Skaitmeninė gamykla: virtualus paleidimas – gamybos revoliucija

Gamybos kraštovaizdis patiria didelius pokyčius, kuriuos skatina technologijų pažanga ir didėjantis efektyvumo, lankstumo ir greičio poreikis. Šios evoliucijos pagrindas yra skaitmeninės gamyklos koncepcija – virtualus realaus pasaulio gamybos aplinkos atvaizdavimas. Šioje skaitmeninėje srityje virtualus paleidimas (VC) atlieka lemiamą vaidmenį, siūlydamas galingą įrankių ir metodų rinkinį procesams optimizuoti, sąnaudoms sumažinti ir pateikimo į rinką laikui pagreitinti. Šis išsamus vadovas nagrinėja virtualaus paleidimo sudėtingumą, jo privalumus, iššūkius ir poveikį pasaulinei gamybai.

Kas yra virtualus paleidimas?

Virtualus paleidimas yra automatizavimo programinės įrangos, įskaitant PLC programas, robotų programas ir HMI sąsajas, testavimo ir patvirtinimo procesas virtualioje aplinkoje prieš diegiant ją į fizinę gamybos sistemą. Tai apima skaitmeninio dvynio sukūrimą – labai tikslų realaus pasaulio gamybos sistemos imitavimą, įskaitant mechaninius komponentus, elektros sistemas ir valdymo logiką.

Užuot testavus tiesiogiai su fizine įranga, kuri gali užimti daug laiko, kainuoti ir būti pavojinga, virtualus paleidimas leidžia inžinieriams imituoti visą gamybos procesą virtualioje aplinkoje. Tai leidžia jiems nustatyti ir išspręsti galimas problemas anksti plėtros cikle, sumažinant riziką ir pagerinant bendrą sistemos našumą.

Pagrindiniai virtualaus paleidimo komponentai:

• Skaitmeninis dvynys: Tikslus skaitmeninis fizinės gamybos sistemos atvaizdas, įskaitant mechaninius komponentus, jutiklius, pavaras ir valdymo sistemas.
• Imitavimo programinė įranga: Programinės įrangos įrankiai, kurie imituoja fizinės sistemos elgseną, leidžiantys inžinieriams išbandyti ir patvirtinti valdymo logiką realioje aplinkoje. Pavyzdžiai: Siemens PLCSIM Advanced, Emulate3D, Process Simulate ir ISG-virtuos.
• PLC/Robotų valdikliai: Programuojamųjų loginių valdiklių (PLC) ir robotų valdiklių, valdančių fizinę sistemą, virtualūs atvaizdai.
• Ryšio sąsajos: Virtualios sąsajos, kurios leidžia bendrauti tarp imitavimo programinės įrangos ir virtualių valdiklių, imituojant ryšio protokolus, naudojamus realaus pasaulio sistemoje (pvz., OPC UA, Profinet).

Virtualaus paleidimo privalumai

Virtualus paleidimas siūlo platų privalumų spektrą gamintojams įvairiose pramonės šakose. Šie privalumai gali būti suskirstyti į sąnaudų taupymą, laiko mažinimą, geresnę kokybę ir didesnį saugumą.

Sąnaudų taupymas:

• Sumažintas prastovų laikas: Nustačius ir išsprendus galimas problemas anksti plėtros cikle, virtualus paleidimas sumažina prastovų laiką faktinio paleidimo fazėje. Tai gali reikšti didelį sąnaudų taupymą, ypač tose pramonės šakose, kur prastovos yra itin brangios.
• Mažesnės kelionės išlaidos: VC palengvina nuotolinį bendradarbiavimą ir testavimą. Ekspertai iš skirtingų geografinių vietų gali bendradarbiauti projekte, panaikinant arba sumažinant būtinybę keliauti į užsienį, o tai gali kainuoti.
• Sumažintos medžiagų atliekos: VC leidžia inžinieriams optimizuoti procesus ir nustatyti galimas problemas, kurios gali sukelti medžiagų atliekas faktinio gamybos etape.
• Sumažintas žalos rizika: Testavimas virtualioje aplinkoje panaikina brangios įrangos sugadinimo riziką paleidimo metu.

Laiko mažinimas:

• Greitesnis paleidimas: Virtualus paleidimas žymiai sumažina fizinio paleidimo laiką, nes anksti nustato ir išsprendžia problemas.
• Trumpesni plėtros ciklai: Virtualus paleidimas, įgalinantis lygiagretų aparatūros ir programinės įrangos kūrimą, sutrumpina bendrus plėtros ciklus.
• Greitesnis pateikimas į rinką: Greitesnio paleidimo ir trumpesnių plėtros ciklų derinys lemia greitesnį naujų produktų pateikimą į rinką.

Geresnė kokybė:

• Optimizuotas našumas: Virtualus paleidimas leidžia inžinieriams optimizuoti gamybos sistemos našumą dar iki jos sukūrimo, o tai lemia didesnį pralaidumą ir geresnę kokybę.
• Klaidų mažinimas: Kruopščiai išbandžius ir patvirtinus valdymo logiką virtualioje aplinkoje, virtualus paleidimas sumažina klaidų ir gedimų riziką faktinio gamybos etape.
• Ankstyvas problemų aptikimas: Virtualus paleidimas leidžia anksti aptikti dizaino trūkumus arba valdymo logikos klaidas. Šis ankstyvas aptikimas sumažina perkrovimo sąnaudas ir neleidžia patirti brangių vėlavimų įdiegimo metu.

Padidintas saugumas:

• Saugi testavimo aplinka: Virtualus paleidimas suteikia saugią aplinką galimai pavojingų scenarijų, pvz., avarinio sustabdymo ar robotų susidūrimų, testavimui.
• Rizikos mažinimas: Nustatant ir sprendžiant galimus saugos pavojus virtualioje aplinkoje, virtualus paleidimas padeda sumažinti riziką realaus pasaulio gamybos sistemoje.
• Patobulintas operatorių mokymas: Operatoriai gali būti apmokyti virtualioje sistemoje dar iki fizinės sistemos sukūrimo, pagerinant jų įgūdžius ir sumažinant nelaimingų atsitikimų riziką.

Virtualaus paleidimo taikymas

Virtualus paleidimas taikomas įvairiose pramonės šakose ir programose, įskaitant:

• Automobilių pramonė: Automobilių gamintojai naudoja virtualų paleidimą savo surinkimo linijoms optimizuoti, robotų programavimui pagerinti ir prastovų laikui sumažinti. Pavyzdžiui, „Volkswagen“ plačiai naudoja virtualų paleidimą savo gamybos procesams optimizuoti savo pasaulinėse gamyklose.
• Aerospace: Aerospace gamintojai naudoja virtualų paleidimą sudėtingiems gamybos procesams, tokiems kaip orlaivių surinkimas ir variklių gamyba, imituoti ir patvirtinti.
• Maistas ir gėrimai: Maisto ir gėrimų įmonės naudoja virtualų paleidimą savo pakavimo linijoms optimizuoti, produktų tvarkymui pagerinti ir maisto saugai užtikrinti. Pavyzdžiui, pasaulinė butelių pildymo įmonė patvirtina naują pakavimo liniją prieš ją įdiegiant.
• Farmacija: Farmacijos įmonės naudoja virtualų paleidimą sudėtingiems farmacijos gamybos procesams imituoti ir patvirtinti, užtikrinant atitiktį griežtiems reguliavimo reikalavimams.
• Logistika ir sandėliavimas: Įmonės naudoja virtualų paleidimą automatizuotoms sandėlių sistemoms, įskaitant automatizuotas valdomas transporto priemones (AGV) ir robotizuotas surinkimo sistemas, kurti ir optimizuoti. „Amazon“ naudoja modeliavimo technologijas savo pasaulinių sandėlių operacijoms optimizuoti.
• Energija: Virtualus paleidimas gali būti naudojamas sudėtingų energijos gamybos ir paskirstymo sistemų, įskaitant elektrines ir atsinaujinančios energijos įrenginius, automatizavimui imituoti ir optimizuoti.

Virtualaus paleidimo įgyvendinimo iššūkiai

Nors virtualus paleidimas siūlo daug naudos, sėkmingas jo įgyvendinimas gali kelti kelis iššūkius:

• Didelės pradinės investicijos: Virtualaus paleidimo įdiegimas reikalauja pradinių investicijų į programinę įrangą, aparatūrą ir mokymus.
• Reikalingos žinios: Virtualiam paleidimui reikia specialių žinių apie modeliavimo programinę įrangą, PLC programavimą ir mechatroniką.
• Duomenų valdymas: Norint išlaikyti tikslų ir naujausią skaitmeninį dvynį, reikia patikimų duomenų valdymo procesų.
• Integracijos sudėtingumas: Virtualaus paleidimo įrankių integravimas su esamais inžineriniais darbo srautais gali būti sudėtingas.
• Modelio tikslumas: Sukurti skaitmeninį dvynį, kurio pakaktų tiksliai atvaizduoti realaus pasaulio sistemą, gali būti sudėtinga. Modelyje turėtų būti atsižvelgiama į visus atitinkamus kintamuosius ir sąveikas sistemoje.

Geriausia virtualaus paleidimo praktika

Norint įveikti šiuos iššūkius ir maksimaliai padidinti virtualaus paleidimo naudą, svarbu laikytis geriausios praktikos:

• Pradėkite nuo mažo: Pradėkite nuo bandomojo projekto, kad įgytumėte patirties ir pademonstruotumėte virtualaus paleidimo vertę.
• Apibrėžkite aiškius tikslus: Aiškiai apibrėžkite virtualaus paleidimo projekto tikslus ir rodiklius, kurie bus naudojami sėkmei įvertinti.
• Suburkite stiprią komandą: Suburkite komandą su reikiamomis žiniomis apie modeliavimo programinę įrangą, PLC programavimą ir mechatroniką.
• Pasirinkite tinkamus įrankius: Pasirinkite tinkamą modeliavimo programinę įrangą ir aparatūrą konkrečiam taikymui.
• Sukurkite išsamų modeliavimo modelį: Sukurkite išsamų ir tikslų gamybos sistemos modeliavimo modelį.
• Patvirtinkite modeliavimo modelį: Patvirtinkite modeliavimo modelį, palygindami jo elgseną su realaus pasaulio sistemos elgsena.
• Integruokite su esamais darbo srautais: Integruokite virtualaus paleidimo įrankius su esamais inžineriniais darbo srautais, kad supaprastintumėte kūrimo procesą.
• Nuolatinis tobulėjimas: Nuolat tobulinkite virtualaus paleidimo procesą remdamiesi gautomis pamokomis.

Virtualaus paleidimo ateitis

Virtualaus paleidimo ateitis šviesi, nes kelios naujos tendencijos yra pasirengusios dar labiau padidinti jo galimybes ir išplėsti jo taikymo sritį:

• Didelis dirbtinio intelekto (AI) naudojimas: AI ir mašininio mokymosi algoritmai naudojami modeliavimo modelių kūrimui automatizuoti, valdymo logikai optimizuoti ir sistemos našumui prognozuoti.
• Integracija su debesų kompiuterija: Debesų kompiuterija leidžia pasiekti galingus modeliavimo išteklius ir palengvina bendradarbiavimą tarp geografiškai išsibarsčiusių komandų.
• Papildytos realybės (AR) ir virtualios realybės (VR): AR ir VR technologijos naudojamos modeliavimo rezultatams vizualizuoti ir interaktyviai bendrauti su virtualiomis sistemomis.
• Skaitmeninis sriegis: VC taps vis labiau integruotas su skaitmeniniu sriegiu. Skaitmeninis sriegis leidžia sklandžiai perduoti duomenis ir atsekamumą per visą produkto gyvavimo ciklą – nuo projektavimo ir inžinerijos iki gamybos ir aptarnavimo.
• Standartizacija: Didėjantis standartizavimas pagerins VC įrankių sąveikumą ir sumažins įgyvendinimo sudėtingumą.

Virtualus paleidimas ir pramonė 4.0

Virtualus paleidimas yra pagrindinis pramonės 4.0, ketvirtosios pramonės revoliucijos, kuriai būdingas skaitmeninių technologijų integravimas į gamybos procesus, įgalintojas. Leidžiant sukurti skaitmeninius dvynius, virtualus paleidimas palengvina duomenimis pagrįstą sprendimų priėmimą, prognozuojamąją priežiūrą ir adaptuojančią gamybą.

Galimybė imituoti ir optimizuoti gamybos procesus virtualioje aplinkoje leidžia gamintojams greitai reaguoti į kintančius rinkos poreikius, pagerinti efektyvumą ir sumažinti sąnaudas. Todėl virtualus paleidimas yra esminis įrankis įmonėms, siekiančioms įgyvendinti pramonės 4.0 principus ir išlikti konkurencingomis pasaulinėje rinkoje.

Atvejų tyrimai: pasauliniai virtualaus paleidimo sėkmės pavyzdžiai

Atvejo analizė 1: Automobilių gamintojas – Surinkimo linijos našumo optimizavimas

Pasaulinis automobilių gamintojas panaudojo virtualų paleidimą savo naujos surinkimo linijos našumui optimizuoti. Sukūręs detalų surinkimo linijos skaitmeninį dvynį, inžinieriai galėjo imituoti visą gamybos procesą ir nustatyti galimus kliūtis. Per virtualius modeliavimus jie galėjo optimizuoti robotų kelius, patobulinti PLC logiką ir pagerinti medžiagų srautą, todėl pralaidumas padidėjo 15% ir prastovų laikas sumažėjo 10% fizinio paleidimo etape. Tai taip pat leido greičiau pateikti į rinką naujus transporto priemonių modelius.

Atvejo analizė 2: Maisto ir gėrimų įmonė – Pakavimo linijos efektyvumo didinimas

Pirmaujanti maisto ir gėrimų įmonė naudojo virtualų paleidimą savo pakavimo linijos efektyvumui didinti. Skaitmeninis dvynys leido jiems imituoti įvairius pakavimo scenarijus ir optimizuoti konvejerių juostų ir robotų rankų laiką. Modeliavimas taip pat atskleidė dizaino trūkumus valdymo sistemoje, kurie buvo ištaisyti prieš fizinį įgyvendinimą. Tai lėmė 20% padidėjęs pakavimo greitis ir reikšmingas produktų atliekų sumažėjimas. VC naudojimas neleido atlikti brangių perdirbimų ir atidėti produktų pristatymų.

Atvejo analizė 3: Farmacijos įmonė – Atitikties reguliavimo reikalavimams užtikrinimas

Daugiašalė farmacijos įmonė naudojo virtualų paleidimą, kad užtikrintų atitiktį griežtiems reguliavimo reikalavimams savo naujam gamybos padaliniui. Skaitmeninis dvynys palengvino viso gamybos proceso patikrą, užtikrinant, kad būtų laikomasi visų saugos ir kokybės standartų. Per virtualius modeliavimus jie nustatė ir ištaisė galimus užteršimo pavojus ir patvirtino valymo procedūras, taip garantuodami atitiktį reguliavimo reikalavimams ir išvengdami brangių atšaukimų. Tai paspartino reguliavimo patvirtinimo procesą ir pateikimo į rinką laiką.

Išvada

Virtualus paleidimas yra galingas įrankis, keičiantis gamybos pramonę. Leidžiant sukurti skaitmeninius dvynius ir suteikiant saugią ir efektyvią aplinką automatizavimo programinei įrangai išbandyti ir patvirtinti, virtualus paleidimas padeda gamintojams sumažinti sąnaudas, sutrumpinti plėtros ciklus, pagerinti kokybę ir padidinti saugumą. Technologijoms toliau tobulėjant, virtualus paleidimas atliks vis svarbesnį vaidmenį skaitmeninėje gamykloje, leisdamas gamintojams įgyvendinti pramonės 4.0 principus ir išlikti konkurencingiems pasaulinėje rinkoje. Investavimas į virtualų paleidimą gali suteikti didelę investicijų grąžą įvairių dydžių įmonėms.