シミュレーションの成功事例:シミュレーション駆動型設計 - フロントローディング

シミュレーションは役に立つのか、それとも単なる仕掛けなのか?

多くの人はこのテーマを扱うときにたくさんの疑問を持つでしょう。 blue automation GmbHにとって、シミュレーションとバーチャル試運転は、かなり以前から顧客との対話の扉を開いてきました。 なぜなら、デジタルアプローチはリスクを最小限に抑え、実際のコミッショニング時間を半分以下に短縮することができるからです。

自動車産業のあるサプライヤーが、ポンプ部品の包装工場を拡張する際、現在のサイクルタイムを大幅に短縮しながら、より多くの機能を導入し、品質を確保し、生産性を向上させることが目的でした。 これは、オートメーションサービスプロバイダーであり、システムインテグレーターでもあるblue automation GmbH(ドイツ、レネロッド市)に与えられた要件でもありました。 特に、信頼性の高いIO/NIO戦略を含むトルク制御を追加し、プラント全体の効率的な運用を実現する必要がありました。 2台のハンドリングロボットがトレイから部品を取り出し、まず洗浄ステーションに入れ、次に2つの検査ステーションに入れ、不良品と良品を分け、後者だけを最終顧客の包装チューブに入れるというものでした。 さらに、システム全体の運用コンセプトも一新する必要がありました。

blue automation GmbH

2013年にワンマンショーとしてスタートしたblue automation GmbHは、世界的に活動するオートメーションプロバイダーおよびシステムインテグレーターへと発展してきました。 ドイツ、レネロッドに30人以上のエンジニアを擁し、インドに支店、中国に事務所、米国に関連会社を置き、機械メーカーに対するサービス内容は、PLC、ドライブ、ビジュアルシステムのソフトウェアエンジニアリングからロボットエンジニアリング、シミュレーション、バーチャル試運転に至るまで、ハードウェアプランニングに及んでいます。 取引先は、自動車、包装、医薬・化学、食品・飲料、環境エンジニアリングなどの企業です。

オートメーションにおけるシミュレーション - 早期の開始:可能性を認識し投資

blue automationのスペシャリストにとって、バーチャル試運転を含む高度なシミュレーションを行うことは、もう一つの運命的なプロジェクトでありました。 代表取締役のThomas Grahlとソフトウェア開発者のKevin Spörlは、3年前にPCでプラントをデジタル化する時代が来ていることに気づきました。 両者とも、その潜在的な可能性を認識し、それをつかみたいと考えていました。 シーメンス社のNXメカトロニクスコンセプトデザイナー(MCD)のテスト版が、厳しい競争を勝ち抜いて採用されました。 選考のポイント:機能性、柔軟性、開放性をいかに重視するか? NX MCDは、特に衝突解析とキネマティクスに関して良い評価を獲得することができました。 サポート力、グローバル性、将来性など、周辺的な要素も判断材料になりました。 最終的には、エンジニアリングフレームワークであるTIAポータルへの容易な統合と、シーメンスの追加ツールが採用の決め手となりました。 両者とも、「シーメンスはこれまでも、そしてこれからも、私たちに最高の総合的なソリューションを提供してくれる」という点で一致しています。

それ以来、blue automationはさまざまなセットアップを経験し、より複雑なシミュレーションを作り出しています。 結論としては、システムが複雑になればなるほど、メリットが大きくなります。 自動車産業をはじめ、さまざまな業界の機械メーカーが恩恵を受けると確信しています。 ライフサイクルの他の段階におけるシミュレーションと同様に、バーチャルな試運転も、早い段階でプロセスを保護するために、自動車産業の要求仕様にますます見られるようになってきています。

拡張性のあるシナリオ(すべての要件に対応)

この場合、ロボット経路を含むNX MCDのキネマティックモデルと、仮想SIMATICコントローラーS7-PLCSIM AdvancedのPLCプログラムの相互作用により、モーションシーケンスをテストして最適化し、仮想的にプラントを試運転することが可能です。 SIMATICコントローラーと同様に、SINAMICSコンバーターとSIMOTICSサーボモーターもソフトウェアおよび/またはハードウェアインザループとして統合する必要があり、実証済みの技術オブジェクトを使って非常に現実的にシミュレーションすることができます。 SIMITのシミュレーション環境と標準化されたインターフェースを使用することで、主要メーカーの追加コントローラーやロボットコントローラーを簡単に統合することができます。 複雑な異種のソリューションも、この方法で詳細に調べることができます。 また、オペレーターによる制御と監視は、デジタルまたはリアルのSIMATIC HMI(ヒューマンマシンインターフェース)でシミュレーションすることができます。

「最初の手間が報われ、個々のケースで実際の付加価値が提供されます。 シミュレーションの専門知識により、高品質でフェールセーフなプログラムやプラントをより早く完成させることができます。」

Thomas Grahl、マネージャーディレクター blue automation GmbH

デジタルツインによる最適化

デジタルツインは、3次元CADデータから生成されたオートメーション化対象のプラントの仮想イメージです。 NXメカトロニクスコンセプトデザイナーに転送し、「メイドキネマティック」、つまり重要な部分に物理的特性を持たせてデジタルで「トラバースを可能」にすることで、複雑な動作シーケンスを実行、分析、モデルで調和させることができます。 部品同士がぶつかり合って破損するリスクもありません。 通常の開発プロセスでは、部品を製造し、取り付け、テストを行い、時には何度もループさせる必要があります。 そのため、製品開発に時間がかかったり、後工程を含めて生産が滞ったりすることがあります。

「今回のプロジェクトで作成したシミュレーションでは、2台のロボットの相互作用と作業配分を細かく調整することで、より速く、安定した、衝突のない工程を実現することができました。」

blue automation GmbH バーチャルコミッショニング部門責任者、Kevin Spörl(ケビン・シュペール)氏

その結果、従来のやり方では発見が遅れてしまいそうなグリッパーの設計の調整もできました。 このメカニカルキネマティックセーフガードは、静止画ではわからない問題を早期に発見できるため、それだけでも努力する価値がある場合が多いのです。 特に新規プロジェクトのライフサイクルの初期段階において、シミュレーションを行うことで信頼が生まれ、開発リスクが認識され最小化されるため、双方がより保護されることになるのです。

この場合、プロセスの安全性、品質、生産性の最大化という目的を十分に達成することができました。 40秒以上かかっていたサイクルタイムを20秒以下に、基本的に半分以下に短縮することができました。 そして、IOテストされた部品のみがお客様に供給されます。

オートメーションにおけるシミュレーション - より安全で、より短い時間で実行可能

さらに、モデルでの自動化ソリューションのシミュレーションの利点も追加されています。 1つ目は、ユーザー側で実際の試運転を開始するための、明確に構成された非常に成熟したプログラムです。 これにより、プレッシャーのかかるテスト作業や後期のプログラム変更を大幅に削減し、より迅速な生産開始を実現しました。 「試運転エンジニアは、波乱万丈の最終局面を自信を持って迎えられるようになりました」とThomas Grahlは言っています。 このプロジェクトでは、社内のロボット専門家によると、通常、機械的な微調整が必要なシミュレーションで最適化されたロボットグリッパーも、最初から完璧に動作しているとのことです。

全体として、プラントの実際の試運転時間を半分以下に短縮することができました。そして、重要なお客様をもう一度納得させることができました。 今後は、事前シミュレーションやバーチャル試運転など、共同プロジェクトが常に実施される予定です。 すでに第一弾のフォローアッププロジェクトが始まっています。