Digital Twinning

Deze e-learning module behandelt de verschillende soorten software waarmee verschillende typen digital twin(s) kunnen worden gerealiseerd. Dat varieert van machinebesturingen tot producten, productieprocessen, simulaties, productiemanagement en beheer van product-life-cycle(s). Elk van deze toepassingen worden afzonderlijk gepresenteerd van simpele tot meer complexe voorbeelden. Steeds maken we daarbij gebruik van specifieke software-systemen om concrete toepassingen te laten zien. 

PLC-programming realiseert de operationele sturing en bewaking van Programmable Logic Controllers (PLC). Een PLC bestaat uit een microcomputer (controller) die  invoerkanalen leest en uitvoerkanalen aanstuurt. Het aantal kanalen (bv. varierend van 10 tot 1000), de soort kanaal (invoer of uitvoer)  en de snelheid van inlezen en aansturen (bv. in micro- of milli-seconden per kanaal) is afhankelijk van het type PLC. De PLC leest met grote snelheid in een cyclus alle (geactiveerde) invoerpoorten uit en stuurt alle (geactiveerde) uitvoerpoorten aan. Die cyclus wordt continu herhaald, totdat zich een situatie voordoet, waarin de besturing volgens het programma wordt onderbroken. Met een PLC kan zo op universele wijze elke procesbesturing (met uitvoersignalen) op basis van de invoersignalen worden gerealiseerd. 

De ontwikkelaar/programmeur van een besturingsprogramma voor een PLC maakt gebruik van ladderdiagrammen. Die beschrijven voor de standaard cyclus in welke volgorde en bij welke condities de invoerpoorten worden uitgelezen en in welke volgorde en bij welke condities de uitvoerpoorten worden aangestuurd. Zo kan bv een lopende band op basis van invoersignalen van bewegingsschakelaars of sensoren de aandrijfmotor starten, stoppen of in snelheid regelen. 

Als voorbeeld is een lopende band een zeer eenvoudige toepassing. In essentie functioneert elke technische besturing ook van complexe regelsystemen op eenzelfde wijze. Deze cursus behandelt de basisprincipes van PLC-programmering en toont in enkele toepassingsvoorbeelden met toenemende complexiteit de belangrijkste kenmerken, eisen en kwaliteiten van PLC-software als digitale twin van procesbesturingen.  

Product simulatie software biedt de mogelijkheid om de kenmerken en specificaties van een product digitaal te testen. Een simpel voorbeeld is te berekenen welke doorbuiging van en spanning in (een onderdeel van) een product van een bepaald materiaal ontstaat als daar een specifieke kracht op wordt uitgeoefend. Die berekening kan door middel van een specifieke formule worden gemaakt, waarbij in de simulatiesoftware dan tevens kan worden afgebeeld welke doorbuiging en spanningen in het matriaal optreden. Het resultaat van de berekeningen wordt bijvoorbeeld zichtbaar in een kleurenpatroon waarin de intensiteit van de druk- en trekspanningen overeenkomen met de intensiteit van de kleuren. De simulatie is een digitale twin die de fysieke situatie berekent en als 'voorspelling' afbeeldt.

Zo zijn ook meer complexe simulaties mogelijk van dynamische fysieke processen in producten zoals temperatuurgradienten door koeling of verwarming. Product simulatie software is meestal specifiek ontwikkeld voor een bepaalde toepassing en vraagt ook gedegen kennis van de fysieke processen die een rol spelen. De berekende simulaties moeten gevalideerd worden op de werkelijke fysieke situatie. 

Deze cursus behandelt enkele voorbeelden van simulaties in SImcenter-software gebaseerd op 3D-CAD-modellen in NX en beschrijft de belangrijkste kenmerken en bijzonderheden van deze simulaties. 

Bij ontwerp en ontwikkeling van (productie) processen in een bedrijf of fabriek wordt vaak gebruik gemaakt van simulaties om vooraf (in een digital twin) te bepalen hoe het productieproces kan of moet worden ingericht. Welke machines zijn nodig? Hoeveel van elk type? In welke volgorde kunnen zij worden gebruikt om de totale productie in de fabriek optimaal te laten functioneren? De simulatie is een digital twin van het beoogde productieproces. 

Het ontwerp van een productieproces met alle benodigde machines de verschillende typen en hun kenmerken zoals bewerkingsfuncties, snelheid en capaciteit kan worden ingevoerd ('getekend') met de volgorde waarin de productiestappen mogelijk in parallelle uitvoering worden doorlopen. De processimulatie software kan dan na instelling van de kenmerken van alle machines (parameters) concreet in de. simulatie laten zien hoe het totale productie proces zal verlopen. Waar is voorraadvorming (buffers) tussen machines nodig en welke machines vormen als eerste mogelijk een knelpunt in de doorloop van de producten als de productiecapaciteit van machines wordt aangepast. Zo kunnen diverse scenario's voor het totale productieproces in de simulaties worden beoordeeld. De keuze voor de werkelijke praktische inrichting en realisatie van het productieproces wordt dan in de simulatie vooraf getoetst.

Management Execution software (MES) realiseert een digital twin van een operationeel productie proces. Alle details over de menselijke handelingen en machinale acties tijdens de productie van een aantal (serie) producten worden (waar mogelijk automatisch) geregistreerd door het MES-systeem. Uit deze logging van gedetaileerde productiedata kunnen diverse dashboards (overzichtsschermen) na en zelfs tijdens de productie worden afgebeeld voor de diverse medewerkers ieder in hun eigen rol voor hun eigen taak. De productiemedewerker ziet welke productie-opdfrachten zijn afgerond en kan worden begeleid en gestuurd in de eerstvolgende uit te voeren acties. De productieplanner kan de inzet van de verschillende medewerkers afstemmen op de gerealiseerde productie en waar wenselijk of nodig een wisseling van product(en).

In deze cursus behandelen we enkele toepassingen van MES-software op basis van Opcenter-software en laten zien welke randvoorwaarden en specificaties voor de inrichting en realisatie van een digital twin van een productieproces een rol spelen en van belang zijn. 

Product Lifecycle Software faciliteert de realisatie van een digital twin voor de Definitie, Ontwikkeling, Realisatie en het Beheer van de levenscyclus van een product.

Mogelijke fasen in de levencyclus van een product kunnen zijn: ideevorming, marktverkenning, businessplan, productontwerp, productontwikkeling, proefproductie, serieproductie, productvernieuwing, productservice, productvervanging, productrecycling of product-disposal (end of life). In elk van deze fasen zijn veelal diverse afdelingen en personen (in rollen) betrokken in de afwegingen en besluiten om een product wel of niet in een volgende levensfase te 'bevorderen'. Dat vraagt gedetailleerde afstemming op de vaak complexe workflow waarin diverse medewerkers hun inhoudelijke bijdrage en/of goedkeuring op de detailspecificaties van het product en de betreffende levensfase moeten leveren. PLC-software realiseert een digital twin van de Product Life Cycle van idee tot end-of-life door de PLC-workflow van alle betrokken medewerkers in de diverse afdelingen van de organisatie te definieren, te registreren en waar mogelijk automatisch te beheren. 

Deze cursus behandelt enkele toepassingen van de PLC-software Teamcenter met randvoorwaarden, mogelijkheden en specificaties voor gebruik en implementatie.

User Interface software realiseert een digital twin van een of meer interactieve dashboards (via universeel toegepaste webbrowsers) op basis van de onderliggende datastructuren en datapopulaties van een of meer producten en of processen. 

Zodra er sprake is van een digital twin (ofwel een specifieke applicatie) die uit sensoren of uit geautomatiseerde en handmatige invoer data registreert wordt in feite een database steeds verder gevuld met specifieke data over een product en/of proces. Om deze datapopulatie goed te kunnen benutten voor geagregeerde overzichten en informatie ten behoeve van onderbouwde beslissingen zijn gebruikersschermen voor overzichten en interactie nodig. 

Die specifieke overzichten en interacties kunnen vaak pas in de loop van de registratie en het wenselijk gebruik van de data worden bepaald en in detail gespecificeerd. User interface software biedt de mogelijkheid op basis van de datastructuren in diverse applicaties zonder ICT-technisch programmeren (low code) web-interactie-schermen en overzichten te realiseren voor specifieke gebruikers(groepen).

In deze cursus worden enkele voorbeelden behandeld waarin met Mendix-software uit beschikbare databronnen een specifieke user-interactie wordt gerealiseerd die in feite een additionele mini-digital twin vormt op de digital twin(s) die de databronnen definiëren en vullen.