Цифровой двойник производственной линии — помощь в принятии решений о техническом обслуживании

О клиенте и разработчике

Компания CNH Industrial — мировой лидер на рынке товаров промышленного назначения. Она контролируется итальянской инвестиционной компанией Exor и владеет 12 брендами, в число которых входят Case, New Holland и Iveco. С помощью них CNHI разрабатывает, производит и реализовывает широкий спектр сельскохозяйственных, промышленных и коммерческих машин и силовых установок. У компании 66 предприятий и 53 научно-исследовательских центра в 180 странах мира, где в общей сложности работает более 63 000 человек. Компания включена в список Нью-Йоркской фондовой биржи и является существенной составляющей индекса фондового рынка Италии.

Итальянская компания Fair Dynamics предоставляет широкий спектр консалтинговых услуг в различных отраслях, таких как банковское дело и производство. Недавно Fair Dynamics вошла в состав Engineering Ingegneria Informatica S.p.A. — крупного итальянского и международного поставщика программного обеспечения и услуг IT. В 2017 году консолидированный доход компании составил более миллиарда евро.

Для решения промышленных проблем и повышения эффективности клиентов Fair Dynamics использует инновационные технологии. Основной упор компания делает на имитационное моделирование, для которого использует AnyLogic.

Проблема

Цифровые технологии становятся популярнее в современном производстве. Принято говорить о Четвертой промышленной революции (Индустрия 4.0), и переходе к умным предприятиям. На таких предприятиях кибер-физические системы контролируют физические процессы, создают виртуальную копию физического мира и принимают децентрализованные решения.

В связи с этим многие компании начали испытывать новые технологии, такие как искусственный интеллект и облачную обработку данных, чтобы постепенно совершить переход к умному предприятию и воспользоваться этим преимуществом.

CNH Industrial решила начать внедрение новых технологий Индустрии 4.0 со сферы технического обслуживания. В автомобильной промышленности и смежных с ней отраслях потери из-за простоев могут быть очень велики. Для транснациональных компаний, таких как CNHI, стоимость одной минуты простоя может составить более 160 тыс. долларов США, и эта цифра постоянно увеличивается. Поэтому повышение качества технического обслуживания и, как следствие, сокращение времени простоя может серьёзно повысить прибыльность. Если определить наиболее уязвимые участки технологического процесса, даже небольшое улучшение поможет сэкономить.

CNH Industrial заказала у Fair Dynamics инструмент для оценки и выбора различных стратегий технического обслуживания. Было решено сосредоточиться на одной производственной линии — сварке шасси грузовиков Iveco Daily (линия Mascherone на заводе Suzzara, Италия). Предстояло создать цифрового двойника производственной линии в виртуальной среде. Имитационное моделирование позволило бы руководству CNHI увидеть плюсы и минусы возможных стратегий технического обслуживания при различных сценариях и принимать информированные решения.

Выбор завода Suzzara в пользу цифрового двойника не был случайным. CNH Industrial внедряет Принципы производственных систем мирового класса (World Class Manufacturing, WCM), инновационную программу непрерывного совершенствования. На момент начала проекта CHNi была присвоена только одна награда по внедрению WCM Золотого уровня, а завод Iveco в Suzzara мог принести компании вторую награду. CNHI хотелось проверить, поможет ли новая технология в достижении этой цели.

Решение

Линия сварки шасси грузовика (нажмите для увеличения)

Линия сварки шасси грузовика Iveco van — это конвейер, который проходит через несколько постов, на каждом из которых происходит определённая операция. Когда будущее шасси грузовика останавливается на одном из автоматических сварочных постов (обозначены оранжевым цветом на картинке), несколько роботов совместно осуществляют сварку.

У сварочных пистолетов есть уязвимое место — многослойный модуль-электропроводник, который гнётся при работе. Движение постепенно приводит к повреждению медных слоёв модуля. Когда повреждение становится критическим, существенно меняется проводимость модуля, из-за чего он может расплавиться. Обычно эту деталь можно заменить за несколько минут, однако при повреждении модуля это может занять несколько часов. Поэтому за счёт мониторинга и прогнозирования состояния сварочного пистолета можно значительно сократить время простоя. Именно этой детали было уделено основное внимание в виртуальной модели.

Fair Dynamics сконструировала многоагентную модель со следующими видами агентов:

• Грузовики: типы агентов-грузовиков в модели зависят от того, какие грузовые автомобили производятся на заводе. Производство каждого типа имеет свои особенности (требуются разные операции, посты и роботы), что, соответственно, по-разному сказывается на изнашивании многослойного модуля.
• Посты: каждый агент поста отличается от других числом имеющихся на нем роботов, и регулируется конкретными правилами.
• Роботы: каждый робот оснащён датчиком, который посылает сигнал о текущем состоянии робота к имитационной модели. Каждый агент робота, в свою очередь снабжен специальным прогностическим программным обеспечением, предсказывающим износ робота в соответствии с полученными сигналами.

В модели предусмотрены три основные стратегии технического обслуживания, из которых пользователь после виртуального тестирования сможет выбрать самую подходящую:

• Плановое техническое обслуживание (детали заменяются по графику)
• Техническое обслуживание по мере необходимости (детали заменяются при получении сигналов о неисправности)
• Предугадывающее техническое обслуживание (компоненты заменяются по графику, составленному на основании информации об их состоянии и нагрузке)

Проект показал, что AnyLogic отлично подходит для создания цифрового двойника. Программа не только позволила создать многоагентную модель, но и адаптировать её к специфическим потребностям клиента, в том числе встроить в двойника прогностическую ELF-модель (executable and linkable format, формат выполняемого и компонуемого модуля) со способностью самообучения. Объединение моделирования и методов машинного обучения в таких проектах очень перспективно.

За счёт использования AnyLogic имитационная модель может подключаться к внешним источникам данных. Последовательность производственных операций, сварочные посты для сварки разных типов грузовиков, график жизненного цикла робота и другие данные импортируются из внешних источников и автоматически считываются агентом во время работы модели. Кроме того, модель можно экспортировать и устанавливать на любой компьютер как отдельное приложение, упрощая передачу данных и снижая и нагрузку на IT-отдел.

Результат

С помощью цифрового двойника руководство и специалисты CNHI могут подробно анализировать экономические и производственные показатели, в том числе при использовании различных стратегий технического обслуживания. При проигрывании гипотетических сценариев пользователь модели может менять входные параметры (например, стратегию обслуживания, производственный план, график работы и т.д.). Также, при необходимости, можно поменять характеристики линии или отдельного робота.

Модель можно использовать для расчётов в краткосрочной и долгосрочной перспективе. Это простой и удобный в использовании инструмент для анализа и сравнения сценариев, позволяющий быстро понять, как те или иные изменения могут повлиять на стоимость технического обслуживания. Модель предоставляет широкий спектр данных, таких как общий объем производства, время технического обслуживания, общую стоимость запасных деталей, стоимость работ по техническому обслуживанию. Это детальный и универсальный инструмент для организации эффективной работы производственной линии.