Simulation and data model for Industry 4.0 digital twin

With the starting of the fourth industrial revolution and the subsequent introduction of new technologies inside the factory environment, such as the Internet of Things and the Cloud Computing, a great change in the structure of production plants is taking place. The progressive digitalization of industrial processes, also due to the upcoming of Cyber Physical Systems (CPS), will allow creating a virtual representation of the plant: the Digital Twin. This innovative tool will allow making reliable forecasts about the evolution of the production thanks to the fact that it supports Digital Continuity inside the factory. Those forecasts will make possible to take important decisions, which will take improvements from an economic and managerial point of view. In the following, a new vision of the Digital Twin concept is proposed and analysed. This concept in composed not only of a Simulation Model, which behaves as similar as possible to the real plant, but also a Data Model and functional and behavioural modules must be considered. This work aims at giving a contribute to the research with the implementation of a Data Model for a common and shared representation of all the elements composing the factory with a particular focus on the product routing. Moreover, it contributes in the answer of how it is possible to model the behaviour of the elements composing the plants in a modular way. To this aim, this work corresponds to the introduction of the Functional Mock-up Units that act as functional and behavioural modules to be added to the simulation model. Then, according to a case of study, a Simulation Model will be developed in order to forecast the future behaviours of the real plant. Principles applied in the considered development will be useful for the implementation of the Digital Twin Simulation Model. Then, in order to reach a standard representation for working stations, a simulation block is presented. In the end, the concept of Digital Twin is composed by presenting the relationships between the Data Model, the Fmu blocks and the Simulation Models.

Con l’avvento della quarta rivoluzione industriale e la conseguente introduzione di nuove tecnologie all’interno della fabbrica, come l’Internet of Things ed il Cloud Computing, si sta verificando un cambiamento profondo nella struttura degli impianti di produzione. La progressiva digitalizzazione di tutti i processi industriali, dovuta anche all’introduzione dei Cyber Physical Systems (CPS), permetterà di costruire una rappresentazione digitale dell’impianto: il Digital Twin. Questo strumento permetterà di fare previsioni affidabili sull’evoluzione della produzione grazie al fatto che supporta la continuità digitale all’interno della fabbrica. Queste previsioni permetteranno di prendere decisioni importanti, che porteranno miglioramenti non solo dal punto di vista economico ma anche da quello organizzativo. Nel seguito verrà proposta e presentata una nuova visione del Digital Twin, che comprende non solo un modello di simulazione, il più possibile coerente con l’impianto reale, ma anche un Data Model e dei moduli funzionali e comportamentali. Questo lavoro intende dare un contributo alla ricerca con la realizzazione di un modello dati per una rappresentazione comune e condivisa di tutti gli elementi della fabbrica, con particolare attenzione al product routing. Inoltre, è stata effettuata una ricerca su come sia possibile rappresentare in modo modulare i comportamenti degli elementi che compongono l’impianto. Verranno pertanto introdotte le Functional Mock-up Units che agiscono come moduli funzionali e comportamentali e che devono essere aggiunte nel modello di simulazione. Basandosi su un caso di studio, verrà sviluppato un modello di simulazione per poter fare delle previsioni riguardanti il comportamento dell’impianto reale. I principi applicati in tale sviluppo saranno utili per l’implementazione del modello di simulazione del Digital Twin. Verrà poi presentato un sottosistema di Simulink per una rappresentazione standard di tutti i macchinari presenti in un impianto produttivo. Infine, verrà composta la visione del Digital Twin presentando le relazioni tra il modello dati, i modelli di simulazione e i modelli FMU.