Ψηφιακά δίδυμα και η εφαρμογή τους στην διαχείριση της βιομηχανικής ενέργειας

Κόρδας, Φραγκίσκος

Digital twins and their application in industrial energy management

Διπλωματική εργασία

Author

Κόρδας, Φραγκίσκος

Date

2023-07

Advisor

Παπουτσιδάκης, Μιχαήλ
Symeonaki, Eleni

ΚΟΡΔΑΣ ΦΡΑΓΚΙΣΚΟΣ_ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ.pdf (2.053Mb)

Keywords

Ψηφιακά δίδυμα ; Βιομηχανία 4.0 ; Βιομηχανική ενέργεια ; Industry 4.0 ; Κυβερνοφυσικά συστήματα

Abstract

Με την πάροδο των χρόνων η τεχνολογία έχει αναπτυχθεί κατά εκθετικό ρυθμό, όμως σε κάθε εποχή υπάρχουν εμπόδια που την περιορίζουν στο να εξελιχθεί περαιτέρω. Στη σημερινή εποχή ένα από τα μείζων προβλήματα που αντιμετωπίζει η τεχνολογία είναι η παροχή ενέργειας, καθώς αποτελεί κινητήρια δύναμη της λειτουργίας του σύγχρονου Πολιτισμού. Καθώς η ποσότητα ενέργειας λιγοστεύει και το κόστος της ανεβαίνει, οι βιομηχανικές επιχειρήσεις δέχονται μεγάλο πλήγμα, καθώς επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό στην λειτουργία των παραγωγικών διαδικασιών τους. Στόχος της διπλωματικής εργασίας είναι να ενσωματώσει την χρήση της τεχνολογίας των ψηφιακών διδύμων (digital twins) ως μια αποτελεσματική λύση στο πρόβλημα ενέργειας που αντιμετωπίζει η βιομηχανία. Στο πρώτο κεφάλαιο αναλύονται βασικές έννοιες της Τέταρτης Βιομηχανικής Επανάστασης (Industry 4.0) δίνοντας επιπλέον έμφαση στο κομμάτι του Διαδικτύου των Πραγμάτων (IOT). Επιπλέον γίνεται μια εισαγωγή στην διαχείριση των δεδομένων και δίνεται έμφαση στην λειτουργία και στην επίδραση που έχει το βιομηχανικό IOT στα συστήματα των ψηφιακών διδύμων. Στο δεύτερο κεφάλαιο, αναλύεται ο ορισμός των κυβερνοφυσικών συστημάτων, δίνοντας έμφαση στην δομή, την λειτουργία και την τεχνολογία τους. Στην συνέχεια, στο τρίτο κεφάλαιο ορίζεται ο τρόπος λειτουργίας της δομής των ψηφιακών διδύμων. Ακόμη μέσω ερευνών, εξετάζεται η χρήση τους σε βιομηχανικές εφαρμογές. Στο τέταρτο κεφάλαιο, υπάρχει μια παρουσίαση των προτύπων ISO και διάφορων άλλων συστημάτων που χρησιμοποιούν οι σύγχρονες βιομηχανίες για να βελτιστοποιήσουν την ενεργειακή τους απόδοση και να μειώσουν το ενεργειακό τους κόστος. Μετέπειτα, στο πέμπτο κεφάλαιο, περιγράφεται η δομή μιας γενικής αρχιτεκτονικής ενός ψηφιακού διδύμου, καθώς και τα πρότυπα σχεδίασης που χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξή του. Στη συνέχεια, περιγράφονται τα διάφορα στρώματα που απαρτίζουν την βασική δομή της αρχιτεκτονικής ενός ενεργειακού ψηφιακού διδύμου, και αναλύεται σε μεγάλο βαθμό ο τρόπος λειτουργίας τους. Στο τέλος του κεφαλαίου, παρουσιάζονται οι μελλοντικές χρήσης του μοντέλου σε συνδυασμό με τις προκλήσεις εφαρμογής του, καθώς και η επιχειρηματική του αξία που μπορεί να φέρει πολλά πλεονεκτήματα στις επιχειρήσεις που το χρησιμοποιούν. Στο τελευταίο κεφάλαιο, διατυπώνονται κάποια τελικά συμπεράσματα σχετικά με την τεχνολογία των ψηφιακών διδύμων και τον τρόπο που μπορούν να επηρεάσουν την διαχείριση και την κατανάλωση ενέργειας σε βιομηχανικά συστήματα.

Abstract

Over the years, technology has developed exponentially, but in every era there are obstacles that limit it from evolving further. One of the major problems that technology is facing today is the energy supply, as it is the driving force behind the functioning of modern society. One of the main challenges facing modern civilisation is the need to provide a source of energy. As the amount of energy becomes scarcer and its cost rises, industrial enterprises are taking a big hit, as they are heavily affected in the operation of their production processes. The aim of this thesis is to integrate the use of digital twins as an effective solution to the energy problem faced by the industry. In the first chapter, basic concepts of the Fourth Industrial Revolution (Industry 4.0) are discussed with additional emphasis on the Internet of Things (IOT) part. Furthermore, an introduction to data management is given and emphasis is placed on the operation and impact of industrial IOT on digital twin systems. In the second chapter, the definition of cyber-physical systems is discussed, with emphasis on their structure, function and technology. Then, chapter three defines how the structure of digital twins works. Furthermore, through research, their use in industrial applications is examined. In chapter four, there is a presentation of ISO standards and various other systems used by modern industries to optimize their energy efficiency and reduce their energy costs. Then, in chapter five, the structure of a general architecture of a digital twin is described, as well as the design standards used for its development. The various layers that make up the basic structure of an energy digital twin architecture are then described, and their mode of operation is analytically described. At the end of the chapter, the future uses of the model are presented along with the challenges of its implementation, as well as its business value that can bring many advantages to the companies that use it. In the final chapter, some final conclusions are drawn about the technology of digital twins and how they can affect the management and consumption of energy in industrial systems.