Cyfrowy bliźniak (ang. digital twin) to wirtualny model maszyny lub procesu, który zachowuje się jak rzeczywisty obiekt i wymienia z nim dane w czasie rzeczywistym. W tym projekcie studenci z Koła Naukowego SNS Automatyk z Wydziału Elektrycznego Politechniki Wrocławskiej zbudowali cyfrowego bliźniaka bramy przesuwnej w programie Simultus firmy Multiprojekt i sterują nim prawdziwym sterownikiem PLC FATEK przez Modbus TCP, a obsługę zapewnia panel HMI Weintek. Brama istnieje tylko w symulacji 3D, ale program PLC, tagi i komunikacja są dokładnie takie, jak na prawdziwym obiekcie.
Poniżej pokazujemy, jak działa ten układ, co trzeba skonfigurować po stronie Simultus i sterownika oraz dlaczego taki model to najtańszy sposób, żeby testować logikę sterowania, zanim podłączysz ją do maszyny.
Czym jest cyfrowy bliźniak w automatyce?
Czym jest cyfrowy bliźniak z punktu widzenia automatyka? To nie animacja ani ładny model 3D. Cyfrowy bliźniak to wirtualna kopia obiektu lub systemu, która ma swoje wejścia i wyjścia, fizykę ruchu, czujniki i reaguje na sygnały sterujące tak, jak reagowałby fizyczny obiekt. Sterownik nie wie, czy po drugiej stronie kabla stoi brama, przenośnik czy komputer z symulacją.
W przemyśle 4.0 technologia cyfrowego bliźniaka obejmuje kilka poziomów:
- cyfrowy bliźniak produktu - model urządzenia używany na etapie projektowania nowych produktów,
- cyfrowe bliźniaki procesów - odwzorowanie linii produkcyjnej lub całego procesu, np. do optymalizacji produkcji i zużycia energii,
- bliźniak zasilany danymi z rzeczywistych obiektów (czujniki, IoT, internet rzeczy), który służy do monitorowania, przewidywania awarii, planowania konserwacji i zarządzania zasobami.
Na tym ostatnim poziomie firmy łączą model z dużą ilością danych w czasie rzeczywistym, a analizy wspierają algorytmy uczenia maszynowego i sztuczna inteligencja. Duzi dostawcy, jak firmy Siemens z pakietem Digital Enterprise Suite, rozwijają całe platformy do tworzenia cyfrowych modeli w całym cyklu życia produktu. Dla automatyka najbardziej praktyczny jest jednak poziom maszyny: model, który pozwala uruchomić i przetestować program PLC w wirtualnym środowisku.
Virtual commissioning i HIL
Tak właśnie działa projekt z Politechniki. To klasyczny przykład wirtualnego uruchomienia (virtual commissioning) w wariancie HIL (hardware-in-the-loop): prawdziwy sterownik i prawdziwy panel HMI pracują z wirtualnym obiektem. Dzięki temu można zidentyfikować błędy logiki, sprawdzić różne scenariusze i zakłócenia, zanim program trafi na halę. Każdy błąd znaleziony w symulacji to krótszy rozruch, mniejszy przestój i mniejsze ryzyko uszkodzenia mechaniki.
Simultus - oprogramowanie do symulacji maszyn
Simultus to oprogramowanie firmy Multiprojekt do symulacji układów automatyki i maszyn, przeznaczone dla edukacji i przemysłu. Najważniejsze możliwości według producenta:
- symulacja 3D z detekcją kolizji i fizyką brył,
- zależności kinematyczne definiowane metodą drag-and-drop w drzewku modelu,
- logika i matematyka modelu w diagramie bloków funkcyjnych oraz skrypty Lua,
- monitor zmiennych i podgląd stanów sygnałów,
- import modeli CAD,
- komunikacja ze sterownikami FATEK i TRIO oraz przez Modbus, gdzie Simultus pracuje jako master lub slave.
Program jest dostępny w wersjach EDU Plus, Factory Light i Factory, które różnią się m.in. limitami liczby obiektów, bloków i urządzeń komunikacyjnych. Szczegóły znajdziesz na stronie simultus.pl.
Model bramy przesuwnej krok po kroku
Gotowe bloki symulacji i model 3D bramy dostarczyła firma Multiprojekt, a studenci dopisali swoją część, czyli blok interfejsu (w projekcie na pomarańczowym tle). Każdy blok odpowiada za inny element: listwę bezpieczeństwa, fotokomórkę, lampę, ruch przełącznika i obrót zębatki, która napędza bramę.
Blok interfejsu to granica między symulacją a sterownikiem:
- wejścia sterownika (sygnały z symulacji): krańcówka otwarcia, krańcówka zamknięcia, listwa bezpieczeństwa, fotokomórka,
- wyjścia sterownika (sygnały do symulacji): otwieraj, zamykaj, lampa.
W monitorze zmiennych widać dwa rodzaje tagów. VR1-VR6 obsługują tylko fizykę i model 3D. VM1-VM10 są wspólne, zadeklarowane zarówno w Simultus, jak i w sterowniku FATEK, i to przez nie idzie cała komunikacja. Taki podział warto przyjąć w każdym projekcie: zmienne wewnętrzne modelu trzymaj osobno od zmiennych wymiany danych ze sterownikiem.
Program PLC FATEK i komunikacja Modbus TCP
Sterownik to FATEK nowej generacji (seria M), a program napisano w środowisku UperLogic, następcy WinProLadder. O samej serii M i różnicach względem starszych sterowników piszemy w artykule Sterownik PLC Fatek seria M.
Logika sterowania bramą
Po konfiguracji sprzętu (jednostka centralna i moduły wejść/wyjść) program w drabince ma prostą strukturę. Główną logikę załatwiają dwa networki: otwieranie i zamykanie. Reszta to zabezpieczenia:
- przeciążenie napędu,
- listwa bezpieczeństwa z czujnikiem siły,
- blokady czasowe przy nawrotach (zmiana kierunku dopiero po odczekaniu).
Zamiast pamiętać, że krańcówka to M2, studenci nadali tagom nazwy opisowe, np. krańcówka otwarte (wejście), brama zamknij (wyjście), lampa (wyjście). Te same nazwy wracają w tabeli komunikacji. Przed wyborem adresów warto zajrzeć do siatki rejestrów, która pokazuje, które obszary pamięci sterownika są już zajęte.
Tabela Modbus master w UperLogic
Cała komunikacja to jedna tabela Modbus master w drzewie projektu i jeden blok funkcyjny w programie. Tabelę dodaje się prawym przyciskiem myszy, a jej parametry w tym projekcie wyglądają tak:
| Parametr | Wartość w projekcie | Uwagi |
|---|---|---|
| Adres IP | IP komputera z Simultus | Simultus pracuje tu jako slave Modbus TCP |
| Port | 502 | standardowy port Modbus TCP |
| Timeout | 1 s | czas oczekiwania na odpowiedź |
| Ponowienia | 3 | liczba prób przed zgłoszeniem błędu |
| Komendy | cykliczny zapis i odczyt bitów | wykonywane jedna po drugiej, strzałka pokazuje kierunek |
| Zapis | 3 bity: otwieraj, zamykaj, lampa | ze sterownika do Simultus |
| Odczyt | bity czujników: krańcówki, listwa, fotokomórka | z Simultus do sterownika |
| Adresowanie | nazwy tagów | adresów nie trzeba wpisywać ręcznie |
W programie zostaje blok funkcyjny komunikacji Modbus. Ma trzy parametry: adres początkowy tabeli, tryb pracy (w projekcie ustawiony na Modbus TCP) i wolne rejestry robocze. Na wyjściach daje dwa bity diagnostyczne: komunikacja aktywna i błąd komunikacji. Blok pracuje w każdym cyklu, a sterownik równolegle obsługuje panel HMI Weintek.
Jeśli chcesz uporządkować sam protokół, zajrzyj do przewodnika Modbus - protokół komunikacyjny i jego zastosowania albo do minikursu Modbus RTU i TCP.
Demo: testowanie programu na wirtualnej bramie
Sterownik FATEK i panel HMI są podłączone na żywo, a brama żyje w symulacji. To, co operator kliknie na panelu, trafia do sterownika, a stamtąd przez Modbus do Simultus. Przebieg testu z filmu:
- Otwieranie z HMI - sterownik załącza napęd, w symulacji rusza zębatka i brama jedzie do krańcówki otwarcia.
- STOP w trakcie zamykania - brama staje, a ruch zostaje zablokowany.
- Reset alarmu - dopiero po skasowaniu alarmu przyciskiem reset brama może się domknąć.
- Ręczny ruch bramy z poziomu symulacji - niezależnie od sterownika ustawiamy bramę w połowie drogi, a potem wysyłamy komendę zamknięcia. Tak sprawdza się reakcję programu na stany, których na prawdziwym obiekcie nie da się łatwo wywołać.
Ten ostatni punkt to największa wartość cyfrowego bliźniaka. Na prawdziwej bramie nie przestawisz skrzydła ręką w trakcie pracy napędu, a w symulacji możesz to zrobić dowolnie wiele razy i sprawdzić każdy scenariusz awaryjny.
Wizualizację dla operatora studenci zrobili na panelu Weintek. Jeśli dopiero zaczynasz z panelami operatorskimi, przeczytaj czym jest panel HMI i jak go programować.
Cyfrowy bliźniak a inne symulatory PLC
Simultus nie jest jedynym narzędziem do testowania programów bez maszyny. Porównanie najczęściej spotykanych podejść:
| Narzędzie | Co symuluje | Sterownik | Typowe użycie |
|---|---|---|---|
| Simultus (Multiprojekt) | model 3D maszyny z fizyką, kinematyką i logiką bloków | prawdziwy PLC (FATEK, TRIO) lub urządzenia Modbus | wirtualne uruchomienie, HIL, edukacja |
| Factory IO | gotowe sceny wirtualnej fabryki | prawdziwy PLC lub symulator (np. PLCSIM) | nauka programowania PLC |
| PLCSIM / PLCSIM Advanced | sam sterownik Siemens | wirtualny CPU | test programu bez sprzętu, łączenie z modelem obiektu |
Więcej o tych narzędziach przeczytasz we wpisach Factory IO - wirtualna fabryka do nauki programowania PLC i Symulator PLC od Siemensa - PLCSIM i PLCSIM Advanced. Różnica jest prosta: symulator sterownika zastępuje PLC, a cyfrowy bliźniak zastępuje obiekt. W projekcie z PWr sterownik jest prawdziwy, więc testujesz również komunikację, czasy cyklu i zachowanie panelu.
Korzyści z cyfrowego bliźniaka w praktyce
Dlaczego warto wdrażać cyfrowego bliźniaka już na etapie nauki i projektowania? Najważniejsze zalety widać nawet na tak prostym obiekcie jak brama:
- testowanie bez ryzyka - błąd w logice nie uszkodzi napędu ani skrzydła,
- scenariusze awaryjne na żądanie - przeciążenie, zadziałanie listwy, przerwanie fotokomórki,
- równoległa praca - program PLC powstaje, zanim mechanika jest gotowa, co skraca czas wdrożenia,
- zintegrowane testy całego systemu - PLC, HMI i komunikacja sprawdzane razem,
- lepsza wydajność rozruchu - na obiekcie zostaje tylko strojenie, a nie szukanie błędów.
W skali zakładu produkcyjnego te same zasady przekładają się na optymalizację procesów, krótsze przestoje i lepszą jakość produktów, a cyfrowy bliźniak umożliwia sprawdzenie zmian w procesach produkcyjnych zanim trafią na linię. To argument zarówno operacyjny, jak i biznesowy.
Dziękujemy Kołu Naukowemu SNS Automatyk z Wydziału Elektrycznego Politechniki Wrocławskiej za prezentację projektu oraz firmie Multiprojekt za udostępnienie licencji na oprogramowanie Simultus. Jak powiedział Wojtek z koła, była to okazja do pracy na przemysłowym sprzęcie i oprogramowaniu, a kolejne projekty mają powstawać właśnie jako cyfrowe bliźniaki.
Cyfrowy bliźniak - najczęściej zadawane pytania
Co to jest technologia digital twin?
Digital twin, czyli cyfrowy bliźniak, to wirtualny model obiektu, procesu lub systemu, który odwzorowuje jego zachowanie i wymienia dane ze światem rzeczywistym. W automatyce najczęściej służy do testowania programu sterownika na modelu maszyny, a w zakładach także do monitorowania pracy i przewidywania awarii.
Czy cyfrowy bliźniak to to samo co symulator PLC?
Nie. Symulator PLC (np. PLCSIM) zastępuje sterownik, a cyfrowy bliźniak zastępuje obiekt sterowania. W projekcie z PWr sterownik FATEK jest prawdziwy, a wirtualna jest tylko brama w Simultus.
Jak połączyć Simultus ze sterownikiem PLC?
Simultus komunikuje się bezpośrednio ze sterownikami FATEK i TRIO albo przez Modbus jako master lub slave. W tym projekcie sterownik FATEK pracuje jako Modbus TCP master: w tabeli podaje się IP komputera z Simultus, port 502, timeout i liczbę ponowień oraz listę cyklicznych komend zapisu i odczytu bitów.
Czy cyfrowy bliźniak zastąpi testy na prawdziwej maszynie?
Nie całkowicie. Model pozwala wyłapać większość błędów logiki i sprawdzić scenariusze trudne do wywołania na obiekcie, ale końcowy rozruch, strojenie napędów i weryfikacja zabezpieczeń zawsze odbywają się na rzeczywistej maszynie.
Podsumowanie
Projekt Koła SNS Automatyk pokazuje, że cyfrowy bliźniak nie wymaga dużego budżetu ani linii produkcyjnej: wystarczy model 3D w Simultus, prawdziwy PLC FATEK, panel Weintek i jedna tabela Modbus TCP. Tak samo możesz testować własne programy, zanim podłączysz je do maszyny. Jeśli chcesz dobrze opanować komunikację między sterownikami, panelami i systemami nadrzędnymi, sprawdź nasz kurs komunikacji i przetwarzania danych w automatyce.
