Un gemello digitale è la rappresentazione digitale di un prodotto, processo o sistema in funzione o in fase di sviluppo. Per un asset in funzione, il gemello digitale rispecchia le condizioni attuali dell'asset e include dati storici pertinenti. I gemelli digitali sono impiegati per valutare lo stato attuale di un asset e in particolare per prevedere comportamenti futuri, perfezionare i sistemi di controllo e ottimizzare le operazioni. In fase di sviluppo, il gemello digitale funge da modello di un prodotto, processo o sistema e facilita lo sviluppo, il test e la convalida.
Perché i gemelli digitali sono importanti?
I gemelli digitali imitano il comportamento delle loro controparti fisiche e aiutano le organizzazioni a migliorare e accelerare lo sviluppo, il test e la convalida dei prodotti. Supportano l'ottimizzazione delle operazioni, la diagnostica dei guasti e la manutenzione predittiva, consentendo di risparmiare sui costi, aumentare l'affidabilità e migliorare l'esperienza dei clienti. Inoltre, sfruttando il gemello digitale durante l'intero ciclo di vita dei prodotti, le organizzazioni possono migliorare notevolmente la catena del valore, dall'ideazione al decommissioning. Ciò consente di creare un circolo virtuoso di feedback e miglioramento che promuove l’innovazione, riduce i costi, migliora la qualità e garantisce che i prodotti restino rilevanti e di valore nel tempo.
Sviluppo di prodotti
Agevolazione della progettazione dei prodotti: i gemelli digitali consentono di simulare sistemi complessi in tempo reale, permettendo ai progettisti di osservare il comportamento dei sistemi in varie condizioni operative e di ottimizzarne così le risposte, il consumo energetico e l'efficienza operativa. Possono anche essere utilizzati per perfezionare le progettazioni di componenti o sottosistemi e sviluppare strategie di controllo per raggiungere le prestazioni desiderate, ad esempio in termini di precisione del movimento, stabilità e tempi di risposta.
Krones sviluppa un gemello digitale robotico per la movimentazione pacchi
Utilizzando Simulink® e Simscape Multibody™, Krones ha creato un gemello digitale che supporta l'ottimizzazione della progettazione, il test dei guasti e la manutenzione predittiva. Gli ingegneri sono riusciti ad aumentare le prestazioni di un sistema di confezionamento automatico di bevande integrando un robot tripode dinamico nella progettazione.
“Le simulazioni del gemello digitale in Simulink ci hanno permesso di ottenere dati e approfondimenti impossibili da raggiungere tramite test hardware o semplicemente troppo costosi e dispendiosi in termini di tempo. La visualizzazione delle forze e dei momenti ci ha aiutato a capire gli effetti dei singoli componenti su un robot altamente dinamico.”
Verifica e convalida virtuali: le repliche virtuali di prodotti e sistemi fisici create dai gemelli digitali possono essere impiegate per testare e convalidare i concetti di progettazione, valutare le prestazioni e identificare potenziali problemi fin dalle prime fasi del processo di progettazione. Questo approccio riduce la necessità di prototipi fisici e i tempi di progettazione.
Schindler Elevator passa dai test fisici alla simulazione
Schindler Elevator ha di recente introdotto un workflow di convalida Model-Based nel suo processo di sviluppo. L'EDEn (Elevator Dynamics Environment) è una serie di strumenti sviluppati in MATLAB®, Simulink e Simscape™ che consentono di eseguire simulazioni offline mediante applicazioni basate sul web e test Hardware-In-the-Loop. Con EDEn, la fase di test delle release software si accorcia da tre o quattro settimane a una sola notte, riducendo notevolmente i costi e i rischi e consentendo una copertura di test molto più ampia.
“L’approccio Hardware-In-the-Loop ci consente di coprire molti più casi di test, in una sola notte. Anche il nostro paradigma di progettazione è cambiato: adesso possiamo concentrarci sull’ottimizzazione del software per i casi d’uso più diffusi piuttosto che per gli scenari più complessi.”
Commissioning virtuale: i gemelli digitali sono fondamentali per il commissioning virtuale, che consente di testare, convalidare e ottimizzare i sistemi in un ambiente virtuale. Questo approccio riduce al minimo i rischi e i costi e garantisce una transizione più agevole all'implementazione fisica.
Rilevamento virtuale: le aziende possono utilizzare i gemelli digitali per ridurre la dipendenza dai sensori fisici, implementare funzioni predittive, ottimizzare il posizionamento dei sensori e migliorare il monitoraggio e le prestazioni del sistema, con conseguenti risparmi sui costi e una maggiore efficienza.
Funzionamento e manutenzione
Ottimizzazione delle operazioni: rispecchiando lo stato in tempo reale degli asset fisici, i gemelli digitali consentono alle organizzazioni non solo di monitorare ma anche di ottimizzare le operazioni in modo dinamico. L'ottimizzazione comprende vari aspetti, dal miglioramento delle prestazioni del sistema all'efficienza energetica e l'allocazione delle risorse. Con un gemello digitale, gli operatori possono simulare vari scenari di funzionamento per individuare la condizione operativa ottimale oppure imparare a intervenire correttamente nell’ambito della loro formazione operativa.
Gemelli digitali di turbine a gas per la diagnostica e l'ottimizzazione delle prestazioni
Siemens Energy ha sviluppato un gemello digitale basato sulla fisica utilizzando MATLAB e Simulink e lo ha convalidato mediante un prototipo di banco di prova e i dati della flotta. Gli ingegneri hanno distribuito le funzionalità di gemelli digitali su piattaforme di calcolo: sistemi embedded, edge, Cloud e di monitoraggio remoto. Grazie all'uso di Simulink Coder™ e Simulink Compiler™, la codifica manuale richiesta per la distribuzione è stata minima o nulla. La creazione di un gemello digitale ha permesso a Siemens Energy di migliorare l'affidabilità, la disponibilità e la manutenibilità delle turbine a gas; ottimizzare il funzionamento; ridurre i costi e prolungare la vita operativa dei sistemi.
Manutenzione predittiva: mediante informazioni sulle condizioni di ciascun componente o dell'intero sistema, il gemello digitale è in grado di rilevare pattern e anomalie meno evidenti indicanti un potenziale guasto e di prevedere la necessità di manutenzione o sostituzione. Tale previsione consente di pianificare la manutenzione nei momenti più opportuni, evitare interruzioni non pianificate e ottimizzare l’utilizzo delle risorse di manutenzione.
I gemelli digitali arricchiscono la progettazione Model-Based
La progettazione Model-Based consiste nell’utilizzo sistematico di modelli nell’intero processo di sviluppo e migliora la fornitura di sistemi complessi. La progettazione Model-Based pone solide basi per le applicazioni di gemelli digitali. La progettazione Model-Based e le metodologie dei gemelli digitali condividono una relazione di simbiosi durante la fase di sviluppo del prodotto. Molti degli scenari che sfruttano i gemelli digitali sono anche casi d’uso per la progettazione Model-Based.
La combinazione dei gemelli digitali e della progettazione Model-Based può essere particolarmente vantaggiosa per gli OEM. Mentre la progettazione Model-Based si concentra principalmente sulla fase di sviluppo del prodotto, i gemelli digitali consentono agli OEM di ampliare il loro campo d'azione offrendo prodotti o servizi digitali che supportano e arricchiscono il funzionamento e la manutenzione per i loro clienti. Gli OEM possono non solo progettare e realizzare prodotti fisici, ma anche fornire una serie di strumenti digitali che aumentano il valore di tali prodotti per l’intero ciclo di vita. Il gemello digitale agisce come un ponte che collega il prodotto fisico alla sua controparte digitale, consentendo il monitoraggio in tempo reale, la manutenzione predittiva e l'ottimizzazione delle operazioni.
Atlas Copco minimizza il costo di proprietà con la simulazione e i gemelli digitali
Atlas Copco integra la simulazione e l'analisi dei dati dalla progettazione alla produzione fino alla vendita e all'assistenza, utilizzando i gemelli digitali come unica fonte di verità e affidandosi a MATLAB e Simulink per sviluppare la sua piattaforma di ingegneria Model-Based. Questa piattaforma consente agli ingegneri commerciali di accedere a simulazioni affidabili delle prestazioni e di offrire ai clienti prodotti su misura. Gli attuali modelli dei compressori di Atlas Copco sono dotati di un massimo di 50 sensori per la manutenzione predittiva. Il team dell’assistenza può impostare strategie di manutenzione specifiche per ciascun cliente in base a dati raccolti in tempo reale da oltre 100.000 macchine sul campo e creare così una vasta gamma di approfondimenti utili all’azienda.
Workflow di gemelli digitali
Nonostante la variabilità dei casi d'uso dei gemelli digitali, esistono strategie condivise che è possibile adottare per garantire il successo dei progetti in questo ambito. Queste strategie si basano su un quadro di riferimento uniforme che riguarda la definizione di obiettivi chiari, la progettazione e la convalida di modelli, la distribuzione efficace e loro manutenzione con monitoraggio e aggiornamento continui.
Passaggio 1: Determinazione dell'obiettivo e dell'ambito di applicazione
Un'applicazione di gemelli digitali di successo inizia con una visione chiara degli obiettivi. È importante chiedersi: qual è lo scopo del gemello digitale? Assistere nello sviluppo del prodotto, diagnosticare i problemi dell'apparecchiatura, ottimizzare il funzionamento o fornire simulazioni per l’addestramento?
Successivamente, è necessario definire l'ambito di applicazione del gemello digitale. Il gemello digitale rappresenterà un singolo componente, un insieme di componenti operanti come sottosistema o l'intero sistema? Avrà una sola funzione o più scopi? Queste decisioni iniziali determineranno la complessità e la direzione del progetto.
Passaggio 2: Progettazione e sviluppo
La creazione di un gemello digitale richiede un approccio ponderato che varia in base alle competenze, alla metodologia preferita e, spesso, a ciò che si ha a disposizione. Spesso, per ottenere una progettazione completa in mancanza di dati di test o operativi, è necessario iniziare con la modellazione basata sulla fisica, che sfrutta le leggi della fisica per realizzare un framework per il gemello. Quando sono disponibili abbastanza dati, è possibile utilizzare un approccio basato sui dati o basato sull'IA, che consente di prevedere esiti e comportamenti mediante l’integrazione del Machine Learning o del Deep Learning. Inoltre, talvolta potrebbe essere possibile utilizzare modelli o dati preesistenti per accelerare lo sviluppo del gemello digitale, assicurandosi però di discostarsi dal progetto originale.
Passaggio 3: Test e convalida
Una volta sviluppato il gemello digitale, è necessario sottoporlo a un rigoroso processo di test e convalida. Questa fase ha lo scopo di determinare l’affidabilità del gemello digitale valutando la precisione con cui rispecchia la controparte fisica. È inoltre necessario misurare l'accuratezza delle sue previsioni e simulazioni. Altrettanto importante è comprendere i rischi associati alle decisioni prese sulla base delle intuizioni del gemello digitale. In generale, occorre garantire che il gemello digitale non sia solo un modello sofisticato, ma un vero e proprio strumento affidabile per applicazioni reali.
Passaggio 4: Distribuzione e operatività
Dopo la convalida del gemello digitale, è possibile passare alla distribuzione. La strategia di distribuzione dovrebbe essere allineata all'uso previsto del gemello, sia che sia collegato direttamente alla controparte fisica in loco, sia che utilizzi l’Edge Computing per sfruttare prossimità e latenza ridotta, sia che si avvalga del Cloud per le sue vaste risorse di calcolo e la sua scalabilità.
Passaggio 5: Monitoraggio e aggiornamento
Un gemello digitale è una soluzione che necessita di una gestione attiva. Il monitoraggio continuo è fondamentale per garantire che il gemello resti una rappresentazione fedele e accurata della sua controparte fisica. Questa integrità può essere preservata stabilendo metriche prestazionali e convalidando periodicamente il gemello con dati reali. Inoltre, il gemello digitale dovrà probabilmente evolversi nel tempo, con meccanismi di regolazione dei parametri o di ricostruzione completa del modello una volta superate determinate soglie. Questa adattabilità è la chiave per la longevità e l'utilità del gemello digitale.
Per saperne di più
Gemelli digitali con MATLAB e Simulink
MATLAB e Simulink offrono una piattaforma completa per la creazione, la simulazione, la verifica e l'implementazione di gemelli digitali. I punti di forza della modellazione basata sulla fisica, dell'analisi dei dati avanzata e dell'IA, combinati con le opzioni di implementazione semplice (PLC, embedded, web, Cloud, ecc.), consentono di progettare gemelli digitali in grado di migliorare la comprensione, il funzionamento e la manutenzione di sistemi fisici complessi.
Simscape consente agli ingegneri di creare rapidamente modelli di sistemi fisici direttamente dall’ambiente Simulink. Gli ingegneri possono modellare sistemi come motori elettrici, raddrizzatori a ponte, attuatori idraulici e sistemi di refrigerazione assemblando i componenti fondamentali in una rappresentazione schematica. Con i prodotti complementari Simscape è possibile modellare e analizzare componenti e sistemi più complessi.
Per quanto riguarda i dati, MATLAB offre una ricca serie di strumenti per statistica, Machine Learning, Deep Learning e identificazione di sistemi. Gli ingegneri possono utilizzare questi strumenti per sviluppare gemelli digitali basati sui dati al fine di identificare pattern, ottimizzare le prestazioni, prevedere le esigenze di manutenzione e altro ancora. La perfetta integrazione dei gemelli digitali basati sui dati con quelli basati sulla fisica offre una visione olistica delle prestazioni e dei potenziali problemi del sistema.
La convalida e la verifica sono fasi fondamentali per garantire che il gemello digitale rispecchi accuratamente la sua controparte fisica e funzioni come previsto. Seguendo il workflow di verifica ad alta integrità, gli ingegneri possono utilizzare test basati sulla simulazione e l’analisi statica per individuare eventuali difetti in anticipo e accorciare i tempi di immissione sul mercato, mantenendo al contempo elevati standard di qualità.
Le opzioni di distribuzione con MATLAB e Simulink sono versatili e supportano implementazioni in PLC, controller industriali, sistemi embedded, piattaforme web e sul Cloud. Questa flessibilità garantisce l'integrazione del gemello digitale nei workflow e nelle infrastrutture esistenti e consente così di eseguire il monitoraggio in tempo reale, la manutenzione predittiva e l'ottimizzazione delle operazioni in ambienti diversi. In definitiva, il valore di un gemello digitale trova realizzazione nella sua implementazione, che consente agli stakeholder di sfruttare approfondimenti e previsioni per prendere decisioni informate e raggiungere l'eccellenza operativa.
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