Digitální dvojče jako pilíř konceptu Průmyslu 4.0

V koncepci Industry 4.0 se jako nejúčinnější a nejefektivnější metoda optimalizace výrobních a logistických procesů doporučuje takzvané digitální dvojče.



Jednou z definic čtvrté průmyslové revoluce je integrování technologií, které stírají hranice mezi fyzickými, digitálními a biologickými sférami. Podniky musejí reagovat na výzvy spojené s dynamikou trhu, který vyžaduje zkracování životních cyklů vývoje a přípravy výroby při neustále rostoucí složitosti výrobků, a tlakem na snížení ceny. Řešením je digitalizace výroby, která zlepší efektivitu a zrychlí inovace. Další výzvou jsou požadavky na individuálně přizpůsobené produkty malých sérií.

 

Digitální dvojče v digitálním podniku

Digitální podnik je cílový stav firmy nacházející se v Industry 4.0, ve kterém budou digitálně propojené a řízené všechny podnikové procesy, přes tzv. smart přístup budou digitálně komunikovat se zákazníky, s dodavateli a ostatním prostředím. Technologický koncept digitální dvojče je funkčním systémem průběžné optimalizace procesů, které tvoří fyzická výroba v propojení s vlastní digitální „kopií“.

 

Vytváří prostředí digitálního podniku, ve kterém firma může optimalizovat provoz přímo během výrobního řetězce, měnit parametry a procesy výroby a přizpůsobovat produkt požadavkům trhu. Data, která během této doby vznikají, vytvářejí komplexní obraz o daném výrobku a výrobě. Digitální dvojče informace shromáždí a neustále vyhodnocuje. To umožňuje mimo jiné zkrátit a zefektivnit vývojový cyklus, optimalizovat výrobu, zkrátit dobu náběhu nových výrobků, odhalí neefektivní nastavení procesů či personálních výkonů.

 

Digitální dvojče ve výrobním procesu optimalizuje řízení výrobních linek a procesů. Primárně se soustřeďuje na zvyšování produktivity. V logistickém procesu řeší harmonizaci logistických procesů a zdrojů logistiky do jednoho uceleného, harmonicky fungujícího celku.

 

Na návrh výrobku, případně logistického procesu navazuje návrh výrobního procesu. Tato koncepce se nazývá i digital factory, která ještě před spuštěním prototypové a později finální výroby umožňuje efektivně naplánovat a vyladit jednotlivé fáze výrobního procesu. Velmi důležitou fází této etapy je simulace výrobního procesu, kde klíčovou roli hraje právě digitální dvojče výrobní linky, skladu a podobně čili paralelní simulační prostředí.

Úkolem digitálního dvojčete je umět rychle a přesně identifikovat, co způsobilo nějakou nevyžádanou událost ve výrobním nebo v logistickém procesu, například prostoj. Po odhalení příčin tým specialistů, nebo v blízké budoucnosti expertní systém na bázi umělé inteligence, navrhne řešení, jak předcházet takovým situacím, jak uspořádat, optimalizovat pořadí zakázek, tak aby výroba vzhledem k aktuálnímu plánu vyprodukovala co ejvíce výrobků, kdy vyměnit nástroj, protože se dostal na hranici své životnosti, a podobně.

 

Než se navržené řešení bude aplikovat na reálný výrobní či logistický proces, nejdříve se odzkouší a vyladí na digitálním dvojčeti. Digitální dvojče umožňuje řešit a optimalizovat i náročné úkoly, jako je řazení různorodých výrobků na výrobní lince, tak aby linka vyráběla co nejefektivněji. Velkou výhodou digitálního dvojčete je také možnost simulovat procesy zrychleně, což by na reálné lince z technologických důvodů nebylo možné.

 

MES versus digitální dvojče

Systém MES (Manufacturing Execution System) zaznamenává údaje z procesů v rámci výrobní linky, případně skladu. Výstupem jsou přesné údaje o průběhu jednotlivých fází, procesech včetně informací o efektivně využitém čase a prostojích. MES poskytuje velké množství dat, z nichž je třeba získat užitečné informace ve srozumitelné podobě. Ne vždy se však podaří zjistit příčiny nízké efektivity, případně prostojů. Proto se údaje z MES systémů často více nebo méně úspěšně „párují“ s údaji, které zjišťují, subjektivně posuzují a zapisují pracovníci na lince.
Údaje z MES mohou posloužit jako vstup do digitálního dvojčete, kde se podobně jako filmový záznam mohou „přehrát“ buď reálnou rychlostí, nebo častěji zrychleně. Při tomto přehrávání se mohou identifikovat problémy, například ve které fázi nebo na kterém pracovišti linky došlo k události vedoucí k prostojům, nebo dokonce k zastavení linky. Pokud se linka v určitém čase zpomalí či zastaví, zpomalí, a tedy zastaví se i na digitálním dvojčeti.

 

Hardwarové řešení digitálního dvojčete, ať už vyrobené jako více či méně přesný model linky, případně postavený ze vhodné stavebnice Lego, či Fishertechnik s programovatelnými řídicími jednotkami, senzory a akčními členy, dokáže přehrát proces typicky dvakrát až pětkrát rychleji. Softwarový model sice není tak názorný a neumožňuje simulovat mechanické jevy, avšak dokáže procesy přehrávat i 10-, 50- či vícenásobnou rychlostí. Při 60násobné rychlosti je minuta reálného času sekunda v digitálním dvojčeti.

Digitální dvojče je vhodné integrovat i do PLM (Product Lifecycle Management) nebo PDM (Product Data Management), které v digitální formě zajišťuje efektivní fungování celého výrobního procesu. Tyto systémy jsou napojeny na řídicí systémy jednotlivých strojů i celých výrobních linek. Do hry vstupují i takzvané holistické procesy, ať už interní nebo externí.

Cílem koncepce Industry 4.0 je překlopit co nejvíce procesů na takzvanou prediktivní úroveň, která umožňuje efektivněji identifikovat potřebu údržby zařízení zainteresovaných na výrobních a souvisejících procesech, aby nebyla ohrožena plynulost výrobního procesu.

 

Přínosy digitálního dvojčete

Na hardwarovém, případně softwarovém simulačním modelu je možné dělat optimalizační experimenty bez ovlivňování reálných procesů. Digitální dvojče umožňuje simulovat různé problémy, například „zaseknout“ část linky, vzpříčit paletu na dopravníku a následně získat odpovědi na otázky typu what-if. Dají se měnit parametry systémů bez rizika narušení reálných procesů. Až úspěšné výsledky pokusů se aplikují na reálné zařízení.

 

Autor je redaktorem PC Revue

Úvodní foto: © Scanrail - Fotolia.com

« předchozí článek další článek »








Komentáře