創新與效率——建模仿真技術
文:文/貝加萊工業自動化(中國)有限公司2024年第二期
導語:創新從來都不是一種“突變”,它來自于長期的積累,且在這些基礎上不斷進行升級。建模仿真能夠讓創新 從概念到現實的過程加速,通過流程及內部參數優化,實現對機器物理極限和潛能的最大發揮。貝加萊的 Automation Studio本身就是一個控制系統的仿真環境,它可以針對硬件的邏輯、運動控制、HMI等進行仿真, 并可以支持軟件在環和硬件在環測試。
1 突破“內卷”,唯有創新
隨著競爭的加劇,產業里不斷提及的熱詞是“內卷”。而想突破“內卷”,唯有創新才能實現。熊彼特(Joseph Alois Schumpeter)說過:“創新,就是建立一種新的生產函數”,即“生產要素的重新組合”。這可以表現為采用新的材料建模仿真是基于模型的開發,針對機電工程領域而言,這已經被證明是一種高效的開發模式。埃隆.馬斯克經常提到 “第一性原理”——他實際上是在講創新要回到問題的原點,即,在物理意義上它是怎么樣的。在制造業里,裝備是關鍵,裝備包含了機械、電氣、工藝之間的復雜的關系,每個方向又細分出更多的問題,它們之間又存在著因果或相關關系。而如何“抽絲剝繭”建立這樣的基于因果的模型,并通過因果和相關分析,然后對其進行“測試驗證”,尋找最優的組合,這也就是機電工程開發的中心要旨。創新從來都不是一種“突變”,它來自于長期的積累,且在這些基礎上不斷進行升級,因此,必然需要工程的測試驗證,以及能夠將機器系列化。衡量創新的成功在于它實現需要嚴謹的過程,并能夠最終獲得商業意義的成功。
2 建模仿真為何被越來越重視?
建模仿真是基于模型的開發,針對機電工程領域而言,這已經被證明是一種高效的開發模式。埃隆.馬斯克經常提到 “第一性原理”——他實際上是在講創新要回到問題的原點,即,在物理意義上它是怎么樣的。在制造業里,裝備是關鍵,裝備包含了機械、電氣、工藝之間的復雜的關系,每個方向又細分出更多的問題,他們之間又存在因果或相關關系。而如何“抽絲剝繭”建立這樣的基于因果的模型,并通過因果和相關分析,然后對其進行“測試驗證”,尋找最優的組合——這也就是機電工程開發的中心要旨。創新從來都不是一種“突變”,它來自于長期的積累,在這些基礎上不斷進行升級,如圖1所示。其次,建模仿真之所以較于以往更為重要,還在于機器的變化越來越多,這是消費端的個性化需求拉動的。而在過去,對于較為單一產品的生產,經過一定量的批次驗證,很快可以進入批量化,在初期的物理測試與驗證的成本可以接受。但是,隨著這種材料、規格、速度等的變化,物理測試驗證已經不能再作為一種快速方法,因此,用模型來仿真就成為了必然的選擇。第三個要點在于從安全和測試視角,采用物理測試驗證也變得不那么可行。進一步挖掘機器的需求也是一個重要的原因,在現有的系統上,要繼續深挖潛能,必須在復雜的關系中尋找最優的路徑。而基于模型的方法,可以從成本最優、節拍最優、材料消耗最小等多個視角去對產線進行分析,以應對生產的各種場景需求。而知識產權保護、工藝Know-How封裝、知識復用更是建模仿真眾所周知的原因。
圖 1 建模仿真的快速發展原因
3 它被用于解決哪些問題?
建模仿真這類軟件可以被應用于機器開發的全流程。如圖2所示,它一般包括以下幾個方面:
? 系統選型:通過機電傳動對象的轉動慣量、慣量匹配等,可以為機械系統提供電氣傳動控制的精準選型;
? 早期驗證:對于機電傳動結構、參數、控制策略,都可以進行快速的驗證其可行性,以避免投料下的返工帶來的損失;
? 虛擬調試:在進行測試前,可以在實驗室進行虛擬調試,通過“硬件在環”的方式,這一功能早已在某些先進的PLC上得以實現;
? 協同仿真:是仿真技術的一個重要應用,它主要是為了獲得更為快速的機電對象融合;
? 數字化呈現:通過三維呈現、AR/VR功能來實現機電系統的運行仿真呈現,不僅可用于可視化的觀測、培訓,也可以延續到未來的在線維護等場景;
? 代碼生成:代碼自動生成可以降低開發算法的工程量,同時,對于研發來說,也可以針對復用的模塊進行開發,這同樣可以借助建模仿真技術。
4 貝加萊在建模仿真方面的能力
貝加萊的Automation Studio本身就是一個控制系統的仿真環境,它可以針對硬件的邏輯、運動控制、HMI等進行仿真,并可以支持軟件在環和硬件在環測試。同時,對于機電協同、產線流程也有與第三方建模仿真軟件的連接能力,如圖3所示。在Automation Studio中,通過FMU/FMI、OPC UA的方式,可以與第三方這些建模仿真軟件實現交互,從而進行機器的高效開發與設計。
(1)MATLAB/Simulink代碼自動生成
早在2008年,Mathworks推出Simulink PLC,可以實現自動代碼生成的時候,貝加萊的Automation Studio就開始支持,最初是C/C++,而貝加萊的PLC剛好就是支持高級語言編程,這使得它成為了非常好的一個平臺。
在能源領域,包括風力發電、燃氣輪機、其它機組控制場景里,采用建模仿真是常用的方法。在圖4中,我們可以看到,模型仿真可以對傳感器的電力采樣、風向、邏輯等進行采樣,同時,也可以針對并網同步、安全進行建模——進而對于整個機組的主控邏輯、功率控制、轉速控制、并網同步等均可實現仿真,并可以生成控制代碼,且下載到Automation Studio中進行編譯,還可以與其他程序形成調用,這樣就可以降低在編程方面的工作量。而這種封裝的代碼更具有程序安全性。
(2)MapleSim與Automation Studio的機器仿真
對于機器的機電協同仿真,MapleSoft的MapleSim則是另一個合作軟件,它更聚焦在機器的整個控制和機械的協同上。圖5是一個電動注塑機的傳動鏈設計過程。通過在MapleSim中的模型建立,將整個機械傳動機構(負載、機鉸、減速器、聯軸器、電機等)進行了建模,并將伺服驅動、位移測量、溫度、壓力和控制器的控制循環進行了建模,并針對電流環、速度環、位置環的控制進行了控制策略的建模。通過仿真,可尋找到整個電動注塑機的不同負載下的節拍、響應速度、三環參數等進行測試。
在這些仿真完成后可獲得最佳控制策略與參數,然后在MapleSim中將機器控制模型打包為FMU,導入到Automation Studio,與邏輯、溫控等構成整個的機器控制程序。除了將其用于電動注塑機的設計,MapleSim還可在液壓、卷繞控制等領域進行建模仿真。而這些則是在軟包裝印刷設備、塑料薄膜、電池隔膜、涂布、復合等機器中廣泛應用的模型。
(3)IndustrialPhysics側重于產線與流程
對于產線流程,通常其仿真主要針對包括避障、動畫方面的建模與仿真,可以采用IndustrailPhysics在系統里進行建模,并進行產線級的測試驗證,如圖6所示。在貝加萊的ACOPOStrak的應用中,IndustrailPhysics可以針對產線的軌道線機械、機器人、生產中的功能單元(裁切、收放卷等機構)進行整體的集成,并能夠對軌道、動子的排列變化下的速度、加速度、間距、負載重量等進行建模仿真,以評價整個產線的性能(UPH、節拍)是否能夠達到設計,并且在這個過程中對于機器本身的空間干涉進行判斷以規避潛在的碰撞風險。對于用戶,“早期驗證”的能力很關鍵——這是確保他們在采購系統前就已經能夠預測到他們的投資是可以被實現的。因為,“所見即所得”正是建模仿真能夠實現的。
5 總結
建模仿真能夠讓創新從概念到現實的過程加速,通過流程及內部參數優化,實現對機器物理極限和潛能的最大發揮。這一切,都有助于機器和產線制造商加速技術創新升級。
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