Zrýchlenie uvedenia na trh vďaka digitálnym dvojčatám

Na všetkých svetových trhoch a v rôznych odvetviach prechádzajú výrobky od koncepčného návrhu k svojmu uvedeniu na trh v čoraz kratšom čase. To, ako dlho trvá vývoj hardvéru stroja a programovanie jeho softvéru, môže byť rozhodujúcim faktorom jeho úspechu alebo neúspechu v porovnaní s konkurenciou. Samozrejme, čím rýchlejšie sa to udeje, tým lepšie. Digitálne dvojčatá môžu zohrať dôležitú úlohu pri rýchlom vývoji a testovaní hardvéru a softvéru stroja.
Zrýchlenie uvedenia na trh vďaka digitálnym dvojčatám

Obr. Pomocou digitálneho dvojčaťa možno simulovať fyzické správanie inteligentného transportného systému ACOPOStrak v reálnom čase, a to ešte pred vytvorením akejkoľvek časti reálneho systému. To nielen zjednodušuje a urýchľuje vývoj hardvéru a softvéru, ale tiež umožňuje vykonávať virtuálne uvedenie dopravníka do prevádzky.

Jediným spôsobom, ako možno splniť čoraz napnutejšie plány vývoja strojov, sú vysoko efektívne procesy. Chyby musia byť už na začiatku vylúčené, nie opravené. Dokonca aj prototyp nového stroja sa musí podariť na prvýkrát. „Na splnenie týchto vznešených cieľov je simulácia prístup, ktorý sa osvedčil v mnohých disciplínach,“ hovorí Kurt Zehetleitner zodpovedný za simuláciu a vývoj založený na modeloch v spoločnosti B&R. Digitálne dvojča umožňuje vyhodnotiť vlastnosti produktu skôr, ako akákoľvek jeho časť skutočne existuje.

Tento prístup je už bežnou praxou pri vývoji mechatronických systémov používaných v automobilovom a leteckom priemysle. Mechanické systémy sú modelované na počítači a testované v simulačnom prostredí. Avšak táto stratégia vývoja zatiaľ zďaleka nedosiahla svoj skutočný potenciál. To možno do značnej miery pripísať rozšírenému mylnému názoru, že vývoj simulačných modelov je časovo náročná úloha, ktorú môžu vykonávať iba vývojári s hlbokými znalosťami pokročilej matematiky a že samotné modely sú náchylné na chyby. „Ešte v nedávnej minulosti mal tento názor čiastočne opodstatnenie,“ hovorí K. Zehetleitner, „ale dnes je vytváranie simulačných modelov podstatne jednoduchšie a rýchlejšie.“

Digitálne dvojčatá urýchľujú uvedenie do prevádzky

Dnešné simulačné nástroje uľahčujú vytváranie digitálnych dvojčiat. To nielen zjednodušuje a urýchľuje vývoj hardvéru a softvéru, ale tiež umožňuje vykonávať virtuálne uvedenie do prevádzky. Simulácia fyzického správania stroja v reálnom čase umožňuje identifikovať prekážky a potenciál s cieľom optimalizácie už v ranej fáze vývoja. „Vďaka bezproblémovému prepojeniu vývojových nástrojov prináša simulácia vysoký stupeň flexibility a efektívne riadenie zdrojov,“ hovorí K. Zehetleitner. „Prispieva to k optimálnemu využitiu zdrojov určených na vývoj a pomáha skrátiť čas uvedenia do prevádzky až o 80 %.“

V inžinierskom prostredí B&R Automation Studio poskytuje digitálne dvojča vývojárom aplikácií rozhodujúcu výhodu – môžu spustiť virtuálny model priamo na PC a pripojiť sa k riadiacemu systému stroja v konfigurácii SIL (software-in-the-loop) alebo HIL (hardware-in-the-loop). Aplikačný softvér možno vyvíjať, overovať a testovať vopred a požiadavky na výkon možno testovať na riadiacom systéme.

Na vytvorenie digitálneho dvojčaťa vývojár naimportuje údaje CAD stroja do modelovacieho nástroja, ako je napríklad MapleSim. Takýmito údajmi môžu byť dôležité charakteristiky z návrhu CAD, ako sú hodnoty hmotnosti a hustoty či údaje o jednotlivých mechanických komponentoch s ďalšími vlastnosťami, ako sú stupne voľnosti a typ rozhrania na pripojenie k riadiacemu systému.

Modelovanie bez rovníc

S nástrojmi ako MapleSim a industrialPhysics sa dajú ľahko implementovať aj zložité modely. MapleSim ponúka knižnicu modelovacích prvkov, ako sú hmotnosť, kĺby, pružiny a tlmiče, vďaka ktorým je proces rozširovania a dolaďovania modelu intuitívny a ľahký. Systém generuje rovnice pre model na pozadí. Aplikácia B&R v MapleSim umožňuje automatický export modelu do Automation Studio spolu s údajmi CAD. Tam môžu používatelia otestovať softvér stroja z hľadiska zaťaženia motora a vyladenia riadiaceho systému. Nástroj Scene Viewer spoločnosti B&R využíva poskytnuté údaje CAD na vizualizáciu pohybov v 3D. „Vďaka tomu je testovanie a odstraňovanie problémov pre vývojárov softvéru veľmi jednoduché,“ hovorí K. Zehetleitner.

Uvedený prístup je podobný ako pri simulačnom nástroji industrialPhysics. Tento nástroj má integrovaný fyzikálny mechanizmus, ktorý poskytuje približnú simuláciu fyzických systémov s dôrazom na výkon v reálnom čase. „Je to ten typ systému, ktorý teraz umožňuje simulovať celé stroje a zariadenia,“ hovorí K. Zehetleitner. „Môžete si dokonca overiť správanie v reálnom čase a zaťaženie systému na cieľovom hardvéri v prostredí HIL.“

Automatické generovanie programu

Po vytvorení digitálneho dvojčaťa zohráva automatické generovanie programu dôležitú úlohu pri vývoji a implementácii funkcií stroja v cieľovom systéme. Okrem mnohých iných výhod to podstatne znižuje množstvo potrebného programovania. Nástroj MATLAB/Simulink je obzvlášť vhodný na automatické generovanie programov. Spoločnosť B&R vyvinula obojsmerné rozhranie medzi MATLAB/Simulink a Automation Studio. Vďaka produktu Automation Studio Target pre Simulink sa práca vývojára zníži iba na niekoľko kliknutí myšou. „Môže sa veľmi rýchlo dostať od vytvorenia modelu v Simulinku po spustenie vysoko kvalitného programu v riadiacom systéme B&R,“ hovorí K. Zehetleitner, „vrátane niektorých veľmi sofistikovaných diagnostických možností.“ Program Automation Studio Target pre Simulink pomáha dosahovať vysokú kvalitu výrobkov a súčasne výrazne zrýchľuje vývoj softvéru.

Otvorené rozhrania

Pri práci so simulačnými nástrojmi sú otvorené štandardy a rozhrania nevyhnutné na to, aby mohli rôzne zúčastnené systémy bezproblémovo medzi sebou komunikovať. Schopnosť používať existujúci softvér tiež šetrí drahocenný čas. B&R ponúka otvorenosť na všetkých úrovniach a vo všetkých produktoch. S nezávislým priemyselným štandardom Functional Mock-up Interface (FMI) možno modely vymieňať a simulovať pomocou rôznych vývojových nástrojov. B&R ponúka mechanizmus na importovanie funkčných modelov (FMU) v súlade so štandardom FMI 2.0. „FMU sú bez problémov integrované do Automation Studio ako funkčné bloky,“ vysvetľuje K. Zehetleitner.

Simulačné nástroje možno použiť na testovanie modelov vo všetkých definovaných scenároch a na komplexné virtuálne uvedenie do prevádzky. Testovanie vykonané počas virtuálneho uvedenia do prevádzky sa môže pohybovať od jednoduchých logických sekvencií až po zložité kritické scenáre, aby sa zabezpečila celková účinnosť a kvalita hardvéru a softvéru stroja. Používanie digitálneho dvojčaťa výrazne znižuje množstvo času potrebného na uvedenie skutočného stroja do prevádzky a minimalizuje riziko chýb.

Vďaka bezproblémovému prepojeniu vývojových nástrojov umožňuje simulácia vysoký stupeň flexibility a efektívne riadenie zdrojov.
   
Kurt Zehetleitner, vedúci vývoja – simulácia a digitálne dvojčatá, B&R

Zdroj: Hensel, S.: Digital twins revolutionize time to market. B&R Industrial Automation GmbH, automotion 5/2019. [online]. Dostupné na: https://www.br-automation.com/en/about-us/press-room/technology-highlights/digital-twins-revolutionize-time-to-market/.

-tog-