Аннотация
Разработка объектно-ориентированных цифровых двойников (ЦД) актуальна для виртуального ввода в эксплуатацию и наладки электромеханических и гидравлических систем прокатных станов. Важной задачей, решаемой с применением ЦД, является настройка систем управления. Дано сравнение структур передачи информации в цифровых моделях, цифровых тенях и ЦД. Рассмотрены варианты размещения виртуальной модели объекта и алгоритма системы управления на персональном компьютере (ПК) либо в ресурсе программируемого логического контроллера (ПЛК). Подчеркнута актуальность оценки запаздываний сигналов при размещении программы управления в ПЛК, а модели объекта – в ПК, отмечена недостаточная изученность данного вопроса. Показано, что дополнительное запаздывание вносит различие интерфейсов ПЛК и ПК. Это приводит к искажению информационного обмена между объектом и системой управления и нарушению процесса двойникования. Выполнено исследование ЦД условного дискретного объекта с пропорциональным регулятором. Виртуальная модель реализована в среде Matlab Simulink Desktop Real Time в ПК, система управления – на языке программирования ПЛК. Путем сопоставления осциллограмм, полученных при различных коэффициентах усиления регулятора, доказано, что задержка в передаче сигнала приводит к его искажениям и усилению колебательных свойств системы. Предложен способ определения задержек, возникающих при обмене информацией в структуре цифрового двойника, включающий передачу тестового сигнала через интерфейс UDP в программу виртуальной модели на ПК и «возвращение» в ПЛК, фиксацию обоих сигналов на выходе ПЛК и вычисление временной задержки. Рассмотрено определение задержки путем оценки временного сдвига пилообразного сигнала, поступающего на вход ПЛК, и его отклика после «возвращения» из ПК. С целью моделирования запаздываний при разработке алгоритма управления предложено включение в структуру системы дополнительных дискретных звеньев. Дана оценка влияния на запаздывание сигналов дискретного характера программы ПЛК. Доказано, что запаздывания, обусловленные этой причиной, незначительны и могут не учитываться. Полученные результаты и способ определения задержек рекомендуются для использования при создании объектно-ориентированных цифровых двойников мехатронных комплексов прокатных станов.
Ключевые слова
электромеханическая система, цифровой двойник, создание, контроллер, персональный компьютер, размещение, обмен данными, запаздывание, определение, способ, моделирование, рекомендации
1. Lim K.Y.H., Zheng P., Chen C.-H. A state-of-the-art survey of Digital Twin: techniques, engineering product lifecycle management and business innovation perspectives // Journal of Intelligent Manufacturing. 2020. No. 31. Pp. 1313-1337. doi: 10.1007/s10845-019-01512-w
2. Smart manufacturing systems: state of the art and future trends / Y.J. Qu, X.G. Ming, Z.W. Liu, X.Y. Zhang, Z.T. Hou // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2019. No. 103. Pp. 3751-3768. doi: 10.1007/s00170-019-03754-7
3. Prediction for Manufacturing Factors in a Steel Plate Rolling Smart Factory Using Data Clustering-Based Machine Learning / Ch.Y. Park, J.W. Kim, B. Kim, J. Lee // IEEE Access. 2020. No. 8. Pp. 60890-60905. doi: 10.1109/access.2020.2983188
4. Экспериментальное определение параметров двухмассовой электромеханической системы прокатного стана / А.С. Карандаев, А.А. Радионов, Б.М. Логинов, О.А. Гасиярова, Е.А. Гартлиб, В.Р. Храмшин // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2021. №3(64). С. 24-35. doi: 10.17213/0136-3360-2021-3-24-35
5. Бычков М.Г., Кузнецова В.Н. Реализация коррекции управляющих воздействий многокоординатного сервопривода на базе программируемого логического контроллера // Электротехнические системы и комплексы. 2014. №1(22). С. 7-13.
6. Ишматов З.Ш. Микропроцессорное управление электроприводами и технологическими объектами, полиномиальные методы: монография. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007. 278 с.
7. Лебедев С.К., Колганов А.Р., Гнездов Н.Е. Электромехатронные системы позиционирования с наблюдателями нагрузки: монография. Иваново: ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина», 2016. 340 с.
8. Лебедев С.К., Колганов А.Р. Управление движением промышленных манипуляторов. Иваново: ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина», 2018. 340 с.
9. Vukosavic S.N. Digital Control of Electrical Drives. Springer, 2007. doi: 10.1007/978-0-387-48598-0
10. Nevaranta N. Review on Oversampling Approaches for Control and Estimation in Electrical Drives // IEEE 19th International Conference on Industrial Informatics (INDIN). 2021. 6 p. doi: 10.1109/INDIN45523.2021.9557456
11. Real-time simulator and offline/online closed-loop test bed for power system modeling and development / A. Parizad, H.R. Baghaee, M.E. Iranian, G.B. Gharehpetian, J.M. Guerrero // International Journal of Electrical Power & Energy Systems. 2020. 122. 106203. doi: 10.1016/j.ijepes.2020.106203
12. Digital Twin in manufacturing: A categorical literature review and classification / W. Kritzinger, M. Karner, G. Traar, J. Henjes, W. Sihn // IFAC-PapersOnLine. 2018. No. 11(51). Pp. 1016-1022. doi: 10.1016/j.ifacol.2018.08.474
13. Yildiz E., Moller C., Bilberg A. Virtual Factory: Digital Twin Based Integrated Factory Simulations. Procedia CIRP. 2020. No. 93. Pp. 216-221. doi:10.1016/j.procir.2020.04.043
14. Digital Twin: Enabling Technologies, Challenges and Open Research / A. Fuller, Z. Fan, C. Day, C. Barlow // IEEE Access. 2020. Vol. 8. Pp. 108952-108971. doi: 10.1109/ACCESS.2020.2998358
15. LeBlanc, Mollie B. Digital twin technology for enhanced upstream capability in oil and gas. Master of science in engineering and management at the massachusetts institute of technology. URL:https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/132840 (дата обращения 07.10.2023)
16. Концептуальные направления создания цифровых двойников электротехнических систем агрегатов прокатного производства / А.А. Радионов, А.С. Карандаев, Б.М. Логинов, О.А. Гасиярова // Известия вузов. Электромеханика. 2021. Т. 64. № 1. С. 54-68. doi: 10.17213/0136-3360-2021-1-54-68
17. Construction Principle for Object-Oriented Digital Twins of Mechatronic Complexes of Rolling Mills / A.A. Radionov, P.A. Bovshik, B.M. Loginov, A.S. Karandaev, V.R. Khramshin // International Russian Smart Industry Conference (SmartIndustryCon). IEEE, 2023. Pp. 516-522. doi: 10.1109/SmartIndustryCon57312.2023.10110770
18. Substantiating and Implementing Concept of Digital Twins for Virtual Commissioning of Industrial Mechatronic Complexes Exemplified by Rolling Mill Coilers / V.R. Gasiyarov, P.A. Bovshik, B.M. Loginov, A.S. Karandaev, V.R. Khramshin, A.A. Radionov // Machines. 2023. No. 11(2). 276. https://doi.org/10.3390/machines11020276
19. Research and application of computer control system for aluminium single-stand 4-high cold rolling mill / F. Zhang, X. Wang, S. Zong, X. Xiang // Journal of Engineering. 2016. No. 11(2016). Pp. 415-422. doi: 10.1049/joe.2016.0182
20. Наблюдатель упругого момента двухмассовой электромеханической системы / А.С. Карандаев, Б.М. Логинов, Е.Г. Бодров, В.Р. Храмшин, М.Н. Самодурова // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Энергетика». 2022. №4(22). С. 23-33. doi: 10.14529/power220403
21. Allmeling J. Model continuity: From offline simulation to real-time testing. URL:https://www.powerelectronicsnews.com/model-continuity-from-offline-simulation-to-real-time-testing/ (дата обращения 07.10.2023)
22. Characterising the Digital Twin: A systematic literature review / D. Jones, C. Snider, A. Nassehi, J. Yon, B. Hicks // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. 2020. Vol. 29(A). Pp. 36-52. doi: 10.1016/j.cirpj.2020.02.002
23. Desktop Real-Time Run Simulink models in real time on your computer. URL:https://www.mathworks.com/products/simulink-desktop-real-time.html (дата обращения 07.10.2023)
24. Технологические схемы управления электроприводами чистовой группы широкополосного стана горячей прокатки /А.С. Карандаев, В.Р. Храмшин, И.Ю. Андрюшин, В.В. Головин, П.В. Шиляев //Труды VII конгресса прокатчиков. М., 2007. Т.1. С. 71-75.
25. Новые технические решения в электроприводах и системах регулирования технологических параметров станов горячей прокатки / А.С. Карандаев, В.Р. Храмшин, И.Ю. Андрюшин, В.В. Головин, П.В. Шиляев, С.А. Петряков, А.А. Лукин // Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. №3(2). С. 34-40.
26. Автоматическая коррекция скоростей электроприводов клетей стана 2000 при прокатке трубной заготовки / И.Ю. Андрюшин, В.В. Галкин, В.В. Головин, А.С. Карандаев, А.А. Радионов, В.Р. Храмшин // Известия вузов. Электромеханика. 2011. № 4. С. 31-35.
27. Математическая модель взаимосвязанных электротехнических систем непрерывной группы широкополосного стана / В.Р. Храмшин, И.Ю. Андрюшин, А.Н. Гостев, А.С. Карандаев // Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. 2013. №1. С. 12-21.
28. Автоматическая коррекция толщины головного участка полосы в гидравлической системе автоматического регулирования толщины широкополосного стана горячей прокатки / В.В. Галкин, С.А. Петряков, А.С. Карандаев, В.Р. Храмшин // Известия вузов. Электромеханика. 2011. № 4. С. 46-50.
29. ПЛК210 контроллер для средних и распределенных систем автоматизации. URL:https://owen.ru/product/plk210?ysclid=lltpj898qq322279535 (дата обращения 07.10.2023)
30. ibaPDA Масштабируемое базовое ПО для сбора измеренных данных. URL:https://www.iba-ag.com/ru/ibapda (дата обращения 07.10.2023)
Логинов Б.М. Оценка временных задержек при обмене информацией в структурах цифровых двойников электромеханических и гидравлических систем // Электротехнические системы и комплексы. 2023. № 4(61). С. 67-75. https://doi.org/10.18503/2311-8318-2023-4(61)-67-75