Digitális ikrekkel fejlődnek a hajtásrendszerek

A Siemens 2018-ban kereste meg a UL Solutions-t, hogy segítsenek kifejleszteni egy digitális modellt egy hajtásrendszer-komponens hőmérséklet-emelkedési tesztjének lebonyolításához. A Siemens a UL belső szimulációját és tesztkapacitását használta, az együttműködés végeredménye pedig egy hitelesített szimulációs modell lett a Siemens SINAMICS G220 változó frekvenciájú elektromos hajtásából képzett digitális ikerpáron való hőmérsékleti teszt lebonyolításához.

A hőmérsékleti teszt szükséges a UL állítható sebességű elektromos hajtásrendszerek szabványának teljesítéséhez. A UL Solutions modellező és szimuláló szolgáltatásai szabadalmazott validálási folyamatokat kínálnak, hogy ellenőrizni lehessen a digitális modellek által ígértek valóságtartalmát.

A kutatási projektben részt vevő globális csapat a Siemens és a UL mérnökeiből áll, feladatuk pedig bizonyítani a szimulált modelljeik pontosságát. A projektvezető szerint sok szkeptikus hanggal találkoztak az elején, de győztek a támogatók. A csapat most már úgy hiszi, a hitelesített digitális ikrek tudnak olyan jó eredményeket felmutatni, mint a fizikai mérések, vagy akár jobbakat.

Mi is az a digitális iker?

A digitális iker egy fizikai objektum virtuális reprezentációja. A Siemens szerint a technológia gerince egy szimulációs modell, amely magában foglalja az összes adatot és információt a fizikai tárgyról, hogy aztán azok alapján generáljon virtuális modellt a szimulált objektum viselkedéséről. A fizikai tárgy digitálisan hozzá lehet kapcsolva a digitális ikerhez az élettartama alatt, és az hasznos információkat szolgáltathat a tervezésre, üzemeltetésre és karbantartásra vonatkozóan.

Mitől különleges egy digitális ikerrel végezni a hitelesítést?

Egy villamos hajtásrendszer egy komplex elektronikai termék, ami több mint 1200 alkatrészből áll, melyek közül sok ki van téve hőmérséklet-ingadozásnak. Dirk Müller, a UL Solutions energiaért és ipari automatizálásért felelős igazgatója elmondta, egy fizikai teszt előkészítése időigényes, költséges és sokszor inkonzisztens eredményekhez vezet.

Az elektronikai termékek körében szerinte a komponensek folyamatosan változnak, ezért sokszor meg kellhet ismételni egy-egy kísérletet. Müller elmondta, hogy ugyan egy digitális modellen futtatni a hőmérséklet-emelkedési tesztet kezdetben bonyolultabb lehet és további fizikai validációs tesztekhez vezet, később kifizetődik a termék élettartama alatt és a teljes termékplatformra kivetítve, hiszen egy validált modell kiterjeszthető a különböző, előre meghatározott kereteken belül mozgó termékváltozatokra is.

Mennyire pontosak a szimulált modellek a tervezési fázisban?

A szimuláció egy fizikai tesztekből és validálásból álló ismétlődő folyamat, és a digitális modell folyamatos frissítését kívánja meg. A cél az, hogy a szimulációs modell ugyanolyan megbízhatóságot mutasson, mint a fizikai tesztek. Müller elmondása szerint a UL Solutions hitelesítési programja a fizikai tesztek követelményeit, például az ISO 17025-öt tükrözi a digitális világban. A különböző mérnöki területek, köztük a termékszakértők, a szimulációs mérnökök és a hitelesítési menedzserek szoros együttműködése kritikus fontosságú ahhoz, hogy a piacra kerülő termék teljesítse a biztonsági elvárásokat.

Szimuláció használata a tervezési fázisban megfelelő paraméterek hiányában egyszerre kihívás és lehetőség. Tegyük fel, hogy egy új dizájnt vizsgálunk, amely egy meglévő, már validált modellen alapszik, kisebb változtatásokkal. A modellezéssel és a paraméterek variálásával sokkal jobban megérthető egy-egy módosítás, és a tervezőcsapat optimalizálni tudja a döntéseit a segítségével.

Hasonlítsuk össze ezt a módszert a prototípusok használatával. Müller rávilágított, a prototípusok jellemzően nem egyeznek meg a végső termékkel, de lehetővé teszik a mérnökök számára, hogy megvizsgáljanak különböző tervbeli aspektusokat és fizikai teszteket végezzenek. Ezek a teszteredmények persze nem helyettesítik a végső hitelesítési tesztet a kész terméken. A digitális világban is ez a helyzet. Miután befejeződött a tervezés, a szükséges információk jellemzően rendelkezésre állnak és betáplálhatók a virtuális modellbe.

Az ismert kritériumok segítenek validálni a szimuláció eredményeit

A változó frekvenciájú hajtások esetében a mérnökök hozzáférnek a kritériumokhoz, amelyek relevánsak a hitelesítéshez. Ezek között vannak az olyan adatok, mint a veszteségek a rendszeren belül, vagy a levegő áramlása a hajtásban. Ha megértjük, hogyan teljesítenek az alkatrészek a legnagyobb hőmérsékleteken, megállapítható, hogy az adott elképzelés megvalósítható-e, illetve tud-e a meghatározott biztonsági követelmények között működni. A technológia már készen áll arra, hogy igazán felmérhető legyen a hőmérséklet-eloszlás a hajtásrendszerekben.

Mit hoz a jövő?

Müller úgy számol, a fizikai tesztek jelentősen visszaszorulnak, ha lesznek digitális hitelesítési protokollok. Mindig lesz azonban egy fizikai teszt, amely validálja a digitális modellt, és ellenőrzi, hogy gyártható-e a terv a valóságban. A gyártók számára a végső cél mindig az lesz, hogy olyan megoldások szülessenek, amelyek kevesebb pénzbe és energiába kerülnek. Ezt kevesebb prototípus gyártásával és kevesebb laboratóriumi teszttel el lehet érni. A rosszul sikerülő tesztek és a hibás tervek is kiszűrhetők a szimulációkkal és a digitális ikrek használatával a projektek korai szakaszában – írta meg a Machine Design.