工业4.0 is Coming -- 闭环数字孪生

2022-11-01 13:56:00
nrh387
原创
574
摘要:随着工业物联网的力量日益明显(用于解决运营问题和提升竞争优势),有远见的组织正在开创利用它的新方法。 在激烈的竞争,薄弱的产品利润,老化的工厂资产和快速变化的客户选择的驱动下,制造商正在转向数字化以优化产品和流程,并最终提高利润率并领先于创新曲线。大多数制造商都了解使用数字孪生在物理资产与其虚拟对等物之间建立永久连接以及与产品生命周期管理(PLM)系统集成以持续数字化优化生产的价值。数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

随着工业物联网的力量日益明显(用于解决运营问题和提升竞争优势),有远见的组织正在开创利用它的新方法。 在激烈的竞争,薄弱的产品利润,老化的工厂资产和快速变化的客户选择的驱动下,制造商正在转向数字化以优化产品和流程,并最终提高利润率并领先于创新曲线。大多数制造商都了解使用数字孪生在物理资产与其虚拟对等物之间建立永久连接以及与产品生命周期管理(PLM)系统集成以持续数字化优化生产的价值。数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。


这里以西家的工业软件作为例子,在工业产品的开发阶段,我们可以利用NX对产品进行3D仿真建模,设计产品的机电特性模型,同时进行测试和验证。利用plant Simulation和process Simulation软件构建虚拟的工厂和产线,对工厂的位置,能耗,产线,工位等各种生产要素进行仿真完成虚拟世界产品和生产的数字化双胞胎,同时把这些仿真数据上传到协同软件TeamCernter中,对产品的BOM和生产的工艺流程进行管理。这些虚拟资产的数据可以作为PLC的代码导入现实世界中TIA Portal系统里,生成PLC控制系统的代码控制现实世界的生产。这个是目前大部分制造企业利用数字孪生技术进行产品生产的流程。但是产品走出了工厂,他们的性能如何,有没有故障,如何对未来新的产品提供反馈,这个是目前传统数字孪生无法实现的,但有了工业互联网技术,我们可以启用性能数字孪生模型提供的反馈闭环的能力,从而完成数字孪生的闭环。




这就需要基于云的物联网解决方案,该解决方案不仅可以远程监视资产,而且还可以与产品数字孪生和生产数字孪生中使用的其他技术无缝集成。利用西门子工业物联网即服务解决方案MindSphere,制造商现在可以构建性能的数字孪生。 产品,生产和性能孪生相连接以创建一个封闭的反馈回路,从而确保将来自现场产品和生产环境的性能数据输入到产品和生产中。








闭环数字化双胞胎

最先进的组织正在朝着使用性能数字双胞胎监视产品和生产线的实时性能的目标迈进。 能够基于实时数据进行对产品和生产数字化双胞胎进行实时的反馈。 通过这种方式,对生产线机器进行评估,以确定生产线是否按预期在进行工作。 此外,产品在离开生产线后的性能也会得到跟踪,监视该产品以对照其实际使用和性能来分析其预期的使用和性能。 然后,这些数据可以反馈到设计以及生产线中,从而可以进行实时调整和快速仿真更新。

数字化孪生技术的收益,首先我们来回顾下闭环数字化双胞胎为传统的产品和生产数字化双胞胎

闭环数字化双胞胎

最先进的组织正在朝着使用性能数字双胞胎监视产品和生产线的实时性能的目标迈进。 能够基于实时数据进行对产品和生产数字化双胞胎进行实时的反馈。 通过这种方式,对生产线机器进行评估,以确定生产线是否按预期在进行工作。 此外,产品在离开生产线后的性能也会得到跟踪,监视该产品以对照其实际使用和性能来分析其预期的使用和性能。 然后,这些数据可以反馈到设计以及生产线中,从而可以进行实时调整和快速仿真更新。数字化孪生技术的收益首先我们来回顾下闭环数字化双胞胎为传统的产品和生产数字化双胞胎

· 产品数字化双胞胎

    在设计的早期阶段,制造商使用数字孪生机虚拟地仿真和验证属性,而不是构建和测试物理原型。 虚拟原型制作使您可以更好地了解产品设计在各种条件下的性能,同时减少开发时间,提高产品质量并加快迭代速度。闭环数字孪生将现场实时数据引入了产品设计过程。 产品离开生产线后,产品的数字孪生将继续收集有关其性能的实时数据。 制造商使用此实时性能信息来更改生产中的当前设计,或者通过更新仿真来改进将来的设计迭代。例如,如果在产品使用现场发现零件有缺陷,则可以在现场生产线中将其更换。此外,借助性能信息的不断流动,制造商可以采用新的业务模型,例如维护即服务,制造商可以在产品生命周期的结尾为客户提供远程状态监测。 他们还可以将机器租赁给客户并根据实际使用情况收费。

生产数字化双胞胎

     典型的生产双胞胎通过虚拟仿真(从工厂资产到控制器)来验证生产线的关键方面。该功能使工业组织能够在实施生产线之前识别生产线中的错误或故障源。闭环数字孪生将实时性能数据引入生产线。一旦建立了生产线,就可以在测试运行期间捕获数据,从而使制造商可以通过检查机器性能并调整产品运行之间的时间来优化生产。测试之后,将连续收集实时数据,从而可以监视生产线中每台机器的状况和性能。利用这些数据,制造商不仅可以识别即将失效的机器或零件。他们可以识别出未按预期运行的区域,然后在进行调整之前模拟生产线的变化。通过仿真,制造商可以在不影响生产的情况下主动更改生产线以提高生产率,降低次品率并减少制造错误。

实时的数据带来实时的改进

     由于可以用实时数据不断更新数字孪生,因此它会随着物理资产的变化而变化。 启用数字孪生的维护允许根据实际使用情况进行调整。 利用资产的实时模型,制造商可以运行虚拟仿真,以根据使用年限,运行时间或恶劣条件来确定性能。 闭环数字双胞胎的加入使制造商可以对产品的未来制定维护需求。
我们可以预期下面这些收益

· 减少停机时间

     利用实时数据,制造商可以在导致停机之前识别并解决问题,并在对操作造成最小干扰的时间内安排维护。

· 降低维护成本

     借助性能数字孪生数据,可以更智能地进行维护,以防止过早或过晚地进行维护,这两种方法都很昂贵。 可以根据设备的实际情况来计划维护,因此制造商可以确保他们执行的维护是最具成本效益的。

· 改善设备性能和可靠性

     利用实时资产性能数据,制造商可以虚拟调整和测试产品参数,以确定这些变化如何影响设备性能和可靠性。 通过使用这些见解,制造商可以就是否以及何时进行物理过程调整做出更好的决策。 此外,他们还可以查看预期效果与实际效果之间的关系,例如,了解计划外参数是否会影响性能和可靠性,然后根据这些新获取的know-how进行参数调整。

· 延长资产寿命

     使用仿真模型,制造商将能够更好地减少紧急停机时间和其他不必要的“磨损”,以确保他们能够从资产中获得最佳性能并最大程度地利用资产。

· 更好的库存管理

     过多的库存就是浪费,在精益思想里,避免浪费是核心价值。当可以更准确地预测需要完成什么维护以及何时完成维护时,制造商可以减少内部服务和备件库存水平,以更紧密地满足需求。 不再需要维护“以防万一”购买和存储的零件和备件的安全库存。

· 批量管理

     无论是监视遍布全球的数百台客户机器,还是监视数家工厂中复制的多条生产线,数字孪生公司都将近实时地收集资产中的所有数据点。制造商可以建立基准和阈值,使数字双胞胎能够自动突出显示可能需要采取措施的异常情况。 同样,通过启用IoT的维护,可以更轻松地在一组相同的资产中复制机器和生产线的更新计划。

· 最大限度地减少保修索赔

通过准确了解最终用户如何使用设备,制造商可以评估保修索赔的有效性。

· 不断提供创新产品

通过了解产品在运行和高峰时段的行为方式,制造商可以优化产品开发以推动质量和创新。
,可以更智能地进行维护,以防止过早或过晚地进行维护,这两种方法都很昂贵。 可以根据设备的实际情况来计划维护,因此制造商可以确保他们执行的维护是最具成本效益的。

· 改善设备性能和可靠性

利用实时资产性能数据,制造商可以虚拟调整和测试产品参数,以确定这些变化如何影响设备性能和可靠性。 通过使用这些见解,制造商可以就是否以及何时进行物理过程调整做出更好的决策。 此外,他们还可以查看预期效果与实际效果之间的关系,例如,了解计划外参数是否会影响性能和可靠性,然后根据这些新获取的know-how进行参数调整。

· 延长资产寿命

使用仿真模型,制造商将能够更好地减少紧急停机时间和其他不必要的“磨损”,以确保他们能够从资产中获得最佳性能并最大程度地利用资产。

· 更好的库存管理

过多的库存就是浪费,在精益思想里,避免浪费是核心价值。当可以更准确地预测需要完成什么维护以及何时完成维护时,制造商可以减少内部服务和备件库存水平,以更紧密地满足需求。 不再需要维护“以防万一”购买和存储的零件和备件的安全库存。

· 批量管理

无论是监视遍布全球的数百台客户机器,还是监视数家工厂中复制的多条生产线,数字孪生公司都将近实时地收集资产中的所有数据点。制造商可以建立基准和阈值,使数字双胞胎能够自动突出显示可能需要采取措施的异常情况。 同样,通过启用IoT的维护,可以更轻松地在一组相同的资产中复制机器和生产线的更新计划。

· 最大限度地减少保修索赔

通过准确了解最终用户如何使用设备,制造商可以评估保修索赔的有效性。

· 不断提供创新产品

通过了解产品在运行和高峰时段的行为方式,制造商可以优化产品开发以推动质量和创新。

结束语

总之,工业4.0离不开数字化孪生技术,工业互联网的出现是企业能够将数字双胞胎扩展到现场的机器和系统,企业有机会在整个制造企业和整个产品生命周期中实现全面维护以及优化功能。企业通过闭环数字化孪生的使用不仅可以提高盈利能力,而且在数字化时代可以建立竞争优势。




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