Digital twin: virtual commissioning of a manufacturing execution system

The current industrial revolution, characterized by an increasing demand for customized machinery and the need for more efficient and sustainable production lines, requires innovative approaches in the manufacturing world. In this context, digital technology plays a key role in accelerating the ongoing ecological transition and reducing the development time for new technologies, enabling rapid exploration of alternative solutions. Among these technologies, the Digital Twin stand out for its ability to create a virtual replica of a physical asset, allowing real-time data exchange. This approach makes it possible to quickly simulate and evaluate alternative production scenarios, reducing evaluation times from hours to just few minutes compared to traditional method. The research presented in this paper explore the potential of the Digital Twin applied within a real industrial context. The objective was to create the Digital Twin of a Smart Factory, carry out the Virtual Commissioning of this model and of the management system it is connected to, which is also integrated with a middleware used for managing the physical asset in the field. The analysis is based on a Smart Factory physically located at the MADE Competence Center in Milano, where various Industry 4.0 technologies are integrated to showcase the potential of future digital factories. The digital model was developed using Siemens Tecnomatix Plant Simulation software. The connection between the digital model and physical model was achieved through the MQTT communication protocol, which proved to be stable and robust for this project. The Digital Twin created was used to evaluate the operational and energy performance of the Smart Factory under different production scenarios. Additionally, a hybrid operating mode was developed to manage the physical and digital models simultaneously, paving the way for further future analyses. The thesis is divided into two main sections: the first introduces the concept of Digital Twin and Virtual Commissioning, describing their application, benefits and the challenges. The second section presents the methodology used to create the Digital Twin and the results of the analyses conducted across different production scenarios.

La corrente rivoluzione industriale, caratterizzata da una crescente richiesta di macchinari personalizzati e di linee di produzione sempre più efficienti e sostenibili, richiede un approccio innovativo alla produzione. In questo contesto le tecnologie digitali giocano un ruolo fondamentale per accelerare la transizione ecologica in corso e ridurre i tempi di sviluppo delle nuove tecnologie, consentendo di esplorare rapidamente soluzioni alternative. Tra queste tecnologie, il Digital Twin si distingue per la capacità di creare una replica virtuale di un asset fisico, con cui scambiare dati in tempo reale. Questo approccio consente di simulare e valutare rapidamente scenari produttivi alternativi, riducendo i tempi di valutazioni da ore a pochi minuti rispetto ai metodi tradizionali. La ricerca presentata in questa tesi esplora le potenzialità del Digital Twin applicato in un contesto industriale reale. L’obiettivo è stato quello di realizzare il Digital Twin di una Smart Factory, eseguire il Virtual Commissioning di questo modello e del sistema gestionale a cui è collegato, integrato a sua volta con un middleware per la gestione degli asset sul campo. L’analisi si basa su una Smart Factory fisicamente presente presso il Competence Center MADE di Milano, dove diverse tecnologie 4.0 sono integrate per dimostrare le potenzialità delle fabbriche digitali del futuro. Il modello digitale è stato sviluppato con Tecnomatix Plant Simulation di Siemens. La connessione tra il modello digitale e quello fisico è stata realizzata tramite il protocollo di comunicazione MQTT, che si è dimostrato stabile e robusto per questo progetto. Il Digital Twin realizzato è stato impiegato per valutare le prestazioni operative ed energetiche della Smart Factory su diversi scenari produttivi. È stata inoltre sviluppata una modalità ibrida di funzionamento per gestire simultaneamente il modello fisico e digitale, aprendo la strada ad ulteriori analisi future. La tesi è suddivisa in due sezioni principali: la prima introduce i concetti di Digital Twin e Virtual Commissioning, descrivendone le applicazioni, vantaggi e sfide. Nella seconda sezione viene presentata la metodologia utilizzata per la realizzazione del Digital Twin e i risultati delle analisi condotte sui diversi scenari produttivi.