Aktuální vydání

celé číslo

02

2021

Systémy pro řízení vodárenských sítí a ČOV

Hladinoměry

celé číslo

Rapid prototyping a simulace HIL při konstruování těžké techniky

Proces vývoje užitkových vozidel a těžké techniky nových generací je složitý. Metoda simulace Hardware In the Loop (HIL) dává konstruktérům možnost modelovat a virtuál­ně testovat stroje pomocí simulačního softwaru, což vývoj zrychluje a zlevňuje. Metoda HIL také umožňuje testování poruch a kritických hraničních situací bez ohrožení osob nebo stroje. 

Těžká technika se používá k hloubení zeminy, ražení tunelů, při stavbě silnic a železnic i zvedání extrémně těžkých břemen. Tyto stroje musí být nejen robustní a výkonné, ale také mimořádně spolehlivé, přesné a bezpečné. Věžové jeřáby mohou zvedat kontejnery, které váží několik tun, do výšky sta metrů a ukládat je na stavební plošinu s centimetrovou přesností, to vše třeba i v centru hustě osídleného města. Vývoj takového zařízení a testování prototypů jsou proto složité a nákladné procesy.

Fraunhoferův institut pro aplikovanou matematiku ITWM (Fraunhofer Institut für Wirtschaftsmathematik) v Kaisers­lauternu (Německo) disponuje unikátní testovací stolicí založenou na simulacích Hardware In the Loop (HIL). V zásadě lze jakýkoliv stroj a jeho ovládací prvky připojit k simulačnímu softwaru a virtuálně jej testovat. V automobilovém průmyslu je HIL již standardním nástrojem při vývoji nových modelů osobních vozů. U užitkových vozidel to ale zatím neplatí. Vědci Fraunhoferova institutu však zjistili, že průmysl užitkových vozidel má velmi podobné požadavky, co se týče zkracování inovačního cyklu, stále narůstající modularity konstrukčních návrhů a digitalizace řídicích systémů. Proto zavedli i v případě užitkových vozidel tento koncept testování. „Náš simulátor HIL nám umožňuje testovat těžká zařízení všeho druhu, včetně různých typů jeřábů a čerpadel betonu,“ vysvětluje vedoucí projektu Dr. Christian Salzig.

 

Digitální dvojče stroje uvnitř simulátoru

V prvním kroku je testovaný stroj reprodukován do počítačového modelu zahrnujícího všechny technické specifikace, jako jsou rozměry, údaje o výkonu motoru, pevnost nosné konstrukce, rozložení hmotnosti, úhly, kterými se výložníky pohybují, délka výložníku atd. Fyzikální zákony mechaniky, hydrauliky a elektroniky, síly, tlaky a řídicí signály jsou do modelu – digitálního dvojčete – integrovány jako matematické rovnice a čísla. A tak vzniká digitální dvojče.

V dalším kroku je simulátor s digitálním dvojčetem připojen k elektronickým řídicím jednotkám, kterými je stroj ovládán. Specialista obsluhuje veškeré ovladače a joysticky, které jsou rovněž připojeny k řídicím jednotkám. Animovaná 3D grafika zobrazuje všechny pohyby stroje na displeji.

Simulace HIL odhaluje úroveň přesnosti, s jakou řídicí jednotka a stroj spolupracují, a jak citlivé jsou ovládací prvky, např. joysticky. Moderní těžké stroje obsahují množství senzorů, které registrují hodnoty, jako jsou točivý moment a zrychlení výložníků, tlak, zatížení kabeláže a sklon terénu pod strojem. I zde simulace ukazuje, zda je komunikace mezi strojem a řídicí jednotkou přesná a okamžitá. Lze simulovat také technické poruchy. Například co se stane, když se kabel zlomí ve spoji nebo dojde ke ztrátě tlaku v hydraulice zvedacího prvku?

 

Bezpečnost a limitní situace

Bezpečnost hraje při provozu užitkových vozidel a těžkých zařízení klíčovou roli. „Výrobci chtějí vědět, čeho je jejich stroj schopen v hraničních situacích a kdy se věci mohou stát kritickými,“ říká Christian Salzig. Simulátor např. testuje, co se stane, když se náklad začne kývat nebo se v přepravním kontejneru rozkmitá hladina tekutin. Rovněž testuje, jak zařízení, např. teleskopická plošina, reaguje, je-li terén, na kterém stroj stojí, nestabilní nebo nakloněný. Díky testům HIL mohou konstruktéři na digitálním dvojčeti zjistit, pod jakým úhlem se stroj stává nestabilním, nebo se dokonce převrátí.

V reálném prostředí se skutečnými stroji by takové testy byly drahé a riskantní. Simulace HIL je umožňuje bez toho, aby byli ohroženi lidé nebo poškozeny, či dokonce zničeny drahé prototypy.

 

Rapid prototyping těžkých zařízení

Díky zkušební stolici ve výzkumném centru Fraunhoferova institutu ITWM mohou výrobci posoudit, vylepšit a optimalizovat životaschopnost a výkon stroje již ve fázi vývoje. Není třeba čekat, až bude vytvořen první kompletní prototyp. Všechny funkce a zatížení lze otestovat během fáze konceptu. Tento proces se také označuje jako rapid prototyping. Výrobci užitkových vozidel tak mohou rychleji zavádět nové generace produktů a snižovat náklady na vývoj.

S každou novou generací produktů se výrobci snaží minimalizovat použití materiálů, snížit spotřebu energie, integrovat nové funkce, zmenšit rozměry a zvýšit mobilitu stroje. Rovněž tyto typy vylepšení umožňuje testování HIL. Simulace dovoluje odborníkům zjistit, zda by určitá požadovaná charakteristika nebo únosnost byla možná i při nižších nákladech na materiál nebo zda by stejného výkonu a funkce bylo možné dosáhnout i na menším stroji. Například kompaktní mobilní jeřáb by pak mohl pracovat na místech, která by pro jeho předchůdce byla příliš malá. S menším jeřábem by bylo možné bezpečně zvednout stejné břemeno a dosáhnout stejné výšky.

Odborníci společnosti Fraunhoferova institutu ITWM udržují kontakt s výrobci po celou dobu složitého procesu testování. „Není to tak, že bychom obdrželi objednávku, provedli testy a poté sepsali protokol o zkoušce. Během celé řady testů se zadavateli úzce spolupracujeme a navzájem diskutujeme o dalších krocích,“ vysvětluje Christian Salzig.

Institut v současné době plánuje další expanzi: integraci komunikační sítě 5G. V následujících letech bude hrát stále větší roli v bezdrátovém ovládání průmyslových strojů a zařízení. Fraunhoferův ústav ITWM nyní pracuje na rozhraní, které kombinuje simulátor HIL s vysílacími a přijímacími moduly 5G.

[Rapid prototyping: testing heavy equipment in software. Tisková zpráva Fraunhoferova ústavu ITWM, listopad 2020.]

(jh)

Obr. 1. Vzhledem ke komplexním ovládacím prvkům a dynamice jsou mobilní jeřáby ideální pro rychlé prototypování pomocí simulace HIL

Obr. 2. Platforma HIL Fraunhoferova institutu ITWM umožňuje sběr a generování dat pro mnoho typů signálů i komplexní simulaci poruch

Obr. 3. Digitální dvojče v animovaném grafickém znázornění – zde čerpadlo betonu – reaguje na každý signál, který přijímá z řídicí jednotky