創(chuàng)新與效率——建模仿真技術(shù)
1 突破“內(nèi)卷”，唯有創(chuàng)新
隨著競爭的加劇，產(chǎn)業(yè)里不斷提及的熱詞是“內(nèi)卷”。而想突破“內(nèi)卷”，唯有創(chuàng)新才能實現(xiàn)。熊彼特(Joseph Alois Schumpeter)說過：“創(chuàng)新，就是建立一種新的生產(chǎn)函數(shù)”，即“生產(chǎn)要素的重新組合”。這可以表現(xiàn)為采用新的材料建模仿真是基于模型的開發(fā)，針對機電工程領(lǐng)域而言，這已經(jīng)被證明是一種高效的開發(fā)模式。埃隆.馬斯克經(jīng)常提到 “第一性原理”——他實際上是在講創(chuàng)新要回到問題的原點，即，在物理意義上它是怎么樣的。在制造業(yè)里，裝備是關(guān)鍵，裝備包含了機械、電氣、工藝之間的復(fù)雜的關(guān)系，每個方向又細分出更多的問題，它們之間又存在著因果或相關(guān)關(guān)系。而如何“抽絲剝繭”建立這樣的基于因果的模型，并通過因果和相關(guān)分析，然后對其進行“測試驗證”，尋找最優(yōu)的組合，這也就是機電工程開發(fā)的中心要旨。創(chuàng)新從來都不是一種“突變”，它來自于長期的積累，且在這些基礎(chǔ)上不斷進行升級，因此，必然需要工程的測試驗證，以及能夠?qū)C器系列化。衡量創(chuàng)新的成功在于它實現(xiàn)需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^程，并能夠最終獲得商業(yè)意義的成功。
2 建模仿真為何被越來越重視?
建模仿真是基于模型的開發(fā)，針對機電工程領(lǐng)域而言，這已經(jīng)被證明是一種高效的開發(fā)模式。埃隆.馬斯克經(jīng)常提到 “第一性原理”——他實際上是在講創(chuàng)新要回到問題的原點，即，在物理意義上它是怎么樣的。在制造業(yè)里，裝備是關(guān)鍵，裝備包含了機械、電氣、工藝之間的復(fù)雜的關(guān)系，每個方向又細分出更多的問題，他們之間又存在因果或相關(guān)關(guān)系。而如何“抽絲剝繭”建立這樣的基于因果的模型，并通過因果和相關(guān)分析，然后對其進行“測試驗證”，尋找最優(yōu)的組合——這也就是機電工程開發(fā)的中心要旨。創(chuàng)新從來都不是一種“突變”，它來自于長期的積累，在這些基礎(chǔ)上不斷進行升級，如圖1所示。其次，建模仿真之所以較于以往更為重要，還在于機器的變化越來越多，這是消費端的個性化需求拉動的。而在過去，對于較為單一產(chǎn)品的生產(chǎn)，經(jīng)過一定量的批次驗證，很快可以進入批量化，在初期的物理測試與驗證的成本可以接受。但是，隨著這種材料、規(guī)格、速度等的變化，物理測試驗證已經(jīng)不能再作為一種快速方法，因此，用模型來仿真就成為了必然的選擇。第三個要點在于從安全和測試視角，采用物理測試驗證也變得不那么可行。進一步挖掘機器的需求也是一個重要的原因，在現(xiàn)有的系統(tǒng)上，要繼續(xù)深挖潛能，必須在復(fù)雜的關(guān)系中尋找最優(yōu)的路徑。而基于模型的方法，可以從成本最優(yōu)、節(jié)拍最優(yōu)、材料消耗最小等多個視角去對產(chǎn)線進行分析，以應(yīng)對生產(chǎn)的各種場景需求。而知識產(chǎn)權(quán)保護、工藝Know-How封裝、知識復(fù)用更是建模仿真眾所周知的原因。
圖 1 建模仿真的快速發(fā)展原因
3 它被用于解決哪些問題?
建模仿真這類軟件可以被應(yīng)用于機器開發(fā)的全流程。如圖2所示，它一般包括以下幾個方面：
? 系統(tǒng)選型：通過機電傳動對象的轉(zhuǎn)動慣量、慣量匹配等，可以為機械系統(tǒng)提供電氣傳動控制的精準(zhǔn)選型;
? 早期驗證：對于機電傳動結(jié)構(gòu)、參數(shù)、控制策略，都可以進行快速的驗證其可行性，以避免投料下的返工帶來的損失;
? 虛擬調(diào)試：在進行測試前，可以在實驗室進行虛擬調(diào)試，通過“硬件在環(huán)”的方式，這一功能早已在某些先進的PLC上得以實現(xiàn);
? 協(xié)同仿真：是仿真技術(shù)的一個重要應(yīng)用，它主要是為了獲得更為快速的機電對象融合;
? 數(shù)字化呈現(xiàn)：通過三維呈現(xiàn)、AR/VR功能來實現(xiàn)機電系統(tǒng)的運行仿真呈現(xiàn)，不僅可用于可視化的觀測、培訓(xùn)，也可以延續(xù)到未來的在線維護等場景;
? 代碼生成：代碼自動生成可以降低開發(fā)算法的工程量，同時，對于研發(fā)來說，也可以針對復(fù)用的模塊進行開發(fā)，這同樣可以借助建模仿真技術(shù)。
4 貝加萊在建模仿真方面的能力
貝加萊的Automation Studio本身就是一個控制系統(tǒng)的仿真環(huán)境，它可以針對硬件的邏輯、運動控制、HMI等進行仿真，并可以支持軟件在環(huán)和硬件在環(huán)測試。同時，對于機電協(xié)同、產(chǎn)線流程也有與第三方建模仿真軟件的連接能力，如圖3所示。在Automation Studio中，通過FMU/FMI、OPC UA的方式，可以與第三方這些建模仿真軟件實現(xiàn)交互，從而進行機器的高效開發(fā)與設(shè)計。
(1)MATLAB/Simulink代碼自動生成
早在2008年，Mathworks推出Simulink PLC，可以實現(xiàn)自動代碼生成的時候，貝加萊的Automation Studio就開始支持，最初是C/C++，而貝加萊的PLC剛好就是支持高級語言編程，這使得它成為了非常好的一個平臺。
在能源領(lǐng)域，包括風(fēng)力發(fā)電、燃氣輪機、其它機組控制場景里，采用建模仿真是常用的方法。在圖4中，我們可以看到，模型仿真可以對傳感器的電力采樣、風(fēng)向、邏輯等進行采樣，同時，也可以針對并網(wǎng)同步、安全進行建?！M而對于整個機組的主控邏輯、功率控制、轉(zhuǎn)速控制、并網(wǎng)同步等均可實現(xiàn)仿真，并可以生成控制代碼，且下載到Automation Studio中進行編譯，還可以與其他程序形成調(diào)用，這樣就可以降低在編程方面的工作量。而這種封裝的代碼更具有程序安全性。
(2)MapleSim與Automation Studio的機器仿真
對于機器的機電協(xié)同仿真，MapleSoft的MapleSim則是另一個合作軟件，它更聚焦在機器的整個控制和機械的協(xié)同上。圖5是一個電動注塑機的傳動鏈設(shè)計過程。通過在MapleSim中的模型建立，將整個機械傳動機構(gòu)(負(fù)載、機鉸、減速器、聯(lián)軸器、電機等)進行了建模，并將伺服驅(qū)動、位移測量、溫度、壓力和控制器的控制循環(huán)進行了建模，并針對電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的控制進行了控制策略的建模。通過仿真，可尋找到整個電動注塑機的不同負(fù)載下的節(jié)拍、響應(yīng)速度、三環(huán)參數(shù)等進行測試。
在這些仿真完成后可獲得最佳控制策略與參數(shù)，然后在MapleSim中將機器控制模型打包為FMU，導(dǎo)入到Automation Studio，與邏輯、溫控等構(gòu)成整個的機器控制程序。除了將其用于電動注塑機的設(shè)計，MapleSim還可在液壓、卷繞控制等領(lǐng)域進行建模仿真。而這些則是在軟包裝印刷設(shè)備、塑料薄膜、電池隔膜、涂布、復(fù)合等機器中廣泛應(yīng)用的模型。
(3)IndustrialPhysics側(cè)重于產(chǎn)線與流程
對于產(chǎn)線流程，通常其仿真主要針對包括避障、動畫方面的建模與仿真，可以采用IndustrailPhysics在系統(tǒng)里進行建模，并進行產(chǎn)線級的測試驗證，如圖6所示。在貝加萊的ACOPOStrak的應(yīng)用中，IndustrailPhysics可以針對產(chǎn)線的軌道線機械、機器人、生產(chǎn)中的功能單元(裁切、收放卷等機構(gòu))進行整體的集成，并能夠?qū)壍?、動子的排列變化下的速度、加速度、間距、負(fù)載重量等進行建模仿真，以評價整個產(chǎn)線的性能(UPH、節(jié)拍)是否能夠達到設(shè)計，并且在這個過程中對于機器本身的空間干涉進行判斷以規(guī)避潛在的碰撞風(fēng)險。對于用戶，“早期驗證”的能力很關(guān)鍵——這是確保他們在采購系統(tǒng)前就已經(jīng)能夠預(yù)測到他們的投資是可以被實現(xiàn)的。因為，“所見即所得”正是建模仿真能夠?qū)崿F(xiàn)的。
5 總結(jié)
建模仿真能夠讓創(chuàng)新從概念到現(xiàn)實的過程加速，通過流程及內(nèi)部參數(shù)優(yōu)化，實現(xiàn)對機器物理極限和潛能的最大發(fā)揮。這一切，都有助于機器和產(chǎn)線制造商加速技術(shù)創(chuàng)新升級。
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