עיקרון ה-Digital Twin וכיצד הוא עובד

מימוש תרבות ה-Digital Twin, שכוללת תוכנת ניהול מחזור-חיי-מוצר וירטואלי ושל העולם-האמיתי, מקצר משמעותית זמן מחזור תכנון, בדיקה, ומשפר תפוקות. שיפורי ייצור אלה מתרחשים יחד עם הפחתה סבירה בתחזוקה ועלויות מוצר.

נשמע מפתה? במשך השנים האחרונות, עסקים ראו את האינטרנט-של-דברים התעשייתי (IIoT‏) Industry 4.0 עובר ל-Digital Twins. אסטרטגיה זו, ביחד עם פתרונות Siemens, מושכת את איי המצוינות המרובים העוקבים והמסורתיים של המאה ה-20 אל תוך יישומים מלוכדים התחלה-עד-סיום של תחזוקה חזויה, תכנון ומיטוב תהליכים, תכנון מוצר ובניית אב-טיפוס וירטואלי.

עם יתרונות אלה, פרויקטים של Digital Twin לוכדים את תשומת הלב של אלה השואפים למעשה לאפס כשלונות והאצה מתמשכת של מצוינות תהליך. הלב של Digital Twin הוא השילוב של גשר זמן-אמת בין העולם האמיתי והדיגיטלי.

מה זה Digital Twin?

‏עיקרון ה-Digital Twin יוצר מודל וירטואלי מקביל-במדויק מורכב ביותר של פריט פיזיקלי מראשיתו ועד סוף חיי המוצר. ה'פריט' יכול להיות הדור הבא של ייצור או מוצר, עם תכנון התחלתי, תכנון מפורט, בניה, תמיכה וסגירת חיי פריט כחמשת שלבי ההתפתחות העיקריים. תהליך ה-Digital Twin מחבר את כל האופרציה על ידי לכידת נתונים כדי לחזות מגמות עתידיות עם תוכנת סימולציה (איור 1‏).

איור 1‏: רצפת ייצור יעילה זו משתמשת בטכנולוגיית Digital Twin כדי לחבר את כל הפעולות מההתחלה עד הסוף. (מקור תמונה: Analog Devices)

באיור 1‏, מנטרי התהליך משתמשים בנתונים כדי לחזות את משמעות הפריט הסופי עבור המשתמש הסופי. Digital Twin ממנף את המימוש של שלבים אלה עם כוח האדם של החברה כיתרון התחרותי החשוב ביותר שלה. גרסת ה-Digital Twin של Industry 4.0‏ מבטיחה להקל על יצרנים ליצר מוצרים מתאימים בשוק תוך כדי משיכה ושמירה על הכישרון ההנדסי החדש הנמצא בדור ה-Z הנכנס.

כיצד עובד Digital Twin?

חיישנים מחוברים על הנכס הפיזי אוספים נתונים הממופים לדגם הוירטואלי. כל אחד שמסתכל על ה-Digital Twin רואה מידע חיוני אודות התכנון, היצירה והיישום בעולם-האמיתי של הפריט הפיזי. באופן זה, Digital Twin עוזר להבין את ההווה ולחזות את העתיד. בחזית הקדמית, סימולציית תהליך קובעת את תוצרת ה-Digital Twin (איור 2‏).

איור 2‏: Digital Twins עוזרים להבין את ההווה ולחזות את העתיד. (מקור תמונה: Siemens‏)

בשלב השני (איור 2‏), אוטומציית התהליך ואיכות התהליך תומכות בנתוני הביצוע במשך הפקת ה-Digital Twin. בנקודה זו, חשוב לשים לב שסימולציה ואיסוף נתונים ממשיכים להתרחש. הייצור של המוצר האמיתי קורה בשלב האחרון, למרות שסימולציות קודמות חוזות את המאפיינים של המוצר האמיתי מראש.

אחד החלקים המשמעותיים ביותר של המחויבות האישית והטכנית של ה-Digital Twin הוא הסרת החומות (הווירטואליות והאמיתיות) שיוצרות מחלקות העובדות במנותק מהשאר. לדוגמה, פרטי תכנון של מוצר Industry 3.0, למעשה, בלתי נגישים מחוץ לחומות ההנדסה. קשה לצוותי הייצור, הרכש, המכירות והשירות לבצע את תפקידם ביעילות ולתת משוב לקבוצות האחרות כדי לשפר את המוצר ואת התהליך. לדוגמה, טכנאי רצפת הייצור אינם יודעים כיצד על התוצאה להיראות בגמר ההרכבה. צוותי השירות מעלעלים בעמודי PDF וירטואליים כדי לנסות להבין כיצד לתת שירות לחלק שאף פעם לא ראו. צוותי מכירות מוכרים אפשרויות מאפיינים ומנהלי שרשרת אספקה יודעים רק מק"טים. זה לא רק מאתגר לכל חבר צוות לעשות את עבודתו, אלא המשמעות היא שמהנדסים אינם מקבלים אינפורמציה קריטית לשיפור התכן שלהם. אם חברות יכולות להנגיש יותר תכנים, חדשנות תקרה מוקדם יותר וצוות העובדים יהיה מחויב יותר בתהליך.

בניית Digital Twin

טכנולוגיית Digital Twin מספקת שקיפות חסרת-תקדים במוצרים ונכסים כדי למצוא צווארי בקבוק, ליעל תפעול ולחדש פיתוח מוצרים. שלושת ה-Digital Twins הראשיים הם תחזוקה חזויה, תכנון ומיטוב תהליכים ותכנון מוצר ובניית אב-טיפוס וירטואלי.

תחזוקה חזויה

חברות מוצאות מידית אנומליות תפעול וסטיות מבחינת בריאות הציוד וביצועים.   תחזוקה מתוכננת באופן יזום וחידוש מלאי של חלקי חילוף מקטינים למינימום זמן שירות ומונעים תקלות משאב יקרות. תחזוקה חזויה של Digital Twins מספקת תזרימי הכנסה חדשים מבוססי-שירות, תוך סיוע בשיפור אמינות מוצר עבור יצרני OEM.

תכנון ומיטוב תהליכים

ניתוח מקיף של מדדי ביצוע מרכזיים (KPIs), כגון תעריפי מוצרים וספירות נפולת, בא מעקבות דיגיטליים (digital footprint) עם חיישן ונתוני Enterprise Resource Planning‏ (ERP). תהליך זה מאבחן את שורש הסיבה לחוסר יעילות והפסדי תפוקה, ואבחון זה יכול למטב תפוקות ולהקטין בזבוז. נוסף לכך, נתונים היסטוריים של ציוד, תהליכים וסביבות משפרים תזמון ייצור על ידי אפשור חיזוי זמני השבתה.

תכנון מוצר ובניית אב-טיפוס וירטואלי

דגמי מוצר וירטואליים מספקים תובנות בדפוסי שימוש, נקודות דגרדציה , קיבולת עומס עבודה, פגמים נגרמים וכו'. הבנת מאפייני מוצר וצורות תקלה מאפשרים למתכננים ומפתחים להעריך שימושיות מוצר ולשפר תכנון רכיבים עתידי. באופן דומה, יצרני OEM יכולים לספק הצעות מותאמות-במיוחד עבור קבוצות שונות של לקוחות על בסיס התנהגויות משתמש מסוים והקשרי יישום מוצר. נוסף לכך, טכנולוגיית Digital Twin מסייעת בפיתוח אבות-טיפוס וירטואליים ובהרצת זרזים איתנים עבור בדיקת תכונות בהתבסס על נתונים אמפיריים.

מקרי שימוש של העולם-האמיתי

בעולם האמיתי, קריטי שתהיה היכולת לבדוק מוצרים, תהליכים או מתקנים לפני הכנסתם לשימוש בקו הייצור. Digital Twins משיגים מטרה זו. ברחבי העולם, חברות משתמשות ב-Digital Twins כדי לשפר תהליכים, שרשראות אספקה, ניהול מתקנים ועוד. להלן דוגמאות כיצד טכנולוגיית Digital Twin משנה מגוון תעשיות שונות.

מארזי משלוח חכמים יותר עם SIMATIC של Siemens‏

טכנולוגיית SIMATIC של Siemens‏ היא בלב של פתרונות רבים במכונות חדשניות לייצור מארזים. פרויקטים אלה מראים כיצד ה-SIMATIC T-CPU‏ (CPU עבור טכנולוגיה סכמתית) מסייע למכונות להשיג תהליכים פשוטים וקצרים יותר וביצועים אופטימליים מכל בחינה.

חברת TMG מייצרת מכונות לייצור מארזים עבור אריזת מזון ומשקאות, קוסמטיקה וכימיקלים (איור 3‏).

איור 3‏: מכונה לייצור מארזים של TMG. (מקור תמונה: Siemens‏)

במערכת שלהן, שבע הנעות ה-SINAMICS S120 והחלפת פורמט לוקחות זמן מועט מאוד. רשת PROFINET של Siemens‏ משלבת את ה-SIMATIC S7-1500TF CPU, לוחות נוחות, הנעות S120 ו-G120 לפיתוח אוטומציה, בקרת תנועה ובטיחות בסביבת פורטל יחיד של Total Integrated Automation‏ (TIA). הודות לפתרון משולב ורב-תכליתי עם SIMATIC S7-1500TF וטכנולוגיות הנעה SINAMICS, מכונת ה-TMG מקבלת ציון גבוה ביעילות תצורה, ביצועים עיליים ופשטות המרה לפורמט חדש.

בינה מלאכותית פוגשת בקרת תנועה (147)

מערכות טיפול של Wittmann Battenfeld אוחזות ומכניסות חלקים עבור מכונות יציקת הזרקה ואחר כך מכניסות אותם שוב במכונה אחרת. הציוד מניע ומסובב בחופשיות את האובייקט המתאים כדי לתת למערכת המטפלת חמישה צירים - שלושה עבור תנועה בחלל ושניים נוספים כדי לסובב את האובייקטים המוכנסים בכל כיוון. המערכות המטפלות מגדילות פרודוקטיביות על ידי השלמת משימה מורכבת זו בזמני מחזור מהירים, בכך מאפשרות לתהליך להיות גמיש ככל האפשר. SIMATIC, הפתרון של Siemens‏ לאוטומציה, מספק מיפוי של כל הפונקציות בבקר אחד - בקרת תנועה, זיהוי תמונה ואוטומציה. Wittmann Battenfeld מממשת פונקציה זו בעזרת ה-Handling Standard Application מבית Siemens‏, שתומך במשימות בקרת תנועה הנדסיות ומודולים של ויזואליזציה. החבילה כוללת גם ‏פונקציית עקיבה, שבעזרתה מפתחי Wittmann Battenfeld עוקבים אחר תנועת המאחז עם מודל 3D.

איור 4: בקר ה-SIMATIC נותן פקודות למאחז האוחז בחלקים המוכנסים על השולחן הרוטט. מודול ה-AI מעבד את נתוני המצלמה. (מקור תמונה: Siemens‏)

שיקולים קריטיים עבור פריסת Digital Twins

Digital Twin‏ הוא פרדיגמה חדשה ממודל הייצור של המאה ה-20. כספים משפיעים על פניית המפעל למודל ה-Digital Twin. עם זאת, יש החזר על ההשקעה ב-Digital Twin, עם האמינות המוגדלת של הציוד ושל קו הייצור. טכנולוגיית ה-Digital Twin משפרת יעילות ציוד כוללת (OEE) על ידי קיצור זמן הדממה ופרודוקטיביות וביצועים משופרים. החיבור של מודלים וירטואליים למציאות מפחית סיכון במגוון תחומים, כולל זמינות מוצרים ומוניטין בשוק.

ה-Digital Twin‏ הוא ייצוג וירטואלי של המוצר הפיזי כפי שתוכנן, כפי שנבנה וכפי שמתוחזק בייצור. הייצוג הווירטואלי משקף נתוני תהליך בזמן-אמת וניתוח מתמטי המבוססים על המוצר הפיזי, מערכות הייצור או תצורות הציוד. יתרון נוסף הוא שה-Digital Twin מאפשר למהנדסים לבדוק עקרונות והשערות לפני יישומן על מכונה פיזיקלית.

Digital Twin והחיקוי הדיגיטלי של Siemens הם חלק מהמהפכה של אוטומציה תעשייתית. כיצד השפיע Digital Twin על התעשיה? חיקוי דיגיטלי זה משפיע ללא הרף על משאבים פיזיקליים, תפעול ומסגרות המיצרים נתונים. Digital Twin הוא בליבת הפיתוח של Industry 4.0, שכורך אוטומציה, חילופי נתונים ותהליכי ייצור, תוך יצירת אינסוף הזדמנויות לתעשיות לצמוח.

מקורות:

1. Video Insights: Pioneering Digital Twins, ‏6 לאוקטובר 2021, שיחה עם דר' מיכאל גריבס, ממציא עיקרון ה-‏Digital Twin.
2. TMG: more performance, less time video,‏ Siemens.
3. Artificial Intelligence meets motion control: Taking technology a step further,‏ Siemens.