Читать книгу Концепции и технологии цифровизации машиностроительного предприятия. Учебное пособие - - Страница 10

Цифровой двойник – это виртуальное представление изделия или процесса, которое используется, чтобы оценивать и прогнозировать рабочие характеристики этого изделия или процесса. Цифровые двойники используются на протяжении всего жизненного цикла изделия, чтобы проводить инженерный анализ, прогнозировать и оптимизировать работу изделия или производственной системы, прежде чем инвестировать в физические прототипы и ресурсы [8].

Благодаря мультифизическому моделированию, аналитике данных и машинному обучению цифровые двойники могут демонстрировать влияние изменений конструкции, различных сценариев использования, условий окружающей среды и других факторов на изделие или процесс и избавляют от необходимости изготовления физических прототипов. Это позволяет сократить время разработки и повысить качество получившегося в результате изделия или процесса.

Чтобы обеспечить точное моделирование на протяжении всего жизненного цикла изделия или его производства, цифровые двойники используют данные с датчиков, установленных на физических объектах, чтобы фиксировать производительность объекта в реальном времени, условия работы и изменения с течением времени. Используя эти данные, цифровые двойники совершенствуются и постоянно обновляются в соответствии с изменениями физического аналога на протяжении жизненного цикла изделия. Таким образом, возникает замкнутая обратная связь в виртуальной среде, которая позволяет компаниям постоянно оптимизировать свои изделия, производство и повышать производительность с минимальными затратами.

Область применения цифрового двойника зависит от того, на каком этапе жизненного цикла изделия происходит моделирование. Можно выделить 4 типа цифровых двойников: двойник изделия, двойник производства и двойник процесса, цифровой двойник эксплуатации. Видение компании Сименс показано на рис. 1.5

Цифровых двойников может быть сколь угодно много, они создаются под задачу и имеют детализацию, необходимую для ее решения.

Рис. 1.5. Цифровые двойники (Видение компании Сименс)

Цифровые двойники изделия

Цифровые двойники могут использоваться для виртуальной проверки характеристик изделия. Они также показывают, каким образом изделия функционируют в реальном мире. Этот цифровой двойник изделия обеспечивает связь между виртуальным и физическим миром. Такая связь позволяет проводить разные типы анализа, чтобы понять, как изделие будет вести себя в разных условиях. По результатам анализа можно внести изменения в виртуальную модель, чтобы следующее физическое изделие полностью соответствовало необходимым характеристикам. Неважно, насколько сложна система или материалы – цифровые двойники изделия помогают успешно преодолевать эти сложности и принимать самые оптимальные решения. Больше не нужно создавать множество физических прототипов, сокращается срок разработки, повышается качество итогового изделия. Кроме того, при наличии цифрового двойника можно гораздо быстрее отреагировать на замечания заказчиков.

Цифровые двойники изделий можно разделить на подтипы [8]: двойники-прототипы (Digital Twin Prototype, DTP), цифровые двойники-экземпляры (Digital Twin Instance, DTI) и агрегированные двойники (Digital Twin Aggregate, DTA). Цифровые двойники производственной системы: инжиниринговая и эксплуатационная модель производства

Цифровые двойники-прототипы (Digital Twin Prototype, DTP). DTP-двойник характеризует изделие, прототипом которого он является, и содержит информацию, необходимую для описания и создания физических версий экземпляров изделия.

Digital Twin Instance – цифровой двойник экземпляра. Фактически, это сбор информации с датчиков, установленных на оборудовании, и получение копии работающей единицы в системе. Это позволяет автоматически отслеживать и прогнозировать поведение этого оборудования, предсказывать аварийные остановы и создавать симуляции режимов работы.

Digital Twin Aggregate – модель серии оборудования. Это двойник существующего оборудования, которая в первую очередь применяется для обучения персонала и оптимизации процессов ТОиР. С такой моделью специалисту не нужно читать мануалы по эксплуатации оборудования, а можно сразу практиковаться и смотреть результаты действий на виртуальной модели.

Цифровые двойники производства

Цифровой двойник производства позволяет до начала фактического производства понять, насколько хорошо будет работать производственный процесс в заводском цехе. Моделируя процесс с помощью цифрового двойника и анализируя происходящее с помощью цифровой связи, компании могут создать методологию производства, которая будет эффективной при самых разных условиях [3].

Цифровой двойник» производственной системы включает в себя:

– Инжиниринговую модель ПС, содержащую цифровое описание ресурсов предприятия, структуру станочной системы, средства технологического оснащения, номенклатуру и технологии изготовления изделий, систему сбора информации о текущем состоянии оборудования.

– Эксплуатационную модель ПС, являющуюся цифровой платформой для описания логистической архитектуры предприятия, формирования планов-графиков изготовления изделий, межцеховой и внешней кооперации, включая регламенты технического обслуживания и ремонта оборудования. Математическому описанию также подлежит динамика внутрицеховых материальных потоков, на основе цифровизации которых формируются оптимальные производственные расписания выполняемых работ.

Наиболее сложным для практической реализации является эксплуатационная модель «цифрового двойника» ПС, на которую, в частности, возлагаются следующие функции [8]:

– Проводить необходимые расчеты для принятия управленческих решений.

– Отображать в режиме реального времени производственные процессы, протекающие в производственной системе.

– Проводить различные эксперименты «что если» путем математического моделирования производственных процессов.

Оптимизация внутрицеховых материальных потоков достигается средствами специального софта категории MES

Цифровые двойники процессов

Цифровые двойники процессов собирают данные с работающих изделий и заводов и анализируют эти данные, превращая их в полезную информацию, на основе которой можно принимать конкретные решения. Используя цифровые двойники процессов, можно:

– понять, как улучшить виртуальную модель,

– собирать, обобщать и анализировать операционные данные,

– повысить эффективность изделий и производственных систем,

Это и технологический анализ, и симулятор станка в CAM

Цифровые двойники эксплуатации

На этапе эксплуатации: модель цифрового двойника может быть доработана и использована для реализации обратной связи с целью внесения корректив в разработку и изготовление изделий, диагностику и прогнозирование неисправностей, повышение эффективности работы, для выявления новых запросов потребителей.

Для таких двойников может использоваться информация из паспорта изделия, полученного на стадии производства.

Аналитическая компания LNS [9] предлагает различать цифровые двойники на 2 категории по простому принципу: когда еще нет физического изделия и когда оно уже есть. Поставщики PLM предлагают инструменты поддержки виртуальных цифровых двойников. Siemens, Dassault и PTC предоставляют решения для проектирования и моделирования, необходимые для отработки как конструкции, так и технологии еще до появления реального изделия. На этой стадии активно используются 3D модели изделия различной детализации. Для цифровых двойников эксплуатации не существует готовых приложений, т.к. высока специфика конкретного изделия. 3D модели изделия на этой стадии также не являются обязательными. Ядро данных цифровых двойников должно отвечать на вопросы «Как построено», «Как поддерживается», «Как обслуживается», «Как используется», при этом 3D графика может и не использоваться.