По всему миру, во всех отраслях, наблюдается тенденция к сокращению количества затраченного времени от появления концепции до выпуска готового продукта на рынок. В процессе конкурентной борьбы ключевым фактором в вопросе - будет ли продукт успешным или нет, зачастую зависит от времени, которое потребуется для разработки программного и аппаратного обеспечения машины. И чем быстрее и качественнее будет разработка, тем лучше. Цифровые близнецы играют ключевую роль в быстрой разработке и тестировании аппаратной и программной части машины.
Единственный способ достигнуть максимально плотного графика разработки машины - это высокая эффективность самих процессов разработки. Любые ошибки должны быть исключены еще задолго до первого старта машины. Даже прототип новой машины должен сразу работать безотказно. "Добиться столь высоких целей поможет моделирование - метод, который прекрасно зарекомендовал себя во множестве дисциплин." - отмечает Курт Цэеляйтнер, ответственный за симуляцию и модельно-ориентированное проектирование в B&R. Цифровой близнец помогает проанализировать характеристики продукта еще до того, как будет изготовлена хотя бы одна его деталь.
Такой метод проектирования является обычной практикой при разработке механотронных систем и используется в автомобильной и авиационной промышленности. Сначала моделируется механическая система на компьютере, затем она тестируется в виртуальной среде. Эта модель разработки не развита в других областях производства. В значительной степени это связано с заблуждением, что модельно-ориентированное проектирование является трудоемкой задачей, и требует знаний высшей математики от разработчика, при этом симуляционная модель все равно будет грешить ошибками. "Возможно, это имело место на ранних этапах, но на сегодняшний день - создание симуляционной модели стало простым и быстрым." - констатирует Цэетляйтнер.
Цифровой близнец ускоряет ввод в эксплуатацию
Современные инструменты для моделирования позволяют легко создавать цифровых близнецов. Можно не только упростить и ускорить разработку программного и аппаратного обеспечения, но и произвести виртуальный ввод в эксплуатацию. Симулирование физического поведения машины в реальном времени поможет обнаружить все узкие места и возможности для оптимизации на самых ранних стадия разработки. "Благодаря беспрепятственному взаимодействию инструментов разработки моделирование обеспечивает высокую степень гибкости и эффективное управление ресурсами. Это способствует оптимальному использованию ресурсов разработки и помогает сократить время ввода в эксплуатацию до 80%." - констатирует Цэетляйтнер.
Наличие цифрового близнеца даёт неоспоримое преимущество в среде разработки Automation Studio. У разработчиков есть возможность запустить виртуальную модель на своём ПК и подключиться к системе управления, чтобы провести тестирование аппаратного и программного обеспечения в виртуальной среде. Разработку, верификацию и тестирование прикладного ПО можно провести заранее точно также, как испытания требований к эффективности системы автоматизации.
Чтобы создать цифрового близнеца, разработчик импортирует данные САПР для машины в инструмент для моделирования, например, MapleSim. Далее он может использовать основные характеристики из данных САПР, такие как масса и плотность, и по мере надобности добавлять к каждому механическому компоненту дополнительными свойствами, например, степени свободы или интерфейсы для управления.
Моделирование без уравнений
Такие инструменты, как MapleSim и industrialPhysics позволяют реализовывать самые сложные модели предельно просто. MapleSim предоставляет библиотеку элементов моделирования, например, библиотека масс, соединений, пружин и амортизаторов, которые делают процесс оптимизации и настройки модели интуитивным и простым. Система генерирует в фоном режиме все уравнения для модели. Специальное приложение от B&R позволяет автоматически экспортировать данные САПР в Automation Studio из MapleSim. Непосредственно в среде разработки пользователи могут протестировать программное обеспечение машины на цифровом близнеце, например, влияние ПО на нагрузку на двигатель, или скорректировать работу регулятора. Инструмент Scene Viewer от B&R использует данные САПР для визуализации движений в 3D. "В таких условиях тестирование и отладка программного обеспечения становится максимально удобной и простой для разработчика." -подмечает Цэетляйтнер.
Этот метод применим и к инструменту моделирования industrialPhysics. Инструмент имеет встроенный физический движок, что обеспечивает приблизительное моделирование физической системы с акцентом на производительность в реальном времени. "Таким образом современные системы симуляции могут моделировать всю машину и установку целиком. Вы можете проверить поведение машины в реальном времени или оценить нагрузку на систему на целевом оборудовании при тестировании в виртуальной среде.
Автоматическая генерация кода
На ряду с созданием цифрового близнеца автоматическая генерация кода играет не менее важную роль в разработке и реализации функций машины на целевой системе. Среди очевидных преимуществ автоматической генерации кода - это сокращение временных и финансовых затрат на программирование. Программное обеспечение MATLAB/Simulink идеально подходит для автоматического создания кода. Специалисты B&R разработали двусторонний интерфейс связи между MATLAB/Simulink и Automation Studio. С помощью Automation Studio Target for Simulink вся работа разработчика сводиться к нескольким кликам мыши. "Разработчики могут очень быстро перейти от создания модели в Simulink к запуску высококачественного программного кода на системе управления от B&R. "В том числе им доступны продвинутые возможности по диагностированию." - добавляет Цэетляйтнер. Automation Studio Target for Simulink позволяет добиться высокого качества продукции и при этом радикально повысить скорость разработки.
Открытые интерфейсы
При работе с инструментами моделирования, открытые стандарты и интерфейсы необходимы для свободного взаимодействия со сторонними системами. Возможность использовать уже имеющееся программное обеспечение существенно экономит время. Поэтому компания B&R предлагает открытость на всех уровнях и во всех своих продуктах. Благодаря независимому промышленному стандарту Functional Mock-up Interface (FMI), модель можно не только поменять, но и произвести кооперативную симуляцию при помощи различных инструментов разработки. В решениях B&R предоставляется механизм для импорта Functional Mock-up Units (FMU) в соответствии со стандартом FMI 2.0. "FMU бесшовно интегрированно в Automation Studio в качестве функциональных блоков." - объясняет Цэетляйтнер.
Инструменты моделирования можно использовать для тестирования моделей во всех определенных сценариях и выполнении комплексного виртуального ввода в эксплуатацию. Испытания, проводимые в процессе виртуального ввода в эксплуатацию обхватывают все стороны производственного процесса от простых логических цепочек до сложных критически важных сценариев, тем самым гарантируется высокая эффективность работы и качество всего программно-аппаратного комплекса машины. Использование цифровых близнецов значительно сокращает время, требуемое для ввода в эксплуатацию машин и снижает риск появления ошибок.
Автор: Карола Шванкнер, штатный редактор компании B&R
Цифровые близнецы
"Цифровой близнец" - это детализированная, динамическая, виртуальная копия реальной физической машины. Трехмерные данные систем САПР используются для создания цифровой модели, к которой можно применить все свойства и функции разрабатываемой машины, включая используемые материалы и датчики, а также движения и динамические свойства физической машины. Это позволяет моделировать поведение машины в реальном времени, чтобы обнаружить все потенциальные ошибки и возможности для улучшений, при этом отсутствуют временные затраты и реальные риски, которые имеются при создании физического прототипа.
