Существуют различные типы цифровых двойников в зависимости от уровня цифровизации процессов или систем [1]:

•  Двойник компонента/части: представляет собой отдельную деталь, позволяя анализировать такие свойства, как эффективность, долговечность и производительность;
• Двойник актива: моделирует набор взаимодействующих компонентов, уделяя особое внимание функциональным связям и оптимизации производительности;
• Двойник системы: включает в себя множество активов, работающих вместе, что позволяет всесторонне оценить и оптимизировать поведение на уровне системы;
• Двойник процесса: позволяет наблюдать за тем, как несколько систем работают вместе, образуя весь процесс.

Более того, согласно классификации, предложенной в [2], цифровой двойник может моделировать систему исходя из конкретных целей; вот лишь некоторые из них: модели цифрового двойника для мониторинга, для диагностики, для прогнозирования и для автоматизации управления. В первом случае модели представляют собой "виртуальную копию" физической системы и, постоянно отслеживая ее состояние, позволяют выявить неэффективность. Цифровой двойник для диагностики используется для снижения затрат на обслуживание и повышения надежности системы. Аналогичным образом, модель цифрового двойника для прогнозирования позволяет точно предсказать, когда тот или иной компонент может выйти из строя, тем самым обеспечивая проактивное техобслуживание.

Модели цифровых двойников для автоматизации управления позволяют создавать более эффективные системы автоматизации; благодаря сигналам датчиков обратной связи возможен мониторинг и контроль в режиме реального времени с настройкой параметров системы для поддержания постоянной производительности. Automation Studio™ идеально вписывается в область цифровых двойников, ведь программное обеспечение позволяет моделировать и всесторонне анализировать целые системы [3, 4, 5, 6], позволяя оценивать взаимодействие между отдельными компонентами и различными технологиями, используемыми в реальной машине, такими как гидравлические, электрические, пневматические подсистемы и т.д. Кроме того, после создания "виртуальной копии" реальной системы в Automation Studio™ можно провести анализ видов и последствий отказов (FMEA). FMEA - это систематический и превентивный метод оценки продукта или процесса, позволяющий определить, где и как он может выйти из строя, а также оценить относительное влияние различных режимов отказа. Использование Automation Studio™ значительно упрощает анализ, позволяя интегрировать несколько режимов отказа непосредственно в компоненты и обеспечивая автоматическую оценку производительности в условиях неисправности.

В данной работе с помощью программы моделирования Automation Studio™ был разработан предварительный цифровой двойник автоматической системы. Модель системы относится к категории "цифровые двойники моделей для управления и автоматизации", поскольку преследует цель создания "виртуальной копии" автоматики. В частности, было выполнено проектирование управления на основе ПЛК путем подключения контроллера и написания кода релейно-контактной логики, максимально приближенного к физической автоматизации.

2. МЕТОДОЛОГИЯ И ИНСТРУМЕНТЫ

Важнейшим шагом в реализации цифрового двойника является разработка "виртуальной модели", которая точно отражает физическую реальную машину. Для этого модель должна быть разработана в передовом программном обеспечении для моделирования, позволяющем воспроизводить поведение компонентов машины, включая электрические, механические и пневматические элементы. Точность воспроизведения этих элементов позволяет детально оценить работу машины в различных сценариях эксплуатации, выявить потенциальные области для улучшения и протестировать изменения условий эксплуатации без вмешательства в работу физического оборудования. 

В качестве инструмента для разработки модели используется Automation Studio™, программное обеспечение компании Famic Technologies Inc., предназначенное для создания и моделирования комплексных систем. Automation Studio™ позволяет создавать интегрированные электрические, пневматические, гидравлические схемы и схемы автоматизации в единой среде разработки. Ее интерфейс поддерживает моделирование сложных процессов за счет использования библиотек стандартных компонентов, что обеспечивает соответствие современным промышленным стандартам. Можно проводить виртуальное моделирование работы разработанных моделей, обеспечивая анализ производительности и диагностику. Более того, Automation Studio™ поддерживает автоматическую генерацию технической документации и интегрируется со стандартами IEC, NEMA и ISO, что делает ее подходящей для управления технологическими процессами и инженерной оптимизации. Кроме того, программа может взаимодействовать с другими устройствами или программным обеспечением через OPC UA и TCP/IP-соединения, что очень полезно для полномасштабной реализации цифрового двойника.


3. ВИРТУАЛИЗАЦИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Исследуемая система представляет собой автоматическую установку для отбортовки, состоящую из электропневматических приводов с управлением на базе ПЛК. Схема установки показана на рис.1. Она состоит из 4 пневматических приводов A, B, C и D для зажима трубы, остановки трубы и нанесения отбортовки на одну из сторон трубы; отбортовка осуществляется в два этапа благодаря переключению цилиндра D, перемещающего по линейной направляющей положение цилиндров C. Панель управления автоматической станции схематично показана на рис. 1 и состоит из ПЛК, кнопок, контрольных ламп и сенсорной панели HMI. Автоматический цикл следует буквенной последовательности A+/B-/C+/C-/D+/C+/C-/A- B+ D-. В настоящее время последовательность шагов перемещения моделируется с помощью электроклапанов включения-выключения с управлением на базе ПЛК. Однако в будущих разработках предусматривается использование пропорциональных пневматических приводов для лучшего контроля зажима и отбортовки трубы.

Рисунок1 - Схематическое изображение установки

Сначала выдвигается шток цилиндра B, чтобы служить ограничителем для продвигающейся трубы. Затем выдвигается шток цилиндра A и зажимает трубу (шаг 1), после чего шток цилиндра B втягивается (шаг 2). Шток цилиндра C выдвигается (шаг 3) в первый раз, чтобы выполнить предварительную операцию отбортовки, а затем втягивается (шаг 4). Цилиндр D выполняет переключение инструмента (шаг 5), а шток цилиндра C выполняет вторую операцию отбортовки (шаг 6) и затем втягивается (шаг 7). После этого втягиваются штоки цилиндров A, D, а шток цилиндра B начинает движение вперед, чтобы вернуться в исходное положение (шаг 8). В реализованной релейно-контактной схеме шаги 3,6 и 4,7 рассматриваются как два шага, выполняемые два раза в цикле, а не как четыре разных шага, поскольку они представляют собой повторение одних и тех же движений. 

3.1 Пневматические и электрические схемы

Пневматическая схема системы была смоделирована (рис. 2) благодаря большому разнообразию компонентов, доступных в общей библиотеке Automation Studio™. Для дальнейшего улучшения моделирования системы можно было бы использовать компоненты реальных производителей, поскольку они доступны в обширных онлайн-каталогах производителей, предоставляемых Automation Studio™. Другим возможным подходом была бы настройка параметров и характеристик типовых компонентов на основе данных, представленных в технических паспортах реальных компонентов, используемых в системе.

Рисунок 2 - Пневматическая схема

Электрическая схема (рис. 3) состоит из ПЛК Siemens SIMATIC S7-1200 из библиотеки иллюстрированных компонентов, которая обеспечивает очень реалистичное виртуальное представление физического контроллера S7-1200. Кнопки "Пуск", "Стоп", "Сброс" и аварийная кнопка подключены к соответствующим контактам платы цифровых входов ПЛК. Аварийная кнопка подключена как нормально замкнутый контакт в целях безопасности. К входам также подключены концевые выключатели исполнительных механизмов, которые являются важными компонентами для создания автоматической системы. На выходах находятся соленоиды распределительных клапанов.

Рисунок 3 - Электрическая схема

3.2 Краткое описание релейно-контактной схемы (Siemens)

Логика управления была разработана на языке релейной логики, который используется в реальной машине. Такой подход позволяет протестировать код в виртуальной среде Automation Studio™ перед его развертыванием в реальной системе. Кроме того, Automation Studio™ поддерживает OPC-соединение для интегрирования с реальной системой. Благодаря этому соединению переменные ПЛК могут быть сопоставлены с их аналогами в Automation Studio™, что обеспечивает обмен данными между виртуальной системой и ПЛК.

Лестничный код был разработан с использованием подпрограмм FC. Поэтому система включает в себя главную лестничную строку, которая активирует все созданные подпрограммы. Использование подпрограмм в программировании ПЛК полезно для выполнения конкретных функций, так что каждая подпрограмма может быть проверена на работоспособность отдельно, что дает большие преимущества при поиске и отладке кода.  

Была разработана подпрограмма Start/Stop, отвечающая за запуск и остановку системы; реализованы надписи "Start" и "System_is_running" для мониторинга состояния запуска и контроля "работы" системы. Также была реализована подпрограмма Emergency, которая управляет всеми функциями, связанными с аварийными ситуациями и безопасностью машины. Эти функции включают в себя включение аварийной лампы и подачу сигнала тревоги. При возникновении аварийной ситуации приводы немедленно останавливаются путем отключения 2/2-ходовых клапанов. В отключенном положении эти клапаны блокируют поступление сжатого воздуха к исполнительным механизмам. Следовательно, при нормальной работе системы эти клапаны должны быть включены для обеспечения потока сжатого воздуха.

Специальные подпрограммы были разработаны для управления сигнальной лампой и анимацией пневматических исполнительных механизмов. Таким образом, оператор может определять и контролировать все состояния автоматики и визуализировать движения исполнительных механизмов в HMI. Automation Studio™ предоставляет все виды датчиков (герконы, датчики приближения, датчики давления, датчики линейных перемещений, энкодеры, расходомеры, ...) и для каждого из них доступна логическая, целая или вещественная переменная для передачи в HMI в целях визуализации и мониторинга.

Основной алгоритм логики управления включен в подпрограмму на рис.4а. Эта подпрограмма использует общее правило метода пошагового перехода: новый шаг устанавливается, если установлен текущий шаг и если условие, установленное переходом, истинно. Когда новый шаг установлен, предыдущий шаг сбрасывается.

В разработанном лестничном коде есть небольшое изменение, связанное с включением катушки памяти Loop_memory. Поскольку две операции отбортовки идентичны для цилиндра C, эта катушка памяти была добавлена для того, чтобы шаги 3 и 4 автоматической последовательности выполнялись дважды.

Затем, в другой подпрограмме (рис. 4b), каждый шаг метода был сопоставлен с выходным портом ПЛК.

Рисунок 4 - Подпрограммы шагов/переходов (a) и действий (b)

3.3 ЧМИ для контроля и управления системой

ЧМИ показан на рис. 5. Благодаря библиотеке «ЧМИ и панели управления» Automation Studio™ было создано обширное визуальное представление системы. Эта библиотека содержит несколько компонентов, отвечающих требованиям системы. Особенно полезной функцией, которая была использована, является возможность добавления анимации к изображениям. Эта функция позволила создать анимацию для штоков цилиндров, движения труб и других динамических элементов системы. Как показано на рис. 5, оператор может ввести количество труб, подлежащих отбортовке, посредством HMI и постоянно отслеживать состояние системы и количество уже отбортованных труб. Когда система находится в исходном состоянии, включен световой индикатор "System Ready", и штоки всех цилиндров втянуты, за исключением штока цилиндра B, который полностью выдвинут.

Рисунок 5 - Человеко-машинный интерфейс (HMI) и начальное состояние автоматической системы

При запуске системы все исполнительные механизмы выполняют цикл в соответствии с описанной выше последовательностью. На экране HMI на рис. 6 показана работа автоматической системы во время выполнения предварительной операции отбортовки на трубе. После этого цилиндр D выдвигается для смены инструмента для отбортовки, а цилиндр C выполняет окончательную операцию отбортовки (рис. 7).

Рисунок 6 - Предварительная операция отбортовки

Рисунок 7 - Заключительная операция отбортовки

После этого система возвращается в исходное состояние, счетчик отбортованных труб увеличивается на единицу, и система снова готова к новому повторению цикла (рис. 8).

Рисунок 8 - Заключительный этап цикла


4. ВЫВОДЫ

В этой статье представлен перевод автоматической системы в виртуальное пространство в качестве первого шага реализации цифрового двойника. Программное обеспечение Automation Studio™ было использовано в качестве обширного и комплексного инструмента для разработки точной цифровой модели автоматики. В качестве примера была проанализирована автоматизированная станция отбортовки труб, и в цифровом двойнике было выполнено проектирование управления на основе ПЛК путем "виртуального" подключения ПЛК и написания кода релейно-контактной логики точно так же, как и в реальной физической системе автоматизации. Таким образом, была создана "виртуальная копия" автоматической станции и ПЛК. Теперь "виртуальная копия" автоматической системы готова для анализа режимов и последствий отказов (FMEA), а также для реализации OPC-подключения и интеграции с реальной системой.

ССЫЛКИ

[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