Simulazione: dal concept al virtual twin
Pubblicato il 04 Giugno 2025 a Industry 4.0
Simulazione: dal concept al virtual twin
In che modo i produttori possono sfruttare la potenza della simulazione per realizzare progetti reali al primo tentativo? L'idea di utilizzare la simulazione per fornire informazioni alla progettazione di fabbrica risale ormai a molti anni fa, persino a prima dell'avvento dei computer. I primi esempi di simulazione erano modelli fisici che consentivano agli ingegneri di testare processi e progetti su piccola scala prima di passare allo scale-up. Sebbene si applichino ancora gli stessi principi di base, la simulazione attualmente avviene in ambiente virtuale. Questo offre una capacità ben maggiore di creare processi complessi per testare l'effetto delle variabili sui risultati; le tecnologie basate sull'intelligenza artificiale sono state fondamentali per raggiungere questo livello di flessibilità e sofisticazione.Simulazione senza confini
La prossima frontiera della simulazione è il passaggio a un approccio più olistico. Nella produzione è diventata una consuetudine eseguire una simulazione robotica e mediante PLC: di rado le fabbriche vengono costruite senza che l'automazione e i controlli siano stati collaudati in un ambiente virtuale. Tuttavia, con l'avvento delle tecnologie della Smart Factory, i limiti della simulazione di macchine o processi isolati stanno diventando evidenti.
La convergenza IT/OT, ossia l'integrazione dei sistemi di gestione dati (IT) con i sistemi operativi industriali (OT), sta introducendo nuove sfide per la simulazione. Le piattaforme di simulazione di sistemi singoli non tengono conto della connettività che le fabbriche cercano in termini di raccolta, condivisione, analisi e utilizzo dei dati. Tenendo presente questo aspetto, diversi settori manifatturieri (automobilistico, farmaceutico e cosmetico, solo per citarne alcuni) sono alla ricerca di soluzioni di simulazione in grado di replicare interi stabilimenti di produzione.
E le sfide non si fermano necessariamente qui. La gestione delle operazioni e della catena di approvvigionamento sta diventando sempre più interdipendente e i modelli digitalizzati e di simulazione dovranno prendere in considerazione fattori che vanno oltre il perimetro della fabbrica. È necessario, ad esempio, tenere conto della variabilità dei materiali in arrivo e delle interruzioni della catena di approvvigionamento.
C'è una domanda crescente di strumenti di simulazione per esplorare le sinergie tra siti diversi, esaminare in che modo più impianti possono scambiarsi dati, e analizzare e confrontare le prestazioni di stabilimenti diversi. Inoltre, molti produttori che si stanno spostando verso un modello DAMA (Design Anywhere, Manufacture Anywhere) hanno bisogno della simulazione per verificare in che modo è possibile ottenere risultati omogenei in luoghi diversi con input variabili.
Strategie di simulazione
Sono disponibili cinque strumenti di simulazione che svolgono un ruolo prezioso nella progettazione di una fabbrica digitalizzata: Model-in-the-Loop (MiL), Software-in-the-loop (SiL) e Hardware-in-the-loop (HiL) per la convalida dei concept, digital twins per simulare processi reali e scenari di ottimizzazione e virtual twins per il monitoraggio e il miglioramento continui delle fabbriche attive.
1. Model-in-the-Loop (MiL)
Il MiL è utilizzato nelle prime fasi di sviluppo. Simula un sistema insieme al suo modello di ambiente per testare gli algoritmi prima di passare a SiL e HiL. In questa fase, è possibile generare gran parte del software di controllo. La generazione automatizzata del codice abbatte i tempi di sviluppo e riduce al minimo gli errori umani.
2. Software-in-the-Loop (SiL)
Il SiL testa il software di automazione alla base del progetto della fabbrica: dal software embedded agli algoritmi e ai loop di controllo. Esegue il software su una piattaforma virtuale, consentendone la convalida in assenza dell'hardware fisico. Questa prima verifica aiuta a individuare bug che potrebbero essere costosi da correggere in un secondo momento.
3. Hardware-in-the-Loop (HiL)
Il passo seguente è l'hardware. Questa fase ha inizio con un PLC o un controller di movimento che esegue la macchina virtuale. Gradualmente, vengono aggiunti componenti hardware come motori, sensori e sistemi di visione, creando un ambiente ibrido. L'HiL è molto diffuso nel settore automobilistico, in particolare per testare i sistemi di assistenza alla guida avanzati (ADAS).
4. Digital twins
Un digital twin, o gemello digitale, è una replica virtuale di un prodotto, un processo o un sistema. Ne rispecchia il comportamento reale utilizzando un modello CAD in 3D collegato a dati in tempo reale. Il digital twin di un robot, ad esempio, consente ai produttori di testare carichi utili, flussi di lavoro e altre variabili per favorire un miglior processo decisionale.
5. Virtual twins
I digital twin possono evolversi in virtual twins, o gemelli virtuali, che simulano comportamenti avanzati. Non esiste un chiaro limite tra i due, ma in genere un digital twin diventa un virtual twin quando l'hardware è collegato e inizia a scambiare dati in tempo reale con la fabbrica attiva. A quel punto, esso funziona continuamente, in parallelo con il funzionamento reale.
Sysmac Studio: un ambiente di sviluppo integrato
Sysmac Studio, lo strumento di simulazione OMRON, offre agli ingegneri strumenti avanzati per la programmazione, la simulazione e il monitoraggio di PLC, controllori di movimento, sistemi di visione e altri dispositivi di automazione. Offre tre vantaggi chiave oltre ad altre soluzioni per l'automazione industriale:
1. Logica di sicurezza
La sicurezza è un aspetto della progettazione della fabbrica che spesso viene trascurato dai fornitori di simulazioni. Troppo spesso nei test virtuali le aziende si concentrano sugli aspetti delle prestazioni di un sistema o di un processo, per poi individuare problemi di sicurezza che richiedono la riprogettazione in una fase molto più avanzata. OMRON è unica nel suo genere in quanto la sua piattaforma di simulazione 3D integra una logica di sicurezza, consentendo ai produttori di eseguire test di sicurezza completi di funzioni quali arresti di emergenza, sensori e barriere fotoelettriche di sicurezza, nonché di implementare strategie ottimali per il posizionamento e la programmazione delle porte di protezione delle macchine, ad esempio.
2. Debugging virtuale
La capacità di eseguire il debug della progettazione di un sistema di automazione in un ambiente virtuale è un'applicazione che pochi fornitori di servizi di simulazione possono offrire. OMRON ha coniugato rendering e simulazione ad alta fedeltà per progettare un'applicazione di debug 3D per l'identificazione dei guasti. Gli utenti possono collegare virtualmente i propri sensori ed eseguire il debug di una macchina o di una linea.
3. Librerie dei blocchi funzione
OMRON ha sviluppato una libreria di blocchi funzione PLC che possono essere utilizzati sia nell'ambiente di simulazione che nel mondo reale. Questi componenti software sono file che possono essere caricati in un sistema di controllo per fornire al PLC tutte le funzionalità necessarie per eseguire quella particolare applicazione, accelerando così il processo di progettazione. Attingendo all'ampia esperienza di OMRON, tali componenti coprono aree quali saldatura, avvolgimento, srotolamento, utensili a pressione, robotica, movimento, ispezione e altro ancora. I blocchi funzione sono disponibili anche per l'uso in ambiente virtuale, consentendo la creazione di simulazioni molto più dettagliate e assai più vicine alla realtà.
Vantaggi reali della simulazione virtuale
La simulazione è una pietra miliare della fabbrica digitale. Vi sono tanti modi in cui essa può offrire vantaggi reali: dalla semplificazione dell'analisi della modalità di guasto e dei suoi effetti, che può fornire informazioni sulle strategie di manutenzione, alla possibilità di eseguire la parallelizzazione per ottimizzare le prestazioni e accelerare il time-to-market abbreviando i cicli di pianificazione e progettazione fino al 25% e molto altro ancora.
Per il settore dell'automotive, in cui i cicli di vita dei prodotti si stanno riducendo mentre quelli di innovazione stanno accelerando, la simulazione fornisce l'agilità necessaria per restare competitivi. Ad esempio, il virtual twin di una linea di produzione di batterie di un veicolo elettrico consentirà ai produttori di testare i flussi di lavoro, ottimizzare la movimentazione dei materiali e identificare potenziali colli di bottiglia prima di investire nelle apparecchiature.
Nel settore cosmetico, in cui la progettazione dei prodotti deve tenere conto di tendenze stagionali, preferenze regionali e disponibilità di ingredienti, gli strumenti di simulazione possono testare diverse formulazioni e configurazioni di produzione prima di eseguire le sperimentazioni fisiche.
Grazie alle partnership, OMRON offre nuove proposte di valore ai produttori che desiderano esplorare approcci di simulazione avanzati. Combinando la competenza di IT e la conoscenza dell'automazione industriale di OMRON, queste collaborazioni permettono uno scambio aperto e veloce di dati in tempo reale tra sistemi IT e operazioni OT, fornendo delle piattaforme per il progresso delle soluzioni di simulazione.
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