MES – базис для создания «цифрового двойника»

Рассмотрим базовые концепции Индустриальной революции 4.0. Особое внимание уделено инжиниринговым и эксплуатационным моделям «цифровых двойников» производственной системы, используемых для оптимизации и управления материальными потоками предприятия на этапе изготовления продукции. В качестве базового программного обеспечения выбраны исполнительные производственные системы MES (Manufacturing Execution Systems).

Производственная система – особый вид организационно-технической системы, состоящей из средств и предметов производства, базы конструкторско-технологической информации, производственных процессов и комплексов управления ими, совместное функционирование которых позволяет изготавливать изделия, отвечающие своему служебному назначению.

Пройдя через три промышленных революции, мир столкнулся с новым понятием – Industry 4.0 – эта новация рассматривается как будущая четвертая промышленная революция. Именно на этом четвертом этапе стало активно использоваться понятие так называемых «цифровых двойников» (Digital Twins). Этот термин появился еще в начале 2000-х, но с каждым годом, по мере развития промышленных и компьютерных технологий, он получает новое наполнение. Базовая концепция не сложна для понимания: мониторинг физического объекта осуществляется на основе замкнутого цикла информационного обмена между ним и его виртуальной моделью (тем самым «цифровым двойником»).

Говоря о концепции Индустриальной революции 4.0, обычно выделяют шесть базовых инновационных концептуальных подходов к ее реализации:

1. PLM – Product Lifecycle Management – «Управление жизненным циклом изделия».
2. Big Data – «Большие данные».
3. Smart Factory – «Интеллектуальный завод».
4. Cyber-physical Systems – «Киберфизические системы».
5. Internet of Things (IoT) – «Интернет вещей».
6. Interoperability – «Функциональная совместимость».

На стадии управления жизненным циклом изделия (PLM) создается так называемый «цифровой двойник» изделия, а на стадии организации производства и изготовления (Smart Factory) формируется цифровая модель материальных потоков, представляющая собой «цифровой двойник» производственной системы.

«Цифровой двойник» изделия включает:

• Геометрическую и структурную модель объекта.
• Набор расчетных данных деталей, узлов и изделия в целом (математические модели, описывающие все происходящие в объекте физические процессы).
• Информацию о технологических процессах изготовления и сборки отдельных элементов.
• Систему управления жизненным циклом изделия.

«Цифровой двойник» изделия может использовать модифицированную численную модель с измененными характеристиками износа или производительности. Информация от датчиков, подключенных к реальному объекту, может передаваться «цифровому двойнику» изделия в качестве граничных условий в режиме реального времени с целью моделирования, анализа и прогноза поведения объекта в рамках его служебного назначения.

«Цифровые двойники» изделия – эволюция и классификация

Впервые полноценно эта концепция была описана в Мичиганском университете в 2002 году. Сейчас «цифровым двойником» изделия называют его виртуальную модель, которая на микро- и макроуровне либо описывает реально существующий объект (выступая как дубль готового конкретного изделия), либо служит прототипом будущего объекта. При этом любая информация, которая может быть получена при тестировании физически существующего изделия, должна быть получена и на базе тестирования его «цифрового двойника».

«Цифровой двойник» изделия применяется на всех стадиях жизненного цикла изделия, включая проектирование, производство, эксплуатацию и утилизацию.

Классификация двойников изделия:

1. Цифровые двойники-прототипы (Digital Twin Prototype, DTP). DTP-двойник характеризует изделие, прототипом которого он является, и содержит информацию, необходимую для описания и создания физических версий экземпляров изделия. Эта информация включает геометрическую и структурную модели, технические требования и условия; стоимостную модель, расчетную (проектную) и технологическую модели изделия. DTP-двойник можно считать условно-постоянной виртуальной моделью изделия.

2. Цифровые двойники-экземпляры (Digital Twin Instance, DTI). DTI-двойники изделия описывают конкретный физический экземпляр семейства изделия, с которым двойник остается связанным на протяжении всего срока службы. Двойники этого типа создаются на базе DTP-двойника и дополнительно содержат производственную и эксплуатационную модели, которые включают историю изготовления изделия, применяемость материалов и комплектующих, а также статистику отказов, ремонтов, замены узлов и агрегатов и др. Таким образом, DTI-двойник изделия подвергается изменениям в соответствии с изменениями физического экземпляра при его эксплуатации.

3. Агрегированные двойники (Digital Twin Aggregate, DTA). DTA-двойники изделия определяются как информационная система управления физическими экземплярами семейства изделия, которая имеет доступ ко всем их «цифровым двойникам».

Понятие «цифрового двойника» производственной системы ­

Практическая реализация концепции Industry 4.0 потребовала пересмотра информационного описания производственной системы и реализуемых в ней процессов, особенно на стадии создания интеллектуального завода (Smart Factory).

Во многом это вызвано отсутствием возможности информационных систем машиностроительных предприятий использовать «цифровые двойники» изделий при технологической подготовке производства и в управлении процессом изготовления этих изделий. Указанные компьютерные модели также становятся малоинформативными, когда возникает потребность в оптимизации материальных потоков на этапе производства изделий.

Этапы жизненного цикла производственной системы отличаются от этапов жизненного цикла производимых изделий. Основным отличием является то, что производственная система машиностроительного предприятия на этапе ее эксплуатации подвержена функциональным и структурным изменениям. Это вызвано как необходимостью ее технического перевооружения при изменении номенклатуры и/или программы выпуска, так требованием повышения общей эффективности станочной системы (коэффициента OEE – Overall Equipment Effectiveness) при снижении цикла изготовления изделий (коэффициента MCE – Manufacturing Cycle Effectiveness). В результате этих изменений создаются новые конфигурации производственной системы.

Задача цифровизации производственной цепочки обусловлена требованием обеспечения «прозрачности» производства, и оперативного отслеживания его текущих изменений, что позволяет на основе математических моделей многокритериальной оптимизации эффективно управлять соответствующими материальными потоками. Цифровой двойник производства позволяет моделировать изменения (улучшения) и просчитывать их возможные последствия при реализации на уровне исполнительных подразделений. Получение обратной связи математической модели процесса и его реального поведения в режиме online является актуальной задачей обработки и анализа больших данных (Big Data), формируемых с помощью индустриального интернета (IoT).

Следовательно, если на стадии управления жизненным циклом (PLM) применяются «цифровые двойники» изделий, то на стадии интеллектуального завода (Smart Factory) встает новая актуальная задача – эффективного использования технологического оборудования предприятия на основе цифровизации производства. Возникает необходимость создания цифрового дуализма иного рода – «цифрового двойника» производственной системы (ПС), – инструмента, моделирующего производственные процессы.

Поэтому по аналогии с «цифровым двойником» изделия формируется и «цифрой двойник» производственной системы применительно к ее конкретной конфигурации, включающей как инжиниринговую, так и эксплуатационную цифровые модели ПС.

«Цифровой двойник» производственной системы включает в себя:

• Инжиниринговую модель ПС, содержащую цифровое описание ресурсов предприятия, структуру станочной системы, средства технологического оснащения, номенклатуру и технологии изготовления изделий, систему сбора информации о текущем состоянии оборудования.
• Эксплуатационную модель ПС, являющуюся цифровой платформой для описания логистической архитектуры предприятия, формирования планов-графиков изготовления изделий, межцеховой и внешней кооперации, включая регламенты технического обслуживания и ремонта оборудования. Математическому описанию также подлежит динамика внутрицеховых материальных потоков, на основе цифровизации которых формируются оптимальные производственные расписания выполняемых работ.

Наиболее сложным для практической реализации является эксплуатационная модель «цифрового двойника» ПС, на которую, в частности, возлагаются следующие функции:

• Проводить необходимые расчеты для принятия управленческих решений.
• Отображать в режиме реального времени производственные процессы, протекающие в производственной системе.
• Проводить различные эксперименты «что если» путем математического моделирования производственных процессов.

Оптимизация внутрицеховых материальных потоков достигается средствами специального софта категории MES (Manufacturing Execution System) – программного обеспечения, предназначенного для оперативного календарного планирования производства.

11 функциональных требований к MES-системам

• Контроль состояния и распределение ресурсов (RAS) – Resource allocation.
• Оперативное/детальное планирование (ODS) – Operation detailed scheduling.
• Диспетчеризация производства (DPU) – Dispatching production units.
• Управление документами (DOC) – Document control.
• Сбор и хранение данных (DCA) – Data collection acquisition.
• Управление персоналом (LM) – Labor management.
• Управление качеством продукции (QM) – Quality management.
• Управление производственными процессами (PM) – Process management.
• Управление техобслуживанием и ремонтом (MM) – Maintenance management.
• Отслеживание истории продукта (PTG) – Product tracking & genealogy.
• Анализ производительности (PA) – Performance analysis.

Это программное обеспечение, включенное в эксплуатационную модель «цифрового двойника» ПС, рассчитывает производственное расписание по различным оптимизационным критериям. В расчете используются технологические процессы изготовления изделий, где ставится многокритериальная оптимизационная задача максимизировать коэффициент OEE при эффективном снижении потерь рабочего времени технологического оборудования. Что равносильно снижению значения показателя MCE – «цифрового показателя», характеризующего эффективность производственного цикла. Пример многокритериальной оптимизации производственного расписания средствами MES:

Еще одной важной задачей эксплуатационной модели «цифрового двойника» производственной системы является минимизация возможных отказов технологического оборудования за счет своевременного проведения планово-предупредительных ремонтов (ТОиР). Часто эта функция реализуется в системах производственного управления класса ERP (Enterprise Resource Planning). На уровне эксплуатационной модели «цифрового двойника» ПС функции ТОиР учитываются как дополнительные операции, оптимизируемые в оперативном плане производства так, чтобы они минимально влияли на скорость прохождения обрабатываемых изделий через станочную систему предприятия. Эту задачу принимают на себя MES-системы.

Важно, чтобы цифровая модель ПС поддерживалась в актуальном состоянии через реализацию непосредственной связи с оборудованием и производственными постами, с учетом текущего состояния изготавливаемых изделий. Для решения этой задачи, которая базируется на системах класса MDC/MDA (Machine Data Collection/Machine Data Acquisition) или SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), используется индустриальный интернет (IoT – Internet of Things). Последний призван обеспечить связь сенсоров, датчиков и другой аппаратуры сбора данных с существующими системами управления производством и эксплуатационной моделью «цифрового двойника» производственной системы.

Выводы

«Цифровой двойник» (Digital Twin) – фундаментальное понятие «цифрового производства» (Smart Factory), которое следует связывать как непосредственно с самим изделием, в этом случае применяется термин «цифровой двойник» изделия, так и с процессом изготовления изделий – в этом случае следует использовать термин «цифровой двойник» производственной системы. Последний включает в себя как инжиниринговую, так и эксплуатационную цифровые модели. Используемые совместно на этапе жизненного цикла изделия (Product Lifecycle Management), эти цифровые двойники должны быть функционально связаны между собой (Interoperability) и обеспечивать эксплуатационные характеристики проектируемого и изготавливаемого изделия в соответствии с его служебным назначением. В основе эксплуатационных моделей «цифровых двойников ПС» лежит программное обеспечение категории MES.

Фото: pixabay.com