машиностроение

Цифровые двойники: своевременное создание интеллектуальной продукции в рамках бюджета

Для того чтобы выдержать стремительный темп развития машиностроительной отрасли, компаниям необходимо балансировать между смелыми инновациями и умением выводить продукцию на рынок своевременно и в рамках бюджета. Как правило, недостатки новых разработок выявляются при вводе в эксплуатацию: физические прототипы оборудования проливают свет на допущенные при проектировании ошибки и просчеты. Ошибки проектирования, найденные во время запуска машин, часто воспринимаются как само собой разумеющееся: их считают неизбежными издержками развития бизнеса, ведь инновации — это ключ к будущему успеху.

Некоторые компании машиностроительной отрасли, напротив, вкладывают больше ресурсов в предпроектные работы, тем самым значительно сокращая число проблем, выявляемых на поздних стадиях разработки. В частности, этот метод давно зарекомендовал себя в аэрокосмической и автомобильной отраслях, а анализ нескольких стратегий проектирования показывает, что всего лишь 5–10%-ное увеличение затрат на предварительное проектирование сокращает дальнейший перерасход по смете на 50–100% [1].

 Во что именно следует вкладывать средства? Основная технология, набирающая обороты в машиностроении, — это использование цифрового двойника, т.е. виртуального представления (модели) конкретной физической системы (рис.). Цифровые двойники помогают отслеживать динамику всей системы в единой среде моделирования и собирать конкретную информацию о взаимодействии компонентов. Благодаря этой информации инженеры могут точно выявлять ошибки проектирования, что особенно важно в тех случаях, когда в продукции используются новые, еще не испытанные решения.

цифровой двойник для тестирования кода ПЛК

Рис. Чтобы ввод оборудования в эксплуатацию прошел без проблем, для тестирования кода ПЛК (слева) можно использовать цифровой двойник (справа); новая процедура уже включена в функционал известных систем автоматизации

Невозможно переоценить роль, которую играют цифровые двойники на начальной стадии разработки изделия: они предоставляют инженерам массу новых возможностей для проектирования. Поскольку цифровые двойники являются полномасштабными моделями систем и выдают результаты моделирования в считанные минуты, инженеры могут легко анализировать потенциальные проблемы и тестировать вероятные решения, просто изменяя проектные параметры и оценивая результаты. Так, например, если инженер подбирает двигатель для нового механизма быстрого отвода, цифровой двойник может предоставить исчерпывающую информацию о динамических нагрузках, действующих на двигатель, и тем самым снизить риск поломки компонента после поставки.

Помимо того, что цифровые двойники обеспечивают более безопасное и эффективное концептуальное проектирование, у этой технологии есть еще целый ряд преимуществ:

  • Виртуальный ввод в эксплуатацию:задолго до постройки первого прототипа инженеры могут спрогнозировать длительные и динамические нагрузки, которые будут действовать на приводные механизмы в течение всего срока службы. Для обеспечения нормальной работы оборудования можно либо испытать ПЛК на цифровом двойнике, используя известное ПО для автоматизации, либо протестировать код ПЛК непосредственно перед его загрузкой на оборудование, — в любом случае результатом станет точная настройка органов управления всей системы.
  • Онлайн-диагностика: запустив цифровой двойник параллельно с реальной машиной, можно получить ценную информацию о том, где именно могут возникнуть проблемы: ведь с течением времени реакция машины на воздействия начнет отклоняться от реакции модели.
  • Виртуальные датчики: поскольку динамическая реакция цифрового двойника строго определена законами физики, целесообразно использовать некоторые внутренние расчетные характеристики модели в качестве входных данных системы управления: либо с целью подмены неисправного датчика на время ремонта, либо для того, чтобы вообще исключить этот датчик из процесса.
  • Профилактическое обслуживание: с помощью цифрового двойника инженеры могут оценивать воздействие динамических нагрузок, вызванных изменениями нагрузки, на подшипники, шестерни и двигатели. Оценив поведение цифрового двойника в течение всего рабочего цикла, можно определить нагрузки, действующие на данные компоненты, а также влияние этих нагрузок на срок службы деталей.
  • Инструмент продаж: цифровой двойник может оказаться полезным не только для проектирования, но и для продаж, так как он позволяет оценить требования заказчика и получить точные индивидуальные данные для каждого заказа. Благодаря этой информации можно убедиться в работоспособности и производительности оборудования при различных нагрузках и условиях эксплуатации, не прибегая к помощи инженера.

Как и во всех отраслях с жесткой конкуренцией, машиностроители стремятся расширить свои возможности для создания современных безотказных машин. По мере того как новые изделия раздвигают границы накопленного опыта, а инженерных знаний и интуиции становится недостаточно, разработчики все больше нуждаются в новых инструментах для проектирования. Одним из таких инструментов являются цифровые двойники. Их начинают использовать все чаще, и в скором времени мы наверняка увидим новую продукцию для промышленной автоматизации, которая сделает невозможное возможным.

Материал предоставлен компанией Rockwell Automation.

Литература
  1. Forsberg K., Mooz H., Cotterman H. Visualizing Project Management. John Wiley & Sons. Hoboken, NJ. 2005.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *