Simulace: od konceptu po virtuální dvojče
Zveřejněno Průmysl 4.0 v 04. Červen 2025
Simulace: od konceptu po virtuální dvojče
Jak mohou výrobci využít sílu simulace, aby se jim návrh v reálném světě povedl hned napoprvé? Koncepce využití simulace pro návrh továrny existuje již řadu let, dokonce vznikla ještě před nástupem počítačů. Prvními příklady simulace byly fyzické modely, které umožňovaly inženýrům testovat procesy a návrhy v malém měřítku před jejich rozšířením. Ačkoli stejné základní principy stále platí, v dnešní době se simulace odehrává ve virtuálním prostředí. To poskytuje mnohem větší kapacitu pro vytváření komplexních procesů pro testování vlivu proměnných na výsledky. K dosažení této úrovně flexibility a sofistikovanosti přispěly technologie založené na umělé inteligenci.Simulace bez hranic
Další hranicí v oblasti simulace je posun k celostnějšímu přístupu. Ve výrobě se stalo samozřejmostí provádět simulace robotů a PLC – továrny se zřídkakdy staví, aniž by automatizace a řízení byly nejprve otestovány ve virtuálním prostředí. S nástupem technologií inteligentních továren se však začínají projevovat omezení simulace izolovaných strojů nebo procesů.
Konvergence IT/OT – integrace systémů pro správu dat (IT) s průmyslovými provozními systémy (OT) – přináší nové výzvy pro simulaci. Simulační platformy pro jednotlivé systémy nepočítají s propojením, o které továrny usilují, pokud jde o sběr, sdílení, analýzu a využití dat. S ohledem na tuto skutečnost hledají různá výrobní odvětví – například automobilový, farmaceutický a kosmetický průmysl – simulační řešení, která by dokázala replikovat celé továrny.
A nemusí to nutně skončit jen u toho. Provoz a řízení dodavatelského řetězce se stávají stále více vzájemně závislými a digitalizovanými a simulační modely budou muset zohledňovat faktory přesahující hranice továrních zdí. Je třeba vzít v úvahu například variabilitu vstupních materiálů a narušení dodavatelského řetězce.
Roste také potřeba simulačních nástrojů, které by zkoumaly synergie mezi různými závody, řešily, jak si může více závodů vyměňovat data, a studovaly a porovnávaly výkonnost různých továren. Kromě toho, protože mnoho výrobců přechází na model DAMA (z anglického „Design Anywhere, Manufacture Anywhere“ tj. navrhnout kdekoli, vyrobit kdekoli), potřebují simulaci, aby zjistili, jak lze dosáhnout konzistentních výstupů v různých lokalitách s proměnlivými vstupy.
Simulační strategie
Existuje pět simulačních nástrojů, které hrají cennou roli při navrhování digitalizované továrny: zapojení modelu (Model-in-the-Loop, MiL), zapojení softwaru (Software-in-the-Loop, SiL) a zapojení hardwaru (Hardware-in-the-Loop, HiL) pro ověřování konceptů, digitální dvojčata pro napodobování reálných procesů a optimalizaci scénářů a virtuální dvojčata pro průběžné sledování a zlepšování živých továren.
1. Model ve smyčce (MIL)
MiL se používá v raných fázích vývoje. Simuluje systém spolu s modelem jeho prostředí k testování algoritmů předtím, než se přejde k nástrojům SiL a HiL. V této fázi lze generovat velkou část řídicího softwaru. Automatizované generování kódu zkracuje dobu vývoje a minimalizuje lidské chyby.
2. Software ve smyčce (SiL)
SiL testuje automatizační software stojící za továrním návrhem – od vestavěného softwaru až po algoritmy a řídicí smyčky. Spouští software na virtuální platformě, což umožňuje ověřování bez fyzického hardwaru. Toto včasné testování pomáhá zachytit chyby, jejichž oprava by mohla být později nákladná.
3. Hardware ve smyčce (HiL)
Poté přichází na řadu hardware. Začíná se s PLC nebo řídicí jednotkou pohybu, na které běží virtuální stroj. Postupně se přidávají hardwarové komponenty, jako jsou motory, senzory a systémy vidění, čímž vzniká hybridní prostředí. Nástroj HiL je populární v automobilovém průmyslu, zejména pro testování pokročilých asistenčních systémů řidiče (ADAS).
4. Digitální dvojčata
Digitální dvojče je virtuální replika produktu, procesu nebo systému. Zrcadlí chování v reálném světě pomocí 3D CAD modelu propojeného s živými daty. Například digitální dvojče robota umožňuje výrobcům testovat užitečné zatížení, pracovní postupy a další proměnné, což podporuje lepší rozhodování.
5. Virtuální dvojčata
Digitální dvojčata se mohou vyvinout ve virtuální dvojčata, která simulují pokročilé způsoby chování. Neexistuje jasná hranice, ale obvykle se digitální dvojče stane virtuálním, když je připojen hardware a začne si vyměňovat data v reálném čase s provozní továrnou. V tomto okamžiku pracuje nepřetržitě paralelně se skutečným provozem.
Sysmac Studio: integrované vývojové prostředí
Sysmac Studio, simulační nástroj společnosti OMRON, poskytuje inženýrům pokročilé nástroje pro programování, simulaci a monitorování PLC, regulátorů pohybu, systémů vidění a dalších automatizačních zařízení. Nabízí tři klíčové výhody nad rámec jiných řešení průmyslové automatizace:
1. Bezpečnostní logika
Bezpečnost je aspekt návrhu továren, který poskytovatelé simulací často přehlížejí. Příliš často se společnosti při virtuálním testování zaměřují na výkonnostní aspekty systému nebo procesu, jen aby v mnohem pozdější fázi objevily bezpečnostní problémy, které vyžadují redesign. Společnost OMRON je jedinečná v tom, že její 3D simulační platforma zahrnuje bezpečnostní logiku, která umožňuje výrobcům provádět komplexní bezpečnostní testování funkcí, jako jsou nouzové zastavení, bezpečnostní světelné závěsy a senzory, a vypracovat optimální strategie pro umístění a programování ochranných dveří strojů.
2. Virtuální ladění
Možnost ladění návrhu automatizačního systému ve virtuálním prostředí je aplikace, kterou může nabídnout jen málo poskytovatelů simulací. Společnost OMRON propojila vysoce věrné vykreslování a simulaci, aby vytvořila 3D ladicí aplikaci pro identifikaci poruch – uživatelé mohou virtuálně připojit své senzory a ladit stroj nebo linku.
3. Knihovna funkčních bloků
Společnost OMRON vyvinula knihovnu funkčních bloků PLC, které lze používat v simulačním prostředí i v reálném světě. Tyto softwarové komponenty jsou soubory, které lze nahrát do řídicího systému a poskytnout tak PLC všechny funkce, které potřebuje pro danou aplikaci, a tím urychlit proces návrhu. Vycházejí z rozsáhlých zkušeností společnosti OMRON a pokrývají oblasti, jako je svařování, navíjení, odvíjení, lisovací nástroje, robotika, pohyb, kontrola a další. Funkční bloky jsou k dispozici také pro použití ve virtuálním prostředí, což umožňuje vytvářet simulace, které jsou mnohem podrobnější a mnohem bližší realitě.
Skutečné výhody virtuální simulace
Simulace je základním kamenem digitální továrny. Existuje mnoho způsobů, jak může přinést skutečné výhody, od usnadnění analýzy způsobů a následků poruch, která může být podkladem pro servisní strategie, přes umožnění paralelizace pro optimalizaci výkonu až po zrychlení doby uvedení na trh zkrácením plánovacích a konstrukčních cyklů až o 25 % a více.
V automobilovém průmyslu, kde se životní cykly výrobků zkracují a inovační cykly zrychlují, poskytuje simulace agilitu potřebnou k udržení konkurenceschopnosti. Například virtuální dvojče výrobní linky na baterie pro elektromobily umožní výrobcům testovat pracovní postupy, optimalizovat manipulaci s materiálem a identifikovat potenciální úzká místa před investicí do zařízení.
V kosmetickém průmyslu, kde je při navrhování produktů třeba zohlednit sezónní trendy, regionální preference a dostupnost ingrediencí, mohou simulační nástroje otestovat různé receptury a výrobní nastavení ještě před zahájením fyzických zkoušek.
Prostřednictvím partnerství přináší společnost OMRON nové hodnotové nabídky výrobcům, kteří chtějí prozkoumat pokročilé simulační přístupy. Kombinací odborných znalostí v oblasti IT a znalostí společnosti OMRON v oblasti průmyslové automatizace umožňuje tato spolupráce otevřenou a rychlou výměnu dat v reálném čase mezi IT systémy a provozními systémy a poskytuje platformy pro rozvoj simulačních řešení.
Kontaktujte nás pro více informací