Sumber: Malik, A. A. (2023). Simulation Based High Fidelity Digital Twins of Manufacturing Systems: An Application Model and Industrial Use Case. Proceedings of the 2023 Winter Simulation Conference. DOI: 10.1109/WSC57314.2023.10385577

Pendahuluan: Menghadapi Kompleksitas Manufaktur Modern

Dalam dekade terakhir, industri manufaktur menghadapi tekanan besar untuk beroperasi lebih cepat, lebih fleksibel, dan lebih akurat. Dorongan menuju Industry 4.0 membuat sistem produksi menjadi semakin kompleks, dengan integrasi teknologi otomasi, robotika, Internet of Things (IoT), dan analitik data tingkat lanjut.

Paper yang dibahas ini mengangkat teknologi Digital Twin (DT) sebagai solusi untuk mempercepat desain, commissioning, reconfiguring, hingga pemeliharaan sistem manufaktur. Digital Twin didefinisikan sebagai representasi virtual yang sangat mirip dengan sistem fisik, lengkap dengan kinematika, logika kontrol, antarmuka manusia-mesin, dan parameter produksi.

Penerapan DT memungkinkan verifikasi dan validasi dilakukan jauh sebelum peralatan fisik dibangun, sehingga proses pengembangan bisa dilakukan secara parallel alih-alih sekuensial. Perubahan mendasar ini memberikan dampak signifikan pada kecepatan pengembangan, pengurangan kesalahan, dan peningkatan reliabilitas sistem.

Latar Belakang: Keterbatasan Metode Tradisional

Pengembangan sistem manufaktur secara tradisional mengikuti alur linear:

1. Desain mekanis dibuat terlebih dahulu.
2. Pembuatan fisik dilakukan sesuai desain.
3. Komponen elektrik dan kontrol diintegrasikan.
4. Pengujian dilakukan di tahap akhir (commissioning).

Masalahnya, jika ditemukan kesalahan di tahap akhir, perbaikannya membutuhkan waktu lama dan biaya besar. Hal ini sering kali mengakibatkan:

• Waktu ke pasar (time-to-market) yang molor.
• Kerugian finansial baik langsung (biaya tenaga kerja) maupun tidak langsung (hilangnya peluang penjualan).
• Rekonfigurasi sulit saat terjadi perubahan permintaan atau desain produk.

Dalam kondisi pasar yang kompetitif, keterlambatan ini dapat membuat perusahaan kehilangan daya saing.

Evolusi Teknologi: Dari Virtual Commissioning ke Digital Twin

Sebelum Digital Twin populer, banyak industri sudah menggunakan Virtual Commissioning (VC), yaitu metode pengujian logika kontrol menggunakan simulasi 3D. VC membantu menemukan kesalahan lebih awal, tetapi biasanya hanya mencakup simulasi kinematika atau logika kontrol secara terpisah.

Digital Twin hadir dengan pendekatan lebih holistik:

• Menyatukan simulasi kinematika, logika kontrol, dan data produksi dalam satu lingkungan.
• Memungkinkan koneksi bidirectional antara dunia virtual dan fisik.
• Mendukung pengujian berkelanjutan sepanjang siklus hidup sistem.

DT diibaratkan seperti kembaran digital yang terus hidup dan berkembang bersama versi fisiknya.

Kerangka Kerja DTxD: Digital Twin untuk Pengembangan Sistem Manufaktur

Penulis memperkenalkan kerangka kerja Digital Twin-based Manufacturing System Development (DTxD) yang memiliki dua dimensi utama: membangun blok penyusun DT dan menggunakan DT sepanjang siklus hidup sistem.

1. Virtual Devices

Tahap pertama adalah membuat perangkat virtual yang meniru peralatan fisik dengan tingkat akurasi tinggi. Model ini mencakup:

• Dimensi dan bentuk fisik.
• Properti material.
• Jenis sambungan (joint type) dan batas pergerakan.
• Kecepatan maksimum.

Prosesnya meliputi:

1. Membuat model dasar dan urutan operasi (mirip Gantt chart).
2. Mengubahnya menjadi simulasi siklus berulang yang berjalan terus-menerus.
3. Mengintegrasikan kontrol PLC virtual agar simulasi benar-benar menyerupai kondisi nyata.

Contoh perangkat lunak yang digunakan: Tecnomatix Process Simulate (Siemens) untuk kinematika, atau alternatif open source seperti Unity dan Unreal Engine.

2. Emulated Industrial Computers (PLC Virtual)

PLC (Programmable Logic Controller) adalah komputer industri yang mengatur logika operasi mesin. Dalam pendekatan DTxD:

• Program PLC dibuat di tahap desain, bukan saat commissioning.
• Program yang divalidasi di DT dapat langsung digunakan di PLC fisik.
• Contoh software: TIA Portal (Siemens) untuk pemrograman PLC virtual.

3. Human-Machine Interface (HMI)

HMI adalah antarmuka yang digunakan operator untuk mengendalikan mesin. Dengan DT:

• HMI dibuat versi virtualnya.
• Operator bisa berlatih tanpa risiko kerusakan fisik.
• Teknologi HMI bisa berupa layar sentuh, AR (Augmented Reality), atau perangkat mobile.

4. Virtual Controller

Ini adalah “jembatan” antara simulasi mekanis dan logika kontrol. Virtual Controller:

• Menggunakan protokol komunikasi seperti OPC UA atau MQTT.
• Menghubungkan PLC virtual dengan model kinematika.
• Memungkinkan pengujian sistem tanpa perangkat fisik.

Implementasi di Sepanjang Siklus Hidup Sistem

DT tidak hanya digunakan saat desain atau commissioning, tapi juga selama operasional dan rekonstruksi sistem.

DT-Design

• Digunakan untuk menguji desain dan perilaku mesin sebelum ada perangkat fisik.
• Mendukung eksperimen what-if untuk optimasi awal.

DT-Commissioning

• Perangkat fisik diuji bersama DT.
• Potensi tabrakan, kesalahan logika, dan masalah koordinasi dapat diidentifikasi lebih awal.
• Integrasi antara perangkat nyata dan virtual dilakukan melalui protokol seperti TCP/IP.

DT-Operations & Reconfiguration

• Memungkinkan pelatihan operator dalam lingkungan virtual.
• Mendukung predictive maintenance.
• Memfasilitasi perubahan desain atau produk baru dengan cepat.

Studi Kasus: Produksi Valve Assembly di Jerman

Studi kasus berasal dari produsen otomasi industri di Jerman yang memproduksi valve assembly. Sistem ini:

• Terdiri dari 6 stasiun: robot kartesian, ring pressing, leakage test, robot pengiriman, dll.
• Waktu siklus: 90 detik per komponen.
• Produksi harian: ~280 unit per shift.

Proses pengembangan menggunakan:

• Tecnomatix Process Simulate untuk model kinematika.
• TIA Portal untuk pemrograman PLC.
• SIMIT untuk pemodelan perilaku elektronik.

Hasil utama:

• Pengurangan jam kerja pengembangan dan commissioning sebesar 20–25%.
• Program otomatisasi yang divalidasi di DT bisa langsung digunakan di mesin nyata.
• Deteksi dini kesalahan logika.

Dampak Ekonomi

Menurut data penulis:

• 70–90% waktu commissioning sering hilang karena keterlambatan.
• Kesalahan di program kontrol adalah penyebab utama.
• DT mampu menghemat waktu, mengurangi biaya tenaga kerja, dan mempercepat time-to-market.

Penulis bahkan membuat aplikasi perhitungan manfaat ekonomi berbasis Microsoft Power Apps untuk menghitung penghematan waktu dan biaya.

Analisis dan Opini

Kelebihan

1. Pengembangan paralel mengurangi waktu total proyek.
2. Integrasi penuh antara mekanis, elektrik, dan logika kontrol.
3. Pelatihan aman untuk operator baru.

Kekurangan & Tantangan

1. Investasi awal tinggi (software, hardware, pelatihan).
2. Kebutuhan data akurat untuk model DT.
3. Skill lintas disiplin yang tidak selalu tersedia di semua perusahaan.

Kritik terhadap Temuan

Menurut gua, penelitian ini sangat solid, tapi ada catatan:

• Studi kasus hanya dari perusahaan besar di Jerman, belum membahas adaptasi di UMKM atau industri negara berkembang.
• Ketergantungan pada ekosistem Siemens membuat interoperabilitas dengan sistem lain kurang dibahas.
• Keamanan siber pada koneksi real-time DT belum dijelaskan detail.

Relevansi Industri

DT relevan untuk industri:

• Otomotif (peluncuran model baru).
• Elektronik konsumen (perakitan cepat).
• Energi terbarukan (optimasi pabrik panel surya).
• Makanan & minuman (penyesuaian lini produksi sesuai permintaan).

Kesimpulan

Paper ini menunjukkan bahwa Digital Twin mampu memangkas waktu pengembangan hingga 35%, meningkatkan reliabilitas, dan mendukung fleksibilitas sepanjang siklus hidup sistem. Hambatan awal berupa biaya dan kebutuhan SDM dapat diimbangi oleh manfaat jangka panjang, terutama di industri padat modal dan waktu.

Integrasi DT dengan AI, VR/AR, dan analitik prediktif berpotensi membawa revolusi berikutnya di dunia manufaktur.