Применение цифрового двойника на примере производства напитков

С чего начинается создание любого продукта?

Создание любого продукта начинается с понимания необходимости в этом продукте. Это понимание приходит разными путями: иногда это озарение, иногда планомерная работа маркетинга, иногда требование времени или ситуации. Каждый в комментариях может добавить свое видение этого процесса.

И вот понимание необходимости продукта наступило, в рамках нашего примера, это настоятельная потребность в новом безалкогольном напитке "Полезный".

Конечно мы вспоминаем о жизненном цикле продукта и управлении этим жизненным циклом.

Этапы жизненного цикла

Сразу всплывают в памяти CALS (Continuous Acquisition and Life cycle Support) или непрерывная (информационная) поддержка поставок и жизненного цикла изделия, между прочим, модная тема 90-х годов. Собственно CALS - есть источник возникновения цифровых двойников.

Комплексный подход к автоматизации и цифровизации всех этапов жизненного цикла

Предприятия у нас ещё нет, и нам нужно его построить, чтобы построить предприятие, его нужно спроектировать, спроектировать его необходимо под технологию, а технологию разработать для конкретного продукта, который тоже нужно разработать.

И вот здесь нам приходят на помощь цифровые двойники для каждого этапа жизненного цикла. Важный момент, у нас ещё нет предприятия, но мы можем создать его цифровой двойник, кстати это дешевле, точнее намного дешевле, чем делать "пробник" завода.

Этап 1. Разработка продукта - создание цифрового двойника продукта

Формирование формулы продукта

На этом этапе происходит создание цифрового двойника продукта. Даже для такого простого продукта как напиток "Полезный" существует точный процесс приготовления. Это гарантирует, что необходимые ингредиенты будут смешаны в правильной пропорции и концентрациях– такие как вода, сахар, экстракты трав – смешиваются в нужных концентрациях. Создать такой цифровой двойник вполне возможно с SIMATIC IT R&D Suite, который поддерживает процесс разработки, принимая во внимание различные правила на различных рынках, таких как Россия, Европа, США, азиатские страны. Мы определяем рецептуру напитка на основе ингредиентов, которые уже были одобрены, моделируем его и оптимизируем в соответствии с требуемыми свойствами, такими как, например, количество калорий.

Этот процесс формирования продукта приводит к определению рецепта и соответствующей таблицы питания. Собственно это и будет цифровым двойником напитка, который является основной частью нашего продукта.

Что нам даёт цифровой двойник продукта на этом этапе:

• Управление технические характеристики продукта в структурированном виде
• Гармонизация данных при работе с лабораториями, исследователями, законодательными ограничениями и правилами.
• Определение и оптимизация количества поставщиков для каждого ингредиента
• Ну и как же без этого - снижение затрат.
• Дальнейшая поддержка продукта в рамках возможных изменений, например, вкуса напитка.

Разработка упаковки в виртуальной среде

Здесь уже проще - создаём дизайн упаковки в виртуальное среде, например, с помощью SIEMENS NX и получаем цифровой двойник упаковки, который содержит данные о компонентах и материале из которых он будет изготавливаться, физических свойствах, формы и размеров деталей и их 3D модели.

Моделирование физических свойств и цифровые испытания

На этом этапе мы делаем моделирование стресс-теста цифрового двойника, например, с помощью такого известного продукта как SIMCENTER, чтобы найти наилучший компромисс между надежным, привлекательным и экономичным дизайном упаковки. С помощью моделирования мы можем, например, гарантировать, что молоко не будет выливаться каждый раз, когда вы берёте открытую бутылку.

Результат - цифровой двойник продукта

Этап 2. Планирование производства

Получив цифровой двойник продукта можно перейти к разработке цифрового двойника процесса производства или технологии.

Проектирование и утверждение процесса производства

Можно полностью разработать весь процесс производства также в виртуальном мире. Это позволит получить цифровой двойник процесса производства.
Это вполне можно сделать с помощью программного продукта COMOS. Мы планируем и проверяем свой производственный процесс. Начиная с определения технологической схемы процесса, создание схемы трубопроводов и контрольно-измерительных приборов.

Разработка производственной линии

На основе цифрового двойника процесса производства можно построить цифровой двойник производственной линии.
С помощью Tecnomatix Line Designer мы проектируем и при необходимости визуализируем компоновку производственных линий. Это будет цифровой двойник производственной линии, который поможет нам ещё до строительства реального завода оптимизировать весь процесс, на каждом шаге производства, вплоть до управления каждым устройством линии. При этом вы используете цифровые двойники компонентов и агрегатов линии от поставщиков и производителей оборудования.

Моделирование и оптимизация производственного процесса

Важный момент оптимизация материальных потоков и ресурсов на нашем предприятии. При наличии цифрового двойника процесса производства и и производственной линии можно, например, с помощью Tecnomatix Plant Simulation, оптимизировать потоки материала и пропускной способности, обнаружить узкие места и оптимизировать энергопотребления будущего завода.

Прогулка оператора по производству в виртуальной реальности

Если у нас есть цифровой двойник производства, можно сделать виртуальную прогулку по этому производству, эта же виртуальная симуляция производства, очень хорошо подходит для обучения будущего персонала и проверки комфортности рабочей среды.

Этап 3. Детальное проектирования производства

Автоматическое создание программы ПЛК в TIA Portal

На основе имеющихся цифровых двойников (оборудования, электрических схем и и процесса производства), полученных на предыдущих этапах, можно создать в автоматическом режиме управляющую программу ПЛК производства.

Виртуальный ввод в эксплуатацию

Общий результат комплексно проверяется с помощью виртуального ввода в эксплуатацию в процессе моделирования завода, например, в Tecnomatix и на виртуальном контроллере SIMATIC на PLCSIM Advanced и виртуальном двойнике HMI. Такая взаимная интеграция позволяет произвести полное тестирование производства в виртуальной среде, за счёт цифровых двойников.

Результат - цифровой двойник производства

Этап 4. Производство (собственно завод или всё предприятие)

Разработка технологических карт

Для достижения высокого уровня эффективности важно оптимизировать созданную последовательность производства, например, с помощью программного обеспечения SIMATIC Preactor. Это позволит планировать правильную и эффективную последовательность операций в соответствии с наличием ресурсов завода и возможными ограничениями.

Контроль качества продукции

Контроль качества продукции также закладывается на этапе создания производства. Например, можно использовать SIMATIC IT Unified Architecture, это программное обеспечение позволяет построить систему менеджмента качества, которая будет гарантировать, что производите высококачественную продукцию. Все возможные, даже минимальные отклонения на этапе производства немедленно будут поступать в систему. Это позволит обеспечить проактивный контроль качества и максимально снизить любые отклонения.

Обеспечение прозрачности данных о производительности

С помощью SIMATIC IT Unified Architecture Manufacturing Intelligence можно легко получить обзор производительности производственной линии. Также можно обеспечить глубокую детализацию временных измерений (например, вплоть до дня или смены), оборудования, установленное на каждом участке (вплоть до отдельных единиц), а также другие производственные задачи, такие как заказы и продукты. Расчёт показателя OEE.

Результат - цифровой двойник предприятия

Этап 5. Сервис, техническое обслуживание и ремонт

MindSphere – облачная, открытая, платформа IoT

Отдельно стоит отметить интеграцию потоков информации, для чего можно использовать MindSphere - открытую облачную платформу IoT с развитым набором адаптируемых приложений для промышленности.

Хотя этот этап жизненного цикла наступает в рамках построенного и запущенного предприятия. Но и здесь также активно используются, полученные на предыдущих этапах, цифровые двойники. Они позволяют использовать возможности расширенного ТОиР и поддержки изделий (например, обслуживание с учётом дополненной реальности AR, автоматического создание персонализированной электронной документации), использования систем безопасности и контроля персонала. Но это уже тема для отдельной публикации.