Цифрова фабрика: віртуальне введення в експлуатацію – революція у виробництві

Виробничий ландшафт зазнає значних трансформацій, зумовлених технологічними досягненнями та зростаючим попитом на ефективність, гнучкість і швидкість. Центральне місце в цій еволюції займає концепція Цифрової фабрики — віртуального представлення реального виробничого середовища. У цьому цифровому просторі віртуальне введення в експлуатацію (ВВЕ) відіграє вирішальну роль, пропонуючи потужний набір інструментів і методів для оптимізації процесів, зниження витрат і прискорення виходу продукції на ринок. Цей вичерпний посібник досліджує тонкощі віртуального введення в експлуатацію, його переваги, виклики та вплив на світове виробництво.

Що таке віртуальне введення в експлуатацію?

Віртуальне введення в експлуатацію — це процес тестування та валідації програмного забезпечення для автоматизації, включаючи програми для ПЛК, програми для роботів та інтерфейси HMI, у віртуальному середовищі перед його розгортанням у фізичній виробничій системі. Це передбачає створення цифрового двійника — високоточної симуляції реальної виробничої системи, що включає механічні компоненти, електричні системи та логіку керування.

Замість тестування безпосередньо на фізичному обладнанні, що може бути трудомістким, дорогим і потенційно небезпечним, віртуальне введення в експлуатацію дозволяє інженерам симулювати весь виробничий процес у віртуальному середовищі. Це дає їм змогу виявляти та вирішувати потенційні проблеми на ранніх етапах циклу розробки, мінімізуючи ризики та покращуючи загальну продуктивність системи.

Ключові компоненти віртуального введення в експлуатацію:

Цифровий двійник: Точне цифрове представлення фізичної виробничої системи, що включає механічні компоненти, датчики, виконавчі механізми та системи керування.
Програмне забезпечення для симуляції: Програмні інструменти, що симулюють поведінку фізичної системи, дозволяючи інженерам тестувати та валідувати логіку керування в реалістичному середовищі. Приклади включають Siemens PLCSIM Advanced, Emulate3D, Process Simulate та ISG-virtuos.
Контролери ПЛК/роботів: Віртуальні представлення програмованих логічних контролерів (ПЛК) та контролерів роботів, які керують фізичною системою.
Комунікаційні інтерфейси: Віртуальні інтерфейси, що забезпечують зв'язок між програмним забезпеченням для симуляції та віртуальними контролерами, імітуючи комунікаційні протоколи, що використовуються в реальній системі (наприклад, OPC UA, Profinet).

Переваги віртуального введення в експлуатацію

Віртуальне введення в експлуатацію пропонує широкий спектр переваг для виробників у різних галузях промисловості. Ці переваги можна класифікувати як економія коштів, скорочення часу, покращення якості та підвищення безпеки.

Економія коштів:

Скорочення простоїв: Виявляючи та вирішуючи потенційні проблеми на ранніх етапах циклу розробки, віртуальне введення в експлуатацію мінімізує простої під час фактичного етапу введення в експлуатацію. Це може призвести до значної економії коштів, особливо в галузях, де простої є надзвичайно дорогими.
Зниження витрат на відрядження: ВВЕ сприяє віддаленій співпраці та тестуванню. Експерти з різних географічних регіонів можуть співпрацювати над проєктом, усуваючи або зменшуючи потребу в міжнародних поїздках, які можуть бути дорогими.
Зменшення відходів матеріалів: ВВЕ дозволяє інженерам оптимізувати процеси та виявляти потенційні проблеми, які можуть призвести до відходів матеріалів на етапі реального виробництва.
Зниження ризику пошкодження: Тестування змін у віртуальному середовищі усуває ризик пошкодження дорогого обладнання під час введення в експлуатацію.

Скорочення часу:

Швидше введення в експлуатацію: Віртуальне введення в експлуатацію значно скорочує час, необхідний для фізичного введення в експлуатацію, завдяки завчасному виявленню та вирішенню проблем.
Скорочення циклів розробки: Завдяки паралельній розробці апаратного та програмного забезпечення, віртуальне введення в експлуатацію скорочує загальні цикли розробки.
Швидший вихід на ринок: Сукупний ефект швидшого введення в експлуатацію та коротших циклів розробки призводить до швидшого виходу нових продуктів на ринок.

Покращення якості:

Оптимізована продуктивність: Віртуальне введення в експлуатацію дозволяє інженерам оптимізувати продуктивність виробничої системи ще до її створення, що призводить до вищої пропускної здатності та покращення якості.
Зменшення помилок: Завдяки ретельному тестуванню та валідації логіки керування у віртуальному середовищі, віртуальне введення в експлуатацію зменшує ризик помилок та несправностей під час реального виробництва.
Раннє виявлення проблем: Віртуальне введення в експлуатацію дозволяє завчасно виявляти конструктивні недоліки або помилки в логіці керування. Це раннє виявлення зменшує вартість доопрацювань і запобігає дорогим затримкам під час впровадження.

Підвищена безпека:

Безпечне середовище для тестування: Віртуальне введення в експлуатацію забезпечує безпечне середовище для тестування потенційно небезпечних сценаріїв, таких як аварійні зупинки або зіткнення роботів.
Зменшення ризиків: Виявляючи та вирішуючи потенційні загрози безпеці у віртуальному середовищі, віртуальне введення в експлуатацію допомагає зменшити ризики в реальній виробничій системі.
Покращене навчання операторів: Операторів можна навчати на віртуальній системі ще до того, як буде побудована фізична система, що покращує їхні навички та зменшує ризик нещасних випадків.

Застосування віртуального введення в експлуатацію

Віртуальне введення в експлуатацію застосовується в широкому спектрі галузей та додатків, зокрема:

Автомобільна промисловість: Автовиробники використовують віртуальне введення в експлуатацію для оптимізації своїх складальних ліній, покращення програмування роботів та скорочення простоїв. Наприклад, Volkswagen активно використовує ВВЕ для оптимізації своїх виробничих процесів на своїх глобальних заводах.
Аерокосмічна галузь: Аерокосмічні виробники використовують віртуальне введення в експлуатацію для симуляції та валідації складних виробничих процесів, таких як складання літаків та виробництво двигунів.
Харчова промисловість та виробництво напоїв: Компанії цієї галузі використовують ВВЕ для оптимізації своїх пакувальних ліній, покращення обробки продукції та забезпечення безпеки харчових продуктів. Прикладом може бути глобальна компанія з розливу напоїв, яка валідує нову пакувальну лінію перед її встановленням.
Фармацевтика: Фармацевтичні компанії використовують віртуальне введення в експлуатацію для симуляції та валідації складних фармацевтичних виробничих процесів, забезпечуючи відповідність суворим нормативним вимогам.
Логістика та складування: Компанії використовують ВВЕ для проєктування та оптимізації автоматизованих складських систем, включаючи автоматизовані керовані транспортні засоби (AGV) та роботизовані системи комплектації. Amazon використовує технології симуляції для оптимізації своїх глобальних складських операцій.
Енергетика: Віртуальне введення в експлуатацію може використовуватися для симуляції та оптимізації автоматизації складних систем генерації та розподілу енергії, включаючи електростанції та установки з відновлюваних джерел енергії.

Проблеми впровадження віртуального введення в експлуатацію

Хоча віртуальне введення в експлуатацію пропонує численні переваги, його успішне впровадження може стикнутися з кількома проблемами:

Високі початкові інвестиції: Впровадження віртуального введення в експлуатацію вимагає початкових інвестицій у програмне забезпечення, обладнання та навчання.
Потреба в експертизі: Віртуальне введення в експлуатацію вимагає спеціалізованих знань у галузі програмного забезпечення для симуляції, програмування ПЛК та мехатроніки.
Управління даними: Підтримка точного та актуального цифрового двійника вимагає надійних процесів управління даними.
Складність інтеграції: Інтеграція інструментів віртуального введення в експлуатацію з існуючими інженерними робочими процесами може бути складною.
Точність моделі: Створення цифрового двійника з достатньою точністю для адекватного представлення реальної системи може бути складним завданням. Модель повинна враховувати всі релевантні змінні та взаємодії всередині системи.

Найкращі практики віртуального введення в експлуатацію

Щоб подолати ці проблеми та максимізувати переваги віртуального введення в експлуатацію, важливо дотримуватися найкращих практик:

Починайте з малого: Почніть з пілотного проєкту, щоб набути досвіду та продемонструвати цінність віртуального введення в експлуатацію.
Визначте чіткі цілі: Чітко визначте цілі проєкту віртуального введення в експлуатацію та метрики, які будуть використовуватися для вимірювання успіху.
Створіть сильну команду: Зберіть команду з необхідними знаннями в галузі програмного забезпечення для симуляції, програмування ПЛК та мехатроніки.
Виберіть правильні інструменти: Виберіть відповідне програмне забезпечення та обладнання для симуляції для конкретного застосування.
Розробіть комплексну модель симуляції: Створіть детальну та точну модель симуляції виробничої системи.
Валідуйте модель симуляції: Перевірте модель симуляції, порівнюючи її поведінку з поведінкою реальної системи.
Інтегруйте з існуючими робочими процесами: Інтегруйте інструменти віртуального введення в експлуатацію з існуючими інженерними робочими процесами для оптимізації процесу розробки.
Постійне вдосконалення: Постійно вдосконалюйте процес віртуального введення в експлуатацію на основі отриманих уроків.

Майбутнє віртуального введення в експлуатацію

Майбутнє віртуального введення в експлуатацію є світлим, з кількома новими тенденціями, що готові подальше розширити його можливості та сфери застосування:

Зростання використання штучного інтелекту (ШІ): Алгоритми ШІ та машинного навчання використовуються для автоматизації створення моделей симуляції, оптимізації логіки керування та прогнозування продуктивності системи.
Інтеграція з хмарними обчисленнями: Хмарні обчислення забезпечують доступ до потужних ресурсів для симуляції та сприяють співпраці між географічно розподіленими командами.
Доповнена реальність (AR) та віртуальна реальність (VR): Технології AR та VR використовуються для візуалізації результатів симуляції та взаємодії з віртуальними системами у більш імерсивний спосіб.
Цифровий потік (Digital Thread): ВВЕ буде все більше інтегруватися з цифровим потоком. Цифровий потік забезпечує безперебійний потік даних та відстежуваність протягом усього життєвого циклу продукту, від проєктування та інжинірингу до виробництва та обслуговування.
Стандартизація: Посилена стандартизація покращить сумісність між інструментами ВВЕ та зменшить складність впровадження.

Віртуальне введення в експлуатацію та Індустрія 4.0

Віртуальне введення в експлуатацію є ключовим фактором Індустрії 4.0, четвертої промислової революції, що характеризується інтеграцією цифрових технологій у виробничі процеси. Завдяки створенню цифрових двійників, ВВЕ сприяє прийняттю рішень на основі даних, предиктивному обслуговуванню та адаптивному виробництву.

Здатність симулювати та оптимізувати виробничі процеси у віртуальному середовищі дозволяє виробникам швидко реагувати на мінливі ринкові потреби, підвищувати ефективність та знижувати витрати. Тому віртуальне введення в експлуатацію є важливим інструментом для компаній, що прагнуть впровадити принципи Індустрії 4.0 та залишатися конкурентоспроможними на глобальному ринку.

Приклади з практики: Глобальні приклади успішного віртуального введення в експлуатацію

Приклад 1: Автомобільний виробник – Оптимізація продуктивності конвеєрної лінії

Світовий автомобільний виробник використав віртуальне введення в експлуатацію для оптимізації продуктивності своєї нової складальної лінії. Створивши детального цифрового двійника складальної лінії, інженери змогли симулювати весь виробничий процес та виявити потенційні вузькі місця. Завдяки віртуальним симуляціям вони змогли оптимізувати траєкторії роботів, вдосконалити логіку ПЛК та покращити потік матеріалів, що призвело до збільшення пропускної здатності на 15% та скорочення простоїв на 10% під час фази фізичного введення в експлуатацію. Це також прискорило вихід на ринок нових моделей автомобілів.

Приклад 2: Компанія з виробництва продуктів харчування та напоїв – Підвищення ефективності пакувальної лінії

Провідна компанія з виробництва продуктів харчування та напоїв застосувала віртуальне введення в експлуатацію для підвищення ефективності своєї пакувальної лінії. Цифровий двійник дозволив їм симулювати різні сценарії пакування та оптимізувати синхронізацію конвеєрних стрічок і роботизованих маніпуляторів. Симуляція також виявила конструктивні недоліки в системі керування, які були виправлені до фізичного впровадження. Це призвело до збільшення швидкості пакування на 20% та значного зменшення відходів продукції. Використання ВВЕ запобігло дорогим доопрацюванням та затримкам запуску продукції.

Приклад 3: Фармацевтична компанія – Забезпечення відповідності нормативним вимогам

Транснаціональна фармацевтична компанія використала віртуальне введення в експлуатацію для забезпечення відповідності суворим нормативним вимогам для свого нового виробничого об'єкта. Цифровий двійник сприяв комплексному тестуванню всього виробничого процесу, гарантуючи дотримання всіх стандартів безпеки та якості. Завдяки віртуальним симуляціям вони виявили та усунули потенційні ризики забруднення та перевірили процедури очищення, тим самим гарантуючи відповідність нормативним вимогам та запобігаючи дорогим відкликанням продукції. Це прискорило процес отримання регуляторного схвалення та час виходу на ринок.

Висновок

Віртуальне введення в експлуатацію — це потужний інструмент, що трансформує виробничу галузь. Забезпечуючи створення цифрових двійників та надаючи безпечне та ефективне середовище для тестування та валідації програмного забезпечення для автоматизації, ВВЕ допомагає виробникам знижувати витрати, скорочувати цикли розробки, покращувати якість та підвищувати безпеку. Оскільки технології продовжують розвиватися, віртуальне введення в експлуатацію відіграватиме все більш важливу роль у Цифровій фабриці, дозволяючи виробникам впроваджувати принципи Індустрії 4.0 та залишатися конкурентоспроможними на світовому ринку. Інвестиції у віртуальне введення в експлуатацію можуть забезпечити значну рентабельність інвестицій для бізнесу будь-якого розміру.