Het gebruik van digitale tweelingen kan een belangrijke factor zijn bij het maximaliseren van de prestaties en flexibiliteit van Industrie 4.0-fabrieken. Open Platform Communications (OPC) is de interoperabiliteitsstandaard voor de veilige en betrouwbare uitwisseling van gegevens in industriële automatiseringsomgevingen. OPC is uitgebreid met de unified architecture (UA), gestandaardiseerd als IEC 62541, die de mogelijkheid omvat om digitale tweelingen van elk apparaat in een fabriek te integreren, inclusief connectoren.
Deze veelgestelde vraag begint met een definitie van digitale tweelingen en hoe deze kunnen worden geïntegreerd in Industrie 4.0-fabrieken. Vervolgens wordt gekeken naar een voorbeeld van een slimme elektrische connector (SmEC) die digital twin-functionaliteit naar industriële installaties brengt. Er wordt afgesloten met een korte blik op hoe OPC UA PubSub-gegevens en een Asset Administration Shell (AAS) in de cloud worden gebruikt om de SmEC te implementeren.
Een digital twin is een virtuele representatie van een fysiek object of systeem. Het integreert alle gegevens, simulatiemodellen, testen en andere informatie van een fysiek object die is gegenereerd tijdens de engineering, inbedrijfstelling, bediening en service tot aan het einde van de levensduur. Een digitale tweeling is geen generieke representatie; het is specifiek gekoppeld aan een individueel apparaat, zoals een enkele connector, en volgt het ontwerp, de productie en het gebruik ervan gedurende de gehele levenscyclus.
Digitale tweelingen kunnen vrijwel realtime tracking en analyse bieden van activiteiten op de fabrieksvloer tot aan individuele machines, sensoren en componenten zoals connectoren, en ondersteunen verbeterde analyses, procesflexibiliteit en hogere kwaliteit.
Op de Hannover Messe 2023 demonstreerde HARTING samen met Microsoft (aanbieder van clouddiensten), SAP (software- en gegevensevaluatie) en Siemens (als gebruiker) een SmEC die gebruik maakt van OPC UA in de fysieke connector, OPC UA Pub/Sub-gegevens, en een AAS in de cloud ter ondersteuning van de integratie als digitale tweeling in een virtuele fabriek (Figuur 1). De connector registreert operationele proces- en conditiegegevens gedurende de gehele levenscyclus.
De connectorstatus wordt via OPC UA vrijwel realtime gecommuniceerd naar de digital twin in de cloud en kan worden gebruikt voor het actief monitoren van fabrieksprocessen. Door de beschikbaarheid van verbindingsgegevens, waaronder spanning en stroom, is de status van de aangesloten machine eenvoudig te monitoren. Daarnaast worden drie connectorstatussen bewaakt:
- Unplugged
- Zonder belasting aangesloten en vergrendeld
- Aangesloten en op zijn plaats vergrendeld onder belasting
De digitale tweeling van de connector bevat gegevens zoals het aantal koppelings-/ontkoppelingscycli en kan via de digitale fabriekstweeling worden geïntegreerd met andere gegevens over de fabrieksomgeving, zoals de omgevingstemperatuur en vochtigheid. Die informatie kan worden gebruikt om preventief onderhoud te plannen, waardoor downtime wordt vermeden en de productiviteit wordt verhoogd.
Pub/Sub-communicatie
Het Pub/Sub-communicatieprotocol in OPC UA is niet gebaseerd op een client-server-structuur. OPC UA-clients die Pub/Sub ondersteunen, kunnen een uitgever zijn die gegevens verzendt of een abonnee die gegevens ontvangt. Het systeem moet een “makelaar” bevatten die gegevens van uitgevers kan ontvangen en gegevens aan abonnees kan leveren (Figuur 2). In toepassingen zoals Industrie 4.0-fabrieken met grote aantallen uitgevers en abonnees is Pub/Sub veel efficiënter dan directe zender-ontvanger-connectiviteit. OPC UA Pub/Sub is transportonafhankelijk en kan worden overgedragen via het user datagram protocol (UDP) of message queuing telemetry transport (MQTT), afhankelijk van de applicatievereisten.
Shells voor vermogensbeheer
De Industrial Digital Twin Association (IDTA), de ontwikkelaar van de AAS, standaardiseert momenteel de AAS-specificatie als onderdeel van IEC 62378. De AAS is het belangrijkste element dat de ontwikkeling van een digitale tweeling met connector ondersteunt. De demonstratie op de Hannover Messe liet zien hoe de inhoud in de AAS wordt verzameld. Ten eerste voorziet de connectorfabrikant de AAC van SmEC van basisproductiegegevens en maakt in dit geval gebruik van het NX CAD-ontwerp-tot-productiesysteem van Siemens. In de volgende stap wordt de connector in een specifieke machine geïnstalleerd. Tenslotte wordt de machine in een fabriek geïnstalleerd. De SmEC stuurt de digitale tweeling het serienummer en andere identificerende gegevens, connectiviteitsstatus, toegepaste vermogensmetingen en identificatie van de bijpassende socket. In de demonstratie werden de gegevens naar de Microsoft Azure-cloud gestuurd, waar de services Azure Digital Twin en Azure Data Explorer werden gebruikt voor analyses.
Samengevat
OPC UA Pub/Sub-gegevens kunnen worden verzonden vanaf een connector met een ingebouwde AAS ter ondersteuning van de implementatie van de digitale tweeling van de connector in een Industrie 4.0-fabriek. De digitale tweeling bevindt zich in de cloud en kan worden gebruikt om vrijwel realtime analyses te ondersteunen, preventief onderhoud te plannen en de informatie te leveren die nodig is voor continue procesverbetering.
Referenties
Industriële Digital Twin Association
Industriële interoperabiliteit met OPC UA en de AAS, OPC Foundation
Slimme elektrische connector, Harting
The Asset Administration Shell: Digitale tweelingen implementeren voor gebruik in Industrie 4.0, Platform Industrie 4.0
Gebruiksscenario's voor OPC UA-methoden, Pub/Sub en Companion-specificaties, OPC Foundation