In perfecte harmonie
‘Het geheel is meer dan de som der delen.’ Wat Aristoteles in het oude Griekenland wist, is meer dan ooit waar in het tijdperk van slimme fabrieken en Industrie 4.0. Een machine is immers veel meer dan alleen een stapel hardware- en softwarecomponenten. Alleen wanneer de delen in perfecte harmonie samenwerken, kan het geheel zijn ware potentieel bereiken. Het realiseren en behouden van die harmonie is waar simulatie het verschil kan maken.
Welke rol speelt simulatie bij het bouwen van fabrieken en machines? ‘Het antwoord is simpel’, vindt Isabella Laasch, productmanager simulatie bij B&R. ‘Het is een sleutel die de deur opent naar efficiëntie in elke fase van de levenscyclus van een machine.’
Naarmate machines steeds complexer worden, wordt het samenspel tussen hun mechanische, elektrische en automatiseringscomponenten steeds moeilijker te orkestreren. Tijdens de ontwikkeling, de inbedrijfstelling en het gebruik moet het gedrag van de machine worden getest en aangepast. Het kan kostbaar en tijdrovend zijn om dat te doen op een fysiek systeem, en het is in veel gevallen zelfs gewoon onmogelijk.
Fouten vinden: hoe eerder, hoe beter
Zelfs tijdens de eerste fase van haar levenscyclus – de ontwikkeling – doorloopt de machine meerdere stadia. Ernstige fouten kunnen op elk moment binnensluipen. De ‘regel van tien’ stelt dat de kosten voor het corrigeren van deze gebreken met een factor 10 toenemen voor elke ontwikkelfase waarin ze niet worden opgemerkt. Met andere woorden: hoe eerder je fouten kunt verhelpen, hoe sneller en goedkoper het wordt om de machine te ontwikkelen.
Eventuele gebreken die tijdens de ontwikkeling niet worden opgemerkt, komen bovendrijven wanneer het tijd is om het prototype in gebruik te nemen. ‘Als je helemaal tot aan de inbedrijfstelling komt en problemen achter elkaar blijven opduiken, is dat een nachtmerrie’, zegt Laasch. ‘Je hebt niet alleen al de kosten gemaakt voor het bouwen van een prototype, maar je moet nu ook waardevolle ontwikkelcapaciteit besteden aan het oplossen van problemen.’ Als de hardware beschadigd is, zijn er ook extra kosten en mogelijke vertragingen omdat je op vervangende onderdelen moet wachten. In het ergste geval kunnen er zelfs contractuele boetes worden opgelegd als de nieuwe machine niet op tijd kan worden geleverd.
‘Dus wat we nodig hebben, is een manier om in elke fase van de levenscyclus te werken met een digitaal model van de machine’, stelt Laasch. ‘En de manier om dat te doen, is via simulatie.’ Als je elk aspect van de machine overzet naar een virtuele simulatieomgeving, creëer je een digital twin. Met behulp van die digitale tweeling wordt het gemakkelijk om tijdens de ontwikkeling te zien hoe verschillende componenten later op elkaar zullen reageren – of zelfs het gedrag van de hele machine te valideren via virtual commissioning.
Simulatie op elk niveau
Machinebouwers hebben een grote verscheidenheid aan simulatietools om uit te kiezen. Sommige zijn gespecialiseerd in het modelleren van machinehardware, terwijl andere zijn gericht op de simulatie van fysische processen. Door jarenlange samenwerking met simulatiespecialisten heeft B&R een volledige selectie tools in zijn automatiseringssysteem geïntegreerd.
‘Dankzij partners als Mathworks, Maplesoft, Machineering en ISG kunnen we een scala aan simulatieopties aanbieden en hebben we voor elke toepassing de juiste oplossing’, legt Laasch uit. ‘Het belangrijkste is dat onze klanten vrij zijn om de simulatietool te kiezen die het beste bij hun machine past. En wat ze ook kiezen, ze weten dat het naadloos zal samenwerken met de centrale B&R-ontwikkelomgeving.’
De simulatiesoftware van Maplesoft en Mathworks maakt het bijvoorbeeld eenvoudig om gedetailleerde modellen van machinecomponenten te maken en koppel en andere krachten te simuleren die nodig zijn voor ontwerp en dimensionering. Het is gemakkelijk om allerlei verschillende belastingen te simuleren en tests uit te voeren die op een fysiek systeem veel uren en resources zouden vergen. Bij fysieke tests bestaat bovendien het risico van overbelasting en beschadiging van waardevolle hardware. In de simulatie daarentegen zie je in één oogopslag of de machine een bepaalde belasting aankan of niet.
Als het gaat om simulatie van processen, dan komen de tools van Machineering en ISG om de hoek kijken. Ze tonen het dynamische gedrag van een hele machine in 3D. Alle dynamische factoren die de materiaalstroom beïnvloeden, kunnen in realtime worden getest met behulp van de digital twin. De machinebouwer krijgt direct visuele feedback over hoe het gedrag van het systeem wordt beïnvloed door verschillende combinaties van machinecomponenten. Het wordt ook mogelijk om problemen vroegtijdig te detecteren die anders tot downtime zouden kunnen leiden.
Datagedreven verbeteringen
Zelfs nadat de machine is ontwikkeld en ingezet, blijft de digital twin waarde toevoegen. In de schakelkast blijft hij draaien als een virtuele kopie van de machine, waarbij wordt gebruikgemaakt van realtime gegevens om nauwkeurige voorspellingen te doen over de gezondheid en resterende levensduur van de machinecomponenten. ‘Als het gedrag van de echte machine afwijkt van dat van de digital twin, bijvoorbeeld door een versleten lager, wordt het verschil direct gedetecteerd’, verduidelijkt Laasch. De verzamelde gegevens worden gebruikt voor voorspellend onderhoud, storingsdocumentatie, onderhoudssystemen op afstand en meer.
Een digitale replica van de machine biedt ook nieuwe kansen voor het opleiden van machineoperators en servicemonteurs. De mogelijkheid om met de gebruikersinterface of de machine zelf te werken voordat deze daadwerkelijk ter plaatse arriveert, verkort hun leercurve aanzienlijk.
Een ander steeds populairder gebruik voor digitale tweelingen is in digitale showrooms, waar machinebouwers op elk moment nieuwe machines aan potentiële klanten kunnen presenteren, zelfs buiten evenementen en beurzen. Met behulp van augmented reality-headsets kan het publiek de digitale machine in een realistische omgeving ervaren. Tijdens de planning en ontwikkeling kunnen allerlei ‘wat-als’-scenario’s worden onderzocht, waardoor zonder enig risico heel veel inzicht wordt verkregen.
‘De digital twin vergezelt een machine gedurende haar hele leven’, zegt Laasch. ‘Maar het omvat ook machinegeneraties – door als basis te dienen voor toekomstige upgrades en verbeteringen.’ Een machinebouwer kan inzichten die hij tijdens het gebruik heeft verkregen, toepassen om het systeem te optimaliseren, waarbij het simulatiemodel wordt gebruikt om eventuele geplande wijzigingen veilig te testen. Dit minimaliseert downtime bij de implementatie van upgrades en versnelt de ontwikkeling van de volgende machinegeneratie.
