Wirtualne uruchomienie rozpoczyna się od stworzenia wizji pożądanego zachowania maszyny i opracowania sekwencji operacji.
Użytkownicy końcowi maszyn przemysłowych chcą szybko dostarczać produkty dostosowane do potrzeb. Sprostanie temu zapotrzebowaniu wymaga, aby projekty maszyn były zaawansowane. Potrzeba wysokiego poziomu dostosowania do potrzeb klienta przy większej złożoności maszyny skłania producentów do wspierania globalnego projektu maszyny w celu wdrożenia strategii produkcyjnych. Producenci mogą usprawnić proces walidacji maszyn dzięki wirtualnemu uruchomieniu. Szybko, skutecznie i ekonomicznie spełniając złożone wymagania klientów. Proces ten opiera się na innowacyjnych trendach, tworzeniu doskonałej obsługi klienta i strumienia przychodów z nowych modeli biznesowych.
Definicja wirtualnego rozruchu
Wirtualna symulacja maszyny i rozruch to proces walidacji kodu oprogramowania programowalnych sterowników logicznych (PLC), interfejsów człowiek-maszyna (HMI) oraz urządzeń kontroli nadzorczej i akwizycji danych (SCADA) w świecie wirtualnym przed ich wdrożeniem w hali fabrycznej. Ponieważ oprogramowanie w coraz większym stopniu steruje działaniem maszyn, jego złożoność znacząco wzrasta. Symulacja kodu działającego na wirtualnym bliźniaku maszyny ma zasadnicze znaczenie dla uzyskania korzyści w zakresie czasu i zasobów. Wirtualne uruchomienie waliduje oprogramowanie sterownika PLC w zarządzanym środowisku, co stanowi integralną część strategii rozwoju produktów modułowych. Konstruktorzy maszyn mogą przeprowadzić symulację z wyprzedzeniem i połączyć oprogramowanie z modułami, dopracowując ostateczny kod na indywidualnej maszynie dostosowanej do potrzeb klienta. Z finansowego punktu widzenia wirtualne uruchomienie i wizualizacja przynoszą firmom ogromne korzyści. Nikt nie kupuje maszyny bez jej sprawdzenia. Nikt nie kupi jej również tylko dlatego, że została wirtualnie zasymulowana przez uruchomiony kod oprogramowania. Dlatego użytkownicy muszą potwierdzić, że maszyna działa, zanim wyślą ją do zakładu. Ponieważ jednak do uruchomienia maszyny koniecznych jest wiele integracji oprogramowania i czynników bezpieczeństwa, bardzo ważne jest, aby testować ją przy fizycznej obecności końcowych użytkowników. Dlatego też wirtualny rozruch jest idealnym rozwiązaniem do włączenia maszyny i przeprowadzenia rzeczywistego rozruchu. Zmniejsza to resje zarówno po stronie konstruktora maszyny, jak i jego klientów/użytkowników. Współpraca z inżynierami na wczesnym etapie procesu projektowania dodatkowo wzmacnia współzależność wszystkich dyscyplin zaangażowanych w wirtualny rozruch.
Kluczowe elementy procesu wirtualnego uruchomienia:
Automatyzacja z góry powiązana z zachowaniem maszyny: Wirtualne uruchomienie rozpoczyna się od stworzenia wizji pożądanego zachowania maszyny i opracowania sekwencji operacji. W idealnym przypadku model systemowy definiowałby zachowanie maszyny w zakresie elektryki i przepływu płynów. Model kinematyczny oparty na fizyce jest dobrym początkiem, ponieważ wprowadza siły działające na elementy ślizgowe lub obrotowe w różnych momentach, zapewniając dobre narzędzie wizualizacji do komunikacji pomiędzy inżynierami mechaniki, elektryki i sterowania. Jest to również doskonałe narzędzie do demonstrowania zachowania maszyny użytkownikom. Model zachowania napędza generowanie kodu: Model zachowania maszyny (fizyczna demonstracja sekwencji działania maszyny) identyfikuje urządzenia logiczne w atrybutach projektu, które są krytyczne dla rozwoju kodu sterownika PLC i HMI. Rozważmy silnik z wbudowanym enkoderem. Wizualny model zachowania opisuje proces, w którym silnik jest zasilany energią przez określoną liczbę obrotów, zatrzymuje się, a następnie odwraca. Kod sterownika PLC musi znać istotne informacje o silniku/enkoderze oraz oczekiwania dotyczące jego wykorzystania w danej aplikacji. Posiadanie istotnych informacji w modelu mechatronicznym pozwala na bardziej efektywne zarządzanie nim.
Wizualizacja sprzężenia zwrotnego w pętli zamkniętej: Przeprowadzona z wyprzedzeniem symulacja pożądanego zachowania maszyny jest wartościowa tylko wtedy, gdy zostanie zweryfikowana po załadowaniu gotowego kodu do wirtualnego sterownika PLC, pokazując działanie maszyny w cyfrowym bliźniaku, gdy jest ona sterowana przez kod, a nie przez przewidywalny model zachowania maszyny.
Wdrożenie doświadczenia użytkownika: Doświadczenie użytkownika jest kluczowe dla procesu wirtualnego uruchomienia. Pokazuje ona, w jaki sposób cyfrowy bliźniak demonstruje reakcję maszyny na polecenia inicjowane przez użytkownika – na przykład wskazując, czy parametry operacyjne są odpowiednio wyświetlane na panelu HMI oraz czy ekran dotykowy i inne urządzenia interfejsu działają prawidłowo. Ponadto maszyna wirtualna musi prawidłowo reagować podczas e-stopu lub normalnego wyłączenia oraz symulować usterki i inne przypadki użycia, w których istotne jest bezpieczeństwo.
Korzyści i wyzwania
Zapotrzebowanie na wirtualny rozruch w połączeniu z cyfrowym bliźniakiem zapewnia następujące korzyści:
– Skrócenie czasu: Zaspokaja potrzeby użytkowników, którzy nieustannie, szybko zmieniają swoje gusta i napędzają wzajemną potrzebę szybkiego reagowania.
– Oszczędność kosztów: Redukuje czas na fizyczne usuwanie błędów w projekcie i powiązanych z nim elementach sterujących.
– Minimalizacja ryzyka: Zapewnia wirtualne testowanie, więc przedstawia potencjalne problemy związane z programem PLC.
Korzyści płynące z wirtualnego uruchomienia to lepsza wydajność na hali produkcyjnej, pozwalająca na osiągnięcie wyższego tempa przy zachowaniu niezawodności – potencjalnie 20-procentowa poprawa wydajności warsztatu maszynowego lub operacji. Taka wydajność pozwala zaoszczędzić cenny czas, który wcześniej był poświęcany na fizyczną walidację, weryfikację i uruchomienie (rys. 1). Jednak korzyści płynące z innowacyjnych technologii wiążą się z towarzyszącymi im wyzwaniami:
– Walidacja integracji urządzeń innych firm wymaga połączenia różnych systemów i kodów w spójną całość.
– Integracja robotów wymaga podłączenia kodu robotów do sterownika PLC w celu zwiększenia wydajności.
– Automatyzacja logistyki zapewnia znaczną sprawność tylko dzięki jednoczesnej integracji wielu interfejsów.
Wiele przypadków w praktyce wskazuje na korzyści płynące z wirtualnego uruchomienia. Rozważmy dwie firmy, które są świadkami wprowadzania ulepszeń. Skuteczne wykorzystanie wirtualnego commissioningu przez firmę Tronrud Engineering jest doskonałym przykładem. Tronrud projektuje, produkuje i dostarcza użytkownikom innowacyjne maszyny i urządzenia. Wykorzystanie cyfrowego bliźniaka nowej maszyny pozwala projektantom, inżynierom i programistom pracować jednocześnie, stale dzieląc się swoją wiedzą (rys. 2). Proces ten znacznie skraca czas uruchomienia i prac inżynieryjnych.
– Pracując jednocześnie nad projektem, komponentami mechanicznymi i programowaniem, możemy drastycznie skrócić czas wprowadzenia maszyny na rynek. W innym projekcie takie podejście pozwoliło nam zaoszczędzić około 20% lub dwa miesiące – powiedział Erik Hjertaas, dyrektor generalny ds. technologii pakowania w Tronrud Engineering. W odpowiedzi na równoległe wykonywanie etapów rozwoju w zespole interdyscyplinarnym, Tor Morten Stadum, menedżer PLM w Tronrud Engineering, powiedział: – Skróciliśmy fazę projektowania o około 10%, a uruchomienie o 20%–25%. Eisenmann, globalny dostawca rozwiązań przemysłowych z siedzibą w Niemczech, planuje i buduje na zamówienie linie produkcyjne i przedsiębiorstwa na całym świecie. Od ponad 65 lat wdraża wysoce elastyczne instalacje dystrybucyjne, które są energooszczędne i efektywne pod względem wykorzystania zasobów. Firma czerpie wiele korzyści z wirtualnego modelowania, symulacji i rozruchu.
– Model symulacyjny, który tworzymy w ramach symulacji instalacji, jest często częścią dostawy dla naszych klientów. Wielu z nich samodzielnie korzysta z symulacji instalacji, więc wiedzą, jak uruchomić symulację i zmienić potrzebne parametry. Jest to dla nich duża korzyść, ponieważ otrzymują wirtualny model fizycznej linii – powiedział dr Heiner Träuble, ekspert ds. symulacji systemów lakierniczych dla przemysłu motoryzacyjnego firmie Eisenmann.
– Jesteśmy bardzo zadowoleni z możliwości symulacji zdarzeń dyskretnych, które rozwinęliśmy w firmie Eisenmann na przestrzeni lat, zwłaszcza z wykorzystaniem symulacji instalacji – powiedział Sebastiano Sardo, starszy wiceprezes Eisenmann Conveyor Systems.
Maszyny dostosowane do przyszłości
Producenci muszą brać pod uwagę aktualne trendy i dostosowywać się do zmieniających się preferencji konsumentów, tak by budować uniwersalne maszyny, które będą w stanie sprostać pełnej gamie produktów. Elastyczność musi być wbudowana w oprogramowanie maszyny, by móc reagować na zmieniające się potrzeby klientów. Pakiet usług Xcelerator firmy Siemens Digital Industries pomaga producentom w stworzeniu kompleksowego cyfrowego bliźniaka. Umożliwia on również zintegrowanie symulacji z konstrukcją maszyny, tak by stała się ona uniwersalna, wszechstronna i podatna na adaptację. Połączone ze sobą maszyny, które mogą komunikować się z innymi maszynami, rozszerzają swoje możliwości dzięki zmianom wymuszanym przez oprogramowanie. Ta wartość jest niezbędna dla nowoczesnych producentów, aby zmaksymalizować produktywność środowiska użytkownika końcowego. Firmy potrzebują cyfrowego rozwiązania, które obejmie wszystkie aspekty produktu i procesu produkcyjnego producenta maszyn, aby już dziś połączyć, dostosować, przewidzieć problemy i zwiększyć możliwości maszyn w przyszłości.
Bill Davis jest dyrektorem ds. rozwiązań dla branży maszyn przemysłowych i ciężkiego sprzętu w Siemens Digital Industries Software. Jego doświadczenie i spostrzeżenia oparte są na 30-letniej karierze inżyniera i kierownika operacyjnego w firmach zajmujących się maszynami i ciężkim sprzętem. Posiada tytuł magistra administracji biznesowej Marquette University, ze specjalizacją w zarządzaniu operacyjnym i marketingu strategicznym, a także dyplom BSME Milwaukee School of Engineering.
