Steigerung der Verfügbarkeit in der Nutzungsphase von Produkten & Anlagen

Transkript

1 Der Titelmasterformat Digitale Zwilling durch -Simulation Klicken bearbeiten im Betrieb Steigerung der Verfügbarkeit in der Nutzungsphase von Produkten & Anlagen CADFEM

2 Der Digitale Zwilling Definition und Motivation Prescriptive Analytics How to make it happen! Predictive Analytics What will happen? Diagnostic Analytics Why did it happen? Digitaler Zwilling (Schatten + virtuelle Sensoren) Descriptive Analytics What happened? PLM ERP CAE CAD Sensorik Digitaler Schatten (Sensoren + Big Data) CADFEM

3 Ablauf des Workshops Aufgabenstellung: Digitaler Zwilling eines Safety Relais Physische Sensoren und Digitalen Zwilling lokal verbinden Sensorik verkabeln Physische Sensoren per Embedded Software auslesen Inbetriebnahme des Digitalen Zwillings Aufbau und Vervollständigung des Digitalen Zwillings Einspeisen der Sensorwerte in den Digitalen Zwilling Auswertung eines einzelnen Digitalen Zwillings mit virtuellen Sensoren Digitale Zwillinge in der Cloud Sensorik an eine IoT-Plattform anbinden Organisation und Auswertung multipler Sensordatenströme Management von Digitalen Zwillingen per IoT-Plattform CADFEM

4 Anwendungsfall Sicherheitskritisches Relais Priorität: Ausfallsicherheit Traditionelle Technik ist limitiert Zwangsgeführte Kontakte zeigen Ausfall an ermöglichen keine Ausfallprognose Präventive Wartung Neuer Ansatz durch IoT Einspeisen der aktuellen Lastdaten in ein Simulationsmodell Virtuelle Sensoren liefern detailliertere Aussagen zu Verschleiß & Ausfall CADFEM

5 Lösung und Nutzen Performantes Simulationsmodell für Mechanik, Magnetik, Stromfluss, Temperatur Systemsimulation in TwinBuilder Verhaltensmodelle (ROMs) aus 2D/3D ANSYS-Analysen Hohe Anlagenverfügbarkeit Bauteilspezifische Prognose der Restlebensdauer Reale Lastdaten Besseres Verständnis durch virtuelle Sensoren CADFEM

6 Schritt Titelmasterformat 1: Sensoren durch und Zwilling Klicken bearbeiten lokal verbinden CADFEM

7 Relais & Sensoren verbinden Raspberry Pi verkabeln Relais blau Temperatursensor rot Taster grün Achtung: Kontakte und Lötstellen möglichst nicht berühren. Elektrostatische Entladung kann Bauelemente zerstören. Stromversorgung anstecken Netzwerkverbindung WLAN DigTwinIot/cadfem_iot LAN pi= Zugang über putty.exe User: pi Passwort: pi CADFEM

8 Embedded Hardware konfigurieren LAN Anbindung TCP Protokoll Laptop: Empfangende Netzwerkadresse ermitteln Programm cmd ausführen In der Konsole: Ipconfig Ergebnis: xx Raspberry Wechseln ins Verzeichnis relais_tcp editieren von tcprelaispiminimal.py Anpassen des Empfängers Speichern mit STRG-X, Y, Enter CADFEM

9 Schritt Titelmasterformat 2: Lokale Inbetriebnahme durch Klicken bearbeiten des Zwillings CADFEM

10 Vollständiges Digitales Modell komplexer Produkte ANSYS Twin Builder Language-Based Modeling Multi-Domain Model Libraries Co-simulation with 3D Physics Reduced Order Model Creation Embedded Software Integration Functional Mockup Interface (FMI) VHDL-AMS C/C++ SPICE SML Modelica Multi-Domain Analog Digital Power Systems Manufacturers App-Specific EM ANSYS 3D Physics Fluid Thermal Mech SCADE C Code 3rd Party System Modeling tools (AMESim, Simulink, Dymola, GT Suite etc.) CADFEM

11 Sicherheitskritisches Relais als mechatronisches System Physikdomänen: elektrisch, rotatorisch, translatorisch Transiente Simulation CADFEM

12 Ursprüngliche Motivation: Optimierung der Systemleistung Analyse des Systemverhaltens als Funktion von Designgrößen Kontaktabstand Vorspannung Spulenwiderstand Voltage at actuator Position of contact Parameter set 1 Parameter set 2 optimizedparameter set Ergebnis Identifikation von Versagensindikatoren Prellen (Lichtbogenenergie) um 61% gesenkt Arc power tclose1 tcloseopt Antriebsenenergie um 19% gesenkt CADFEM

13 Subsysteme in Twin Builder Anker-Feder-Subsystem Zustandsraummodel auf Basis von Eigenwerten Vorgespannte Feder durch Kontakt auf Systemebene Magnetkreis mit Stromquelle Lookup-Table: Momente und verkettete Flüsse als Funktion von Strom und Winkel Elektrische und rotatorische Terminals Lichtbogenmodell: Z-Diode Lichtbogenspannung = Durchbruchspannung der Z-Diode Energieerfassung des Lichtbogens CADFEM

14 Beispiel: Erzeugen eines mechanischen Verhaltensmodells Schwingungsverhalten der Kontaktfeder Charakterisierung über Eigenmoden Vorgehen Modalanalyse Remote Points als Terminals zum Einspeisen oder Ausleiten von physikalischen Größen Makro zum Export eines Zustandsraummodells Variable ExportToSimplorer auf 1 SI Einheitensystem (m, kg, N, s) Analyse durchführen Verhaltensmodell in Twin Builder einbauen Grafische Darstellung aufhübschen CADFEM

15 Physisches Relais und Digitaler Zwilling bereit zum Einsatz CADFEM

16 Simulation im Betrieb Live-Einspeisen von Sensordaten: Twin Builder starten Python Script zum Auslesen und Senden von Sensorwerten (tcprelaispiminimal.py) starten CADFEM

17 Schritt Titelmasterformat 3: Sensoren durch mit der Klicken Cloudbearbeiten verbinden CADFEM

18 Embedded Hardware konfigurieren IoTAnbindung MQTT Protokoll Raspberry Wechseln ins Verzeichnis relais_itficient editieren von mqttrelaispi.py Namen des Empfängers Anpassen (relais_0x) Speichern mit STRG-X, Y, Enter Starten des Python Scripts zum Auslesen und Senden der Sensorwerte CADFEM

19 Sensoren weltweit verteilter Produkte visualisieren IoT-Plattform AWS mit ItficientAnalytics CADFEM

20 dazugehörige virtuelle Sensoren visualisieren CADFEM

21 Digitaler Zwilling in der Cloud Auswertung einer Vielzahl von Produkten Big Data Analyse Mustererkennung Machine Learning Amazon AWS Cloud Rechner TwinBuilder Neue digitale Services Prädiktive Wartung: Prognose verbleibender Einsatzdauer Optimale individuelle Betriebsparameter Dokumentation von individuellen Produkteigenschaften IoTProtokoll: z. B. MQTT CADFEM

22 Beispiele für Digitale Zwillinge Pumpe Kavitation erfassen maximaler Wirkungsgrad minimaler Verschleiß Fertigungsprozess Gefügeprofil erfassen Werkstückspezifische Dokumentation Windkraftanlage Reale Lasten erfassen maximale Einsatzdauer Quelle: Flowserve & ANSYS Quelle: EMA Indutec Quelle: F. Hollaus & MCI CADFEM

23 CADFEM Simulation ist mehr als Software PRODUKTE Software und IT-Lösungen SERVICE Beratung, Support, Engineering WISSEN Know-How-Transfer CADFEM in D, A, CH 1985 gegründet Kunden 11 Standorte 185 Mitarbeiter (weltweit: >350) ANSYS Elite Channel Partner CADFEM 2018 Simulation ist mehr als Software 23