Kredit:Advanced Remanufacturing and Technology Center
A*STAR har byggt en testbädd för digitala tvillingar, de virtuella motsvarigheterna till verklig tillverkningsutrustning. Dessa fabriksinnovationer kan hjälpa företag att spara enorma mängder tid och pengar genom att förutsäga och justera för deras partnermaskins tillstånd på språng.
Föreställ dig att en tillverkningsjätte har en maskin på ett av sina fabriksgolv där en spindel är på väg att knäppa. I en konventionell fabrik, den surrande maskinen kommer inte att varna om sitt förestående fel, och dess misslyckande kommer vid ett slumpmässigt ögonblick. Diagnos och reparation kommer att gå relativt långsamt, begränsas av datainsamling och organisering av mänskliga och materiella resurser. För ett företag med snabbrörliga konsumentvaror (FMCG), eftersläpningen kan bli kostsam. "På grund av den höga volymen, vi pratar om miljontals dollar i förluster för varje timmes stilleståndstid, " säger Stuart Wong, senior gruppchef vid Advanced Remanufacturing and Technology Center (ARTC) i Singapore, där ett antal företag samarbetar med A*STAR-forskare för att utveckla tillverkningsteknologi, inklusive att göra mycket intelligenta, sensoriserade maskiner.
Digitala tvillingar kommer att göra fabriker smartare
Med lite hjälp från ARTC:s modell smarta fabrik, en testbädd för tillverkningsteknik som öppnade i augusti, kinks kan navigeras med hjälp av ett koncept som kallas "digital tvilling". Tanken är att maskiner ska sensoriseras, så att spindeln i maskinen kontinuerligt övervakas och dess prestandadata skickas till ett centralt kontrollrum. Där, data matas in i en dator som fungerar som en digital tvilling till maskinen – en virtuell kopia som exakt återspeglar maskinens aktuella driftstatus baserat på sensordata i realtid och fysikmodellering. Den digitala tvillingen, upptäcker en liten vinkling i spindeln, kan justera sin fysiska motsvarighets driftsparametrar för att korrigera för wobblingen. Eller, om vinklingen inte kan korrigeras, det kan varna för ett förestående fel.
I kontrollrummet skulle sedan en operatör tipsas, och denna person kan sedan starta ett standardiserat svar. "Den digitala tvillingen kan då skapa en underhållsarbetsorder, avgöra om du kan omdirigera produktionen så att leveransen inte påverkas, hitta lämplig underhållspersonal, och berätta för dem vart de ska gå, " säger Anikath Murali Das, en av ARTC:s programledare. Denna underhållspersonal kan snabbt reparera eller byta ut den felaktiga maskinen, guidad, antingen av en surfplatta som visar ett anpassat dataflöde på den drabbade maskinen, eller med en uppsättning augmented reality-glasögon. För dagligvaruföretag som Nestlé, Genom att arbeta med ARTC om teknologier som denna kan de minimera stilleståndstiden och förbättra prestanda och kapitaleffektivitet i sina fabriker.
Många av dessa framsteg kan låta lite som science-fiction, men all nödvändig teknologi är under utveckling hos ARTC. Till exempel, ARTC bygger augmented reality-funktioner med hjälp av Microsofts HoloLens, en typ av glasögon som blandar bilder från den verkliga världen med digitalt förbättrade överlägg. Vid sidan av detta, ARTC-forskare bygger en svit med webbaserade applikationer som kommer att ge ambulerande arbetare tillgång till instrumentpaneler med viktig data på sina telefoner och surfplattor, samt möjligheten att ringa in virtuell hjälp om det behövs. "Om någon underhålls- eller reparationsuppgift ligger utanför en arbetares räckvidd, [med hjälp av våra verktyg] kan en kollega någon annanstans se exakt vad arbetaren som står vid maskinen ser och vägleda dem om vad de ska göra, " förklarar Das.
För att mata information till dessa applikationer, gruppen undersöker aktivt hur man kan lägga till sensorer till maskiner från industriella partners. "Vi har en maskin utlånad från ett företag som vi själva har avkännt, " säger Das. "Vi har satt in 43 sensorer för att titta på vibrationer, temperatur, och akustiska utsläpp."
ARTC har också utvecklat en digital tvilling av en co-bot, en robot designad för att fysiskt hjälpa en mänsklig operatör med uppgifter som att flytta heta eller tunga föremål. Just nu, information flödar endast från den fysiska co-boten till dess digitala kopia, men Wong säger att ARTC:s digitala tvillingar så småningom kommer att vara dubbelriktade, så den digitala versionen kan justera driften av sin fysiska tvilling i realtid, reagerar omedelbart på informationen den får.
Det finns säkerhetskonsekvenser av att data som flödar från smarta kontrollrum direkt kontrollerar miljontals dollar av dyra, högprecisionsutrustning som ARTC adresserar. "Säkerheten för data är det enda som alla är bekymrade över, " säger Das. Utöver de säkerhetsfrågor som ställs genom att ha ett centraliserat kontrollrum finns generella farhågor kring att ha oändligt mycket mer data. Men denna data kan vara mycket användbar för att spåra gamla fel. Till exempel, när företag får höra från sina kunder att deras produkter har kvalitetsproblem. Vanligtvis, när en kund ger feedback som denna, det kan vara svårt att diagnostisera vad som kan ha orsakat problemet. Så, Das förklarar, ARTC digitala tvillingmodellfabriken vill behålla all relevant data. "Vi kan gå tillbaka till en viss dag, titta på alla instrumentpaneler, borra ner, diagnostisera och lösa problemet." Men när vi utformade dessa system, Wong säger att det är oerhört viktigt att fokusera på att designa mjukvaruarkitektur som är mycket säker, samt skalbar, pålitlig, och laggfri.
Maskiner kommer att prata med maskiner
På kort sikt, smart fabriksutveckling på ARTC kommer att fokusera på att hjälpa befintlig fabrikspersonal. "Målet är att hjälpa människor genom att aggregera och smälta data, sedan skapa insikter från det, " säger Wong. "Kontrollrummet kommer att tillhandahålla information och förutsägelser, men människan måste fatta beslutet." Så småningom, fastän, Wong förväntar sig att artificiell intelligens (AI) ska ta på sig en större del av beslutsbördan. "När systemen blir mer intelligenta, vi kan gå över till full automatisering med AI. Det kan avlasta människor att fokusera på saker som AI inte kan göra:relationer, leveranskedja eller kundproblem, och leda arbetare."
Och data kommer att flöda inte bara inuti enskilda smarta fabriker, Das säger, men också mellan dem. "Maskiner kommer att kunna prata med maskiner direkt, " förklarar hon, och det inkluderar maskiner utanför fabriken. Nätverksanslutna maskiner kommer att arbeta tillsammans för att förutsäga fel, och att svara på dem. Till exempel, "maskinen i min fabrik kunde säga att en maskin i en fabrik utanför anläggningen skulle stängas av, Jag vill inte ha den delen du gör', " säger Das.
ARTC har skapat en augmented reality-version av deras modellfabrik. I den kan du se växellådsproduktion (ovan), se informationsflödet mellan enskilda maskiner och Manufacturing Intelligent Control Room, eller ta reda på mer om testbäddar. Kredit:Advanced Remanufacturing and Technology Center
Sofistikerade digitala tvillingar används redan på några av dessa sätt på NASA, som spårar rymdfarkoster med hjälp av digitala tvillingar, och även i viss mån på General Electric, som skapar digitala tvillingar av några av sina vindturbiner och jetmotorer för att övervaka deras prestanda och utföra förebyggande underhåll. Dock, många fler skräddarsydda versioner måste skapas för att utnyttja denna teknik för tillverkning.
Tyvärr, företag är ibland ovilliga att testa tekniken på egen hand eftersom de inte ville störa sina egna anläggningar. Det är också bara svårt, säger Wong, att sammanföra experter inom tillverkning med det breda utbudet av analytiska forskare som kan ge användbar input.
Det är därför Wong, Das och deras kollegor vill ge företag möjlighet att göra proof of concept testing, so that they can make the case to extend their Industry 4.0 investments to their boards and shareholders. "There is so much potential, " Wong explains of the motivation for the project. "But there was no showcase or test data that proved that this new technology can really be used to optimize smart factories."
The model factory sandbox built by ARTC provides industry with the freedom to experiment and build, then to take back new technologies and best practices to their factory lines. In addition to FMCG companies like Nestlé, these collaborations have already attracted significant interest from aerospace and heavy industry corporations, bland andra. "We are bridging the gap between pure research and product development, " Das explains. As of today, 69 industries have joined ARTC in doing just that.
Industry 4.0 – Singapore's smart factory advantage
It is an era that is less than 10 years old, but Industry 4.0 ambitiously imagines a new kind of factory that merges the cyber world – with its rich information flows, data visualization, and artificial intelligence – and the physical world, with its spindles, machines and presses.
I januari, a World Economic Forum analysis of 100 countries placed Singapore at the forefront of this changing landscape, listing it among the 25 countries best positioned to benefit from Industry 4.0. In their discussion, its authors pointed to Singapore's strong competencies in research and development, economic complexity, and openness to trade as major factors.
Media analyses have noted a push by the Singapore government to bolster this enviable position, noting a carrot and stick approach with grants and levies being bestowed on manufacturers, and strong financial backing for a series of support systems that including A*STAR's two model factories initiatives. Singapore has also recently launched of the Singapore Smart Industry Readiness Index, a tool to help industrial companies measure their progress towards Industry 4.0 standards.
A*star's model factory initiative
A*STAR's Model Factory Initiative aims to bridge technological gaps so businesses can reinvent themselves through technology co-innovation and adoption. There are two locations – one in A*STAR's Advanced Remanufacturing and Technology Centre (ARTC) and the other in A*STAR's Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech). The two play complementary roles to demonstrate the efficacy of advanced manufacturing technologies and guide companies on different legs of their technology adoption journey.
Core technologies in development at ARTC include:
Underlying all of these technologies is a scalable, secure and lag-free data architecture.
