Convergence du virtuel et du réel

Lorsqu'un fabricant de machines développe de nouvelles machines, une de ses premières préoccupations est de les fabriquer et de les mettre sur le marché le plus vite possible. En cas de retard ou de complication, ou si les prototypes ne sont pas probants, la viabilité économique d'un projet de développement de machines peut être compromise. 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.

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 notamment 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," explique Isabella Laasch, cheffe de produit Simulation & Digital Twin Technology chez B&R. "C'est pourquoi il doit être 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. Le développeur de la machine voit ainsi immédiatement l'impact d'une nouvelle combinaison de composants machine sur les flux de produits. Les temps d'arrêts non nécessaires sont également identifiés rapidement.

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 en interaction avec le contrôleur temps réel," explique I. Laasch.

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 I. Laasch.

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 des 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.

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 jumeau 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 I. Laasch. Ceci a un impact positif sur le retour sur investissement.

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 fournit la machine en temps réel, le jumeau numérique fonctionne comme un double virtuel de la machine au sein de l'armoire électrique," explique I. Laatsch. Si le comportement de la machine réelle s'écarte du fonctionnement normal (en raison d'un roulement usé, par exemple), le changement est immédiatement détecté. Les données alors collectées peuvent être utilisées 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.