Model-Based Design

Typický vývoj nového alebo vylepšenie aktuálneho zariadenia prechádza niekoľkými fázami. Ako prvé sa definujú požiadavky na to, ako sa ma systém správať, prípadne aké sú jeho obmedzenia. Na základe požiadaviek sa vytvorí prototyp, na ktorom sa tvorí riadiaci algoritmus. Počas vývoja často dochádza k zmene požiadaviek. V tom lepšom prípade treba prerobiť algoritmus, ale pokiaľ treba upraviť aj prototyp, predlžuje sa čas uvedenia zariadenia na trh a zároveň sa celý vývoj predražuje. Vývojových cyklov môže byť samozrejme niekoľko.

Spoločnosť MathWorks odporúča pri vývoji zariadení využívať metódu Model-Based Design. Táto metóda dáva dôraz na systematické využívanie modelov počas vývoja. Znamená to, že po stanovení požiadaviek sa celý systém najskôr namodeluje. Modelovať môžete samostatné zariadenie a jeho komponenty, prostredie, v ktorom zariadenie pracuje, prípadne algoritmus, ktorý na zariadení beží. S využitím modelovania a simulácie vieme overiť nové nápady, testovať rôzne konfigurácie alebo optimalizovať správanie. Dodávka zariadenia môže trvať niekoľko mesiacov, takže paralelný vývoj zariadenia a jeho algoritmu nešetrí iba prostriedky, ale aj čas. Dopredu vieme zistiť, či zariadenie určené do prevádzky na druhej strane sveta má šancu fungovať a ešte pred dopravou vieme odstrániť väčšinu problémov. S cieľom eliminácie manuálnych krokov a ľudských chýb sa algoritmy neprogramujú, ale generujú automaticky z pracovných simulačných modelov. Podľa skúsenosti zákazníkov dokáže metóda Model-Based Design skrátiť čas vývoja aj o viac ako polovicu.

Virtuálna realita

Model vytvorený pomocou metódy Model-Based Design možno vizualizovať pomocou virtuálnej reality. Spoločnosť MathWorks ponúka na tieto účely nadstavbu Simulink 3D Animation. Simulink 3D Animation prepája model s virtuálnym svetom, v ktorom vieme objektom meniť pozíciu, rotáciu, škálovanie a iné vlastnosti počas simulácie. Z virtuálneho sveta možno čítať obraz, prípadne sledovať kolízie a využiť tieto informácie pri tvorbe algoritmov. V súčasnosti sa Simulink 3D Animation využíva pri testovaní modelov z oblastí, ako sú robotika, autonómne riadenie, riadiace systémy a mnoho ďalších.

Zaujímavosťou je, že tento produkt vyvíja spoločnosť Humusoft, ktorá je výhradným zástupcom spoločnosti MathWorks pre Českú republiku a Slovensko. Prvá verzia bola vyvíjaná pod názvom Virtual Reality Toolbox od roku 1998. Súčasťou distribúcie sa tento toolbox stal od roku 2001, keď bol aj predstavený na Web3D konferencii v Paderborne. Od verzie R2009a bol Virtual Reality Toolbox premenovaný na toolbox, ktorý dnes poznáme ako Simulink 3D Animation. V súčasnosti prebieha modernizácia toolboxu s využitím Unreal Engine od spoločnosti Epic Games. Súčasťou príkladov toolboxu je aj model portálového žeriavu vytvorený na FEI STU v rámci diplomovej práce Samuela Bartoša.

Virtual Commisioning

Spojenie modelov a vizualizácie pomocou virtuálnej reality sa dnes využíva pri virtuálnom uvedení zariadení do prevádzky. Model systému sa pripojí ku skutočnému riadeniu a skontroluje sa, či sa hardvér a softvér správa podľa očakávania. Výhodou tohto prístupu sú testy bez spotreby materiálu a energie, žiadne riziko poškodenia zariadenia a zníženie nákladov na potrebný personál. Výrobcovia často nemajú skúsenosti s modelovaním, preto sa natíska otázka, či sa vôbec oplatí začínať s modelovaním aj napriek spomínaným výhodám. Odpoveď je určite áno, pretože model je len začiatkom v prechode k Priemyslu 4.0.

Veľa z toho, čo na zostavenie takýchto modelov potrebujete, už pravdepodobne máte k dispozícii. Napríklad CAD popisy komponentov možno importovať priamo do nástrojov, ako je Simulink alebo Simscape Multibody. Importovaný model možno plne parametrizovať a následne simulovať správanie mechanických, elektrických alebo hydraulických komponentov.

Komplexné výrobné linky môžu byť vytvorené v prostredí na tvorbu hier (Game Engine). Jednou z výhod je možnosť oddelenia výpočtovo náročných úloh a riešiť ich pomocou výkonu grafických kariet. Nevýhodou však je, že ide väčšinou o izolované riešenia a prostredie na tvorbu hier obsahuje iba obmedzené fyzikálne modely optimalizované na grafický efekt. Tie nedokážu presne modelovať skutočnú dynamiku strojov s ich silou, momentmi, tuhosťou alebo koeficientom trenia. Vyžaduje to aj vývojárov alebo dodávateľov so špecializovanými zručnosťami so zvoleným prostredím.

Kombinácia oboch prístupov

Simulink 3D Animation prichádza v najnovších verziách s možnosťou prepojenia prostredí MATLAB či Simulink a prostredia na tvorbu hier od spoločnosti Epic Games (Unreal Engine). Umožňuje simuláciu veľkých systémov zložených z mnohých komponentov importovaním CAD modelov alebo z knižníc v Simscape. Kombinácia simulačného prostredia a vizualizačného nástroja umožňuje testovať zariadenia s viacerými úrovňami presnosti. Časti zariadenia, kde je potrebná vysoká presnosť (mechanika, elektronika alebo hydraulika), sa testujú v simulačnom prostredí. Menej dôležité súčasti, ako je napríklad kĺzanie výrobku, môžeme nechať na 3D prostredí. Okrem importu môže používateľ vytvárať 3D svety aj pomocou príkazov prostredia MATLAB bez znalosti herného enginu. Súčasťou je aj možnosť využitia robotickej knižnice Robotic System Toolboxu s aktuálne 45 bežnými priemyselnými robotmi. Knižnica blokov Simulinku umožňuje meniť parametre a fyzikálne vlastnosti vo svete počas simulácie.

Využite plný potenciál

Úplnú pridanú hodnotu modelov však možno dosiahnuť len vtedy, ak sa budú dôsledne používať počas celého životného cyklu systému. Z tohto dôvodu predstavuje virtuálne uvedenie do prevádzky, kde možno nadobudnúť skúsenosti na základe existujúcich zdrojov, ideálnu príležitosť, ako začať s využitím metódy Model-Based Design. Odtiaľ sa možno postupne dopracovať k end-to-end používaniu bez toho, aby bolo nutné úplne prepracovať zavedené procesy. Automobiloví a leteckí výrobcovia pracujú s modelmi od samého začiatku vývoja už dlhý čas. Modularita takýchto modelov prináša rozhodujúce výhody. Po prvé, algoritmy, logiky a moduly, ktoré už boli zostavené a overené, môžu byť znovu použité z predchádzajúcich projektov. Po druhé, je to práve táto modularita, ktorá v prvom rade umožňuje nepretržite aktualizovať stroje. Tretia výhoda vývoja na základe modelov sa týka implementácie riadiaceho systému a jeho integrácie s hardvérom. Nástroje prostredia MATLAB a Simulink možno použiť na automatické generovanie kódu pre širokú škálu riadiacich platforiem. Môžete si vybrať medzi C, C++, štruktúrovaným textom IEC 61131, ale aj HDL.

Ing. Michal Blaho, PhD.
blaho@humusoft.sk