デジタルツインの概念とその仕組み
著者 Bonnie Baker(ボニー・ベイカー) 氏
Digi-Keyの北米担当編集者 の提供
2021-11-10
マルツ掲載日：2022-02-28
実世界と仮想の製品ライフサイクルを管理するソフトウェアを含むデジタルツイン文化を導入すると、設計サイクルタイムやテストが大幅に削減され、歩留まりが向上します。このような製造上の改善は、メンテナンスと製品コストを合理的に削減することで実現します。
これが魅力的に聞こえますか？ここ数年の間に、企業においてはインダストリー4.0の産業用IoT(IIoT)がデジタルツインに移行してきました。この戦略は、シーメンスのソリューションとともに、20世紀の伝統的な多数の連続した卓越した島々を、予知保全、プロセス計画と最適化、製品設計とバーチャルプロトタイピングの一貫した最初から最後までのアプリケーションに引き込みます。
これらの利点を備えたデジタルツインプロジェクトは、実際に故障をゼロにして、優れたプロセスを継続的に加速させたいと願う人々の注目を集めています。デジタルツインの中核をなすのは、現実世界とデジタル世界のリアルタイムな橋渡しの組み合わせです。
デジタルツインとは？
デジタルツインの概念では、製品の開発から生産終了まで、物理的な「アイテム」について非常に複雑で同等の仮想モデルを作成します。「アイテム」とは、次世代の製造や製品のことであり、企画、設計、構築、サポート、アイテムの寿命を5つの主要な開発フェーズとしています。デジタルツインプロセスでは、シミュレーションソフトウェアで未来を予測するためのデータを取得することにより、工程全体をつなぎます(図1)。
図1：この効率的な生産現場では、デジタルツイン技術を利用して、すべての工程を最初から最後までつなぐことができます。(画像提供：Analog Devices)
図1では、プロセスモニタがデータを使用して、エンドユーザー向けの最終的なアイテムの結果を予測しています。デジタルツインは、最も重要な競争上の優位性として、企業の人員によるこれらのフェーズの実装を活用します。デジタルツイン版のインダストリー4.0は、メーカーが市場でより簡単に適切な製品を生産できるようにすることを約束すると同時に、これからのZ世代に見い出される新しい技術的人材を惹きつけ、維持します。
デジタルツインの仕組み
物理的な資産に接続されたセンサがデータを収集し、そのデータが仮想モデルにマッピングされます。デジタルツインを見る人は、物理的なアイテムの企画、制作、実世界の応用に関する重要な情報を目にすることになります。このように、デジタルツインは現在を理解し、未来を予測するのに役立ちます。フロントエンドでは、プロセスシミュレーションによってデジタルツイン製品が決定されます(図2)。
図2：デジタルツインは、現在を理解して未来を予測するのに役立ちます。(画像提供：Siemens)
第2段階(図2)では、プロセス自動化とプロセス品質が、デジタルツイン生産中の性能データをサポートします。この時点では、シミュレーションとデータ収集が継続されている点を心に留めておくことが重要です。実際の製品の生産は最終段階ですが、これまでのシミュレーションでは、実際の製品の特性を事前に予測していました。
デジタルツインの個人およびソフトウェアの技術的負債の中で最も重要なものの1つは、部門間のサイロを作る壁(仮想および現実)を排除することです。たとえば、インダストリー3.0製品の設計の詳細は、エンジニアリングの壁の外では実質的にアクセスできません。
製造、調達、販売、サービスの各チームがそれぞれの仕事を効果的に行い、他のグループにフィードバックして製品やプロセスを改善することは困難です。たとえば、作業現場の技術者は、完全に組み立てられると、どのような結果になるのかを知りません。サービスチームは、見たこともない部品をどのように修理するか、仮想PDFを見ながら検討します。営業チームは機能オプションを販売し、サプライチェーン管理者は部品番号しか知りません。
これでは、各チームメンバーが仕事をするのが難しいだけでなく、技術者が設計を改善するための重要な情報を得られないことになります。企業が設計をよりアクセスしやすいものにすることができれば、イノベーションはより早く実現し、従業員はそのプロセスにより深く関わることができるでしょう。
デジタルツインの構造
デジタルツイン技術は、製品や資産をこれまでにない形で可視化し、ボトルネックの発見、オペレーションの合理化、製品開発の革新を実現します。3つの主要なデジタルツインは、予知保全、プロセスの計画と最適化、製品設計と仮想プロトタイピングです。
●予知保全
企業は、装置の健全性や性能の観点から、操作上の異常や逸脱を即座に発見することができます。プロアクティブに計画されたメンテナンスと予備部品の補充により、サービス時間を最小限に抑え、コストのかかるリソースの故障を回避します。デジタルツインの予知保全は、サービスをベースとした新たな収益源を提供するとともに、OEMの製品の信頼性向上にも貢献します。
●プロセスの計画と最適化
製品率やスクラップ数などの重要な主要業績評価指標(KPI)の包括的な解析は、センサや企業資源計画(ERP)データを用いたデジタルフットプリントから得られます。このプロセスでは、非効率やスループット低下の根本原因を診断し、この診断によって歩留まりの最適化や廃棄物の削減を図ることができます。また、装置の履歴データ、プロセス、環境によってダウンタイムの予測が可能となり、生産スケジューリングが改善されます。
●製品設計と仮想プロトタイピング
仮想製品モデルにより、使用パターン、劣化ポイント、作業負荷の大きさ、不具合の発生などを把握することができます。製品の特性や故障モードを理解することで、設計者や開発者は製品のユーザビリティを評価し、将来のコンポーネント設計を改善することができます。
同様に、OEMは、特定のユーザーの行動や製品の実装状況に基づいて、さまざまな顧客グループに対してカスタマイズされた製品を提供することができます。さらに、デジタルツイン技術は、仮想プロトタイプの開発や、経験的なデータに基づく機能テストの強力な促進を支援します。
実世界の使用事例
現実の世界では、製品やプロセス、設備を生産ラインに導入する前にテストする能力が重要です。デジタルツインは、この目的を実現します。世界中の企業がデジタルツインを使用して、プロセス、サプライチェーン、設備管理などの改善を行っています。ここでは、デジタルツイン技術がさまざまな産業を変革する方法の例をご紹介します。
●SiemensのSIMATICを使用した、よりスマートな出荷包装
SiemensのSIMATIC技術は、革新的な包装機械の多くのソリューションの中核を担っています。これらのプロジェクトは、機械がよりシンプルで無駄のないプロセス、品質の向上、あらゆる面で最適な性能を達成するために、SIMATIC T-CPU(CPU à schematic technology)がどのように役立つかを示しています。
TMG社は、食品・飲料、化粧品、化学品などの包装機械を製造しています(図3)。
図3：TMGの梱包機械の画像です。(画像提供：Siemens)
同社のシステムでは、7台のSINAMICS S120ドライブとフォーマットの切り替えに、ほとんど時間がかかりません。SiemensのPROFINETネットワークは、SIMATIC S7-1500TF CPU、コンフォートパネル、S120およびG120ドライブを統合し、オートメーション、モーション制御、安全性を単一の完全統合オートメーション(TIA)ポータル環境で開発します。
SIMATIC S7-1500TFとSINAMICSドライブ技術による統合型の汎用ソリューションのおかげで、TMGは構成効率、高性能、新フォーマットへの変換の容易さにおいて、高い評価を得ています。
●人工知能とモーション制御の融合 (147)
Wittmann Battenfeldのハンドリングシステムは、射出成形機用の部品を掴んで挿入し、さらに別の機械に再挿入します。この装置は、対応する物体を自由に動かしたり回転させたりすることで、ハンドリングシステムに5つの軸(空間内の移動用に3つの軸、任意の方向へのインサートの回転用に2つの軸)を提供します。
このハンドリングシステムは、この複雑な作業を高速なサイクルタイムで完了させることで生産性を向上させ、プロセスを可能な限り柔軟にすることができます。SiemensのオートメーションソリューションであるSIMATICは、モーション制御、画像認識、オートメーションを含むすべての機能を1つのコントローラにマッピングします。
Wittmann Battenfeldは、モーション制御タスクと視覚化モジュールのエンジニアリングをサポートするSiemensのHandling Standard Applicationの助けを借りて、この機能を実装しています。また、このパッケージには、Wittmann Battenfeldの開発者がグリッパの動きを3Dモデルで追跡するトレース機能も含まれています。
図4：SIMATICコントローラは、振動台上のインサートを掴むグリッパに指令を出します。AIモジュールは、カメラのデータを処理します。(画像提供：Siemens)
デジタルツインの展開における重要な考慮事項
デジタルツインは、20世紀の製造業モデルからの新しいパラダイムです。工場のデジタルツインモデル化には、財政的な影響があります。しかし、装置や生産ラインの信頼性が向上することで、デジタルツインへの投資は利益をもたらします。
デジタルツイン技術は、ダウンタイムの削減、生産性と性能の向上により、総合設備効率(OEE)を向上させます。仮想モデルが現実につながることで、製品の入手可能性や市場での評判など、さまざまな分野でリスクが軽減されます。
デジタルツインとは、製造において設計時、完成時、保守時の物理的な製品を仮想的に表現したものです。この仮想表現は、物理的な製品、生産システム、または装置の構成に基づいて、リアルタイムのプロセスデータと分析を反映します。さらに、デジタルツインには、技術者がコンセプトや仮説を物理的な機械に適用する前にテストできるという利点もあります。
デジタルツインとSiemensのデジタルイミテーションは、産業オートメーション革命の一部なのです。デジタルツインが産業界にどのような影響を与えたでしょうか？このデジタルイミテーションは、データを生成する物理的な資産、工程、フレームワークに継続的に影響を与えます。デジタルツインはインダストリー4.0開発の中核であり、オートメーション、データ交換、製造プロセスを包み込み、産業の成長に無限の機会をもたらします。
参照資料
(1) ビデオインサイト：デジタルツインの開拓、2021年10月6日、デジタルツイン概念の考案者であるマイケル・グリーブス博士との対話。
(2) TMG：より少ない時間でより高い性能を実現、Siemens。
(3) 人工知能とモーション制御の融合：技術を一歩先へ、Siemens。
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