Созданы друг для друга

Древнегреческий философ Аристотель вывел аксиому, что целое - это нечто большее, чем просто совокупность отдельных частей. Хоть данное утверждение и старо, как мир, но оно очень точно отражает суть современных концепций производства - Промышленности 4.0 и Умный Завод. Даже если Вы располагаете современным оборудованием и программным обеспечением - это еще не значит, что Ваша машина будет представлять собой полноценную функциональную единицу. Только слаженное взаимодействие и интеграция всех систем производства позволит из разрозненных компонентов сделать нечто большее - единое целое. И ключевую роль в данном вопросе играет моделирование и симуляция.

Какую роль играет компьютерное моделирование в машиностроении и производстве технологического оборудования? "Ответ очень прост." - уверена Изабелла Лааш, руководитель B&R по направлению моделирования и симуляции. "Моделирование необходимо для эффективной разработки и длительной эксплуатации оборудования с максимальной производительностью."

Машины с каждым поколением становятся всё более сложными. А вместе с тем, возрастает и сложность взаимодействия между механикой, электрооборудованием и системой автоматизации. Испытание новых производственных процессов непосредственно на реальной системе дорогое удовольствие, и зачастую экономически невыгодное на любом этапе жизненного цикла машины - на стадии разработки, ввода в эксплуатацию или производства.

Первый этап жизненного цикла оборудования - разработка, состоит из нескольких стадий. И уже на самых ранних стадиях в систему может закрасться серьёзная ошибка. Существует правило десяти (The Rule of Ten), согласно которому каждый дефект, обнаруженный несвоевременно, требует в 10 раз больше сил и средств на устранение, чем если бы ошибка была отловлена и устранена своевременно. Поэтому чем раньше дефект будет обнаружен, тем больше времени и сил можно будет сэкономить.

Если какой-то ошибке удалось улизнуть на стадии проектирования, то она непременно даст о себе знать на следующей стадии, например при вводе в эксплуатацию прототипа. "Как только возникает одна проблема, за ней тут же последуют еще, и тогда ввод в эксплуатацию станет провалом." - отмечает Лааш. Мало того, что были потрачены средства для создания прототипа, команда разработки вынуждена будет искать причину и пытаться решить возникшую проблему. Если при этом было повреждено оборудование, то может возникнуть временная задержка из-за ожидания поставки запасных частей. При самом плохом стечении обстоятельств к машиностроителю могут быть применены штрафные санкции по договору с заказчиком, если машина не будет поставлена в срок.

«Поэтому нам необходимо найти способ создать цифровую копию машины для каждого этапа жизненного цикла оборудования.» - продолжает Лааш. "Единственный способ, который вижу я, создать копию с помощью технологии компьютерного моделирования и симуляции." Цифровой близнец является точной копией машины в виртуальной среде. С помощью цифрового близнеца можно проверить слаженность работы всех компонентов системы непосредственно в процессе разработки и даже виртуально ввести машину в эксплуатацию.

У машиностроителей имеется огромный выбор инструментов для создания виртуальной модели. На рынке представлены все средства моделирования от инструментов для моделирования аппаратной части до симуляции процессов. Компания B&R на протяжении многих лет тесно сотрудничает с разными поставщиками решений для виртуализации и моделирования, и предлагает различные интегрированные инструменты в свою систему автоматизации.

"Благодаря нашим партнёрам MathWorks, Maplesoft, machineering and ISG, мы предоставляем пользователю широкий набор возможностей для симуляции, чтобы выбрать оптимальное решения для любой задачи. Для нас ключевым фактором стала возможность предоставить свободу выбора инструмента для моделирования, который разработчик считает наиболее подходящим для своей машины. Однако независимо от выбора средства для моделирования главным инструментом остаётся среда разработки от B&R."

Программное обеспечение для моделирования от Maplesoft и MathWorks позволяет эффективно моделировать компоненты машины, например моменты силы при проектировании машин. Тем самым позволяя с легкостью протестировать различные варианты нагрузки. Подобная процедура на реальной системе займет огромное количество времени и сил. А в случае, если система будет перегружена, то это может привести к поломке ценного оборудования и его потребуется заменить. При использовании виртуальной модели машиностроитель сразу увидит, может ли машина выдержать заданную нагрузку.

Инструмент от machineering and ISG служит для симуляции процессов. Модель показывает динамическое поведение всей машины в 3D. Таким образом с помощью цифрового двойника можно протестировать в реальном времени все динамические факторы, влияющие на поток материала. Разработчик мгновенно получает визуальную обратную связь о том, как различные компоненты оборудования влияют на поведение всей системы. Уже на ранних стадиях разработки можно будет снизить время простоя оборудования.

Даже после того как машина разработана и введена в эксплуатацию, её цифровой близнец продолжает приносить огромную пользу. Виртуальная модель работает параллельно с физической, используя рабочие данные в режиме реального времени. Это позволяет с точностью до минуты предсказать поломку и срок службы каждого компонента машины. "Если поведение реальной машины будет отличаться от её цифровой копии, например, в следствие износа одного из подшипников, то это выявится моментально." - объясняет Лааш. Полученные рабочие данные можно использовать для предиктивного обслуживания, документирования неисправностей, системы дистанционного обслуживания и т. д.

Цифровая копия машины открывает новые возможности для обучения операторов и техников по обслуживанию. Теоретически сотрудники могут научиться работать с интерфейсом или самой машиной еще до того, как она будет собрана и доставлена на место. Это позволит существенно сократить время на обучение новых операторов.

Цифровой двойник все чаще используется на виртуальных выставочных стендах, что позволяет отделу продаж представлять новые машины потенциальным клиентам в любое время, даже за пределами торговых ярмарок или мероприятий. С помощью гарнитур дополненной реальности цифровую машину можно поместить в реальную обстановку. Это позволит инженерам проводить эксперименты по типу "что-если" для точного понимания, как оборудование будет двигаться и взаимодействовать с реально существующими объектами.

«Цифровой двойник сопровождает машину на каждом этапе ее жизненного цикла. Более того, цифровой близнец открывает огромный потенциал для модернизации машины.» - констатирует Лааш. Машиностроитель может использовать информацию, полученную во время работы для оптимизации системы. Или виртуальную модель можно использовать для проверки запланированных модификаций. Это сокращает время простоя реального оборудования до нуля и ускоряет процесс разработки для следующего поколения машин.

Автор: Карола Шванкнер, редактор отдела корпоративных коммуникаций в B&R