دوقلوی دیجیتال برای خطوط تولید: درس‌هایی از تولیدکنندگان پیشرو در صنعت برق

در نظر بگیرید: شما در آستانه شروع یک فرآیند تولید کلید مدار جدید هستید. قبل از اینکه هر ماشینی شروع به جوشکاری کند یا کابل‌ها به هم متصل شوند، می‌توانید کل فرآیند را روی صفحه نمایش مشاهده کنید. شما آن را از لحظه ورود مواد خام، تغذیه به ماشین و تا زمانی که محصول نهایی به بسته‌بندها منتقل می‌شود، خواهید دید. شما ایستگاه گلوگاه را شناسایی می‌کنید، تنظیمات خط تولید را تغییر می‌دهید و برنامه PLC خود را با محصولات مختلف آزمایش می‌کنید قبل از ساخت دستگاه. فقط تصور کنید چقدر زمان، پول و تلاش صرفه‌جویی خواهید کرد! این همان چیزی است که فناوری دوقلوی دیجیتال به صنعت تولید ارائه می‌دهد. دوقلوی دیجیتال نمایشی مجازی از یک محصول، دستگاه یا خط است که با کمک محصولات نرم‌افزاری ایجاد شده است. این قابلیت را دارد که از طریق انتقال داده‌ها با نمونه واقعی خود ارتباط برقرار کند.

برخی شرکت‌ها مانند Siemens، Schneider Electric، ABB و Eaton قبلاً فناوری‌های دوقلو را معرفی کرده و نتایج خود را به اشتراک گذاشته‌اند: کاهش زمان تولید، قرارگیری سریع‌تر در بازار، کاهش زمان جابجایی مواد تقریباً ۴۰٪، کاهش زمان راه‌اندازی تا ۸۰٪ و کاهش زمان تحویل به نصف. این راهنما به توضیح مفهوم دوقلوی دیجیتال در صنعت تولید، شرکت‌هایی که از این فناوری استفاده می‌کنند و چگونگی مفید بودن آن برای شرکت‌های کوچک و متوسط که می‌خواهند خطوط مونتاژ و تست خودکار را پیاده‌سازی کنند، کمک خواهد کرد.

به ساده‌ترین شکل، دوقلوی دیجیتال می‌تواند به عنوان یک مدل آنلاین از یک محصول، ماشین‌آلات، خط تولید یا کارخانه تولید تعریف شود که به داده‌های واقعی متصل است و می‌تواند عملکرد یک شیء واقعی را تقلید کند. این فناوری توسط شرکت‌ها برای شبیه‌سازی فرآیند و تست قبل از شروع فرآیند تولید (راه‌اندازی مجازی)، شناسایی هرگونه گلوگاه، پیش‌بینی نیازهای نگهداری و تأیید تغییرات محصول استفاده می‌شود. طبق گفته Siemens، Schneider Electric و ABB، پذیرش این فناوری امکان کاهش زمان ورود به بازار بیش از ۴۰٪، مصرف انرژی تا ۳۲٪ و زمان راه‌اندازی تا ۸۰٪ را فراهم می‌کند.

دوقلوی دیجیتال چیست؟ چگونه تولیدکنندگان آن را درک می‌کنند

دوقلوی دیجیتال دقیقاً چیست؟ این به نمایشی مجازی از یک شیء فیزیکی یا فرآیند اشاره دارد که ویژگی‌ها و مشخصات آن را شامل می‌شود. سه ویژگی زیر به تمایز دوقلوی دیجیتال از مدل CAD استاندارد و/یا تکنیک مدل‌سازی عمومی کمک می‌کند.

• اولاً، دوقلوی دیجیتال فرآیندها را مدل‌سازی می‌کند نه هندسه را. این بدان معناست که دوقلوی دیجیتال می‌تواند حرکت کلید مدار را دنبال کند، زمان لازم برای انجام یک اندازه‌گیری را محاسبه کند یا بفهمد چه اتفاقی برای یک قطعه معیوب می‌افتد.
• ثانیاً، دوقلوی دیجیتال داده‌های زمان واقعی دریافت می‌کند. داده‌ها از حسگر، سیستم PLC، MES و اطلاعات مربوط به کیفیت از سیستم واقعی به مدل دیجیتال منتقل می‌شوند.
• در نهایت، یک دوقلوی دیجیتال برای اتخاذ تصمیمات آگاهانه خدمت می‌کند. به سادگی، یک مهندس از دوقلوی دیجیتال مجموعه‌ای از سوالات “اگر چه شود” می‌پرسد و پاسخی را انتخاب می‌کند که در رابطه با تولید منطقی باشد.

فناوری مدرن دوقلوی دیجیتال نرم‌افزار مدل‌سازی سه‌بعدی، شبیه‌سازی فیزیک و منطق، اینترنت صنعتی اشیا و استفاده از هوش مصنوعی را متحد می‌کند. برای این منظور، می‌توان به چند شرکت اشاره کرد، مانند Siemens (NX, Tecnomatix Process Simulate and Plant Simulation)، ABB (RobotStudio)، Dassault Systèmes، Rockwell Automation و NVIDIA (Omniverse).

سه لایه دوقلوی دیجیتال تولید

وقتی صحبت از کارخانه است، می‌توان مفید دانست که دوقلوی دیجیتال تولید را به عنوان ترکیبی از سه لایه مختلف در نظر گرفت. Siemens و سایر تأمین‌کنندگان ساختارهای مشابهی را به کار می‌برند.

مزیت واقعی از پیوند بین سه لایه حاصل می‌شود، جایی که تغییر در دوقلوی محصول باعث به‌روزرسانی دوقلوی فرآیند می‌شود و اطلاعات عملکرد از خط به آن‌ها بازخورد داده می‌شود.

چهار نوع دوقلوی دیجیتال بر اساس مقیاس

یک روش رایج دیگر برای طبقه‌بندی دوقلوهای دیجیتال می‌تواند بر اساس اندازه آن‌ها باشد.

• دوقلوی قطعه به واحدی مانند نوار بی‌متال، فنر یا کنتاکت اشاره دارد.
• دوقلوی دارایی با یک ماشین یا دستگاه کامل سروکار دارد.
• دوقلوی سیستم شامل چندین واحد است که با هم کار می‌کنند، مانند خط مونتاژ MCB.
• دوقلوی فرآیند به کل خط فرآیند تولید همراه با لجستیک، برنامه‌ریزی و تأمین انرژی اشاره دارد.

معمولاً تولیدکنندگان یا با استفاده از دوقلوهای سیستم یا دارایی شروع می‌کنند، زیرا این نوع دوقلوها آسان‌ترین نوع برای کار هستند.

چگونه تولیدکنندگان پیشرو برق از دوقلوهای دیجیتال استفاده می‌کنند

نمونه‌های کارخانه‌های دوقلوی دیجیتال عمدتاً در تولید تجهیزات برق و اتوماسیون دیده می‌شوند که شرکت‌ها موفقیت خود را با ذکر کارخانه‌های خود به عنوان مثال نشان می‌دهند. شما می‌توانید از داده‌های گرفته شده از وب‌سایت‌های مختلف شرکت‌ها استفاده کنید.

Siemens: از دوقلوی دیجیتال محصول تا دوقلوی دیجیتال کارخانه

ارلانگن، آلمان – جریان مواد و عملیات وسایل نقلیه هدایت‌شده خودکار (AGV). کارخانه الکترونیک زیمنس در ارلانگن در حال تولید مبدل‌های فرکانسی SINAMICS است. با استفاده از برنامه‌های Tecnomatix Plant Simulator و Process Simulate، مهندسان اکنون می‌توانند نحوه عملکرد AGVها در کف کارخانه و حمل مواد را ردیابی کنند، که منجر به کاهش تقریباً ۴۰٪ در نرخ گردش مواد از طریق شبیه‌سازی‌های فرآیند در دوقلو به جای کف تولید شده است. علاوه بر این، زیمنس از دوقلوهای دیجیتال ربات‌ها، کانتینرها و قطعات برای آموزش سیستم‌های هوش مصنوعی استفاده می‌کند تا به جای برنامه‌نویسی دستی هر ربات برای هر قطعه، از ربات‌های شبیه‌سازی شده برای جابجایی مواد بهره ببرد. با استفاده از هر دو فناوری IT و OT و همچنین هوش مصنوعی صنعتی، زیمنس موفق شده است در چهار سال بهره‌وری را ۶۹٪ افزایش داده و مصرف انرژی را ۴۲٪ کاهش دهد.

به گفته زیمنس، دلیل موفقیت شرکت در دستیابی به زمان چرخه تولید هدف حدود هشت ثانیه، ایجاد دوقلوی دیجیتال آن است. کارخانه چنگدو زیمنس در چین به عنوان دوقلوی دیجیتال کارخانه آمبرگ ایجاد شده است تا همان فرآیندها را در منطقه‌ای دیگر انجام دهد.

نانجینگ، چین – کارخانه‌ای که به صورت مجازی وجود دارد. کارخانه کنترل عددی زیمنس واقع در نانجینگ در تولید ماشین‌های CNC، درایوها و موتورها تخصص دارد. قبل از ساخت، کل تأسیسات تولیدی ابتدا در فضای مجازی طراحی و آزمایش شده است. این کارخانه اکنون ۷۳,۰۰۰ متر مربع مساحت دارد و در بیش از ۵۰ عملیات مبتنی بر هوش مصنوعی فعالیت می‌کند. از سال ۲۰۲۲، بهره‌وری عملیات ۷۸٪ افزایش یافته و خرابی‌ها ۴۶٪ کاهش یافته‌اند. این کارخانه در ژانویه ۲۰۲۶ توسط هیئت جهانی مجمع اقتصادی جهانی (WEF) به عنوان فانوس دریایی جهانی نامگذاری شده است.

اشنایدر الکتریک: دوقلوهای دیجیتال برای انرژی، عملیات و سرعت

کاربرد فناوری دوقلوی دیجیتال در پلتفرم EcoStruxure به اشنایدر الکتریک امکان داده است تا کارخانه‌های خود را به راه‌حل‌های انرژی و فناوری اطلاعات متصل کند و کارخانه‌های هوشمند خود را با ابزارهای توسعه منحصر به فرد تجهیز نماید. این شرکت از دوقلوهای دیجیتال در بسیاری از تأسیسات تولیدی استفاده می‌کند که منجر به مزایای بزرگی شده است:

ووکسی، چین – استفاده از دوقلوهای دیجیتال منجر به صرفه‌جویی ۳۲٪ در هزینه‌های گرمایش و تهویه شده است. جدیدترین توسعه‌های استفاده شده توسط شرکت با کمک فناوری 5G که عملکرد ربات‌ها را ممکن ساخته، منجر به رشد ۳۰٪ در تحویل به موقع و کاهش ۲۵٪ در زمان رسیدن به بازار در این کارخانه شده است.

لو وودرویل، فرانسه – یکی از اولین فانوس‌های دریایی که برنامه EcoStruxure Augmented Operator Advisor را ارائه می‌دهد که شامل فناوری‌های واقعیت افزوده، مصرف انرژی و نگهداری پیش‌بینی شده است. این فانوس دریایی امکان صرفه‌جویی ۲۵٪ در انرژی و کاهش ۲۵٪ در انتشار گازها را فراهم کرده است.

لکزینگتون، ایالات متحده آمریکا – استفاده از اینترنت اشیاء و تحلیل‌های پیش‌بینی‌کننده امکان دریافت داده‌های زمان واقعی را فراهم کرده و مصرف انرژی را ۲۶٪ کاهش داده است.

Shanghai, China – کارخانه فناوری‌های یادگیری ماشین را در مهندسی و GENAIC پیاده‌سازی کرده است که به کاهش دوره تحویل سفارش به میزان ۶۷۱TP3T و همچنین افزایش بهره‌وری به میزان ۸۲۱TP3T کمک کرده است

در همه موارد، شرکت Schneider Electric صرفه‌جویی بین ۱۰۱TP3T تا ۳۰۱TP3T در مصرف انرژی و کاهش هزینه‌های نگهداری بین ۳۰۱TP3T تا ۵۰۱TP3T را اعلام می‌کند. علاوه بر این، مثال شانگهای برای تولیدکنندگان محصولات کم‌ولتاژ بسیار گویا است.

ABB: راه‌اندازی مجازی با دوقلوهای دیجیتال ربات

شرکت ABB نرم‌افزار شبیه‌سازی RobotStudio را در سال ۱۹۹۸ راه‌اندازی کرد. در مارس ۲۰۲۶، RobotStudio HyperReality با بهره‌گیری از پیشرفت‌های NVIDIA Omniverse و مفهوم دوقلوهای محصول، محیط و ربات معرفی شد. این شرکت تأکید می‌کند که این پلتفرم امکان همبستگی بین شبیه‌سازی و ربات واقعی را در حدود ۹۹۱TP3T فراهم می‌کند و همچنین زمان راه‌اندازی را تا ۸۰۱TP3T و هزینه‌های توسعه را تا ۴۰۱TP3T کاهش می‌دهد. یکی از دلایل اصلی این نتیجه این است که ABB از همان فرم‌ویر در کنترلر مجازی و کنترلر فیزیکی ربات استفاده می‌کند.

Eaton: شبیه‌ساز و دوقلوهای دیجیتال در تولید

کارخانه چانگژو شرکت Eaton در چین سالانه ۱۶۴,۰۰۰ SKU و تقریباً ۵,۰۰۰ طرح جدید را پردازش می‌کند. پیاده‌سازی دوقلوهای دیجیتال، شبیه‌سازی، هوش مصنوعی و رباتیک به شرکت امکان داده است تا کاهش زمان ۳۹۱TP3T، بهبود بهره‌وری ۵۰۱TP3T و افزایش درآمد ۱۲۹۱TP3T را به دست آورد.

مقایسه نتایج دوقلوهای دیجیتال

آنچه دوقلوهای دیجیتال برای خطوط تولید خودکار ارائه می‌دهند

برای تولیدکننده‌ای که خط مونتاژ و آزمایش خودکار را خریداری یا ارتقا می‌دهد، مزایای دوقلوی دیجیتال عملی و قابل اندازه‌گیری است. چهار مورد برجسته وجود دارد.

۱. شروع سریع‌تر از طریق راه‌اندازی مجازی

هنگام بررسی فرآیند راه‌اندازی مجازی، می‌توان دید که قبل از در دسترس بودن تجهیزات فیزیکی ماشین، برنامه واقعی PLC آن به نسخه مجازی ماشین متصل می‌شود. مهندسان می‌توانند توالی‌ها، قفل‌گذاری، منطق ایمنی، مدیریت HMI و مدیریت خطا را آزمایش کنند و خطاهای برنامه‌نویسی از تولید قبلی را کاهش دهند. درصد کاهش‌ها می‌تواند، برای مثال، ۸۰۱TP3T باشد در حالی که از مدل‌های ربات با دقت بالا استفاده می‌شود. حتی در مورد شبیه‌سازهای پایه، بخش بزرگی از سردرگمی شروع کار کاهش می‌یابد.

۲. شبیه‌سازی ظرفیت و گلوگاه

هر ایستگاه اتوماسیون به اندازه کندترین آن‌ها سریع است. با کمک شبیه‌سازی فرآیند تولید واقعی، مهندسان می‌توانند زمان کاری هر ایستگاه را قبل از ساخت فیزیکی بهینه کنند. یک مثال از مدارشکن را در نظر بگیرید: یک خط مونتاژ اتوماتیک MCB که با سرعت ۳ ثانیه برای هر واحد کار می‌کند، حدود ۱۲۰۰ مدارشکن در ساعت تولید می‌کند، در حالی که یک خط تست اتوماتیک MCB می‌تواند ۱۸۰۰ تا ۲۴۰۰ در ساعت آزمایش کند. شبیه‌سازی اجازه می‌دهد نتیجه‌گیری شود که مونتاژ محدودکننده فرآیند بیشتر از آزمایش است.

۳. پیش‌بینی نگهداری و کیفیت حلقه بسته

پس از شروع به کار خط، دوقلوی عملکرد می‌تواند اطلاعاتی مانند شمارش چرخه‌های سیلندرها، جریان موتورها و نیروهای پرس را ارائه دهد. سپس روندها تحلیل شده و به شناسایی سایش خط قبل از خرابی یا انحراف کیفی کمک می‌کنند. برای مثال، تغییرات بلندمدت نتایج زمان قطع در کالیبراسیون به معنای خرابی کاغذ قبل از رسیدن دستگاه به حد استاندارد IEC 60898-1 است.

۴. اجرای سریع تغییر و تأیید

تولیدکنندگان در زمینه کاربردهای ولتاژ پایین نیاز مداومی به افزودن رتبه‌های ولتاژ جدید و پارامترهای دیگر دارند. در یک خط تولید اتوماتیک MCCB که ۱۰۰ تا ۱۶۰۰ آمپر را پوشش می‌دهد، جابجایی اندازه قاب ۳۰ تا ۶۰ دقیقه با ابزار تعویض سریع طول می‌کشد، اعتبارسنجی هر دستورالعمل جدید به صورت مجازی از پنجره تغییر محافظت می‌کند.

نقاط درد معمول در خطوط مونتاژ و آزمایش مدارشکن

چگونه تولیدکنندگان کوچک و متوسط می‌توانند شروع کنند

مطالعات موردی زیمنس و اشنایدر شامل تیم‌های بزرگ و پروژه‌های چندساله است. اکثر کارخانه‌های متوسط نیازی به دوقلوی دیجیتال کل کارخانه برای بهره‌مندی ندارند. چنین ابتکاراتی می‌توانند کوچک شروع شده و بخش زیادی از فرآیند توسعه را طی کنند، همانطور که در زیر توضیح داده شده است:

1. یک خط یا یک ایستگاه حیاتی را انتخاب کنید. مدل‌سازی سه‌بعدی ایستگاه(های) انتخاب شده و سیستم نوار نقاله را انجام دهید و سپس برنامه واقعی PLC را برای راه‌اندازی مجازی متصل کنید.
2. یک مدل سه‌بعدی با حرکت و منطق بسازید. نمونه واقعی محصول را اجرا کرده و گلوگاه‌ها و تغییرات را پیدا کنید.
3. ظرفیت و انواع را شبیه‌سازی کنید. پس از راه‌اندازی خط، بازه‌های زمانی، خرابی‌ها و آزمایش‌ها باید به MES یا فضای ذخیره‌سازی ارائه‌دهندگان ارسال شود تا همه چیز طبق انتظار عمل کند.
4. داده‌های زنده را متصل کنید. پس از راه‌اندازی خط، زمان‌های چرخه، خطاها و نتایج آزمایش را به MES یا پایگاه داده منتقل کنید تا مدل واقعیت را منعکس کند.
5. تحلیل‌های نگهداری و کیفیت را اضافه کنید. اکنون می‌توان با تحلیل داده‌های فوق تعیین کرد که چه زمانی تجهیزات باید سرویس شوند.
6. به خط بعدی گسترش دهید. مدل‌ها، کتابخانه‌ها و ساختارهای داده را برای پروژه بعدی مجدداً استفاده کنید.

صداقت کلید اصلی در زمینه هزینه است. معرفی برنامه‌های شبیه‌سازی، مدل‌سازی و ادغام داده‌ها زمان‌بر است و هزینه‌هایی را به همراه دارد، و اگر خویشاوندان شما داده‌های مفیدی در اختیار نداشته باشند. برای آشنایی با نحوه قرارگیری لایه‌های اتوماسیون در کنار هم، مقالات ما را در مورد اتوماسیون کاملاً یکپارچه و اجرای عملیات تولید; ؛ برای محدوده‌های سرمایه‌گذاری، به مزایای بهره‌وری اتوماسیون صنعتی; ؛ و برای انتخاب نوع خط، راهنمای ما را در مورد انتخاب خط تولید خودکار.

نتیجه‌گیری: دوقلوهای دیجیتال به ابزاری رقابتی تبدیل شده‌اند

با پیاده‌سازی دوقلوهای دیجیتال، شرکت زیمنس موفق شده است فرآیند گردش مواد در ارلانگن را به میزان ۴۰۱TP3T کاهش دهد و مدل مجازی کارخانه خود را در نانجینگ پیش از ساخت واقعی آن ایجاد کند. اشنایدر الکتریک با به‌کارگیری فناوری دوقلو دیجیتال و افزایش کارایی جریان کاری در سایر کارخانه‌های هوشمند، مصرف انرژی در تأسیسات ووکسی خود را کاهش داده است. شرکت ABB ادعا می‌کند زمان راه‌اندازی را تا ۸۰۱TP3T کاهش داده است. این دستاوردها نتایج واقعی عملکرد هستند و نه صرفاً نوآوری‌های بازاریابی.

برای شرکت‌هایی که می‌خواهند بهره‌وری فرآیند پیاده‌سازی فناوری خود را با مدرن‌سازی خط تولید افزایش دهند، دوقلوی دیجیتال می‌تواند راه‌حلی ضروری باشد.

منابع

• زیمنس – دوقلوی دیجیتال در کارخانه الکترونیک ارلانگن – گردش مواد، شبیه‌سازی AGV، آموزش هوش مصنوعی و زمان عرضه به بازار.
• زیمنس – ارلانگن به عنوان فانوس دریایی دیجیتال نام‌گذاری شد (۲۰۲۴) – نتایج بهره‌وری و انرژی.
• زیمنس – کارخانه الکترونیک آمبرگ – انواع، تغییرات و داده‌های دیجیتال سازمانی.
• زیمنس – نانجینگ به عنوان فانوس دریایی جهانی نام‌گذاری شد (۲۰۲۶) – کارخانه طراحی شده به صورت مجازی و نتایج هوش مصنوعی.
• اشنایدر الکتریک – شناخت فانوس دریایی لکزینگتون و ووکسی (۲۰۲۱) – نتایج انرژی دوقلوی دیجیتال و مدیریت انرژی اینترنت اشیا.
• اشنایدر الکتریک – فانوس‌های دریایی شانگهای و مونتری (۲۰۲۴) – محصولات، فناوری‌ها و نتایج.
• مجله مونتاژ – درون کارخانه هوشمند اشنایدر الکتریک – واقعیت افزوده و صرفه‌جویی‌های انرژی و نگهداری در سراسر شرکت.
• ABB – RobotStudio HyperReality (۲۰۲۶) – همبستگی شبیه‌سازی تا واقعیت و زمان راه‌اندازی.
• ایتون – کارخانه هوشمند چانگژو به شبکه جهانی فانوس دریایی پیوست – شبیه‌سازی و نتایج دوقلوی دیجیتال.

برنامه‌ریزی برای خط مونتاژ یا آزمایش جدید؟

پیش از تأیید خط تولید جدید برای MCBها، MCCBها، RCCBها، کنتاکتورها یا کنتورها، اطمینان حاصل کنید که درباره تعادل زمان چرخه، برنامه تغییر و رویکرد راه‌اندازی پرس‌وجو کرده‌اید. نمونه‌های محصول، خروجی هدف و فهرست انواع خود را در اختیار ما قرار دهید تا مهندسان ما یک مفهوم خط عملی ارائه دهند که زمان‌های تاکت واقعی، آزمایش و ردیابی داده‌ها را در نظر بگیرد.

درخواست ارزیابی رایگان خط →