Konceptet digital tvilling och hur det fungerar

Genom att införa en kultur med digitala tvillingar, som omfattar programvara för hantering av produktlivscykler i verklig och virtuell miljö, betydligt minskas cykeltiden för konstruktion och testning vilket förbättrar avkastningen. Dessa förbättringar av tillverkningen sker med en rimlig minskning av underhålls- och produktkostnader.

Låter det lockande? Under de senaste åren har företag sett Industry 4.0 och Industrial Internet of Things (IIoT) övergå till digitala tvillingar. Den här strategin, tillsammans med Siemens lösningar, sammanför de många traditionella sekventiella kompetensöarna från^1900-talet till sammanhängande tillämpningar från början till slut för förebyggande underhåll, processplanering och optimering samt produktkonstruktion och virtuell prototypframställning.

Med dessa fördelar fångar projekten med digitala tvillingar intresset hos de som vill ha noll fel och en fortsatt utveckling av processförbättringarna. Kärnan i konceptet digitala tvillingar är kombinationen av en brygga i realtid mellan den verkliga och den digitala världen.

Vad är en digital tvilling?

Med konceptet digital tvilling skapas en mycket komplicerad exakt virtuell kopia av en fysisk produkt, från dess födelse tills dess att produkten når sitt slutdatum. "Föremålet" kan vara nästa generations tillverkning eller produkt, med planering, konstruktion, tillverkning, support och avslutande av föremålets livslängd som de fem viktigaste utvecklingsfaserna. Processen med digitala tvillingar kopplar samman hela verksamheten genom att samla in information för att förutse framtiden med hjälp av simuleringsprogram (figur 1).

Figur 1: Det här effektiva verkstadsgolvet använder tekniken med digitala tvillingar för att koppla ihop alla verksamheter från början till slut. (Bildkälla: Analog Devices)

I figur 1 använder processövervakningen information för att förutsäga slutresultatet åt slutanvändaren. Den digitala tvillingen nyttjar implementeringen av dessa faser med företagets personal som dess viktigaste konkurrensfördel. Den digitala tvillingversionen av Industry 4.0 lovar att göra det lättare för tillverkare att producera lämpliga produkter för marknaden och samtidigt locka till sig och bibehålla de nya ingenjörstalanger som finns i den kommande generation Z.

Hur fungerar digitala tvillingar?

Anslutna givare på den fysiska tillgången samlar in information som kartläggs i den virtuella modellen. Alla som tittar på den digitala tvillingen ser viktig information om det fysiska föremålets planering, skapande och tillämpning i verkligheten. På detta sätt gör digitala tvillingar det lättare att förstå nutiden och att förutsäga framtiden. I den främre delen av processen bestämmer processimuleringen den digitala tvillingprodukten (figur 2).

Figur 2: Digitala tvillingar det lättare att förstå nutiden och att förutsäga framtiden. (Bildkälla: Siemens)

I det andra steget (figur 2) stöder processautomatiseringen och processkvaliteten prestandainformationen i produktionen av den digitala tvillingen. I detta skede är det viktigt att notera att simulering och informationsinsamlingen fortsätter. Produktionen av den verkliga produkten sker i det sista steget, även om tidigare simuleringar förutspår den verkliga produktens egenskaper i förväg.

En av de viktigaste delarna av den digitala tvillingens personliga och programvarutekniska skuld är att avlägsna de murar (virtuella och verkliga) som skapar vattentäta skott mellan avdelningar. Konstruktionsdetaljerna för en Industry 3.0-produkt är exempelvis, praktiskt taget oåtkomliga utanför ingenjörsavdelningen. Det är svårt för tillverknings-, inköps-, försäljnings- och serviceteam att utföra sitt arbete effektivt och ge återkoppling till andra grupper för att förbättra produkten och processen. Verkstadstekniker vet exempelvis inte hur resultatet ska se ut när det är helt monterat. Serviceteamen bläddrar i virtuella PDF-filer för att försöka lista ut hur de ska utföra service på en del som de aldrig har sett. Försäljningsteamen säljer funktionsalternativ, och chefer i leveranskedjan känner bara till artikelnummer. Det är inte bara en utmaning för respektive gruppmedlem att utföra sitt arbete, utan det innebär även att ingenjörerna inte får viktig information för att förbättra sina konstruktioner. Om företagen kan göra konstruktionen mer lättillgänglig kommer innovationen att ske snabbare och arbetsstyrkan kommer att vara mer engagerad i processen.

Konstruktion av en digital tvilling

Tekniken för digitala tvillingar ger en oöverträffad insyn i produkter och tillgångar för att hitta flaskhalsar, effektivisera verksamheten och förnya produktutvecklingen. De tre viktigaste digitala tvillingarna är förebyggande underhåll, processplanering och optimering samt produktdesign och virtuell prototypframställning.

Förebyggande underhåll

Företagen hittar omedelbart driftavvikelser och avvikelser i synen på utrustningens hälsa och prestanda. Proaktivt planerat underhåll och reservdelspåfyllning minimerar servicetiden och undviker kostsamma fel på tillgångar. Det förebyggande underhållet för digitala tvillingar ger nya tjänstebaserade intäktsströmmar samtidigt som det bidrar till att förbättra tillförlitligheten i OEM-företagens produkter.

Planering och optimering av processer

En omfattande analys av kritiska nyckeltal (KPI:er), som produkthastigheter och skrotningsantal, kommer från ett digitalt fotspår med information från givare och ERP (Enterprise Resource Planning). Processen diagnostiserar grundorsaken till ineffektivitet och förlust av genomströmning, och diagnosen kan optimera avkastningen och minska avfallet. Utrustningens historikinformation, processer och miljöer förbättrar dessutom produktionsplaneringen genom att möjliggöra prognoser av stilleståndstider.

Produktkonstruktion och virtuell prototypframställning

Virtuella produktmodeller ger insikter om användningsmönster, försämringspunkter, arbetsbelastningskapacitet, uppkomna defekter osv. Genom att förstå produktens egenskaper och felkällor kan konstruktörer och utvecklare utvärdera produktens användbarhet och förbättra framtida komponentkonstruktion. På samma sätt kan OEM-företag leverera skräddarsydda erbjudanden för olika kundgrupper baserat på specifika användarbeteenden och produktanvändningssammanhang. Tekniken med digitala tvillingar hjälper dessutom till att utveckla virtuella prototyper och köra robusta stimulanser för funktionstestning baserat på empiriska data.

Användningsfall i den verkliga världen

I den verkliga världen är det viktigt att ha möjlighet att testa produkter, processer och anläggningar innan de introduceras i tillverkningslinjen. Digitala tvillingar åstadkommer detta syfte. Globalt sett använder företag digitala tvillingar för att förbättra processer, leveranskedjor, fastighetsskötsel med mera. Här är exempel på hur tekniken med digitala tvillingar förändrar en rad olika branscher.

Smartare förpackning av försändelser med SIMATIC från Siemens

Siemens teknik SIMATIC står i centrum för många lösningar i innovativa förpackningsmaskiner. Dessa projekt visar hur SIMATIC T-CPU (CPU med schematisk teknik) gör det lättare för maskiner att åstadkomma enklare och smidigare processer, bättre kvalitet och optimal prestanda i alla avseenden.

Företaget TMG tillverkar förpackningsmaskiner för livsmedels- och dryckesförpackningar samt kosmetika- och kemikalieförpackningar (figur 3).

Figur 3: Bild på förpackningsmaskin hos TMG. (Bildkälla: Siemens)

I deras system tar de sju SINAMICS S120-enheterna och formatbytet mycket kort tid. Siemens PROFINET-nätverk integrerar SIMATIC S7-1500TF CPU, komfortpaneler, drivenheterna S120 och G120 för att utveckla automation, rörelsestyrning och säkerhet i en enda portalmiljö för Total Integrated Automation (TIA). Tack vare den integrerade och mångsidiga lösningen med SIMATIC S7-1500TF och SINAMICS teknik för drivenheter får TMG höga betyg inom konfigurationseffektivitet, hög prestanda och enkel konvertering av nya format.

Artificiell intelligens möter rörelsestyrning (147)

Wittmann Battenfelds hanteringssystem griper tag i och sätter in delar till formsprutningsmaskiner och sätter sedan in dem igen i en annan maskin. Utrustningen flyttar och vrider motsvarande objekt fritt för att ge hanteringssystemet fem axlar - tre för rörelser i rummet och ytterligare två för att vrida insatserna i alla riktningar. Hanteringssystemen ökar produktiviteten genom att utföra denna komplicerade uppgift med snabba cykeltider, vilket gör att processen kan vara så flexibel som möjligt. SIMATIC, Siemens lösning för automatisering, tillhandahåller kartläggning av alla funktioner i en enda styrenhet - rörelsestyrning, bildigenkänning och automatisering. Wittmann Battenfeld implementerar den här funktionen med hjälp av Siemens standardprogram Handling Standard Application, som stöder tekniska rörelsestyrningsuppgifter och visualiseringsmoduler. Paketet innehåller även en spårningsfunktion där Wittmann Battenfelds utvecklare spårar gripklons rörelse med en 3D-modell.

Figur 4: Styrenheten SIMATIC styr gripklon så att den griper tag i insatsen på det vibrerande bordet. AI-modulen bearbetar kamerainformationen. (Bildkälla: Siemens)

Viktiga överväganden vid införande av digitala tvillingar

Digitala tvillingar är ett nytt paradigm från^1900-talets tillverkningsmodell. Ekonomin påverkar fabrikens övergång till modellen med digitala tvillingar. Investeringen i digital tvillingar ger dock avkastning i form av ökad tillförlitlighet i utrustningen och produktionslinjen. Tekniken för digitala tvillingar förbättrar den totala utrustningens effektivitet (OEE) genom att minska stilleståndstiden och förbättra produktiviteten och prestandan. Genom att koppla ihop virtuella modeller med verkligheten minskas riskerna på olika områden, bland annat när det gäller produkttillgänglighet och rykte på marknaden.

Den digitala tvillingen är en virtuell representation av den fysiska produkten i tillverkningsledet, som den är utformad, byggd och underhållen. Denna virtuella representation speglar processinformation och analyser i realtid som baseras på den fysiska produkten, produktionssystemen eller utrustningskonfigurationerna. Ytterligare en fördel är att den digitala tvillingen gör det möjligt för ingenjörer att testa koncept och hypoteser innan dessa tillämpas på en fysisk maskin.

Digitala tvillingar och Siemens digitala imitation är en del av revolutionen inom industriell automation. Hur har digitala tvillingar påverkat branschen? Denna digitala imitation påverkar ständigt fysiska tillgångar, verksamheter och ramverk som producerar information. Digitala tvillingar är kärnan i utvecklingen av Industry 4.0, som omfattar automatisering, informationsutbyte och tillverkningsprocesser som skapar oändliga möjligheter för industrier att växa.

Referenser:

1. Videoinsikter: Pionjärer med digitala tvillingar, ett samtal med Dr. Michael Grieves, uppfinnare av begreppet digital tvilling, 6 oktober 2021.
2. TMG: video om mer prestanda och mindre tid, Siemens.
3. Artificiell intelligens möter rörelsestyrning: Att ta tekniken ett steg längre, Siemens.