Savonia-artikkeli Pro: Automaation ja digitaaalisen kaksosen hyödyntäminen ja osaamisen kehittäminen
Savonia-artikkeli Pro on kokoelma monialaisen Savonian asiantuntemusta eri aiheista.
This work is licensed under CC BY-SA 4.0
Savonian Automaatio- ja Tekoäly -tiedoksi (AuToTIE, P-S Liitto, EAKR) hankkeessa yhtenä osa-alueena on automaation- ja digitaalisen kaksosen kehittäminen sekä käyttöönotto. Automaation saralla on tyypillistä, että teknologia uudistuu nopealla tahdilla, jolloin myös osaamisen, käytettävien välineiden ja ohjelmistojen tulee olla ajanmukaisia.
Savonia-ammattikorkeakoululla on tärkeä rooli automaatiojärjestelmien rakenteen, teollisuudessa käytettävien laitteiden ja ohjelmistojen osaamisessa. Alan yritysten ja toimijoiden tarpeisiin vastataan käytännön tason perusosaamisen lisäksi lisäämällä uusien menetelmien tunnettavuutta. Suoran yritysyhteistyön rinnalla luonnollinen tapa tähän on valmistuvien opiskelijoiden yrityksiin mukanaan tuoma osaaminen.
Digitaalinen käyttöönotto ja mallin hyödyntäminen
Tällä hetkellä teollisuusautomaatiossa hyödynnetään enenevässä määrin digitaalisia tuotantolinjojen mallinnustyökaluja. Digitaalisen kaksosen hyödyntäminen automaation suunnitteluprosessin yhteydessä vähentää fyysiseen käyttöönottoon kuluvaa työaikaa. Menetelmää hyödyntämällä käyttöönottoprosessia voidaan nopeuttaa, kun digitaalisen mallin avulla esiin tulevat virhetilanteet voidaan korjata jo ennen järjestelmän fyysistä käyttöönottoa. Asiakkaan näkökulmasta voidaan keskittyä tuotannon ylös ajoon ohjelmistovirheiden korjaamisen sijaan.
Virtuaalisessa käyttöönotossa muodostunutta digitaalista kaksosmallia on mahdollista tarkentaa käyttöönoton jälkeen tuotannosta kerätyn datan avulla. Mallin avulla tuotantoprosessia voidaan optimoida joustavasti tuotannon ollessa käynnissä. Joissain tapauksissa digitaalista kaksosta voidaan hyödyntää säätötekniikan menetelmien kehitystyössä ja hakea optimaalisia ajotapoja.
Harjoituslaitteiden ja ohjelmistojen hyödyntäminen opetuksessa
Savonialla on älytehtaaseen liittyen ohjelmistoja Digitaalisen kaksosen mallien rakentamiseen. Olemassa olevia ohjelmistoja hyödyntämällä ja käyttämällä voidaan fyysisestä laitteesta luoda digitaalinen 3D simulaatiomalli. Laitteen toimintoja ja yksityiskohtaisia liikkeitä voidaan testata 3D simulointimallia vasten.
Siemens NX Mechatronics Concept Designer -ympäristössä simuloidaan mekaniikan toiminta virtuaalisessa ympäristössä. CAD-malliin tehdään laitteen kinematiikka ja simuloidaan esimerkiksi laitteen liikkeet, anturit ja suoritetaan törmäystarkastelu. Työkalusta löytyy valmis rajapinta PLC-ohjaukseen, jolloin laitteesta saadaan aikaiseksi digitaalinen kaksonen. Automaation opetuksessa käytetään Siemensin laitteita ja Tia portal ohjelmistoa, joka osaltaan helpottaa digitaalisten mallien käyttöönottoa.
Toimenpiteet AuToTIE hankkeessa
1. Digitaalisen kaksosen menetelmien sovelluksien käyttöotto ja soveltaminen nykyisissä automaation oppimisympäristöissä, kuten kuljettimet, korkeavarasto ja vesiprosessi
2. NX Mechatronics -CAD/CAM/CAE-suunnitteluohjelmisto käyttöönotto
3. Tarvittaviin ohjelmistoihin tutustuminen ja käyttöönotto, mallin rakentaminen ja simulointi
4. 3D-simulaatiomallin rakentaminen hyödyntäen NX Mechatronics Concept Designer
5. Älykkäiden toimintojen lisääminen malliin. Automaatio ja simulointiohjelmistojen käyttö, kuten TIA Portal, SIMIT ja PLC Sim Advanced WinCC RT ohjelmiston hyödyntämien
6. Liikeratojen ja toiminnallisuuden lisääminen 3D malliin.
7. Automaatiojärjestelmän yhdistäminen Digitaaliseen malliin ja fyysiseen malliin.
8. PLC ohjelman yhdistäminen digitaaliseen ja fyysiseen malliin.
9. Prosessin ohjaus ja säätösovellusten mallintaminen Digitaalista mallia hyödyntäen.
Kokemuksia ja haasteita hankkeen edetessä
Digitaalisen mallin ja sen yhdistäminen automaatioon on haasteellista, kun mallin luonnissa tarvitaan useampia ohjelmistotyökaluja ja niiden tulee sopia keskenään yhteen. Käytännössä tarvitaan useita erillistä ohjelmistoa, joiden tulee kyetä keskustelemaan keskenään. Tia Portal, PLCsim Ad, WinCC RT, NX MCD ja SIMIT.
Korkeavarastolaitteiston hankinnan yhteydessä tämä ohjelmistojen yhteensopivuus nousi esiin. Savonian ohjelmistoista osa oli vanhempaa versiota, kuin korkeavarastolaitteen mukana tulleet ohjelmistot. Joten ennen mallien ja ohjelmistojen käyttöä täytyi ohjelmaversiot päivittää yhteensopiviksi.
Digitaalisen kaksosen rakentaminen liittyy keskeisesti NX MCD ja SIMIT ohjelmistojen hyödyntäminen. NX MCD ohjelmistolla saadaan lisättyä 3D- malliin liikeratojen edellyttämä kinematiikka. Simulointialustana hyödynnetään SIMIT ohjelmistoa. Laitteen toiminnallisuus rakennetaan ohjelmoitavan logiikan ohjelmaan Siemens TIA Portal ympäristössä. Useamman ohjelmiston käyttö samanaikaisesti vaatii asiaan perehtymistä ja aikaa. Digitaalisen 3D-mallin ja automaatio ohjelmiston toimintojen käyttö ja simulointi samanaikaisesti on helpompaa, jos on madollista hyödyntää useampaa näyttöä samanaikaisesti. Tällöin voidaan seurata toisella näytöllä automaatiojärjestelmän ohjauksia ja toisella nähdä 3D-mallissa laitteen toimintaa.
Aiemman älytehdas hankkeen yhteydessä alkanut yhteistyö saksalaisen Carl Benz instituutin kanssa on jatkunut. Carl Benz instituutti on erikoistunut digitaalisten mallien ja -kaksosten rakentamiseen NX työkaluilla. Yhteinen kiinnostus aiheeseen on tiivistänyt Savonian ja Carl Benz instituutin välistä kanssakäymistä.
Johtopäätöksiä ja tulevaisuuden mahdollisuuksia
Digitaalisen kaksosen mallintaminen laboratoriomittakaavassa Savonian nykyisten kehitysympäristöjen yhteydessä on mahdollistanut uuden teknologian käyttöönoton. Rakentamallamme demonstraatiolla voidaan pilotoida ja harjoitella digitalisaation uusimpia sovelluksia ja teknologioita, ja se on helposti laajennettavissa.
Aiempaan verrattuna automaatiosovellus voidaan testata myös digitaalista kaksosta vasten ja huomata mahdolliset virheelliset toiminnot ja tämän jälkeen vasta ladata toimiva ohjelmisto fyysiseen laitteeseen. Digitaalinen kaksonen mahdollistaa myös ohjelman testaamisen mallia vasten, jos fyysisiä malleja on rajoitetusti tai vain yksi käytettävissä. Esimerkkinä korkeavarastolaitteisto, jossa liikeratojen kolmeen suuntaan on hyvä testata ensin digitaalista kaksosta käyttäen. Näin vältytään törmäyksiltä ja mahdolliselta laitevauriolta.
Esimerkkisovelluksia on mahdollista esitellä ja toimintaa voidaan simuloida Pohjois-Savon yrityksille sovellettavaksi. Osaamisen vahvistaminen mahdollistaa projektitöiden ja opinnäytetöiden tekemisen aiheeseen liittyen. Automaatiojärjestelmien simulointimallit ja digitaaliset kaksoset ovat nykyisin käytössä suuryritysten tuotanto- ja valmistusprosessien tukena. Teknologian siirto maakunnan pieniin ja keskisuuriin yrityksiin tapahtuu pienin askelin tietoisuuden ja hyötyjen ymmärtämisen lisääntyessä esimerkiksi valmistuvien insinöörien mukana työelämään.
Kirjoittaja:
Pasi Lepistö, lehtori, automaatiotekniikka, Savonia-ammattikorkeakoulu
Automaatio ja -tekoäly tiedoksi (AuToTIE), EAKR, Pohjois-Savon liitto
Video Korkeavaraston fyysinen malli:
Video Korkeavaraston digitaalinen kaksonen:
Kuvat Korkeavaraston digitaalinen kaksonen:
Video Festo kuljetin digitaalinen kaksonen:
Kuvat Festo kuljetin:
