Tuotantolinjan digitaalisen kaksosen simuloinnin suorituskyvyn arviointi ja kehittäminen

Abstract

Digitaaliset kaksoset ovat osa tulevaisuuden tuotekehitystä ja suunnittelua. Digitaalisen kaksosen tarkoitus on toimia todellista laitetta tai asiaa vastaavana mallina, joka esittää samat reaktiot ja tarjoaa samat vuorovaikutusmahdollisuudet kuin oikea laite. Tässä työssä tarkastellaan BMH Technology Oy:n tuotantolinjan simuloitua digitaalista kaksosta ja sen suorituskykyä. Simulointimalli sisältää Simulink-mallin lisäksi SOLIDWORKSista tuotuja visuaalisia 3D-mekaniikkaosia, ABB Virtual Drive -virtuaalitaajuusmuuttajia ja PLC (Programmable Logic Controller) -automaattiohjauksen. Mallin tulee toimia useita tunteja ja olla reaaliaikainen. Tuotantolinjan digitaalisen kaksosen tarkoituksena on toimia työkaluna PLC-ohjelmakoodin testaamiselle ja tuotantolinjan virtuaaliselle käyttöönotolle. Simulointimallin suorituskykyä tarkastellaan erilaisilla Simulinkin työkaluilla ja tietokoneen tehtävienhallinnan avulla. Mallin suorituskykyä ja toimivuutta testataan eri Simulink-ratkaisija vaihtoehdoilla ja etsitään sopivin ratkaisija mallin suoritukselle. Ratkaisijan valinnan jälkeen etsitään ratkaisijalle sopivin aika-askel, joka toimii PLC-ohjauksen aika-askeleen kanssa. Tutkimuksen tuloksena päädyttiin valitsemaan ratkaisija ode1be. Ode1be hyödyntää Backward Euler -tyyppistä numeerista menetelmää ja Newtonin iteraatioita differentiaaliyhtälöiden laskemiseen. Ratkaisija ode1be soveltuu suuriin reaaliaikaisiin malleihin, koska se on laskennallisesti tehokas ja käyttää määrättyä aika-askelta. Simuloinnin aika-askeleeksi päädyttiin valitsemaan 0.05 sekuntia, koska malli ei toiminut suuremmalla aika-askeleella. Mallin suorituskykyä testattiin erilaisilla pitkäaikaissimuloinnin testeillä, jotka kertoivat mallin suorituskyvystä. Simulointimallin pitää toimia reaaliaikaisesti useita tunteja. Testituloksista huomataan, että kun simulointi on suorittanut riittävän kauan, se kaatuu Missed-ticks-virheilmoitukseen. Virheilmoitus kertoo, että simulointi on jäänyt liian paljon reaaliaikaa jälkeen. Tehtävienhallinnan mukaan kasvava Missed-ticks-arvojen määrä aiheutuu tässä tapauksessa siitä, että tietokoneen RAM-muisti täyttyy, jolloin tietokoneen laskentateho heikkenee. Syynä tietokoneen RAM-muistin täyttymiselle on Simulinkin 3D-mekaniikkaikkuna. Simulinkin 3D-mekaniikkaikkuna tallentaa visuaalista animaatiota tietokoneen RAM-muistiin koko simuloinnin suorituksen ajalta. Suorituskyvyn testauksista saadaan tulokset, että 3D-mekaniikkaikkunan ollessa auki simulointi pystyy olemaan käynnissä yli 35 tunnin ajan. Ilman 3D-mekaniikkaikkunaa simulointimalli pystyy olemaan käynnissä yli 100 tuntia. Tämä suorituskyky on riittävä tälle simulointimallille. Hyvällä suorituskyvyllä toimivaa tuotantolinjan digitaalista kaksosta voidaan käyttää tuotantolinjan toimintojen esittelyssä. Lisäksi se mahdollistaa PLC-ohjelmakoodin testauksen ja tuotantolinjan virtuaalisen käyttöönoton.