Les nouveaux produits passent aujourd'hui de la conception à la mise sur le marché dans des délais de plus en plus courts, et la réduction du temps consacré au développement d'une machine devient un réel enjeu de compétitivité. Les jumeaux numériques accélèrent grandement le développement matériel et logiciel des machines.
La réduction des délais de commercialisation nécessite de s'appuyer sur des process ultra-efficaces pour le développement des machines. Les erreurs doivent être exclues dès le départ. Même le prototype d'une nouvelle machine doit avoir un fonctionnement irréprochable du premier coup. "Dans de nombreuses disciplines, une méthode a déjà fait ses preuves : la simulation," affirme Kurt Zehetleitner, responsable simulation et développement par modélisation chez B&R. Un jumeau numérique permet d'évaluer les caractéristiques d'un produit avant même qu'un seul de ses composants n'existe physiquement.
Dans les industries automobile et aéronautique, ce procédé est déjà couramment utilisé pour développer des systèmes mécatroniques. Les systèmes mécaniques sont modélisés sur ordinateur et testés dans un environnement de simulation. Dans d'autres industries manufacturières, ces méthodes de développement doivent encore prendre pied. L'opinion largement répandue selon laquelle le développement de modèles de simulation prend du temps, nécessite des compétences poussées en mathématiques, et de surcroît engendre des erreurs, explique en grande partie cette situation. "C'était le cas dans le passé, mais aujourd'hui, le développement de modèles de simulation est nettement plus simple et prend beaucoup moins de temps.
Les jumeaux numériques accélèrent la mise en route
Les outils de simulation d'aujourd'hui permettent de générer des jumeaux numériques très facilement. Le développement tant matériel que logiciel est ainsi grandement simplifié, de même que la mise en service virtuelle. La simulation en temps réel du comportement physique d'une machine permet d'identifier les goulots d'étranglement et les optimisations possibles à un stade précoce du développement. "La simulation instaure une interaction parfaite entre les différents outils de développement. Le processus de développement est ainsi plus flexible, et la gestion des ressources de développement optimisée. Au final, les mises en route sont jusqu'à cinq fois plus rapides", explique K. Zehetleitner.
Les développeurs disposant d'un jumeau numérique dans Automation Studio peuvent lancer leurs modèles virtuels directement sur leur PC et se connecter au contrôleur de machines dans une configuration Software- or Hardware-in-the-Loop. Le logiciel applicatif peut être ainsi développé, vérifié et testé à l'avance. De même, les besoins en performance peuvent être testés sur le contrôleur.
Pour créer un jumeau numérique, le développeur importe les données CAO d'une machine dans un outil de modélisation comme, par exemple, MapleSim. Il peut ensuite utiliser des caractéristiques importantes du design CAO comme les masses et les densités et définir, pour certains composants du design, des propriétés supplémentaires comme, par exemple, les degrés de liberté ou l'interface avec le contrôleur.
Modélisation sans équations
Avec des outils comme MapleSim et industrialPhysics, même les modèles complexes sont simples à mettre en œuvre. MapleSim inclut différentes librairies pour modéliser des masses, des articulations, des ressorts ou des amortisseurs. Les modèles peuvent être ainsi étendus et affinés de manière simple et intuitive. Le logiciel génère en arrière-plan les équations du modèle. Une application B&R incluse dans MapleSim permet d'exporter le modèle automatiquement dans Automation Studio, données CAO comprises. Sous Automation Studio, l'utilisateur peut alors tester les programmes machine et vérifier si la charge des moteurs et le réglage des asservissements conviennent. Les mouvements sont représentés visuellement en 3D dans l'outil Scene Viewer de B&R via les données CAO importées. "Le test et la correction des erreurs deviennent ainsi nettement plus simple pour les développeurs," commente K. Zehetleitner.
Avec l'outil de simulation industrialPhysics, le processus est similaire. L'outil intègre un moteur physique, fournissant ainsi une simulation approchée des systèmes physiques. La performance temps réel de la simulation est ici d'une importance primordiale. "C'est ce type de système qui permet aujourd'hui de simuler entièrement des machines et des installations industrielles," indique K. Zehetleitner. "Le comportement temps réel et la sollicitation du système à réaliser peuvent être là aussi testés sur le contrôleur cible dans un environnement Hardware-in-the-Loop."
Génération automatique de code
Une fois le jumeau numérique créé, la génération automatique de code joue un rôle central dans le développement et l'implémentation des fonctions machine sur le système cible. Elle offre de nombreux avantages, dont un qui n'est pas des moindres : la réduction de l'effort de programmation. L'outil MATLAB/Simulink est parfaitement conçu pour la génération automatique de code. B&R a développé Automation Studio Target for Simulink, une interface bidirectionnelle entre MATLAB/Simulink et Automation Studio. Avec cette interface, le travail du développeur se réduit à quelques clics. "Les développeurs passent rapidement de la création d'un modèle dans Simulink à l'exécution d'un programme de qualité sur le contrôleur B&R," indique K. Zehetleitner. "Le tout avec des options de diagnostic évoluées."
Auteure : Carola Schwankner, Corporate Communications Editor, B&R
Jumeaux numériques
Un jumeau numérique est une représentation détaillée et dynamique d'une machine réelle. Il est obtenu en créant un modèle numérique à l'aide de données CAO tridimensionnelles et en attribuant à ce modèle toutes les caractéristiques et fonctions de la machine à réaliser. Ceci inclut notamment le matériel, les capteurs, les mouvements, et la dynamique de la machine réelle. Le comportement de la machine peut être ainsi simulé en temps réel. Grâce à cette simulation, il est possible d'identifier des erreurs et des améliorations possibles sans prendre le risque et le temps de créer un prototype physique.