Symulacja odgrywa ważną rolę w budowie instalacji i maszyn

„Całość jest czymś więcej niż sumą jej części." – słowa Arystotelesa są dziś, w dobie inteligentnych fabryk i Przemysłu 4.0, prawdziwsze niż kiedykolwiek. Maszyna to coś więcej niż tylko połączenie komponentów sprzętowych i programowych. Tylko wtedy, gdy części współpracują harmonijnie ze sobą, całość może wykorzystać swój rzeczywisty potencjał. Osiągnięcie i utrzymanie tej harmonii to obszar, w którym symulacja może odegrać ważną rolę.

Cyfrowy bliźniak towarzyszy maszynie na każdym etapie jej cyklu życia – od opracowania i uruchomienia po bieżącą eksploatację. Może nawet obejmować generacje maszyn, zapewniając podstawę dla przyszłych aktualizacji i ulepszeń.

Jaką rolę odgrywa symulacja w budowie instalacji i maszyn? „Odpowiedź jest prosta" – mówi Isabella Laasch, menedżer produktu ds. symulacji w B&R. Jest to klucz do osiągnięcia kolejnego poziomu efektywności w każdej fazie cyklu życia maszyny.

Oznacza to również, że współdziałanie części mechanicznej, urządzeń elektrycznych i automatyki staje się coraz trudniejsze. Podczas projektowania i uruchamiania oraz podczas eksploatacji należy przetestować i dostosować zachowanie maszyny. Wykonanie tego na rzeczywistym systemie może być kosztowne, czasochłonne lub w wielu przypadkach, po prostu niemożliwe.

Znajdowanie wad: im szybciej, tym lepiej

Nawet w pierwszej fazie cyklu eksploatacji maszyna przechodzi przez wiele etapów. Poważne wady mogą wkraść się na każdym etapie realizacji. Zasada dziesięciu stanowi, że koszt naprawy usterki wzrasta dziesięciokrotnie na każdym etapie rozwoju maszyny, na którym usterka nie została wykryta. Innymi słowy: im szybciej będziesz w stanie naprawić defekty, tym szybciej i taniej wdrożysz maszynę.

Wszelkie wady, które nie zostaną wykryte podczas projektowania, staną się oczywiste, gdy przyjdzie czas na uruchomienie prototypu. „Jeśli dojdziesz do samego uruchomienia i problemy zaczną się pojawiać jeden po drugim, to koszmar" — mówi Laasch. „Nie tylko poniosłeś już koszt budowy prototypu, ale teraz musisz poświęcić cenne zasoby programistyczne na rozwiązywanie problemów". Jeśli sprzęt ulegnie uszkodzeniu, pojawią się również dodatkowe wydatki i potencjalne opóźnienia w oczekiwaniu na części zamienne. W najgorszym przypadku, jeśli nowa maszyna nie zostanie dostarczona na czas, mogą zostać naliczone kary umowne.

Testowanie w dowolnym momencie: Symulacja jest kluczem

„Potrzebujemy więc sposobu pracy z cyfrowym modelem maszyny na każdym etapie jej cyklu życia", mówi Laasch. „A sposobem na to jest symulacja". Kiedy replikujesz każdy aspekt maszyny w środowisku wirtualnej symulacji, tworzysz cyfrowego bliźniaka. Dzięki cyfrowemu bliźniakowi można łatwo zobaczyć już na etapie opracowywania, jak różne komponenty będą później współdziałać – lub nawet zweryfikować zachowanie całej maszyny za pomocą wirtualnego uruchomienia. 

Philipp Wallner
Kierownik Branżowy, MathWorks
„Dzięki konstruowaniu opartemu na modelach, można zapewnić, że maszyna będzie działać na wczesnym etapie, co zmniejsza ryzyko awarii do minimum. Modele symulacyjne stanowią podstawę fazy projektowania, wirtualnego uruchomienia i cyfrowych bliźniaków. Inwestycja w symulację zwraca się zwykle w ciągu pierwszego roku."

Bliska współpraca: Symulacja na każdym poziomie
Konstruktorzy maszyn mają do wyboru szeroką gamę narzędzi symulacyjnych. Niektóre specjalizują się w modelowaniu sprzętu maszynowego, inne symulują procesy fizyczne. B&R zintegrował pełen wybór narzędzi ze swoim systemem automatyki dzięki wieloletniej współpracy z firmami specjalizującymi się w symulacji.

„We współpracy z naszymi partnerami – firmami MathWorks, Maplesoft, machineering, ISG i innymi – oferujemy szeroki zakres opcji symulacji i mamy odpowiednie rozwiązanie dla każdej aplikacji. „Decydującym czynnikiem jest tutaj fakt, że nasi klienci mają swobodę wyboru narzędzia symulacyjnego, które najlepiej nadaje się do ich maszyny. I cokolwiek wybiorą, wiedzą, że będzie bezproblemowo współpracować z centralnym środowiskiem programistycznym B&R".

Właściwe narzędzia do każdego wymogu

Oprogramowanie symulacyjne firm Maplesoft i MathWorks może na przykład wydajnie i dokładnie mapować komponenty maszyn, a także symulować momenty obrotowe i siły potrzebne do projektowania i wymiarowania. Łatwo jest symulować wszystkie rodzaje różnych warunków obciążenia i przeprowadzać testy, które w systemie fizycznym zajęłyby wiele godzin i zajęłyby znaczne zasoby. W przypadku testów fizycznych istnieje również ryzyko przeciążenia i uszkodzenia cennego sprzętu. W symulacji konstruktor maszyny może jednak od razu stwierdzić, czy maszyna poradzi sobie z danym obciążeniem. 

Dzięki narzędziom symulacyjnym ISG-virtuos (ISG), iPhysics (machineering), MATLAB/Simulink (MathWorks) i MapleSim (Maplesoft), firma B&R zintegrowała w swoim systemie automatyki narzędzia odpowiednie do każdej aplikacji.

Chris Harduwar
Wiceprezes ds. rozwoju biznesu, Maplesoft
„Kiedy konstruktorzy maszyn napotykają na problemy z wydajnością, potrzebują szybkiego rozwiązania, które nie zagrozi planowanej marży zysku. Dynamiczne, oparte na fizyce cyfrowe bliźniaki pozwalają konstruktorom maszyn wykrywać problemy w ich projektach i wymyślać sposoby ich rozwiązania bez dodatkowych kosztów sprzętowych.

Jeśli chodzi o symulację procesów, w grę wchodzą narzędzia maszynowe i ISG. Pokazują one dynamiczne zachowanie całej maszyny w trzech wymiarach. Wszystkie siły dynamiczne, które mają wpływ na przepływ materiałów, mogą być testowane za pomocą cyfrowego bliźniaka. Konstruktor maszyny otrzymuje natychmiastową wizualną informację zwrotną o tym, jak różne kombinacje komponentów maszyny wpływają na jej zachowanie. Możliwe staje się również wczesne wykrywanie problemów, które w przeciwnym razie mogłyby spowodować przestój.

Dr Georg Wünsch
Dyrektor zarządzający, machineering GmbH & Co. KG
"Nasze oprogramowanie do symulacji iPhysics łączy w sobie wszystkie dziedziny, począwszy od MCAD, ECAD i automatyzacji, aż po produkcję i serwis posprzedażowy. Dzięki dodatkowemu połączeniu systemów AR i VR, złożone maszyny mechatroniczne są w każdej chwili całkowicie zabezpieczone."

Dane w czasie rzeczywistym: wydajna konserwacja predykcyjna

Nawet po opracowaniu i wdrożeniu maszyny, cyfrowy bliźniak nie przestaje wnosić wartości dodanej. W szafie sterowniczej jako wirtualna kopia maszyny, wykorzystując dane operacyjne w czasie rzeczywistym do tworzenia dokładnych prognoz dotyczących stanu i pozostałego okresu eksploatacji komponentów maszyny. „Jeśli zachowanie rzeczywistej maszyny odbiega od zachowania cyfrowego bliźniaka – na przykład z powodu zużytego łożyska – różnica jest natychmiast wykrywana" – wyjaśnia Laasch. Zebrane dane są wykorzystywane do predykcyjnego utrzymania ruchu, dokumentacji usterek, systemów zdalnego utrzymania ruchu itp.

Narzędzia symulacyjne, takie jak iPhysics, obejmują obszar symulacji procesu i pokazują dynamiczne zachowanie kompletnej maszyny w trzech wymiarach.

Wirtualny podgląd: Krótszy czas szkolenia

Posiadanie cyfrowego odpowiednika maszyny otwiera również nowe możliwości szkolenia operatorów maszyn i techników serwisowych. Możliwość pracy z HMI lub z samą maszyną, zanim faktycznie dotrze ona na miejsce, znacznie skraca ich krzywą uczenia się.

Cyfrowy bliźniak jest również coraz częściej wykorzystywany w wirtualnych showroomach, co pozwala działowi sprzedaży na prezentowanie nowych maszyn potencjalnym klientom w dowolnym czasie, nawet poza wydarzeniami branżowymi. Za pomocą zestawów do rzeczywistości rozszerzonej można nawet nałożyć cyfrową maszynę na realistyczne otoczenie. Wszystkie rodzaje scenariuszy „co by było, gdyby" można było badać podczas planowania i opracowywania — dostarczając pełny wgląd bez ryzyka.

Dr Christian Daniel
Business Manager- Technologia symulacji, ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH
„Jeśli skonfiguruje się scenariusze symulacyjne jako cyfrowe bliźniaki z wirtualnymi komponentami wielokrotnego użytku z biblioteki, wówczas mogą one być również wykorzystywane przez właściciela instalacji do optymalizacji produkcji, modernizacji oraz jako podstawa innowacyjnych koncepcji szkoleniowych i serwisowych."

Ulepszenia oparte na danych: Wgląd w innowacje

„Cyfrowy bliźniak towarzyszy maszynie na każdym etapie jej cyklu życia" – zapewnia Laasch. Może nawet obejmować generacje maszyn, zapewniając podstawę dla przyszłych aktualizacji i ulepszeń. Konstruktor maszyn może na przykład wykorzystać wiedzę uzyskaną podczas pracy do optymalizacji systemu, wykorzystując model symulacyjny do bezpiecznego testowania wszelkich planowanych modyfikacji. Minimalizuje to przestoje podczas wdrażania aktualizacji i przyspiesza programowanie kolejnej generacji maszyn.

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