Digitaalne tehas: virtuaalne kasutuselevõtt – tootmise revolutsioneerimine

Tootmismaastik on läbimas olulist muutust, mida veavad tehnoloogia areng ning kasvav nõudlus tõhususe, paindlikkuse ja kiiruse järele. Selle arengu keskmes on digitaalse tehase kontseptsioon – reaalse tootmiskeskkonna virtuaalne esitus. Selles digitaalses maailmas mängib virtuaalne kasutuselevõtt (VC) kriitilist rolli, pakkudes võimsat tööriistade ja tehnikate komplekti protsesside optimeerimiseks, kulude vähendamiseks ja turuletoomise kiirendamiseks. See põhjalik juhend uurib virtuaalse kasutuselevõtu keerukust, selle eeliseid, väljakutseid ja mõju ülemaailmsele tootmisele.

Mis on virtuaalne kasutuselevõtt?

Virtuaalne kasutuselevõtt on protsess, mille käigus testitakse ja valideeritakse automatiseerimistarkvara, sealhulgas PLC-programme, robotiprogramme ja HMI-liideseid, virtuaalses keskkonnas enne selle rakendamist füüsilises tootmissüsteemis. See hõlmab digitaalse kaksiku loomist, mis on reaalse tootmissüsteemi ülitäpne simulatsioon, sealhulgas mehaanilised komponendid, elektrisüsteemid ja juhtimisloogika.

Selle asemel, et testida otse füüsilisel riistvaral, mis võib olla aeganõudev, kulukas ja potentsiaalselt ohtlik, võimaldab virtuaalne kasutuselevõtt inseneridel simuleerida kogu tootmisprotsessi virtuaalses keskkonnas. See võimaldab neil tuvastada ja lahendada võimalikke probleeme juba arendustsükli varases staadiumis, minimeerides riske ja parandades süsteemi üldist jõudlust.

Virtuaalse kasutuselevõtu põhikomponendid:

• Digitaalne kaksik: Füüsilise tootmissüsteemi täpne digitaalne esitus, mis hõlmab mehaanilisi komponente, andureid, täitureid ja juhtimissüsteeme.
• Simulatsioonitarkvara: Tarkvaratööriistad, mis simuleerivad füüsilise süsteemi käitumist, võimaldades inseneridel testida ja valideerida juhtimisloogikat realistlikus keskkonnas. Näideteks on Siemens PLCSIM Advanced, Emulate3D, Process Simulate ja ISG-virtuos.
• PLC/roboti kontrollerid: Programmeeritavate loogikakontrollerite (PLC) ja robotikontrollerite virtuaalsed esitused, mis juhivad füüsilist süsteemi.
• Suhtlusliidesed: Virtuaalsed liidesed, mis võimaldavad suhtlust simulatsioonitarkvara ja virtuaalsete kontrollerite vahel, jäljendades reaalses süsteemis kasutatavaid sideprotokolle (nt OPC UA, Profinet).

Virtuaalse kasutuselevõtu eelised

Virtuaalne kasutuselevõtt pakub laia valikut eeliseid tootjatele erinevates tööstusharudes. Neid eeliseid võib liigitada kulude kokkuhoiuks, aja vähendamiseks, kvaliteedi parandamiseks ja ohutuse suurendamiseks.

Kulude kokkuhoid:

• Vähendatud seisakuaeg: Tuvastades ja lahendades võimalikud probleemid juba arendustsükli varases faasis, minimeerib virtuaalne kasutuselevõtt seisakuid tegeliku kasutuselevõtu faasis. See võib tähendada märkimisväärset kulude kokkuhoidu, eriti tööstusharudes, kus seisakuaeg on äärmiselt kallis.
• Madalamad reisikulud: VC hõlbustab kaugtöö koostööd ja testimist. Erinevates geograafilistes piirkondades asuvad eksperdid saavad projektis koostööd teha, välistades või vähendades vajadust rahvusvaheliste reiside järele, mis võivad olla kulukad.
• Vähendatud materjalikadu: VC võimaldab inseneridel optimeerida protsesse ja tuvastada võimalikke probleeme, mis võivad tegelikus tootmisfaasis põhjustada materjalikadu.
• Vähendatud kahjustuste oht: Muudatuste testimine virtuaalses keskkonnas välistab kallite masinate kahjustamise ohu kasutuselevõtu ajal.

Aja vähendamine:

• Kiirem kasutuselevõtt: Virtuaalne kasutuselevõtt vähendab oluliselt füüsiliseks kasutuselevõtuks kuluvat aega, tuvastades ja lahendades probleemid eelnevalt.
• Lühemad arendustsüklid: Võimaldades riist- ja tarkvara paralleelset arendamist, lühendab virtuaalne kasutuselevõtt üldisi arendustsükleid.
• Kiirem turuletoomisaeg: Kiirema kasutuselevõtu ja lühemate arendustsüklite kombineeritud mõju tulemuseks on uute toodete kiirem turuletoomisaeg.

Parem kvaliteet:

• Optimeeritud jõudlus: Virtuaalne kasutuselevõtt võimaldab inseneridel optimeerida tootmissüsteemi jõudlust enne selle ehitamist, mis toob kaasa suurema läbilaskevõime ja parema kvaliteedi.
• Vigade vähendamine: Kontrollloogika põhjaliku testimise ja valideerimisega virtuaalses keskkonnas vähendab virtuaalne kasutuselevõtt vigade ja talitlushäirete riski tegelikus tootmisfaasis.
• Varajane probleemide avastamine: Virtuaalne kasutuselevõtt võimaldab varakult avastada disainivigu või juhtimisloogika vigu. See varajane avastamine vähendab ümbertegemise kulusid ja hoiab ära kulukad viivitused rakendamise ajal.

Suurendatud ohutus:

• Ohutu testimiskeskkond: Virtuaalne kasutuselevõtt pakub ohutut keskkonda potentsiaalselt ohtlike stsenaariumide, näiteks hädaseiskamiste või robotite kokkupõrgete testimiseks.
• Riskide maandamine: Tuvastades ja lahendades potentsiaalseid ohutusriske virtuaalses keskkonnas, aitab virtuaalne kasutuselevõtt maandada riske reaalses tootmissüsteemis.
• Parem operaatorite koolitus: Operaatoreid saab koolitada virtuaalsüsteemil enne, kui füüsiline süsteem on isegi ehitatud, parandades nende oskusi ja vähendades õnnetuste riski.

Virtuaalse kasutuselevõtu rakendused

Virtuaalne kasutuselevõtt on rakendatav paljudes tööstusharudes ja rakendustes, sealhulgas:

• Autotööstus: Autotootjad kasutavad virtuaalset kasutuselevõttu oma konveierite optimeerimiseks, robotite programmeerimise parandamiseks ja seisakute vähendamiseks. Näiteks kasutab Volkswagen virtuaalset kasutuselevõttu laialdaselt oma tootmisprotsesside optimeerimiseks oma ülemaailmsetes tehastes.
• Lennundus- ja kosmosetööstus: Lennundus- ja kosmosetööstuse tootjad kasutavad virtuaalset kasutuselevõttu keerukate tootmisprotsesside, näiteks lennukite kokkupaneku ja mootorite tootmise simuleerimiseks ja valideerimiseks.
• Toidu- ja joogitööstus: Toidu- ja joogitööstuse ettevõtted kasutavad virtuaalset kasutuselevõttu oma pakendiliinide optimeerimiseks, tootekäitlemise parandamiseks ja toiduohutuse tagamiseks. Näiteks võiks olla ülemaailmne villimisettevõte, mis valideerib uue pakendiliini enne selle paigaldamist.
• Farmaatsiatööstus: Farmaatsiaettevõtted kasutavad virtuaalset kasutuselevõttu keerukate ravimitootmisprotsesside simuleerimiseks ja valideerimiseks, tagades vastavuse rangetele regulatiivsetele nõuetele.
• Logistika ja laondus: Ettevõtted kasutavad virtuaalset kasutuselevõttu automatiseeritud laosüsteemide, sealhulgas automatiseeritud juhitavate sõidukite (AGV) ja robotiseeritud komplekteerimissüsteemide projekteerimiseks ja optimeerimiseks. Amazon kasutab simulatsioonitehnoloogiaid oma ülemaailmsete laotoimingute optimeerimiseks.
• Energeetika: Virtuaalset kasutuselevõttu saab kasutada keerukate energiatootmis- ja jaotussüsteemide, sealhulgas elektrijaamade ja taastuvenergia paigaldiste automatiseerimise simuleerimiseks ja optimeerimiseks.

Virtuaalse kasutuselevõtu rakendamise väljakutsed

Kuigi virtuaalne kasutuselevõtt pakub arvukalt eeliseid, võib selle edukas rakendamine esitada mitmeid väljakutseid:

• Suur alginvesteering: Virtuaalse kasutuselevõtu rakendamine nõuab alginvesteeringut tarkvarasse, riistvarasse ja koolitusse.
• Vajalik ekspertiis: Virtuaalne kasutuselevõtt nõuab erialaseid teadmisi simulatsioonitarkvarast, PLC programmeerimisest ja mehhatroonikast.
• Andmehaldus: Täpse ja ajakohase digitaalse kaksiku säilitamine nõuab tugevaid andmehaldusprotsesse.
• Integreerimise keerukus: Virtuaalse kasutuselevõtu tööriistade integreerimine olemasolevate inseneritöövoogudega võib olla keeruline.
• Mudeli täpsus: Piisavalt täpse digitaalse kaksiku loomine, mis esindaks täpselt reaalset süsteemi, võib olla väljakutse. Mudel peaks arvestama kõiki asjakohaseid muutujaid ja vastastikmõjusid süsteemis.

Virtuaalse kasutuselevõtu parimad tavad

Nende väljakutsete ületamiseks ja virtuaalse kasutuselevõtu eeliste maksimeerimiseks on oluline järgida parimaid tavasid:

• Alusta väikeselt: Alusta pilootprojektiga, et koguda kogemusi ja demonstreerida virtuaalse kasutuselevõtu väärtust.
• Määratle selged eesmärgid: Määratle selgelt virtuaalse kasutuselevõtu projekti eesmärgid ja mõõdikud, mida kasutatakse edu mõõtmiseks.
• Ehita tugev meeskond: Pange kokku meeskond, kellel on vajalikud teadmised simulatsioonitarkvarast, PLC programmeerimisest ja mehhatroonikast.
• Vali õiged tööriistad: Valige konkreetse rakenduse jaoks õige simulatsioonitarkvara ja riistvara.
• Arenda välja põhjalik simulatsioonimudel: Loo tootmissüsteemist detailne ja täpne simulatsioonimudel.
• Valideeri simulatsioonimudel: Valideeri simulatsioonimudel, võrreldes selle käitumist reaalse süsteemi käitumisega.
• Integreeri olemasolevate töövoogudega: Integreeri virtuaalse kasutuselevõtu tööriistad olemasolevate inseneritöövoogudega, et arendusprotsessi sujuvamaks muuta.
• Pidev parendamine: Pidevalt parenda virtuaalse kasutuselevõtu protsessi, tuginedes õppetundidele.

Virtuaalse kasutuselevõtu tulevik

Virtuaalse kasutuselevõtu tulevik on helge, mitmed esilekerkivad suundumused on valmis selle võimekust veelgi suurendama ja rakendusi laiendama:

• Tehisintellekti (AI) suurenenud kasutamine: AI ja masinõppe algoritme kasutatakse simulatsioonimudelite loomise automatiseerimiseks, juhtimisloogika optimeerimiseks ja süsteemi jõudluse ennustamiseks.
• Integratsioon pilvandmetöötlusega: Pilvandmetöötlus võimaldab juurdepääsu võimsatele simulatsiooniressurssidele ja hõlbustab koostööd geograafiliselt hajutatud meeskondade vahel.
• Liitreaalsus (AR) ja virtuaalreaalsus (VR): AR ja VR tehnoloogiaid kasutatakse simulatsioonitulemuste visualiseerimiseks ja virtuaalsete süsteemidega suhtlemiseks kaasahaaravamal viisil.
• Digitaalne lõim: VC integreeritakse üha enam digitaalse lõimega. Digitaalne lõim võimaldab sujuvat andmevoogu ja jälgitavust kogu toote elutsükli vältel, alates disainist ja inseneritööst kuni tootmise ja hoolduseni.
• Standardimine: Suurenenud standardimine parandab VC tööriistade koostalitlusvõimet ja vähendab rakendamise keerukust.

Virtuaalne kasutuselevõtt ja Tööstus 4.0

Virtuaalne kasutuselevõtt on Tööstus 4.0, neljanda tööstusrevolutsiooni, mida iseloomustab digitaaltehnoloogiate integreerimine tootmisprotsessidesse, peamine võimaldaja. Võimaldades digitaalsete kaksikute loomist, hõlbustab virtuaalne kasutuselevõtt andmepõhist otsustamist, ennetavat hooldust ja kohanduvat tootmist.

Võime simuleerida ja optimeerida tootmisprotsesse virtuaalses keskkonnas võimaldab tootjatel kiiresti reageerida muutuvatele turunõudmistele, parandada tõhusust ja vähendada kulusid. Virtuaalne kasutuselevõtt on seetõttu oluline tööriist ettevõtetele, kes soovivad omaks võtta Tööstus 4.0 põhimõtteid ja jääda konkurentsivõimeliseks ülemaailmsel turul.

Juhtumiuuringud: ülemaailmsed näited virtuaalse kasutuselevõtu edust

Juhtumiuuring 1: Autotööstuse tootja – konveieri jõudluse optimeerimine

Ülemaailmne autotootja kasutas virtuaalset kasutuselevõttu oma uue konveieri jõudluse optimeerimiseks. Luues konveierist detailse digitaalse kaksiku, suutsid insenerid simuleerida kogu tootmisprotsessi ja tuvastada võimalikud kitsaskohad. Virtuaalsete simulatsioonide abil suutsid nad optimeerida robotite trajektoore, täiustada PLC loogikat ja parandada materjalivoogu, mille tulemuseks oli läbilaskevõime 15% suurenemine ja seisakute vähenemine 10% füüsilise kasutuselevõtu faasis. See tõi kaasa ka uute sõidukimudelite kiirema turuletoomise aja.

Juhtumiuuring 2: Toidu- ja joogitööstuse ettevõte – pakendiliini tõhususe suurendamine

Juhtiv toidu- ja joogitööstuse ettevõte rakendas virtuaalset kasutuselevõttu oma pakendiliini tõhususe suurendamiseks. Digitaalne kaksik võimaldas neil simuleerida erinevaid pakendistsenaariume ning optimeerida konveierilintide ja robotkäte ajastust. Simulatsioon paljastas ka juhtimissüsteemi disainivead, mis parandati enne füüsilist rakendamist. Selle tulemuseks oli pakendamiskiiruse 20% suurenemine ja märkimisväärne tootejäätmete vähenemine. VC kasutamine hoidis ära kuluka ümbertegemise ja toote turuletoomise viibimise.

Juhtumiuuring 3: Farmaatsiaettevõte – vastavuse tagamine regulatiivsetele nõuetele

Rahvusvaheline farmaatsiaettevõte kasutas virtuaalset kasutuselevõttu, et tagada oma uue tootmisüksuse vastavus rangetele regulatiivsetele nõuetele. Digitaalne kaksik hõlbustas kogu tootmisprotsessi täielikku testimist, tagades kõigi ohutus- ja kvaliteedistandardite täitmise. Virtuaalsete simulatsioonide abil tuvastasid ja parandasid nad võimalikke saastumisriske ning valideerisid puhastusprotseduure, tagades seeläbi regulatiivse vastavuse ja ennetades kulukaid tagasikutsumisi. See kiirendas regulatiivse heakskiidu protsessi ja turuletoomise aega.

Kokkuvõte

Virtuaalne kasutuselevõtt on võimas tööriist, mis muudab tootmistööstust. Võimaldades digitaalsete kaksikute loomist ning pakkudes ohutut ja tõhusat keskkonda automatiseerimistarkvara testimiseks ja valideerimiseks, aitab virtuaalne kasutuselevõtt tootjatel vähendada kulusid, lühendada arendustsükleid, parandada kvaliteeti ja suurendada ohutust. Tehnoloogia edenedes hakkab virtuaalne kasutuselevõtt digitaalses tehases mängima üha olulisemat rolli, võimaldades tootjatel omaks võtta Tööstus 4.0 põhimõtteid ja jääda konkurentsivõimeliseks ülemaailmsel turul. Investeerimine virtuaalsesse kasutuselevõttu võib pakkuda märkimisväärset investeeringutasuvust igas suuruses ettevõtetele.