Оптимизация полезного времени использования роботизированных модулей на производстве с помощью цифровых двойников
Цифровые двойники дают возможность компаниям, основным направлением деятельности которых является производство, создавать виртуальные копии физических объектов и процессов. Цифровой двойник – это виртуальный инструмент, позволяющий не только изучать процессы производства, выявлять проблемные области и проводить различные тесты, но и сокращать реальные непроизводственные издержки. В конечном счете цель заключается в том, чтобы выполнять операции более эффективно за счет повышения производительности и сокращения издержек.
В сегодняшней статье мы расскажем о том, что такое цифровой двойник и как мы его используем для совершенствования производства систем на кристалле (СнК, SoC).
Понятие «цифрового двойника»
Простыми словами, цифровой двойник – это виртуальная копия физической сущности. С помощью специального программного обеспечения создаются виртуальные симуляции отдельных устройств, инструментов, процессов, систем и даже людей и локаций. Использование этого метода сокращает потребность в финансовых и иных ресурсах, снижает вероятность возникновения разного рода рисков и позволяет быстрее перейти к практическим экспериментам и физическим испытаниям, которые все-таки необходимы для подтверждения полученных на цифровых двойниках результатов.
Компании из самых разных секторов промышленности – от авиастроения до хранения данных – уже смогли по достоинству оценить преимущества цифровых двойников и виртуальных копий объектов и процессов для повышения производительности линий сборки, улучшения проектных решений и сокращения сроков испытания продукции. Авторы одного из проектов даже надеются с использованием цифрового двойника воссоздать 850-летний Собор Парижской Богоматери деталь за деталью.
Какие задачи помогают решать цифровые двойники?
Цифровые двойники нашли свое применение в самых разных областях. Одна из их важнейших функций заключается в совершенствовании производственных процессов. Используя цифровых двойников, компании могут в цифровой среде создавать копии своих умных предприятий, выявлять «узкие места» (в компонентах, системах, процессах и других активах), тестировать потенциальные решения, моделировать результаты взаимодействий между компонентами и прогнозировать стохастические изменения, которые могут возникнуть при выполнении операций. Такая симуляция экономит организации время, ресурсы и деньги, необходимые для тестирования рабочих гипотез на практике.
Число отдельных деталей в реактивном двигателе может превышать 10 000 штук, поэтому создание его цифрового двойника критически важно для эффективного проектирования и проведения испытаний.
Цифровые двойники также нашли свое место в промышленном дизайне и испытаниях изделий. Возьмем, к примеру, реактивный двигатель, устанавливаемый на одном из самых популярных самолетов: несколько тысяч отдельных компонентов сначала собираются воедино, а затем проходят обширные контрольные испытания для проверки безопасности работы двигателя в целом. Но теперь производителю не обязательно собирать дорогой физический образец авиационного двигателя, он может заменить его цифровым двойником – точной трехмерной копией. Именно ее должным образом анализируют, оценивают и испытывают согласно действующим требованиям. Более того, цифрового двойника можно создать и для двигателя, который уже находится в эксплуатации, чтобы проанализировать состояние его компонентов и рассчитать прогнозное техническое обслуживание.
«Копировать-вставить»: виртуализация одного этажа завода в Шанхае
Цифровые двойники позволяют моделировать производственные операции, прогнозировать и рассчитывать возможные вариации продолжительности производственного цикла для подстройки под динамично меняющиеся потребности в оборудовании для флеш-хранилищ. Опираясь на план второго этажа Western Digital (WD) по производству полупроводников в Шанхае (Китай), был создан его цифровой двойник. На этом этаже расположены автономные роботизированные модули (Autonomous Robot Vehicles (ARV)) и тестирующие устройства конца линии (или «тестеры») для флеш-систем на кристалле (СнК, SoC).
При разработке исторически достоверного цифрового двойника компания опиралась как на результаты изучения операций, так и на теорию «q-time». Собранная информация состояла из двух частей: исторические данные о времени простоя и распределении времени обработки испытуемого изделия на тестерах (Device under Test (DUT)) и схемы маршрутов движения ARV на заводе. Была рассчитана ожидаемая продолжительность операции по обработке одного испытуемого изделия, то есть временной отрезок, за который один из роботов переместит испытуемое изделие – в данном случае СнК – на одно из тестирующих устройств. Стояла задача по увеличению производительности и эффективности работы этого участка за счет оптимизации общего времени обработки изделия модулем.
12-недельные циклы исследования цифрового двойника
Большинство цифровых проектов, реализуемых командой WD, выстроены вокруг 12-недельных интервалов, которые называются «циклами быстрого обучения» (Rapid Learning Cycle). В течение двенадцати недель проводятся эксперименты, используются различные вводные данные для цифрового двойника и анализируется, оправдывают ли результаты на выходе ожидания. На десятой неделе цикла оцениваются результаты экспериментальных исследований и принимается решение, запускается ли проект в жизнь.
Цифровые инициативы, прошедшие отсев, переходят в пилотную фазу, продолжающуюся от 6 до 12 недель. В случае с цифровыми двойниками ARV реализация «пилота» происходила поэтапно на протяжении шести недель с постепенным внедрением правил принятия бизнес-решений, сформулированных на базе полученных от цифрового двойника результатов. Такой пофазный подход стал страховкой от возникновения неожиданных проблем или сложностей на этапе внедрения. В полном объеме новые, усовершенствованные правила маршрутизации ARV были приняты на производстве в январе этого года.
Благодаря цифровым двойникам работа ARV была автоматизирована на 99%
Использование цифровых двойников для оптимизации операций на всего лишь одном этаже завода позволило на 25% повысить коэффициент загрузки ARV при выполнении задач по обработке испытуемых изделий. За счет разбивки пространства цеха на сервисные зоны и лучшего понимания того, к каким точкам лучше привязать ARV, нам удалось сократить общее время, затрачиваемое модулями на движение. Кроме того, для каждого модуля были определены свои функциональные задачи: теперь какие-то из них используются только для загрузки изделий в тестирующие устройства, а какие-то только для их выгрузки.
Благодаря цифровому двойнику 99% всех операций ARV выполняются в автоматическом режиме. И, наконец, цифровые двойники помогли смоделировать эффект от добавления на этот участок производства дополнительных роботизированных модулей. Теперь, когда известно, как каждый новый модуль влияет на выполнение рабочих задач на линии, возможно масштабировать производство быстрее и эффективнее.
Применение цифровых двойников на производстве HDD-накопителей
Не останавливаясь на достигнутом, те же принципы цифровых двойников используются и для оптимизации организации производства HDD-накопителей. Если конкретнее, также возможно внедрить методы количественного и качественного анализа на линии по сборке HDD-накопителей. Основная цель – сократить производственный цикл и оптимизировать капитальные затраты за счет подбора правильного сочетания скорости и эффективности работы линии. Учитывая результаты, которые уже удалось достичь благодаря использованию цифровых двойников, есть вероятность, что в будущем эта технология получит в компании Western Digital еще более широкое распространение!
Опубликовано 05.06.2020