Il existe différents types de jumeaux numériques en fonction du niveau de numérisation du processus ou du système [1] :

• Composant/Pièce jumeau : Il représente une pièce individuelle, permettant l'analyse de propriétés telles que l'efficacité, la durabilité et les performances ;
• Asset Twin : Il modélise un ensemble de composants en interaction, en se concentrant sur les relations fonctionnelles et l'optimisation des performances ;
• Jumeau système : Il englobe plusieurs actifs fonctionnant ensemble, permettant une évaluation et une optimisation complètes du comportement au niveau du système ;
• Process Twin : Il permet d'observer comment plusieurs systèmes fonctionnent ensemble pour former l'ensemble du processus.

De plus, selon la classification proposée dans [2], un jumeau numérique peut modéliser un système à des fins spécifiques ; pour n'en citer que quelques-unes : les modèles de jumeaux numériques pour la surveillance, le diagnostic, la prédiction et l'automatisation du contrôle. Dans le premier cas, les modèles fournissent une « réplique virtuelle » d'un système physique et, en surveillant en permanence son état, permettent d'identifier les inefficacités. Le jumeau numérique pour le diagnostic est utilisé pour réduire les coûts de maintenance et améliorer la fiabilité du système. De même, le modèle de jumeau numérique pour la prédiction peut prédire avec précision le moment où un composant risque de tomber en panne, permettant ainsi une maintenance proactive.

Les jumeaux numériques pour l'automatisation du contrôle permettent des systèmes d'automatisation plus performants. Grâce aux signaux de retour des capteurs, la surveillance et la supervision en temps réel sont possibles, avec ajustement des paramètres système pour maintenir des performances constantes. Automation Studio™ s'intègre parfaitement dans le domaine des jumeaux numériques. Ce logiciel permet de modéliser, simuler et analyser en profondeur des systèmes entiers [3, 4, 5, 6], permettant ainsi d'évaluer les interactions entre les composants individuels et les différentes technologies utilisées dans la machine réelle, telles que les sous-systèmes hydrauliques, électriques, pneumatiques, etc. De plus, une fois la « réplique virtuelle » du système réel développée dans Automation Studio™, une analyse des modes de défaillance et de leurs effets (AMDE) peut également être réalisée. L'AMDE est une méthode systématique et proactive d'évaluation d'un produit ou d'un processus afin d'identifier où et comment il pourrait tomber en panne, et d'évaluer l'impact relatif des différents modes de défaillance. L'utilisation d'Automation Studio TM simplifie considérablement l'analyse en permettant l'intégration de plusieurs modes de défaillance directement dans les composants et en fournissant des estimations automatisées des performances en cas de défaillance.

Dans cet article, un jumeau numérique préliminaire d'un système automatique a été développé à l'aide du logiciel de simulation Automation Studio™. Ce modèle s'inscrit dans la catégorie des « jumeaux numériques pour le contrôle et l'automatisation », visant à créer une « réplique virtuelle » du système automatisé. Une programmation du contrôle basé sur un automate programmable (API) a notamment été réalisée en connectant le contrôleur et en écrivant le code logique à relais au plus près de l'automatisation physique.

2. MÉTHODOLOGIE ET OUTILS

Une étape cruciale dans la mise en œuvre d'un jumeau numérique est le développement d'un « modèle virtuel » reflétant fidèlement la machine physique réelle. Pour cette raison, le modèle doit être développé dans un logiciel de simulation avancé permettant de reproduire le comportement des composants de la machine, notamment les éléments électriques, mécaniques et pneumatiques. La précision avec laquelle ces éléments sont reproduits permet une évaluation détaillée des performances de la machine dans différents scénarios opérationnels, identifiant les axes d'amélioration potentiels et testant les modifications des conditions de fonctionnement sans intervention sur la machine physique. 

L'outil utilisé pour développer le modèle simulé est Automation Studio™, un logiciel de Famic Technologies Inc. conçu pour la création et la simulation de systèmes multi-domaines. Automation Studio™ permet de créer des schémas électriques, pneumatiques, hydrauliques et d'automatisation intégrés au sein d'un environnement de développement unifié. Son interface prend en charge la modélisation de processus complexes grâce à l'utilisation de bibliothèques de composants standard, garantissant ainsi la conformité aux normes industrielles en vigueur. La simulation virtuelle du fonctionnement des modèles conçus permet d'effectuer des analyses de performance et de diagnostic. De plus, Automation Studio™ prend en charge la génération automatique de documentation technique et s'intègre aux normes CEI, NEMA et ISO, ce qui le rend idéal pour le contrôle des processus et l'optimisation technique. De plus, le logiciel peut se connecter à d'autres appareils ou logiciels via des connexions OPC UA , Can Bus ou des scripts, une fonctionnalité très utile pour la mise en œuvre d'un jumeau numérique à grande échelle.


3. VIRTUALISATION ET SIMULATION DU SYSTÈME AUTOMATIQUE

Le système étudié est une installation de bridage automatique composée d'actionneurs électropneumatiques pilotés par API. Le schéma de l'installation, illustré à la figure 1, comprend quatre actionneurs pneumatiques (A, B, C et D) pour le serrage, l'arrêt et le bridage d'un côté du tube. Le bridage s'effectue en deux étapes grâce au vérin de commutation (D) qui déplace le vérin (C) le long d'un guide linéaire. Le panneau de commande de la station automatique, illustré à la figure 1, comprend un API, des boutons-poussoirs, des voyants lumineux et un écran tactile IHM. Le cycle automatique suit la séquence alphabétique A+/B-/C+/C-/D+/C+/C-/A- B+ D-. Actuellement, la séquence de déplacement est modélisée par des électrovannes tout ou rien pilotées par API. Des actionneurs pneumatiques proportionnels sont toutefois envisagés pour un meilleur contrôle du serrage et du bridage du tube.

Figure 1 – Représentation schématique de l'installation

Initialement, le vérin B est déployé pour stopper l'avancement du tube. Ensuite, le vérin A se déploie et serre le tube (étape 1), puis le vérin B se rétracte (étape 2). Le vérin C se déploie (étape 3) une première fois pour effectuer le bridage préliminaire, puis se rétracte (étape 4). Le vérin D effectue le changement d'outil (étape 5) et le vérin de bridage C effectue le second bridage (étape 6), puis se rétracte (étape 7). Ensuite, les vérins A et D se rétractent et le vérin B entame le mouvement avant pour revenir à sa position initiale (étape 8). Dans le code Ladder implémenté, les étapes 3, 6 et 4, 7 sont considérées comme deux étapes exécutées deux fois dans le cycle, au lieu de quatre, car elles correspondent à la répétition des mêmes mouvements.

3.1 Schémas pneumatiques et électriques

Le circuit pneumatique du système a été modélisé (Fig. 2) grâce à la grande variété de composants disponibles dans la bibliothèque générale d'Automation Studio™. Pour optimiser la modélisation du système, des composants réels des fabricants ont pu être utilisés. Leurs modèles sont disponibles dans les catalogues en ligne complets d'Automation Studio™. Une autre approche aurait consisté à ajuster les paramètres et les courbes caractéristiques des composants génériques en fonction des données fournies dans les fiches techniques des composants réels utilisés dans le système.

Figure 2 – Schéma pneumatique

Le schéma électrique (Fig. 3) est réalisé par un automate programmable Siemens SIMATIC S7-1200 utilisant un des bibliothèque de Composants Illustrés, qui offre une représentation virtuelle très réaliste du contrôleur S7-1200. Les boutons de démarrage, d'arrêt, de réinitialisation et d'arrêt d'urgence sont câblés sur leurs broches respectives de la carte d'entrée numérique de l'automate. Le bouton d'arrêt d'urgence est connecté en contact normalement fermé pour des raisons de sécurité. Les entrées incluent également les fins de course des actionneurs, composants essentiels au développement du système automatique. Les sorties sont reliées aux solénoïdes des distributeurs.

Figure 3 – Schéma électrique

3.2 Bref aperçu du code ladder (Siemens ladder)

La logique de contrôle a été développée en langage diagramme échelle, le même langage que celui utilisé dans l’automate de la machine réelle. Cette approche permet de tester le code dans l'environnement virtuel d'Automation Studio™, permettant ainsi son déploiement ultérieur sur le système réel. De plus, Automation Studio™ prend en charge la connectivité OPC, permettant ainsi l'intégration avec le système réel. Grâce à cette connexion, les variables de l'automate peuvent être mappées à leurs homologues dans Automation Studio™, permettant ainsi l'échange de données entre le système virtuel et l'automate.

Le diagramme échelle a été conçu à l'aide de sous-routines FC. Le système comprend donc un échelon principal qui active toutes les sous-routines créées. L'utilisation de la programmation PLC par sous-routines est utile pour exécuter des fonctions spécifiques, permettant ainsi de tester individuellement la fonctionnalité de chaque sous-routine, ce qui offre de grands avantages pour le dépannage et le débogage du code.

Un sous-programme Marche/Arrêt, responsable du démarrage et de l'arrêt du système, a été développé ; les mémoires « Démarrage » et « Système en marche » ont été implémentées pour surveiller les conditions de démarrage et le fonctionnement du système. Un sous-programme d'urgence, qui gère toutes les fonctions d'urgence et la sécurité de la machine, a également été implémenté. Ces fonctions incluent l'activation du voyant de secours et le déclenchement d'une alarme. En cas d'urgence, les actionneurs sont immédiatement arrêtés par la désactivation des vannes 2/2 voies. En position stable (désactivée), ces vannes bloquent le passage de l'air sous pression vers les actionneurs. Par conséquent, en fonctionnement normal du système, ces vannes doivent rester activées pour permettre le passage de l'air sous pression.

Des sous-programmes spécifiques ont été conçus pour gérer le voyant lumineux et l'animation des actionneurs pneumatiques. L'opérateur peut ainsi détecter et surveiller tous les états de l'automatisme et visualiser les mouvements des actionneurs dans l'IHM. Automation Studio™ fournit tous les types de capteurs (capteurs de proximité, capteurs de pression, capteurs de déplacement linéaire, codeurs, débitmètres, etc.). Pour chacun d'eux, des données de type booléen, entier ou réel peuvent être envoyées à l'IHM à des fins de visualisation et de surveillance.

L'algorithme principal de la logique de contrôle est présenté dans la sous-routine de la figure 4a. Cette sous-routine exploite la règle générale de la méthode étape-transition : une nouvelle étape est définie si l'étape actuelle est définie et si la condition établie par la transition est vraie. Lorsque la nouvelle étape est définie, l'étape précédente est réinitialisée.

Le diagramme échelle développé présente une légère modification due à l'inclusion de la bobine Loop_memory. Les deux opérations de bridage étant identiques du point de vue du cylindre C, cette bobine mémoire a été ajoutée pour permettre la double exécution des étapes 3 et 4 de la séquence automatique.

Ensuite, dans une autre sous-routine (Figure 4b), chaque étape de la méthode a été associée à un port de sortie PLC.
 

Figure 4 – Sous-routines Étape/Transition (a) et actions (b)

3.3 IHM pour la surveillance et la supervision du système

L'IHM est illustrée à la figure 5. Grâce à l'IHM et aux panneaux de contrôle de la bibliothèque Automation Studio™, une représentation visuelle complète du système a été créée. Cette bibliothèque contient plusieurs composants répondant aux exigences du système. Une fonctionnalité particulièrement utile a été exploitée : la possibilité d'ajouter des animations aux images. Cette fonctionnalité a permis de créer des animations pour les tiges de vérin, le mouvement des tuyaux et d'autres éléments dynamiques du système. Comme illustré à la figure 5, l'opérateur peut saisir le nombre de tuyaux à brider via l'IHM et surveiller en permanence l'état du système et le nombre de tuyaux déjà bridés. Lorsque le système est en état initial, tous les actionneurs sont en position rentrée, à l'exception du vérin B, qui est en sortie de course et dont le voyant « Système prêt » est allumé.

Figure 5 – Interface homme-machine (IHM) et état initial du système automatique

Au démarrage du système, tous les actionneurs exécutent le cycle selon la séquence décrite ci-dessus. L'IHM de la figure 6 illustre le système automatique pendant l'opération de bridage préliminaire du tube. Ensuite, le cylindre D s'étend pour changer l'outil de bridage, et le cylindre C effectue l'opération de bridage final (figure 7).

Figure 6 – Opération préliminaire de bridage

Figure 7 – Opération de bridage finale

Par la suite, le système revient à son état initial. Le compteur des tuyaux à brides sera incrémenté d'un et le système sera à nouveau prêt pour une nouvelle répétition du cycle (Fig. 8).

Figure 8 – Étape finale du cycle


4. CONCLUSIONS

La virtualisation d'un système automatique a été présentée dans cet article comme une première étape vers la mise en œuvre d'un jumeau numérique. Le logiciel Automation Studio™ a été utilisé comme outil complet pour développer un modèle numérique précis du système automatisé réel. À titre d'étude de cas, une station de bridage automatisée de tubes a été analysée et une conception de contrôle basée sur un automate programmable industriel (API) a été réalisée dans le jumeau numérique en câblant virtuellement l'API et en écrivant le diagramme échelle à l’identique du système réel. Une « réplique virtuelle » de la station automatique et de l'API a ainsi été développée. Cette « réplique virtuelle » du système automatique est désormais prête pour l'analyse des modes de défaillance et de leurs effets (AMDEC) et pour la mise en œuvre de la connectivité OPC et l'intégration avec le système réel.

RÉFÉRENCES

[1] A. V. Volosova, P. F. Yurchik, V. B. Golubkova, B. S. Subbotin and A. V. Vasiliev, "Using a Digital Twin in Ultra-Large-Scale System," 2023 Intelligent Technologies and Electronic Devices in Vehicle and Road Transport Complex (TIRVED), Moscow, Russian Federation, 2023, pp. 1-5, doi: 10.1109/TIRVED58506.2023.10332708

[2] R. Rayhana, L. Bai, G. Xiao, M. Liao and Z. Liu, "Digital Twin Models: Functions, Challenges, and Industry Applications," in IEEE Journal of Radio Frequency Identification, vol. 8, pp. 282-321, 2024, doi: 10.1109/JRFID.2024.338799

[3] A.P. Moreira, H.A. Lepikson, L. Schnitman, and G.L. Bezerra Ramalho, “Designing a new artificial lift method using computational simulation and evolutionary optimization, IEEE Access, 8, 2019, doi: 10.1109/ACCESS.2019.2938992

[4] N. Hodzic, E. Ekinovic  and M. Redzic, “The application of software automation studio in design and work simulation of hydraulic systems,'' Proc. 18th Int. Res./Expert Conf., Budapest, Hungary, 2014, pp. 357_36.

[5] R. B. Pandhare and R. M. Metkar, “Design of semi-automatic hydraulic broaching machine - A review,'' Int. J. Eng. Res. Technol., 5 (2), pp. 1-6, 2017

[6] C. He, G. Jingnan, and S. Guangbin, “Application of automation studio in hydraulic system design,'' Mach. Tool Hydraul., 18, pp. 53-55, 2010