Den perfekta matchningen

Som uttalat av den grekiska filosofen, Aristoteles: "Helheten är större än summan av delarna." Även om denna slutsats gjordes långt innan Industry 4.0 och Smart Factory, träffar den huvudet på spiken när det gäller maskintillverkning. Kombinera hårdvara, programvara och en programkod ger dig inte automatiskt en funktionell maskin. Endast den perfekta interaktionen mellan dessa kombinerade "delar" kommer att resultera i en fungerande "helhet". Simulering spelar en nyckelroll för att uppnå detta.

Vilken roll har simulering i maskintillverkning och anläggningsteknik? "Svaret är enkelt", säger B&R:s produktchef för simulering, Isabella Laasch. "Det är nyckeln till nästa effektivitetsnivå under varje fas av en maskins livscykel."

Maskiner blir mer och mer komplexa. Detta innebär också att samspelet mellan mekanik, elektrisk utrustning och automatisering blir allt svårare. Att testa möjliga maskinsekvenser direkt på ett fysiskt system medför höga kostnader och är i sin helhet ineffektivt. Detta gäller för varje fas av maskinen: utveckling, idrifttagning och pågående drift.

Redan i den första fasen av livscykeln går maskinen igenom flera steg. I vilken som helst av dem kan det uppstå stora fel. Regeln om tio säger att kostnaden för att korrigera en defekt ökar med en faktor 10 för varje steg av maskinutveckling där defekten inte upptäcktes. Genom att korrigera defekter så snart som möjligt kommer därför att påskynda utvecklingsprocessen och spara kostnader.

Om defekter uppstår under utvecklingsprocessen kommer de dock inte att upptäckas förrän idrifttagningssteget. "Om det ena problemet efter det andra uppstår när maskinen tas i drift, blir resultatet katastrofalt", säger Laasch. Inte bara har det kostat att producera en prototyp, utvecklingsteamet är nu upptaget med att hitta och lösa källan till problemen. Om hårdvaran är skadad tillkommer det extra kostnader för reservdelar samt en eventuell fördröjning på grund av långa leveranstider. I värsta fall kan maskinbyggaren till och med bli föremål för avtalsenliga påföljder om den nya maskinen inte kan levereras i tid.

"I grund och botten måste vi hitta ett sätt att digitalt kartlägga en maskin under varje fas av dess livscykel", säger Laasch. "Så som jag ser det finns det bara ett sätt att göra detta på och det är med simulering." En digital tvilling av maskinen skapas i den virtuella simuleringsmiljön. Med hjälp av den digitala tvillingen kan interaktionen mellan de enskilda komponenterna kontrolleras under utvecklingen och maskinen kan tas i drift virtuellt.

Maskintillverkare kan välja mellan ett stort antal simuleringsverktyg. Erbjudandet sträcker sig från verktyg för hårdvaru- och maskinsimulering till processimulering. Av denna anledning har B&R ägnat många år åt att arbeta tillsammans med olika simuleringsexperter och integrera olika verktyg i sitt automatiseringssystem.

"I samarbete med våra partners som MathWorks, Maplesoft, maskinering och ISG erbjuder vi ett brett utbud av simuleringsalternativ och har rätt lösning för varje applikation." Den avgörande faktorn här är att våra kunder är fria att välja vilket simuleringsverktyg som är bäst lämpad för sin maskin. B&R-utvecklingsmiljön är det centrala verktyget i alla fall."

Med exempelvis simuleringsprogramvaran från Maplesoft och MathWorks kan maskinkomponenter kartläggas mycket effektivt och exakt, till exempel moment och krafter kan simuleras för maskindesign och dimensionering. Här blir det enkelt att testa olika lastfall. Att testa på ett riktigt system kräver många arbetstimmar och mycket resurser. En överdimensionerad belastning kan leda till skador på värdefull hårdvara som sedan måste bytas ut. Med simulering kan maskinbyggaren snabbt få en överblick över maskinen och se om den klarar en viss belastning eller inte.

Verktygen från machineering och ISG täcker området för processimulering. De visar det dynamiska beteendet hos en komplett maskin i 3D. Detta gör att alla dynamiska faktorer som påverkar materialflödet kan testas i realtid med den digitala tvillingen. Maskintillverkaren får omedelbar visuell feedback om hur beteende påverkas av olika kombinationer av maskinkomponenter. Ett onödigt driftstopp kan också identifieras och elimineras i ett tidigt skede.

Även efter att maskinen har utvecklats och distribuerats är den digitala tvillingen inte klar med att höja värdet. Den digitala tvillingen fortsätter att köras i kontrollskåpet som en virtuell kopia av maskinen och använder realtidsdata för att göra exakta prognoser om hälsan och återstående livslängd för maskinens komponenter. "Om den verkliga maskinens beteende avviker från den digitala tvillingens - till exempel på grund av ett slitet lager - upptäcks skillnaden omedelbart", förklarar Laasch. De insamlade uppgifterna används för prediktivt underhåll, feldokumentation, fjärrunderhållssystem osv.

Den digitala maskinens motsvarighet öppnar också nya möjligheter för utbildning av maskinoperatörer och servicetekniker. Teoretiskt kan de lära sig att arbeta med Human Machine Interface eller själva maskinen innan den faktiskt anländer till platsen. Detta minskar avsevärt den tid som krävs för att utbilda nya operatörer.

Den digitala tvillingen används alltmer i virtuella utställningsrum, vilket gör det möjligt för försäljningsavdelningen att när som helst presentera nya maskiner för potentiella kunder, även utanför mässor eller evenemang. Med hjälp av augmented reality-headset kan den digitala maskinen till och med visas i realistiska miljöer. Detta gör det möjligt att testa tänkbara scenarier när man planerar och utvecklar maskiner med rörliga föremål.

"Den digitala tvillingen följer en maskin genom varje steg i livscykeln", säger Laasch. "Dessutom utgör den grunden för nya funktioner och framtida förbättringar av maskinen." Maskintillverkaren kan till exempel använda insikt som erhållits under drift för att optimera systemet. Simuleringsmodellen kan sedan användas för att testa de planerade modifieringarna. Detta minskar driftstopp för uppgraderingar till ett minimum och påskyndar utvecklingsprocessen för nästa generations maskiner.

Författare: Carola Schwankner, redaktör för företagskommunikation, B&R