Fabriquer une machine alors que ses concepts et ses fonctions n'ont pas encore fait l'objet de tests approfondis comporte des risques. Sans tests préalables, certaines erreurs de conception ne sont pas détectées avant la mise en service. Tout changement sur une machine entièrement fabriquée coûte cher et prend du temps. C'est pourquoi un nombre croissant de fabricants de machines utilisent des modèles de simulation appelés aussi jumeaux numériques pour tester et implémenter rapidement leurs concepts de machine.

Munis de casques de réalité virtuelle ou augmentée, les développeurs de machines peuvent interagir avec leur modèle directement et sans être distraits par l'environnement qui les entoure.

Lorsqu'un fabricant de machines développe de nouvelles machines, une de ses premières préoccupations est de fabriquer et mettre sur le marché ces machines le plus vite possible. Des retards, des complications et des prototypes non probants peuvent rapidement compromettre la viabilité économique d'un projet de développement de machines. Or les méthodes conventionnelles de développement et de mise en service ne permettent plus de se prémunir de ces aléas. Les jumeaux numériques rendent ici un grand service.

Le jumeau numérique accompagne la machine tout au long de son cycle de vie, de la conception au service après-vente. Il est développé, modifié, amélioré et testé parallèlement à la machine réelle. Toute erreur de conception ou modification nécessaire est mise en évidence par simulation et sans prototype physique.

Simulation de processus de production

En plus de simuler le matériel et le logiciel des machines, le jumeau numérique doit pouvoir également fournir une représentation temps réel et réaliste des processus de production. Cette représentation permet par exemple de simuler le déplacement de produits sur un convoyeur afin de détecter précocement d'éventuelles collisions. "Un outil de simulation doit représenter des processus rapides cadencés par un contrôleur," note Kurt Zeheleitner, responsable R&D Simulation & Digital Twin chez B&R. "C'est pourquoi il doit être à la fois très performant et capable de représenter des processus en temps réel."

Le logiciel industrialPhysics répond parfaitement à ces deux critères. Grâce à son moteur physique temps réel intégré, il simule le comportement d'une machine via une représentation dynamique en 3D. Tous les forces dynamiques impactant les flux de matériels peuvent être simulées avec un jumeau numérique. Le développeur de la machine voit ainsi immédiatement l'impact d'une nouvelle combinaison de composants machine sur ces flux. Les temps d'arrêts non nécessaires sont également identifiés rapidement

Importation de données CAO

industrialPhysics génère un jumeau numérique en utilisant des données CAO de la machine. Le développeur importe ces données au format STEP et crée ensuite un jumeau numérique rapidement et simplement. Le jumeau numérique peut être utilisé pour observer et analyser la manière dont la machine sera impactée par différentes cinématiques, configurations et modifications de lignes de code.

B&R a intégré industrialPhysics dans son outil d'ingénierie Automation Studio. "La connexion directe de l'outil de simulation à Automation Studio permet aux développeurs d'exécuter le modèle virtuel de la machine directement sur leur PC – dans une configuration hardware-in-the-loop ou software-in-the-loop – et de se connecter au contrôleur," explique K. Zeheleitner.

Le logiciel de simulation 3D industrialPhysics utilise des données CAO pour générer un jumeau numérique. Ces données sont importées au format STEP.

Réalité virtuelle

L'interaction directe et en immersion totale avec le modèle suppose que ce dernier ait trois dimensions. industrialPhysics offre la possibilité de visualiser le jumeau numérique avec un casque de réalité virtuelle ou augmentée. Le développeur est ainsi plongé dans un environnement 3D et également dynamique en raison des mouvements simulés. "Un casque de réalité virtuelle permet d'examiner des processus pendant le fonctionnement de la simulation. Il permet aussi la connexion au contrôleur réel ainsi que des tests de manipulations," ajoute K. Zeheleitner.

À la différence d'un casque de réalité virtuelle, un casque de réalité augmentée affiche le jumeau numérique dans son futur environnement réel. Ceci permet de tester des scénari pour la conception et le développement de machines avec des objets qui se déplacent. De plus, le développeur peut obtenir des informations du contrôleur en temps réel et visualiser ces informations pendant la simulation. Quelques minutes suffisent pour intégrer les systèmes de réalité virtuelle et de réalité augmentée dans le logiciel. Les modèles simulés avec industrialPhysics s'affichent ensuite directement dans le casque.

Mise en service virtuelle

Après avoir développé le matériel et le logiciel de la machine et testé les processus de production, l'utilisateur peut procéder à une mise en service virtuelle. Grâce au jumeau numérique, le processus de mise en service peut être répété autant que nécessaire jusqu'à l'obtention d'un fonctionnement optimal. Ce n'est que lorsque tout fonctionne parfaitement dans la mise en service virtuelle que le premier prototype physique peut être fabriqué. "Une mise en service virtuelle coûte bien moins cher qu'une mise en service réelle. L'utilisation d'un jumpeau numérique permet d'éliminer d'emblée de nombreuses erreurs et d'adapter un prototype autant que nécessaire avant la fabrication et la mise en service de la machine réelle," explique K. Zehetleitner. Ceci a un impact positif sur le retour sur investissement.

Le jumeau numérique est développé, adapté, amélioré et testé avant la fabrication et la mise en service de la machine réelle. Les erreurs de conception, les incohérences ou les changements nécessaires sont ainsi identifiés à un stade précoce.

Un sosie numérique dans l'armoire électrique

L'utilisation d'un jumeau numérique offre aussi des avantages après la mise en service de la machine. Dans les usines connectées, les technologies IoT Industriel conduisent à collecter et à traiter de très grandes quantités de données machine. Un jumeau numérique peut utiliser toutes ces données. "Alimenté par les données que la machine fournit en temps réel, le jumeau numérique fonctionne comme un double virtuel de la machine au sein de l'armoire électrique," explique K. Zehetleitner. Si le comportement de la machine réelle s'écarte de celui du jumeau numérique (en raison d'un roulement usé, par exemple), le changement est immédiatement détecté. Les données alors collectées peuvent être utilisés pour la maintenance prédictive, le suivi des défauts, ou encore la télémaintenance.

Lorsque vient le temps de mettre une machine à niveau ou d'y ajouter des fonctionnalités, le jumeau numérique peut aussi rendre un grand service. Les connaissances acquises en phase d'exploitation peuvent être mises à profit pour cette nouvelle phase de développement. De plus, le fabricant de machines peut utiliser le modèle de simulation pour tester les modifications prévues. Les temps d'arrêt requis pour mettre en œuvre les changements sont alors minimisés.

"industrialPhysics est basé sur un moteur physique temps réel et ultra-précis, ce qui permet une simulation réaliste et temps réel des processus de production." Kurt Zehetleitner, responsable R&D Simulation & Digital Twin, B&R

Auteure : Carola Schwankner, Corporate Communications Editor, B&R

Des jumeaux numériques fournis en tant que services

Pour les clients souhaitant créer un jumeau générique, B&R propose également un package de services spécifique. Les développeurs de B&R se chargent de créer un modèle de machine à partir des données CAO disponibles, assurant ainsi un lancement rapide et efficace du projet de développement. Ensuite, dans Automation Studio, le jumeau numérique est utilisé pour effectuer les vérifications initiales et des tests d'intégration. Le jumeau numérique ainsi fourni simplifie la planification et la gestion du projet de développement. Il peut être aussi utilisé pour la communication entre les différentes équipes de développement.

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