Szimuláció: a koncepciótól a virtuális másolatig
Közzétéve: 2025. június 4. hely: Ipar 4.0
Szimuláció: a koncepciótól a virtuális másolatig
Hogyan használhatják ki a gyártók a szimuláció erejét annak érdekében, hogy a való világbeli tervezést már az első alkalommal helyesen valósítsák meg? Maga a koncepció, hogy szimulációt használjanak a gyárak tervezéséhez, már évek óta létezik, sőt, még a számítógépek előtt is létezett. A szimuláció legkorábbi példái kézzelfogható modellek voltak, amelyek lehetővé tették a mérnökök számára, hogy kisebb méretben teszteljék a folyamatokat és a terveket, mielőtt élesben alkalmazták volna azokat. Bár ugyanazok az alapelvek még mindig érvényesek, manapság a szimuláció virtuális környezetben zajlik. Ez sokkal nagyobb kapacitást biztosít arra, hogy összetett folyamatokat hozzanak létre annak érdekében, hogy teszteljék, miképp befolyásolják a változó tényezők az eredményeket. Az AI-alapú technológiák nagyban hozzájárultak a rugalmasság és a kifinomultság ezen szintjének eléréséhez.Szimuláció határok nélkül
A következő lépés a szimuláció terén a holisztikusabb megközelítésre való áttérés. A gyártásban természetesen a robot- és PLC-szimuláció elvégzése vált szükségessé – ritkán építenek gyárakat anélkül, hogy az automatizálást és a vezérlést előzetesen virtuális környezetben ne tesztelték volna. Az intelligens gyári technológiák megjelenésével azonban egyre nyilvánvalóbbá válnak az elszigetelt gépek vagy folyamatok szimulációjának korlátai.
Az IT/OT konvergenciája – vagyis az adatkezelő rendszerek (IT) integrálása az ipari műveleti rendszerekkel (OT) – új kihívásokat jelent a szimuláció terén. Az egyrendszeres szimulációs platformok nem veszik figyelembe azt az összekapcsolhatóságot, amelyre a gyárak az adatgyűjtés, -megosztás, -elemzés és -felhasználás tekintetében törekszenek. Ezeket a tényezőket szem előtt tartva keres több gyártási ágazat is – beleértve az autóipart, a gyógyszeripart és a kozmetikai ipart – olyan szimulációs megoldásokat, amelyek teljes gyárakat képesek reprodukálni.
És ezt lehet még tovább fokozni. Az üzemeltetés és az ellátási láncok kezelése egyre inkább egymástól függ, és egyre inkább digitalizálódik, a szimulációs modelleknek pedig figyelembe kell venniük a gyárfalakon túli tényezőket is. Szem előtt kell tartani például a beérkező anyagok változékonyságát és az ellátási láncban bekövetkező zavarokat is.
A szimulációs eszközökre is egyre nagyobb szükség van annak érdekében, hogy a gyártók feltárhassák a különböző telephelyek közötti együttműködési lehetőségeket, hogy megvizsgálhassák, miképp tud több üzem adatot cserélni, valamint hogy kielemezzék és összehasonlíthassák a különböző gyárak teljesítményét. Ezen túlmenően, mivel számos gyártó az ún. „Tervezz bárhol, gyárts bárhol” (Design Anywhere, Manufacture Anywhere, DAMA) modell felé mozdul el, szimulációra van szükségük annak megállapítására, hogy a teljesítményt befolyásoló változó tényezők mellett hogyan érhető el konzisztens teljesítmény a különböző helyszíneken.
Szimulációs stratégiák
Öt szimulációs eszköz van, amelyek fontos szerepet játszanak egy digitalizált gyár tervezésében: Az ún. „modell a hurokban” (Model-in-the-Loop, MiL), a „szoftver a hurokban” (Software-in-the-loop, SiL) és a „hardver a hurokban” (Hardware-in-the-Loop, HiL) a koncepciók validálásához; a digitális ikrek a valós folyamatok imitálásához és a különböző helyzetek optimalizálásához; valamint a virtuális ikrek a valós gyárak folyamatos felügyeletéhez és fejlesztéséhez.
1. Modell a hurokban (MiL)
A MiL megközelítést a fejlesztés korai szakaszában használják. A MiL a környezeti modell mellett szimulálja a rendszert, így tesztelve az algoritmusokat mielőtt a SiL és a HiL eszközökkel tesztelnék őket. Ebben a szakaszban a vezérlőszoftver nagy része már legenerálható. Az automatizált kódgenerálás csökkenti a fejlesztési időt és minimalizálja az emberi hibákat.
2. Szoftver a hurokban (SiL)
A SiL-eszköz teszteli a gyári tervezés mögött álló automatizálási szoftvert – a beágyazott szoftvertől egészen az algoritmusokig és a vezérlőkörökig. A szoftvert egy virtuális platformon futtatja le, lehetővé téve a fizikai hardver nélküli validálást. Ez a korai tesztelés segít megtalálni azokat a hibákat, amelyek későbbi javítása költséges lenne.
3. Hardver a hurokban (HiL)
Mindezek után következik a hardver. Ennek kiindulópontja egy PLC vagy egy mozgásvezérlő, amelyen a virtuális gép fut. Ezután fokozatosan hozzáadják a különböző hardverkomponenseket, mint például a motorokat, érzékelőket és képalkotó rendszereket, létrehozva ezzel egy hibrid környezetet. A HiL-eszközök népszerűek az autóiparban, főleg a fejlett gépjárművezetés-támogató rendszerek (ADAS) tesztelésére használják.
4. Digitális ikrek
A digitális iker egy termék, folyamat vagy rendszer virtuális másolata. A való életben tapasztalható viselkedést tükrözi egy 3D-s CAD-modell segítségével, amely valós idejű adatokkal van összekapcsolva. Például egy robot digitális leképezésével a gyártók tesztelhetik a hasznos terhelést, a munkafolyamatokat és más változókat a jobb döntéshozatal érdekében.
5. Virtuális ikrek
A digitális ikrek tovább fejlődhetnek olyan virtuális ikrekké, amelyek fejlett viselkedéseket szimulálnak. Nincs egyértelmű határvonal, de jellemzően egy digitális iker akkor válik virtuális ikerré, amikor rácsatlakoztatnak valamilyen hardvert, és elkezd valós idejű adatokat cserélni az üzemben lévő gyárral. Ezen a ponton az iker folyamatosan és párhuzamosan működik a tényleges üzemeltetéssel.
Sysmac Studio: integrált fejlesztési környezet
A Sysmac Studio, az OMRON szimulációs eszköze fejlett eszközöket biztosít a mérnökök számára a PLC-k, mozgásvezérlők, képalkotó rendszerek és egyéb automatizálási eszközök programozásához, szimulációjához és felügyeletéhez. Az ipari automatizálás más megoldásain túl három fő előnyt kínál:
1. Biztonsági logika
A biztonság a gyártervezés egy olyan szempontja, amelyet a szimulációszolgáltatók gyakran nem vesznek figyelembe. Túl gyakran fordul elő, hogy a vállalatok a virtuális tesztelés során egy rendszer vagy folyamat teljesítményére összpontosítanak, és csak sokkal később fedeznek fel olyan biztonsággal kapcsolatos problémákat, amelyek miatt a tesztelés későbbi szakaszában újratervezésre van szükség. Az OMRON egyedülálló abban, hogy 3D-s szimulációs platformjába biztonsági logika is beépül, így a gyártók átfogó biztonsági teszteknek vethetik alá az olyan funkciókat, mint a vészleállítás, a biztonsági fényfüggönyök és az érzékelők, valamint optimális stratégiákat dolgozhatnak ki például a gépvédő ajtók elhelyezésére és programozására.
2. Virtuális hibakeresés
Az automatizálási rendszertervezés hibáinak kiszűrése virtuális környezetben egy olyan megoldás, amelyet csak kevés szimulációszolgáltató tud nyújtani. Az OMRON a valósághű megjelenítést és a szimulációt ötvözve egy 3D-s hibakeresési alkalmazást fejlesztett ki a hibák azonosítására – a felhasználók virtuálisan csatlakoztathatják érzékelőiket, és kiszűrhetik egy gép vagy gyártósor hibáit.
3. Funkcióblokk-könyvtár
Az OMRON kifejlesztett egy PLC-funkcióblokkokból álló könyvtárat, amelyet egyaránt lehet használni a szimulációs környezetben és a való világban is. Ezek a szoftverelemek olyan fájlok, amelyek rátölthetőek egy vezérlőrendszerre, hogy a PLC-t ellássák az adott alkalmazás végrehajtásához szükséges összes funkcióval, ezáltal felgyorsítva a tervezési folyamatot. Az OMRON széleskörű tapasztalatára támaszkodva ezek olyan területeket fednek le, mint a hegesztés, a tekercselés, a letekercselés, a présszerszámok, a robotika, a mozgás, a minőség-ellenőrzés és még sok más. A funkcióblokkok a virtuális környezetben is használhatók, így sokkal részletesebb és a valósághoz sokkal közelebb álló szimulációk készíthetők.
A virtuális szimuláció valódi előnyei
A szimuláció a digitális gyár egyik alappillére. Nagyon sokféleképpen hozhat valódi előnyöket, kezdve a hibamód- és hatáselemzés megkönnyítésétől – amelyek a szervizstratégiák megalapozására használhatók – a teljesítmény optimalizálását szolgáló párhuzamosítás lehetővé tételén át a piacra jutási idő felgyorsításáig, azáltal, hogy a tervezési és kivitelezési ciklusok ideje akár 25%-kal vagy még többel is lerövidíthető.
Az autóiparban, ahol a termékéletciklusok egyre rövidülnek, az innovációs ciklusok pedig egyre inkább felgyorsulnak, a szimuláció biztosítja a versenyképesség megőrzéséhez szükséges agilitást. Például egy elektromosgépjármű-akkumulátor gyártósorának virtuális leképezése lehetővé teszi a gyártók számára, hogy teszteljék a munkafolyamatokat, optimalizálják az anyagkezelést és azonosítsák a lehetséges szűk keresztmetszeteket, mielőtt beruháznának a berendezésekbe.
A kozmetikai iparban, ahol a terméktervezés során figyelembe kell venni a szezonális trendeket, a regionális preferenciákat és az összetevők elérhetőségét, a gyártók a szimulációs eszközökkel különböző formulákat és gyártási konfigurációkat tesztelhetnek, mielőtt fizikai vizsgálatokat végeznének.
A partnerkapcsolatok révén az OMRON új értéket kínál a gyártóknak, akik a fejlett szimulációs megközelítéseket szeretnék felfedezni. Az informatikai szakértelem és az OMRON ipari automatizálási eljárásainak ötvözésével ezek az együttműködések lehetővé teszik a valós idejű adatok nyílt és gyors cseréjét az IT-rendszerek és az OT-műveletek között, ezzel platformot biztosítva a szimulációs megoldások fejlődéséhez.
További részletekért lépjen velünk kapcsolatba!