Ottimizzare l'efficienza produttiva con i gemelli digitali

25th July 2019
Posted By : Alex Lynn
Ottimizzare l'efficienza produttiva con i gemelli digitali

Quindici anni fa il professor Michael Grieves, Vice direttore del Centro per la gestione del ciclo di vita e l'innovazione del Florida Institute of Technology ha delineato la possibilità di creare prodotti fisici migliori realizzando repliche virtuali dei prodotti stessi. Il concetto originale di Grieves di questi "gemelli digitali" era limitato al processo di progettazione.

Di Mark Patrick, Mouser Electronics

Le simulazioni effettuate all'interno di un computer potevano riprodurre il comportamento del prodotto in situazioni reali relativamente a ogni aspetto misurabile.

Il vantaggio di sfruttare questa opportunità in fase di progetto era rappresentato dal fatto di ridurre drasticamente il numero di prototipi che dovevano essere realizzati. Di conseguenza i progettisti potevano modificare in tempi brevi i componenti all'interno della simulazione e valutare se le modifiche apportate avevano contribuito a migliorare o meno le prestazioni.

Nel giro di poco tempo Grieves si rese conto che il concetto di gemello digitale poteva essere ampliato fino a comprendere l'intero ciclo di vita del prodotto e da qui è maturata l'idea di "replica virtuale della fabbrica" descritta in un fondamentale articolo pubblicato nel 2003.

L'ampliamento del concetto di gemello digitale all'intero ciclo di vita di parti di apparecchiature permette di sfruttare in vari modi i dati delle prestazioni ricavati dall'utilizzo in applicazioni reali. Un approccio prevede l'invio dei dati a un computer per un calcolo approssimato. In questo modo è possibile ad esempio comprendere in che modo l'usura fisica dei componenti sta influenzano le prestazioni del sistema. I produttori di motori per aerei hanno deciso di seguire questo approccio e utilizzandolo per generare nuovi modelli di business. All'incirca un centinaio di sensori posizionati all'interno di ogni motore acquisiscono dati durante il volo, alcuni dei quali vengono ritrasmessi durante il viaggio e il resto viene raccolto all'arrivo al gate dell'aeroporto.

Questi dati vengono quindi inseriti in un gemello digitale di ciascun motore che determina quale sarà il momento migliore per effettuare la manutenzione o sostituire i componenti. Una manutenzione di questo tipo, oltre a poter essere pianificata molto prima che si manifestino potenziali problemi, può anche essere effettuata in un lasso di tempo e in un'officina scelti in modo da minimizzare il periodo in cui il motore rimarrà fuori servizio.

I produttori di motori non solo possono effettuare il monitoraggio dei singoli prodotti, ma anche aggregare i dati al fine di determinare l'esistenza di eventuali problematiche di natura sistematica che possono essere risolte durante le operazioni di assistenza/manutenzione e fornire ai progettisti informazioni utili per lo sviluppo delle future apparecchiature.

Ovviamente quello aerospaziale non è l'unico comparto ad aver adottato il concetto di gemello digitale. L'affidabilità sul lungo termine, ad esempio, è un elemento chiave per le pompe industriali, molte delle quali posizionate in luoghi di difficile accesso. Esse possono trovarsi nelle profondità di una miniera, con il compito di rimuovere l'acqua in eccesso dai pozzi. Oppure può trattarsi di complesse pompe sottomarine multi-fase utilizzate nel processo di estrazione del petrolio.

In casi come quelli appena descritti la manutenzione può rivelarsi un'operazione molto costosa, vista la difficoltà di pianificare ispezioni su base regolare. Un altro aspetto da tenere in considerazione, in particolar modo per le pompe utilizzate nei settori della produzione chimica e industriale, è quello dell'efficienza energetica. Questo problema, unitamente a quello della pianificazione della manutenzione, può essere affrontato attraverso una combinazione di rilevamento in real time e modelli di gemelli digitali.

Sono numerose le cause che possono portare al guasto di una pompa, come ad esempio la cavitazione o le eccessive vibrazioni. Tramite l'aggiunta di sensori di pressione, accelerometri e altri trasduttori alle pompe, è possibile utilizzare il software per monitorare qualsiasi divergenza nelle letture dei sensori, in modo da ricevere avvertimenti tempestivi circa il verificarsi di condizioni che potrebbero provocare un guasto in una pompa. Le medesime letture possono indicare quando la pompa non funziona alla massima efficienza ed essere utilizzate per regolare i controlli interni al fine di ridurre i consumi di energia.

L'approccio adottato da parecchi costruttori prevede l'invio in tempo reale dei dati provenienti dai sensori ai modelli che girano nel cloud. Questi modelli utilizzano le letture provenienti dai vari sensori per ricostruire le condizioni reali in cui tali pompe operano: in questo modo è possibile prendere decisioni più informate e "intelligenti" sia sulle loro modalità di funzionamento sia sulla pianificazione della manutenzione.

In tempi più recenti, produttori e aziende operanti nel settore della produzione industriale hanno iniziato a valutare l'idea del gemello digitale di processo. Questo concetto non coinvolge solo il singolo prodotto, ma si estende all'intero processo produttivo. I sensori all'interno di una macchina utensile, ad esempio, potrebbero indicare attraverso il loro modello di gemello digitale l'insorgere di un problema che necessita di un intervento di manutenzione entro un determinato lasso di tempo. Tuttavia, l'esecuzione di tale intervento nel momento ottimale pianificato per la macchina potrebbe provocare un'interruzione del flusso produttivo.

A livello di fabbrica nel suo complesso, potrebbe essere più opportuno portare la macchina fuori linea nel tempo più breve possibile e re-instradare la produzione nelle celle adiacenti nel caso in cui il throughput (ovvero il volume di produzione) effettivo della fabbrica sia relativamente ridotto.

In alternativa, la macchina utensile potrebbe essere mantenuta in attività per un periodo leggermente più lungo rispetto a quello ottimale pianificato e fatta funzionare a una capacità inferiore rispetto a quella massima per ridurre l'impatto sul throughput della fabbrica, mantenendo una situazione di questo tipo fino al momento in cui non risulti possibile effettuare la manutenzione prevista.

Analisi del tipo appena descritto sono possibili grazie alla disponibilità del modello di gemello digitale dell'intera fabbrica che include e integra le informazioni provenienti da tutte le macchine utensili, dai trasportatori e da altri sistemi presenti nel sito.

Oltre ai sensori e alle risorse di elaborazione del cloud, anche la realtà aumentata (AR - Augmented Reality) riveste un ruolo di primo piano nell'implementazione del gemello digitale. Il gemello digitale di un processo è in grado di mostrare ai responsabili di produzione in che modo le diverse configurazioni che è possibile implementare in fabbrica possono contribuire a ottimizzare il throughput per il mix di prodotti che devono essere realizzati nei giorni o nelle settimane successive.

Grazie a queste informazioni, essi possono organizzare i macchinari in modo tale da assicurare la massima efficienza. Il risultato finale è una fabbrica decisamente "più intelligente" in grado di adattarsi rapidamente al variare delle esigenze e risultare quindi sempre competitiva ai massimi livelli. Tutto ciò è possibile grazie alla combinazione tra sensori, cloud computing e sistemi hardware grafici avanzati.


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