Walidacja maszyn poprzez wirtualne uruchamianie

Firmy zamawiające maszyny przemysłowe oczekują, że produkty niestandardowe będą dostarczane szybciej niż dotychczas. By sprostać tym wymaganiom, projekty maszyn w sposób wykładniczy stają się coraz bardziej skomplikowane. Zapotrzebowanie na wysoki poziom dostosowywania produktów zwiększa złożoność maszyn i powoduje potrzebę synergii z producentami w celu wspierania globalnych strategii projektowania i produkcji maszyn. Jeśli producenci mogą jeszcze bardziej usprawnić proces walidacji maszyn poprzez wirtualne uruchomienie, mogą szybciej, wydajniej i oszczędniej sprostać złożonym wymaganiom klientów i kreować innowacyjne trendy mające na celu osiągnięcie doskonałego poziomu obsługi klienta oraz dodatkowych źródeł przychodów dzięki nowym modelom biznesowym.

Czym jest wirtualne uruchamianie?

Symulacja i wirtualne uruchomienie maszyny odnosi się do procesu sprawdzania lub walidacji poprawności kodu oprogramowania (PLC/HMI/SCADA) w środowisku wirtualnym zanim kod ten zostanie wdrożony do fizycznej produkcji.

Coraz większa ilość oprogramowania steruje maszynami, oprogramowanie to w zastraszającym tempie staje się także coraz bardziej złożone. Dlatego symulowanie działania kodu na wirtualnym bliźniaku maszyny generuje znaczne oszczędności czasu i zasobów. Wirtualne uruchamianie, sprawdzanie poprawności oprogramowania PLC w kontrolowanym środowisku jest integralną częścią szerszej modułowej strategii rozwoju produktu. Obecnie producenci maszyn mają możliwość wstępnego przeprowadzania symulacji i łączenia oprogramowania z modułami, po to by płynnie wdrożyć docelowy kod w maszynie danego klienta.

Z finansowego punktu widzenia wirtualne uruchamianie oraz wizualizacja przynoszą firmom ogromne oszczędności. Nikt nie kupuje maszyny zanim jej nie zobaczy. Klient także nie kupi maszyny tylko na podstawie twierdzenia, że została ona zasymulowana poprzez uruchomienie kodu oprogramowania. Klient musi mieć pewność, że maszyna działa zanim zostanie wysłana do jego zakładu.

Jednak ze względu na to, że uruchomienie maszyny wymaga wdrożenia dużej ilości oprogramowania oraz elementów bezpieczeństwa, fizyczne uruchomienie w obecności klienta staje się stresującym i trudnym zadaniem. Dlatego wirtualne uruchamianie jest idealnym rozwiązaniem, pozwalającym na włączenie maszyny i dokonanie rzeczywistego uruchomienia. Zarówno producent maszyny, jak i jego klienci odczuwają mniejszą presję. Ponadto proces ten uwydatnia inżynierię projektu i wzmacnia współzależność wszystkich dziedzin w procesie wirtualnego uruchamiania.

Czym jest proces wirtualnego uruchamiania?

Krytyczne elementy procesu wirtualnego uruchamiania to:

Wstępna automatyzacja powiązana z działaniem maszyny. Rozpoczęcie wirtualnego uruchomienia zaczyna się od wizji pożądanego działania maszyny i sekwencji operacji. W celu określenia działania maszyny w zakresie systemu elektrycznego i systemu hydraulicznego najlepiej byłoby użyć modelu systemowego. Obecnie jednak dobrym rozwiązaniem jest model kinematyczny oparty na fizyce. Odwzorowanie praw fizyki takich jak np. grawitacja czy tarcie, umożliwia analizę i wizualizację służące do komunikacji pomiędzy inżynierami zajmującymi się systemami mechanicznymi, elektrycznymi i sterującymi. To także doskonałe narzędzie do prezentowania klientowi działania maszyny w przypadku, gdy nigdy jej nie widział.

Generowanie kodu na podstawie modelu zachowania. Model zachowania maszyny lub fizyczna demonstracja sekwencji działania maszyny powinny mieć w sobie sposób identyfikowania urządzeń logicznych zaangażowanych w projekt oraz atrybutów, które będą miały kluczowe znaczenie dla rozwoju kodu PLC i HMI. Załóżmy, że mamy silnik ze zintegrowanym enkoderem. Nasz model zachowania opisuje proces, w którym silnik jest zasilany przez określoną liczbę obrotów, zatrzymuje się, a następnie zmienia kierunek pracy. Kod PLC musi mieć podstawowe informacje o silniku/enkoderze oraz o oczekiwaniach dotyczących zastosowania w danej aplikacji. Posiadanie informacji w modelu mechatronicznym jest najbardziej efektywnym sposobem zarządzania nimi.

Wizualizacja sprzężenia zwrotnego w pętli zamkniętej. Pierwotna symulacja pożądanego działania maszyny ma wartość tylko wtedy, gdy zostanie sprawdzona, po tym jak gotowy kod zostanie załadowany do wirtualnego PLC, w celu zaprezentowania działania maszyny w cyfrowym bliźniaku - sterowanym przez docelowy kod, a nie model predykcyjny zachowania maszyny.

Implementacja doświadczeń użytkownika. Doświadczenie użytkownika jest istotnym aspektem procesu wirtualnego uruchamiania, można je zademonstrować na cyfrowym bliźniaku, poprzez zaprezentowanie tego, jak maszyna reaguje na polecenia inicjowane przez operatora maszyny. Na przykład, w jaki sposób wyświetlane są parametry operacyjne na HMI? Czy ekran dotykowy i inne urządzenia interfejsu działają poprawnie? Czy maszyna wirtualna odpowiednio reaguje podczas zatrzymania awaryjnego lub normalnego wyłączenia? Czy można symulować usterki i inne przypadki użycia, w których bezpieczeństwo stanowi problem?

Procesy te dają możliwość osiągnięcia znacznych korzyści.

Korzyści i wyzwania związane z wirtualnym uruchamianiem

Zapotrzebowanie na wirtualne uruchamianie w połączeniu z jego wszechobecną dostępnością za pośrednictwem cyfrowego bliźniaka daje następujące korzyści:

• Skraca czas: Jest przeznaczony dla klientów, którzy stale i szybko zmieniają swoje preferencje, co powoduje potrzebę szybkiej reakcji.
• Zmniejsza koszty: Skraca czas testowania kodu PLC oraz usuwania błędów w projekcie
• Minimalizuje ryzyko: Zapewnia wirtualne środowisko testowe, zatem zmiany nie stanowią problemu, a błędy w kodzie PLC nie doprowadzą do kosztownych kolizji.

Wszystkie te zalety wirtualnego uruchamiania prowadzą do zwiększenia wydajności w hali produkcyjnej, umożliwiając osiągnięcie lepszych wyników i większej niezawodności - 20-procentową poprawę ogólnej wydajności środowiska produkcyjnego lub operacji. Taka wydajność pozwala na zaoszczędzenie cennego czasu, który był wcześniej poświęcany na fizyczne zatwierdzenie, weryfikację i uruchomienie.

Jednakże zaletom innowacyjnych technologii towarzyszą wyzwania:

• Sprawdzanie poprawności integracji urządzeń stron trzecich: Spójne łączenie różnych systemów i kodów.
• Integracja robotów: Wdrażanie kodu robotycznego do PLC w celu zwiększenia wydajności.
• Automatyzacja logistyki: Zapewnienie autonomicznych kompetencji poprzez jednoczesną koordynację wielu interfejsów.

Firmy, które z powodzeniem korzystają z wirtualnego uruchamiania

Najlepszym przykładem skutecznego działania wirtualnego uruchamiania jest firma Tronrud Engineering, która opracowuje, produkuje i dostarcza innowacyjne maszyny i urządzenia. Cyfrowy bliźniak nowej maszyny umożliwia projektantom, inżynierom i programistom jednoczesną pracę oraz ciągłą interakcję, a także dzielenie się wiedzą. Firma poprawiła wynik finansowy, skracając czas uruchomienia i prac inżynieryjnych.

„Pracując nad projektem, komponentami mechanicznymi i programowaniem jednocześnie, możemy radykalnie skrócić czas wprowadzania produktów na rynek. W jednym z projektów takie podejście pozwoliło nam na zaoszczędzenie około 20 procent tzn. dwóch miesięcy,” mówi Erik Hjertaas, Dyrektor Generalny ds. Technologii Pakowania w firmie Tronrud Engineering.

Ponadto, w odpowiedzi na rezultaty jednoczesnego wykonywania etapów rozwoju w zespole interdyscyplinarnym, Tor Morten Stadum, PL Manager w firmie Tronrud Engineering, stwierdził: „Skróciliśmy fazę projektowania o około dziesięć procent, a uruchomienie o 20 do 25 procent”.

Inną znaczącą firmą jest Eisenmann z południowych Niemiec, wiodący globalny dostawca rozwiązań i usług przemysłowych w zakresie wykańczania powierzchni, automatyzacji przepływu materiałów oraz technologii środowiskowych. Eisenmann od ponad 65 lat projektuje i konstruuje wysoce elastyczne i energooszczędne, zindywidualizowane zakłady produkcyjne, montażowe i dystrybucyjne. Firma pozytywnie zareagowała na wiele zalet wirtualnego modelowania, symulacji i uruchamiania.

„Model symulacyjny, który tworzymy za pomocą Plant Simulation, jest często częścią pakietu dostarczanego naszym klientom. Wielu z nich również korzysta z Plant Simulation, zatem wiedzą, jak przeprowadzać symulację i zmieniać potrzebne parametry. Stanowi to dla nich dużą korzyść, ponieważ otrzymują wirtualny model fizycznej linii” - mówi dr Heiner Träuble, Ekspert w dziedzinie Symulacji Samochodowych Systemów Lakierniczych w firmie Eisenmann.

„Jesteśmy bardzo zadowoleni z możliwości symulacji odrębnych zdarzeń, którą na przestrzeni lat rozwijaliśmy w firmie Eisenmann, szczególnie z wykorzystaniem Plant Simulation”, mówi Sebastiano Sardo, Starszy Wiceprezes Eisenmann Conveyor Systems.

Przystosowanie maszyn do wyzwań przyszłości

Producenci muszą uwzględniać obecne trendy i być elastyczni w dostosowywaniu się do zmieniających się preferencji konsumentów, by móc budować bardziej elastyczne maszyny do obsługi szerszej gamy produktów. Elastyczność w zakresie oprogramowania maszyn to jeden ze sposobów reagowania na zmieniające się potrzeby klientów. Zastosowanie portfolio Xcelerator, pakietu usług firmy Siemens Digital Industries Software Solutions, pomaga producentom tworzyć najbardziej wszechstronne cyfrowe bliźniaki urządzeń i integrować symulacje w proces projektowania maszyn, tak by były elastyczne, sprawne i adaptowalne. Współczesny producent, w celu zmaksymalizowania wydajności środowiska produkcyjnego, wymaga połączonych maszyn mogących komunikować się z innymi maszynami, podatnych na dostosowanie i pozwalających na rozszerzanie możliwości poprzez zmiany oprogramowania.

Dokładna symulacja działania skomplikowanej maszyny na wczesnym etapie procesu projektowania zapewnia przewidywalność procesu uruchamiania zarówno maszyny, jak i środowiska. Ze względu na stale zmieniające się modele biznesowe i pojawienie się modelu „produkcja jako usługa”, maszyny te muszą również zapewniać rozszerzanie możliwości. W celu tworzenia podłączonych, adaptowalnych, przewidywalnych i rozszerzalnych maszyn przyszłości, firmy potrzebują cyfrowego rozwiązania, które łączy wszystkie aspekty produktu i procesu produkcyjnego producenta maszyny.

Bill Davis Dyrektor ds. Rozwiązań z Zakresu Przemysłu Maszyn Przemysłowych i Ciężkiego Sprzętu w firmie Siemens Digital Industries Software. Doświadczenie i wiedzę zdobył w trakcie trwania 30-letniej kariery w inżynierii i zarządzaniu operacjami w firmach z branży maszyn i ciężkiego sprzętu. Bill ukończył studia magisterskie z zakresu zarządzania biznesem na Uniwersytecie Marquette, koncentrując się na zarządzaniu operacjami i marketingu strategicznym, ma także tytuł licencjata inżynierii mechanicznej z Milwaukee School of Engineering.