Využití digitálního dvojčete
S prací na projektech nových produktů, výrobních linek či celých továren v rámci digitalizace průmyslové výroby je spojen i pojem digitálního dvojčete. Jde o jeden ze stěžejních prvků konceptu Průmyslu 4.0. Co vše od něj lze očekávat?
Tímto termínem je označována detailní digitální kopie výrobku, zařízení či celého závodu. Jde v podstatě o soubor dat umožňující prostřednictvím digitálních technologií simulací ověřovat parametry a chování na základě reálných parametrů příslušného produktu či zařízení v provozu nebo v různých podmínkách, případně predikovat jeho životní cyklus apod. Také shromáždit informace, které lze dále využít např. k inovacím a optimalizaci produktu nebo výroby. Digitální dvojče tak představuje unikátní nástroj umožňující firmě reagovat na zvyšující se časové a energetické nároky na výrobu a také na stále častější tlak v malosériové produkci upravované pro konkrétní požadavky zákazníků se snahou o rychlejší uvedení produktů na trh.
Co je a co není digitální dvojče
Průmysl a akademická obec definují digitální dvojče několika různými způsoby. Podle poradenské společnosti Deloitte lze digitální dvojče v zásadě definovat jako vyvíjející se digitální profil historického a současného chování fyzického objektu nebo procesu, který pomáhá optimalizovat jeho parametry. Je založeno na masivním, kumulativním měření dat v reálném čase a reálném světě napříč řadou dimenzí umožňující vytvořit komplexní vyvíjející se charakteristiku v digitálním světě. Data mohou poskytnout důležité informace o výkonu systému využitelné pro následné akce ve fyzickém světě, jako je změna designu produktu nebo výrobního procesu.
Za digitální dvojče je někdy nesprávně považován CAD model (neboli počítačově podporovaný design), od kterého se však liší, i když jej také využívá. Stejně tak neslouží pouze jako další řešení IoT využívající senzory, ačkoli s jejich daty rovněž pracuje. Na rozdíl od nich digitální dvojče při modelování složitých prostředí nezahrnuje pouze jednoduchá měření faktorů, jako je např. poloha a diagnostika pro daný objekt, ale umožňuje začlenit i vzájemné vazby a interakce mezi jeho komponentami a procesy během celého životního cyklu.
Skutečná síla digitálního dvojčete spočívá v tom, že může poskytnout komplexní propojení v reálném čase mezi fyzickým a digitálním světem. Může nabídnout bohatší modely, které přinášejí realističtější a holističtější měření. Díky levnějším a výkonnějším výpočetním schopnostem může vyhodnocovat interaktivní měření pomocí moderních architektur masivního zpracování a pokročilých algoritmů pro prediktivní zpětnou vazbu v reálném čase a offline analýzu. To umožňuje provádět např. zásadní konstrukční a procesní změny, které by nebyly dosažitelné běžnými metodami.
K čemu je to dobré?
Obvykle je prvotní motivací např. spotřeba energie, ale i bezchybná kontinuita materiálových toků a operací v rámci výrobního procesu, odladění a časová optimalizace technologických procesů, optimalizace výrobní linky, robotů apod. V každém případě je tu však dostatek motivačních faktorů pro to, aby výrobní podniky začaly o využití digitálního dvojčete uvažovat, pokud k jeho realizaci ještě nepřistoupily.
Výrobcům strojů umožňuje technologie digitálního dvojčete vyladit všechny detaily a odstranit případné chyby daného zařízení ještě před jeho uvedením do provozu a zajistit optimalizovaný návrh, krátkou dobu instalace i hladký provoz zařízení. Firmy tak bez ohledu na svoji velikost mají příležitost aplikovat digitální nástroje při plánování a optimalizaci výrobních procesů ke zvýšení celkové výkonnosti podniku. Využití počítačového modelu je vhodné zejména pro diskrétní, na událostech založené systémy, jako jsou např. dopravníkové systémy, výrobní linky, procesy s mezioperačními zásobníky aj., kde se nabízí několik způsobů jeho uplatnění:
1. Projektování nového nebo rozšíření stávajícího výrobního systému
• Návrh a ověření stěžejních parametrů (výrobní kapacita, vytížení zdrojů, flexibilita výroby a další) ještě fyzicky neexistujícího systému.
• Ověření změn (např. úprava počtu zařízení, změna rychlosti, přidání senzorů, změna řídicí logiky robotů, navýšení kapacity atp.) stávajícího systému.
• Ověření chování modelu, prezentace výsledků ve formě tabulek a grafů, obvykle prostřednictvím 2D/3D animace.
Například simulace výrobního úseku umožňuje navrhnout a optimálně řídit transport materiálů, ověřit kapacitní možnosti systému a koncept bezpečné automatizace.
2. Plánování výroby s využitím digitálního modelu
• Plánování výroby a popis chování i velmi složitých procesů (vč. náhodnosti), kde vzniká mnoho událostí, které se dají jen složitě matematicky popsat.
• Pravidelné rozplánování výroby s ohledem na všechna omezení výroby (kapacitní, technologické atd.) a na všechny podstatné vazby na konkrétní časové období.
• Vazba na firemní informační systém šitý na míru; XML, SQL a další rozhraní.
Model ověří např. dodávky materiálu a operace s ním na pracovištích, rozpracovanou výrobu, hierarchický kusovník, přidělování operátorů na pracoviště s ohledem na certifikaci, směnnost apod. a na základě správných vstupních dat je možné vygenerovat výrobní plán a provést případné přeplánování (např. se změnou priorit zakázek, dostupných výrobních kapacit, termínu dokončení...).
3. Virtuální zprovozňování části či celého výrobního systému (bez nutnosti připojení k hardwaru)
Tvorba a ověření algoritmů pro úroveň PLC (projektovaného výrobního systému) „nanečisto“ na digitálním modelu ještě před fyzickou realizací. Odpadá potřeba testování algoritmů řízení na prototypech a urychluje se proces zaškolování obslužného personálu.
Počítačový model umožní provádět libovolnou situaci bez rizika vzniku škod, které by přinášelo testování v podmínkách reálného provozu. Na simulačním modelu lze např. testovat umístění snímačů a pro větší přesnost otestovat polohování pomocí enkodéru i diskrétních snímačů a odzkoušet pohyblivé prvky při rozjezdu a dojezdu, ověřit algoritmy běžných provozních parametrů či odolnost proti nežádoucím kolizím, funkce HMI apod. a docílit případné zjednodušení algoritmu.
Bratříček testbed
Významnou pomůckou může být kromě ryze počítačových simulací i simulace některých subsystémů ve fyzické podobě, což umožňuje specializované testovací a vývojové pracoviště, tzv. testbed. Ten obsahuje příslušné prvky a zařízení v laboratoři, kde jsou sestaveny a v reálném provozu odzkoušeny v konfiguraci, v jaké by měly fungovat v továrně.
Takováto pracoviště lze najít např. na technických univerzitách či u jejich průmyslových partnerů. Jedno z nich funguje v rámci Národního centra Průmyslu 4.0 (NCP4.0) při ČVUT v Praze, kde v závěru loňského roku proběhl technologický seminář Digitální dvojče v průmyslové praxi. Jeho záznam je možné shlédnout na www.ncp40.cz/aktuality/digitalni-dvojce-v-prumyslove-praxi-online.
Příkladem může být třeba identifikace a lokalizace. Pro řízení jakékoliv linky (ať už jde o snahu větší flexibility a kvality výroby, sledování pohybu jednotlivých polotovarů či finálních produktů nebo transportních košů, palet apod.) je klíčová jednoznačná detekce předmětu. Ta je většinou řešena opticky či s využitím radiových lokalizačních systémů – pomocí čárových 1D/2D kódů, RFID technologie (v pásmu HF na krátkou vzdálenost a v pásmu UHF na vzdálenost až 8 m). Nejnovější produkty umožňují komunikaci PROFINET, Ethernet/IP, XML nebo OPC UA. S nastupující digitalizací a konceptem digitální továrny roste význam průmyslové lokalizace RTLS neboli sledování cílů (přípravky, AGV, transportní koše aj.) v reálném čase. A právě tato řešení umožňuje v simulované (virtuální i fyzické podobě) vyzkoušet a ověřit digitální dvojče a testbed.
Vladimír Kaláb
160
