Sử dụng bản sao kỹ thuật số để tăng hiệu quả quản lý đối tượng công nghiệp

Đặt vấn đề

Ngành công nghiệp hiện đại đang trải qua quá trình chuyển đổi số, trong đó mô hình Bản sao kỹ thuật số - Digital Twin đang ngày càng trở lên quan trọng, thành một công cụ quản lý hiệu quả. Thị trường Digital Twin được ước tính sẽ tăng trưởng từ 21 tỷ USD năm 2025 lên 150 tỷ USD vào năm 2030, và năm 2024, thống kê cho thấy 22% số lượng các công ty lớn đã sử dụng công nghệ Digital Twin trong hoạt động của mình. Mô hình Digital Twin không phải là mô hình 3D tĩnh. Đó là một hệ thống động tích hợp dữ liệu, thuật toán, cảm biến, mô hình vật lý và toán học, cùng các quyết định quản lý cho phép thực hiện các thử nghiệm trong môi trường ảo thay vì trên các quy trình thực tế.

Một vấn đề thực tế đồi hỏi là cần khái quát được những cách tạo ra Digital Twin và đánh giá hiệu quả của nó trong quản lý các quy trình sản xuất công nghiệp.

1. Khái niệm và cấu trúc Digital Twin

1.1. Xác định đặc tính then chốt

Digital Twin - mô hình đa yếu tố, mô hình số động học, vùng lãnh thổ hoặc quá trình của đối tượng thực. Nó không chỉ tái tạo các tham số - thông số vật lý, mà còn cả các hành vi của hệ thống then chốt. Digital Twin so với các mô hình 3D hoặc so với các mô phỏng một lần có sự khác biệt, ở điểm là Digital Twin được đồng bộ hóa liên tục với đối tượng vật lý thông qua luồng dữ liệu hai chiều.

Thêm nữa, không như mô hình 3D hoặc mô phỏng khác, vốn không nhất thiết phải liên kết với dữ liệu

thực, thể hiện hành vi trung bình, là phép tính toán chỉ một lần và chỉ phục vụ để phân tích mang tính thụ động, Digital Twin được đồng bộ hóa liên tục với một đối tượng cụ thể mà nó là bản sao theo thời gian thực của đối tượng đó. Vậy nên, Digital Twin hoạt động như một mô phỏng vĩnh viễn và cung cấp khả năng kiểm soát các quy trình thực.

1.2. Cấu trúc Digital Twin

Cấu trúc của một Digital Twin tiên tiến cho đối tượng công nghiệp được thiết lập dựa trên việc tích hợp nhiều lớp:

* Lớp vật lý - IIoT cung cấp luồng dữ liệu thô, độ rung, nhiệt độ, áp lực - áp suất, dòng điện - điện áp và lưu lượng. Dữ liệu này được truyền qua các giao thức OPC UA, Modbus, MQTT. Nếu không có IIoT sẽ không có dữ liệu cập nhập, tức Digital Twin quay về loại tĩnh, mất đi tính động then chốt của nó.

* Lớp thu thập và trực quan hóa - SCADA cung cấp dữ liệu theo thời gian thực; hiển thị trạng thái của thiết bị (trạng thái hiện tại, cảnh báo, khẩn nguy với các hình ảnh màu sắc tương ứng và thông số thực kèm theo); bảo đảm thực hiện sự quản lý ngược, là các khuyến nghị kép đến hệ thống quản lý;

* Lớp quản lý sản xuất - MES - tích hợp Digital Twin vào quy trình sản xuất, cho phép lập kế hoạch tối ưu, kiểm soát chất lượng và quản lý tài nguyên

* Lớp phân tích các thuật toán học máy và các mô hình vật lý - toán học. Chúng có chức năng xử lý dữ liệu đầu vào, dự đoán tính trạng thiết bị và đưa ra các khuyến nghị hoặc cao hơn là tự động can thiệp vào đối tượng công nghiệp - xu hướng đã và đang phát triển mạnh.

2. Phương pháp và công nghệ tạo Digital Twin

2.1. Mô hình hóa dựa trên dữ liệu và các định luật vật lý

Việc tạo một Digital Twin cho một đối tượng công nghiệp được thực hiện bằng cách kết hợp hai phương pháp:

* Phương pháp mô hình hóa vật lý - toán nhằm thiết lập các mô hình có độ chính xác cao dựa trên các định luật vật lý, nhiệt động lực học và cơ học. Phương pháp này cho phép dự đoán hành vi của đối tượng trong các điều kiện mà cả các điều kiện và hành vi tương ứng của đối tượng chưa quan sát được trong thực tế.

* Phương pháp mô hình hóa dựa trên dữ liệu - sử dụng phương pháp học máy (mạng nơ-ron, tăng cường gradient) để xác định được các mẫu trong dữ liệu lịch sử và hiện tại với các cảm biến tương thích.

Giải pháp tối ưu là cách tiếp cận lai. Ở đây, mô hình vật lý được làm rõ và điều chỉnh dựa trên dữ liệu từ các cảm biến thực có tính tương thích.

2.2. Tích hợp Digital Twin” với các hệ thống quản lý doanh nghiệp

Digital Twin không tồn tại độc lập mà nó được tích hợp vào không gian thông tin thống nhất của doanh nghiệp, nó tương tác với các hệ thống ERP, MES, PLM, CAD/CAM/CAE - các dich vụ ứng dụng và phân tích. Việc tích hợp như vậy cho phép sử dụng Digital Twin ở tất cả các giai đoạn của vòng đời sản phẩm, từ thiết kế - chế tạo - vận hành đến thải loại.

3. Ứng dụng Digital Twin để tăng hiệu quả quản lý

Digital Twin bảo đảm:

* Bảo trì - bảo dưỡng dự đoán, lường trước được sự cố, giảm thời gian ngừng hoạt động, mô phỏng dây chuyền sản xuất và vòng đời sản phẩm, được thực hiện để kiểm tra ảo các tham số và xác định các điểm làm việc tối ưu;

* Cải thiện chất lượng độ chính xác lập kế hoạch lên đến 90%;

* Giảm thiểu lỗi và tính được hàng chục tham số cho tính chọn được các điều chỉnh tối ưu trong công nghiệp, đặc biệt trong ngành luyện kim.

Thông qua các ví dụ trong thực tiễn sản xuất công nghiệp tại Gazprom Neft's (một trong những công ty dầu khí lớn của Nga), Digital Twin bao phủ đến 60% quy trình sản xuất và hơn 3000 mô hình cơ sở hạ tầng. Số lượng lớn Digital Twin này giúp tăng tốc phân tích dữ liệu địa lý lến đến hơn 6 lần. Đến năm 2028, tất cả các mô hình AI sẽ được thống nhất trong Digital Twin thành một Digital Twin duy nhấ.

Tại nhà máy cán thép tấm MMK (Nga), một Digital Twin cho tính toán các điều kiện nhiệt và dự đoán cấu trúc dải thép cho các dòng sản phẩm mới đã được đưa vào phục vụ quản lý quy trình cán thép tấm.

Hay tại nhà máy sản xuất ô tô KAMAZ đang sử dụng Digital Twin trong quá trình phát triển xe điện KAMA-1 với hàng trăm thử nghiệm ảo được diễn ra trước khi lắp ráp nguyên mẫu và quản lý dây chuyền sản xuất.

Kết luận

Digital Twin là một phương tiện hiệu quả nâng cao hiệu quả quản lý đối tượng công nghiệp.

Digital Twin là hệ thống động, liên tục được đồng bộ hóa với đối tượng vật lý và được tích hợp với IIoT; SCADA và MES tạo ra môi trường số thống nhất chứa các quy trình kinh doanh, thiết bị và cơ sở hạ tầng. Các ví dụ thực tế trong ngành dầu khí, luyện kim và cơ khí cho thấy sự gia tăng gấp 6 lần trong phân tích dữ liệu, giảm thời gian phát triển sản phẩm mới từ 6 đến 12 tháng xuống còn từ 1 đến 2 tháng và giảm lỗi cũng như thời gian ngừng hoạt động của thiết bị.

Công nghệ Digital Twin nên được các công ty triển khai từ các dự án thí điểm trên các đối tượng công nghiệp quan trọng, sau đó mở rộng quy mô để bao phủ toàn bộ khu phức hợp sản xuất.

Nguyễn Tiến Dũng