Le jumelage numérique offre de nouveaux avantages potentiels

Depuis plus d'une décennie, des concepts complets de "gestion du cycle de vie des produits" (PLM) se sont imposés, qui reposent sur une plate-forme intégrative et sur des méthodes et des processus de soutien aux processus commerciaux stratégiques. Dans le prolongement des approches précédemment fortement axées sur l'ingénierie et la mécanique, le PLM offre une plate-forme d'intégration interdisciplinaire pour la mécanique, l'électricité/électronique, les logiciels et la documentation ainsi que des solutions de fabrication numérique permettant de fusionner le développement et la production.

Le jumeau numérique - qu'est-ce que c'est ?
Le jumeau numérique va plus loin : en tant qu'image numérique complète, il doit non seulement contenir tous les aspects de l'information, mais aussi le comportement mécatronique en interaction avec d'autres objets.

Cela permet de vérifier certains aspects d'une véritable usine de production sans affecter la production en cours. Par exemple, en cas de problème avec une machine dans l'usine de production réelle, l'interaction des composants mécatroniques (porte de chargement, capteurs, actionneurs, signaux d'entrée/sortie, programme PLC, etc.

Domaines du jumeau numérique
Basé sur les trois phases de base du cycle de vie, à savoir le développement, la production et l'exploitation ou le service, le jumeau numérique peut être divisé en trois domaines différents (jumeau de produit, de production et de service).

Le Produit jumelé est l'image numérique d'un produit, qui est créée au début d'un développement et est progressivement développée avant que le produit réel ne commence à exister. La représentation du produit contient la structure du produit ainsi que d'autres contenus de définition tels que la géométrie dans M-CAD, le schéma électrique dans E-CAD, le logiciel, etc.

Le jumeau de production est l'image numérique d'une usine et des processus de fabrication, d'assemblage et d'essai requis. L'usine peut être subdivisée en plusieurs lignes et contenir des équipements de fabrication, des machines de production et des dispositifs de manutention. Les processus d'assemblage et d'essai sont mis en correspondance avec une structure de processus qui consomme des pièces ou des assemblages sur plusieurs chaînes de montage jusqu'à ce que le produit soit complètement assemblé.

Le Service Twin est l'image numérique des contextes de service (pièces d'usure et de rechange, plans de service) ainsi que des états de fonctionnement d'un objet physique réel. En enregistrant les données de fonctionnement (température, indicateurs d'usure, etc.), l'état actuel peut être recueilli dans un nuage, quel que soit l'endroit, afin de spécifier spécifiquement le travail de service nécessaire en fonction des caractéristiques réelles d'utilisation.

Utilisation pour la mise en service virtuelle
Avec un jumeau numérique, des méthodes interdisciplinaires peuvent être utilisées dans le développement de produits mécatroniques pour créer un concept mécatronique au départ, qui sert de base aux différentes disciplines d'ingénierie afin que les équipes puissent travailler de manière hautement parallèle et efficace. En outre, le processus de mise en service peut également être amélioré. Dans le passé, les différents composants ne se réunissaient que sur place et la mise en service était un processus long, risqué et coûteux car les problèmes n'étaient identifiés qu'à un stade tardif. La base de la mise en service réelle est la machine réelle, qui ne devient disponible qu'après la phase de développement.

En revanche, le jumeau numérique est disponible à un stade précoce et peut déjà être utilisé pendant la phase de développement pour une mise en service virtuelle avant que la première pièce réelle ne soit fabriquée. Le jumeau numérique émule la mécanique, les actionneurs et les capteurs du système réel ultérieur et offre une représentation 3D réaliste. De nouvelles possibilités se présentent pour le développement de l'automatisation, puisque le code de contrôle peut être testé et optimisé par rapport au jumeau numérique à un stade précoce, ce qui donne deux possibilités :

• Le matériel dans la boucle (HiL),
• Logiciel dans la boucle (SiL).

Dans le cas du matériel dans la boucle (HiL), le jumeau numérique interagit avec un contrôleur réel, c'est-à-dire que le matériel de contrôle est connecté à un PC via un câblage. Une telle connexion intelligente du monde virtuel avec le monde réel est appelée système cyberphysique (SCP). L'état actuel du code PLC est exécuté sur le contrôleur en interaction avec le modèle de simulation dans le jumeau numérique. Des signaux sont échangés entre les deux systèmes et la séquence de programme est affichée en temps réel via une visualisation 3D.

Dans le cas des logiciels en boucle (SiL), le jumeau numérique interagit avec un contrôleur virtuel, et l'ensemble des fonctionnalités réside sur un PC. Cela peut être avantageux dans une phase précoce, lorsque le véritable contrôleur n'est pas encore disponible.

Le commissionnement virtuel permet non seulement d'augmenter l'efficacité et de réduire les temps de développement, mais aussi d'améliorer considérablement le statut de développement du logiciel lors de la saisie du commissionnement réel sur le site de construction. Ainsi, la mise en service réelle peut être réalisée dans un délai plus court, de manière plus rentable et avec moins de risques.

Une autre application importante de la mise en service virtuelle est la reconstruction de scénarios en cours d'exploitation, pour lesquels on ne dispose généralement que d'une courte période pour reconstruire le matériel et mettre en service la nouvelle installation avec le nouveau système de contrôle. Comme les temps d'arrêt autorisés doivent être strictement respectés, les méthodes de simulation sont indispensables. En outre, le jumeau numérique peut être utilisé de manière idéale à des fins de formation afin de former le personnel d'exploitation au système de contrôle réel de manière purement virtuelle via HiL.

Pertinence de l'industrie 4.0
De nombreux consommateurs utilisent désormais Internet pour faire des achats en ligne. Les configurateurs de vente deviennent de plus en plus flexibles, jusqu'aux produits personnalisés, ce qui entraîne des besoins de personnalisation en masse pour les usines afin de produire des variantes qui n'ont jamais été disponibles auparavant de la manière la plus automatisée et la plus rentable possible. Pour les fabricants, cela signifie qu'ils doivent optimiser leurs processus internes, les automatiser de plus en plus et saisir les nouvelles opportunités offertes par la numérisation plus rapidement que leurs concurrents. Où ce besoin d'action est-il le plus grand aujourd'hui ?

Ce ne sont ni l'industrie ni la complexité du produit qui sont déterminantes pour le besoin et le potentiel en ce qui concerne Industry 4.0, mais plutôt les caractéristiques des processus de l'entreprise, c'est-à-dire la manière dont le produit est vendu sur le marché (en tant que produit standard ou avec variabilité). Les processus efficaces d'Industrie 4.0 sont principalement requis pour les produits à forte variance et au moins pour les quantités moyennes, ce qui est très probablement le cas pour un processus "Configure To Order".

Motivation et nécessité d'agir
Dans le passé, il y avait aussi des tendances technologiques aux avantages prometteurs. Cependant, la motivation et la nécessité de la numérisation avec Industrie 4.0 vont au-delà de cela, car l'environnement commercial est en train de changer radicalement. Les innovations perturbatrices entraînent de plus en plus souvent la disparition de modèles commerciaux avec lesquels des entreprises renommées connaissaient auparavant un succès à long terme. Depuis 2000, une bonne moitié des entreprises du Fortune 500 ont disparu, le principal déclencheur étant la numérisation. D'ici 2020, quelque 50 milliards d'appareils devraient être disponibles sur l'internet, ce qui entraînera une croissance des recettes de plus de 250 milliards de dollars. Cela a été un signal d'alarme pour de nombreux PDG et a conduit à mettre Industry 4.0 à leur agenda.