實施數(shù)字雙胞胎文化，包括真實和虛擬產(chǎn)品生命周期管理軟件，可以顯著減少設(shè)計周期時間和測試，并提高產(chǎn)出率。這些制造方面的改進會帶來維護和產(chǎn)品成本的合理降低。
聽起來很有吸引力？過去幾年里，企業(yè)已看到工業(yè) 4.0 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 遷移到數(shù)字雙胞胎。這一戰(zhàn)略和 Siemens 解決方案一起，將 20 世紀(jì)眾多傳統(tǒng)的順序性卓越孤島變成從開始到結(jié)束的內(nèi)聚性應(yīng)用，其中包括預(yù)見性維護、流程規(guī)劃和優(yōu)化、產(chǎn)品設(shè)計和虛擬原型開發(fā)。
憑借這些優(yōu)勢，數(shù)字雙胞胎項目吸引了那些追求真正零故障和持續(xù)加速流程卓越的人的注意。數(shù)字雙胞胎的核心是真實世界和數(shù)字世界之間的實時聯(lián)結(jié)。
什么是數(shù)字雙胞胎？
數(shù)字雙胞胎是指為實物創(chuàng)建一個高度復(fù)雜的虛擬模型，從實物肇始到生命周期終結(jié)，虛擬模型與實物完全對應(yīng)?！皩嵨铩笨梢允窍乱淮圃旎虍a(chǎn)品，它有五個主要發(fā)展階段：規(guī)劃、設(shè)計、建造、支持和生命周期完結(jié)。數(shù)字雙胞胎流程捕捉數(shù)據(jù)，通過仿真軟件預(yù)測未來，以此連接全部操作（圖 1）。
圖 1：這個高效生產(chǎn)車間利用數(shù)字雙胞胎技術(shù)將所有操作從頭到尾連接起來。（圖片來源：Analog Devices）
圖 1 中，流程監(jiān)視器利用數(shù)據(jù)為最終用戶預(yù)測最終實物結(jié)果。數(shù)字雙胞胎憑借在公司的員工中實施這些階段，展現(xiàn)其最重要的競爭優(yōu)勢。工業(yè) 4.0 的數(shù)字雙胞胎版本有望使制造商更容易生產(chǎn)出符合市場需要的產(chǎn)品，同時吸引和留住即將到來的 Z 世代的新型工程技術(shù)人才。
數(shù)字雙胞胎如何運作？
物理資產(chǎn)上的互聯(lián)傳感器收集數(shù)據(jù)，然后數(shù)據(jù)映射到虛擬模型上。任何查看數(shù)字雙胞胎的人都會看到關(guān)于實物的規(guī)劃、創(chuàng)建和實際應(yīng)用的關(guān)鍵信息。通過這種方式，數(shù)字雙胞胎有助于了解現(xiàn)在和預(yù)測未來。在前端，流程仿真決定了數(shù)字雙胞胎產(chǎn)品（圖 2）。
圖 2：數(shù)字雙胞胎有助于了解現(xiàn)在和預(yù)測未來。（圖片來源：Siemens）
在第二階段（圖 2），流程自動化和流程質(zhì)量支持?jǐn)?shù)字雙胞胎生產(chǎn)期間的性能數(shù)據(jù)。此時，需要注意的是，仿真和數(shù)據(jù)收集仍在繼續(xù)進行。雖然之前的仿真提前預(yù)測了真實產(chǎn)品的特性，但真實產(chǎn)品的生產(chǎn)發(fā)生在最后階段。
數(shù)字雙胞胎給個人和軟件技術(shù)帶來的最重要好處之一，是消除了造成部門之間孤島的有形和無形壁壘。例如，一個工業(yè) 3.0 產(chǎn)品的設(shè)計細(xì)節(jié)，在工程設(shè)計部門之外幾乎是無法獲知的。制造、采購、銷售和服務(wù)團隊很難有效地完成各自的工作，并向其他小組提供反饋以改進產(chǎn)品和流程。例如，車間技術(shù)人員不知道產(chǎn)品完全組裝好后應(yīng)該是什么樣子。服務(wù)團隊逐頁查閱虛擬 PDF 文件，試圖弄清楚如何維修一個他們從未見過的零件。銷售團隊銷售特性選項，而供應(yīng)鏈經(jīng)理只知道零件編號。這不僅為每個團隊成員的工作帶來挑戰(zhàn)，而且還意味著工程師無法獲得改進設(shè)計的關(guān)鍵意見。如果公司能讓設(shè)計更容易使用，創(chuàng)新速度就會加快，員工也會更多地參與到生產(chǎn)流程中。
數(shù)字雙胞胎結(jié)構(gòu)
數(shù)字雙胞胎技術(shù)為產(chǎn)品和資產(chǎn)提供了前所未有的可見性，有利于發(fā)現(xiàn)瓶頸，簡化操作，并創(chuàng)新產(chǎn)品開發(fā)。數(shù)字雙胞胎有三種主要類型：預(yù)見性維護，流程規(guī)劃和優(yōu)化，以及產(chǎn)品設(shè)計和虛擬原型開發(fā)。
預(yù)見性維護
公司可在設(shè)備健康狀況和性能視圖中即時發(fā)現(xiàn)運行異常和偏差。主動計劃的維護和備件補充可最大限度地減少檢修時間，避免昂貴的資源故障。數(shù)字雙胞胎的預(yù)見性維護提供了基于服務(wù)的新收入流，同時有助于提高 OEM 產(chǎn)品可靠性。
流程規(guī)劃和優(yōu)化
對產(chǎn)品率和廢品計數(shù)等關(guān)鍵性能指標(biāo) (KPI) 的全面分析，來源于傳感器和企業(yè)資源規(guī)劃 (ERP) 數(shù)據(jù)的數(shù)字足跡。此流程可診斷出低效率和吞吐量損失的根本原因，而診斷又可以優(yōu)化產(chǎn)出率，減少浪費。此外，設(shè)備歷史數(shù)據(jù)、流程和環(huán)境支持停機時間預(yù)測，這可改善生產(chǎn)調(diào)度。
產(chǎn)品設(shè)計和虛擬原型開發(fā)
虛擬產(chǎn)品模型可提供有關(guān)使用模式、退化點、工作負(fù)載能力、引發(fā)缺陷等的見解。通過了解產(chǎn)品特征和故障模式，設(shè)計人員和開發(fā)人員可以評估產(chǎn)品的可用性并改進未來的部件設(shè)計。同樣，OEM 可以根據(jù)特定用戶行為和產(chǎn)品實施背景，為不同的客戶群體提供定制的產(chǎn)品。數(shù)字雙胞胎技術(shù)還有助于開發(fā)虛擬原型，并在經(jīng)驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上運行穩(wěn)固的激勵進行功能測試。
真實使用案例
現(xiàn)實世界中，在將產(chǎn)品、流程或設(shè)施引入生產(chǎn)線之前，必須有能力對其進行測試，這一點至關(guān)重要。數(shù)字雙胞胎可實現(xiàn)這一目的。著眼全球，眾多公司使用數(shù)字雙胞胎來改進流程、供應(yīng)鏈、設(shè)施管理等。以下是數(shù)字雙胞胎技術(shù)如何改變各行各業(yè)的例子。
利用 Siemens 的 SIMATIC 實現(xiàn)更智能的貨運包裝
Siemens 的 SIMATIC 技術(shù)是許多創(chuàng)新包裝機械解決方案的核心。這些項目展示了 SIMATIC T-CPU（CPU 原理圖技術(shù)）如何幫助機器在各個方面實現(xiàn)更簡單更精益的流程、更好的質(zhì)量以及最優(yōu)性能。
TMG 公司生產(chǎn)用于食品和飲料、化妝品、化學(xué)品包裝的包裝機（圖 3）。
圖 3：TMG 的包裝機。（圖片來源：Siemens）
在他們的系統(tǒng)中，七臺 SINAMICS S120 驅(qū)動器和格式轉(zhuǎn)換只需要很少的時間。Siemens 的 PROFINET 網(wǎng)絡(luò)集成了 SIMATIC S7-1500TF CPU、舒適面板、S120 和 G120 驅(qū)動器，支持在單一的全面集成自動化 (TIA) 門戶環(huán)境中進行自動化、運動控制和安全開發(fā)。由于采用 SIMATIC S7-1500TF 和 SINAMICS 驅(qū)動技術(shù)的集成通用解決方案，TMG 在配置效率、高性能和新格式轉(zhuǎn)換的簡易性方面表現(xiàn)出色。
人工智能與運動控制的結(jié)合 (147)
Wittmann Battenfeld 的處理系統(tǒng)為注塑成型機抓取和嵌入零件，然后再將其嵌入到另一臺機器中。該設(shè)備可自由移動和旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的物體，并為處理系統(tǒng)提供五個軸——三個用于空間內(nèi)移動，另外兩個用于在任意方向上旋轉(zhuǎn)嵌件。處理系統(tǒng)完成這一復(fù)雜任務(wù)所需的周期時間很短，從而提高生產(chǎn)力，使流程盡可能地靈活運作。SIMATIC 是 Siemens 的自動化解決方案，在一個控制器中提供所有功能映射——運動控制、圖像識別和自動化。Wittmann Battenfeld 在 Siemens 的處理標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用幫助下實現(xiàn)了這一功能，它支持工程運動控制任務(wù)和可視化模塊。該軟件包還包括追蹤功能，幫助 Wittmann Battenfeld 的開發(fā)人員用 3D 模型追蹤夾鉗的運動。
圖 4：SIMATIC 控制器指揮夾鉗抓取振動臺上的嵌件。AI 模塊處理攝像頭數(shù)據(jù)。（圖片來源：Siemens）
數(shù)字雙胞胎部署的關(guān)鍵考慮因素
數(shù)字雙胞胎是 20 世紀(jì)制造模式的新范式。財務(wù)狀況影響了工廠轉(zhuǎn)向采用數(shù)字雙胞胎模式。然而，設(shè)備和生產(chǎn)線可靠性的提高，就是對數(shù)字雙胞胎投資的一種回報。數(shù)字雙胞胎技術(shù)通過減少停機時間、提高生產(chǎn)力和性能來改善整體設(shè)備效率 (OEE)。虛擬模型與現(xiàn)實的連接降低了各方面的風(fēng)險，包括產(chǎn)品可用性和市場聲譽。
數(shù)字雙胞胎是制造業(yè)中實物產(chǎn)品的虛擬表示，實物怎么設(shè)計、怎么建造、怎么維護，虛擬模型就怎么表示。這種虛擬表示基于實物產(chǎn)品、生產(chǎn)系統(tǒng)或設(shè)備配置來映射實時的流程數(shù)據(jù)和分析。數(shù)字雙胞胎的另一個優(yōu)勢在于，它允許工程師先對概念和假設(shè)進行測試，再將其應(yīng)用于真實機器。
數(shù)字雙胞胎和 Siemens 的數(shù)字仿真是工業(yè)自動化革命的一部分。數(shù)字雙胞胎對行業(yè)產(chǎn)生了怎樣的影響？這種數(shù)字仿真不斷影響著產(chǎn)生數(shù)據(jù)的物理資產(chǎn)、操作和框架。數(shù)字雙胞胎是工業(yè) 4.0 發(fā)展的核心，它囊括了自動化、數(shù)據(jù)交換和制造流程，為工業(yè)發(fā)展創(chuàng)造了無窮的機會。
參考文獻：
Video Insights: Pioneering Digital Twins，2021 年 10 月 6 日，對話數(shù)字雙胞胎概念發(fā)明者 Michael Grieves 博士。
TMG: more performance, less time video，Siemens。
Artificial Intelligence meets motion control: Taking technology a step further，Siemens。
