Koncepcia digitálneho dvojčaťa pre spoločnosť Kroenert GmbH & Co. KG

S cieľom pokročiť vo vývoji simulačného modelu si všetci zúčastnení najprv spoločne sadli. Rýchlo sa ukázalo, že bežný postup s modelom zhora nadol a pevne definovanou špecifikáciou nepovedie k úspechu. Ak sa napríklad prehliadnu drobné detaily alebo sa musia zmeniť koncepcie systému, inžiniersky proces opakovane prechádza nákladnými iteráciami a vnárajú sa chyby, ktoré sa môžu objaviť až počas uvádzania do prevádzky. Vývojový tím sa preto rozhodol pre agilný vývoj a zložitý projekt rozdelil na mnoho malých čiastkových krokov s naplánovaným časom a definovanou funkciou. Výsledná transparentnosť sa využívala na preskúmanie celého projektu a jeho úpravu na základe nových zistení. Základom bol teda prísne modulárny, objektovo orientovaný vývoj spolupráce založený na generátoroch projektov a ovládačov.

Koronavírusová kríza, ktorá sa začala v marci 2020, si od vývojového tímu vyžiadala dodatočnú kreativitu. Vývoj a overovanie modulov prebiehali niekedy paralelne na troch miestach v celom Nemecku. Na tento účel bola testovacia zostava hardvéru v slučke zdvojená a verzie softvéru boli opakovane synchronizované prostredníctvom mechanizmov aktualizácie. Keďže ide o systémy, v ktorých je tok papiera, fólie alebo filmu prepojený, procesy sa museli modelovať a vyvíjať mimoriadne realisticky v simulačnom prostredí. Riadiace procesy sa totiž dajú overiť len vtedy, ak je celé strojové zariadenie modelované aj v simulácii v reálnom čase. Bolo však potrebné zohľadniť, že riadiaci cyklus systémov Kroenert súvisiaci s procesom je jedna milisekunda. To znamená, že každý krok simulácie sa musel uskutočniť v časovom rozpätí maximálne jednej milisekundy. Podľa princípu procesu Refa sa tento výkon dá dosiahnuť len vtedy, ak sa všetky ostatné moduly - a je ich tu až dvanásť - navzájom simulujú v cykle jednej milisekundy. Zároveň by malo byť možné parametrizovať simuláciu v reálnom čase, aby sa spravodlivo zohľadnila vysoká variabilita strojného zariadenia.

To postavilo odborníkov v HEITEC pred nové výzvy, pretože bolo potrebné vyvinúť model stroja, ktorý by sa dal parametrizovať v reálnom čase pre pohony, ako aj pre ostatné komponenty stroja a pre simuláciu procesu. To umožnilo upravovať parametre manuálne aj automaticky počas behu simulácie bez toho, aby sa simulácia musela zastaviť a znovu spustiť. Táto simulácia založená na riadiacich jednotkách v reálnom čase je najnovším vývojom spoločnosti HeiVM. Využíva overené mechatronické moduly a komunikačné moduly, ktoré boli testované počas reálneho uvedenia do prevádzky, a implementuje ich do špecializovaných regulátorov a emulácií regulátorov schopných pracovať v reálnom čase. To má dve výhody: Po prvé, moduly založené na vysokoúrovňových jazykoch majú rozhranie PLC, ktoré programátori PLC poznajú a môžu ho používať ako svoje známe pracovné a vývojové prostredie. Po druhé, HeiVM preberá architektúru regulátorov, ktorá uľahčuje výmenu signálov podľa princípu Refa. To však zároveň znamená, že model virtuálneho stroja hovorí rovnakým jazykom ako projekt riadenia.

Moderné riadiace jednotky sú v súčasnosti tak pokročilé vo svojom výpočtovom výkone, že vďaka svojim viacjadrovým a vláknovým schopnostiam dokážu nielen deterministicky opísať pohon, správanie a modely riadiacich jednotiek, ale môžu aj špecificky definovať simulačné úlohy podľa priority a času cyklu. To umožnilo spracovať kompletný model správania externe a odľahčiť tak simulačný nástroj v reálnom čase vhodný pre danú úlohu počas virtuálneho uvedenia do prevádzky. Okrem toho bol výkon regulátora stále dostatočný na to, aby bolo možné do simulácie integrovať komplexný tok materiálu. Celkovo to viedlo k rozhodujúcemu nárastu výkonu, vďaka čomu sme mohli vytvoriť simuláciu, ktorá spĺňala požiadavky spoločnosti Kroenert na výkon.

Výhody pre zákazníka

V našej spoločnej práci so spoločnosťou Kroenert sme mohli overiť realizovateľnosť a využitie digitálnych dvojčiat pre hĺbkové procesné úlohy, ktoré sú v spoločnosti Kroenert štandardom. Zdupľovaním testovacej zostavy hardvéru v slučke a synchronizáciou verzií softvéru prostredníctvom aktualizačného mechanizmu bolo možné súčasne testovať funkčnosť a výkon novovytvorených modulov v spoločnosti Kroenert, pričom tím HEITEC v Erlangene a v domovskej kancelárii zároveň postupne dopĺňal moduly a ďalej vyvíjal ďalšie moduly.

To znamenalo, že až traja vývojári úspešne pracovali na rôznych funkciách na rôznych miestach paralelne. Výsledkom bolo výrazné zvýšenie efektívnosti vývoja. Nová koncepcia úspechu, ktorá dozrela vďaka úzkej spolupráci, sa má teraz rozšíriť na celý modulárny strojový park. Moduly sa budú ďalej zdokonaľovať a nakoniec overovať. Cieľom je, aby sa novo vyvinutá metodika simulácie plne premietla do celého strojového parku v riadiacej jednotke v reálnom čase - na jednej simulačnej jednotke, bez použitia ďalšieho hardvéru.