IOT et industrie : Premiers pas avec Digital Twins

L'industrie 4.0 est en plein essor depuis si longtemps qu'il est facile d'oublier qu'elle change la donne. Non pas à cause de la prolifération des appareils IoT industriels qui a annoncé son arrivée, mais de ce que les entreprises pourraient réellement faire avec les données générées par ces appareils.

En termes simples, les appareils IIoT d'aujourd'hui rassemblent suffisamment de données pour alimenter des équipements de fabrication virtuels appelés «jumeaux numériques» que les entreprises peuvent utiliser pour planifier ou tester automatiquement de nouvelles stratégies. Grâce aux jumeaux numériques, les équipes d'ingénierie et de conception peuvent créer des systèmes autonomes capables d'analyser les performances actuelles de l'équipement de fabrication physique, de les comparer aux données passées et d'ajuster ses paramètres en conséquence.

Dans les questions-réponses suivantes avec Rich Nass de Embedded Computing Design, Philipp Wallner, responsable de l'industrie de MathWorks, explique le raisonnement derrière les jumeaux numériques et la valeur qu'ils peuvent apporter aux entreprises qui les adoptent et, plus important encore, savent comment les utiliser.

Que sont les jumeaux numériques?

Philipp Wallner (PW): Les jumeaux numériques sont des représentations numériques d'un actif physique du monde réel en fonctionnement qui reflète l'état actuel de l'actif sur la base de données historiques pertinentes et facilement accessibles. Les entreprises utilisent des jumeaux numériques pour analyser les performances d'actifs tels que les composants, les machines et l'ensemble des usines de production (ou de fabrication) en fonctionnement et les comparer aux données antérieures. Ils peuvent également les utiliser pour optimiser les opérations de leur entreprise, prédire le comportement futur ou s'assurer qu'un actif donné fonctionne dans les meilleures conditions. Par exemple, grâce à la maintenance prédictive de pompes, de moteurs, de centrales électriques, de lignes de fabrication ou de flottes de véhicules.

Comment les jumeaux numériques s'intègrent-ils dans le contexte plus large de l'industrie 4.0?

PW: L'un des principaux objectifs des fabricants adoptant l'Industrie 4.0 devrait être de transférer des parties du processus de prise de décision qui suivent des modèles répétés spécifiques (que l'algorithme d'IA peut apprendre), tout en ayant de nouvelles connaissances et idées à venir des décideurs humains à l'avenir. En faisant cela, les ingénieurs disposent de plus de bande passante pour intégrer les connaissances humaines (en appliquant leur expertise de domaine) aux processus de leur entreprise. Les modèles qui alimentent ces plates-formes utilisent à la fois des données historiques et les vastes trésors de nouvelles informations générées par les capteurs d'un actif pour réagir de manière appropriée quelle que soit la situation. Les jumeaux numériques ajoutent une autre couche à ce processus, donnant aux ingénieurs la possibilité d'évaluer les décisions du modèle, d'ajuster les variables et de tester de nouveaux scénarios sans utiliser d'actifs dans le monde physique.

Comment fonctionnent les jumeaux numériques?

PW: Cela dépend de l'entreprise. Par exemple, disons que vous êtes dans l'industrie pétrolière et gazière et que votre entreprise possède des puits à trois endroits différents, chacun avec plusieurs pompes. Vous pouvez utiliser des jumeaux numériques à des fins de maintenance prédictive, en demandant à vos ingénieurs de créer des jumeaux numériques pour chaque pompe et en mettant constamment à jour les jumeaux numériques avec des données générées par des capteurs qui évaluent l'état de fonctionnement actuel de chaque pompe.

Pourquoi les entreprises devraient-elles utiliser des jumeaux numériques?

PW: Les ingénieurs d'une entreprise donnée peuvent utiliser des modèles de jumeaux numériques de plusieurs manières pour s'assurer que leur équipement fonctionne toujours dans des conditions optimales:

Réduction des temps d'arrêt de l'équipement: ils peuvent utiliser des jumeaux numériques pour améliorer les performances des composants tels que les joints, les vannes et les plongeurs en prévoyant les pannes de l'équipement et en les empêchant à l'avance.
Gestion des stocks: les ingénieurs peuvent améliorer la gestion des stocks de l'entreprise en utilisant des jumeaux numériques pour identifier les pièces qui peuvent nécessiter une réparation ou un remplacement.
Gestion de flotte, simulations d'hypothèses et planification opérationnelle: Se référer au cas d'utilisation du pétrole et du gaz que j'ai mentionné plus tôt est la façon la plus simple de décrire celui-ci. Ainsi, chacune des pompes du puits peut avoir des fonctionnalités similaires; cependant, chacun se trouve dans un endroit avec des facteurs environnementaux uniques qui affectent son fonctionnement, comme la température. Heureusement, l'entreprise peut utiliser des jumeaux numériques pour surveiller l'ensemble du parc de puits (ou tout autre élément d'infrastructure surveillé), en identifiant des moyens d'augmenter l'efficacité et en simulant des scénarios futurs pour les tester, en optimisant les opérations futures.

Pouvez-vous développer la capacité d'un jumeau numérique à capturer l'état d'un actif physique?

PW: les jumeaux numériques sont fréquemment mis à jour pour correspondre à l'état actuel de l'actif physique, ce qui leur permet potentiellement de mesurer son état au fil du temps. Les informations cataloguées changent en fonction de la façon dont le jumeau numérique est utilisé et de ce qu’il capture. Par exemple, les jumeaux numériques dans les cas d'utilisation de la maintenance prédictive peuvent être utilisés pour la classification des défauts qui capturera les données opérationnelles des états sains et défectueux d'une pompe, que les ingénieurs peuvent comparer aux historiques de jumeaux numériques d'autres pompes pour comprendre comment des circonstances similaires ont affecté le comportement de la pompe. et l'efficacité globale de la flotte. Davantage de jumeaux numériques sont nécessaires pour capturer l'état holistique d'un actif.

Ces capacités de surveillance peuvent-elles également être utilisées pour détecter des anomalies?

PW: Les jumeaux numériques fonctionnent parallèlement aux actifs physiques et signalent le comportement opérationnel, qui comprend des anomalies. Lorsque des anomalies sont détectées, le jumeau numérique peut déterminer s'il faut les signaler comme des dommages potentiels à l'équipement.

Peuvent-ils être utilisés pour la maintenance prédictive?

PW: Parce qu'ils peuvent surveiller des flottes entières, les jumeaux numériques sont particulièrement bien adaptés à la planification opérationnelle et à la maintenance des actifs. Les entreprises qui exécutent des applications d’automatisation industrielle et de machinerie, par exemple, peuvent utiliser des jumeaux numériques pour déterminer la durée de vie restante de leur équipement et le meilleur moment pour le réparer ou le remplacer.

Il est à noter que la maintenance prédictive nécessitant généralement la prise de décisions en temps réel ou urgentes, les jumeaux numériques effectuant une maintenance prédictive doivent être intégrés directement sur un contrôleur industriel sur l'actif lui-même ou en périphérie, plutôt que sur l'IT / OT. couches, comme indiqué ci-dessous.

(Figure 1: Une topologie de système connecté intelligent caractéristique et où les jumeaux numériques doivent être déployés. © 1984–2020 The MathWorks, Inc.)

L'un des avantages sur lesquels les partisans de l'intelligence artificielle aiment se concentrer est sa capacité à aider les entreprises à développer de nouvelles stratégies – diriez-vous que les jumeaux numériques offrent cet avantage aux fabricants?

PW: Absolument. Les jumeaux numériques peuvent être utilisés pour simuler plusieurs scénarios afin d'examiner comment des facteurs tels que la taille de la flotte, la météo ou les conditions d'exploitation affectent les performances d'une entreprise. Avec l'aide d'ingénieurs, les propriétaires d'entreprise peuvent ensuite utiliser les informations pour prendre des décisions éclairées sur la gestion des actifs, les calendriers de maintenance et l'optimisation des opérations.

Les facteurs qui rendent les jumeaux numériques efficaces pour détecter les anomalies peuvent-ils être utilisés pour optimiser les opérations?

PW: Bien sûr. Comme mentionné précédemment, les entreprises peuvent modifier des variables telles que la taille de la flotte, la météo, les performances ou les coûts énergétiques et les appliquer à des centaines ou des milliers de scénarios pour évaluer leur état de préparation ou identifier les ajustements les plus susceptibles de produire les meilleurs résultats. Cette approche permet aux entreprises d'atténuer les risques, de réduire les coûts ou de maximiser l'efficacité du système – parfois les trois.

Par exemple, l’un de nos clients constructeurs de machines dans l’industrie agro-alimentaire a créé un jumeau numérique qui a optimisé non seulement la conception des dispositifs de manipulation robotique de l’entreprise, mais également ses capacités de test de pannes et de maintenance prédictive. Vous pouvez en savoir plus sur l'exemple ici.

Comment les lecteurs peuvent-ils construire un jumeau numérique?

PW: Les ingénieurs seront de plus en plus invités à développer des jumeaux numériques pour leur entreprise étant donné les nombreux avantages que j'ai décrits jusqu'à présent. Les équipes de conception doivent garder à l'esprit trois modèles principaux lorsqu'ils préparent, construisent et appliquent leur jumeau numérique: basé sur les données, basé sur la physique et un qui combine les deux.

Pouvez-vous nous les expliquer?

PW: volontiers. Une entreprise qui tente d’optimiser les calendriers de maintenance en estimant la durée de vie utile restante (RUL) d’un actif doit utiliser un modèle basé sur les données. L'entreprise peut également utiliser des modèles de similarité si elle a accès à des historiques complets d'actifs similaires, mais si l'entreprise n'a accès qu'aux données de défaillance, des modèles de survie peuvent être utilisés. Si l'entreprise n'a pas accès aux données de défaillance mais connaît le seuil de sécurité de l'actif, des modèles de dégradation peuvent être utilisés pour estimer le RUL, l'état de l'actif étant évalué par des capteurs mesurant des facteurs tels que le débit, la pression et les vibrations dans le cas d'une pompe. .

Si une entreprise souhaite expérimenter des scénarios futurs potentiels et simuler le comportement d'une flotte dans plusieurs conditions, elle doit utiliser un modèle basé sur la physique, créé en connectant des composants hydrauliques et mécaniques. Les modèles basés sur la physique reçoivent les données d'un actif, après quoi les ingénieurs sont invités à ajuster ou ajouter plusieurs variables ou conditions d'environnement, puis à visualiser le résultat simulé.

Une autre option de jumeau numérique disponible pour les ingénieurs est un filtre de Kalman, qui combine la physique et les données en modélisant la dégradation d'un actif, puis en mettant à jour périodiquement l'état de l'actif numérique pour représenter l'état actuel de l'actif physique.

Comment les lecteurs peuvent-ils intégrer les jumeaux numériques dans le processus de conception?

PW: Lors de la conception d'un actif, les équipes d'ingénierie doivent créer un jumeau numérique pour chaque composant. Plus ils auront de jumeaux numériques correspondant aux composants de leur actif, plus les mesures du jumeau numérique seront précises et mieux les ingénieurs de l'actif seront équipés pour tester virtuellement leur actif. Certaines applications peuvent nécessiter un nombre total de jumeaux uniques plus faible que d'autres – les équipes modélisant un système de plusieurs systèmes, par exemple, peuvent ne pas avoir besoin d'un jumeau pour chaque système car les attentes en matière de précision peuvent être moindres. Mais si les équipes de conception ont l'intention d'exécuter, par exemple, la prédiction des pannes et la classification des pannes, elles doivent créer différents modèles pour chaque objectif, et plus il y a de jumeaux numériques disponibles pour ces modèles, mieux c'est.

Qu'est-ce qui a du sens – plus les équipes d'ingénierie des données ont, plus elles peuvent apporter de valeur aux employeurs?

PW: Exactement. La flexibilité et les avantages des jumeaux numériques devraient en faire une priorité absolue pour les entreprises qui font la transition vers l’Industrie 4.0. En fournissant des représentations à jour des actifs en exploitation, les entreprises offrent à leurs équipes d'ingénierie et de conception des opportunités infinies pour optimiser, automatiser ou améliorer l'efficacité de leurs actifs et évaluer les performances futures – toutes activités qui conduisent à des économies de coûts, un développement accéléré et en fin de compte, le leadership de l'industrie.

Philipp Wallner est directeur de l'industrie pour l'automatisation industrielle et les machines chez MathWorks.

A propos de l'auteur

Richard Nass est le vice-président exécutif d'OpenSystems Media. Ses principales responsabilités incluent la définition de la direction pour tous les aspects des portefeuilles de produits intégrés et IoT d'OpenSystems Media, y compris les sites Web, les bulletins électroniques, les magazines imprimés et numériques et diverses autres activités numériques et imprimées. Il a joué un rôle déterminant dans le développement du portail éducatif en ligne de l'entreprise, Embedded University. Auparavant, Nass était le directeur de la marque pour la propriété primée Design News d'UBM. Auparavant, il dirigeait l’équipe de contenu du groupe des dispositifs médicaux d’UBM Canon, ainsi que toutes les propriétés et événements personnalisés aux États-Unis, en Europe et en Asie. Nass est dans l'industrie de l'ingénierie OEM depuis plus de 25 ans. Auparavant, il dirigeait l'équipe de contenu chez EE Times, gérant les groupes Embedded et Custom et le réseau TechOnline DesignLine de sites Web d'ingénierie de conception. Nass est titulaire d'un diplôme BSEE du New Jersey Institute of Technology.

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