Технология цифрового двойника во многом обязана своему появлению бурному развитию промышленного “Интернета вещей” (IIoT), который значительно упростил проведение модернизации многих даже очень сложных производственных систем. Несомненно то, что внедрение цифрового двойника полезно, но требует учета определенных правил и особенностей данной технологии. В первую очередь рассмотрим, что такое цифровой двойник и чем он не является. Итак. Цифровой двойник — это цифровое представление реального станка, устройства или процесса (рис. 1). Но цифровой двойник — нечто большее, чем просто модель, он в точности воспроизводит поведение реальной системы. Такое воспроизведение обеспечивается цифровой нитью (digital thread) —
Рис. 1. Цифровой двойник, созданный с помощью ПО Plant Simulation компании Siemens, показан рядом с фотографией действующего рельсового робота-погрузчика. Все изображения предоставлены Patti Engineering Inc.
коммуникационной платформой, которая извлекает данные с платформ, подключенных к реальной системе, и передает полученные сведения цифровому двойнику. Цифровые двойники могут взаимодействовать с IIoT-устройствами, программным обеспечением для автоматизированного проектирования (САПР), программами управления жизненным циклом изделия (product lifecycle management, PLM), системами управления производственными процессами (manufacturing execution systems, MES) и системами планирования ресурсов предприятия (enterprise resource planning, ERP). Цифровая нить позволяет запускать моделирование на цифровом двойнике и принимать решения на основе объективных, реальных сценариев, результатов и данных (рис. 2).
Рис. 2. Многие производители роботов предлагают собственное ПО для моделирования, как, например, Roboguide от Fanuc, которое может использоваться в качестве цифрового двойника
Без таких технологий, как IIoT и облачное управление данными, предоставляющих детализированные потоки информации в режиме реального времени, внедрение цифровых двойников было бы невозможным или по крайней мере гораздо менее эффективным.
Детализация двойника
Насколько всеобъемлющим должен быть цифровой двойник, чтобы быть полезным?
Короткий ответ таков: это зависит от обстоятельств. При создании цифрового двойника детализация зависит от того, чего пытается достичь пользователь. В идеальном мире цифровой двойник в точности повторил бы весь производственный процесс, включая логистику. Или, в случае с разработкой изделия, цифровой двойник воспроизвел бы весь процесс разработки, от концепции до сборки. Для большинства производителей такая детализация непрактична или невыполнима.
В реальном мире большинство реализаций цифровых двойников сфокусировано на конкретном процессе или изделии. Когда цифровые двойники используются для оптимизации процессов, информация, передаваемая в цифровой двойник, должна описывать весь основной процесс, включая такие характеристики, как время выполнения операций, количество выпускаемой продукции, объем брака или исправимого брака (рис. 3). Если это возможно, цифровой двойник также должен включать один или два этапа до и после основного процесса. Самое главное, как только анализируемая область определена, о ней необходимо собрать как можно больше информации.
Рис. 3. Цифровой двойник роботизированного производственного участка, оснащенного роботами ABB, созданный в ПО Process Simulate компании Siemens. В окне расположены дерево объектов, дерево операций и панель моделирования. Дерево объектов позволяет программисту выбрать отдельные компоненты/объекты модели. Дерево операций содержит действия, например траектории движения робота. Панель моделирования используется для просмотра и моделирования операций ввода/вывода
Важный момент: когда цифровой двойник используется для помощи в разработке процесса или устройства, следует иметь в виду, что он был спроектирован до создания или внедрения этого устройства или процесса. Поэтому, как только физическая система будет введена в действие, важно обновить параметры цифрового двойника. Без обновлений двойник, скорее всего, будет представлять реальную систему неточно. И если в дальнейшем (для оптимизации, последующего усовершенствования или даже устранения неполадок) будет использоваться неточный цифровой двойник, это может привести к напрасной трате времени, усилий и, конечно же, финансов.
Обновление двойников: периодичность и автоматизация
Как часто необходимо обновлять цифровые двойники, чтобы они оставались полезными?
Цифровое представление должно обновляться каждый раз, когда меняется реальная система, даже если преобразование кажется незначительным. В производственном или технологическом процессе могут произойти изменения, которые не сразу заметны, например проскальзывание детали или снижение скорости производственной линии с течением времени. Наличие точного и актуального цифрового двойника позволяет сравнивать реальный процесс и прогнозный результат. Благодаря этому возможно с очень высокой точностью и надежностью выявить место возникновения проблемы или ее причину. Это одно из ключевых преимуществ цифровых двойников, делающее их ценными даже после завершения разработки и ввода в эксплуатацию.
Хотя в теории поддерживать цифровой двойник в актуальном состоянии просто, некоторые производители считают это сложной задачей, поскольку производственные процессы включают большой набор часто изменяющихся параметров.
Можно ли автоматизировать обновления?
Одной из самых существенных трудностей при первых внедрениях цифровых двойников оказались коммуникация и стандартизация. В то время, даже если бы вся информация была доступна, она находилась в разрозненных устройствах, таких как датчики, контроллеры, 3D-модели, ERP-системы и т. д. Это создавало проблемы с приведением информации к единому формату или языку, с ее агрегированием и передачей цифровому двойнику.
Стоит обратить внимание на то, что передача информации в цифровые двойники по-прежнему остается достаточно сложной задачей, но технологии машинного обучения и искусственного интеллекта помогают ее решать. Теперь платформы цифровых нитей могут собирать данные из разных систем, стандартизировать их и обеспечивать непрерывную связь между физическим (реальным) процессом или устройством и цифровым двойником. Таким образом, обновления цифровых двойников могут происходить автоматически. Особенно это применимо к двойникам отдельных процессов или единиц оборудования.
Однако автоматизировать обновления цифровых двойников для крупномасштабных процессов и целых промышленных объектов гораздо сложнее. Если мы говорим о полной производственной линии или заводе, то каждое событие, происходящее на этой линии, должно быть передано цифровому двойнику — и на существующем уровне развития технологий эту информацию может быть трудно извлечь из реальных компонентов и систем.
Имея это в виду, рассмотрим сценарии, в которых цифровые двойники могут принести реальную пользу производителям.
Примеры применения
В чем смысл цифровых двойников?
Цифровые двойники можно применить практически к любому изделию или процессу. В действительности цифровые двойники часто используются в непроизводственных отраслях, таких как разработка программного обеспечения. Я считаю, что их реальная ценность заключается в том, что к ним можно обращаться на протяжении всего жизненного цикла продукта, процесса или системы.
Цифровые двойники можно использовать во время разработки или изготовления изделия для моделирования конструкции, функционирования и/или рабочего процесса. Цифровые двойники полезны при моделировании производственных участков, на которых одновременно выполняются движения по нескольким осям и направлениям или несколько операций в непрерывной последовательности друг за другом (рис. 4).
Рис. 4. Примеры автоматизированного сбора данных для цифровых двойников от станков ЧПУ и роботов с помощью программируемого логического контроллера (ПЛК). Станки с ЧПУ и ПЛК отправляют информацию через Ethernet на промышленный ПК Siemens или периферийное устройство Telit deviceWise в сеть заказчика через защищенное соединение с облаком (например, Siemens MindSphere) в ПО CNC Performance Improvement and Predictive Maintenance (CNC PIPM), разработанное компанией Patti Engineering. Данные из CNC PIPM можно передавать цифровому двойнику, чтобы он точно соответствовал реальному объекту
Сборочная линия в автомобильной промышленности
Деталь может перемещаться по конвейеру, и при этом несколько роботов выполняют над ней определенные операции. Все эти движения и процессы необходимо очень четко координировать и управлять ими — с момента, когда деталь попадает на конвейер, и до момента, когда она его покидает. Если деталь проскользнет на конвейере или в каком-то месте возникнет неисправность, как это повлияет на остальную часть производственной линии? Или, если цель состоит в том, чтобы увеличить скорость конвейера на 20%, необходимо выяснить, как должно измениться время циклов роботов и манипуляторов, чтобы они успевали выполнять работу с учетом увеличенной скорости конвейера. Эти и другие сценарии можно моделировать и оценивать с помощью цифровых двойников.
Принятие решения о модификации изделия или процесса
Цифровые двойники также полезны для предсказания результатов модификаций изделия или процесса. Цифровой двойник позволяет разработчикам и технологам тестировать широкий спектр сценариев и ситуаций, не прерывая производство и не вкладывая средства в физические прототипы и испытательное оборудование. И при достижении заключительной итерации внедрение и запуск происходят намного быстрее и плавнее, поскольку длинный список вопросов «что, если», которые обычно приходится решать на этапе внедрения, уже отработан. В таком случае использование цифровых двойников исключает значительную часть неопределенности и риска.
Любая неопределенность может привести к дорогостоящим ошибкам и напрасной трате времени и усилий. Вот почему денежная ценность цифровых двойников часто определяется тем, сколько времени и затрат было (или могло быть) сэкономлено в ходе разработки, запуска, ввода в эксплуатацию, модификации работающих процессов и устранения неполадок на протяжении всего жизненного цикла изделия.
Время и деньги
Одно из самых больших заблуждений относительно внедрения цифровых двойников заключается в том, что их использование не оправдывает первоначальные финансовые и временные затраты. Как правило, создание цифровых двойников происходит в том же ПО, которое предназначено для подготовки управляющего кода. Платформы цифровых нитей могут передавать в цифровые двойники 3D-модели, управляющий код и все данные с различных устройств, поэтому инженерам и команде разработчиков не нужно беспокоиться о передаче данных и связи между всеми элементами.
Цифровой двойник требует первоначальных инвестиций, но позволяет экономить значительное количество времени на разработку, написание управляющего кода и настройку, а также предотвращать появление подводных камней и аварийных ситуаций. Эти преимущества и долгосрочные выгоды от моделирования при модификации процесса и устранения неполадок имеют гораздо большую ценность, чем первоначальные затраты времени и средств, необходимые для создания цифрового двойника.
Автор: Хофф Сэм (Hoff Sam)
Источник: https://controleng.ru/
