デジタルツインでプロジェクトコストを節約し、品質を向上させる方法

Jul 24, 2023

顧客固有のマシンの仮想コミッショニングは、製品の品質、コスト、スループットタイムの向上という点で最大の効果を発揮します。 これまで、メカトロニクスのモジュール式ビルディング ブロック システムが不足していたため、モデルの作成にはコストがかかり、非経済的でした。 仮想コミッショニングに対するデジタルツインの効果を見てみましょう。

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この記事では、経済的適用性、シミュレーション タイム ベースの種類、モデリング言語またはツールと方法論に関して、デジタル ツインの使用がいくつかの評価で分析されています。 以下に、アジャイル製造システムのプロジェクト実行における取り組みとその使用の利点を示します。 システムの機械はモジュラーキットから組み立てられ、顧客の指定された仕様に従って装備されます。

販売プロセスから生産開始（SOP）までのプロジェクト実行中のアプリケーション分野では、このようなデジタルモデルには異なる仕様が必要です。 販売プロセスでは、部品の製造プロセス、必要な容量、要求されるレイアウトなどについて、お客様からの問い合わせが考慮されます。 仕様には価格が設定されますが、提案プロセスのモデルでは、個々のマシンのビルディング ブロックの標準モジュール システムが使用されます。 アプリケーション エンジニアリング フェーズの必要な速度と一致させるため、シミュレーションに使用されるモデルは、サイクル タイム、マシン数、正しいレイアウト構成、および全体的なライン パフォーマンスに関する正確な情報を提供するのに十分な基本的かつ正確なものである必要があります。 注文書とメカトロニクス設計情報のエンジニアリングにより、顧客の仕様に応じたデジタル製品ツインが開発されます。 プロジェクトの実行中、最終承認 (FAC) が達成されるまで、シミュレーションの検証と最適化のためのさまざまなマイルストーンがあります。 プロジェクトが完了すると、すべてのデジタル ツインが更新され、実際の供給範囲の仮想コピーが表示されます。

デジタル プロセス ツインは作業領域モデルであり、軸の動き、プロセス関連の非生産時間、クランプ装置、機械加工ワーク、および必要な切削工具をシミュレートします。 PLC のコミッショニングと比較すると、NC のコミッショニングは非常に短時間ですが、品質と時間に明らかな利点があります。

デジタル製品ツインは、エミュレートされた (ソフトウェア イン ザ ループまたは実際の制御 (ハードウェア イン ザ ループ) と組み合わせた、ほぼ 100% の機能を備えたサイバー物理モデルです。実際のコントローラーに加えて、バルブ スタック、アクター、またはインターフェイスは、例: Ethernet または Profibus/Profinet 経由で接続できます。比較すると、Hardware in the Loop に基づくアプリケーションは、現実の最も正確なコピーにより、ベスト プラクティス ソリューションであると評価されています。マシン コントローラー (例: Siemens 840 Dsl)マシンのシミュレーション モデルがインストールされている PC (たとえば、Twin CAT 3.1 を搭載した Windows) に実際のフィールドバスで直接接続すると、シミュレーションがリアルタイムで実行されます。

デジタル生産/システム ツインは、製造/生産システムの完全なインストールをモデルとして表します。 このアプリケーションの主な目的は、マテ​​リアル フローを分析および最適化し、システム全体で達成可能な生産性または OEE (総合設備効率) を計算することです。 システム スループットとシステム パフォーマンスの両方のパラメータは契約上の義務であり、仕様を確認するにはシミュレーション モデルが必要です。 エネルギーと環境、およびこれらのトピックへの投資と運用コストに対する感度を高めるため、シミュレーション モデルを使用して、電力消費量、必要な接続負荷、媒体消費量 (冷却剤、圧縮空気、プラント水)、および排気とフィルターの性能を決定します。

大量生産を行う顧客のほとんどは、問い合わせに応じてすでに訓練を受けた担当者や既存のスペアパーツ在庫を活用するために、詳細なプロジェクト仕様書を発行します。 システムサプライヤーはそのような仕様を要求しており、標準化されたモジュール式機械コンポーネントおよび製造プロセスに対して非常に重要なエンジニアリング作業を必要とします。 要求された品質を提供し、安全仕様を満たすために、プロジェクトごとに集中的な試運転フェーズを検討する必要があります。 コミッショニングに依存する最大リードタイムを回避するために、仮想コミッショニングの開発と、実際の機器と仮想機器の混合としてのコミッショニングは、顧客だけでなくサプライヤーにとっても最も有益な重要な利点を提供します。 モデルが現実をより正確に反映しているほど、その品質は高くなります。これは、デジタル プロダクト ツインが現実をシミュレートできるためのガイドラインです。

将来的には、デジタル ツインは配送またはサービスの一部となるため、顧客が注文して支払いを行うことになります。 これには、デジタルツインのシミュレーション品質の定義、そのような品質の検証の仕様と尺度が必要です。

効率的なモデル設計を可能にするためには、コンポーネントと機械のメカトロニクス設計が必要です。 対応する回路、流れ、空気圧プランを備えた機械の結果として得られる 3D 設計は、モデル作成のためにソフトウェアに読み込むことができます。 次に、モデル内の個々のアセンブリに自由度および機能パラメーター (最大移動速度、加速度、ジャーク値など) が割り当てられます。 このようにして、マシンの各要素は既知の機能パラメータを受け取り、実際のコンポーネントをシミュレートします。 最初のステップでは、同じく提供されている PLC プログラムがモデルと比較され、妥当性がチェックされます。 この時点で、最初のエラーはすでに検出され、除去されています。 デバイスがプログラムによってアドレス指定されていない場合、またはプログラムが存在しないデバイスをアドレス指定している場合は、過去には実際の試運転まで発見されず、構築されたすべてのマシンにコピーされていた可能性が高い明らかな設計エラーが存在します。 モデルは設計段階で追加的なアクティビティとして作成されるため、再帰が失われるリスク、つまりエンジニアリング部門での後の変更が以前のモデルで開発されたまま維持されないリスクを管理する必要があります。

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仮想コミッショニングは、最終的に実機で実行される PLC プログラムのテストを予期したものです。 モデルの試運転の目的は、リードタイムに関連する実際の試運転の領域から、エンジニアリング、調達、サブアセンブリの生産との並行作業にできる限り時間を移すことです。 移管が成功すれば、プロジェクトのリードタイム（システムビジネスの場合は工場出荷まで約12か月）を大幅に短縮できます（CNCマシンを使用したシステムの製造はわずか約4週間、約12週間）。

最新のシミュレーション技術を考慮していない顧客の仕様や CE メーカーの宣言によっては、すべての機能を仮想コミッショニングに移行できるわけではありません。 実際のコミッショニングでの再実行を回避するには、モデルが実際のマシンに対して可能な限り正確である必要があります。 この要求をサポートするために、ハードウェア イン ザ ループ (HiL) テスト装置は最高のカバレッジを提供します。 損傷のリスクなくモデル上の機能をテストできることに加え、シミュレーションでは無人ステーションでの機能の自動繰り返しも可能です。 手動テスト モードでは、エラーが発生せずに少数回繰り返した後に関数が解放されます。 自動モードでは、納品後、PLC プログラムの計画外の停止またはクラッシュにより、まれに停止が発生します。 これらの散発的なエラーをそれぞれ事前に検出すると、コスト (シミュレーター、メーカーの工場、顧客の工場でのエラー修正の時間係数: 1:8:40) とソフトウェア品質に顕著な効果が得られます。 シミュレータは、納入から顧客のプラントでの試運転開始までの間に使用して、事前受け入れからの未解決の問題を解決したり、さらなるプログラムの最適化を継続したりすることができます。

実際のロボットと仮想グリッパーの組み合わせ、および仮想現実による共通機能システムの表現は長年にわたって最先端技術であり、シミュレーション モデルの新しい応用分野を切り開いてきました。 アジャイル マニュファクチャリング システムなどのターンキー プラントでは、常に複数のサプライヤーが関与しています (図左: ガントリー オートメーションと CNC マシンを備えたアジャイル マニュファクチャリング セル)。 コミッショニングと仮承認のために、空間的に離れた場所に構築された 2 つのシステム コンポーネントを物理的に一緒に集めて起動する必要がありました。 非常に保守的な最終顧客がこの高価で時間のかかる手順を主張しない限り、Profibus インターフェイスなどを介して実際のシステム コンポーネントをシミュレーション モデル (ループ内のハードウェア) に接続することによってのみメリットが得られます。 実際には、これはオペレータのプラントに設置した後の試運転中にすぐに測定できました。 PLC プログラムの品質向上に加えて、2 つのシステム コンポーネントを統合する必要がなくなるため、コストと時間が節約されます。

顧客の工場に設置されたシステムが生産を開始する準備が整ったら、生産システムを顧客の生産管理コンピュータ システムに統合する必要がありました。 標準的な生産プロセスに加えて、設置された新しい生産ラインで生産管理システムを調整するために、部品の種類やバリエーションごとの増減も実証する必要があります。 仮想モデルの利用により、工場の生産システムに統合するために生産準備の整った生産システムを長期間 (数週間) 使用する必要がなくなり、より早期の生産開始 (SOP) がサポートされます。

リードタイムの​​短縮は、従来のプロジェクト実行に対するベンチマークとなる最初の測定可能な効果です。 品質の向上はさまざまな分野で確実に達成されており、製品のコスト削減として数値化されます。

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