Цифровые двойники: как интернет вещей предотвращает аварии на производстве

Представим завод со сложным оборудованием, поломки которого приносят миллионные убытки. Каждый сбой — простой в работе, трата времени и сил технических специалистов, сорванные сроки поставок. Намного дешевле и выгоднее вовремя выявлять проблемы со станками и проводить техническое обслуживание, не дожидаясь форс-мажора — и это возможно.

Неожиданных поломок и простоев в работе можно избежать, если есть цифровой двойник предприятия — виртуальная копия реального оборудования или всего завода. Чтобы понять, где возникла неисправность, техническим специалистам достаточно посмотреть данные на компьютере. Мы разберемся, что же такое цифровой двойник и как он помогает следить за работой оборудования и предсказывать сбои.

Что такое цифровой двойник и как он работает

Цифровой двойник (digital twin) — технология интернета вещей, виртуальное представление реального объекта, размещенное на локальных серверах компании или в облаке. Принцип его работы в следующем: датчики, установленные на реальном оборудовании, собирают данные о состоянии системы, а затем передают их своей цифровой копии. На компьютере отображаются графики с нужными данными и 3D-модель оборудования.

Поскольку виртуальная копия обладает той же информацией, что и реальное оборудование, техническим специалистам не требуется каждый раз спускаться в цех или выезжать на объект. В случае применения цифрового двойника контролировать работу оборудования можно удаленно.

Данные о работе оборудования в виде графиков. Источник

Создать виртуальную копию можно как для конкретной детали, так и для всего завода или производственного процесса. Цифровой двойник может работать на одном из четырех уровней:

1. Цифровой двойник компонента. Если работа механизма серьезно зависит от состояния одной детали, можно создать виртуальную копию только для нее. Например, для подшипника на вращающейся части оборудования.
2. Цифровой двойник актива обеспечивает контроль за состоянием конкретного оборудования, например, двигателя или насоса. При необходимости двойники механизмов могут обмениваться информацией с виртуальными копиями компонентов.
3. Цифровой двойник системы позволяет контролировать несколько активов, которые работают совместно или выполняют одну и ту же функцию. Например, можно создать цифровую копию завода или одной производственной линии.
4. Цифровой двойник технологического процесса — двойник высшего уровня, который дает представление обо всем производственном процессе. Он может получать информацию от двойников активов или систем, но уделять больше внимания не работе конкретного оборудования, а процессу в целом.

Какие задачи позволяет решать технология цифрового двойника

Поскольку цифровой двойник обладает всей информацией об оборудовании, то у компании появляются новые возможности:

1. Своевременно узнавать о неполадках. Данные с датчиков обновляются в режиме реального времени. И технические специалисты всегда видят, правильно ли работает оборудование или возникла аномалия, способная привести к сбою либо аварии на производстве.
2. Прогнозировать поломки и износ оборудования. Благодаря данным, полученным от цифрового двойника, можно планировать техническое обслуживание и заранее менять детали, которые предположительно могут выйти из строя.
3. Оптимизировать работу производства. Со временем цифровой двойник накапливает данные о работе оборудования. Проанализировав их, можно оптимизировать работу предприятия и сократить издержки.

Желтым цифровой двойник отметил детали, которые износились в реальном оборудовании. Источник

Примеры цифровых двойников: виртуальные копии городов, автомобилей и заводов

Цифровые двойники — востребованная технология. По данным Gartner, 24% организаций, использующих IoT-решения на производстве, уже внедрили цифровых двойников. Еще 42% планируют это сделать в течение трех лет.

Создать виртуальную копию можно практически для любого механизма: конкретной детали, целого завода или даже города. Вот несколько примеров использования технологии цифрового двойника в промышленности и не только:

1. Tesla создает цифрового двойника для каждого проданного автомобиля. Встроенные в него датчики передают данные на завод, где искусственный интеллект решает, штатно ли работает машина или ей требуется техническое обслуживание. Причем некоторые сбои компания устраняет удаленно, просто обновив ПО автомобиля.
2. Chevron Corporation использует технологию на нефтяных месторождениях и нефтеперерабатывающих заводах, чтобы предсказывать возможные технические проблемы. Предполагается, что применение цифровых двойников на производстве расширят к 2024 году.
3. У Сингапура есть цифровой двойник — динамическая трехмерная модель города со всеми объектами: от зданий и мостов до бордюров и деревьев. В виртуальный Сингапур поступают данные с городских датчиков и информация от госучреждений. Положительные эффекты внедрения цифрового двойника города: правительство может прогнозировать действия в случае ЧС, а архитекторы — планировать новые стройки с учетом городской инфраструктуры.

Внедрение цифрового двойника: от пилотного проекта до масштабирования технологии

Оптимально начать внедрение технологии с конкретного оборудования или процесса. И масштабировать ее, если пилотный проект успешен. Вот как чаще всего устроен процесс внедрения:

1. Сначала стоит подумать, в каких подразделениях и на каком оборудовании имеет смысл внедрять первого цифрового двойника. Оптимально, чтобы выбранное оборудование было ключевым элементом производственного процесса, а благодаря виртуальной копии удалось решить какие-то производственные проблемы.
2. Теперь необходимо сузить выбор и определиться с оборудованием или процессом для пилотного проекта. Лучше не пытаться сразу оцифровать очень сложное оборудование или процесс, иначе на этапе пилота могут возникнуть сложности.
3. Следующий шаг — разработка и реализация пилотного проекта. Если вы хотите, чтобы цифровой двойник завода или другого предприятия не зависел от внешних подрядчиков, потребуется комплексное решение, которое в дальнейшем можно масштабировать.
4. Пилотный проект успешен — можно масштабировать технологию. Возможно, вы захотите создать виртуальные копии смежных процессов или взаимосвязанных с пилотом. Важно учесть сложности, возникшие при создании первого цифрового двойника и задачи, которые вы хотите решить.
5. Мониторинг решений после их внедрения позволит понять, какие преимущества дает цифровой двойник вашему предприятию. Вы можете вносить изменения в виртуальную копию итерациями, чтобы выбрать оптимальную конфигурацию.

Технологию IIoT можно развернуть на локальных серверах, в частном или публичном облаке. Если цифровой двойник объекта работает на собственных серверах компании, то требуется закупать железо и содержать штат технических специалистов, обслуживающих инфраструктуру.

Напротив, в облаке вы платите за фактически потребляемые мощности — это может снизить расходы. Еще один весомый плюс облачных технологий — возможность хранить практически неограниченный объем данных от миллионов IoT-устройств.

Что нужно знать о цифровых двойниках

1. Цифровой двойник — виртуальное представление реального объекта, размещенное на локальных серверах или в облаке.
2. Он помогает контролировать работу сложного оборудования, предсказывать возможные поломки и оптимизировать производственный процесс.
3. Возможно создание цифрового двойника для компонента, актива, системы или процесса.
4. Лучше начать внедрение технологии с одного оборудования или процесса. И масштабировать в случае успеха.
5. Технологию можно развернуть в облаке — тогда не придется поддерживать собственную инфраструктуру.