Aktuální vydání

celé číslo

05

2019

komunikace a software pro snímače a akční členy

tlakoměry

celé číslo

Využití digitálního dvojčete pro virtuální zprovoznění

Budoucností vývoje průmyslu je flexibilní výroba, jejíž nedílnou součástí je digitalizace výrobních procesů pomocí systémů pro simulaci výroby. Digitalizace v souvislosti s průmyslovou automatizací nachází uplatnění při projektování diskrétních výrobních systémů, při plánování výroby s využitím digitálního modelu nebo při virtuálním zprovozňování. Pojďme si přiblížit možnosti, které digitalizace nabízí. 

Projektování diskrétních výrobních systémů

V současnosti se projektování nových diskrétních výrobních systémů již neobejde bez pečlivého ověření stěžejních parametrů. Provozovatele zajímá výrobní kapacita (průměrná, maximální), vytížení zdrojů (stroje, skupiny strojů, mezioperační zásobníky, AGV, ale také obslužný personál), flexibilita výroby (produktový mix, receptury) a další.

Zkušení projektanti navrhnou úpravy (úprava dispozičního uspořádání, změna rychlosti aj.), poté ověří chování modelu a výsledky prezentují ve formě tabulek, grafů, ale především prostřednictvím 2D/3D animace.

Stejně tak lze ověřit i u stávajících výrobních systémů možnosti navýšení výrobní kapacity. Je možné si představit navýšení výrobní kapacity jen pomocí úpravy algoritmu řízení neboli softwaru, někdy stačí optimalizovat layout, upravit výrobní toky a urychlit tzv. úzká místa, někdy se musí přidat do systému nové zdroje. Často vede k cíli kombinace již uvedených možností, jako v konkrétním případě dokončovny výroby pneumatik, kde vznikl požadavek na navýšení produkce o 300 000 kusů. Bylo vytvořeno několik va­riant simulačního modelu, které testovaly různé alokace strojů, použití různých transportních řešení (obr. 1 vlevo), zapojení různého počtu výrobních zařízení, přeskupení pracovišť (obr. 1 vpravo), úpravu akumulačního množství a kapacity dopravníku apod. Z testovaných variant byla pro realizaci vybrána ta, která nejvíce vyhovovala z hlediska proveditelnosti a poměru nákladů a efektivity. 

Plánování výroby s využitím digitálního modelu

Plánování výroby s využitím digitálního modelu je vhodné především tam, kde vzniká mnoho událostí, které lze jen složitě matematicky popsat. Metodika využití simulace umožňuje popsat chování i velmi složitých procesů (vč. náhodnosti) a s jejím využitím lze výrobu rozplánovat s ohledem na všechna omezení výroby (kapacitní, technologické atd.) a na všechny podstatné vazby.

Digitální model diskrétního výrobního systému vytvořený v prostředí Siemens Tecnomatix Plant Simulation má vazbu na firemní informační systém „šitý na míru“; k dispozici jsou XML, SQL a další rozhraní. Lze jej pravidelně používat jako prostředek k plánování výroby. Na základě simulace definovaného výrobního mixu se rozvrhne výroba na konkrétní časové období: pomocí tzv. metod se stanovují kritéria, podle kterých je polotovar na rozhodovacích místech ve výrobním systému směrován. To znamená, že algoritmy řízení nejsou jen vybírány podle předdefinovaných voleb, ale že jsou tvořeny na míru. To dovoluje vytvořit zákaznicky orientované řešení. Například stroj A je univerzální a zvládne veškerý sortiment, stroj B umí jen rozměr od 2" do 6", stroj C zvládne rozměr od 4" do 10" a stroj D je už morálně zastaralý a slouží jen jako záloha, ale pro všechny stroje. Výstupem jsou výrobní plány (rozvrh výroby) pro jednotlivá pracoviště nebo pro danou zakázku. 

Virtuální zprovozňování se zaměřením na volbu algoritmu řízení

Proces zprovozňování instalovaného zařízení, které není sériově vyráběným produktem, sám s sebou nese spoustu nejistot. Míru nejistoty lze minimalizovat tím, že je vývojářům aplikačního softwaru umožněno vyzkoušet si chování zařízení nanečisto. A právě s pomocí digitálního modelu je možné simulovat různé varianty výroby a demonstrovat správný způsob práce a řešení poruchových stavů. Důvodů, proč propojit PLC úroveň řízení (Siemens TIA Portal) a digitální model (Siemens Tecnomatix Plant Simulation) s využitím simulátoru PLCSIM Advanced 2.0 bez nutnosti připojení k hardwaru, je několik:

  • Ověřit nanečisto na digitálním modelu chování projektovaného výrobního systému.
  • V rané fázi vývoje, před fyzickou realizací odladit algoritmy řízení pro PLC úroveň řízení.
  • Simulovat libovolnou situaci a kombinaci produktového mixu bez vzniku škod.
  • Nedostatky, chyby v návrhu se opraví včas.
  • Odpadá potřeba testovat algoritmy řízení na prototypech.
  • Urychluje se proces zaškolování obslužného personálu.

Cílem tohoto propojení je v době vypracovávání návrhu přeorganizovat řízení výroby tak, že vrstva MES bude zastupovat fyzické připojení PLC vrstvy k výrobnímu systému (obr. 2). Znamená to, že při přesunu MES do spodní vrstvy řízení bude poskytovat informace pro řízení PLC, a ne naopak.

Po dokončení vývoje bude vrstva vrácena zpátky na své místo a bude využita k plánování a optimalizaci výroby. Jestliže by spojení s řídicí aplikací zůstalo aktivní, mohla by vrst­va MES fungovat i jako systém HMI/SCADA na vyšší úrovni. Tímto návrhem je navíc zajištěna naprostá totožnost procesů průběhu celého procesu řízení. 

Využití digitálního dvojčete k tvorbě a verifikaci algoritmů pro řídicí systém PLC

Cílem propojení PLC a digitálního modelu (obr. 3) je navrhnout a ověřit algoritmy pomocí simulačního modelu. Propojení probíhá v několika krocích:

  • Založení projektu v TIA Portal v15 a povolení podpory simulace v průběhu kompilace.
  • Import programu do virtuálního PLC vytvořeného pomocí PLCSIM Advanced v2. 0.
  • Nastavení a import tagů v Technomatix Plant Simulation v14.
  • Tvorba řízení.

Po propojení se na digitálním modelu systému ověří a v PLC následně upraví:

  • Vizuální kontrola chování modelu, např. ZAP/VYP dopravníků ve správný okamžik.
  • Umístění senzorů, skenerů, zdali algoritmus stihne vyhodnotit informaci.
  • Zda vyhovuje hardwarová, softwarová akumulace na dopravnících.
  • Zda algoritmus vhodně řídí materiálový tok s ohledem na tvořící se fronty.
  • Optimální nastavení časovačů a čítačů.
  • Funkce Set/Reset (čítačů, povelů).
  • Chyby při tvorbě aplikačního softwaru.
  • Chybějící senzor; bez něj nelze garantovat spolehlivé fungování. 

Závěr

Počítačová simulace není jen často zmiňovaný pojem v rámci Industry 4.0, ale nachází své místo ve všech fázích existence výrobního systému a životního cyklu produktu. V rané etapě je to při vypracovávání návrhu ještě neexistujícího systému přes virtuální zprovoznění a úpravy dosavadního systému až po každodenní plánování výroby.

Nezáleží na tom, zda je simulovaný systém složitý dopravníkový, automatická svařovací linka, nebo vanová mořicí linka. Cíl je vždy stejný: ověření kapacitních požadavků při navrhování výroby, zorganizování výrobního procesu při plánování výroby a otestování řídicí logiky nanečisto, a přitom velmi reálně při virtuálním zprovoznění.

Využití digitálního dvojčete je efektivní metodika pro predikci chování systému, plánování výroby i tvorbu a verifikaci algoritmu pro řídicí systém PLC.

Simulaci lze využít nejen krátkodobě k řešení aktuálních výrobních nedostatků, ale také jako nástroj dlouhodobého zlepšování v podniku při procesu neustálého zlepšování. Pro další vývoj podniku je žádoucí rozšíření tradičních aplikačních oblastí simulace. 

Bc. Lukáš Sasín, Ing. Ivana Hromková, Ph.D.,

 Ing. Robert Hofman,

Taurid Ostrava, s. r. o.

Obr. 1. Změny a nastavení simulačního modelu redukující úzká místa

Obr. 2. Při navrhování systému je vytvořeno řízení PLC na základě vrstvy MES

Obr. 3. Propojení virtuálního modelu v prostředí Plant Simulation (vlevo) s řízením PLC v TIA Portal (vpravo)