Cyfrowy bliźniak w produkcji – przykłady zastosowania

Cyfrowy bliźniak (ang. digital twin) to innowacyjne narzędzie, które coraz częściej pojawia się w strategiach przemysłu 4.0, zarówno w sektorze produkcyjnym, jak i energetycznym. Dzięki zaawansowanej technologii, cyfrowy bliźniak pozwala na pełną integrację danych rzeczywistych z wirtualnym modelem, co umożliwia optymalizację zarządzania zasobami, poprawę wydajności oraz precyzyjne monitorowanie procesów. W niniejszym wpisie przyjrzymy się dokładniej, czym jest cyfrowy bliźniak, jakie korzyści i wyzwania wiążą się z jego wdrożeniem w firmach produkcyjnych, a także jak wpływa na procesy decyzyjne.

W naszym wpisie poruszymy następujące tematy:

• Cyfrowy bliźniak w przemyśle – co to jest?
• Optymalizacja procesów produkcyjnych za pomocą cyfrowego bliźniaka
• Przykłady zastosowań przemysłowych cyfrowego bliźniaka
• Zalety digital twin w firmach produkcyjnych
• Wady cyfrowego bliźniaka w przemyśle
• Normy ISO dla cyfrowych bliźniaków przemysłu

Cyfrowy bliźniak w przemyśle – co to jest?

Cyfrowy bliźniak to wirtualny model odzwierciedlający rzeczywiste procesy, maszyny lub systemy, z którymi pozostaje w ciągłej, dwustronnej komunikacji dzięki czujnikom IoT (Internet of Things, Internet Rzeczy). Cyfrowy bliźniak opiera się na wykorzystaniu danych, które w czasie rzeczywistym są zbierane z czujników zamontowanych na urządzeniach i liniach produkcyjnych, a następnie przetwarzane w modelu cyfrowym. W zależności od stopnia zaawansowania, może to być prostszy digital shadow (cyfrowy cień) lub pełnoprawny digital twin, który umożliwia pełną interakcję i symulację rzeczywistości w środowisku wirtualnym.

Wartość cyfrowego bliźniaka leży w możliwości dokładnego odwzorowania sposobu funkcjonowania zasobów, prowadzenia analiz predykcyjnych dotyczących pracy maszyn, zużycia surowców czy energii, a także potencjalnych awarii. To rozwiązanie jest szczególnie efektywne, gdy wdrożone zostają algorytmy uczenia maszynowego (ang. machine learning) oraz sztucznej inteligencji (AI), które umożliwiają automatyzację wielu procesów analitycznych oraz nieustanne polepszanie sposobu działania cyfrowego bliźniaka. Kolejnym przydatnym elementem jest wykorzystanie technologii VR (ang. Virtual Reality), która umożliwia inżynierom oraz operatorom na obcowanie z modelem cyfrowego bliźniaka w bardziej intuicyjny i interaktywny sposób.

Dowiedz się więcej: Cyfrowy bliźniak w logistyce i magazynie

Optymalizacja procesów produkcyjnych za pomocą cyfrowego bliźniaka

Jednym z najważniejszych zastosowań cyfrowego bliźniaka w produkcji jest optymalizacja procesów. Wykorzystując duże ilości danych zbieranych z czujników, cyfrowy bliźniak może monitorować stan maszyn, przewidywać przestoje, a także symulować różne scenariusze operacyjne i harmonogramy. Dzięki temu firmy mogą unikać awarii, lepiej zarządzać czasem pracy maszyn oraz zoptymalizować zużycie zasobów. Cyfrowy bliźniak, analizując dane z maszyn i systemów, może na bieżąco prowadzić symulacje, co pozwala przewidywać awarie jeszcze zanim do nich dojdzie. Takie podejście pozwala na planowanie konserwacji i napraw w optymalnych momentach, co ogranicza koszty i minimalizuje ryzyko przestojów produkcji, a także ewentualną identyfikację wąskiego gardła.

Wirtualny model pozwala między innymi na testowanie nowych rozwiązań bez przerywania rzeczywistych procesów produkcyjnych, a także daje możliwość podejmowania szybkich decyzji i ich natychmiastowej modyfikacji w razie potrzeby. Symulacja zmian w wirtualnej rzeczywistości umożliwia redukcję kosztów związanych z testowaniem innowacji, co zwiększa bezpieczeństwo wprowadzania nowych technologii, a także ułatwia dalsze uczenie się. Korzystanie z cyfrowego bliźniaka umożliwia przewidywanie jakości produktu końcowego, pomagając np. podejmować decyzje dotyczące wykorzystania lepszych materiałów. W produkcji przemysłowej cyfrowe bliźniaki pomagają zapewnić spójność w produkcji masowej, dzięki czemu produkt końcowy jest zawsze zgodny ze specyfikacjami.

Jednak zanim firma zdecyduje się na wdrożenie cyfrowego bliźniaka, powinna zadać sobie kilka kluczowych pytań: jakie dane są dostępne, jakie zasoby będą potrzebne do ich integracji, a także jak duży będzie koszt samego wdrożenia oraz późniejszego utrzymania cyfrowego bliźniaka?

Przykłady zastosowań przemysłowych cyfrowego bliźniaka

Producenci z całego świata z powodzeniem wprowadzają koncepcję cyfrowego bliźniaka w życie.

Dzięki cyfrowym bliźniakom możliwe jest między innymi tworzenie cyfrowych symulacji całych fabryk. Wdrożenie cyfrowego bliźniaka obiektu pozwala wprowadzać symulacje w czasie rzeczywistym, na przykład wtedy, gdy firma zakupi nowe maszyny i zastanawia się, gdzie je umieścić na hali, lub wtedy, gdy zmienia się przepływ pracy i rozmieszczenie linii produkcyjnych. Dużo łatwiej jest także prowadzić nowe inwestycje budowlane, a także rozmieszczać kluczowe elementy wyposażenia hali, np. takie jak gaśnice. Cyfrowy bliźniak magazynu zwiększa z kolei poziom bezpieczeństwa, ponieważ może pomóc zaplanować taką konstrukcję, która będzie odporna na zagrożenia naturalne.

Cyfrowy bliźniak biznesu jest przydatny także wtedy, gdy zatrudnia się nowych operatorów maszyn. Przeszkolenie dużej grupy osób jest zwykle czasochłonne. Dodatkowo wiąże się z wyzwaniami, np. takimi jak hałas na hali produkcyjnej oraz ciągle toczące się procesy produkcyjne. Zastosowanie technologii cyfrowego bliźniaka pozwala stworzyć cyfrowy model firmy, w którym można ćwiczyć dokładnie tak samo, jakby odbywało się szkolenie w realnie istniejącej przestrzeni. Z jednej strony umożliwia to nowym pracownikom na uzyskanie sporej wiedzy, natomiast z drugiej – nie ingeruje w żaden sposób w rzeczywistą halę produkcyjną, nie jest związane z ryzykiem czy potencjalnymi zakłóceniami w realizacji zleceń. Cyfrowy bliźniak fabryki może mieć też zupełnie inne zastosowanie – jest to wspaniałe narzędzie, by „oprowadzać” po firmie potencjalnych inwestorów i pokazywać im potencjał firmy.

Jednym z przykładów cyfrowego bliźniaka w produkcji jest między innymi wykorzystanie go do symulacji w czasie rzeczywistym ogniw akumulatorowych. Problemem wyjściowym była zarówno ich waga, jak i temperatura. Na podstawie analizy danych cyfrowych, szybko porównywano koncepcje na nowy akumulator, a także wprowadzano optymalizację procesów produkcyjnych. W efekcie firma odkryła nowy typ ogniwa i taką konstrukcję obudowy, które pozwoliły na zmniejszenie liczby ogniw aż o 1/5. Z kolei jedna z firm lotniczych opracowała oparty na uczeniu maszynowym system optymalizacji geometrii. Może on szybko symulować tysiące różnych konfiguracji i pomóc zidentyfikować możliwe oszczędności masy, ulepszenia aerodynamiczne i inne korzyści związane z wydajnością.

Zalety digital twin w firmach produkcyjnych

Korzyści z zastosowania cyfrowego bliźniaka są ogromne, szczególnie w obszarze ciągłego doskonalenia procesów produkcyjnych i zwiększenia efektywności operacyjnej. Do najważniejszych zalet należy między innymi wyższa przewidywalność: dzięki analizie rzeczywistych danych, cyfrowy bliźniak pozwala na dokładniejsze przewidywanie awarii i optymalizację harmonogramów produkcji, a także wprowadzanie dynamicznych zmian w razie potrzeby. Pozytywną stroną stworzenia bliźniaka cyfrowego jest możliwość lepszego zarządzania ryzykiem. Zastosowanie przemysłowe cyfrowego bliźniaka to także atut w postaci możliwości szybkiego wykrywania anomalii. Zintegrowanie cyfrowego bliźniaka np. z systemem zarządzania produkcją klasy MES daje możliwość monitorowania w czasie rzeczywistym tego, co dzieje się z maszynami i gdzie konkretnie tworzy się wąskie gardło.

Dodatkowo technologia cyfrowego bliźniaka pozwala na redukcję kosztów i pełniejsze osiąganie celów zrównoważonego rozwoju. Testowanie nowych rozwiązań w wirtualnym środowisku zmniejsza ryzyko awarii i przestojów, co bezpośrednio wpływa na obniżenie kosztów operacyjnych. Z kolei ciągłe usprawnianie przepływu produkcji pozytywnie wpływa na zwiększenie wydajności oraz zmniejszenie zużycia energii oraz materiałów.

Tworzenie cyfrowego bliźniaka umożliwia także efektywne zarządzanie zasobami – cyfrowy bliźniak pozwala na monitorowanie wykorzystania surowców, energii i maszyn. Prowadzi to do podejmowania bardziej świadomych decyzji biznesowych, a także optymalnego wykorzystywania dostępnych w danym momencie maszyn, pracowników czy materiałów. Cyfrowy bliźniak produkcji umożliwia także szybsze wprowadzanie innowacji. Testowanie nowych procesów w środowisku cyfrowym przyspiesza wdrożenie innowacji bez ryzyka zakłócenia produkcji.

Kolejną z zalet cyfrowych bliźniaków jest to, że firmy produkcyjne mogą wykorzystać tę technologię bez konieczności wymiany istniejących rozwiązań. Wdrażając cyfrowego bliźniaka równolegle z istniejącą architekturą MOM, producenci mogą wydobyć większą wartość z wieloletnich inwestycji technologicznych. Pozwala to wykorzystać dane z istniejących systemów i szybko je kontekstualizować.

Wady cyfrowego bliźniaka w przemyśle

Cyfrowy bliźniak to narzędzie, które ma potencjał znacznie zrewolucjonizować przemysł produkcyjny. Dzięki jego zastosowaniu możliwa jest nie tylko optymalizacja procesów i redukcja kosztów, ale także szybsze wprowadzanie innowacji. Jednak każda firma musi dokładnie ocenić, czy wdrożenie cyfrowego bliźniaka jest opłacalne i jakie wyzwania mogą się z tym wiązać. W dłuższej perspektywie, cyfrowy bliźniak staje się narzędziem, które może wspierać podejmowanie decyzji, zapewniając pełny wgląd w rzeczywiste dane i procesy produkcyjne.

Do najważniejszych wyzwań, które mogą wpłynąć na decyzję o wdrożeniu cyfrowego bliźniaka, należą koszty: im większa liczba czujników IoT i im bardziej zaawansowane są zastosowane algorytmy, tym wyższe koszty wdrożenia. Zarządzanie danymi oraz wykorzystanie takich rozwiązań jak sztuczna inteligencja, wymagają wciąż sporych nakładów finansowych i zasobów obliczeniowych. W zależności od wielkości i złożoności procesu produkcyjnego, integracja cyfrowego bliźniaka z istniejącymi systemami może wymagać indywidualnych rozwiązań. Należy jednak zwrócić uwagę, iż w przypadku części firm zwroty z inwestycji w długiej perspektywie zdecydowanie przewyższają poniesione koszty.

Ostatnią z rzeczy, na które należy zwrócić baczną uwagę, jest kwestia zabezpieczenie informacji. Dane generowane przez cyfrowe bliźniaki stanowią kluczowy zasób firmy, dlatego ich ochrona przed kradzieżą czy cyberatakami jest niezwykle ważna. Firmy muszą także rozważyć kwestię zaufania do danych, a dokładniej: czy są one rzetelne i czy nie zniekształcają rzeczywistości. Ostateczna weryfikacja poprawności informacji należy zawsze do człowieka.

Normy ISO dla cyfrowych bliźniaków przemysłu

W październiku 2021 roku ogłoszono normę ISO 23247, która definiuje ramy tworzenia cyfrowych bliźniaków obserwowalnych elementów produkcyjnych (OME) – na przykład procesów produkcyjnych czy zasobów ludzkich.

Zakresy czterech części tej serii normy dla wykorzystania cyfrowego bliźniaka są zdefiniowane poniżej:

– ISO 23247-1: Ogólne zasady i wymagania dotyczące opracowywania cyfrowych bliźniaków w produkcji (zawiera m.in. ramy Internetu Rzeczy dla cyfrowych bliźniaków w procesach produkcyjnych);

– ISO 23247-2: Architektura referencyjna z widokami funkcjonalnymi;

– ISO 23247-3: Lista podstawowych atrybutów informacyjnych dla obserwowalnych elementów produkcyjnych;

– ISO 23247-4: Wymagania techniczne dotyczące wymiany informacji między podmiotami w ramach architektury referencyjnej.

Zgodnie z normą ISO 23247, cyfrowe bliźniaki mogą mieć zastosowanie w całym cyklu życia wyrobu. Stworzenie cyfrowego bliźniaka będzie mieć uzasadnienie w fazie projektowej, ponieważ będzie doskonałą symulacją procesów fizycznych, jak i na następnym etapie – w którym cyfrowy bliźniak będzie odzwierciedlał proces produkcyjny. Cyfrowy bliźniak symuluje także z powodzeniem ostatnie fazy, tj. użytkowanie, konserwację i utylizację wytworzonego produktu.