Digitálne dvojča & Factory Twin

Prvé seriózne pokusy komplexnejšie digitalizovať výrobu sa objavili začiatkom deväťdesiatych rokov, s rozvojom systémov počítačom podporovaného navrhovania výrobkov (CAD Computer Aided Design) a systémov pre počítačom integrovanú výrobu (CIM Computer Integrated Manufacturing). Ukázalo sa, že technologická úroveň v danom období neumožnila naplno využiť potenciály CIM. Po vyčerpaní potenciálov štíhlej výroby začiatkom 21. storočia znova začal tlak na digitalizáciu. Teraz však vďaka obrovskému technologickému pokroku a zlacneniu technológií vznikla priaznivejšia situácia pre úspešnú digitalizáciu. Pokrok, ktorý bol dosiahnutý v oblasti digitalizácie technologickej prípravy výroby a samotnej výroby, však úplne absentoval v oblasti technologického projektovania tovární.

Na prelome druhého tisícročia sa objavili prvé riešenia pre digitalizáciu projektovania tovární, ktoré sú známe ako technológie digitálneho podniku (Digital Factory). Digitálny podnik umožnil integráciu celého reťazca činností spojených s výrobou, začínajúc od návrhu produktu, jeho testovania, technologickej prípravy výroby, návrhu výrobného systému až po samotnú výrobu. Požiadavka rastu produktivity prinášala do výroby stále vyšší počet robotov a prvkov automatizácie. Takéto automatizované a robotizované systémy si vyžadovali vysoké investície a preto ich prevádzkovatelia požadovali minimalizáciu stratových časov. Pri požiadavke častých zmien výrobkového mixu vznikali najvyššie straty pri nábehu nových výrob. Preto firma Siemens prišla s produktom Virtual Commissioning, ktorý umožňoval simuláciu a emuláciu činnosti komplexných robotických systémov. Tento prístup, využívajúci virtuálnu realitu, umožnil podstatnú redukciu času uvedenia robotických systémov do plnej prevádzky.

V prípade robotických systémov fungovalo virtuálne uvádzanie do prevádzky tak, že fyzický robotický systém mal svoju virtuálnu reprezentáciu v počítači (digitálne dvojča). Ukázalo sa, že tento koncept je veľmi výhodný aj u iných zariadení a preto Siemens uviedol na trh ďalší nový produkt, známe digitálne dvojča (Digital Twin). Na Siemens vo vývoji nadviazala spoločnosť CEIT zo Žiliny s konceptom dvojčaťa továrne (Factory Twin).

Štíhla výroba predstavovala statický, evolučný koncept zmeny, ktorého princípy dominovali v organizácii výroby od osemdesiatych rokov minulého storočia až do začiatku 21. storočia. Udržanie rastu si po vyčerpaní potenciálov štíhlej výroby vyžadovalo nový revolučný prístup, skokovú zmenu. Nové informačné a komunikačné technológie a exponenciálny rast výpočtového výkonu začali existujúci, statický svet rýchlo meniť. Pre reprezentáciu rýchlych zmien už nepostačovali statické metódy a rozhodovanie si vyžadovalo stále viac využívanie dynamických metód a metód rozhodovania za neurčitosti. Technologickým východiskom v takto dynamizovanom svete sa stala digitalizácia a nové digitálne technológie. Tie umožnili v mnohých prípadoch transformovať klasické technologické princípy na digitálne a využiť výhody digitalizácie.

Digitálne technológie priniesli začiatkom 21. storočia do priemyselného sveta revolúciu, ktorá bola označená ako Digitálny podnik (Digital Factory). Digitálny podnik zahrňoval digitalizáciu troch najvýznamnejších podnikových oblastí: produktov, procesov a zdrojov. Tak sa začala éra, v ktorej boli postupne všetky rozhodujúce fyzické produkčné entity reprezentované ich digitálnymi kópiami, digitálnymi modelmi, nazývanými aj DMU (Digital Mock Ups). Okrem reálneho produkčného systému tak mali zrazu podniky k dispozícii aj digitálny výrobný systém, ktorý bol reprezentovaný súborom statických, kinematických a dynamických digitálnych modelov, vzájomne integrovaných do jednotného digitálneho vývojového prostredia, teda digitálneho podniku. To umožnilo študovať a analyzovať efektívnosť a výkonnosť výroby ešte pred jej uvedením do reálnej prevádzky. Rozhodovanie sa začalo stále viac a viac algoritmizovať, pričom dátovou základňou pre rozhodovanie sa stali výsledky dynamických počítačových simulácií. Tak boli začiatkom 21. storočia podniky konfrontované s dvomi paralelnými svetmi, reálnym a digitálnym (dualita reálny – digitálny svet).

Druhá dekáda 21. storočia priniesla ďalšiu revolučnú zmenu. Moderné reálne továrne, využívajúce najpokrokovejšie technológie, sú označované ako Inteligentné továrne (Smart Factory). Zlacnenie senzorov, rýchly vývoj nových komunikačných prostriedkov a systémov umožnili virtualizáciu sveta výroby. Takýto virtuálny výrobný svet generoval obrovské množstvá dát, ktoré podniky uchovávali, analyzovali a začali využívať pre predikciu budúceho správania sa výrobných systémov. Virtualizácia v tomto prípade znamenala, že riadiaci pracovníci získavali prostredníctvom senzorov informácie o okamžitom stave výrobného systému. Dáta zo senzorov, spracované inteligentnými algoritmami, vytvárali dynamický, virtuálny obraz reálnej výroby, ktorý bol pomenovaný ako Virtuálny podnik (Virtual Factory) a reprezentoval dualitu reálny – virtuálny svet. Prepojením digitálneho a virtuálneho sveta vzniká nová dualita digitálneho a virtuálneho sveta.

Digitalizácia postavená na využívaní technológií virtuálnej reality umožnila vytvárať komplexné digitálne modely výrobných systémov. Tieto digitálne modely však boli izolované, umelo oddelené od reálneho fungovania továrne. Integráciou digitálnych modelov s dátami zbieranými v reálnych výrobných procesoch vznikla dynamická reprezentácia výrobného sveta, ktorá už prostredníctvom dát verne reprezentuje objekty a procesy vo výrobe. Virtualizácia tak umožnila vznik virtuálneho obrazu výrobných systémov, ktorý dostal označenie virtuálna továreň.

Spojením všetkých troch svetov (digitálneho, reálneho a virtuálneho) do jednotného prostredia vznikol úplne nový typ výrobného prostredia, ktorý predstavuje novú kvalitu. Toto výrobné prostredie je najčastejšie označované ako inteligentná výroba (Smart Factory), či v širšom chápaní ako Inteligentný priemysel (Smart Industry).
Továrne budúcnosti budú ďalej vyvíjané s podporou troch integrovaných svetov: digitálneho, reálneho a virtuálneho. Integráciou týchto troch svetov vzniká úplne nový druh výrobného prostredia, ktorý vytvára predpoklady pre úplne využitie potenciálov metód globálnej optimalizácie komplexných priemyselných systémov. Takéto produkčné systémy musia byť navrhované ako samo-organizované, adaptívne systémy, schopné imitovať mechanizmy využívané superorganizmami živej prírody (roje včiel, mravce, kŕdle vtákov a pod.). Koncept takýchto systémov vychádza z architektúry bionických výrobných systémov, ktorá napodobňuje architektúru evolúciou vyvinutých živých prírodných organizmov.

Digitálne dvojča (Digital Twin) je koncept fungovania budúcich produkčných systémov, vychádzajúci z aplikácie digitálnych technológií.

Digitálne dvojča je dnes prezentované hlavne na produktovej úrovni a jeho podstata spočíva vo vytvorení virtuálneho (digitálneho) modelu vyvíjaného produktu, stroja, zariadenia a pod. Takto vytvorený virtuálny model (digitálne dvojča) môže byť využívaný vo všetkých fázach vývoja, prevádzky a zlepšovania produktu. Digitálne dvojča automobilu napríklad umožňuje rádovo redukovať náklady na vývoj a testovanie vyvíjaného automobilu. Celý vývoj a väčšinu testov je možné realizovať prostredníctvom virtuálneho testovania a simulácií, s využitím digitálneho modelu. Fyzické testy sa využívajú len na kalibráciu skúšobnej metódy.

Koncept digitálneho dvojčaťa bol postupne rozšírený z úrovne produktov aj na úroveň procesov, výrobných systémov až po podnikovú úroveň.

Príkladom využitia konceptu digitálneho dvojčaťa na úrovni zariadenia, ktorý postupne prerástol na úroveň komplexného riešenia pre internú logistiku, je systém Factory Twin, vyvíjaný od roku 2004 na Žilinskej univerzite v Žiline. Vo vývoji neskôr pokračovala slovenská spoločnosť CEIT, v spolupráci so spoločnosťou EdgeCom.

Vývoj najskôr prebiehal na úrovni mobilného robotického systému a jeho výstupom bola vývojová platforma pre mobilné robotické aplikácie, ktorá je dnes známa pod obchodným označením Ella.

Táto platforma umožnila realizovať celý vývoj a testovanie nového produktu vo virtuálnej realite, čo zásadným spôsobom skrátilo vývoj vlastného mobilného robota. Vývojová platforma bola postupne rozširovaná a aplikovaná aj vo vývoji a testovaní komplexnejších logistických riešení, využívajúcich autonómne mobilné robotické systémy bez vodiča (AGV Automated Guided Vehicles). Takto vyvinuté komplexné systémy pre internú podnikovú logistiku v súčasnosti pracujú vo viacerých nadnárodných koncernoch.

Riešenie CEIT Smart Factory je nadstavbou digitálneho podniku (Digital Factory), ktoré rozširuje tento koncept o virtuálny podnik (Virtual Factory) a vytvára tak vo virtuálnom prostredí to, čo sa nazýva digitálne dvojča továrne (Factory Twin).

Koncept Factory Twin®

Samotný proces sa začína digitalizáciou a plánovaním v 3D prostredí digitálneho podniku. Návrh je následne racionalizovaný a optimalizovaný s podporou dynamickej simulácie. Návrhom a overením v prostredí Digitálneho dvojčaťa podniku (Factory Twin) môže užívateľ skrátiť nábehový čas výroby na minimum a vyhnúť sa drahým komplikáciám. Skôr než sa začne reálna implementácia zmien, v podniku už môže bežať virtuálny tréning pracovníkov v kľúčových procesoch a príprava personálu na ostrú prevádzku, pre skrátenie krivky učenia a tým aj nábehového času. Virtuálny tréning prebieha v 3D prostredí Factory Twin, ktoré je digitálnym dvojčaťom reálneho systému. Po tom, ako je celé riešenie navrhnuté, optimalizované a beží virtuálny tréning, špecialisti realizujú implementáciu navrhnutých riešení v podnikovom prostredí – od nasadenia komplexných automatických logistických systémov až po dodanie „na mieru“ navrhnutých výrobných liniek. Prevádzka týchto riešení je autonómna, dokážu sa samy optimalizovať v reálnom čase, komunikovať s riadiacim systémom podniku a môžu reagovať na zmeny požiadaviek výroby v reálnom čase. Posledným krokom je automatický zber dát, monitorovanie a analytika, ktoré prinášajú faktografický digitálny obraz vlastného podnikového prostredia, v prostredí Digitálneho dvojčaťa podniku (Factory Twin), ktoré s podporou analytických nástrojov umožňuje ďalšie zlepšovanie celého systému.

Základnou technológiou, ktorú využíva Factory Twin, je technológia lokalizácie objektov v reálnom čase RTLS (Real Time Localisation System), ktorú vyvinula partnerská firma Sewio z Českej republiky.

Celé riešenie integruje tri svety, svet reálnej fyzickej továrne, digitálny svet – reprezentovaný digitálnymi modelmi, ktorých dynamiku možno analyzovať s využitím počítačovej simulácie a virtuálny svet, reprezentovaný dátami, ktorý je možné optimalizovať s využitím technológie emulácie.

Technologický pokrok vytvára trvalý tlak na výrobcov, čo ich núti neustále inovovať nielen výrobky, ale i výrobný systém. Jednou z výrazných inovácií, ktorú priniesla vlna digitalizácie do výroby, je i koncept digitálneho dvojčaťa. Ten si postupne nachádza stále širšie uplatnenie v moderných továrňach. Je sympatické, že na tieto požiadavky priemyslu reaguje aj vývoj a ponúka vlastné, vysoko sofistikované riešenia, ktoré sú okamžite implementované v priemysle.

CEIT

prof. Ing. Milan Gregor, PhD., Ing. Peter Mačuš, PhD.
Foto archívy EdgeCom a CEIT

ceit@ceitgroup.eu