數(shù)字孿生不只是一個3D動畫——從概念驗證、控制測試到預(yù)測維護

　　【儀表網(wǎng) 行業(yè)科普】數(shù)字孿生將現(xiàn)實世界中的資產(chǎn)與虛擬模型整合在一起，在從設(shè)計優(yōu)化到預(yù)測性維護的整個資產(chǎn)生命周期中支持數(shù)據(jù)驅(qū)動型決策。控制工程師應(yīng)了解采用數(shù)字孿生技術(shù)來仿真過程會為企業(yè)帶來哪些好處。
 

　　數(shù)字孿生集成了數(shù)字世界和現(xiàn)實世界，允許在資產(chǎn)、工廠或過程的整個生命周期內(nèi)，在所有功能和級別上做出數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策。它實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控、仿真和分析，這有助于理解和預(yù)測過程性能。
 

　　01  數(shù)字孿生技術(shù)的優(yōu)勢
 

　　Festo的產(chǎn)品經(jīng)理Josh Roberts表示：“數(shù)字孿生使控制工程師在開發(fā)初期，就能仿真機器的虛擬模型。這包括結(jié)合應(yīng)用數(shù)據(jù)來評估設(shè)計，以確保利用最節(jié)能的組件，設(shè)計出合適的解決方案。”
 

　　由此產(chǎn)生的虛擬模型還可以結(jié)合軟件開發(fā)，復(fù)制解決方案的物理功能，并評估物理機器的效率/輸出。虛擬模型內(nèi)的仿真，還可以確保在創(chuàng)建物理模型之前，識別并糾正任何錯誤。
 

　　數(shù)字孿生可以在整個機器生命周期中帶來好處。Roberts說：“例如，機器內(nèi)的每個子組件都擁有大量信息，這些信息都可以在數(shù)字孿生中編譯。這樣就無需在整個業(yè)務(wù)中以不同格式存儲信息，而是將所有這些數(shù)據(jù)集中到一個中心位置。”
 

　　為了實現(xiàn)這一點，針對供應(yīng)商信息的標準化資產(chǎn)管理外殼(AAS)格式可確保以結(jié)構(gòu)化的格式捕獲和提供所有信息，從而有助于減少創(chuàng)建文檔所花費的時間，并為將來在這些數(shù)據(jù)上實施算法提供了可能性。
 

　　在未來，可能實現(xiàn)數(shù)字孿生的增值服務(wù)，例如機器內(nèi)部子組件的狀態(tài)監(jiān)測。當指定組件達到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)(在標準化的AAS內(nèi))時，該功能可以自動提供消息，甚至可以訂購備件。
 

　　下一步是實施人工智能，在機器運行時檢測機器內(nèi)部的異常，并以完全預(yù)測性的維護方法提供糾正措施，以提高整體設(shè)備效率(OEE)。
 

　　02  阻礙數(shù)字孿生實施的主要障礙
 

　　Roberts指出了阻礙制造企業(yè)實施數(shù)字孿生的四個主要障礙：
 

　　性能：仿真的可靠性和魯棒性；確保在數(shù)字孿生中建模的所有組件都能達到應(yīng)用參數(shù)；供應(yīng)商的選型工具提供模型所用的數(shù)據(jù)，以及在應(yīng)用數(shù)據(jù)變更時能確定會發(fā)生什么的參數(shù)。
 

　　組織：業(yè)務(wù)領(lǐng)域內(nèi)的專家和專業(yè)知識；必須愿意投資于提高員工技能，同時重組勞動力和項目方法。
 

　　開發(fā)：跨多個平臺的數(shù)據(jù)標準化是關(guān)鍵；標準化的AAS格式提供了框架，但所有供應(yīng)商都需要遵守這一標準。
 

　　安全：網(wǎng)絡(luò)安全是許多終端用戶關(guān)注的核心問題；需要找到一種解決方案，將人工智能應(yīng)用于該領(lǐng)域的預(yù)防性和預(yù)測性維護增值服務(wù)。
 

　　03  從驗證初始設(shè)計概念到進行控制測試
 

　　羅克韋爾自動化EMEA數(shù)字工程專家Arianna Locatelli表示，許多控制工程師已經(jīng)在實際應(yīng)用中廣泛采用數(shù)字孿生，包括從驗證初始設(shè)計概念到進行控制測試的各個階段。她說：“這些應(yīng)用背后的主要動機是降低風險。例如，為了減少現(xiàn)場調(diào)試時間，工程師仿真復(fù)雜的生產(chǎn)過程，以評估控制系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)的性能。”
 

　　Locatelli認為，數(shù)字孿生不僅僅是一個3D動畫。例如，羅克韋爾自動化公司的Emulate3D數(shù)字孿生軟件等系統(tǒng)，利用物理原理進行更詳細的仿真。它可以確定產(chǎn)品在掉落前，在輸送機上移動的最大速度。它還可以分析復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)的相互作用以及問題(如包裝機中的堵塞)在整個系統(tǒng)中傳播的速度。如果是新配置或非常復(fù)雜的設(shè)置，仿真系統(tǒng)將帶來很多好處。
 

　　在控制測試階段，工程師可以在構(gòu)建物理系統(tǒng)的同時開發(fā)代碼來控制仿真。現(xiàn)場調(diào)試通常是項目完成前的最后一步，通常是項目最關(guān)鍵的階段。因此，如果可以縮短，那么項目可以更快地啟動。Locatelli說：“一般來說，在去現(xiàn)場之前，軟件測試工程師做的越多越好。”
 

　　04  綠地和棕地項目應(yīng)用的不同特點
 

　　西門子公司過程工業(yè)軟件產(chǎn)品管理負責人Jan Rougoor認為，數(shù)字孿生技術(shù)可以應(yīng)用于新建的綠地項目，也可以應(yīng)用于現(xiàn)有的棕地項目。他說：“對于過程工業(yè)的綠地項目，數(shù)字孿生可以在工程階段自動創(chuàng)建。通過仿真進行初始過程建模可以優(yōu)化過程設(shè)計。”
 

　　這些數(shù)據(jù)可進一步用于創(chuàng)建詳細的圖表，描述工廠中的過程和設(shè)備。如果隨后將數(shù)據(jù)連接到自動化工程和仿真系統(tǒng)，那么為工廠項目和后續(xù)操作中的各個專業(yè)創(chuàng)建數(shù)字孿生模型就非常容易，并且可以使用仿真軟件進行虛擬調(diào)試。虛擬現(xiàn)實工具還可以對人員進行早期培訓，這有助于加快調(diào)試。
 

　　在棕地項目中，由于有大量分散的老舊數(shù)據(jù)和文檔，事情可能會有點困難。Rougoor進一步解釋說：“在這里，人們可以從使用基于人工智能的工具開始，將通常未知或未使用的信息整合到基于云的數(shù)字孿生門戶中。這可以作為重要決策的基礎(chǔ)，以提高生產(chǎn)率，發(fā)現(xiàn)投資現(xiàn)代化的最佳領(lǐng)域，或?qū)碜哉麄€工廠不同來源的信息連接起來，以找到降低成本的環(huán)節(jié)，或以更少的能耗或更低的碳足跡來運行工廠及其過程。”
 

　　在討論可能需要克服的障礙以充分利用數(shù)字孿生技術(shù)時，Rougoor強調(diào)了數(shù)據(jù)和系統(tǒng)集成標準化的必要性，這是確保有效利用數(shù)字孿生技術(shù)所必須的。工程師必須確保不同系統(tǒng)之間的兼容性，并持續(xù)維護這些數(shù)字孿生系統(tǒng)。來自舊工廠的大多數(shù)數(shù)據(jù)，都是由來自不同供應(yīng)商的獨立應(yīng)用以工程系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、制造執(zhí)行或資產(chǎn)管理系統(tǒng)的形式存儲和管理的。
 

　　此外，大部分工廠的技術(shù)文檔和數(shù)據(jù)通常只能以紙質(zhì)形式提供。這種分散和異構(gòu)的系統(tǒng)環(huán)境，導致數(shù)據(jù)質(zhì)量和一致性較低，而且容易形成數(shù)據(jù)孤島，使數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策變得困難。隨著運營智能軟件的集成，來自不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)現(xiàn)在可以整合并鏈接到實時工廠信息系統(tǒng)，以確保所有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都能清晰有效地可視化。然后，可以如上所述來創(chuàng)建和使用棕地工廠過程和生產(chǎn)的數(shù)字孿生。
 

　　數(shù)字孿生技術(shù)將為企業(yè)帶來諸多好處，包括提高過程效率、降低運營成本、提高生產(chǎn)質(zhì)量、優(yōu)化能耗或降低碳足跡和成本。數(shù)字孿生應(yīng)用似乎也能在降低能源成本和監(jiān)測排放方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。未來，人工智能似乎將接管更多任務(wù)，將它們從真實的工廠轉(zhuǎn)移到虛擬環(huán)境中。此外，數(shù)字孿生將促進戰(zhàn)略伙伴關(guān)系和生態(tài)系統(tǒng)的全球合作，打破行業(yè)內(nèi)不同領(lǐng)域之間的障礙。