Полная версия

Главная arrow Информатика arrow Интегрированные автоматизированные системы управления химическими производствами и предприятиями

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Цифровые двойники и цифровые фабрики

На стадии управления жизненным циклом продукции (Product Lifecycle Management, PLM) создаются так называемые цифровые двойники (Digital Twin) и цифровые фабрики.

Можно дать несколько определений понятия «цифровые двойники»:

  • — цифровой двойник — это цифровое представление реального объекта или системы;
  • — цифровой двойник — виртуальная интерактивная копия реального физического объекта или процесса, которая помогает эффективно управлять им, оптимизируя технологические и бизнес-процессы. Цифровой двойник позволяет моделировать работу оборудования, технологические и производственные процессы, а также нештатные ситуации;
  • — цифровой двойник — программный аналог физического устройства, моделирующий внутренние процессы, технические характеристики и поведение реального объекта в условиях воздействия помех и окружающей среды.

Важной особенностью цифрового двойника является то, что для задания на него входных воздействий используется информация с датчиков реального устройства, работающего параллельно. Работа возможна как в онлайн-, так и в офлайн-режиме. Далее возможно проведение сравнения информации виртуальных датчиков цифрового двойника с датчиками реального устройства, выявление аномалий и причин их возникновения.

Установка датчиков на реальное устройство осуществляется в процессе внедрения на предприятии технологий промышленного интернета вещей (НоТ).

Без создания цифровых двойников выпускаемых изделий невозможно внедрение современной технологии PLM (Product Lifecycle Management, управление жизненным циклом изделия). ПоТ и PLM — неотъемлемые атрибуты «умной фабрики» (Smart Factory). Ее характерная особенность — формирование и использование цифровой модели материальных потоков, т. е. цифрового двойника уже не отдельного изделия, а производственной системы.

Цифровой двойник изделия и технологического оборудования включает:

  • — геометрическую и структурную модель объекта;
  • — набор расчетных данных деталей, узлов и технологического оборудования в целом;
  • — математические модели, описывающие все происходящие в технологическом оборудовании физико-химические процессы;
  • 1 По материалам www.it.ua/ru.

— информацию о технологических процессах изготовления и сборки отдельных элементов и технологического оборудования в целом.

Цифровой двойник применяется на всех стадиях жизненного цикла изделия, включая проектирование, производство, эксплуатацию и утилизацию.

На этапе эскизного проектирования создаются варианты компьютерной модели разрабатываемого изделия для оценки и выбора возможных технических решений.

На этапе технического проектирования выбранный на предыдущем этапе вариант дорабатывается и уточняется с использованием моделей элементов. Полученная в результате модель изделия позволяет учесть и оптимизировать взаимодействие всех элементов с учетом режимов работы и воздействий окружающей среды, ее уже можно называть цифровым двойником разрабатываемого изделия.

На этапе изготовления разработанная модель помогает определить требуемые допуски при изготовлении для достижения требуемых характеристик и обеспечения безотказной работы изделия в течение всего срока службы, а также позволяет быстро выявлять причины неисправностей в процессе тестирования.

На этапе эксплуатации модель цифрового двойника может быть доработана и использована для реализации обратной связи с целью внесения корректив в разработку и изготовление изделий, диагностику и прогнозирование неисправностей, повышение эффективности работы, для выявления новых запросов потребителей.

Классификация цифровых двойников изделия

Цифровые двойники-прототипы (Digital Twin Prototype, DTP). DTP-двойник содержит информацию, необходимую для описания и создания физических версий экземпляров изделия. Эта информация включает геометрическую и структурную модели, технические требования и условия; стоимостную модель, расчетную (проектную) и технологическую модели изделия. DTP-двойник можно считать условно-постоянной виртуальной моделью изделия.

Цифровые двойники-экземпляры (Digital Twin Instance, DTI). DTI- двойники изделия описывают конкретный физический экземпляр изделия, с которым двойник остается связанным на протяжении всего срока службы. Двойники этого типа создаются на базе DTP- двойника и дополнительно содержат производственную и эксплуатационную модели, которые включают историю изготовления изделия, применяемость материалов и комплектующих, а также статистику отказов, ремонтов, замены узлов и агрегатов и др. Таким образом, DTI-двойник изделия подвергается изменениям в соответствии с изменениями физического экземпляра при его эксплуатации.

Агрегированные двойники (Digital Twin Aggregate, DTA). DTA- двойники изделия определяются как информационная система управления физическими экземплярами семейства изделий, которая имеет доступ ко всем их цифровым двойникам.

Классификация двойников производственной системы:

  • — цифровой двойник изделия или технологического оборудования в производственном процессе;
  • — цифровой двойник всего технологического оборудования;
  • — цифровой двойник всего производства.

Цифровой двойник производственных процессов включает в себя:

  • — инжиниринговую модель производственных процессов, содержащую цифровое описание ресурсов предприятия, структуру производственных активов, средства технологического оснащения, номенклатуру и технологии изготовления продукции, систему сбора информации о текущем состоянии оборудования;
  • — эксплуатационную модель производственных процессов, являющуюся цифровой платформой для описания логистической структуры предприятия, формирования планов-графиков изготовления изделий, межцеховой и внешней кооперации, включая регламенты технического обслуживания и ремонта оборудования. Математическому описанию также подлежит динамика внутрицеховых материальных потоков, на основе цифровизации которых формируются оптимальные производственные расписания выполняемых работ.

Наиболее сложной для практической реализации является эксплуатационная модель цифрового двойника производственного процесса, на которую, в частности, возлагаются следующие функции:

  • — проводить необходимые расчеты для принятия управленческих решений;
  • — отображать в режиме реального времени производственные процессы, протекающие в производственной системе;
  • — проводить различные эксперименты «что, если» путем математического моделирования производственных процессов.

Еще одной важной задачей эксплуатационной модели цифрового двойника производственной системы является минимизация возможных отказов технологического оборудования за счет своевременного проведения технического обслуживания и ремонта (ТОиР). Одним из передовых видов ТО является предиктивное обслуживание (PdM). Оно позволяет производить ремонт не по заранее составленному плану, а когда в нем возникает необходимость.

Подразумевается не устранение, а предупреждение отказов оборудования путем интерактивной оценки его технического состояния по совокупности данных, поступающих с датчиков, и определения оптимальных сроков проведения ремонтных работ. Цифровой двойник может служить одним из инструментов предиктивного обслуживания, который позволяет промоделировать различные варианты полных и частичных отказов, работу устройств с учетом режимов их эксплуатации, воздействий окружающей среды и различной степени износа деталей. Цифровые двойники позволяют ремонтным бригадам быть хорошо информированными и прибывать на место работы уже со всеми необходимыми запасными частями, инструментами и инструкциями, необходимыми для технического обслуживания.

На уровне эксплуатационной модели цифрового двойника производственного процесса функции ТОиР учитываются как дополнительные операции, оптимизируемые в оперативном плане производства так, чтобы они минимально влияли на скорость прохождения обрабатываемых изделий через производственные активы предприятия. Эту задачу принимают на себя MES-системы.

Важно, чтобы цифровой двойник производственного процесса поддерживался в актуальном состоянии через реализацию непосредственной связи с производственными активами, с учетом текущего состояния изготавливаемых изделий. Для решения этой задачи используются технологии НоТ. С их помощью обеспечивается связь сенсоров, датчиков и другой аппаратуры сбора данных с существующими системами управления производством и с эксплуатационной моделью цифрового двойника производственного процесса.

Таким образом, цифровой двойник — фундаментальное понятие «умной фабрики», которое следует связывать как с самим изделием (в этом случае применяется термин «цифровой двойник изделия»), так и с процессом изготовления изделий — в этом случае следует использовать термин «цифровой двойник производственной системы». Используемые совместно на каждом этапе жизненного цикла изделия, эти цифровые двойники должны быть функционально связаны между собой и обеспечивать эксплуатационные характеристики проектируемого и изготавливаемого изделия в соответствии с его назначением.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>