Od pomysłu do realizacji: Jak cyfrowe bliźniaki wpływają na cały cykl życia produktu

Jeśli kiedykolwiek zastanawiałeś się, jak science-fiction przewidziało przyszłość inżynierii, na myśl może przyjść "holodek" ze Star Treka – wirtualny, zreplikowany świat, w którym można przetestować dowolny scenariusz przed jego urzeczywistnieniem. Brzmi znajomo? Oto cyfrowe bliźniaki.

Podobnie jak holodek, cyfrowe bliźniaki są wirtualną repliką świata fizycznego, umożliwiając branżom przewidywanie i optymalizację procesów na podstawie bieżących danych. W sektorze produkcyjnym cyfrowe bliźniaki w czasie rzeczywistym tworzą cyfrowy profil linii produkcyjnych, zasobów i procesów. Producenci mogą analizować wydajność, przewidywać awarie oraz udoskonalać przepływy pracy jeszcze przed wprowadzeniem fizycznych zmian.

Cyfrowe bliźniaki nie są jednak nowym zjawiskiem – ani w filmach, ani w rzeczywistości. Boom na cyfryzację w ostatnich latach sprawił, że stały się znacznie bardziej dostępne. Przewiduje się, że globalny rynek cyfrowych bliźniaków wzrośnie z 10,1 mld USD w 2023 r. do 110,1 mld USD w 2028 r., przy średniorocznej stopie wzrostu wynoszącej 61,3%. Producenci coraz częściej wykorzystują tę technologię na wielu etapach cyklu życia produktu.

Transformacja rozwoju produktów dzięki cyfrowym bliźniakom
Zdolność do opracowywania i wprowadzania na rynek nowych produktów jest często kluczowa dla przetrwania firmy. McKinsey szacuje, że w nadchodzących latach około 30 bilionów dolarów przychodów przedsiębiorstw będzie zależeć od produktów, które jeszcze nie istnieją. Oczekiwania klientów w zakresie jakości, innowacyjności i zrównoważonego rozwoju nieustannie rosną, co zmusza firmy do szukania sposobów na obniżenie kosztów i przyspieszenie cykli projektowania.

Badania McKinsey wskazują, że wykorzystanie cyfrowych bliźniaków może skrócić całkowity czas opracowywania produktu o 20–50% i znacząco obniżyć koszty związane z fizycznym prototypowaniem. Doskonałym przykładem jest koncern motoryzacyjny Renault.

Podobnie jak inżynierowie ze Star Treka dopracowywali Enterprise w symulowanym środowisku, Renault tworzy kompletne cyfrowe bliźniaki 3D swoich pojazdów. Dzięki temu projektanci mogą optymalizować aerodynamikę, ergonomię i kompatybilność systemów, zanim powstanie choćby jedna fizyczna część. Optymalizacja na etapie cyfrowym skraca czas projektowania i przyspiesza proces powstawania pierwszych prototypów.

Cyfrowe rozwiązania dla procesów produkcyjnych
Cyfrowe bliźniaki oferują również ogromne korzyści dla procesów produkcyjnych. Symulując różne scenariusze i stale integrując dane w czasie rzeczywistym, umożliwiają operatorom podejmowanie świadomych decyzji w celu usprawnienia produkcji.

Przykładem jest fabryka LG Electronics w Changwon (Korea Południowa), która wdrożyła cyfrowego bliźniaka do symulacji wizualnej linii montażowej w czasie rzeczywistym. W efekcie wydajność operacyjna wzrosła o 17%, jakość produktów poprawiła się o 70%, a zużycie energii spadło o 30%.

Podobne podejście przyjęło BMW w ramach projektu BMW iFACTORY. Firma zeskanowała swoje zakłady produkcyjne w 3D, tworząc cyfrowe bliźniaki dostępne wirtualnie w czasie rzeczywistym, niezależnie od lokalizacji czy strefy czasowej. To rozwiązanie pozwala użytkownikom przechodzić przez linie produkcyjne, uwzględniając zarówno maszyny, jak i pracowników, oraz szybko integrować nowe pojazdy z istniejącymi systemami. Dzięki temu BMW może efektywnie wykrywać obszary wymagające poprawy w łańcuchu produkcyjnym, oszczędzając czas i zasoby.

Stałe gromadzenie danych umożliwia operatorom bieżący wgląd w stan systemów, pozwalając na szybką identyfikację potencjalnych problemów i podjęcie działań naprawczych.

Integracja systemu wirtualnego uruchamiania z procesami operacyjnymi i obsługą techniczną
Wirtualne uruchomienie to kluczowe zastosowanie cyfrowych bliźniaków w operacjach. Pozwala ono producentom testować i optymalizować systemy automatyki w środowisku wirtualnym, jeszcze przed fizyczną instalacją. Dzięki symulacji rzeczywistych warunków można upewnić się, że wszystkie komponenty, takie jak sterowniki PLC, roboty i interfejsy HMI, współpracują bez zakłóceń. Minimalizuje to przestoje, zmniejsza ryzyko i zapewnia pełną funkcjonalność systemu po wdrożeniu.

W firmie IDM-Systems Zrt., należącej do COPA-DATA Partner Community (Silver Partner), tę koncepcję rozwinięto w kompleksowy system oparty na dwóch kluczowych komponentach:

1. Digital Asset Twin: okresowo (na żądanie) uruchamiany, funkcjonalnie zweryfikowany model 3D, który zawiera wirtualne urządzenia peryferyjne, takie jak HMI, PLC i programy robotów potrzebne do działania. Model ten umożliwia wykonywanie rzeczywistych programów PLC, robotów i HMI, dzięki czemu idealnie nadaje się do wirtualnego uruchamiania (testowania i optymalizacji programów PLC), a także do celów szkoleniowych.
2. Operational Twin: Stale działający, oparty na danych logiczny bliźniak, który pozostaje zsynchronizowany z rzeczywistym systemem. Utrzymuje połączenie danych w czasie rzeczywistym ze środowiskiem fizycznym i zawiera moduły takie jak Predictor, Energy Optimizer i Correlation Explorer, aby wydobyć cenne informacje z danych operacyjnych.

Oba modele płynnie integrują się za pomocą wspólnej struktury i interfejsów, umożliwiając wymianę danych w czasie rzeczywistym z systemami SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) i MES (Manufacturing Execution System). Oparty na oprogramowaniu zenon system SCADA dodatkowo zwiększa wydajność, ułatwia szkolenie operatorów i poprawia ogólną efektywność produkcji.

Inteligentniejsze fabryki, mniejszy ślad węglowy
Podczas gdy produktywność i wydajność to oczywiste korzyści, cyfrowe bliźniaki odgrywają kluczową rolę w zwiększaniu zrównoważonego rozwoju w produkcji, zapewniając wgląd w czasie rzeczywistym w zużycie energii, wytwarzanie odpadów i zużycie materiałów. Analizując te dane, producenci mogą zidentyfikować obszary, w których można zmniejszyć zużycie energii i zasobów, ostatecznie zmniejszając swój wpływ na środowisko.

W Star Trek załoga Enterprise nie podejmowała decyzji na podstawie domysłów. Korzystali z symulacji, danych w czasie rzeczywistym i technologii predykcyjnej. Obecnie cyfrowe bliźniaki wnoszą ten sam poziom przewidywania do przemysłu. Wykorzystując dane w czasie rzeczywistym i narzędzia cyfrowe, takie jak zenon Software Platform firmy COPA-DATA, firmy mogą optymalizować rozwój na każdym etapie cyklu życia produktu.

Autor: Reinfried Kößlbacher
COPA-DATA Polska Sp. z o.o.
sales.pl@copadata.com
+48 12 290 10 54