Digitaalinen kaksonen: kuinka se toimii

Digitaalisiin kaksosiin kuuluvat todellisen ja virtuaalisen tuotteen elinkaaren hallintaohjelmisto. Kaksosen käyttö nopeuttaa suunnittelua ja testausta sekä parantaa tuottoa huomattavasti. Nämä tuotannon parannukset säästävät varsin paljon kunnossapito- ja tuotekustannuksia.

Kuulostaako hyvältä? Yrityksissä on viime vuosina siirrytty Teollisuus 4.0:n teollisesta esineiden internetistä (IIoT) digitaalisiin kaksosiin. Tässä strategiassa ja Siemensin sitä varten tarjoamissa ratkaisuissa kootaan lukuisia perinteisiä, 1900-luvulla vuorotellen kehitettyjä osaamissaarekkeita yhtenäisiksi sovelluksiksi, jotka kattavat tuotteen koko elinkaaren ennaltaehkäisevän kunnossapidon, tuotannon suunnittelun ja optimoinnin sekä tuotesuunnittelun ja virtuaalisen prototyyppien valmistuksen.

Digitaaliset kaksoset houkuttelevat valmistajia, jotka tähtäävät nollavikoihin ja jatkuvaan prosessien huippuosaamisen nopeuttamiseen. Digitaalisten kaksosten ytimen muodostaa reaaliaikainen silta reaalimaailman ja digitaalisen maailman välillä.

Mikä on digitaalinen kaksonen?

Digitaalinen kaksonen (Digital Twin) ‑konseptissa luodaan fyysiselle kohteelle erittäin monitasoinen, tarkka virtuaalinen vastakappale, joka kulkee tuotteen mukana sen synnystä elinkaaren päättymiseen saakka. ”Kohde” voi olla valmistuksen tai tuotteen seuraava sukupolvi, jonka kehityksen viisi päävaihetta ovat kaavoitus, suunnittelu, rakentaminen, tukeminen ja kohteen elinkaaren päättyminen. Digitaalinen kaksonen kokoaa yhteen koko toiminnan keräämällä dataa, jonka avulla tulevaisuutta voidaan ennustaa simulointiohjelmistolla (kuva 1).

Kuva 1: Tehokkaassa tuotannossa hyödynnetään digitaalista kaksosta, joka kokoaa yhteen kaikki toiminnot alusta loppuun. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kuvassa 1 prosessorimonitorit käyttävät dataa loppukäyttäjälle tarjottavan lopullisen tuotteen ennustamiseksi. Digitaalinen kaksonen hyödyntää näiden vaiheiden toteutusta, ja yhtiön työntekijät ovat sen tärkein kilpailuetu. Teollisuus 4.0:n digitaalinen kaksosversio lupaa auttaa valmistajia tuottamaan markkinoille sopivia tuotteita ja samalla houkuttelemaan työhön sekä pitämään palveluksessa työelämässä aloittavan Z-sukupolven uusia suunnittelulahjakkuuksia.

Miten digitaalinen kaksonen toimii?

Fyysiseen kohteeseen kytketyt anturit keräävät dataa, joka kootaan virtuaaliseen malliin. Digitaalista kaksosta tarkastelemalla nähdään olennaisia tietoja fyysisen kohteen suunnittelusta, toteutuksesta ja todellisesta käytöstä. Digitaaliset kaksoset auttavatkin ymmärtämään nykyhetkeä ja ennustamaan tulevaisuutta. Prosessisimulaatio määrittää ensimmäisessä vaiheessa digitaalisen kaksosen (kuva 2).

Kuva 2: Digitaaliset kaksoset auttavat ymmärtämään nykyhetkeä ja ennustamaan tulevaisuutta. (Kuvan lähde: Siemens)

Seuraavassa vaiheessa (kuva 2) prosessiautomaatio ja prosessin laatutoiminto tuottavat suorituskykydataa digitaalisen kaksosen tuotannon aikana. On tärkeää huomata, että simulointi ja datan keräys jatkuvat edelleen tässä vaiheessa. Viimeisessä vaiheessa valmistetaan todellinen tuote, vaikka aiemmat simulaatiot ennustavatkin todellisen tuotteen ominaisuudet jo etukäteen.

Yksi digitaalisen kaksosen merkittävimmistä eduista on sen kyky poistaa osastojen väliset muurit (sekä virtuaaliset että fyysiset). Esimerkiksi Teollisuus 3.0:ssa tuotteen suunnittelutietoja ei voi käyttää käytännössä lainkaan suunnitteluosaston ulkopuolella. Valmistus-, hankinta-, myynti- ja huoltotiimien on vaikea hoitaa työtään tehokkaasti ja antaa palautetta muille ryhmille tuotteen ja prosessin parantamiseksi. Esimerkiksi tehtaassa toimivat asentajat eivät tiedä, miltä lopullinen kokoonpantu tuote näyttää. Huoltotiimin työntekijät selailevat virtuaalisia pdf-tiedostoja ja yrittävät selvittää, miten heidän pitäisi huoltaa osaa, jota he eivät ole koskaan nähneet. Myyntitiimit myyvät ominaisuusvaihtoehtoja ja toimitusketjupäälliköt tietävät vain osanumerot. Kaikkien tiimien työntekijöiden on vaikeaa hoitaa tehtäviään, eivätkä suunnittelijat saa kriittistä palautetta, jonka avulla ratkaisuja voisi parantaa. Jos suunnitelmat saadaan yrityksissä paremmin kaikkien käyttöön, innovaatioita tapahtuu nopeammin ja työntekijät pääsevät osallistumaan prosessiin enemmän.

Digitaalisen kaksosen rakenne

Digitaalinen kaksonen tarjoaa ennennäkemättömät mahdollisuudet nähdä tuotteet ja omaisuuserät, löytää pullonkaulat, parantaa toimintoja sekä innovoida tuotekehitystä. Kolme tärkeintä digitaalista kaksosta ovat ennakoiva huolto, prosessisuunnittelu ja tuotesuunnittelu sekä virtuaalisten prototyyppien rakentaminen.

Ennakoiva huolto

Yritykset pystyvät tunnistamaan laitteiden kunto- ja suorituskykypoikkeamat sekä ongelmat välittömästi.  Ennakoiva suunniteltu kunnossapito ja varaosien hankinta pitävät huoltoajat lyhyinä ja auttavat välttämään kalliiden tuotantovälineiden vikaantumista. Digitaalisten kaksosten ennakoiva kunnossapito tarjoaa OEM-valmistajille uusia kunnossapitoon perustuvia tuottovirtoja ja auttaa parantamaan tuotteiden luotettavuutta.

Prosessin suunnittelu ja optimointi

Kriittisten keskeisten suorituskykyindikaattoreiden (KPI), kuten tuotantonopeudet ja hylkyosuudet, kattava analysointi perustuu anturi- ja ERP-järjestelmädatan digitaalisiin tietoihin. Prosessissa diagnosoidaan tehottomuuksien ja tuotantomenetysten juurisyyt. Diagnoosin avulla voidaan optimoida tuottoja ja vähentää hukkatuotteita. Lisäksi laitteita, prosesseja ja ympäristöjä koskevien historiatietojen avulla voidaan parantaa tuotannon aikataulutusta ja ennakoida käyttökatkot.

Tuotesuunnittelu ja virtuaaliset prototyypit

Virtuaaliset tuotemallit auttavat ymmärtämään käyttötapoja, heikkoja kohtia, kuormituskapasiteettia, vikaantumisia jne. Suunnittelijat voivat tuotteen ominaisuuksien ja vikaantumistapojen tuntemuksen avulla arvioida tuotteen käytettävyyttä ja kehittää komponenttien suunnittelua. OEM-valmistajat voivat vastaavasti tarjota eri asiakasryhmille räätälöityjä ratkaisuja, jotka perustuvat käyttäjien tietynlaiseen käyttäytymiseen ja tuotteen käyttötilanteisiin. Digitaalisten kaksosten avulla voidaan myös kehittää virtuaalisia prototyyppejä ja suorittaa robusteja simulointeja sekä testata ominaisuuksia empiirisen datan avulla.

Tosielämän käyttötapauksia

Tosielämässä on tärkeää pystyä testaamaan tuotteita, prosesseja tai laitteistoja ennen niiden ottamista käyttöön tuotantolinjalla. Digitaalisia kaksosia voidaan käyttää myös tähän tarkoitukseen. Yhtiöt käyttävät digitaalisia kaksosia prosessien, toimitusketjujen, laitosten hallinnan ja monien muiden asioiden kehittämiseen globaalisti. Seuraavassa on muutama esimerkki siitä, miten digitaaliset kaksoset mullistavat eri aloja.

Älykkäämpää pakkausta Siemensin SIMATIC-teknologialla

Siemensin SIMATIC-teknologia muodostaa monien innovatiivisten pakkauskoneratkaisujen ytimen. Nämä projektit osoittavat, miten SIMATIC T-CPU (teknologia-CPU) auttaa koneita muuttamaan prosessit yksinkertaisemmiksi, kevyemmiksi ja laadukkaammiksi sekä optimoimaan suoritusta joka suhteessa.

TMG valmistaa elintarvikkeiden ja juomien, kosmetiikan sekä kemikaalien pakkauskoneita (kuva 3).

Kuva 3: TMG:n pakkauskone. (Kuvan lähde: Siemens)

TMG:n järjestelmässä seitsemän SINAMICS S120 ‑käytön ja formaatin vaihto kestää vain hetkisen. Siemensin PROFINET-verkko integroi SIMATIC S7-1500TF CPU:n, Comfort Panel ‑paneelit sekä S120- ja G120-käytöt yhdeksi TIA-portaaliympäristöksi (Total Integrated Automation) ja parantaa automaatiota, liikkeenhallintaa ja turvallisuutta. SIMATIC S7-1500TF- ja SINAMICS-käyttöteknologioiden avulla toteutettu integroitu ja monipuolinen ratkaisu tarjoaa TMG:lle erinomaisen konfigurointitehokkuuden, hyvän suorituskyvyn ja uuden helpon formaatin vaihdon.

Tekoäly kohtaa liikkeenohjauksen (147)

Wittmann Battenfeldin käsittelyjärjestelmät tarttuvat osiin ja asettavat ne paikalleen ruiskuvalukoneisiin sekä vaihtavat ne sen jälkeen taas toiseen koneeseen. Laitteet liikuttavat ja kääntävät objekteja vapaasti viisiakselisessa käsittelyjärjestelmässä – kolmea akselia käytetään liikkumiseen tilassa, kahta muuta kappaleiden kääntämiseen halutussa suunnassa. Käsittelyjärjestelmät parantavat tuottavuutta, sillä ne suoriutuvat tästä monimutkaisesta tehtävästä erittäin nopeasti ja pitävät prosessin mahdollisimman joustavana. Siemensin SIMATIC-automaatioratkaisu seuraa yhdellä ohjaimella kaikkia toimintoja – liikkeenohjausta, kuvantunnistusta ja automaatiota. Wittmann Battenfeld käyttää tässä funktiossa Siemensin Handling Standard Application ‑ratkaisua, joka tukee liikkeenohjaustehtäviä ja visuaalisia moduuleja. Pakettiin kuuluu myös jäljitystoiminto, jonka avulla Wittmann Battenfeldin kehittäjät seuraavat tarttujan liikettä 3D-mallin avulla.

Kuva 4: Tärinäpöydällä oleviin esineisiin tarttuvaa tarttujaa ohjataan SIMATIC-ohjaimella. AI-moduuli käsittelee kameran datan. (Kuvan lähde: Siemens)

Kriittisiä huomioita digitaalisten kaksosten käytöstä

Digitaalinen kaksonen on uusi paradigma 1900-luvun valmistusmalliin verrattuna. Taloudelliset seikat vaikuttavat digitaalisten kaksosten käyttöönottoon tehtaissa. Digitaalinen kaksonen on kuitenkin kannattava sijoitus, koska laitteiden ja tuotantolinjan luotettavuus paranevat. Digitaalisten kaksosten käyttö parantaa laitteiden kokonaistehokkuutta (OEE), koska käyttökatkot vähenevät ja tuottavuus sekä suorituskyky paranevat. Virtuaalisten mallien kytkeminen todellisuuteen vähentää riskejä useilla eri alueilla, kuten tuotteiden saatavuudessa ja yhtiön maineessa markkinoilla.

Digitaalinen kaksonen edustaa virtuaalisesti fyysisen tuotteen muotoilua, toteutusta ja kunnossapitoa. Tämä virtuaalinen vastakappale heijastelee reaaliaikaista prosessidataa ja analytiikkaa fyysisen tuotteen, tuotantojärjestelmien ja laitekonfiguraatioiden suhteen. Digitaalinen kaksonen antaa myös suunnittelijoille mahdollisuuden testata erilaisia konsepteja ja hypoteeseja ennen niiden toteuttamista fyysisessä koneessa.

Digitaalinen kaksonen ja Siemensin digitaalinen imitaatio ovat osa teollisuusautomaation vallankumousta. Miten digitaaliset kaksoset ovat vaikuttaneet teollisuuteen? Digitaalinen imitaatio vaikuttaa jatkuvasti dataa tuottaviin fyysisiin laitteisiin, toimintoihin ja alustoihin. Digitaalinen kaksonen on Teollisuus 4.0 ‑kehityksen ytimessä. Se kattaa automaation, tietojenvaihdon ja valmistusprosessit sekä tarjoaa yrityksille loputtomasti kasvumahdollisuuksia.

Lähteet:

1. Video Insights: Pioneering Digital Twins, 6.10.2021, keskustelu digitaalisen kaksosen käsitteen keksijän, Dr. Michael Grievesin kanssa.
2. TMG: more performance, less time ‑video, Siemens.
3. Artificial Intelligence meets motion control: Taking technology a step further, Siemens.