Il gemello digitale permette nuovi potenziali benefici

Da più di un decennio hanno preso piede concetti completi di "Product Lifecycle Management (PLM)", che si basano su una piattaforma integrativa e su metodi e processi di supporto per processi aziendali strategici. Come estensione degli approcci precedentemente basati sull'ingegneria e la meccanica, il PLM offre una piattaforma di integrazione interdisciplinare per la meccanica, l'elettricità/elettronica, il software e la documentazione, nonché soluzioni di produzione digitale per fondere sviluppo e produzione.

Gemello digitale - che cos'è?
Il gemello digitale fa un passo avanti: come immagine digitale completa, non dovrebbe contenere solo tutti gli aspetti informativi, ma anche il comportamento meccatronico in interazione con altri oggetti.

Questo permette di controllare gli aspetti di un impianto di produzione reale senza influenzare la produzione in corso. Per esempio, in caso di problemi con una macchina nell'impianto di produzione reale, l'interazione dei componenti meccatronici (porta di carico, sensori, attuatori, segnali I/O, programma PLC, ecc.

Domini del gemello digitale
Sulla base delle tre fasi fondamentali del ciclo di vita di sviluppo, produzione e funzionamento o servizio, il gemello digitale può essere diviso in tre diversi domini (gemello di prodotto, produzione e servizio).

Il sito Prodotto gemello è l'immagine digitale di un prodotto, che viene creata all'inizio di uno sviluppo e viene gradualmente sviluppata prima che il prodotto reale inizi ad esistere. La rappresentazione del prodotto contiene la struttura del prodotto così come altri contenuti definitori come la geometria in M-CAD, lo schema elettrico in E-CAD, il software, ecc.

Il gemello di produzione è l'immagine digitale di una fabbrica e dei processi di produzione, assemblaggio e collaudo richiesti. La fabbrica può essere suddivisa in diverse linee e contenere attrezzature di produzione, macchine di produzione e dispositivi di movimentazione. I processi di assemblaggio e collaudo sono mappati in una struttura di processo che consuma parti o assemblaggi attraverso più linee di assemblaggio fino a quando il prodotto è completamente assemblato.

Il sito Servizio Gemelli è l'immagine digitale dei contesti di servizio (usura e pezzi di ricambio, piani di servizio) così come degli stati operativi di un oggetto fisico e reale. Registrando i dati di funzionamento (temperatura, indicatori di usura, ecc.), lo stato attuale può essere raccolto in una nuvola, indipendentemente dalla posizione, al fine di specificare specificamente il lavoro di assistenza necessario in base alle caratteristiche reali di utilizzo.

Utilizzo per la messa in servizio virtuale
Con un gemello digitale, i metodi interdisciplinari possono essere utilizzati nello sviluppo di prodotti meccatronici per creare un concetto meccatronico all'inizio, che serve come base per le singole discipline ingegneristiche in modo che i team possano lavorare in modo altamente parallelo ed efficiente. Inoltre, anche il processo di messa in servizio può essere migliorato. In passato, i singoli componenti si riunivano solo in loco e la messa in servizio era un processo lungo, rischioso e costoso perché i problemi venivano identificati solo in una fase tardiva. La base per la vera messa in servizio è la macchina reale, che diventa disponibile solo dopo la fase di sviluppo.

Al contrario, il gemello digitale è disponibile in una fase iniziale e può essere utilizzato già durante la fase di sviluppo per la messa in funzione virtuale prima che il primo pezzo reale sia prodotto. Il gemello digitale emula la meccanica, gli attuatori e i sensori del sistema reale successivo e offre una rappresentazione 3D realistica. Sorgono nuove possibilità per lo sviluppo dell'automazione, poiché il codice di controllo può essere testato e ottimizzato contro il gemello digitale in una fase iniziale, per cui ci sono fondamentalmente due possibilità:

• Hardware in the loop (HiL),
• Software in the loop (SiL).

Nel caso dell'hardware in the loop (HiL), il gemello digitale interagisce con un controller reale, cioè l'hardware di controllo è collegato a un PC tramite un cablaggio. Una tale connessione intelligente del mondo virtuale con il mondo reale è chiamata sistema cyber-fisico (CPS). Lo stato attuale del codice PLC viene eseguito sul controller in interazione con il modello di simulazione nel gemello digitale. I segnali vengono scambiati tra i due sistemi e la sequenza del programma viene visualizzata in tempo reale tramite la visualizzazione 3D.

Nel caso del software in the loop (SiL), il gemello digitale interagisce con un controller virtuale, e l'intera funzionalità risiede su un PC. Questo può essere vantaggioso in una fase iniziale quando il vero controllore non è ancora disponibile.

Con la messa in funzione virtuale, non solo si possono ottenere aumenti di efficienza e tempi di sviluppo più brevi, ma anche uno stato di sviluppo del software significativamente più alto quando si entra nella messa in funzione reale sul posto in cantiere. Di conseguenza, la vera messa in servizio può essere effettuata in un tempo più breve, in modo più economico e con meno rischi.

Un'altra importante applicazione per la messa in servizio virtuale sono gli scenari di ricostruzione durante il funzionamento, per i quali di solito è disponibile solo un breve periodo di tempo per ricostruire l'hardware e mettere in servizio il nuovo impianto con il nuovo sistema di controllo. Poiché i tempi di inattività consentiti devono essere rigorosamente rispettati, i metodi di simulazione sono indispensabili per questo. Inoltre, il gemello digitale può essere utilizzato idealmente per scopi di formazione al fine di addestrare il personale operativo sul sistema di controllo reale in modo puramente virtuale tramite HiL.

Rilevanza di Industria 4.0
Molti consumatori ora usano Internet per fare acquisti online. I configuratori di vendita stanno diventando sempre più flessibili, fino ai prodotti personalizzati, con la conseguente necessità di una personalizzazione di massa per le fabbriche al fine di produrre varianti che non sono mai state disponibili prima nel modo più automatizzato e ottimizzato possibile. Per i produttori, questo significa che devono ottimizzare i loro processi interni, automatizzarli sempre di più e cogliere nuove opportunità attraverso la digitalizzazione più velocemente dei loro concorrenti. Dove è più grande questo bisogno di azione ora?

Né il settore né la complessità del prodotto sono decisivi per la necessità e il potenziale rispetto all'Industria 4.0, ma piuttosto le caratteristiche dei processi aziendali, cioè come il prodotto viene venduto sul mercato (come prodotto standard o con variabilità). I processi efficienti di Industrie 4.0 sono richiesti principalmente per un'alta varianza di prodotti e quantità almeno medie, che è il caso più probabile per un processo "Configure To Order".

Motivazione e necessità di azione
In passato, c'erano anche tendenze tecnologiche con benefici promettenti. Tuttavia, la motivazione e la necessità della digitalizzazione con Industrie 4.0 vanno oltre questo, perché l'ambiente aziendale sta cambiando drammaticamente. Le innovazioni dirompenti portano sempre più spesso alla scomparsa di modelli di business con i quali aziende ben note hanno precedentemente goduto di un successo a lungo termine. Dal 2000, una buona metà delle aziende Fortune 500 sono scomparse, la causa principale è stata la digitalizzazione. Entro il 2020, si prevede che circa 50 miliardi di dispositivi saranno su Internet, guidando una crescita del fatturato superiore a 250 miliardi di dollari. Questo è stato un campanello d'allarme per molti amministratori delegati e ha portato l'Industria 4.0 nella loro agenda di amministratori delegati.