Kenneth Bodin

–Målet är att kunna drifttesta hela fabriken virtuellt, sedan bygger man den, och då ska alla styrsystem helst funka rakt av, säger Algoryx vd Kenneth Bodin.

VC öppnar uppenbara möjligheter till optimering – kostnaden för experiment blir exempelvis jämförelsevis försumbar.

En VC-byggd fabrik är också en grund för en så kallad digital tvilling – en simulator av hela fabriken som snurrar parallellt med driften.

EU försöker få arbetssättet att mogna till en standard. Virtuella modeller skulle kunna finnas hos underleverantörerna och vara standardiserade så till den grad att det går att bygga hela fabriker genom att sätta samman virtuella komponenter. 

Fysiken simuleras noggrannt för att verkligheten ska fungera på millimetern som modellen.

Det EU-projekt som har stafettpinnen i arbetet just nu heter Entoc – Engineering Tool Chain for Efficient and Iterative Development of Smart Factories – och ska avslutas i år. 

Den europeiska fordonsindustrin gillar VC-konceptet och i Entoc hittar vi bland annat Daimler och Volvo Lastvagnar.

Den senares hyttfabrik i Umeå är experimentverkstad. Projektet är i skarp drift i tre stationer med robotar som flyttar plåtar, punktsvetsar, rullfalsar, limmar, med mera. 

En slutdemonstrator kommer att visa upp hela verktygskedjan. Därefter ska Volvo sprida sina insikter från Entoc till övriga produktionsanläggningar.

Eventuellt tas idéerna i djupare bruk vid planerade förändringar i Umeå. 

Det är tusen fysiska fenomen som behöver simuleras i en virtuell fabrik – råmaterial, pneumatik, kinematik, hydraulik, slitage, hållfasthet, specifika motorers egenskaper, och så vidare. Sensorer, nätverk, styrdatorer och deras programvara behöver också modelleras.

Det ska gå att bygga och testa varianter av processlinor och scenarier i modellen och få återkoppling för att identifiera flaskhalsar, få dimensioner på flöden eller snurra motorerna i olika hastigheter för att se var gränserna går.

Så kallade cykeltider är inte längre uppskattningar, utan du kan peka på en simulering som exakt berättar hur många sekunder det tar att flytta en plåt från A till B. Ofta kan saker göras i olika ordning i en robotcell. Virtuellt kan du testa tusen varianter för att hitta den effektivaste.

Martin Nilsson

–Du kan kanske klämma in ett extra moment samtidigt om det hinner färdigt – lite som när någon smiter in och tar ett glas vatten medan någon annan diskar men inte använder vattenkranen, förklarar Martin Nilsson, projektledare på svenska simulatorföretaget Algoryx, som är en av de svenska deltagarna.

I princip byggs virtuella fabriker med samma metoder som datorspel, och i praktiken till och med delvis med samma verktyg, exempelvis spelmotorn Unity för visualisering. Skillnaden är förstås de strikta kraven på noggrann fysisk realism.

Vad gäller simulering behöver du inte behöva ändra på den kod du redan har. Standarderna FMI och FMU (Functional Mock-up Interface respektive Unit) används för att pussla samma simulatorer med varandra. De utvecklades i projektet Modelisar, en föregångare till Entoc. 

En FMU är en körbar simulering av en komponent som kan anslutas till andra FMU:er. En viktig detalj är att specifikationen inte avslöjar industrihemligheter om hur komponenten fungerar på insidan.

Denna artikel har tidigare publicerats i magasinet Elektronik­tidningen. För dig som jobbar i den svenska elektronik­branschen är Elektronik­tidningen gratis att prenumerera på – våra annonsörer betalar kostnaden. Här tecknar du prenumeration (länk).

Energianvändning finns inte i modellerna i Entoc, men däremot i ett systerprojekt kallat Spear som studerar användningen av virtuella tvillingar under drift. 

Entocs deltagare är spända över mottagandet. 

–Vi diskuterar mycket på arbetsmöten och reviews hur vi ska sprida verktygskedjan till företag utanför projektet, säger Martin Nilsson.

Han konstaterar att ”The Entoc Tool Chain” nu finns och fungerar för den som vill testa. Det som återstår är att de som levererar hissar, vridbord, servomotorer, PLC:er och andra komponenter, börjar definiera simuleringsmodeller.

–Det är i oklart i vilket utsträckning detta är i möjligt i dagsläget och när OEM:er som till exempel Volvo och Daimler, kan börja ställa det som krav på sina underleverantörer. 

En sondering av läget i Tyskland har gjorts av de tyska deltagarna i projektet på en workshop. Ett liknande event planeras i Sverige av Volvo och Chalmers

–Vad som då framkommit är att det finns ett behov av den här typen av arbetsflöde.

Entoc har en modelldatabas klar i en webbtjänst, så det är i princip bara att sätta igång och ladda upp – även om det ännu inte är klarlagt i vems regi den ska drivas.

Kristofer Bengtsson, automationsforskare på projektdeltagaren Chalmers, tror adoptionen kommer att ske snabbt. Om fem år tror han virtual commissioning kommer att vara standard i tillverkningsindustrin för robotik och styrning.

Kristofer Bengtsson

–Linjebyggare och industri inser att det är värt det, även om det initialt innebär mycket jobb.

Nästa projekt efter Entoc kan handla om att sprida simuleringen till större delar av organisationen.

–Vi vill att simuleringar och analys av simuleringsresultat ska bli en naturlig och självklar del av alla delar av verksamheten, både brett och högt, säger Martin Nilsson på Algoryx.

Algoryx pusslar samman simuleringarna

Algoryx i Umeå är en svensk partner i Entoc. Företaget är känt för sin mjukvara för fysiksimulering. Den används till exempel för att utveckla ABB-robotar och för att hjälpa Japan att simulera röjningsrobotar i Fukushima. Du behöver inte gissa hur lång tid en manöver tar – simulatorn har redan berättat det. Nu är Algoryx dessutom integrerad i Entocs verktygsskedja. För att förstå exakt hur måste vi gräva oss ner i simuleringskonsten. Simulatorvärlden består av olika sorters specialiserade simulatorer. Det finns tusen aspekter på fysiska fenomen som var och en måste simuleras på sitt eget sätt för att bli beräkningsmässigt effektiv. Hur olika simuleringsparadigmen än är, ska de kunna samköras i Entoc. Det sker med hjälp av Algoryx verktyg AGX Dynamics. En cylinder från en leverantör kan kopplas samman med en robotarm från en annan, trots att den ena är en simulator av pneumatisk dynamik och den andra av en elmotor.  AGX Dynamics simulerar hur rörelserna i de två propagerar in i och påverkar resten av robotcellen och därmed vilken återkopplingskraft som de får tillbaka.  Djävulen sitter i detaljerna och konsten är att göra simuleringen med hög noggrannhet. Där har Daimler efter en analys nickat imponerat åt Algoryx insats. – Vi har fullföljt de åtaganden vi tog på oss i början av projektet. Under resten av projekttiden kommer vi främst ha en stödjande roll i arbetet med att ta fram demonstratorer, berättar Martin Nilsson på Algoryx. Nämnda robotarm är en av dem. Arbetet med att bygga en mer avancerad variant med fler rörliga delar är påbörjat i samarbete med Chalmers och Volvo. Utöver integreringsarbetet har Algoryx snickrat på egna modeller för att låta dem simulera fler fenomen – som kabelslitage och olika motormodeller.  Och dessutom hjälpt projektpartners att addera fysik och beteenden till sina CAD-modeller. Samarbetet har fungerat bra, upplever Algoryx. – Det har varit tydligt vad som ska göras i projektet, hur alla delar ska passa ihop, och vem som ska göra vad. Alla inblandade har varit engagerade. Vi kom snabbt överens om de tre stora frågorna: vad, hur och vem?  Det som strulat har mest varit konventionella tekniska mjukvaru­problem – versions­konflikter, in­kom­pa­ti­bi­li­tets­problem, oklarheter kring format, samt frågetecken om vad som egentligen behöver kommuniceras mellan olika delar av systemet.

Chalmers jämkar när modell och verklighet glider isär

Tänk dig att ingenjörerna satt ihop en fin virtuell modell av tillverkningslinan och nu är den fysiskt byggd. Men så fort produktionen startar så börjar det ske justeringar på golvet och modell och verklighet glider isär.  Hur får man ihop dem igen? Det är en av de frågor som sysselsätter Chalmers i dess roll som partner i Entoc. Problemet att jämka samman isärglidande modell och verklighet är ett av åtta arbetspaket i Entoc. Artikeln är tidigare publicerad i magasinet Elektroniktidningen. Prenumerera kostnadsfritt! Den första ansatsen kunde möjligen vara att se till att de två aldrig glider isär. Den som ändrar på verkligheten på golvet får snällt se till att uppdatera även modellen, och tvärtom. Men det går inte. Det är testat. Det är inte samma ingenjörer som arbetar med de här två uppgifterna. Och även om det var det, skulle det kosta mer än det smakade att hålla hundratals stationer i synk med sina modeller. – När man väl drifttagit systemen lever de i 10–15 år och det sker hela tiden små förändringar. I princip hålls aldrig de digitala modellerna uppdaterade. Det skulle kräva enormt mycket ingenjörsarbete, säger Kristofer Bengtsson på automationsforskargruppen på Chalmers. Att ta fram digitala modeller innebär en stor investering som är värd att hålla vid liv. Men eftersom det inte sker kontinuerligt, blir det första steget när det är dags, att kartlägga i efterhand hur systemet ändrats. Man undersöker två domäner – logiken och geometrin. Det gör man genom att ”lyssna på” systemet – läsa av data från robotar och styrsystem.  Entocprojektet inleddes med att stationerna avlyssnades, eftersom Umeåanläggningen ju redan fanns på plats. Logiska förändringar ser man bland annat genom att ordning och timing för händelser förändras. För att se geometriska förändringar använder man laserscanning eller skickar upp quadkoptrar som tar hundratals bilder som sätts samman till punktmoln – 3D-modeller – och jämförs med tidigare punktmoln. Objekt i bilderna identifieras med hjälp av maskininlärning. Driftstörningar och felgrepp kan upptäckas i sensorloggar, men det är inte det som görs här, utan i Entoc handlar det om att kartlägga avsiktliga förändringar i tillverkningen eller i modellen. Ett av momenten i den avslutande demonstratorn i år, kommer att vara att introducera en förändring i maskin eller modell, och visa hur den hanteras.

Det huvudsakligen svensk-tyska projektet Entoc startade 2016 och ska sluta i augusti i år.  Svenska deltagare är Algoryx, Schneider Electric Sweden, Chalmers och Volvo Trucks. I Tyskland medverkar Daimler, Edag, EKS Intec, Festo, IFAK Magdeburg, Tarakos och TWT.