Z razvojem digitalne tehnologije se je tudi na področju industrije pričelo razreševati probleme in iskati rešitve s pomočjo računalniških modelov in simulacij. Vse cenejša in zmogljivejša računalniška oprema, programska orodja prilagojena proizvodnim aplikacijam, pametne naprave, senzorji, internet stvari itd. skrbijo za vedno večjo povezanost realnega sveta z digitalnim. Preteklo, trenutno ali prihodnje stanje določenega segmenta ali celotne proizvodnje se določa na podlagi ogromnih količin podatkov, ki so pridobljeni z meritvami in analizirani v realnem času. Na podlagi senzorskih meritev se v realnem času v digitalnem okolju vseskozi razvija in posodablja digitalni model ali t.i. digitalni dvojček opazovanega objekta ali procesa. Digitalni dvojček je virtualna predstavitev stanja fizičnega objekta, procesa, storitve v skladu z možnostmi modela, pridobljenimi informacijami in podatki [20, 22]. Za namene proizvodne industrije je v viru [23] digitalni dvojček razložen na sledeč način: »Digitalni dvojček sestoji iz virtualne predstavitve proizvodnega sistema, katera ima možnost izvedbe simulacije v različnih simulacijskih disciplinah, ki so, zahvaljujoč zaznanim podatkom in povezanim pametnim napravam, matematičnim modelom in obdelavi podatkov v realnem času, okarakterizirana s sinhronizacijo med virtualnim in realnim sistemom.« Z vidika proizvodnih sistemov industrije 4.0 je njegov glavni namen ta, da pomaga napovedovati obnašanje proizvodnega sistema v vsaki fazi življenjskega cikla in optimizirati proizvodno učinkovitost v realnem času [20, 22, 23]. Ključno vlogo pri tem imajo razni senzorji. S senzorsko tehnologijo se spremlja objekt ali proces v realnem okolju in zajete informacije se v realnem času posredujejo v virtualno okolje (na računalnik), kjer se preko digitalnega modela simulira objekt ali proces s trenutnimi nastavitvami. Digitalni dvojček s tem nudi pomemben vpogled v delovanje sistema. Lahko se izvede analiza prejetih podatkov, informacij v določeni periodi in ugotovi trend dejanske proizvodnje. Primerja se ga z idealnim trendom in če dejanski potek proizvodnje ni v dopustnem območju se v skladu z digitalnim modelom prilagodi realno okolje. Digitalni dvojček tako narekuje ustrezne ukrepe v fizičnem svetu. Ti ukrepi so lahko na primer vezani na spremembe pri proizvodnih procesih ali na samem izdelku [22].
Digitalno proizvodno okolje združuje napredne proizvodne tehnike in IoT, s čimer poteka komunikacija, obdelava informacij in analiza z namenom uvajanja pametnih ukrepov v fizično okolje. Vse skupaj je zasnovano na principu povratne zanke in digitalni dvojček je del tega zaokroženega sistema [22]. Iz proizvodnih procesov preko senzorjev pridobivamo podatke, ki jih posredujemo na računalnik, kjer potem na digitalnih dvojčkih izvedemo primerne simulacije in analiziramo rezultate. Rešitve, ki so optimalne, prenesemo na dejanske procese. Novi vhodni podatki generirajo nove izhodne podatke, ki jih uporabimo za ponovne računalniške analize in simulacije. Na sliki 2.6 so prikazane omenjene relacije med fizičnim in digitalnim okoljem na primeru proizvodnega procesa pametne tovarne.
Preko povratne zanke se izvajajo nenehne izboljšave proizvodnega okolja [22].
Teoretične osnove in pregled literature
Slika 2.6: Povezava fizičnega in digitalnega okolja v primeru digitalnega dvojčka [22].
Kot je vidno na sliki 2.6 je za učinkovito delovanje fizično – digitalnega modela proizvodnega procesa z implementiranim digitalnim dvojčkom potrebnih pet komponent [22]:
- Senzorji
Senzorji, ki so nameščeni na določenih lokacijah delovnega mesta beležijo različne parametre proizvodnih procesov (trenutna lokacija izdelka, hitrost, transportne poti, tip izdelka ipd.). Iz procesnih in parametrov okolja (temperatura, vlažnost…), ki vplivajo na dejanske proizvodne procese, senzorji kreirajo signale, ki jih lahko analiziramo v digitalnem okolju.
- Podatki
S senzorjem zajeti podatki delovnih operacij in okoliških vplivov se združijo z ostalimi podatki podjetja (podatki o materialih, podatki iz tehnične dokumentacije itd.). Kombinacija teh podatkov omogoča celovit vpogled v realno okolje in posledično natančnejše simulacije v digitalnem okolju.
- Integracija
Podatki se iz senzorjev posredujejo na računalnik preko integracijske tehnologije (komunikacijski vmesniki, varnostni sistemi…). Integracija poteka tudi v obratni smeri.
Novi podatki pridobljeni iz simulacij in drugih oblik analize v digitalnem okolju se integrirajo v fizično okolje na dejanske procese, stroje in naprave.
- Analiza
Za iskanje optimalnih rešitev se uporabljajo različne analitične tehnike. Podatke iz fizičnega sveta se analizira preko raznih simulacij in ostalih orodij, ki jih omogoča koncept digitalnega dvojčka.
- Aktuatorji
Po obdelavi in analizi podatkov na računalniku se nove zamisli realizirajo na dejanskih procesih. Pretvorniki, ki signal iz digitalnega sveta pretvorijo v akcijo v fizičnem svetu so aktuatorji. Skupaj s človeškimi posegi skrbijo za realizacijo rešitev dobljenih s pomočjo digitalnega dvojčka.
Teoretične osnove in pregled literature
Senzorji in aktuatorji so del fizičnega sveta, medtem ko se obdelava podatkov in analiza dogaja na digitalni strani modela (slika 2.6). Vseskozi pa poteka integracija elementov fizičnega okolja z elementi digitalnega in obratno. Digitalni dvojček je aplikacija, ki uporablja senzorje, podatke, integracijo in analitiko na način, da ustvarja simulacijski model fizičnega procesa z možnostjo delovanja v realnem času.
Glavni izziv pri kreiranju digitalnega dvojčka proizvodnega procesa je določitev optimalne količine detajlov, s katerimi popišemo realni proces v virtualnem okolju. V primeru, da se snovanja digitalnega modela lotimo preveč obsežno in detajlno se lahko hitro izgubimo v kompleksnosti sistema. Če namreč želimo zajeti vsako najmanjšo podrobnost procesa in njegove okolice ter ob tem zagotoviti funkcionalnost digitalnega modela, je potrebno v opazovan sistem vgraditi ogromno senzorjev in v digitalnem sistemu potem obdelati še več signalov, ki jih ti senzorji vseskozi generirajo. Vse to lahko vodi do nepreglednosti celotnega sistema, izgube časa in smisla modela. Po drugi strani pa, če preveč poenostavimo snovanje digitalnega dvojčka ne izkoristimo vsega potenciala, ki nam ga ta koncept ponuja. Zato je pomembno poiskati kompromis in določiti katere podrobnosti, parametri fizičnega okolja so za proces in model ključni in kateri imajo zanemarljiv vpliv na sistem. Na sliki 2.7 so prikazane smernice kreiranja in razvijanja digitalnega dvojčka [22].
Slika 2.7: Izdelava digitalnega dvojčka [22].
Za čim boljši nadzor nad poslovanjem je potrebno digitalni dvojček postopoma integrirati v celotno organizacijsko strukturo podjetja. Cikel snovanja digitalnega dvojčka se ponovi za različne segmente podjetja. Nastajajo nove variante modelov poslovnih in proizvodnih procesov, ki omogočajo hitre odzive podjetja na nove, vse bolj kompleksne zahteve globalnega trga. Proizvodna podjetja, ki želijo na globalni ravni ostati konkurenčna razvijajo ključne tehnologije za digitalizacijo proizvodnje kot tudi celotne oskrbovalne verige. Nove
Teoretične osnove in pregled literature
v realnem času, avtonomne sisteme, kar omogoča uporabo digitalnih dvojčkov skozi celoten cikel nastajanja izdelka (od razvoja, konstruiranja do izdelave in prodaje). S tem se poveča učinkovitost proizvodnje in podjetjem omogoči proizvajanje oblikovno in tehnično zahtevnejših izdelkov [20, 24].
Proizvodni inženirji in proizvodni delavci obvladujejo razvoj izdelka in proizvodnjo z integralnim pristopom. Montažni in proizvodni procesi se izvajajo s podporo digitalnih tehnologij, ki so sestavni del digitalnih dvojčkov in avtomatizirane montaže, robotov, 3D tiskanja in analize podatkov. Prednosti inovativnih digitalnih tehnologij se v podjetju odražajo na različne načine. Pripomorejo k optimalni zasnovi izdelka že v prvem poizkusu, omogočajo potek proizvodnje brez nenačrtovanih zastojev ali izpadov in prilagajanje dobave glede na povpraševanje. Največji učinek digitalizacije pa je lahko dosežen le, ko so podjetja s svojimi ključnimi dobavitelji in kupci povezana v realnem času [24].
Digitalne tehnologije, ki pomagajo delavcem v enakem času narediti več in izboljšujejo procese ter kakovost izdelka, igrajo vse pomembnejšo vlogo v proizvodni industriji. Poleg sodelovanja med človekom (delavcem) in robotom je oblikovanje digitalnih dvojčkov glavno področje, na katerem se bo gradila industrija prihodnosti [24].