Symulacja: od koncepcji do wirtualnego bliźniaka
Opublikowano 4 czerwca 2025 w Industry 4.0
Symulacja: od koncepcji do wirtualnego bliźniaka
W jaki sposób producenci mogą wykorzystać możliwości symulacji, aby od razu stworzyć projekt gotowy do wdrożenia w rzeczywistości? Pomysł wykorzystania symulacji do wspomagania projektowania zakładów istniał od lat, nawet zanim pojawiły się komputery. Pierwsze przykłady symulacji to modele fizyczne, które umożliwiały inżynierom testowanie procesów i projektów na małą skalę, zanim zostały urzeczywistnione. Obecnie nadal stosuje się te same podstawowe zasady, ale symulacja odbywa się w środowisku wirtualnym. Znacznie zwiększa to możliwości tworzenia złożonych procesów testowania wpływu zmiennych na rezultaty. Zasadniczą rolę w osiągnięciu tego poziomu elastyczności i złożoności odegrały technologie oparte na sztucznej inteligencji.Symulacja bez granic
Następnym etapem rozwoju symulacji jest przejście na bardziej holistyczne podejście. W przemyśle używanie symulacji robotów i sterowników PLC przed rozpoczęciem produkcji stało się już normą — fabryki rzadko budowane są bez wcześniejszego przetestowania automatyki i sterowania w środowisku wirtualnym. Jednak gdy pojawiły się technologie tworzenia inteligentnych fabryk, widoczne stały się także ograniczenia symulacji wyizolowanych maszyn lub procesów.
Konwergencja IT/OT — integracja systemów zarządzania danymi (IT) z systemami operacyjnymi w przemyśle (OT) stawia nowe wyzwania związane z symulacją. Platformy do symulacji pojedynczych systemów nie uwzględniają konieczności wymiany informacji, która w wielu zakładach ma kluczowe znaczenie dla gromadzenia, udostępniania, analizy i wykorzystania danych. Dlatego w wielu sektorach produkcyjnych, takich jak przemysł motoryzacyjny, farmaceutyczny i kosmetyczny, poszukiwane są rozwiązania symulacyjne, które mogą odwzorować całe fabryki.
To jednak dopiero początek drogi. Zarządzanie operacjami i łańcuchem dostaw staje się coraz bardziej współzależne, a modele cyfrowe i symulacyjne będą musiały uwzględniać czynniki wykraczające poza granice fabryk. Należy na przykład uwzględnić różne zmienne związane z dostawami materiałów i zakłóceniami w łańcuchu dostaw.
Rośnie również potrzeba używania narzędzi symulacyjnych do badania synergii między różnymi zakładami, badania możliwości wymiany danych między wieloma zakładami oraz badania i porównywania wydajności różnych zakładów. Ponadto, ponieważ liczni producenci wdrażają model Projektuj gdziekolwiek, produkuj gdziekolwiek (Design Anywhere, Manufacture Anywhere, DAMA), potrzebne są symulacje pozwalające stwierdzić w jaki sposób można uzyskać jednorodne wyniki w różnych lokalizacjach przy zmiennych parametrach wejściowych.
Strategie symulacji
Istnieje pięć narzędzi symulacyjnych, które odgrywają ważną rolę w procesie projektowania zdigitalizowanego zakładu: model w pętli (Model-in-the-Loop, MiL), oprogramowanie w pętli (Software-in-the-loop, SiL) i sprzęt w pętli (Hardware-in-the-loop, HiL) do weryfikacji koncepcji, cyfrowe bliźniaki do odtwarzania procesów świata rzeczywistego i optymalizacji scenariuszy oraz wirtualne bliźniaki do ciągłego monitorowania i udoskonalania fabryk w czasie rzeczywistym.
1. Model w pętli (MiL)
Narzędzie MIL jest używane na wczesnym etapie rozwoju. Symuluje system w połączeniu z modelem środowiska w celu przetestowania algorytmów przed przejściem do narzędzi SiL i HiL. Na tym etapie można wygenerować większość oprogramowania sterującego. Automatyczne generowanie kodu skraca czas projektowania i minimalizuje wpływ błędów ludzkich.
2. Oprogramowanie w pętli (SiL)
Narzędzie SiL testuje oprogramowanie automatyzacji stojące za projektem fabryki — od wbudowanego oprogramowania po algorytmy i pętle sterowania. Oprogramowanie działa na platformie wirtualnej, co umożliwia weryfikację bez używania fizycznego sprzętu. Wczesne testy pomagają zidentyfikować błędy, których eliminacja na późniejszych etapach rozwoju mogłaby wymagać znacznych nakładów finansowych.
3. Sprzęt w pętli (HiL)
Następnie przychodzi czas na sprzęt. Zaczyna się od sterownika PLC lub kontrolera ruchu obsługującego wirtualną maszynę. Stopniowo dodawane są podzespoły sprzętowe, takie jak silniki, czujniki i systemy wizyjne, w wyniku czego powstaje środowisko hybrydowe. Narzędzie HiL jest często używane w motoryzacji, zwłaszcza w testach zaawansowanych systemów wspomagania kierowcy (ADAS).
4. Cyfrowe bliźniaki
Cyfrowy bliźniak to wirtualna replika produktu, procesu lub systemu. Odzwierciedla rzeczywiste działanie przy użyciu modelu CAD 3D połączonego z danymi przetwarzanymi w czasie rzeczywistym. Na przykład cyfrowy bliźniak robota pozwala producentom testować obciążenia, przepływy pracy i inne zmienne, aby umożliwić podejmowanie jak najlepszych decyzji.
5. Wirtualne bliźniaki
Cyfrowe bliźniaki mogą ewoluować do postaci wirtualnych bliźniaków, które symulują zaawansowane zachowania. Nie ma wyraźnej granicy, ale zazwyczaj cyfrowy bliźniak staje się wirtualnym bliźniakiem, gdy zostaje podłączony sprzęt, który zaczyna wymieniać dane w czasie rzeczywistym z działającym zakładem. Od tego momentu rozpoczyna się stałe działanie równoległe rzeczywistych do procesów.
Sysmac Studio: zintegrowane środowisko programowania
Sysmac Studio to narzędzie symulacyjne firmy OMRON, które dostarcza inżynierom zaawansowane narzędzia do programowania, symulacji i monitorowania sterowników PLC, sterowników ruchu, systemów wizyjnych i innych urządzeń powiązanych z automatyką. Oto trzy główne korzyści, które wyróżniają je spośród innych rozwiązań w zakresie automatyki przemysłowej:
1. Logika bezpieczeństwa
Bezpieczeństwo to ważny aspekt projektowania fabryki, który jest często pomijany przez dostawców symulacji. Na etapie testów wirtualnych firmy zbyt często koncentrują się na wydajności systemu lub procesu, a problemy związane z bezpieczeństwem pozostają ukryte, przez co na znacznie późniejszym etapie rozwoju konieczne jest wprowadzanie modernizacji projektu. Produkt firmy OMRON jest wyjątkowy, ponieważ platforma symulacji 3D obsługuje logikę bezpieczeństwa, umożliwiając producentom przeprowadzenie kompleksowych testów bezpieczeństwa różnych elementów, takich jak wyłączniki awaryjne, kurtyny świetlne bezpieczeństwa i czujniki, a także opracowanie optymalnych strategii rozmieszczania i programowania takich elementów, jak na przykład drzwi ochronne maszyn.
2. Wirtualne debugowanie
Niewielu dostawców narzędzi do symulacji może zaoferować możliwość debugowania projektu zautomatyzowanego systemu w środowisku wirtualnym. Firma OMRON połączyła renderowanie i symulacje o wysokiej dokładności, aby stworzyć aplikację do debugowania 3D, która umożliwia wykrywanie nieprawidłowości — użytkownicy mogą wirtualnie podłączać czujniki i korygować konfigurację maszyny lub linii.
3. Biblioteka bloków funkcyjnych
Firma OMRON opracowała bibliotekę bloków funkcyjnych sterowników PLC, które mogą być używane w środowisku symulacji oraz w rzeczywistych zastosowaniach. Te składniki oprogramowania to pliki, które można pobrać do systemu sterowania w celu wprowadzenia do sterownika PLC wszystkich funkcji potrzebnych do obsługi danego zastosowania, co przyspiesza proces projektowania. Dzięki szerokiemu doświadczeniu firmy OMRON obsługiwane są takie obszary, jak spawanie, nawijanie, rozwijanie, narzędzia do montażu na wcisk, robotyka, ruch, kontrola i inne. Bloki funkcjonalne mogą być również używane w środowisku wirtualnym, co umożliwia tworzenie symulacji, które są znacznie dokładniejsze i znacznie bliższe rzeczywistości.
Rzeczywiste korzyści płynące z wirtualnej symulacji
Symulacja jest kamieniem węgielnym cyfrowej fabryki. Istnieje wiele realnych korzyści, jakie może przynieść, począwszy od łatwiejszego tworzenia procedur na wypadek wystąpienia nieprawidłowości i analizy wynikowej na potrzeby tworzenia strategii serwisowych, po umożliwienie równoległego rozwoju różnych obszarów projektu w celu optymalizacji wydajności i skrócenia czasu wprowadzania produktów na rynek dzięki skróceniu cykli planowania i projektowania nawet o 25%, a także wiele innych.
W branży motoryzacyjnej, w której cykle eksploatacji produktów stają się coraz krótsze, a cykle innowacji przebiegają coraz szybciej, symulacja zapewnia elastyczność niezbędną do zachowania konkurencyjności. Na przykład wirtualny bliźniak linii produkcyjnej akumulatorów do pojazdów elektrycznych pozwala producentom testować przepływy pracy, optymalizować zarządzanie materiałami oraz identyfikować potencjalne wąskie gardła przed podjęciem decyzji inwestycyjnych.
W przemyśle kosmetycznym, gdzie projektowanie produktów musi uwzględniać trendy sezonowe, preferencje regionalne i dostępność składników, narzędzia symulacyjne pozwalają testować różne formuły i konfiguracje procesów produkcji przed podjęciem prób w rzeczywistości.
W ramach partnerskiej współpracy firma OMRON proponuje nowe cenne rozwiązania producentom, którzy chcą poznawać zaawansowane metody symulacji. Za sprawą połączenia wiedzy informatycznej i znajomości zagadnień powiązanych z automatyką przemysłową, jaką dysponuje firma OMRON, taka współpraca umożliwia otwartą i szybką wymianę danych pomiędzy systemami informatycznymi i operacjami OT w czasie rzeczywistym, dzięki czemu powstają platformy do rozwoju rozwiązań symulacyjnych.
Skontaktuj się z nami, aby uzyskać więcej informacji