Program do symulacji komputerowej może radykalnie zmniejszyć koszt i czas projektowania oraz wdrożenia kolejnego systemu automatyki napędów, lecz jeśli nie jest się dostatecznie ostrożnym, zamiast korzyści, może dojść do katastrofy.
Jestem entuzjastą wyścigów Formuły 1 (F1). Jest to ważne, gdyż w wyścigu mistrzostw producentów F1 w tym sezonie widzimy porównanie dwóch strategii projektowych: jedna, która zawiera symulację komputerową jako część procesu udoskonalania bardzo ważnego systemu aerodynamicznego samochodu wyścigowego F1; druga, która całkowicie opiera się na symulacji komputerowej tzw. aeropakietu. Drużyna na pierwszym miejscu stosuje zrównoważone podejście ? obejmujące zarówno modelowanie z wykorzystaniem obliczeniowej mechaniki płynów (CFD), jak i doświadczalne testowanie prototypu w tunelu aerodynamicznym. Zespół stosujący tylko strategię CFD (testowanie ?w tunelu bez owiewu?) jest na ostatnim miejscu.
Choć być może jest to po prostu zbieg okoliczności, nie ma wątpliwości, że oprogramowanie symulacyjne musi być zastosowane właściwie i skutecznie. Jako że Tony Lennon, kierownik zajmujący się automatyką przemysłową w firmie MathWorks, producenta MATLAB oraz Simulink, ostrzegał: ?Symulacja może być złudna i może dostarczyć jakieś bardzo przekonujące, niestety złe odpowiedzi! Symulację widzimy jako wczesny etap w procesie iteratywnego projektowania oraz testowania sprzętu. Symulacja, zastosowana właściwie, pomaga w szybszym dopracowaniu pomysłów oraz redukuje testowanie sprzętu, ale symulacja nie eliminuje potrzeby wykonywania testów!?
Symulacja w procesie projektowania
? Nadal wzrastają możliwości oprogramowania do symulacji automatyki napędów ? tłumaczy Lennon. ? Oprogramowanie to staje się również łatwiejsze w stosowaniu. Inżynierowie mogą łatwiej przedstawić złożone systemy sterowania, obejmujące zagadnienia elektryczne, mechaniczne i sterowania, wykorzystując modele symulacji schematów blokowych, co pozwala wyrazić na wiele sposobów dynamikę systemu.
Narzędzia te w znaczny sposób wpływają na udoskonalenie całego procesu, od projektowania do momentu oddania do użytku. Pozwalają one inżynierom na przewidywanie osiągów systemu automatyki napędu w szybki i niedrogi sposób, poprzez wykorzystywanie modeli komputerowych, które zastępują w dużym stopniu, jeśli nie w większości, testowanie doświadczalnych prototypów, które inżynierowie musieli przeprowadzać, zanim te narzędzia symulacyjne stały się dostępne.
Jednakże Lennon szybko podkreśla, że wyniki, jakie dają symulacje, muszą być ciągle weryfikowane w ważnych punktach etapowych całego procesu.
Schemat ?Zalecany proces projektowania/rozwoju? przedstawia sugerowane podejście do złożonych systemów automatyki napędów. Rozpoczyna się ono od koncepcji projektowej. W rzeczywistości symulacja komputerowa pozwala na rozpoczęcie procesu od wielu koncepcji projektowych, które mogą być analizowane równolegle. Na przykład można jednocześnie rozważać użycie śruby pociągowej lub silnika liniowego albo nawet siłownika pneumatycznego do napędu osi robota. Gdyby to był system ruchu względem sześciu osi, można by analizować wielorakie kombinacje sposobu napędu dla różnych osi. W ten sposób modelowanie daje projektantowi ogromnie zwiększoną swobodę analizowania różnych opcji projektu.
Szybkie wyszukiwanie kompromisu
? Symulacja systemów ruchu może odbywać się na wielu poziomach ? stwierdził Jon McLaughlin, kierownik sekcji do spraw procesów użytecznych i rozwoju wyposażenia, w firmie Procter & Gamble (P&G). ? Można użyć podstawową symulację w celu zrozumienia podstawowych kompromisów w zakresie parametrów projektu, dotyczących systemu ruchu i wyposażenia mechanicznego/procesu. Można użyć symulacje specyficzne dla sprzedawcy, celem określenia konkretnych komponentów automatyki napędu, jakie konieczne są, aby spełnić wymagania dotyczące sprawności działania. Można też użyć wysokiej jakości symulacji w celu lepszego zrozumienia złożonych interakcji pomiędzy procesem, systemem mechanicznym i platformą automatyki napędu, tak aby dobrze i optymalnie zaprojektować złożony system, przed poniesieniem jakichkolwiek nakładów finansowych.
Firma P&G wytwarza szeroką gamę produktów konsumenckich, tak że zespół McLaughlina buduje systemy automatyki napędów dla zróżnicowanego rodzaju urządzeń do przekładania, pakowania i wytwarzania. Podejmuje i rozwiązuje bardzo złożone problemy automatyki napędów.
Javier Gutierrez, starszy kierownik rozwoju produktu ds. symulacji LabVIEW i narzędzi do projektowania sterowania firmy National Instruments, stwierdził: ? Poprzez budowanie modelu systemu użytkownicy mogą uzyskać informacje o osiągach i przepustowości systemu (zanim zostanie on zbudowany), które mogązostać przekazane do wykorzystania przez inne zespoły projektowe, celem ulepszenia maszyny.
? Z oprogramowaniem, jakie jest dziś dostępne ? nadmienił Lennon ? kompromisy czynione w trakcie projektowania oraz ścieżki rozwoju stają się bardziej transparentne, gdyż wszystkie ograniczenia są przedstawione w symulacji. Projektanci systemu, już na wczesnym etapie projektowania, mogą usunąć słabsze rozwiązania, stosując mniej dokładne modele, i zwiększyć dokładność odwzorowania modelu, gdy tylko dojrzeje kierunek rozwoju projektu.
Mniejsze koszty, krótszy czas; równowaga
Na koniec, symulacja komputerowa powinna być wykorzystana jako silne narzędzie we wszystkich fazach procesu udoskonalania. Lecz działania te powinny być także zrównoważone poprzez starannie zaplanowany i zrealizowany program badania prototypu. Znaczne korzyści (koszt udoskonalenia zmniejszony o dziesiątki procent, i zaoszczędzony czas ? miesiące kalendarzowe) uzyskuje się tylko wówczas, kiedy stosuje się równowagę pomiędzy tymi dwoma podejściami. Ponadto najlepszym rozwiązaniem jest połączenie tych dwóch programów pod kierownictwem doświadczonego inżyniera, który będzie mógł ocenić wiarygodność wyników symulacji i będzie wiedział, kiedy wydać zasoby na przeprowadzenie drogich badań prototypu.
? Symulacja może być szczególnie użyteczna, jeśli jest wykonana przez odpowiednio wykwalifikowanych praktyków ? stwierdził McLaughlin. ? Symulowanie systemu zazwyczaj wymaga od użytkownika zrozumienia teoretycznych podstaw systemu, jest to zawsze cenne. Jeśli wówczas połączy się to z własnym doświadczeniem i walidacją modelu, uzyska się prawdziwie użyteczne zrozumienie rzeczywistych systemów, co pozwala na projektowanie systemów z pełnym przekonaniem, że będą pracować bez potrzeby ponoszenia strat powodowanych kolejnym projektowaniem.
Nishant Unnikrishnan, inżynier ds. zastosowań z firmy Yaskawa America, producenta systemów zautomatyzowanych i komponentów, stwierdza: ? Projektanci maszyn, którzy stosują symulację do programowania, mogą przygotować kod dużo wcześniej, zanim będą mieć na miejscu każdy komponent siłowników ruchu maszyny. To pomaga im skoncentrować się na dokładnym zgraniu mechanicznych aspektów maszyny do czasu, kiedy siłowniki zostaną zintegrowane z maszyną. Czas zostaje zaoszczędzony, a nacisk, aby zrealizować projekt w terminie, drastycznie zredukowany.
Oczywiście testowanie prototypu stanowi złoty standard w finalizowaniu projektu konstrukcyjnego. Stare powiedzenie, że ?deser sprawdza się w jedzeniu?, jest dziś tak samo prawdziwe, jak było setki lat temu. Problem polega na tym, że bez teoretycznego modelowania do prowadzenia programu empirycznego, testowanie może się szybko przerodzić w działanie na zasadzie prób i błędów, które jest kosztowne i czasochłonne, z budowaniem prototypu za prototypem, testowaniem i złomowaniem.
Działanie równoległe, szybsze niż sekwencyjne
Robert Muehlfellner, dyrektor ds. technologii automatyzacji firmy B&R Industrial Automation, stwierdził: ? Symulacja pozwala na równoległe przygotowywanie maszyny do pracy zamiast sekwencyjnego. Zamiast mechanicznego przygotowania maszyny w pierwszej kolejności, następnie wyposażenia jej w elektryczne i elektroniczne komponenty oraz na koniec przekazania inżynierowi automatykowi w celu wprowadzeniai testowania kodu aplikacyjnego, wiele czynności usuwania błędów może być wykonanych podczas symulacji, w czasie gdy wykonywane są prace mechaniczne i elektryczne.
? Algorytm automatyki napędu stanowi jedynie małą część kodu, jaki musi być umieszczony w systemie automatyki ? nadmienił Gutierrez. ? Istniejedużo więcej kwestii wbudowanych elementów, poza automatyką napędu, jak wbudowane elementy wykonawcze, funkcje czasu rzeczywistego, komunikacja, napędy i dużo więcej.
Muehlfellner potwierdził te odczucia: ? Nowoczesna technologia symulacji? pozwala na integrowanie modeli obciążenia mechanicznego w środowisku symulacyjnym, nawet w celu weryfikowania doboru wielkości napędu, przewidywania wartości regulacyjnych i testowania algorytmów typu ?feed forward? (pozycjonowania). Jednakże w wielu aplikacjach mechaniczne dane systemu, takie jak tarcie i bezwładność, nie są z góry dobrze znane. Z tego też względu modele nie są dokładne i wyniki symulacji opierających się na takich modelach są również niedokładne.
? Wielu wykonawców maszyn opracowuje projekty bez poświęcenia wystarczająco dużo czasu na zbieranie danych, planowanie i organizowanie ? stwierdził Unnikrishnan. ? Jeśli poświęci się czas na zbieranie odpowiednich informacji na temat opracowywanej maszyny i uporządkowanie informacji, symulacja może być użyta do przedstawienia rozłożenia obciążenia roboczego i wykonania prac przygotowawczych. Symulacja jest użyta do przygotowania struktury, na której powstaje projekt.
? Symulacja może dostarczyć teoretyczne wyniki dotyczące osiągów maszyny ? potwierdził Unnikrishnan. ? Mogą one daleko odbiegać od rzeczywistych osiągów maszyny. Projektanci powinni to rozumieć, kiedy wykorzystują symulację jako narzędzie w swoich pracach.
Nie tylko do projektowania
Symulacja komputerowa nie służy tylko do ułatwienia projektowania. Jest ona również pomocna przy programowaniu systemu, tak samo jak podczas fazy testowania. McLaughlin relacjonował: ? Symulacja może pomóc projektantowi w szybkim dokonaniu iteracji celem uzyskania optymalnego zestawu wzajemnie zależnych parametrów sterowania i parametrów mechanicznych projektu. Można w ten sposób potwierdzić poprawność wyboru rodzaju lub rozmiaru sprzętu dla danej aplikacji. Symulacja może pomóc projektantowi zrozumieć złożone wzajemne relacje pomiędzy procesem, systemem mechanicznym i dynamiką systemu sterowania, a następnie pozwolić zaprojektować cały system, tak aby od razu po jego zbudowaniu działał poprawnie. Symulacja lub emulacja może być również zastosowana do przyspieszenia oddawania do użytku poprzez testowanie oprogramowania produkcyjnego.
? Z drugiej strony należy uważać na ograniczenia i dokładność stosowanego środowiska symulacyjnego i modeli ? ostrzegał Muehlfellner. ? Symulacja to wspaniałe narzędzie do szybkiego przewidywania wyników, zanim jeszcze jakikolwiek metal będzie w obróbce w rzeczywistym systemie. Jednakże wyniki wykonanych symulacji są jedynie tak dobre, jak modele, na których te symulacje się opierają. Istnieje również granica, od której poprawianie modelu, aby dokładniej odwzorowywał rzeczywisty sprzęt, staje się nieskuteczne.
? W rzeczywistości stosuje się połączenie symulacji i rzeczywistej walidacji, co prowadzi do najlepszych wyników ? stwierdził McLaughlin. ? Jeśli specjaliści w zakresie symulacji nie doceniają wyzwań implementacji oraz inżynierowie nie doceniają zasadniczych informacji, które dostarczają symulacje oparte na teoretycznych podstawach, to obie te grupy ograniczają wyniki, jakie można by uzyskać. To znaczy, jeśli jest osoba wykorzystująca symulacje jako jedno ze stosowanych narzędzi, wraz z wykorzystywaniem praktycznych umiejętności dotyczących ruchu, wówczas rzeczywiście maksymalizuje się zrozumienie analizowanych kwestii i wpływ na uzyskiwane wyniki w pracy.
CE