Digitala tvilling-koncept är ett av dagens mest hajpade ämnen. Men hur det hela ska materialiseras till färdiga lösningar är ännu inte helt klarlagt. Vi befinner oss bara i början av denna era och det är nu de första ”paketerade” lösningarna börjar komma.
Låt oss därför börja med de allmänna förutsättningarna: För det första är digitala tvillingar egentligen ingen nyhet inom produktutvecklingen. Även om tanken med tvillingfunktionalitet är ny så har den digitala 3D-modellen, med all tänkbara information som ett digitalt påhäng, många år på nacken. Icke desto mindre är denna modell ett fundament i konceptet.
Vidare är ”konstruktionen” med digitala tvillingar nära kopplad till IoT, Internet of Things eller Sakernas Internet. Det är heller ingen tvekan om att virtuella modeller av fysiska “saker”, “things”, är nästa kapitel i den alltmer utvecklade relationen mellan IoT och digitala business.
Analytikern Gartner brukar beskriva ”den instrumenterade saken” (”the instrumented thing”) – alltså produkten som är utrustad med sensorer, mjukvara och annat för att kunna vara uppkopplad mot nätet – som ett byggblock i IoT. Den digitala tvillingrepresentationen, 3D-modellen, möjliggör för de inblandade parterna att följa, monitorera, ”saken” och fatta drifts-, service- och underhållsbeslut om den relaterat till den kontext ”saken” verkar inom.
Klart är också att denna innovativa tanke har starka kopplingar till PLM, exempelvis i det att data från produkten i drift på fältet kan återmatas till PLM-systemet och användas som grund för ytterligare innovationer och förbättringar.
Sammantaget kommer detta att föra med sig ett skifte i hur dessa ”saker” tas fram och används. Inte minst produktframtagningsprocessen kommer i hög grad att påverkas och effektiviseras. Analytikern IDC menar exempelvis att företag som från och med nu och under 2018 investerar i denna typ av teknologi kommer att uppleva 30-procentiga förbättringar i kritiska processer.
En tvilling med tre aspekter.
VF/PLM&ERP News spenderade ett par dagar i Berlin under Siemens stora användarkonferens, PLM Europe 2017, under den gångna veckan och har tagit del av bolagets syn på sakerns tillstånd när det gäller behoven av verktyg för att realisera IoT (MindSpere) och digitala tvillingar (NX CAx-verktyg, Simcenter simulering, Teamcenter PLM-ryggrad, Tecnomatix för digital produktion).
I produktutvecklingen, såväl som i tillverkningen, driften och som grund för nya affärsupplägg skapas helt nya behov av IT-stöd. Frågan är om en enda digital tvilling kommer att räcka till som grund för detta. Blir komplexiteten i tvillingkonceptet för stor, om man lastar all tänkbar information på en enda tvilling? Kommer man därför att sikta in sig på att inom ramen för en tvilling aktivera olika aspekter på den beroende på vad det är som ska hanteras?
Kanske, det hela tål i alla fall att tänkas på och problematisera kring, vilket man gjort inom Siemens PLM och bolagets Digital Factory-division. Man har tittat på tvillingkonceptet relaterat till tre områden eller aspekter, där ”tvillingen” kan aktivera olika bitar beroende på vad som ska hanteras. Varför? Ett bra skäl är att man inte behöver låta tvillingen tyngas ner av data relaterat till tillverkningsprocessen när produkten är i drift. Man delar därför upp det hela i tre faser:
- Ideation – ”en tvillingaspekt” för produktens skapelseprocess och produktutveckling
- Realisering – en aspekt för produktens tillverkningsfas med kopplingar till en digitalt styrd tillverkningsprocess
- I drift – ”en tvilling” för produkten hos slutanvändaren, med återmatningsfunktioner till PLM
Men som sagt hela processen kring IoT och digitala tvillingar har sin början i CAx-verktygen och i detta menar Siemens Jan Larsson, att man med NX 12.0 har lösningarna för, ”nästa generations design, simulering och tillverkningslösningar som gör det möjligt för företagen att realisera värdet av den digitala tvillingen hos sina slutanvändare.”
Relaterat till punkterna ovan är detta ”ideations-” eller skapelseverktyget.
NX 12.0 och systemdriven produktutveckling. En viktig poäng i NX är stödet för systemdriven produktutveckling, vilket baseras på RFLP-metodiken (Requirements, Functional, Logical and Physical). Detta knyter ihop de logiska och fysiska abstraktionerna inom både de elektriska- och mekaniska domänerna. I den nya versionen kombineras verktyg för designoptimering, avancerad geometrikreation, friformsskapande och parametrisk konstruktion för att realisera generativ design. Här spelar bolagets ”Convergent Modeling-teknologi” huvudrollen och gör det möjligt för konstruktörer att sömlöst modellera meshmönster i kombination med exakt geometri.
– Den senaste versionen av NX är en milstolpe, sammanfattar analytikern, Allan Behrens, Taxal. Att flytta fram den tidigare konvergenstekniken till att omfatta sånt som generativ-, additiv- och multidisciplinär design är imponerande. Med dessa tillägg menar jag att NX-användarna kommer att få ett mycket kompetent verktyg för att både utveckla och leverera morgondagens synnerligen krävande och ofta komplexa produktkonstruktioner.
Behrens pekar i sammanhanget också på de kopplingar som systemet erbjuder till tillverkningsområdet.
– Utvecklingen här är en del i en större utrullning av kapabiliteter som också berör sånt som prestanda när det gäller stora assemblies och modellbaserat ingenjörsarbete.
Taxalanalytikern noterar också att NX med integrationen av Mentors ”EDA-paket” (Electronic Design Automation) – teknik för elektriska- och inbyggda system och den snabbt genomförda integrationen av elsystemen, kabeldragning och PCB-element – ger användarna en verktygsarsenal som täcker mer än vad konkurrenterna gör.
– Mycket värdefullt, inte minst för användare inom fordons- och flygindustrin, säger han.
Elektronik och mjukvara tar över. Klart är också att detta med elektronik är på väg att bli helt avgörande inom i stort sett alla produkter, oavsett bransch, vilket förstås gör det viktigare än någonsin att el- och mekanik- konstruktörer samarbetar under hela produktutvecklingsprocessen. I detta spelar alltså Siemens köp av Mentor Graphics, som VF/PLM&ERP News tidigare rapporterat om, en betydelsefull roll. Inte minst i kraft att man i NX 12 utvecklat en direktkoppling mellan konstruktion av elektriska-/elektroniska- och mekaniska system. Genom att länka ihop de elektriska och elektroniska verktygen med 3D-modellen, möjliggörs collaborativa konstruktionsprocesser med korstester, vilket gör det möjligt för konstruktörer av ledningsdiagram och -nät att arbeta närmare ihop med mekaniksidan. Onekligen viktigt inom ett område där omarbetningar på grund av elektromekaniska problem inte är ovanliga.
Mer än bara vassa verktyg för elkonstruktion. Nu ska man förstås vara klar över att multidisciplinärt samarbete inte begränsar sig till elkonstruktion eller PCB-design. I branscher som involverar ”stora” rörledningar, exempelvis inom fartygsbyggnad, kommer man också att få nytta av integrationen mellan instrumentdiagram och 2D-schematiska layouter. Här talar vi om nya verktyg i NX som gör det möjligt för ingenjörer att lägga ut rör- och instrumentdiagram i två dimensioner, samtidigt som designen knyts till 3D-modellen.
– Inbyggd teknik växer kontinuerligt i omfång och betydelse. Komplexiteten i produkterna ökar och behoven av att koordinera och få system av system att fungera är de verktyg man använder viktigare än någonsin. Multidisciplinära kapabiliteter är avgörande i detta, säger Bob Haubrock, som är senior VP för Product Engineering-mjukvara inom Siemens PLM. Med den senaste versionen av NX erbjuder vi en sådan plattform fylld med tekniker som gör att man kan kombinera mekaniska-, elektriska- och kontrollsystem. En nära samverkan mellan var och en av dessa designfacetter eliminerar fel, ger besparingar i tid och kostnad och gör det möjligt för våra kunder att lägga mer tid på innovativa konstruktionslösningar.
Viktreduktioner av största vikt. Apropå innovativa konstruktionslösningar så är en ständig strävan inom de flesta branscher att minska komponentvikten. Genom att reducera vikten vinner man flera fördelar; inom automotive och aerospace är den kanske största betydelsen att lägre vikt innebär minskad energiåtgång för att accelerera och driva fordon och flygplan. Detta har resulterat i en rad intressanta konstruktionslösningar där man ofta jobbat med dels nya material, dels att skapa hållfasthet i dessa allt lättare material genom att ge dem nya strukturer. I det senare fallet är lattice-strukturer (”galleruppbyggda strukturer”) en gångbar väg. Det är också så att man allt oftare ser att dessa strukturer blivit en del av företagens sätt att gripa sig an viktreduktionsproblematiken. Det är därför ingen större överraskning att Siemens i NX 12 tagit fram verktyg som kan optimera gallerstrukturerna att uppfylla detta mål utan att kompromissa med styrka och strukturell integritet.
Här finns nya tillvägagångssätt för hur detta kan designas, inklusive möjligheten att lägga till gitter. Convergent Modeling-tekniken gör det möjligt att arbeta direkt med fasetterad geometri som dessa gitterstrukturer, vilket gör att företag kan besparas den omfattande datakonverteringsprocess som normalt krävs. Summeringsvis kokar det ner till att man kan skapa lättare, starkare produkter på betydligt kortare tid.
Jonas Brochman, ingenjör och expert inom Manufacturing Engineering på GKN Aerospace Engine Systems svenska gren, har tittat närmare på saken:
– Det faktum att den facetterade geometrin nu kommer in som en konvergent kropp och i huvudsak beter sig som en plåtbit eller en fast kropp har stora fördelar. Det kommer att göra vårt arbetsflöde effektivare och spara tid som vi kan spendera på andra saker, till exempel fler projekt, säger han. Möjligheten att associativt och under kontrollerade former kompensera och ompositionera facetterade scanningsdata för hårdvara kommer i hög grad att hjälpa oss att öka effektiviteten och resulterande kvalitet.
Grunden för digitala tvillingar. Detta sagt om nya NX 12.0 så menar Siemens Jan Larsson att man med den nya versionen också har ett “state-of-the-art-verktyg” för att skapa grunden för digitala tvillingar. Tre viktiga skäl är:
- Lösningens förmåga att stödja konstruktion av mekanisk hårdvara.
- CAE-tillgångarna ger utmärkta möjligheter att simulera det mesta. Kopplar man på kapabiliteterna i Simcenter, som är bolagets simuleringsplattform där man samlar allt ifrån NX Nastran, Virtual.Lab (1D, 2D och 3D-simulering) till CD-adapco med STAR och HEEDS-produkterna till ännu inte integrerade, nyköpta lösningar som de från TASS International (krocktester och ett antal lösningar relaterat till autonoma fordon) och Infolytica (elektromagnetik), och lägger till PLM-sviten Teamcenter/Tecnomatix som produktdata ”backbone” har man till sitt förfogande en av marknadens starkaste plattformar för att konstruera och tillverka digitala tvillingar.
- El- och elektronikkapabiliteterna i Mentor. Bra integration till avancerad elektronikdesign inom ramen för NX.
Mentor-köpet fixade en ”repa i lacken” för Siemens. Särskilt det sistnämnda skälet är viktigt. Det är tveklöst så att Siemens före mars 2017 hade en ”repa i lacken” när det gäller förmågan att inom bolagets egna plattform sömlöst skapa elektriska och elektroniska funktionaliteter. Men med köpet av Mentor Graphics förändrades allt i ett slag.
Mentor har tillfört en bred uppsättning verktyg för elektronikdesign. ”Paketet” innehåller lösningar för PCB-design, simulering och datahantering med en omfattande uppsättning verktyg för konstruktion (och simulering) av integrerade kretsar (IC).
Med Mentor Capitalsviten har man också en avancerad mjukvara för konstruktion av elektriska system och för kabel- och elledningsdragning. Programsviten är ofta använd inom fordons- och flygindustrin. Det finns i mjukvaran även bra validerings- och verifieringsmöjligheter. Med Mentor har man kort sagt kunnat tillföra ett djup inom elektronikdesignen som väl matchar Siemens PLMs djup på mekanikområdet.
Men det finns mera i Mentors ”skattkista” som är väsentligt i sammanhanget med digitala tvillingar; nu handlar om mjukvaruutveckling: När det gäller att generera kod, stöder flera program från Mentor utvecklingen av programvara för olika realtidssystem (RTOS, Real Time Operating Systems) och chipuppsättningar som vanligtvis hör samman med inbyggda program- och styrsystem. Man har flera integrerade utvecklingsmiljöer (IDEs, Integrated Development Environments) här eftersom det finns många kombinationer av RTOS och chip-set, som kräver egna kompilatorer och tester. Det finns också utvecklingsverktyg för att skapa användargränssnitt, som går utöver kontrollsystem.
Om Polarion och konfiguration av mjukvaror. Nu ska sägas att skapa kod inte bara är en fråga om att utveckla programvara till produkten. På området konfigurationshantering av mjukvaror (SCM, Software Configuration Management) använder sig Siemens av ALM-mjukvaran (Application Lifecycle Management), Polarion, som även den är en tämligen nyinköpt lösning. Polarion gör det möjligt för att hantera de komplexa konfigurationerna av programvaror inne i en produkt (”on-product software”) för utvecklingsteamen. Vidare kan man i Polarion köra förändringsprocesser, hantera krav, köra tester för kontroll av enheter och mycket annat.
När det gäller att utveckla programvaran som ska in i en produkt är en av de största utmaningarna att säkerställa att applikationen kommer att köras korrekt på sin elektroniska hårdvara. Här tillhandahåller Siemens LMS en bra lösning i form av Imagine.Lab, som gör det möjligt att köra en modellbaserad utvecklingsmetodik som stöder både mjuk- och hårdvarornas ”in-the-loop”.
Därför behövs en produktdataryggrad. Mycket att hålla reda på alltså, men den goda nyheten är att det finns systemteknik som kan stöda arbetet. I detta avseende erbjuder Siemens PLMs Teamcenter sånt som behövs för att hantera aspekterna på produktkrav, -funktion, -logik, fysik (RFLP). Detta innebär i huvudsak att kraven är uppdelade och kopplade till generiska funktioner som bryts ner och relateras till logiska objekt när de allokeras till fysiska komponenter, vilket kan vara hårdvara eller mjukvara. Teamcenter ger spårbarhet från ingenjörsverksamheten i den ena änden av ett produktionsnätverk och sedan hela vägen till den andra änden. Som ett resultat får hela organisationen transparens när det gäller viktiga saker som konsekvenser av förändringar.
MindSphere – Platform-as-a-Service för IoT. Dagens produkter är mekatroniska, vilket betyder att de är en kombination av mekanik, elektronik och mjukvara. Men i skenet av IoT och digitala tvillingar blir de så mycket mer. Data strömmar nu från sensorer i dessa mekatronikprodukter till databaser i molnet där informationen analyseras och används för sånt som driftsoptimering och prediktivt underhåll. Därmed kommer vi till det sista steget i koncepten kring IoT och digitala tvillingar. För Siemens del heter lösningen här Mindsphere.
Med denna kan man ansluta en produkt till internet via programmets öppna PaaS-lösning (Platform-as-a-Service). Med detta kan tillverkare ansluta sensorerna till plattformen, så att de kan strömma data till molnet. På samma plattform kan användarna också skapa MindApps, små program som gör specifika saker eller ge specifika insikter.
Slutsatser på vägen mot IoT och digitala tvillingar. Lite grovhugget och schematiskt är det ungefär så här man går tillväga i Siemensvärlden för att förverkliga IoT och digitala tvillingar. Och som sagt, CAD-programmet är första steget på vägen. Givet den komplexitet som IoT- och etableringen av digitala tvillingar innebär blir ett par faktorer tydliga:
- CAD är inte, som det ofta hävdats de senaste åren, bara en stapelvara eller en kommoditet; det är en strategisk resurs som måste kunna koppla vidare till en mängd andra funktionaliteter i både utvecklings-, tillverknings- och driftsperspektiv.
- Simulering kommer att behövas i allt tidigare faser av produktutvecklingsarbetet – och kommer också att användas i allt senare faser i produktlivcykeln. Till och med när produkten befinner sig i användarens händer. Ett exempel är att man ska kunna simulera en anläggning för att optimera den för drift.
- Ett PLM/PDM-system blir alltmer av en förutsättning för att kunna strukturera upp processer, produktdata och bygga samverkansplattformar. Det blir en ryggrad som knyter ihop såväl produktutveckling, tillverkning, distribution och återmatning av data för nya innovationer och hantering av hela produktlivscykeln.
- Detta ställer i sin tur krav på plattformen som ska bära produktlivcykeln. Det nya begreppet i sammanhanget, myntat av Gartner och CIMdata ihop, är Product Innovation Platforms (PIP). Det som tidigare betraktades som skilda tekniska lösningar vävs nu ihop. Hos IDC talar man idag om ”den tredje plattformen”, vilket avser en kombination av molnet, mobilitet och Big Data. Logiken är enkel: Molnet är en förutsättning för tillgänglighet, oavsett plats eller ”device”. Vilket också är den stora finessen med mobilitet. Samtidigt som alltfler uppkopplade enheter – glöm inte M2M och Sakernas Internet – skapar Zettabyte av data som måste sorteras, filtreras och organiseras på ett sätt som gör det möjligt att i realtid läsa och tolka dessa informationstsunamis.
LÄSTIPS!
Missa inte VF/PLM&ERP News analys av utvecklingen på CAx-området.
Slaget på PLM-marknaden handlar idag i långa stycken om simulering. CAE är kort sagt det sub-PLM-område som vuxit absolut mest med avseende på marknadsinvesteringarna i CAE-mjukvara under de senaste tre åren, med tvåsiffriga tillväxtsiffror under vart och ett av dem (2014-2016), enligt analytikern CIMdata. Klart är också att den kraftfulla tillväxten speglar viktiga behov på en marknad där den långt drivna produktkomplexiteten tvingat fram en mer komplex framtagningskedja. Klicka på rubriken nedan för att läsa artikeln:
