Cyfrowy bliźniak kluczem do efektywności energetycznej

Cyfrowy bliźniak kluczem do efektywności energetycznej Siemens

Wykorzystanie technologii cyfrowego bliźniaka (ang. digital twin) w przemyśle produkcyjnym staje się coraz powszechniejsze. Nic w tym dziwnego, ponieważ to technologia, która umożliwia producentom bezprecedensowy poziom wglądu w wydajność ich maszyn, urządzeń i innego sprzętu, a także całych procesów. Obecnie technologia cyfrowego bliźniaka coraz częściej służy też do optymalizacji zużycia energii i mediów przez przedsiębiorstwa, umożliwiając identyfikację obszarów nieefektywnych energetycznie i znaczącą redukcję kosztów.

Powiązane firmy

Dassault Systemès Sp. z o.o.
  • Celem stworzenia cyfrowego bliźniaka jest wizualizacja i symulacja różnych wariantów zależnie od zmiennych warunków zewnętrznych.
  • Technologię cyfrowych bliźniaków oraz częściej wykorzystuje się do optymalizowania zużycia energii.
  • Wykorzystanie algorytmów sztucznej inteligencji do optymalizowania procesów jest jednym z bardziej obiecujących trendów w technologii Digital Twin w zakresie zużycia energii.
  • Tworzenie bardziej wydajnych i zrównoważonych produktów od samego początku pomogłoby zmniejszyć zużycie energii i zasobów.

Efektywność energetyczna jest dziś jednym z kluczowych czynników, jaki wpływa na rozwój przemysłu. Przedsiębiorstwa przemysłowe coraz częściej borykają się z takimi problemami, jak zmiany klimatyczne, wyczerpywanie się zasobów czy rosnące koszty energii. Patrząc na obecną sytuację ekonomiczną i geopolityczną, trudno oczekiwać, że ulegnie ona diametralnej poprawie. Zarządzanie zużyciem energii powinno więc znaleźć się wśród najważniejszych wyzwań dla firm nie tylko z sektora produkcyjnego. Z pomocą przychodzą tu nowoczesne technologie, m.in. cyfrowy bliźniak, które odpowiednio wdrożone mogą zoptymalizować zużycie energii.

Wirtualna replika fizycznych obiektów

Cyfrowego bliźniaka można zdefiniować jako wirtualny model, który jest dokładnym odwzorowaniem fizycznego obiektu i wszystkich jego elementów. Celem jego stworzenia jest wizualizacja i symulacja różnych wariantów zależnie od zmiennych warunków zewnętrznych. Dzięki temu możliwe jest przewidzenie przyszłych zachowań tych elementów.

Można wyróżnić dwa główne typy cyfrowego bliźniaka, przed którymi stawia się nieco inne zadania. Pierwszy z nich pełni funkcję prototypu. Tworzy się go głównie przed wdrożeniem produktu do produkcji, żeby móc przetestować różne jego wersje i wybrać najlepszą. 

Dzięki cyfrowemu bliźniakowi w krótkim czasie i taniej można sprawdzić znacznie więcej różnych wariantów danego produktu, a tym samym zminimalizować ryzyko pojawienia się błędu na późniejszym etapie produkcji. Cyfrowy bliźniak jako prototyp nie musi się jednak odnosić wyłącznie do nowego produktu. Technologia ta może służyć także do przetestowania np. wielu wariantów różnych procesów czy linii produkcyjnej.

Drugi typ cyfrowego bliźniaka służy do symulowania istniejących już w rzeczywistości produktów, procesów, a nawet całych fabryk. Dzięki niemu można lepiej nimi zarządzać, na bieżąco je optymalizować i w razie potrzeby reagować, np. poprzez zmianę parametrów procesu produkcyjnego czy wdrażanie niezbędnych czynności serwisowych.

Główne korzyści z wdrożenia technologii Digital Twin:

  • Oszczędność czasu procesu prototypowania i wdrażania nowych produktów, procesów, linii produkcyjnych czy zakładów,
  • możliwość nieograniczonego testowania różnych wariantów prototypów,
  • zwiększenie efektywności procesu prototypowania poprzez wybór optymalnego rozwiązania,
  • oszczędność kosztów związanych z wdrażaniem nowych rozwiązań,
  • zminimalizowanie ryzyka wystąpienia błędów projektowych,
  • możliwość przewidzenia usterki i przeciwdziałania jej wystąpieniu.

Energy Digital Twin

Nasilający się trend poprawy efektywności energetycznej poszczególnych procesów czy całych zakładów wraz z rosnącą popularnością cyfrowych bliźniaków sprawiły, że technologię tę coraz częściej wykorzystuje się do optymalizowania zużycia energii. Bieżące monitorowanie i analizowanie wydajności różnych elementów produktu czy procesu umożliwia identyfikację tych obszarów, w których energia jest wykorzystywana nieefektywnie.

Dzięki tym informacjom producenci mogą wprowadzać zmiany w procesach w celu zmniejszenia zużycia energii i maksymalizowania wydajności. Takie użycie technologii cyfrowego bliźniaka staje się coraz popularniejsze i zyskało nawet swoją specyficzną nazwę – Energy Digital Twin.

Korzystając z danych pozyskanych za pomocą czujników i innych źródeł, Digital Twin może symulować zachowanie maszyn, linii produkcyjnej lub całej fabryki konkretnie pod kątem zużycia energii. Pozwoli to producentom na zidentyfikowanie tych elementów, w których z jednej strony zasoby są niewłaściwie wykorzystywane, a z drugiej – można łatwo i szybko wprowadzić różne zmiany, których efektem będzie np. zmniejszenie zużycia energii czy innych mediów.

Dzięki technologii cyfrowego bliźniaka można np. wykrywać, kiedy maszyna lub urządzenie pracuje w zbyt niskiej lub zbyt wysokiej temperaturze. Możliwe jest też wykrycie, kiedy sprzęt nie jest efektywnie używany, np. kiedy sprężarki powietrza pracują pod zbyt wysokim ciśnieniem lub kiedy pompy pracują ze zbyt małą prędkością. Rozwiązując te problemy, producenci mogą zmniejszyć zużycie energii i poprawić wydajność operacyjną.

Jednym z bardziej obiecujących trendów w technologii Digital Twin w zakresie zużycia energii jest wykorzystanie algorytmów sztucznej inteligencji do optymalizowania procesów. Algorytmy te mogą bowiem analizować duże ilości danych i porównywać w ten sposób fizyczny obiekt ze wzorcem. Mogą też wskazywać, w których obszarach istnieje największy potencjał poprawy zużycia energii.

Choć cyfrowy bliźniak może przynieść przedsiębiorstwu olbrzymie korzyści w zarządzaniu zużyciem energii, należy mieć świadomość, że nie zawsze technologia pozwoli odzwierciedlać rzeczywiste zachowanie systemu. W przypadku np. pozyskiwania danych o „niskiej jakości” symulacje mogą okazać się niedokładne, a nawet błędne. Problemem może okazać się też otrzymanie sprzecznych danych albo brak odpowiedniego narzędzia do przeprowadzenia właściwej analizy.

Zastosowanie cyfrowego bliźniaka

Przystępując do opracowania cyfrowego bliźniaka w zakresie zużycia energii, należy przede wszystkim określić te obszary (konkretne maszyny, urządzenia lub procesy), które muszą być monitorowane. Warto zacząć od elementów, które charakteryzują się największym zużyciem energii, ponieważ właśnie tu możliwe są najwyższe potencjalne oszczędności. 

Kolejnym krokiem będzie stworzenie wirtualnego modelu urządzenia lub procesu na podstawie zebranych danych z czujników i innych źródeł. Po utworzeniu cyfrowego bliźniaka można go wykorzystać do symulacji i przewidywania zachowania systemu oraz identyfikowania możliwości oszczędności energii. Potencjalne oszczędności można uzyskać w każdej fazie życia produktu.

Faza projektowania

  • Technologia cyfrowego bliźniaka może pomóc projektantom określić te parametry projektowe, które najbardziej wpływają na optymalne zużycie energii. Może to dotyczyć zarówno projektowania nowych produktów, jak i modernizacji już istniejących w celu poprawy efektywności energetycznej.
  • W przypadku niektórych procesów dostępne dane mogą być niewystarczające do jego zaprojektowania. Można wówczas wykorzystać cyfrowego bliźniaka do wygenerowania danych pomocnych do oszacowania nieprzetestowanych stanów operacyjnych, przy użyciu np. uczenia maszynowego.
  • Digital Twin może być ekonomicznym narzędziem do testowania zaprojektowanego procesu/zakładu. Dzięki temu można na wczesnym etapie projektowania zidentyfikować potencjalne problemy, a także przetestować różne ekstremalne warunki pracy.

Faza eksploatacji

  • Cyfrowy bliźniak zapewnia lepsze monitorowanie zachodzących procesów w czasie rzeczywistym w porównaniu z tradycyjną technologią monitorowania. Umożliwia wirtualną integrację danych w czasie rzeczywistym z modelem 3D, a także zapewnia platformę do analizy historycznych, bieżących i przewidywanych danych.
  • Digital Twin może też poprawić obecne metody kontroli produkcji, co pozwoli wyeliminować ewentualne zakłócenia i zapewnić odpowiedni poziom jakości poprzez połączenie danych między częściami wirtualnymi a fizycznymi.
  • Cyfrowy bliźniak może wreszcie dostarczać prognoz, które dotyczą wpływu różnych zmian na proces produkcyjny czy całe przedsiębiorstwo. Może też przewidywać krytyczne zmienne procesowe, które są bardzo trudne do bezpośredniego zmierzenia.
  • Tradycyjna optymalizacja procesów zwykle opiera się na informacjach projektowych, a planowanie produkcji na informacjach statycznych. Cyfrowy bliźniak może znacznie zoptymalizować proces i planowanie produkcji dzięki dużej ilości pozyskanych danych z monitorowania i ich analizie.

Faza serwisowa

  • Dzięki możliwości przewidywania pewnych zachowań cyfrowy bliźniak może odpowiednio wcześnie wykrywać zakłócenia, co pozwala lepiej zaplanować terminy konserwacji.
  • Porównując zmienne procesowe z procesów wirtualnych i fizycznych, inżynierowie mogą szybko identyfikować miejsca ponadnormatywnego zużycia energii. Za pomocą cyfrowego bliźniaka można też przeprowadzić diagnostykę usterek w celu zidentyfikowania ich typów i przyczyn.
  • Cyfrowego bliźniaka można używać także do testowania różnych sytuacji, w których awaria fizycznego bliźniaka prowadzi do większego zużycia energii, dużych strat i innych szkód.

Cyfrowy bliźniak jest technologią, którą można wykorzystać na różne sposoby do optymalizowania różnorodnych procesów. Z pewnością olbrzymi potencjał, z punktu widzenia oszczędności kosztów, tkwi w poprawie efektywności energetycznej przedsiębiorstw przy użyciu tej technologii. W czasach wysokich cen energii elektrycznej i transformacji energetycznej technologia ta ma duży potencjał rozwojowy, więc można oczekiwać gwałtownego wzrostu jej popularności.

Początki cyfrowego bliźniaka

Po raz pierwszy koncepcję cyfrowego bliźniaka (digital twin) oficjalnie zaprezentowano w 2002 r. Jej autorem był Michael Grieves, ówczesny profesor na Uniwersytecie w Michigan. Na jednej z branżowych konferencji przedstawił on model koncepcyjny idei, która miałaby leżeć u podstaw zarządzania cyklem życia produktu.

Natomiast autorstwo terminu „cyfrowy bliźniak” przypisuje się Johnowi Vickersowi z NASA, który użył go w raporcie „Roadmap Report 2010”. W Amerykańskiej Agencji Kosmicznej po raz pierwszy też w praktyce wykorzystano technologię digital twin do ulepszenia symulacji modeli statków kosmicznych. Co ciekawe, NASA już 4 dekady wcześniej do ratowania misji Apollo 13 zastosowała rozwiązanie, które można uznać za prekursora obecnej technologii cyfrowego bliźniaka.

Ze względu na przeszkody natury technicznej musiały jednak minąć lata, żeby cyfrowy bliźniak przestał być tylko koncepcją, a stał się technologią, po którą będą sięgać przedsiębiorstwa z różnych branż. Dopiero dynamiczny rozwój technik komunikacyjnych i rozwiązań z obszaru Internetu Rzeczy sprawił, że technologia stała się niezwykle popularna, a przede wszystkim bardziej przystępna. Pod koniec ubiegłej dekady instytut Gartner uznał ją za jeden z 10 kluczowych trendów technologicznych, który w najbliższych latach będzie miał olbrzymi wpływ na rozwój globalnego przemysłu.

Czy cyfrowy bliźniak może poprawić efektywność energetyczną przedsiębiorstw?

Ireneusz Borowski, Country Manager Poland, Dassault Systèmes:

Tworzenie bardziej wydajnych i zrównoważonych produktów od samego początku pomogłoby zmniejszyć zużycie energii i zasobów. Szacuje się bowiem, że ponad 80% wpływu produktu na środowisko określa się na etapie projektowania.

Gospodarka cyrkularna – w przeciwieństwie do liniowego modelu „take-make-waste”, który opiera się na dużych ilościach tanich i łatwo dostępnych materiałów i energii, a także zakłada tzw. planowaną zużywalność produktów – reprezentuje nowe podejście systemowe dla firm. Opiera się ono na 3 zasadach: eliminacji odpadów i zanieczyszczeń, utrzymaniu produktów i materiałów w użyciu oraz regeneracji systemów naturalnych.

Dassault Systèmes, dzięki doświadczeniom wirtualnych bliźniaków i narzędziom (takim jak rozwiązanie do oceny cyklu życia) dostępnym na platformie 3DEXPERIENCE, oferuje nowe sposoby wczesnego określania wymagań, które dotyczą zrównoważonego rozwoju i oceny decyzji przed ich wdrożeniem. Pomaga to obniżyć koszty operacyjne i rozwiązać największe wyzwania, które wiążą się z dekarbonizacją w łańcuchach wartości, zrównoważoną produkcją, zużyciem energii i wody, a także z wejściem na ścieżkę gospodarki cyrkularnej – oferującej radykalnie nowe podejście do business-as-usual.

Tagi artykułu

Zobacz również

MM Magazyn Przemysłowy 5-6/2024

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę