Există diferite tipuri de gemeni digitali în funcție de nivelul de digitalizare a procesului sau a sistemului [1]:

• Component/Part twin: Reprezintă o piesă individuală, permițând analiza unor proprietăți precum randamentul, durabilitatea și performanța;
• Asset Twin: Modelează un set de componente care interacționează, concentrându-se pe relațiile funcționale și optimizarea performanței;
• System Twin: Cuprinde mai multe active care funcționează împreună, permițând evaluarea cuprinzătoare și optimizarea comportamentului la nivel de sistem;
• Process Twin: permite observarea modului în care mai multe sisteme funcționează împreună pentru a interfața întregul proces.

În plus, în conformitate cu clasificarea propusă în [2], un geamăn digital poate modela un sistem pe baza unor scopuri specifice; pentru a cita doar câteva: modele de geamăn digital pentru monitorizare, pentru diagnostic, pentru predicție și pentru automatizarea controlului. În primul caz, modelele oferă o "replică virtuală" a unui sistem fizic și, prin monitorizarea continuă a stării acestuia, permit identificarea ineficiențelor. Modelul digital twin pentru diagnosticare este utilizat pentru a reduce costurile de întreținere și a îmbunătăți fiabilitatea sistemului. În mod similar, modelul digital twin pentru predicție poate prezice cu exactitate momentul în care o componentă poate eșua, permițând astfel o întreținere proactivă.

Modelele twin digitale pentru controlul automatizării permit sisteme de automatizare mai eficiente; datorită semnalelor senzorilor de control, monitorizarea și supravegherea în timp real sunt permise cu ajustarea parametrilor sistemului pentru a menține constantă performanța. Automation Studio™ se potrivește perfect în domeniul gemenilor digitali; într-adevăr, software-ul permite modelarea, simularea și analiza cuprinzătoare a sistemelor întregi [3, 4, 5, 6], permițând evaluarea interacțiunilor dintre componentele individuale și dintre diferitele tehnologii utilizate în mașina reală, cum ar fi subsistemele hidraulice, electrice, pneumatice etc. În plus, odată ce "replica virtuală" a sistemului real este dezvoltată în Automation Studio™, poate fi efectuată și o investigare a defecțiunilor și a efectelor (FMEA). FMEA este o metodă sistematică și proactivă de evaluare a unui produs sau proces pentru a identifica unde și cum ar putea eșua acesta și pentru a evalua impactul relativ al diferitelor moduri de defecțiune. Utilizarea Automation Studio™ simplifică foarte mult investigarea defecțiunilor, permițând integrarea mai multor moduri de defecțiune direct în componente și oferind estimări automate ale performanței în condițiile unei defecțiuni.

În această lucrare a fost dezvoltat un geamăn digital preliminar al unui sistem automat prin intermediul software-ului de simulare Automation Studio™. Modelul sistemului se încadrează în categoria "modele de geamăn digital pentru control și automatizare" prin urmărirea obiectivului de a crea o "replică virtuală" a automatizării. În special, a fost realizat un design control bazat pe PLC prin cablarea regulatorului și scrierea codului logic ladder cât mai aproape posibil de automatizarea fizică.

2. METODOLOGIE ȘI INSTRUMENTE

O etapă crucială în punerea în aplicare a unui geamăn digital este dezvoltarea unui "model virtual" care să reflecte cu acuratețe mașina fizică reală. Din acest motiv, modelul trebuie să fie dezvoltat într-un software de simulare avansat care să permită reproducerea comportamentelor componentelor mașinii, inclusiv a elementelor electrice, mecanice și pneumatice. Precizia cu care sunt reproduse aceste elemente permite o evaluare detaliată a performanței mașinii în diferite scenarii operaționale, identificarea domeniilor potențiale de îmbunătățire și testare a modificărilor condițiilor de funcționare fără a interveni asupra mașinii fizice. 

Instrumentul utilizat pentru dezvoltarea modelului simulat este Automation Studio™, un software de la Famic Technologies Inc. proiectat pentru crearea și simularea sistemelor multidomeniu. Automation Studio™ permite crearea de diagrame electrice, pneumatice, hidraulice și de automatizare integrate într-un mediu de dezvoltare unificat. Interfața sa sprijină modelarea proceselor complexe prin utilizarea bibliotecilor de componente standard, asigurând conformitatea cu standardele industriale actuale. Se poate efectua simularea virtuală a funcționării modelelor proiectate, oferind analize de performanță și de diagnosticare. În plus, Automation Studio™ suportă generarea automată a documentației tehnice și se integrează cu standardele IEC, NEMA și ISO, fiind potrivit pentru controlul proceselor și optimizarea ingineriei. În plus, software-ul se poate conecta cu alte dispozitive sau software prin intermediul conexiunilor OPC UA și TCP/IP, o funcționalitate foarte utilă pentru o implementare la scară largă a unui geamăn digital.


3. VIRTUALIZAREA ȘI SIMULAREA SISTEMULUI AUTOMAT

Sistemul studiat este o instalație automată de flanșare compusă din dispozitive de acționare electropneumatice cu control bazat pe PLC. Diagramele instalației sunt prezentate în Fig.1, constând din 4 dispozitive de acționare pneumatice, A, B, C și D pentru a strânge țeava, a opri țeava și a aplica flanșă pe una dintre capetele țevii; flanșa este aplicată în două etape datorită cilindrului de întrerupere D care conduce de-a lungul unui ghidaj liniar poziția cilindrilor C. Panoul de control al stației automate este prezentat schematic în figura 1 și constă dintr-un PLC, butoane de apăsare, indicatori luminoși și un panou tactil HMI. Ciclul automat urmează secvența de litere A+/B-/C+/C-/D+/C+/C-/A- B+ D-. În prezent, secvența deplasare-pas este modelată cu electrovalvele on-off cu design control bazat pe PLC. Cu toate acestea, în dezvoltările viitoare sunt avute în vedere dispozitive de acționare pneumatice proporționale pentru un control mai bun al strângerii și flanșării țevii.

Figura1 - Reprezentarea schemelor instalației

Inițial, cilindrul B este extins pentru a acționa ca o oprire pentru țeavă care avansează. Apoi, cilindrul A se extinde și strânge țeavă (etapa 1) și, ulterior, cilindrul B se retrage (etapa 2). Cilindrul C se extinde (etapa 3) pentru prima dată pentru a efectua operațiunea preliminară de flanșă și apoi se retrage (etapa 4). Cilindrul D efectuează comutarea sculei (etapa 5), iar cilindrul de flanșă C efectuează a doua operație de flanșă (etapa 6) și apoi se retrage (etapa 7). După aceea, cilindrii A și D se retrag, iar cilindrul B începe următoarea mișcare pentru a reveni la poziția inițială (etapa 8). În codul ladder implementat, etapele 3,6 și 4,7 sunt considerate două etape efectuate de două ori în ciclu în loc de patru etape diferite, deoarece reprezintă repetarea acelorași mișcări.  

3.1 Scheme pneumatice și electrice

Circuitul pneumatic al sistemului a fost modelat (fig. 2) datorită mari varietății de componente disponibile în biblioteca generală a Automation Studio™. Pentru a îmbunătăți și mai mult modelarea sistemului, ar putea fi utilizate componente reale ale producătorilor, deoarece acestea sunt disponibile în cataloagele extinse online ale producătorilor oferite de Automation Studio™. O altă abordare posibilă ar fi fost ajustarea parametrilor și a curbelor caracteristice ale componentelor generice pe baza datelor furnizate în fișele tehnice ale componentelor reale utilizate în sistem.

Figura 2 - Schema pneumatică

Schema electrică (figura 3) este compusă dintr-un PLC Siemens SIMATIC S7-1200 care exploatează biblioteca Illustrated Components, care oferă o reprezentare virtuală foarte realistă a regulatorului fizic S7-1200. Start, Stop, Reinițializare și butoanele de apăsare de urgență sunt conectate la pinii respectivi ai plăcii de intrare digitală a PLC. Butonul de apăsare de urgență este conectat ca un contact normal închis din motive de siguranță. Intrările includ, de asemenea, întrerupătoarele de limită ale dispozitivelor de acționare, care sunt componente esențiale pentru dezvoltarea sistemului automat. La ieșiri se află solenoizii distribuitoarelor.

Figura 3 - Schema electrică

3.2 Scurtă prezentare a codului ladder(Siemens ladder)

Logica de control a fost dezvoltată în ladder; același limbaj utilizat în mașina reală. Această abordare permite testarea codului în cadrul mediului virtualizat din Automation Studio™, permițând implementarea sa ulterioară în sistemul real. În plus, Automation Studio™ oferă suport pentru conectivitatea OPC, permițând integrarea cu sistemul real. Prin intermediul acestei conexiuni, variabilele PLC pot fi asociate cu omologii lor din Automation Studio™, permițând schimbul de date între sistemul virtual și PLC.

Codul ladder a fost proiectat utilizând subrutine FC. Prin urmare, sistemul include un rung ladder principal care activează toate subrutinele create. Utilizarea subrutinelor în programarea PLC este utilă pentru a efectua funcții specifice, astfel încât fiecare subrutină să poată fi testată individual din punct de vedere al funcționalității, ceea ce prezintă mari avantaje în depistarea problemelor și depanarea codului. 

A fost dezvoltat un subprogram Start/Stop responsabil cu pornirea și oprirea sistemului; memoriile "Start" și "System_is_running" au fost implementate pentru monitorizarea stării de pornire și monitorizarea "rulării" sistemului. De asemenea, a fost implementat un subprogram de urgență, care gestionează toate funcțiile legate de urgență și siguranța mașinii. Aceste funcții includ activarea lămpii de urgență și declanșarea unei alarme. În cazul unei situații de urgență, dispozitivele de acționare sunt oprite imediat prin dezactivarea valvelor cu 2/2 căi. În poziția lor stabilă (dezactivată), aceste valve blochează trecerea aerului presurizat către dispozitivele de acționare. În consecință, în timpul funcționării normale a sistemului, aceste valve trebuie să rămână activate pentru a permite debitul de aer presurizat.

Au fost concepute subrutine specifice pentru gestionarea indicatorului luminos și a animației dispozitivelor de acționare pneumatică. În acest fel, operatorul poate detecta și monitoriza toate stările automatizării și poate vizualiza mișcările dispozitivelor de acționare în HMI. Automation Studio™ furnizează fiecare tip de senzor (reed, proximitate, senzori de presiune, senzori de capacitate liniară, encodere, debitmetre, ...) și pentru fiecare dintre aceștia sunt disponibile tipuri de date bool, integer sau real care pot fi trimise către HMI în scopul vizualizării și monitorizării.

Principalul algoritm al logicii de control este inclus în subprogramul Fig.4a. Acest subprogram exploatează regula generală a metodei de tranziție de etapă: o nouă etapă este definită dacă etapa curentă este îndeplinită și dacă condiția stabilită de tranziție este adevărată. Atunci când noua etapă este îndeplinită, etapa anterioară este reinițializată.

În codul ladder dezvoltat, există o ușoară modificare datorită includerii bobinei Loop_memory. Deoarece cele două operațiuni de flanșă sunt identice din perspectiva cilindrului C, această bobină de memorie a fost adăugată pentru a permite ca etapele 3 și 4 ale secvenței automate să fie efectuate de două ori.

Apoi, într-un alt subprogram (figura 4b), fiecare etapă a metodei a fost asociată unui port de ieșire PLC.
 

Figura 4 - Subrutinele etape/tranziție (a) și acțiuni (b)

3.3 HMI pentru monitorizarea și supravegherea sistemului

HMI-ul este prezentat în figura 5. Datorită HMI & Control Panels din biblioteca Automation Studio™, a fost creată o reprezentare vizuală extinsă a sistemului. Această bibliotecă conține mai multe componente care îndeplinesc cerințele sistemului. O funcționalitate deosebit de utilă care a fost utilizată este capacitatea de a adăuga animații la imagini. Această funcționalitate a permis crearea de animații pentru tijele cilindrilor, mișcarea țevilor și alte elemente dinamice ale sistemului. După cum se arată în figura 5, operatorul poate introduce numărul de țevi care urmează să fie flanșate prin intermediul HMI și poate monitoriza continuu starea sistemului și numărul de țevi deja flanșate. Atunci când sistemul se află în starea inițială, toate dispozitivele de acționare se află în poziția complet retras, cu excepția cilindrului B care este complet extins, iar indicatorul luminos "Sistem pregătit" este aprins.

Figura 5 - Interfața om-mașină (HMI) și starea inițială a sistemului automat

La pornirea sistemului, toate dispozitivele de acționare efectuează ciclul în conformitate cu secvența descrisă mai sus. HMI din figura 6 arată sistemul automat în timp ce se efectuează operația preliminară de flanșă pe țeavă. Ulterior, cilindrul D se extinde pentru a schimba instrumentul de flanșă, iar cilindrul C efectuează operația finală de flanșă (fig. 7).

Figura 6 - Operațiunea preliminară de flanșă

Figura 7 - Operațiunea finală de flanșă

Ulterior, sistemul revine la starea sa inițială, iar contorul pentru țevi flanșate va fi incrementat cu o unitate, iar sistemul este din nou pregătit pentru o nouă repetare a ciclului (figura 8).

Figura 8 - Etapa finală a ciclului


4. CONCLUZII

Virtualizarea unui sistem automat a fost prezentată în această lucrare ca o primă etapă pentru implementarea unui geamăn digital. Software-ul Automation Studio™ a fost utilizat ca instrument extins și cuprinzător pentru a dezvolta un model digital precis al automatizării. Ca studiu de caz, a fost analizată o stație automatizată de țevi cu flanșe și a fost realizat un design control bazat pe PLC în geamănul digital prin cablarea "virtuală" a PLC-ului și scrierea logicii ladder exact ca în automatizarea fizică reală. În acest fel, a fost dezvoltată o "replică virtuală" a stației automate și a PLC-ului. "Replica virtuală" a sistemului automat este acum pregătită pentru investigarea defecțiunilor și a efectelor (FMEA) și pentru implementarea conectivității OPC și integrarea cu sistemul real.

REFERINȚE

[1] A. V. Volosova, P. F. Yurchik, V. B. Golubkova, B. S. Subbotin și 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), Moscova, Federația Rusă, 2023, pp. 1-5, doi: 10.1109/TIRVED58506.2023.10332708

[2] R. Rayhana, L. Bai, G. Xiao, M. Liao și Z. Liu, "Digital Twin Models: Functions, Challenges, and Industry Applications," în 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 și 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 și M. Redzic, "The application of software automation studio in design and work simulation of hydraulic systems,'' Proc. 18th Int. Res./Expert Conf., Budapesta, Ungaria, 2014, pp. 357_36.

[5] R. B. Pandhare și 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 și S. Guangbin, "Application of automation studio in hydraulic system design,'' Mach. Tool Hydraul., 18, pp. 53-55, 2010