Компьютерные симуляции в автоматике приводов

Программа для компьютерной симуляции может радикально уменьшить стоимость и время проектирования, а также внедрения очередной системы автоматики приводов, но если не быть достаточно осторожным, то вместо выгоды мы получим катастрофу.

 Я фанат гонок Формулы 1 (F1). Это важно, поскольку в гонке чемпионата производителей F1 в этом сезоне мы видим сравнение двух стратегий проектирования: одна включает компьютерную симуляцию как часть процесса усовершенствования очень важной системы аэродинамики гоночного автомобиля F1; вторая полностью опирается на компьютерной симуляции так называемого аэропакета. Команда, идущая на первом месте, применяет сбалансированный подход – включающий как моделирование с использованием расчетной механики жидкостей (CFD), так и экспериментальное тестирование прототипа в аэродинамической трубе. Команда, применяющая только стратегию CFD (тестирование «в трубе без продува») идет на последнем месте.

Хоть это, возможно, стечение обстоятельств, но нет сомнений в том, что симуляционное программное обеспечение должно применяться правильно и эффективно. Потому что Тони Леннон, руководитель, занимающийся промышленной автоматикой в фирме MathWorks, производителе MATLAB и Simulink, предостерегал: «Симуляция может дать очень убедительные ответы! Симуляцию мы рассматриваем как ранний этап в процессе итеративного проектирования и тестирования оборудования. Симуляция, примененная правильно, помогает в ускоренной доводке идей и сокращает тестирование оборудования, но симуляция не исключает необходимость проведения испытаний!»

 

Симуляция в процессе проектирования

– Продолжают расти возможности программ для симуляции автоматики приводов – объясняет Леннон. – Эти программы становятся также более простыми для применения. Инженеры могут проще представить сложные системы управления, включающие проблематику из области электрики, механики и управления, используя модели симуляции в виде блок-схем, что позволяет разными способами отображать динамику системы.

Эти инструменты существенно влияют на совершенствование всего процесса, от проектирования до передачи в эксплуатацию. Они позволяют инженерам быстро и без больших затрат прогнозировать характеристики системы автоматики привода, путем использования компьютерных моделей, которые заменяют в большой степени, если не в большинстве случаев, испытания экспериментальных прототипов, которые инженерам приходилось проводить, пока не стали доступны симуляционные инструменты.

Однако Леннон тут же подчеркивает, что результаты, которые дают симуляции, должны постоянно проверяться на ключевых этапах всего процесса.

Схема «Рекомендуемый процесс проектирования/развития» представляет предлагаемый подход к сложным системам автоматики приводов. Он начинается от проектной концепции. В действительности компьютерная симуляция позволяет начать процесс от нескольких проектных концепций, которые могут анализироваться параллельно. Например, можно одновременно рассматривать использование тягового винта или линейного двигателя или даже пневматического цилиндра в качестве привода оси робота. Если бы это была система движения относительно шести осей, можно было бы анализировать разнообразные комбинации способа привода для разных осей. Таким образом моделирование позволяет проектировщику значительно увеличить возможности анализа разных вариантов проекта.

 

Быстрый поиск компромисса

– Симуляция систем движения может осуществляться на многих уровнях – констатировал Джон Мак-Лафлин, руководитель секции по вопросам используемых процессов и развития оборудования в фирме Procter & Gamble (P&G). – Можно использовать базовую симуляцию с целью понимания основных компромиссов в части параметров проекта, касающихся системы движения и механического оборудования /процесса. Можно использовать специальную симуляцию для продавца, чтобы определить конкретные компоненты автоматики привода, необходимых для того, чтобы выполнить требования к надежности работы. Можно воспользоваться симуляцией высокого уровня с целью лучшего понимания сложного взаимодействия между процессом, механической системой и платформой автоматики привода, чтобы правильно спроектировать сложную систему, до того, как будут понесены затраты.

Хавьер Гутьеррес, старший менеджер развития продукта по вопросам симуляции LabVIEW и инструментов для проектирования управления фирмы National Instruments, констатировал: – Выстраивая модель системы, пользователи могут получить информацию о характеристиках и пропускной способности системы (прежде чем она будет построена), которые могут быть переданы для использования другим проектным коллективам с целью усовершенствования машины.

– С теми программами, какие сегодня доступны, – добавляет Леннон, – компромиссы в процессе проектирования, а также пути развития становятся нагляднее, поскольку все ограничения представлены в симуляции. Разработчики системы уже на раннем этапе проектирования могут отсеять более слабые решения, применяя менее точные модели, и увеличить точность воспроизведения в модели, как только «дозреет» направление развития проекта.

 

Снижение затрат, сокращение сроков; равновесие

Наконец, компьютерная симуляция должна использоваться как мощный инструмент на всех стадиях процесса усовершенствования. Но эти действия должны быть также уравновешены тщательно спланированной и осуществленной программой исследования прототипа. Значительные выгоды (затраты на модернизацию снизились на десятки процентов, и сэкономленное время − календарные месяцы) достигаются только тогда, когда соблюдается баланс между этими двумя подходами. Кроме того, лучшим решением является объединение этих двух программ под руководством опытного инженера, который сможет оценить надежность результатов симуляции и сориентируется, когда выделить ресурсы на проведение дорогостоящих испытаний прототипа.

– Симуляция может быть особенно полезна, если она выполнена практиками, имеющими соответствующую квалификацию, – констатировал Мак-Лафлин. – Симулирование системы обычно требует от пользователя понимания теоретических основ системы, это всегда ценно. Если к этому добавится собственный опыт и валидация модели, мы получим действительно полезное понимание реальных систем, что позволит проектировать системы с полной уверенностью, что они будут работать, не создавая необходимости в расходах на очередное проектирование.

Нишант Унникришнан, инженер по вопросам прикладного использования из фирмы Yaskawa America, производителя автоматизированных систем и компонентов, утверждает: – Проектировщики машин, применяющие симуляцию для программирования, могут подготовить код значительно раньше, чем будут установлены все компоненты силовых приводов машины. Это помогает им сконцентрироваться на точном согласовании механических аспектов машины к тому времени, когда силовые элементы будут установлены на машину. Экономится время, а давление необходимости реализации проекта в срок резко снижается.

Разумеется, испытание прототипа является золотым стандартом в завершении конструкторского проекта. Старая пословица, гласящая, что «обед узнают по кушанью», сегодня так же истинна, как и сотни лет назад все проверяется практикой. Проблема заключается в том, что без теоретического моделирования перед выполнением эмпирической программы, испытания могут быстро превратиться в работу по принципу проб и ошибок, которая является дорогостоящей и требует значительного времени, постройки прототипа за прототипом, испытаний и списаний.

 

Параллельная работа быстрее, чем последовательная

Роберт Мюльфелльнер, директор по вопросам технологии и автоматизации фирмы B&R Industrial Automation, утверждает: – Симуляция позволяет готовить машины к работе параллельно, а не последовательно. Вместо механической подготовки машины в первую очередь, затем оснащение ее электрическими и электронными компонентами, а в самом конце передачи инженеру по автоматике с целью введения и тестирования аппликационного кода, многие действия по устранению ошибок можно выполнять во время симуляции, в то время, когда выполняются работы по механике и электрике.

– Алгоритм автоматики привода составляет только малую часть кода, который должен быть помещен в системе автоматики – замечает Гутьеррес. – Имеется намного больше вопросов, связанных со встроенными элементами, нежели только автоматика привода, например, встроенные исполнительные элементы, функции реального времени, коммуникация, приводы и многое другое.

Мюльфелльнер подтвердил эти ощущения: – Современная технология симуляции позволяет интегрировать модели механической нагрузки в симуляционной среде даже с целью верификации подбора величины привода, предвидения значений регулируемых параметров и тестирования алгоритмов типа „feed forward” (позиционирования). Однако во многих приложениях механические параметры системы, такие как трение и инертность, не слишком хорошо известны заранее. По этой причине, они тоже являются неточными.

– Многие производители машин разрабатывают проекты, не уделяя достаточного времени сбору данных, планированию и организации, – констатировал Унникришнан. − Если посвятить время сбору соответствующих сведений на тему разрабатываемой машины и упорядочению сведений, симуляция может быть использована для представления распределения рабочей нагрузки и выполнения подготовительных работ. Симуляция использована для подготовки структуры, на которой возникает проект.

Симуляция может дать теоретические данные относительно характеристик машины, − подтвердил Унникришнан. – Они могут значительно отклоняться от реальных возможностей машины. Проектировщики должны это понимать, когда используют симуляцию как инструмент в своих работах.

 

Не только для проектирования

Компьютерная симуляция служит не только для упрощения проектирования. Она полезна также при программировании системы, так же, как и во время фазы испытаний. Мак-Лафлин сообщал: – Симуляция может помочь проектировщику в быстром осуществлении итерации с целью получения оптимального набора взаимосвязанных параметров управления и механических параметров проекта. Можно таким образом подтвердить правильность выбора типа или размера оборудования для данного применения. Симуляция может помочь проектировщику понять сложные взаимоотношения между процессом, механической системой и динамикой системы управления, а затем позволить спроектировать всю систему так, чтобы сразу же после ее постройки она работала правильно. Симуляция или эмуляция может также быть применена для ускоренной передачи в эксплуатацию через тестирование программного обеспечения для производства.

− С другой стороны, следует быть внимательным к ограничениям и точности применяемой симуляционной среды и моделей, − предостерегал Мюльфелльнер. − Симуляция − это прекрасный инструмент для быстрого предвидения результатов, до того, как какой бы то ни было металл поступит в обработку в реальной системе. Однако результаты выполненных симуляций лишь настолько хороши, насколько хороши модели, на которые эти симуляции опираются. Существует также граница, начиная с которой улучшение модели с целью более точного отражения реального оборудования становится неэффективным.

– В действительности применяется сочетание симуляции и реальной валидации, что вело к самым лучшим результатам – заявил Мак-Лафлин. − Если специалисты в области симуляции недооценивают сложности внедрения, а инженеры недооценивают принципиальные данные, которые дают симуляции, опирающиеся на теоретические основания, то обе эти группы ограничивают результаты, которые могли бы быть получены. Это значит, что если используюется симуляция как один из применяемых инструментов, вместе с использованием практических навыков эксплуатации, то тогда действительно максимализируется понимание анализируемых вопросов и влияние на получаемые результаты работы.

 

CE

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *