Использование цифрового двойника: некоторые аспекты, возникающие в течение жизненного цикла

Сегодня мы расскажем о том, как будет происходить переход от простых механических или мехатронных компонентов к мехатронным системам, и как комплексный цифровой двойник будет влиять на этот переход. В качестве наглядного примера рассмотрим электромотор как мехатронный компонент, а двигатель, приводную электронику и программное обеспечение –как мехатронную систему.

В отличие от современной философии развития, в которой делается упор на разработку деталей, в будущем более важными станут системный подход и обеспечение взаимосвязи между различными фазами развития. Имитационное моделирование станет важным методом для всего жизненного цикла продуктов.

Стадия проектирования

Начнем со стадии проектирования. Во время концептуального проектирования двигателя генерируется набор данных и создаются модели, которые закладывают основу для цифрового двойника. В основном конструкция определяется требованиями высшего уровня и опытом предыдущих разработок. Эта информация используется для первого абстрактного проектирования, в основном, с точки зрения функций двигателя. На этом этапе еще не решено, как будет реализована концепция (например, в программном или аппаратном обеспечении). При дальнейшей детализации шагов, основанных на требованиях или допущениях, проект детализируется. На всех последующих этапах текущий проект проверяется на соответствие допущениям и требованиям. Один из возможных способов проверки – создание виртуальных прототипов, которые отражают текущее состояние разработки. По ходу разработки также растет и виртуальное зеркальное отображение продукта.

В случае с электромеханической системой привода, основные требования и функциональная декомпозиция проекта могут быть сформированы в структурированном виде с использованием таких языков описания системы, как SysML [1]. Отражение зависимости и взаимодействия функций и требований помогает разработчикам реагировать быстро, допуская минимум ошибок при изменении требований. Многие, если не все, последствия изменений могут быть идентифицированы до того, как будет проведена ненужная детализация, особенно если реализована автоматическая проверка, что по формальному характеру описания системы возможно даже для больших сложных систем. При дальнейшей детализации проекта – когда принимаются первые решения, на основе которых реализуются функции, виртуальное представление проекта также должно детализироваться.

Этап инжиниринга

На следующем этапе разработки создаются дополнительные технические данные, включая исполняемые имитационные модели. Поскольку инженерные вопросы становятся более конкретными, имитационные модели также должны включать в себя дополнительные детали. Для одного и того же физического компонента может существовать несколько разных моделей, в зависимости от задачи, для решения которой они созданы. Для успешного проектирования сложных систем, наряду со специфичными моделями необходимо использовать также и расширенные модели систем, которые также включают функциональность, реализованную в программном обеспечении.

В случае с системой двигателя создается много имитационных моделей. Есть механические модели для проверки механической устойчивости ротора или крепления двигателя. Электрические модели используются для расчета электромагнитных полей и результирующих сил. Тепловые модели рассчитывают количество тепла, выделяемого из-за электрических потерь. Другие модели описывают электрику и автоматизацию, а системные модели моделируют всю трансмиссию, включая шестерни и подшипники.

По мере того, как возрастает сложность проектируемых объектов и вовлекается все больше дисциплин и людей, потребность в согласованности между этими моделями возрастает. В идеальном мире вся информация должна храниться в одном месте – не обязательно в одном месте физически – для обеспечения согласованного источника, и все модели также должны использовать этот источник для всех входных данных. Эта информация включает в себя не только исходные параметры проектирования, но и все модели, созданные в ходе разработки. Однако для реальных систем это часто невозможно. Но для успешного развития мехатронных систем следующего поколения необходима, по крайней мере, общая осведомленность всех заинтересованных сторон процесса разработки об используемой информации. Цифровой двойник, как общий репозиторий для всех цифровых артефактов, поддерживает такую возможность.

Последний этап разработки продукта – это интеграция различных компонентов в целостную систему. Здесь необходимо, чтобы все компоненты легко совмещались. Обычно компоненты не бывают готовы в одно и то же время или недоступны для испытаний, как, например, в среде, где продукт (электромотор) уже окончательно установлен. В этом случае модели цифрового двойника можно использовать для замены физических компонентов, например, в проверке системной интеграции, как это делается в случае с испытательным стендом.

Трудности монтажа (когда необходимо интегрировать детали от внешних поставщиков) можно легко обнаружить заранее, если цифровая репрезентация компонента предоставляется вместе с реальной деталью или заранее. Такая процедура поддерживается специальными облегченными форматами, например, JT [2], которые сокращают обмен информацией до необходимого объема. Таким образом, модель от поставщика может быть легко интегрирована в модель цифрового двойника и проверена на любые несоответствия. Эта процедура работает не только для физических компонентов. Программное обеспечение для автоматизации также может быть предварительно протестировано с использованием виртуального представления реальной системы (то есть виртуального ввода в эксплуатацию).

С помощью численных моделей может быть смоделирована даже окончательная рабочая среда, для того чтобы провести реалистичный финальный тест перед внедрением конечного продукта.

Повторное использование модели во время эксплуатации

Основное назначение цифрового двойника мехатронных систем состоит в том, чтобы созданную в процессе проектирования и инжиниринга информацию сделать доступной и готовой для использования во время эксплуатации системы. В настоящее время этим часто пренебрегают, поскольку проектирование и эксплуатация в основном не связаны с фазами жизненного цикла с точки зрения использования данных. Очевидным примером повторного использования модели являются случаи, когда требуется постоянное улучшение продукта, например, если меняется назначение или сфера использования продукта и требуется его модификация. В этом случае могут быть использованы и слегка изменены существующие модели.

С другой стороны, если эксплуатационные данные систематически собираются цифровым двойником, их можно использовать для проверки и обновления существующих моделей для их адаптации к реальным условиям эксплуатации, таким образом, полученные знания можно использовать и для продуктов следующего поколения. Поскольку создание цифрового двойника планируется с самого начала, создаются подходящие интерфейсы для взаимодействия с реальными данными. Таким образом, реальные данные могут использоваться в качестве входных данных для проверки имитационных моделей и способствовать их постоянному усовершенствованию.

Еще одна важная область применения цифрового двойника – онлайн мониторинг состояния оборудования. Для всего большего числа мехатронных систем устанавливаются датчики для контроля их работы и раннего оповещения о неисправности [3]. Однако иногда недостаточно полагаться только на данные датчиков. Особенно в связи с тем, что иногда может быть невозможно прямо измерить конкретные значения. В такой ситуации имитационные модели, разработанные цифровым двойником, могут быть повторно использованы после некоторых модификаций. Существующие модели должны быть оптимизированы, для того чтобы соответствовать данным в реальном времени и новым требованиям к эксплуатации.

Использование имитационной модели расширяет объем информации, поступающей от реальных датчиков и многопараметрических преобразователей, так как позволяет получать данные от виртуального датчика там, где реальные измерения технически невозможны.

Также, используя имитационные модели, можно не просто обнаруживать отклонения от нормы, можно иным образом интерпретировать измерения. В попытке воспроизвести фактические сигналы измерения для текущей ситуации могут быть смоделированы несколько ситуаций отказа. Сравнение смоделированных сигналов с измеренными может помочь определить вид неисправности.

Стадия обслуживания

Поскольку цифровой двойник обеспечивает интеллектуальное представление доступной системной информации, модели и результаты предыдущих этапов жизненного цикла доступны для анализа по различным дисциплинам.

Изделие должно быть спроектировано таким образом, чтобы оно могло выдерживать заданную нагрузку, что проверяется с помощью моделирования и последующих испытаний. Моделирование может предоставить нам и дополнительную информацию, например, можно спрогнозировать ожидаемый срок службы изделия (оценить ресурс) или проверить насколько реальные характеристики изделия соответствуют требованиям технического задания.

Детали и узлы, которые отвечают этим требованиям не в полной мере, с большой вероятностью могут стать причиной неисправности. Доступность такой информации позволяет улучшить и расширить процесс обслуживания, так как наиболее востребованные запасные части уже известны заранее.

Наряду с данными измерений в режиме реального времени, имитационные модели и история операций, предоставляемые цифровым двойником, также являются основой для более гибкого планирования технического обслуживания. В зависимости от фактического воздействия нагрузки определяются предполагаемые затраты (учитываемые в цифровом двойнике) на весь срок службы соответствующих деталей. Таким образом, существует исчерпывающая картина состояния системы, которая также облегчает планирование инспекций и логистики поставок запасных частей еще до того, как происходит сбой.

 

[1] OMG, OMG SysML v 1.3 (2015). www.omg.org/spec/SysML/1.3/.

[2] Carter M, Huang J, Sashank Ganti J (2014) JT file format reference version 10.0, Siemens PLM Software.

[3] Deckers J (2014) Dem Defekt einen Schritt voraus: Drehmoment-Schwingungsüberwachung vermeidet Getriebeschäden, bevor sie entstehen, VDI-Fachtagung Schwingungsüberwachung.