Simulatie: van concept naar virtual twin
Gepubliceerd op 4 juni 2025 in Industry 4.0
Simulatie: van concept naar virtual twin
Hoe kunnen fabrikanten de kracht van simulatie benutten om in één keer goede ontwerpen in de praktijk te creëren? Het concept van het gebruik van simulatie als informatiebron voor fabrieksontwerp is al jaren bekend, zelfs al voordat computers bestonden. De eerste voorbeelden van simulatie waren fysieke modellen waarmee technici processen en ontwerpen op kleine schaal konden testen voordat deze werden opgeschaald. Hoewel dezelfde onderliggende principes nog steeds van toepassing zijn, vindt simulatie tegenwoordig plaats in de virtuele omgeving. Dit biedt een veel grotere capaciteit voor het bouwen van complexe processen om het effect van variabelen op resultaten te testen; AI-gebaseerde technologieën zijn van essentieel belang om dit niveau van flexibiliteit en verfijning te bereiken.Simulatie zonder grenzen
De volgende stap in simulatie is een verschuiving naar een meer holistische benadering. Robot- en PLC-simulaties zijn inmiddels standaard geworden in de productiesector - fabrieken worden zelden gebouwd zonder dat eerst de automatisering en besturingen in een virtuele omgeving zijn getest. Maar met de komst van slimme fabriekstechnologieën worden de beperkingen van het simuleren van geïsoleerde machines of processen duidelijk.
Samenkomst van IT en OT - de integratie van gegevensbeheersystemen (IT) met industriële besturingssystemen (OT) - brengt nieuwe uitdagingen voor simulatie met zich mee. Simulatieplatforms voor één systeem houden geen rekening met de connectiviteit waar fabrieken naar streven voor het verzamelen, delen, analyseren en benutten van gegevens. Met dit in gedachten, zijn meerdere productiesectoren - zoals de automobielindustrie, de farmaceutische en cosmetische industrie om er maar een paar te noemen - op zoek naar simulatieoplossingen die volledige fabrieken kunnen nabootsen.
En daarbij houdt het niet op. Management van operaties en leveringsketens wordt in toenemende mate onderling afhankelijk en gedigitaliseerde en gesimuleerde modellen ook factoren buiten de fabrieksmuren meewegen. Er moet bijvoorbeeld rekening worden gehouden met de variabiliteit van inkomende materialen en onderbrekingen in de toeleveringsketen.
Er is ook een groeiende behoefte aan simulatietools om de synergieën tussen verschillende productielocaties te analyseren, te onderzoeken hoe verschillende fabrieken gegevens kunnen uitwisselen en om de prestaties van verschillende fabrieken te evalueren en te vergelijken. Nu veel fabrikanten stappen zetten in de richting van een DAMA-model (Design Anywhere, Manufacture Anywhere ) hebben ze bovendien simulatie nodig om te bepalen hoe consistente uitkomsten kunnen worden bereikt in verschillende locaties met variabele inputs.
Simulatiestrategieën
Er zijn vijf simulatietools die een waardevolle rol spelen bij het ontwerpen van een gedigitaliseerde fabriek: Model-in-the-Loop (MIL), Software-in-the-Loop (SIL) en Hardware-in-the-Loop (HIL) voor het valideren van concepten; digital twins voor het nabootsen van processen in de echte wereld en het optimaliseren van scenario's; en virtual twins voor continue bewaking en verbetering van fabrieken in bedrijf.
1. Model-in-the-Loop (MiL)
MiL wordt gebruikt in vroege ontwikkelingsfasen. Het simuleert een systeem naast het omgevingsmodel om algoritmen te testen alvorens over te gaan naar SiL en HiL. In dit stadium kan een groot deel van de besturingssoftware worden gegenereerd. Geautomatiseerde codegeneratie verkort de ontwikkelingstijd en beperkt menselijke fouten tot een minimum.
2. Software-in-the-Loop (SiL)
SiL test de automatiseringssoftware achter het fabrieksontwerp - van geïntegreerde software tot algoritmen en regelkringen. De software wordt uitgevoerd op een virtueel platform, waardoor validatie zonder fysieke hardware mogelijk is. Deze vroege test helpt bugs te ontdekken die later mogelijk duur zijn om te herstellen.
3. Hardware-in-the-Loop (HiL)
De volgende stap is de hardware. Dit begint met een PLC of motion controller waarop de virtuele machine draait. Geleidelijk worden hardwarecomponenten zoals motoren, sensoren en vision-systemen toegevoegd, waardoor een hybride omgeving ontstaat. HiL is populair in de automobielindustrie, met name voor het testen van geavanceerde bestuurdershulpsystemen (ADAS).
4. Digital twins
Een digital twin is een virtuele replica van een product, proces of systeem. Deze weerspiegelt het praktijkgedrag met behulp van een 3D CAD-model dat is gekoppeld aan live gegevens. Met een digital twin van een robot kunnen fabrikanten bijvoorbeeld payloads, workflows en andere variabelen testen om beter besluiten te kunnen nemen.
5. Virtual twins
Digital twins kunnen zich ontwikkelen tot virtual twins die geavanceerd gedrag simuleren. Er is geen duidelijke scheidslijn, maar een digital twin wordt doorgaans een virtual twin wanneer de hardware wordt aangesloten en real-time gegevens worden uitgewisseld met de fabriek in bedrijf. Op dat moment werkt de twin continu parallel aan het werkelijke bedrijf.
Sysmac Studio: een geïntegreerde ontwikkelomgeving
Sysmac Studio, de simulatietool van OMRON, biedt technici geavanceerde tools voor het programmeren, simuleren en bewaken van PLC's, motion controllers, vision-systemen en andere automatiseringsapparatuur. Het biedt drie belangrijke voordelen boven en naast andere oplossingen voor industriële automatisering:
1. Veiligheidslogica
Veiligheid is een aspect van fabrieksontwerp dat vaak over het hoofd wordt gezien door aanbieders van simulaties. Te vaak richten bedrijven zich op de prestatieaspecten van een systeem of proces in hun virtuele tests, waarna ze later veiligheidsproblemen ontdekken waardoor het ontwerp in een veel later stadium opnieuw moeten gemaakt. Het 3D-simulatieplatform van OMRON is echter uniek doordat het veiligheidslogica omvat, waardoor fabrikanten uitgebreide veiligheidstests kunnen uitvoeren van functies zoals noodstops, veiligheidslichtschermen en -sensoren, en optimale strategieën kunnen uitwerken voor bijvoorbeeld het plaatsen en programmeren van veiligheidsdeuren voor machines.
2. Virtuele foutopsporing
De mogelijkheid om fouten in een ontwerp van een automatiseringssysteem in een virtuele omgeving op te sporen, is een toepassing die slechts weinig aanbieders van simulatie kunnen bieden. OMRON heeft high-fidelity rendering en simulatie gecombineerd om een 3D-foutopsporingstoepassing te ontwikkelen voor het identificeren van storingen. Gebruikers kunnen hun sensoren virtueel aansluiten en fouten in een machine of lijn opsporen.
3. Functieblokbibliotheek
OMRON heeft een bibliotheek met PLC-functieblokken ontwikkeld die zowel in de simulatieomgeving als in de echte wereld kunnen worden gebruikt. Deze softwarecomponenten zijn bestanden die in een regelsysteem kunnen worden geladen om de PLC alle functionaliteit te bieden die nodig is om die specifieke toepassing uit te voeren, waardoor het ontwerpproces wordt versneld. Gebaseerd op de uitgebreide ervaring van OMRON omvatten ze toepassingen zoals lassen, oprollen, afrollen, persgereedschap, robotica, motion, inspectie en meer. De functieblokken zijn ook beschikbaar voor gebruik in de virtuele omgeving, waardoor simulaties kunnen worden gemaakt die veel gedetailleerder zijn en veel dichter bij de werkelijkheid liggen.
Werkelijke voordelen van virtuele simulatie
Simulatie is een hoeksteen van de digitale fabriek. Er zijn zoveel manieren waarop het werkelijke voordelen kan opleveren, van het faciliteren van storingsmodus- en effecten analyse die onderhoudsstrategieën kunnen ondersteunen tot het mogelijk maken van parallellisering voor het optimaliseren van prestaties en het versnellen van de time-to-market door planning- en ontwerpcycli tot 25% te verkorten en meer.
Voor de automobielindustrie, waarin de levenscycli van producten sterk afnemen en de innovatiecycli versnellen, biedt simulatie de flexibiliteit die nodig is om concurrerend te blijven. Met een virtual twin van bijvoorbeeld een productielijn voor batterijen van elektrische auto's kunnen fabrikanten workflows testen, materiaalverwerking optimaliseren en potentiële knelpunten identificeren voordat ze in uitrusting investeren.
In de cosmetische industrie, waar productontwerp rekening moet houden met seizoensgebonden trends, regionale voorkeuren en beschikbaarheid van ingrediënten, kunnen simulatietools verschillende formuleringen en productieconfiguraties testen voordat fysieke proeven worden uitgevoerd.
Door middel van partnerschappen levert OMRON nieuwe meerwaarde aan fabrikanten die geavanceerde simulatiemethoden willen verkennen. Deze samenwerkingen combineren IT-expertise met de kennis van OMRON op het gebied van industriële automatisering en maken de open en snelle uitwisseling van real-time gegevens tussen IT-systemen en OT-operaties mogelijk, waardoor platformen voor de ontwikkeling van simulatieoplossingen worden geboden.
Neem contact met ons op voor meer informatie