Аннотация
Одной из основных задач, для решения которой предназначены цифровые двойники (Digital Twins, DTs), является виртуальная наладка промышленного оборудования. Использование DTs для пуско-наладочных работ актуально при вводе в эксплуатацию и реконструкции электротехнических систем прокатных станов. Перспективным направлением решения подобных задач является создание объектно-ориентированных DTs на базе программного обеспечения (ПО) Simulink Real Time с использованием ресурса аппаратного моделирования в цикле (Hardware-in-the-loop simulation, HIL). Данное ПО поддерживает симуляцию и тестирование в реальном времени, что обеспечивает сокращение затрат на пуско-наладочные работы и время ввода в эксплуатацию. Рассматривается подход, согласно которому осуществляется разработка виртуальной модели исследуемого устройства, включающей алгоритмы системы управления. Эта модель размещается на компьютере реального времени, а формирование управляющих сигналов обеспечивается средствами промышленного логического контроллера (ПЛК), осуществляющего управление объектом. Исследования выполнены на примере электроприводов клети толстолистового стана 5000, что обусловлено их реконструкцией с заменой преобразователей частоты и изменением алгоритмов управления. На этапе пуско-наладочных работ выполнена реализация объектно-ориентированного DT в Matlab Simulink Desktop Real Time в лабораторных условиях. Проведено сравнение переходных процессов основных координат электропривода за цикл прокатки. В результате подтверждена удовлетворительная точность их воспроизведения средствами цифрового двойника. На примере осциллограмм, полученных на стане, показана необходимость учета запаздывания, которые вносит интерфейс ПЛК и промышленного компьютера. Отмечены преимущества моделирования HIL по сравнению с валидацией физических и виртуальных процессов. Тем самым подтверждена целесообразность реализации концепции объектно-ориентированных DTs на базе Simulink Real Time на этапах виртуального ввода в эксплуатацию и модернизации промышленных объектов.
Ключевые слова
прокатный стан, электромеханическая система, виртуальная настройка, моделирование HIL, Simulink Real Time, переходные процессы, валидация, преимущества, рекомендации
1. The digital twin – More than a virtual representation of the real world. URL:https://www.sms-group.com/jp/sms-group-magazine/overview/the-digital-twin-more-than-a-virtual-representation-of-the-real-world/ (дата обращения 02.04.2025)
2. Концептуальные направления создания цифровых двойников электротехнических систем агрегатов прокатного производства / А.А. Радионов, А.С. Карандаев, Б.М. Логинов, О.А. Гасиярова // Изв. вузов. Электромеханика. 2021. Т. 64. № 1. С. 54-68. doi: 10.17213/0136-3360-2021-1-54-68
3. 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
4. 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. 276. doi: 10.3390/machines11020276
5. 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
6. MathWorks Simulink Real-Time Simulation and Testing. URL:https://www.windows-soft.ru/catalog/product/kupit-mathworks-simulink-real-time-simulation-and-testing-po-dostupnoy-tsene (дата обращения 02.04.2025)
7. Soltani A., Assadian F. A Hardware-in-the-Loop Facility for Integrated Vehicle Dynamics Control System Design and Validation // IFAC-PapersOnLine. 2016. No. 49(21). Pp. 32-38. doi: 10.1016/j.ifacol.2016.10.507
8. 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. doi: 10.18503/2311-8318-2023-4(61)-67-75
9. Developing Digital Twin for Electromechanical System of Rolling Stand in Simulink Real Time / A.A. Radionov, A.S. Karandaev, B.M. Loginov, V.R. Khramshin // International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon). IEEE, 2024. Pp. 225-230. doi: 10.1109/UralCon62137.2024.10718993
10. Способ управления электроприводами клети толстолистового стана в режиме асимметричной прокатки головной части раската / В.Р. Храмшин, М.А. Зинченко, Б.М. Логинов, А.С. Карандаев // Электричество. 2023. № 4. С. 61-72. doi: 10.24160/0013-5380-2023-4-61-72
11. Регулирование скоростей электроприводов клети толстолистового прокатного стана в режиме формирования «лыжи» / А.С. Карандаев, Б.М. Логинов, М.А. Зинченко, В.Р. Храмшин // Изв. вузов. Электромеханика. 2022. Т. 65. № 3. С. 26-41. doi: 10.17213/0136-3360-2022-3-26-41
12. 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 // Изв. вузов. Электромеханика. 2021. Т. 64. № 3. С. 24-35. doi: 10.17213/0136-3360-2021-3-24-35
13. ibaPDA Scalable basic ПО for collecting measured data. [Online]. URL:https://www.iba-ag.com/ru/ibapda (дата обращения 02.04.2025)
14. Совершенствование алгоритмов регулирования толщины и профиля зазора валков реверсивной клети толстолистового прокатного стана / А.С. Карандаев, В.Р. Храмшин, В.Р. Гасияров, С.С. Воронин, Б.М Логинов // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2019. Т. 62. № 4. С. 53-64.
15. Method for Defining Parameters of Electromechanical System Model as Part of Digital Twin of Rolling Mill / V.R. Gasiyarov, A.A. Radionov, B.M. Loginov, M.A. Zinchenko, O.A. Gasiyarova, A.S. Karandaev, V.R. Khramshin // Journal of Manufacturing and Materials Processing. 2023. No. 7(5). 183. doi: 10.3390/jmmp7050183
16. Assessment of Signal Delay in Digital Twins for Electromechanical and Hydraulic Systems / S.S. Voronin, B.M. Loginov, V.R. Khramshin, P.A. Bovshik, A.S. Karandaev, A.A. Filimonova // International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon). IEEE, 2023. Pp. 796-800. doi: 10.1109/UralCon59258.2023.10291155
Логинов Б.М. Методика создания цифровых двойников электромеханических систем на основе Simulink Real Time и моделирования HIL // Электротехнические системы и комплексы. 2025. № 2(67). С. 35-44. https://doi.org/10.18503/2311-8318-2025-2(67)-35-44