数字双胞胎概念及其工作原理

作者：Bonnie Baker

实施数字双胞胎文化，包括真实和虚拟产品生命周期管理软件，可以显著减少设计周期时间和测试，并提高产出率。这些制造方面的改进会带来维护和产品成本的合理降低。

听起来很有吸引力？过去几年里，企业已看到工业 4.0 工业物联网 (IIoT) 迁移到数字双胞胎。这一战略和 Siemens 解决方案一起，将 20 世纪众多传统的顺序性卓越孤岛变成从开始到结束的内聚性应用，其中包括预见性维护、流程规划和优化、产品设计和虚拟原型开发。

凭借这些优势，数字双胞胎项目吸引了那些追求真正零故障和持续加速流程卓越的人的注意。数字双胞胎的核心是真实世界和数字世界之间的实时联结。

什么是数字双胞胎？

数字双胞胎是指为实物创建一个高度复杂的虚拟模型，从实物肇始到生命周期终结，虚拟模型与实物完全对应。“实物”可以是下一代制造或产品，它有五个主要发展阶段：规划、设计、建造、支持和生命周期完结。数字双胞胎流程捕捉数据，通过仿真软件预测未来，以此连接全部操作（图 1）。

图 1：这个高效生产车间利用数字双胞胎技术将所有操作从头到尾连接起来。（图片来源：Analog Devices）

图 1 中，流程监视器利用数据为最终用户预测最终实物结果。数字双胞胎凭借在公司的员工中实施这些阶段，展现其最重要的竞争优势。工业 4.0 的数字双胞胎版本有望使制造商更容易生产出符合市场需要的产品，同时吸引和留住即将到来的 Z 世代的新型工程技术人才。

数字双胞胎如何运作？

物理资产上的互联传感器收集数据，然后数据映射到虚拟模型上。任何查看数字双胞胎的人都会看到关于实物的规划、创建和实际应用的关键信息。通过这种方式，数字双胞胎有助于了解现在和预测未来。在前端，流程仿真决定了数字双胞胎产品（图 2）。

图 2：数字双胞胎有助于了解现在和预测未来。（图片来源：Siemens）

在第二阶段（图 2），流程自动化和流程质量支持数字双胞胎生产期间的性能数据。此时，需要注意的是，仿真和数据收集仍在继续进行。虽然之前的仿真提前预测了真实产品的特性，但真实产品的生产发生在最后阶段。

数字双胞胎给个人和软件技术带来的最重要好处之一，是消除了造成部门之间孤岛的有形和无形壁垒。例如，一个工业 3.0 产品的设计细节，在工程设计部门之外几乎是无法获知的。制造、采购、销售和服务团队很难有效地完成各自的工作，并向其他小组提供反馈以改进产品和流程。例如，车间技术人员不知道产品完全组装好后应该是什么样子。服务团队逐页查阅虚拟 PDF 文件，试图弄清楚如何维修一个他们从未见过的零件。销售团队销售特性选项，而供应链经理只知道零件编号。这不仅为每个团队成员的工作带来挑战，而且还意味着工程师无法获得改进设计的关键意见。如果公司能让设计更容易使用，创新速度就会加快，员工也会更多地参与到生产流程中。

数字双胞胎结构

数字双胞胎技术为产品和资产提供了前所未有的可见性，有利于发现瓶颈，简化操作，并创新产品开发。数字双胞胎有三种主要类型：预见性维护，流程规划和优化，以及产品设计和虚拟原型开发。

预见性维护

公司可在设备健康状况和性能视图中即时发现运行异常和偏差。主动计划的维护和备件补充可最大限度地减少检修时间，避免昂贵的资源故障。数字双胞胎的预见性维护提供了基于服务的新收入流，同时有助于提高 OEM 产品可靠性。

流程规划和优化

对产品率和废品计数等关键性能指标 (KPI) 的全面分析，来源于传感器和企业资源规划 (ERP) 数据的数字足迹。此流程可诊断出低效率和吞吐量损失的根本原因，而诊断又可以优化产出率，减少浪费。此外，设备历史数据、流程和环境支持停机时间预测，这可改善生产调度。

产品设计和虚拟原型开发

虚拟产品模型可提供有关使用模式、退化点、工作负载能力、引发缺陷等的见解。通过了解产品特征和故障模式，设计人员和开发人员可以评估产品的可用性并改进未来的部件设计。同样，OEM 可以根据特定用户行为和产品实施背景，为不同的客户群体提供定制的产品。数字双胞胎技术还有助于开发虚拟原型，并在经验数据的基础上运行稳固的激励进行功能测试。

真实使用案例

现实世界中，在将产品、流程或设施引入生产线之前，必须有能力对其进行测试，这一点至关重要。数字双胞胎可实现这一目的。着眼全球，众多公司使用数字双胞胎来改进流程、供应链、设施管理等。以下是数字双胞胎技术如何改变各行各业的例子。

利用 Siemens 的 SIMATIC 实现更智能的货运包装

Siemens 的 SIMATIC 技术是许多创新包装机械解决方案的核心。这些项目展示了 SIMATIC T-CPU（CPU 原理图技术）如何帮助机器在各个方面实现更简单更精益的流程、更好的质量以及最优性能。

TMG 公司生产用于食品和饮料、化妆品、化学品包装的包装机（图 3）。

图 3：TMG 的包装机。（图片来源：Siemens）

在他们的系统中，七台 SINAMICS S120 驱动器和格式转换只需要很少的时间。Siemens 的 PROFINET 网络集成了 SIMATIC S7-1500TF CPU、舒适面板、S120 和 G120 驱动器，支持在单一的全面集成自动化 (TIA) 门户环境中进行自动化、运动控制和安全开发。由于采用 SIMATIC S7-1500TF 和 SINAMICS 驱动技术的集成通用解决方案，TMG 在配置效率、高性能和新格式转换的简易性方面表现出色。

人工智能与运动控制的结合 (147)

Wittmann Battenfeld 的处理系统为注塑成型机抓取和嵌入零件，然后再将其嵌入到另一台机器中。该设备可自由移动和旋转相应的物体，并为处理系统提供五个轴——三个用于空间内移动，另外两个用于在任意方向上旋转嵌件。处理系统完成这一复杂任务所需的周期时间很短，从而提高生产力，使流程尽可能地灵活运作。SIMATIC 是 Siemens 的自动化解决方案，在一个控制器中提供所有功能映射——运动控制、图像识别和自动化。Wittmann Battenfeld 在 Siemens 的处理标准应用帮助下实现了这一功能，它支持工程运动控制任务和可视化模块。该软件包还包括追踪功能，帮助 Wittmann Battenfeld 的开发人员用 3D 模型追踪夹钳的运动。

图 4：SIMATIC 控制器指挥夹钳抓取振动台上的嵌件。AI 模块处理摄像头数据。（图片来源：Siemens）

数字双胞胎部署的关键考虑因素

数字双胞胎是 20 世纪制造模式的新范式。财务状况影响了工厂转向采用数字双胞胎模式。然而，设备和生产线可靠性的提高，就是对数字双胞胎投资的一种回报。数字双胞胎技术通过减少停机时间、提高生产力和性能来改善整体设备效率 (OEE)。虚拟模型与现实的连接降低了各方面的风险，包括产品可用性和市场声誉。

数字双胞胎是制造业中实物产品的虚拟表示，实物怎么设计、怎么建造、怎么维护，虚拟模型就怎么表示。这种虚拟表示基于实物产品、生产系统或设备配置来映射实时的流程数据和分析。数字双胞胎的另一个优势在于，它允许工程师先对概念和假设进行测试，再将其应用于真实机器。

数字双胞胎和 Siemens 的数字仿真是工业自动化革命的一部分。数字双胞胎对行业产生了怎样的影响？这种数字仿真不断影响着产生数据的物理资产、操作和框架。数字双胞胎是工业 4.0 发展的核心，它囊括了自动化、数据交换和制造流程，为工业发展创造了无穷的机会。