انقلاب صنعتی چهارم؛ دوقلوی دیجیتال (DT)، همزاد هوشمند در صنعت فولاد

به گزارش دنیای معدن، امروزه با پیشرفت و توسعه چشم‌گیر فناوری‌های ارتباطات و پردازش، تمایل صنعتگران به هوشمندسازی تجهیزات و فضاهای صنعتی روند روبه‌رشدی داشته و این پدیده، تحت اصطلاح «صنعت ۴,۰ (انقلاب صنعتی چهارم)» وارد ادبیات صنعتی جهان شده است. در صنعت ۴,۰ از فناوری‌هایی همچون هوش مصنوعی، واقعیت مجازی، دوقلوی دیجیتال و اینترنت اشیا برای بهبود بازده تولید و کاهش مصرف انرژی در صنایع مختلف استفاده می‌شود. اثبات شده که صنعت فولاد نیز به‌عنوان یکی از پایه‌های اصلی اقتصاد کشورها و تأمین‌کننده بسیاری از صنایع نظیر صنایع نظامی، نفت و خودروسازی می‌تواند به‌خوبی از مزایای انقلاب صنعتی اخیر برخوردار گردد.

با توجه به نقش صنعت فولاد در رشد و توسعه اقتصادی، نظامی، رفاهی و اجتماعی کشورها، لازم است از روش‌های مدرن به‌منظور توسعه این صنعت بهره برد. دوقلوی دیجیتال یا DT (Digital Twins) یکی از فناوری‌هایی است که پیش‌بینی می‌شود نقش اساسی در توسعه این صنعت داشته باشد. هنگامی که از اشیا یا موجودات زنده در دنیای واقعی یک نسخه دیجیتال تهیه و یک ارتباط پویا بین این دو نسخه برقرار شود، به‌گونه‌ای که هر تغییر در نسخه فیزیکی موجب تغییر در نسخه دیجیتال گردد، این دو نسخه دوقلوی یکدیگر در دو فضای مختلف خواهند بود.

روند تکامل دوقلوی دیجیتال و طرحی از یک دوقلوی دیجیتال برای کارخانه فولادسازی

به عبارت دیگر، دوقلوی دیجیتال یک مدل تطبیق‌پذیر و مبتنی بر رخدادهای نسخه فیزیکی است. در این راستا، لازم است از حسگرهای مختلف و سایر منابع داده که مرتبط با نسخه فیزیکی موجود در دنیای واقعی است، استفاده شود. بدین ترتیب می‌توان اطلاعات مفیدی را به‌منظور آینده‌نگری در اختیار مهندسان قرار داد. مراحل ساخت DT شامل ساخت یک مدل ریاضی ساده از نسخه فیزیکی، آموزش مدل با استفاده از یادگیری ماشین (Machine Learning)، استقرار مدل و ارتباط دادن مدل با نسخه فیزیکی است. در شکل ۱ روند تکامل دوقلوی دیجیتال و نمایی از یک طراحی دوقلوی دیجیتال برای یک کارخانه فولادسازی نشان داده شده است. به‌طور ساده، در دوقلوی دیجیتال، تعدادی حسگر روی نسخه واقعی نصب و داده‌ها جمع‌آوری می‌شوند. در نتیجه، نسخه مجازی هر رخدادی را که در نسخه فیزیکی رخ می‌دهد، تقلید و شبیه‌سازی می‌کند و در نهایت، عملکرد و مشکلات احتمالی را به مهندسان گوشزد می‌نماید. این دوقلو می‌تواند به‌عنوان یک نسخه اولیه برای ارائه بازخورد در مورد محصول استفاده‌شده یا حتی به‌عنوان یک نسخه اولیه برای مدل‌سازی رخدادهای نسخه فیزیکی هنگام ساخت عمل کند.

در صنعت فولاد مراحل مختلفی از استخراج سنگ‌آهن تا تولید انواع محصولات فولادی وجود دارد و در هریک از این بخش‌ها می‌توان از دوقلوی دیجیتال به‌منظور بهبود کارایی استفاده کرد. در شکل ۲ بخش‌هایی از صنعت فولاد شامل میزان مصرف انرژی و کاهش انتشار CO۲، اقتصاد چرخشی و بهینه‌سازی فناوری‌ها که قابلیت بهره‌گیری از دوقلوی دیجیتال را دارند نشان داده شده است. با طراحی دوقلوی دیجیتال برای هریک از این بخش‌های صنعت فولاد، می‌توان بر عملکرد و بازدهی آن‌ها به‌طور دقیق نظارت کرد. به‌طورکلی، پیش‌بینی شده است که مزایای دوقلوی دیجیتال در صنعت فولاد در چهار حوزه بهبود کیفیت محصول، کاهش هزینه‌های تولید، کاهش زمان خرابی و نمونه‌سازی قبل از تولید سبب ارتقای این صنعت گردد. در همین زمینه مرکز تحقیقات فولاد آلمان گزارش کرد که کاربرد دوقلوی دیجیتال در واحدهای کوره پیشگرم، ریخته‌گری مداوم و نورد گرم توانسته است اثرات مثبتی بر بهبود بازدهی تولید داشته باشد (شکل ۳).

 

کاربرد دوقلوی دیجیتال در بخش‌های کوره پیشگرم، ریخته‌گری مداوم و نورد گرم فولاد در کشور آلمان

در همین زمینه، شرکت آرسلورمیتال با استفاده از فناوری‌های دیجیتال شامل هوش مصنوعی، کلان داده، دوقلوی دیجیتال و... در واحد ریخته‌گری مداوم تختال‌هایی با کمترین نقص ایجاد کرده است. استفاده از این فناوری‌ها به‌منظور ردیابی پارامترهای کنترل کیفی تختال و وضعیت سیستم‌ها با به‌کارگیری سنسورها انجام شده است. در شکل ۴ به‌کارگیری فناوری‌های دیجیتال در بخش‌های مختلف واحد ریخته‌گری آرسلورمیتال نشان داده شده است. شرکت فولادسازی تاتااستیل نیز دیگر شرکت فولادسازی بزرگ دنیاست که از دوقلوی دیجیتال در واحد سنگ‌زنی غلتک‌های نورد خود بهره گرفته است. آن‌ها با تعمیرات و نگهداری پیشگیرانه با استفاده از دوقلوی دیجیتال توانستند کاهش کیفیت سطحی ورق ناشی از فرسایش و خوردگی غلتک‌ها را به حداقل برسانند.

تخمین زده شده است که اگرچه ممکن است راه‌اندازی سیستم هوشمند در صنعت فولاد هزینه‌های اولیه زیادی برای تولیدکنندگان در پی داشته باشد، لیکن این هزینه می‌تواند یک سرمایه‌گذاری هوشمندانه برای آن‌ها باشد، به‌گونه‌ای که در درازمدت این هزینه می‌تواند با کاهش میزان توقف کارخانه و افزایش بهره‌وری، سودی به‌مراتب بیشتر از هزینه راه‌اندازی به دنبال داشته باشد. در نهایت، می‌توان نتیجه گرفت که دوقلوی دیجیتال یک مدل مجازی از یک محصول، فرایند یا خدمات واقعی بوده که می‌تواند بر عملکرد نسخه واقعی نظارت کند، آن را تجزیه‌وتحلیل نماید و بهبود بخشد. بر همین اساس، دوقلوی دیجیتال می‌تواند نقش مهمی در صنعت فولاد برای سوق یافتن به سمت هدف در مسیر انقلاب صنعتی چهارم باشد.

به کارگیری فناوری‌های دیجیتال در بخش‌های مختلف واحد ریخته‌گری مداوم آرسلومیتال/ آلمان