Esistono diverse tipologie di gemelli digitali in base al livello di digitalizzazione del processo o del sistema [1]:

• Componente/Parte gemella: rappresenta una parte individuale, consentendo l'analisi di proprietà quali efficienza, durata e prestazioni;
• Asset Twin : modella un set di componenti interagenti, concentrandosi sulle relazioni funzionali e sull'ottimizzazione delle prestazioni;
• System Twin : comprende più risorse che lavorano insieme, consentendo una valutazione completa e l'ottimizzazione del comportamento a livello di sistema;
• Process Twin : consente di osservare come più sistemi operano insieme per formare l'intero processo.

Inoltre, secondo la classificazione proposta in [2], un gemello digitale può modellare un sistema sulla base di scopi specifici; per citarne solo alcuni: modelli di gemello digitale per il monitoraggio, per la diagnosi, per la previsione e per l'automazione del controllo. Nel primo caso, i modelli forniscono una "replica virtuale" di un sistema fisico e, monitorandone continuamente lo stato, consentono di identificare le inefficienze. Il gemello digitale per la diagnosi viene utilizzato per ridurre i costi di manutenzione e migliorare l'affidabilità del sistema. Analogamente, il modello di gemello digitale per la previsione può prevedere con precisione quando un componente potrebbe guastarsi, consentendo così una manutenzione proattiva.

I modelli di gemello digitale per l'automazione del controllo consentono sistemi di automazione più efficienti; grazie ai segnali di feedback dei sensori, è possibile il monitoraggio e la supervisione in tempo reale, con regolazione dei parametri di sistema per mantenere costanti le prestazioni. Automation Studio™ si inserisce perfettamente nel campo del gemello digitale, infatti il software consente di modellare, simulare e analizzare in modo completo interi sistemi [3, 4, 5, 6], consentendo la valutazione delle interazioni tra i singoli componenti e tra le diverse tecnologie impiegate nella macchina reale, come sottosistemi idraulici, elettrici, pneumatici, ecc. Inoltre, una volta sviluppata la "replica virtuale" del sistema reale in Automation Studio™, è possibile eseguire anche un'analisi delle modalità e degli effetti dei guasti (FMEA). L'FMEA è un metodo sistematico e proattivo per valutare un prodotto o un processo al fine di identificare dove e come potrebbe guastarsi e per valutare l'impatto relativo delle diverse modalità di guasto. L'utilizzo di Automation Studio™ semplifica notevolmente l'analisi consentendo l'integrazione di più modalità di guasto direttamente nei componenti e fornendo stime automatizzate delle prestazioni in condizioni di guasto.

In questo articolo è stato sviluppato un gemello digitale preliminare di un sistema automatico utilizzando il software di simulazione Automation Studio™. Il modello del sistema rientra nella categoria "modelli di gemello digitale per il controllo e l'automazione", perseguendo l'obiettivo di creare una "replica virtuale" dell'automazione. In particolare, è stato progettato un controllo basato su PLC, cablando il controllore e scrivendo il codice della logica ladder il più vicino possibile all'automazione fisica.

2. METODOLOGIA E STRUMENTI

Un passaggio cruciale nell'implementazione di un gemello digitale è lo sviluppo di un "modello virtuale" che rifletta accuratamente la macchina fisica reale. Per questo motivo, il modello deve essere sviluppato con un software di simulazione avanzato che consenta di replicare il comportamento dei componenti della macchina, inclusi gli elementi elettrici, meccanici e pneumatici. La precisione con cui questi elementi vengono riprodotti consente una valutazione dettagliata delle prestazioni della macchina in diversi scenari operativi, identificando potenziali aree di miglioramento e testando modifiche alle condizioni operative senza intervenire sul macchinario fisico.

Lo strumento utilizzato per lo sviluppo del modello simulato è Automation Studio™, un software di Famic Technologies Inc. progettato per la creazione e la simulazione di sistemi multidominio. Automation Studio™ consente la creazione di schemi elettrici, pneumatici, idraulici e di automazione integrati all'interno di un ambiente di sviluppo unificato. La sua interfaccia supporta la modellazione di processi complessi attraverso l'utilizzo di librerie di componenti standard, garantendo la conformità agli attuali standard industriali. È possibile eseguire la simulazione virtuale del funzionamento dei modelli progettati, fornendo analisi delle prestazioni e diagnostiche. Inoltre, Automation Studio™ supporta la generazione automatica della documentazione tecnica e si integra con gli standard IEC, NEMA e ISO, rendendolo adatto al controllo di processo e all'ottimizzazione ingegneristica. Infine, il software può connettersi ad altri dispositivi o software tramite connessioni OPC UA e TCP/IP, una funzionalità molto utile per l'implementazione di un gemello digitale su larga scala.

3. VIRTUALIZZAZIONE E SIMULAZIONE DEL SISTEMA AUTOMATICO

Il sistema in oggetto è un impianto di flangiatura automatico costituito da attuatori elettropneumatici con controllo basato su PLC. Lo schema dell'impianto, illustrato in Fig. 1, è costituito da 4 attuatori pneumatici, A, B, C e D, per il serraggio del tubo, l'arresto del tubo e l'applicazione della flangiatura su uno dei lati del tubo; la flangiatura viene applicata in due fasi grazie al cilindro di commutazione D che aziona lungo una guida lineare la posizione del cilindro C. Il pannello di controllo della stazione automatica è schematicamente illustrato in Fig. 1 ed è costituito da un PLC, pulsanti, spie luminose e un pannello touch HMI. Il ciclo automatico segue la sequenza di lettere A+/B-/C+/C-/D+/C+/C-/A- B+ D-. Attualmente la sequenza di spostamento a passi è modellata con elettrovalvole on-off con controllo basato su PLC. Tuttavia, in sviluppi futuri sono previsti attuatori pneumatici proporzionali per un migliore controllo del serraggio e della flangiatura del tubo.

Figura 1 – Rappresentazione schematica dell’impianto

Inizialmente, il cilindro B viene esteso per fungere da arresto per il tubo in avanzamento. Successivamente, il cilindro A si estende e blocca il tubo (fase 1) e successivamente il cilindro B si ritrae (fase 2). Il cilindro C si estende (fase 3) per la prima volta per eseguire l'operazione di flangiatura preliminare e quindi si ritrae (fase 4). Il cilindro D esegue il cambio utensile (fase 5) e il cilindro di flangiatura C esegue la seconda operazione di flangiatura (fase 6) e quindi si ritrae (fase 7). Successivamente, i cilindri A e D si ritraggono e il cilindro B inizia il movimento in avanti per tornare alla posizione iniziale (fase 8). Nel codice ladder implementato, le fasi 3, 6 e 4, 7 sono considerate due fasi eseguite due volte nel ciclo anziché quattro fasi diverse, poiché rappresentano la ripetizione degli stessi movimenti. 

3.1 Schemi pneumatici ed elettrici

Il circuito pneumatico del sistema è stato modellato (Fig. 2) grazie all'ampia varietà di componenti disponibili nella Libreria Generale di Automation Studio™. Per migliorare ulteriormente la modellazione del sistema, è stato possibile utilizzare componenti di produttori reali, disponibili negli ampi cataloghi online forniti da Automation Studio™. Un altro possibile approccio sarebbe stato quello di adattare i parametri e le curve caratteristiche dei componenti generici in base ai dati forniti nelle schede tecniche dei componenti effettivamente utilizzati nel sistema.

Figura 2 – Schema pneumatico

Lo schema elettrico (Fig. 3) è composto da un PLC Siemens SIMATIC S7-1200 che sfrutta la libreria Illustrated Components, che fornisce una rappresentazione virtuale molto realistica del controllore fisico S7-1200. I pulsanti di avvio, arresto, reset e di emergenza sono cablati ai rispettivi pin della scheda di ingressi digitali del PLC. Il pulsante di emergenza è collegato come contatto normalmente chiuso per motivi di sicurezza. Gli ingressi includono anche i finecorsa degli attuatori, componenti essenziali per lo sviluppo del sistema automatico. Sul lato uscite sono presenti i solenoidi delle valvole direzionali.

Figura 3 – Schema elettrico

3.2 Breve approfondimento sul codice ladder (Siemens ladder)

La logica di controllo è stata sviluppata in ladder, lo stesso linguaggio utilizzato nella macchina reale. Questo approccio consente di testare il codice nell'ambiente virtualizzato di Automation Studio™, consentendone la successiva distribuzione nel sistema reale. Inoltre, Automation Studio™ supporta la connettività OPC, consentendo l'integrazione con il sistema reale. Attraverso questa connessione, le variabili PLC possono essere mappate alle loro controparti in Automation Studio™, consentendo lo scambio di dati tra il sistema virtuale e il PLC.

Il codice ladder è stato progettato utilizzando subroutine FC. Pertanto, il sistema include un rung ladder principale che attiva tutte le subroutine create. L'uso della programmazione PLC basata su subroutine è utile per eseguire funzioni specifiche, in modo che ciascuna subroutine possa essere testata singolarmente per verificarne la funzionalità, con notevoli vantaggi nella risoluzione dei problemi e nel debug del codice.

È stata sviluppata una subroutine Start/Stop responsabile dell'avvio e dell'arresto del sistema; sono state implementate le memorie "Start" e "System_is_running" per monitorare le condizioni di avvio e il "run" del sistema. È stata inoltre implementata una subroutine Emergency, che gestisce tutte le funzioni relative alle emergenze e alla sicurezza della macchina. Queste funzioni includono l'attivazione della lampada di emergenza e l'attivazione di un allarme sonoro. In caso di emergenza, gli attuatori vengono immediatamente arrestati disattivando le valvole a 2/2 vie. Nella loro posizione stabile (disattivata), queste valvole bloccano il passaggio di aria compressa agli attuatori. Di conseguenza, durante il normale funzionamento del sistema, queste valvole devono rimanere attivate per consentire il flusso di aria compressa.

Sono state progettate subroutine specifiche per gestire la spia luminosa e l'animazione degli attuatori pneumatici. In questo modo, l'operatore può rilevare e monitorare tutti gli stati dell'automazione e visualizzare i movimenti degli attuatori sull'HMI. Automation Studio™ fornisce ogni tipo di sensore (reed, sensori di prossimità, sensori di pressione, sensori di spostamento lineare, encoder, misuratori di portata, ecc.) e per ognuno di essi sono disponibili dati di tipo booleano, intero o reale da inviare all'HMI per scopi di visualizzazione e monitoraggio.

L'algoritmo principale della logica di controllo è incluso nella subroutine di Fig. 4a. Questa subroutine sfrutta la regola generale del metodo step-transition: un nuovo step viene impostato se lo step corrente è impostato e se la condizione stabilita dalla transizione è vera. Quando il nuovo step viene impostato, lo step precedente viene resettato.

Nel codice ladder sviluppato, è presente una leggera modifica dovuta all'inclusione della bobina Loop_memory. Poiché le due operazioni di flangiatura sono identiche dal punto di vista del cilindro C, questa bobina di memoria è stata aggiunta per consentire l'esecuzione doppia dei passi 3 e 4 della sequenza automatica.

Quindi, in un'altra subroutine (Figura 4b), ogni passo del metodo è stato associato a una porta di uscita del PLC.
 

Figura 4 – Subroutine di Step/Transizione (a) e azioni (b)

3.3 HMI per il monitoraggio e la supervisione del sistema

L'HMI è mostrato in Fig. 5. Grazie all'HMI e ai pannelli di controllo della libreria Automation Studio™, è stata creata un'ampia rappresentazione visiva del sistema. Questa libreria contiene diversi componenti che soddisfano i requisiti del sistema. Una funzionalità particolarmente utile sfruttata è la possibilità di aggiungere animazioni alle immagini. Questa funzionalità ha permesso la creazione di animazioni per gli steli dei cilindri, il movimento dei tubi e altri elementi dinamici del sistema. Come mostrato in Fig. 5, l'operatore può inserire il numero di tubi da flangiare tramite l'HMI e può monitorare costantemente lo stato del sistema e il numero di tubi già flangiati. Quando il sistema è in condizioni iniziali, tutti gli attuatori sono in posizione di completa corsa interna, ad eccezione del cilindro B che è completamente fuori corsa e la spia "Sistema pronto" è accesa.

Figura 5 – Interfaccia uomo-macchina (HMI) e condizioni iniziali del sistema automatico

All'avvio del sistema, tutti gli attuatori eseguono il ciclo secondo la sequenza descritta sopra. L'interfaccia uomo-macchina (HMI) in Fig. 6 mostra il sistema automatico durante l'operazione di flangiatura preliminare sul tubo. Successivamente, il cilindro D si estende per sostituire l'utensile di flangiatura e il cilindro C esegue l'operazione di flangiatura finale (Fig. 7).

Figura 6 – Operazione preliminare di flangiatura

Figura 7 – Operazione finale di flangiatura

Successivamente il sistema ritorna allo stato iniziale, il contatore dei tubi flangiati verrà incrementato di uno e il sistema sarà nuovamente pronto per una nuova ripetizione del ciclo (Fig. 8).

Figura 8 – Fase finale del ciclo


4. CONCLUSIONI

In questo articolo è stata presentata la virtualizzazione di un sistema automatico come primo passo per l'implementazione di un gemello digitale. Il software Automation Studio™ è stato utilizzato come strumento completo ed esaustivo per sviluppare un modello digitale accurato dell'automazione. Come caso di studio, è stata analizzata una stazione automatizzata di flangiatura tubi e, nel gemello digitale, è stato progettato un controllo basato su PLC, cablando "virtualmente" il PLC e scrivendo la logica ladder esattamente come nell'automazione fisica. In questo modo è stata sviluppata una "replica virtuale" della stazione automatica e del PLC. La "replica virtuale" del sistema automatico è ora pronta per l'analisi FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) e per l'implementazione della connettività OPC e l'integrazione con il sistema reale.

RIFERIMENTI

[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