Cyfrowy bliźniak – czym różni się od modelu i symulacji?

Cyfrowy bliźniak nie jest modelem 3D maszyny ani samą symulacją procesu. Kluczowa jest synchronizacja modelu cyfrowego z rzeczywistym obiektem i jego danymi operacyjnymi. Temperatura łożyska, drgania silnika, pozycja osi robota, przepływ medium czy pobór energii mogą aktualizować stan modelu, który następnie służy do diagnostyki, przewidywania zachowania i optymalizacji procesu.

Model, symulacja i cyfrowy bliźniak – najważniejsze różnice

Granice między tymi kategoriami nie zawsze są w literaturze definiowane identycznie. W zastosowaniach przemysłowych najważniejsze jest jednak rozróżnienie pomiędzy modelem istniejącym niezależnie od maszyny a modelem, którego stan jest aktualizowany danymi z fizycznego odpowiednika.

NIST opisuje cyfrowe bliźniaki w zaawansowanej produkcji jako zsynchronizowane modele wirtualne służące do reprezentowania, diagnozowania, przewidywania i optymalizowania działania systemów produkcyjnych. Ramy dla takich rozwiązań w przemyśle opisuje seria norm ISO 23247.

Od czujnika do modelu – architektura digital twin

Cyfrowy bliźniak nie jest pojedynczym programem. Jest raczej warstwą łączącą kilka istniejących systemów.

Dane mogą obejmować temperaturę, ciśnienie, przepływ, drgania, prędkość obrotową, pobór prądu, pozycję, liczbę cykli albo parametry jakościowe produktu.

Sam strumień danych nie tworzy jednak bliźniaka. Potrzebny jest model opisujący zależności pomiędzy obserwowanymi wielkościami. Może to być model fizyczny, model statystyczny, symulacja procesu, algorytm uczenia maszynowego albo układ łączący kilka metod.

Największym problemem wdrożeniowym często nie jest liczba czujników, ale kontekst danych. Wartość „82°C” jest mało użyteczna, jeśli system nie wie, którego łożyska dotyczy, przy jakiej prędkości pracowała maszyna i jaki produkt był wtedy wykonywany.

Cyfrowy bliźniak w utrzymaniu ruchu

Jednym z naturalnych zastosowań jest diagnostyka urządzeń. Klasyczny system alarmowy porównuje wartość pomiarową z ustalonym progiem. Bliźniak może uwzględniać jednocześnie aktualny punkt pracy maszyny oraz historię jej zachowania.

Przykładowo wzrost drgań silnika nie musi oznaczać tego samego podczas pracy z 30% i 95% obciążenia. Model może analizować drgania razem z prędkością obrotową, temperaturą łożysk, poborem prądu i historią wcześniejszych cykli.

W bardziej zaawansowanej wersji system nie tylko wykrywa odchylenie, ale prognozuje rozwój parametru i wspiera określenie pozostałego czasu pracy komponentu – RUL (Remaining Useful Life).

Warunkiem jest jednak poprawna walidacja modelu. Algorytm, który dobrze odtwarza dane historyczne, nie musi równie dobrze przewidywać awarię, której wcześniej nie obserwowano.

Polski przykład: cyfrowy bliźniak kotła CFB Elektrowni Łagisza

Cyfrowy bliźniak nie musi dotyczyć wyłącznie robota lub niewielkiej maszyny. Model może reprezentować bardzo złożony proces energetyczny.

Polscy naukowcy, między innymi z Akademii Górniczo-Hutniczej i Politechniki Śląskiej, rozwijali cyfrowy bliźniak kotła CFB bloku energetycznego Elektrowni Łagisza. W pracach wykorzystano modelowanie CFD oraz modele zredukowane przeznaczone do zastosowania w predykcyjno-preskrypcyjnym systemie sterowania.

To ważna cecha cyfrowego bliźniaka: najlepszy model nie zawsze jest modelem najbardziej szczegółowym. Musi być wystarczająco dokładny do konkretnego zadania i jednocześnie działać w wymaganym czasie.

Wirtualne uruchomienie przed zbudowaniem maszyny

Digital twin może zacząć istnieć jeszcze zanim powstanie fizyczna linia produkcyjna.

Wirtualne uruchomienie pozwala połączyć model mechaniczny maszyny z rzeczywistym lub emulowanym programem PLC. Inżynier może wtedy przetestować sekwencje ruchów, czasy cyklu, blokady bezpieczeństwa i część sytuacji awaryjnych przed uruchomieniem rzeczywistego stanowiska.

Zmniejsza to liczbę zmian wykonywanych bezpośrednio na gotowej instalacji, gdzie każda godzina pracy zespołu uruchomieniowego i każdy dzień opóźnienia mają już wymierny koszt.

Centrum Przemysłu 4.0 Politechniki Śląskiej wskazuje zastosowanie cyfrowych bliźniaków między innymi do symulowania produktu, linii produkcyjnej oraz całej fabryki i analizowania zmian jeszcze przed ich wprowadzeniem do rzeczywistego procesu.

Model 3D z dashboardem nie wystarcza

Termin digital twin jest używany bardzo szeroko, dlatego pod tą samą nazwą można spotkać systemy o zupełnie różnym stopniu zaawansowania.

Model można uznać za technicznie wartościowy bliźniak wtedy, gdy występują jednocześnie trzy elementy:

• fizyczny obiekt lub proces, którego stan jest obserwowany,
• model cyfrowy opisujący jego zachowanie,
• synchronizacja danych umożliwiająca aktualizowanie i wykorzystywanie modelu podczas życia rzeczywistego systemu.

Nie każdy bliźniak musi sterować maszyną. Wyniki mogą służyć operatorowi, systemowi utrzymania ruchu albo planowaniu produkcji. Istotne jest natomiast, aby model dostarczał informacji niedostępnej z samego podglądu aktualnych pomiarów.

Największą wartością cyfrowego bliźniaka nie jest więc cyfrowa kopia maszyny, lecz możliwość połączenia danych o tym, co dzieje się teraz, z modelem tego, co powinno się dziać i co może wydarzyć się później.