevægelsesstyring og sikkerhed i et enkelt TIA-portalmiljø (Total Integrated Automation). Takket være en integreret og alsidig løsning med SIMATIC S7-1500TF- og SINAMICS-drevteknologier scorer TMG højt med hensyn til konfigurationseffektivitet, høj ydeevne og enkelhed i forbindelse med konvertering af nye formater.

Kunstig intelligens møder bevægelseskontrol (147)

Wittmann Battenfelds håndteringssystemer griber og indsætter dele til sprøjtestøbemaskiner og indsætter dem derefter igen i en anden maskine. Udstyret bevæger og roterer frit det tilsvarende objekt for at give håndteringssystemet fem akser - tre til bevægelse i rummet og yderligere to til at rotere indsatserne i alle retninger. Håndteringssystemerne øger produktiviteten ved at udføre denne komplekse opgave med hurtige cyklustider, så processen kan være så fleksibel som muligt. SIMATIC, Siemens' løsning til automatisering, giver mulighed for at kortlægge alle funktioner i én controller - bevægelsesstyring, billedgenkendelse og automatisering. Wittmann Battenfeld implementerer denne funktion ved hjælp af Handling Standard Application fra Siemens, som understøtter tekniske bevægelsesstyringsopgaver og visualiseringsmoduler. Pakken indeholder også en sporingsfunktion, hvor Wittmann Battenfeld-udviklerne kan spore griberens bevægelse med en 3D-model.

Figur 4: SIMATIC-controlleren kommanderer griberen, der griber indsatsen på det vibrerende bord. AI-modulet behandler kameradataene. (Billedkilde: Siemens)

Kritiske overvejelser i forbindelse med implementering af digitale tvillinger

Digital Twin er et nyt paradigme i forhold til det^{20. århundredes} produktionsmodel. Økonomien har indflydelse på fabrikkens overgang til digital tvilling-modellen. Investeringen i digital tvilling giver dog et afkast i form af øget pålidelighed af udstyret og produktionslinjen. Den digitale tvillingeteknologi forbedrer den samlede udstyrseffektivitet (OEE) gennem reduktion af nedetid og forbedret produktivitet og ydeevne. Forbindelsen af virtuelle modeller til virkeligheden reducerer risikoen på forskellige områder, herunder produkttilgængelighed og markedets omdømme.

Den digitale tvilling er en virtuel repræsentation af det fysiske produkt, som det er designet, bygget og vedligeholdt i fremstillingsfasen. Denne virtuelle repræsentation afspejler procesdata og analyser i realtid baseret på det fysiske produkt, produktionssystemer eller udstyrskonfigurationer. En anden fordel er, at digital tvilling giver ingeniører mulighed for at teste koncepter og hypoteser, før de anvendes på en fysisk maskine.

Digital tvilling og Siemens' digitale efterligning er en del af revolutionen inden for industriel automatisering. Hvordan har digital tvilling påvirket branchen? Denne digitale efterligning påvirker løbende de fysiske aktiver, operationer og rammer, der producerer data. Digital tvilling er kernen i Industri 4.0-udviklingen, som omfatter automatisering, dataudveksling og fremstillingsprocesser og skaber uendelige muligheder for industrier til at vokse.

Referencer:

1. Videoindsigt: Pioneering Digital Twins En samtale med Dr. Michael Grieves, opfinder af det digitale tvillingkoncept, den 6. oktober 2021.
2. TMG: more performance, less time video, Siemens.
3. Artificial Intelligence meets motion control: Taking technology a step further, Siemens.