Cyfrowe bliźniaki rewolucjonizują proces wprowadzania nowego produktu na rynek

Na wszystkich rynkach światowych i we wszystkich branżach wyroby przechodzą proces od koncepcji do wprowadzenia na rynek w coraz krótszym czasie. To, jak długo trwa opracowanie koncepcji maszyny i przygotowanie jej oprogramowania, może decydować o sukcesie lub porażce w wyścigu z konkurencją. Dlatego, oczywiście, im szybciej – tym lepiej. Cyfrowe bliźniaki mogą odgrywać ważną rolę w szybkim opracowywaniu i testowaniu osprzętu i oprogramowania maszyny.

Jedyny sposób, w jaki możemy dostosować proces tworzenia nowej maszyny do coraz krótszych harmonogramów, to utrzymywanie najwyższej wydajności na każdym etapie. Zamiast poprawiać błędy po fakcie, najlepiej wykluczyć je na początku projektu. Nawet prototyp nowej maszyny należy poprawnie wykonać już za pierwszym razem. „Osiągnięcie tych wysoko postawionych celów jest możliwe poprzez symulację, która sprawdziła się w wielu różnych dyscyplinach”, twierdzi Kurt Zehetleitner odpowiedzialny w B&R za symulacje i opracowywanie w oparciu o modele. Cyfrowy bliźniak umożliwia ocenę charakterystyki wyrobu zanim jakakolwiek jego część rzeczywiście powstanie.

Takie podejście to już powszechna praktyka podczas opracowywania układów mechatronicznych stosowanych w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym. Systemy mechaniczne są modelowane na komputerach i badane w środowisku symulacyjnym. W innych obszarach produkcji, taka strategia dopiero zyskuje na popularności. W dużej części można to wytłumaczyć błędnym przekonaniem, że opracowywanie modeli symulacyjnych to czasochłonny proces, który może zostać wykonany tylko przez programistów posiadających dogłębną wiedzę matematyczną, a także że same modele mogą również zawierać błędy. „Może tak było dawniej”, mówi Zehetleitner, „jednak teraz tworzenie modeli symulacyjnych jest zdecydowanie łatwiejsze i szybsze”.

Dzisiejsze narzędzia symulacyjne bardzo ułatwiają tworzenie cyfrowych bliźniaków. To nie tylko uprości i przyspieszy opracowywanie osprzętu i oprogramowania, lecz także umożliwi przeprowadzenie wirtualnego uruchomienia systemu. Symulacja fizycznego zachowania maszyny w czasie rzeczywistym umożliwia zidentyfikowanie wąskich gardeł oraz potencjału optymalizacji na bardzo wczesnym etapie opracowywania. „Przy idealnej interakcji pomiędzy narzędziami inżynierskimi, symulacja zapewnia wysoki poziom elastyczności oraz skuteczne zarządzanie zasobami”, stwierdza Zehetleitner. „To przyczynia się do optymalnego wykorzystania zasobów zaangażowanych w opracowywanie i pomaga ograniczyć czas uruchomienia nawet o 80%”.

W środowisku inżynieryjnym Automation Studio cyfrowy bliźniak zapewnia programistom tworzącym aplikację istotną korzyść – mogą oni uruchomić wirtualny model bezpośrednio na komputerze PC, a następnie wykorzystać tę samą aplikację do testów na realnej maszynie. Oprogramowanie aplikacyjne można opracować, zweryfikować i zbadać wcześniej, a działanie można sprawdzić na sterowniku.

W celu stworzenia cyfrowego bliźniaka programista importuje dane CAD maszyny do narzędzia służącego do modelowania, np. MapleSim. Można łatwo wykorzystać najważniejsze funkcje projektowania CAD, jak implementacja masy i gęstości, a także stworzyć poszczególne komponenty mechaniczne o dodatkowych właściwościach, definiując ich stopnie swobody.

Dzięki narzędziom takim jak MapleSim i industrialPhysics, nawet złożone modele łatwo wdrożyć. MapleSim posiada bibliotekę elementów do modelowania, jak masy, połączenia, sprężyny, amortyzatory, co sprawia, że proces rozszerzania i dostosowywania modelu jest intuicyjny i łatwy. System generuje w tle równania dla naszego modelu. Aplikacja B&R w MapleSim pozwala na automatyczne wyeksportowanie modelu do Automation Studio wraz z danymi CAD. Użytkownicy mogą tam przetestować oprogramowanie maszyny pod kątem obciążenia silnika i dostrojenia kontrolera. Narzędzie Scene Viewer firmy B&R wykorzystuje przeniesione dane CAD do wizualizacji ruchów w 3D. „To sprawia, że programista może bardzo łatwo przeprowadzić testy i wykryć błędy”, twierdzi Zehetleitner.

Podejście jest podobne, jak w narzędziu symulacyjnym industrialPhysics. Narzędzie posiada wbudowany silnik fizyczny, który zapewnia przybliżoną symulację realnych systemów, z naciskiem na działanie w czasie rzeczywistym. „Jest to taki rodzaj systemu, który obecnie umożliwia symulację całych maszyn i instalacji”, mówi Zehetleitner. „Pozwala obserwować zachowanie w czasie rzeczywistym, a także określić obciążenie systemu na docelowym sprzęcie”.

Po stworzeniu cyfrowego bliźniaka, automatyczne generowanie kodów odgrywa istotną rolę w opracowywaniu i wdrażaniu funkcji maszyny w systemie docelowym. Wśród wielu korzyści, ogranicza to zdecydowanie ilość pracy programisty. Narzędzie MATLAB/Simulink nadaje się szczególnie do automatycznego generowania kodów. Firma B&R opracowała dwukierunkowy interfejs pomiędzy MATLAB/Simulink a Automation Studio. Dzięki Automation Studio Target for Simulink praca programisty ogranicza się tylko do kilku kliknięć myszką. „Można przejść bardzo szybko od tworzenia modelu w Simulink do uruchomienia wysokiej jakości kodu programu w sterowniku B&R”, zapewnia Zehetleitner. „Dotyczy to także bardzo wyszukanych opcji diagnostycznych”. Automation Studio Target for Simulink pomaga zwiększyć wydajność procesu, przy równoczesnym istotnym przyspieszeniu tworzenia oprogramowania maszyny.

W pracy z narzędziami symulacyjnymi bardzo ważne są szerokie standardy i interfejsy, które pozwalają różnym wykorzystywanym systemom na nieograniczoną i bezproblemową komunikację. Umiejętność wykorzystania istniejącego oprogramowania również oszczędza cenny czas. B&R oferuje otwartość na wszystkich poziomach i we wszystkich produktach. Dzięki niezależnemu standardowi przemysłowemu Functional Mock-up Interface (FMI), można się wymieniać modelami i prowadzić równoczesną symulację w różnych narzędziach do tworzenia oprogramowania. B&R oferuje mechanizm importu Functional Mock-up Units (FMU) zgodnie ze standardem FMI 2.0. „FMU są idealnie zintegrowane z Automation Studio jako bloki funkcyjne”, wyjaśnia Zehetleitner.

Narzędzia do symulacji można wykorzystywać do testowania modeli we wszystkich zdefiniowanych scenariuszach i do przeprowadzania złożonych wirtualnych uruchomień. Testy przeprowadzone w czasie wirtualnego uruchomienia mogą być prostymi sekwencjami logicznymi lub złożonymi, krytycznymi scenariuszami, które dają pogląd na ogólną wydajność i jakość osprzętu oraz oprogramowania maszyny. Korzystanie z cyfrowego bliźniaka drastycznie ogranicza ilość czasu niezbędną do uruchomienia rzeczywistej maszyny i minimalizacji ryzyka błędów.

Przygotował: Carola Schwankner, redaktor działu komunikacji korporacyjnej B&R