Разное

Цифровые двойники на этапах жизненного цикла продукта

По мере увеличения сложности оборудования стоимость жизненного цикла продукта значительно возрастает. PLM — это бизнес-деятельность по управлению продуктами на протяжении всего жизненного цикла, от самой первой идеи продукта до его вывода из эксплуатации и утилизации. Традиционные автоматизированные средства (например, CAD /CAE /CAM), мониторинг работоспособности конструкций, мониторинг состояния и производительности и другие технологии были применены к PLM. Располагая данными и поддержкой технологий цифровых двойников (DT — Digital Twin), можно моделировать процессы на протяжении всего жизненного цикла продукта, включая этапы проектирования, производства, эксплуатации и технического обслуживания, а также последующей переработки (либо утилизации). Потенциальные области применения DT на всех четырёх этапах жизненного цикла продукта весьма обширны, если не сказать всеобъемлющи.

Использование цифровых двойников на стадии проектирования и дизайна продукта

Использование цифровых двойников на стадии проектирования и дизайна продукта

Традиционный процесс разработки продукта учитывает профессиональные знания и опыт отдельных людей. В этом случае разработчики/дизайнеры должны проводить различные тесты, чтобы постоянно демонстрировать обоснованность и удобство использования именно такой компоновки/формы/дизайна на этапе проектирования. Кроме того, с учётом индивидуальных требований к проектированию необходимы более реалистичные виртуальные модели, отражающие реальный мир производственных линий. В связи с этими проблемами были разработаны некоторые новые подходы к проектированию продуктов, основанные на технологии использования цифровых двойников.

В 2019 году было предложено использовать для таких целей структуру DTPD (Digital Twin Product Design), которая включает пять частей: планирование и уточнение задач, концептуальный дизайн, дизайн воплощения, детальная проработка с итоговым рабочим проектом и виртуальная проверка. На этапе уточнения задачи потребности клиентов переводятся в функциональные требования с ограничениями дизайна, где DT служит «интерпретатором», облегчающим процесс «перевода». На этапе концептуального проектирования функциональные требования сопоставляются с проектными параметрами, принципами работы и физическими структурами. На этапе виртуальной проверки, управляемой поступающими физическими данными, виртуальная модель постепенно обновляется и оптимизируется. Чтобы гарантировать достоверность и удобство использования модели цифрового двойника для целей проектирования, предлагаются ключевые вспомогательные методы.

Например, в 2017 году был представлен подход к быстрому индивидуальному проектированию производственной линии, основанный на технологии DT и три ключевых вспомогательных метода, включая эталонные модели, распределённую интеграцию и многоцелевую оптимизацию между статическим проектированием и динамическим управлением.
Чуть позже китайские учёные предложили четыре ключевых метода проектирования автоматизированной производственной системы производственного цеха (AFMS) на основе DT, которые включают начальное, быстрое и индивидуальное проектирование на основе эталонных моделей, киберфизическую синхронизацию в реальном времени, распределённую полу-физическую интеграцию, многоцелевую оптимизацию динамического выполнения и двухуровневое программирование между статической конфигурацией и динамическим выполнением. Для этого применили технологию больших данных для разработки продуктов на основе цифровых двойников.

Пакет моделирования в виде коммерческого программного обеспечения PLM был выпущен для решения проблем проектирования водяных насосов. Технологии DT также были реализованы для контроля геометрии продукта на этапе проектирования.
Технологии DT также были внедрены в контроль геометрии изделия на этапе проектирования. Например, для рынка промышленного производства предлагается всеобъемлющая эталонная модель, основанная на концепции форм. Одним из вариантов её применения может быть управление геометрическими вариациями и для обеспечения точности геометрии в реальном времени при проектировании для производства/сборки изделий из листового металла.

Моделирование производства

  • Точно так же система цифровых двойников для моделирования структуры и организации производства состоит из четырёх ключевых компонентов:
  • физический цех (PS);
  • виртуальный цех (VS);
  • система сервисного обслуживания цеха (SSS);
  • система хранения обработки данных цифрового двойника цеха ( SDTD).

Физический цех (PS — physical shop-floor) состоит из всех элементов, которые требуются для производства, то есть человека, машин, сырья и готового продукта. Внедрение датчиков необходимо для сбора данных и интерфейсов коммуникаций по различным определённым протоколам, которые необходимы для передачи данных и получения команд от верхнего уровня управления.

Виртуальный цех (VS — virtual shop-floor) формирует геометрическую модель и компоновку оборудования, физику производственных процессов, модели поведения и правила по которым будет действовать производство.
Сервисная система обслуживания (SSS — shop-floor service system) инкапсулирует различные данные, функции и алгоритмы для удовлетворения различных требований от PS и VS, обеспечение всех коммуникационных процессов между физическим цехом и виртуальной моделью, таких как планирование и мониторинг производства, калибровка и проверка моделей и т.д.
Система хранения и обработки данных цифрового двойника (SDTD — shop-floor DT data) собирает, объединяет, хранит и анализирует данные, полученные от PS, VS и SSS.

Общая платформа цифровых двойников разделена на отдельные классы, которые позволяют моделировать основные компоненты, такие как физическая топология, машинные ресурсы, машинные и системные процессы, а экземпляры цифрового двойника этих классов объединяются посредством координирования управляющим системы цифрового двойника.

В наше время внедрены уже более усовершенствованные варианты производственных киберфизических систем (MCPS — manufacturing cyber-physical system), для параллельного управления интеллектуальным цехом, которая состоит из четырёх частей: производственный цех, производственное исполнение, онлайн-параллельный контроль и децентрализованная самоорганизация.

В процессе производства будут генерироваться многочисленные данные. Сбор, объединение и передача этих информационных потоков является важной частью построения цифрового двойника. Данные, собранные в физическом производственном цехе, делятся на три категории: данные восприятия в режиме реального времени, информация о производственном процессе и данные плана производственной деятельности. При этом проводится непрерывный мультимодальный сбор всей возможной полезной информации от датчиков. Сенсорное отслеживание и машинное зрение внедряются для сбора данных на все ответственные участки производства. Собранные данные необходимо объединить и интегрировать, а затем загрузить в базу данных через сеть.

Что касается интерфейсов и приложений для управления, то уже давно разработаны мобильные системы управления производством (MES) на базе ОС iOS и Android, а вся информация, посредством передачи из приложения, отправляется в облачные базы данных, где они объединяются с данными, собранными с производственного оборудования, соединённого с сетью (MT Connect). БД может использовать для хранения файловый формат Hierarchical Data Format (HDF) различных версий (последняя на данный момент времени используется пятая версия HDF5), который обеспечивает гибкую структуру для хранения большого объёма самых различных данных.

Далее специалист, используя модель цифрового двойника и полученные данные в реальном времени с реального производства может управлять производством, прогнозировать наиболее производительную логистику процессов и т.п. Можно использовать аналитическую модель и модель конечных элементов и для прогнозирования дефектов продукта. Однако, в случае возникновения критических дефектов, конечно-элементная модель потребует значительного времени для получения результата моделирования, в котором дефекты будут исключены/нивелированы.
Что касается принципов управления производством и контроля, то была предложена, а потом внедрена идея двухуровневого интеллекта между локальной децентрализованной самоорганизацией и целостным параллельным онлайн-контролем.

Глобализация ставит перед производителями новые задачи: непредсказуемые изменения рынка, быстро меняющиеся требования и частое внедрение новых продуктов. В связи с этим было предложено требование быстрого реагирования на эти изменения. Реконфигурируемость — это способность, которая позволяет производственным системам добавлять, удалять и переставлять компоненты в соответствии с быстрыми изменениями на рынке. Стратегия реконфигурации основана на дереве зависимостей. Учёные-разработчики применили программное обеспечение Tecnomatix Process Simulate для распределения задач между человеком и роботом, конфигурации макета рабочей станции, анализа эргономики человека в виртуальной среде и автоматического программирования роботов.

В другом случае была предложена реконфигурируемая производственная система на основе цифровых двойников (RDTMS) и реконфигурируемые стратегии для различных уровней производственной системы — от уровня оборудования до уровня обслуживания. Например, интерактивное приложение для управления производством посредством цифровых двойников от Dassault Systems предлагает несколько ролей, которые могут помочь в проектировании цеха в виртуальной среде. В нём существуют уже предустановленные роли «дизайнер цеха», «инженер по оборудованию цеха» и «инженер по моделированию оборудования цеха», которые помогают в планировании производственного цеха и моделировании производственного процесса.

Статьи по Теме

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Кнопка «Наверх»