Simulation : du concept au jumeau virtuel
Publié le 4 juin 2025 dans Industry 4.0
Simulation : du concept au jumeau virtuel
Comment les fabricants peuvent-ils exploiter la puissance de la simulation pour obtenir une conception réaliste dès le départ ? Le concept d'utilisation de la simulation pour éclairer la conception d'une usine existe depuis des années, avant même l'apparition des ordinateurs. Les premiers exemples de simulation étaient des modèles physiques qui permettaient aux ingénieurs de tester les processus et les conceptions à petite échelle avant de les transposer à plus grande échelle. Si les mêmes principes sous-jacents s'appliquent toujours, de nos jours, la simulation se déroule dans un environnement virtuel. Les technologies basées sur l'intelligence artificielle ont joué un rôle déterminant dans l'obtention de ce niveau de flexibilité et de sophistication.Les simulations sans frontières
La prochaine frontière de la simulation est le passage à une approche plus holistique. Dans l'industrie manufacturière, la simulation de robots et d'automates est devenue une évidence : les usines sont rarement construites sans que l'automatisation et les commandes aient d'abord été testées dans un environnement virtuel. Mais avec l'avènement des technologies d'usine intelligente, les limites de la simulation de machines ou de processus isolés deviennent évidentes.
La convergence IT/OT : l'intégration des systèmes de gestion des données (IT) avec les systèmes d'exploitation industriels (OT), introduit de nouveaux défis pour la simulation. Les plateformes de simulation à système unique ne tiennent pas compte de la connectivité que les usines s'efforcent d'obtenir en termes de collecte, de partage, d'analyse et d'utilisation des données. C'est pourquoi de nombreux secteurs manufacturiers, automobile, pharmaceutique et cosmétique, pour n'en citer que quelques-uns, sont à la recherche de solutions de simulation capables de reproduire des usines entières.
Et cela ne doit pas nécessairement s'arrêter là. Les opérations et la gestion de la chaîne d'approvisionnement sont de plus en plus interdépendantes et numérisées, et les modèles de simulation devront prendre en compte des facteurs qui dépassent les murs de l'usine. La variabilité des matériaux entrants et les perturbations de la chaîne d'approvisionnement doivent être prises en compte, par exemple.
Il existe également un besoin croissant d'outils de simulation pour explorer les synergies entre différents sites, pour examiner comment plusieurs usines peuvent échanger des données, et pour étudier et comparer les performances de différentes usines. En outre, comme de nombreux fabricants s'orientent vers un modèle DAMA (Design Anywhere, Manufacture Anywhere), ils ont besoin d'outils de simulation pour déterminer comment des résultats cohérents peuvent être obtenus sur différents sites avec des intrants variables.
Stratégies de simulation
Cinq outils de simulation ont un rôle précieux à jouer dans la conception d'une usine numérisée : Model-in-the-Loop (MiL), Software-in-the-Loop (SiL) et Hardware-in-the-Loop (HiL) pour valider les concepts ; les jumeaux numériques pour imiter les processus du monde réel et optimiser les scénarios ; et les jumeaux virtuels pour le contrôle et l'amélioration continus des usines en activité.
1. Model-in-the-Loop (MiL)
Le MiL est utilisé dans les premières phases de développement. Il simule un système avec son modèle d'environnement pour tester les algorithmes avant de passer au SiL et au HiL. À ce stade, une grande partie du logiciel de contrôle peut être générée. La génération automatisée de code réduit le temps de développement et minimise les erreurs humaines.
2. Software-in-the-Loop (SiL)
Le SiL teste le logiciel d'automatisation qui sous-tend la conception de l'usine, du logiciel intégré aux algorithmes et aux boucles de contrôle. Il exécute le logiciel sur une plateforme virtuelle, ce qui permet de le valider sans matériel physique. Ces tests précoces permettent de détecter des bogues dont la correction ultérieure pourrait s'avérer coûteuse.
3. Hardware-in-the-Loop (HiL)
Vient ensuite le matériel. Il s'agit d'abord d'un automate ou d'un contrôleur d'axes qui exécute la machine virtuelle. Progressivement, des composants matériels tels que des moteurs, des capteurs et des systèmes de vision sont ajoutés, créant ainsi un environnement hybride. Le HiL est populaire dans l'automobile, en particulier pour tester les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS).
4. Jumeaux numériques
Un jumeau numérique est une réplique virtuelle d'un produit, d'un processus ou d'un système. Il reflète le comportement du monde réel à l'aide d'un modèle CAD en 3D lié à des données réelles. Par exemple, le jumeau numérique d'un robot permet aux fabricants de tester les charges utiles, les flux de travail et d'autres variables afin d'améliorer la prise de décision.
5. Jumeaux virtuels
Les jumeaux numériques peuvent évoluer vers des jumeaux virtuels qui simulent des comportements avancés. Il n'y a pas de limite précise, mais en général, un jumeau numérique devient un jumeau virtuel lorsque le matériel est connecté et qu'il commence à échanger des données en temps réel avec l'usine. À ce stade, il travaille en continu et en parallèle avec l'opération réelle.
Sysmac Studio : un environnement de développement intégré
Sysmac Studio, l'outil de simulation d'OMRON, offre aux ingénieurs des outils avancés pour la programmation, la simulation et la surveillance des automates programmables, des contrôleurs de mouvement, des systèmes de vision et d'autres dispositifs d'automatisation. Il offre trois avantages clés qui dépassent les autres solutions d'automatisation industrielle :
1. Logique de sécurité
La sécurité est un aspect de la conception d'une usine qui est souvent négligé par les fournisseurs de simulation. Trop souvent, les entreprises se concentrent sur les aspects de performance d'un système ou d'un processus dans leurs tests virtuels, pour découvrir beaucoup plus tard des problèmes de sécurité qui nécessitent une nouvelle conception. OMRON est unique en ce sens que sa plateforme de simulation 3D intègre la logique de sécurité, ce qui permet aux fabricants d'effectuer des tests de sécurité complets sur des fonctions telles que les arrêts d'urgence, les barrières immatérielles de sécurité et les capteurs, et d'élaborer des stratégies optimales pour l'emplacement et la programmation des portes de protection des machines, par exemple.
2. Débogage virtuel
La possibilité de déboguer la conception d'un système d'automatisation dans un environnement virtuel est une application que peu de fournisseurs de simulation peuvent offrir. OMRON a associé le rendu haute fidélité et la simulation pour concevoir une application de débogage en 3D permettant d'identifier les défaillances. Les utilisateurs peuvent virtuellement connecter leurs capteurs et déboguer une machine ou une ligne.
3. Bibliothèque de blocs fonction
OMRON a développé une bibliothèque de blocs de fonction PLC qui peuvent être utilisés dans l'environnement de simulation ainsi que dans le monde réel. Ces composants logiciels sont des fichiers qui peuvent être chargés dans un système de contrôle pour fournir à l'automate toutes les fonctionnalités dont il a besoin pour réaliser cette application particulière, accélérant ainsi le processus de conception. S'appuyant sur la vaste expérience d'OMRON, ils couvrent des domaines tels que le soudage, l'enroulement, le déroulement, les outils d'emmanchement, la robotique, le mouvement, l'inspection et bien d'autres encore. Les blocs fonctionnels peuvent également être utilisés dans l'environnement virtuel, ce qui permet de créer des simulations beaucoup plus détaillées et plus proches de la réalité.
Les avantages réels de la simulation virtuelle
La simulation est une pierre angulaire de l'usine numérique. Elle peut apporter de nombreux avantages réels, qu'il s'agisse de faciliter l'analyse des modes de défaillance et de leurs effets pour éclairer les stratégies de maintenance, de permettre la parallélisation pour l'optimisation des performances ou d'accélérer la mise sur le marché en raccourcissant les cycles de planification et de conception jusqu'à 25 %, voire plus.
Pour l'industrie automobile, où les cycles de vie des produits se réduisent et les cycles d'innovation s'accélèrent, la simulation apporte l'agilité nécessaire pour rester compétitif. Par exemple, un jumeau virtuel d'une ligne de production de batteries de véhicules électriques permettra aux fabricants de tester les flux de travail, d'optimiser la manutention des matériaux et d'identifier les goulets d'étranglement potentiels avant d'investir dans l'équipement.
Dans l'industrie cosmétique, où la conception des produits doit tenir compte des tendances saisonnières, des préférences régionales et de la disponibilité des ingrédients, les outils de simulation permettent de tester différentes formulations et configurations de fabrication avant d'entreprendre des essais physiques.
Grâce à des partenariats, OMRON apporte de nouvelles propositions de valeur aux fabricants qui souhaitent explorer des approches de simulation avancées. Combinant l'expertise informatique et le savoir-faire d'OMRON en matière d'automatisation industrielle, ces collaborations permettent l'échange ouvert et rapide de données en temps réel entre les systèmes informatiques et les opérations OT, fournissant ainsi des plateformes pour l'avancement des solutions de simulation.
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