Symulacje z wykorzystaniem cyfrowych bliźniaków

Fot. macrovector - pl.freepik.com

Cyfrowe bliźniaki wspierają technologie symulacji, tworząc podstawy dla ciągłej optymalizacji procesów i efektywnej pracy zakładu.

Wyobraźmy sobie, że jesteśmy w stanie przewidzieć działanie przedsiębiorstwa ze stuprocentową dokładnością. Kluczem do osiągnięcia tego jest wdrażanie symulacji, których wyniki często są bardzo zbieżne z rzeczywistością. W modelu typu cyfrowy bliźniak rzeczywistość – w tym przypadku obejmująca wszystkie komponenty instalacji, ich charakterystyki i funkcje – jest opisana za pomocą równań matematycznych. Cyfrowy bliźniak może odwzorować nie tylko rzeczywistość, ale również scenariusze „co, jeśli”, aby zapewnić wiarygodne prognozy przyszłego zachowania maszyn. Jest to możliwe dlatego, że model nie jest ograniczony ani limitami technicznymi urządzenia, ani ograniczeniami bezpieczeństwa, a optymalizacja procesu może się odbywać w bezpiecznym, wirtualnym środowisku. Ponieważ symulacje nie mają ograniczeń czasowych, nawet dokładne przewidywania co do zachowania danego systemu są już w naszym zasięgu. W idealnym scenariuszu, trzy „niezależne” modele cyfrowe współpracują w jednej instalacji procesowej: Cyfrowy bliźniak produktu, wirtualny obraz zakładu produkcyjnego oraz cyfrowe modelowanie wydajności produktu i produkcji. Aby zrozumieć koncepcję cyfrowego bliźniaka, należy pamiętać, że głębia szczegółów – dokładność bliźniaka – zależy od zamierzonego celu. W zależności od konkretnego zadania, np. symulacji produkcji, optymalizacji procesu produkcyjnego czy rozwiązywania problemów ekonomicznych, wymagane i przydatne są modele o większej lub mniejszej dokładności. 

Nowe podejście do wytwarzania, cykl życia systemu 

Nowe perspektywy wyłaniają się z podejścia polegającego na integracji poszczególnych modeli i narzędzi programowych w spójny, semantycznie powiązany system. Do stworzenia tego typu systemów i modeli wymagana jest ogromna ilość wiedzy z zakresu inżynierii procesowej, w połączeniu z wieloma systemami oprogramowania. Dlatego możliwe jest wykorzystanie istniejącej wiedzy o systemie oraz najnowszych dostępnych informacji do stworzenia wstępnego cyfrowego bliźniaka procesu przy użyciu oprogramowania symulacyjnego. Znajduje to zastosowanie przy projektowaniu instalacji i jej komponentów – tzw. projekt koncepcyjny. W tej fazie cała wiedza przepływa do diagramu przepływu procesu (PFD), który jest podstawą cyfrowego bliźniaka procesowego. W następnej fazie projektowania cyfrowy proces jest przenoszony do narzędzia planowania systemu, tworząc podstawę cyfrowego procesu symulacji. Jest on kolejno rozszerzany o dalsze elementy specyficzne dla danego systemu. Podstawowa struktura cyfrowego bliźniaka instalacji może być następnie utworzona za pomocą odpowiednich narzędzi. Po zakończeniu prac inżynierskich wszystkie wymagane informacje są przekazywane do systemu sterowania procesem. Dodatkowo, działanie systemu jest odwzorowywane na platformie symulacyjnej, dzięki czemu możemy wirtualnie uruchomić oprogramowanie automatyki procesu. Wirtualne uruchomienie ma wiele zalet – z jednej strony wszystkie funkcje automatyki mogą być przetestowane z wyprzedzeniem, podczas gdy symulacja może być również wykorzystana do przygotowania i szkolenia operatorów systemu, szczególnie w przypadku najważniejszych scenariuszy, które mogą być odtwarzane w środowisku wirtualnym bez żadnego ryzyka dla rzeczywistej instalacji. Dzięki temu możliwe jest szkolenie zarówno w zakresie standardowej eksploatacji, jak i zachowania systemu w razie różnego rodzaju zakłóceń. 

Więcej niż rzeczywistość dzięki wirtualnym czujnikom 

Wirtualne czujniki to jedno z ważniejszych zastosowań dla modelu cyfrowego bliźniaka w fazie operacyjnej. Szacują one zmienne procesowe, które nie są dostępne za pomocą modelu procesu, w celu optymalizacji sterowania procesem zgodnie z wymaganiami. Model ten jest w idealnym przypadku istniejącym cyfrowym bliźniakiem zakładu produkcyjnego. Dotychczasowe doświadczenia pokazują, że technologie oparte na modelach są kluczem do wykonywania symulacji, optymalizacji procesów i dokładnego prognozowania. Konsekwentne wykorzystanie trzech wspomnianych wcześniej cyfrowych bliźniaków produktu, produkcji i wydajności zwiększa korzyści ekonomiczne w całym cyklu życia instalacji procesowej. Korzyści te mogą być jeszcze większe, jeśli modele symulacyjne są wzajemnie powiązane.


Eckard Eberle jest dyrektorem generalnym Siemens Process Automation. Ten artykuł po raz pierwszy ukazał się na stronie Control Engineering Europe.