КАЗУС

Цифров двойник за топлинна обработка

За да рационализира операциите и да сведе до минимум риска от грешки, SECO/WARWICK внедри цифровите двойни решения на Siemens.

Процесът на термична обработка на металите е изключително сложен от технологична гледна точка. Тя изисква поддържане на подходящи работни параметри, както и специфични условия за безопасност. Това поставя значителни предизвикателства за производителите на съвременни промишлени пещи. За да сведе до минимум риска от потенциални грешки и да подобри производствените процеси и процесите на сглобяване на място, SECO/WARWICK Group използва решения, базирани на цифров близнак, предоставен от Siemens.

SECO/WARWICK е производител на технологично модерни пещи за термична обработка на метали, проектирани и произведени в съответствие с индивидуалните нужди на клиентите. Ключов фактор при избора на технологията на пещта и техническите решения е таксата (натоварването) на клиента, т.е. металния продукт, който ще бъде термично обработен. Въз основа на това се избират подходящата технология, процес и рецепта, които влияят на нивото на сложност на оборудването и системите за управление. Видът на технологията за топлинна обработка също определя избора на мерки за безопасност, предпазващи служителите от потенциални опасности.

„За инженер по автоматизация, участващ в проектирането на пещи, задълбоченото познаване на технологията и параметрите на процеса е от решаващо значение, както и осведомеността за потенциалните рискове. Например вакуумните пещи за топлинна обработка са програмирани съвсем различно от оборудването, използвано за обработка на алуминий или вакуумна металургия, въпреки че имат подобна хардуерна структура. Разбирането на технологията дава възможност да се предвидят потенциални опасности и да се прилагат подходящи предпазни мерки.
подчертава Славомир Вачовски, директор на отдела за автоматизация в SECO/WARWICK.

SECO/WARWICK е производител на технологично модерни пещи за термична обработка на метали.

Цифровият близнак поддържа моделиране и тестване

За да рационализира работата и да сведе до минимум риска от грешки, SECO/WARWICK реши да използва цифрови двойни решения, предоставени от Siemens. Компанията използва, наред с други, софтуер SIMIT за създаване на цифрови модели на вакуумни, атмосферни и топилни пещи. Този инструмент се използва и за тестване на системи за автоматизация, преди софтуерът да бъде предаден за въвеждане в експлоатация. Компанията също използва SIMIT Unit за поддръжка на производствения процес и конфигуриране на контролните шкафове чрез пълна симулация на тестове на хардуерни шкафове. За по-усъвършенствани модели, като помпени системи, Симулаторната платформа Simcenter Amesim се използва за симулиране на производителността и за подпомагане при избора на подходящ размер на вакуумните помпи.

„В момента в нашите модели симулираме няколко вида оборудване. Основната причина, поради която решихме да използваме цифров близнак, беше сложността на софтуера за управление и разнообразието от предизвикателства, с които трябваше да се сблъскаме. Много от тези проблеми станаха очевидни едва по време на тестването и въвеждането в експлоатация - тоест в последния етап, когато оборудването вече беше напуснало нашето съоръжение.
обяснява Радослав Горови, инженер по цифрово моделиране и симулация в SECO/WARWICK.

Тестване на пещта „на бюрото“

Цифровите двойни решения, използвани от SECO/WARWICK, позволяват идентифицирането на потенциални грешки и проблеми още на ранните етапи на работа на дадено устройство.

Цифровите двойни решения, използвани от SECO/WARWICK, позволяват идентифицирането на потенциални грешки и проблеми още на ранните етапи на работа на дадено устройство. Моделирането и тестването с използването на симулационен софтуер значително подобряват ефективността на работата. Те също така повишават надеждността на разработваните решения. В резултат на това промишлените пещи за термична обработка на метали могат да бъдат доставени и пуснати в експлоатация по-бързо, на по-ниска цена и с намален труд.

„Стремежът към иновации е много важен фактор, движещ развитието на нашата компания. В това отношение цифровият близнак напълно отговори на нашите очаквания. Използва се за моделиране на цялото оборудване, което произвеждаме. В момента имаме подготвени няколко модела. Първоначално бяха създадени симулации за вакуумни пещи, на които сега напълно тестваме нашите системи за автоматизация. В момента разработваме модели за пещи за обработка на алуминий и вакуумната металургия. Имаме и първия си опит в моделирането на атмосферни пещи, които представляват важен сегмент от решенията, които разработваме,“
обяснява Славомир Вачовски.

SECO/WARWICK използва софтуер SIMIT, наред с други неща, за симулиране на входни и изходни сигнали на системи за управление, за осигуряване на подробна симулация на поведението на устройството и за моделиране на процеси с помощта на специални технологични библиотеки.

„В това решение SIMIT е ключовият инструмент; но за да се възползват напълно възможностите си, системата е разширена с PLCSIM Advanced - емулатор на контролера - и WinCC за операторния панел HMI. Интеграцията с TIA Portal дава възможност за модифициране на контролната програма в реално време (Software-in-the-loop). Симулационният модел може да комуникира и с физически контролер, използвайки SIMIT UNIT (Hardware-in-the-loop),“
обяснява Мариуш Васкович, експерт по Solutions за дигитализация, подкрепящ проекта от името на Siemens.Тестването на оборудването и автоматизацията се извършва буквално „на бюрото“, където приложените технологични решения се проверяват преди окончателното въвеждане в експлоатация.

„Контролният шкаф е свързан към SIMIT Unit и е тестван с помощта на този инструмент по отношение на хардуера и измервателната производителност. Това ни дава увереност, че няма да генерира проблеми и ако възникнат някакви проблеми на място, те ще произтичат от други причини, свързани с физическото изпълнение на проекта, а не от компонентите, които сме използвали,
обяснява Войчех Пиасни, заместник-директор на отдела за автоматизация в SECO/WARWICK.

Цифровият двоен софтуер е само един от многото елементи на ecosystem на Siemens, използвани от производителя. Цялата система за управление се основава на решения на Siemens. Управлението на системата се управлява от контролера S7-1500 заедно с неговите модули. Siemens също доставя Индустриални компютри и сензорни панели, които служат като потребителски интерфейс. Освен това системите за безопасност са изградени върху решенията за безопасност на производителя. Компонентите на Siemens се използват и в шкафовете за управление, включително контактори, верига

Цифровият двоен софтуер е само един от многото елементи на екосистемата на Siemens, използвани от SECO/WARWICK.

Системите се управляват от контролера и модулите S7-1500.

Как моделът говори с контролера?

Моделирането отчита всички процеси, протичащи в пещта: изпомпване, отопление на пещта, охлаждане и карбуризация. Във физическия свят такъв процес отнема от няколко часа до - в случай на определени устройства - дори няколко дни. Чрез използване на симулационни решения, базирани на цифров близнак на устройството, това може да бъде значително ускорено и пещта може да бъде изчерпателно тествана много преди създаването на нейния физически аналог. По време на моделирането се симулират както цифрови, така и аналогови параметри, като температура и вакуум. По време на тестването се проверява работата на ключове, контактори и други устройства, свързани към контролния шкаф, включително цялата система за безопасност.

„Моделът съдържа цифрово представяне на компонентите на устройството и компонентите вътре в контролния шкаф. Всички тези елементи трябва да имат цифров еквивалент в SIMIT. С помощта на този инструмент изграждаме библиотека с компоненти. Ние изследваме отделните компоненти на пещта, тяхната структура и след това ги представяме в модела, който създаваме. Въз основа на електрическите диаграми свързваме модела към PLC чрез входове/изходи, което ни позволява да тестваме работата на отделни технологични програми. Допълнително предимство е възможността да се използват налични входове/изходи „, обяснява Радослав Горови.

Моделирането отчита всички процеси, които протичат в пещта: включително изпомпване, отопление на пещта, охлаждане и карбуриране.

SECO/WARWICK конструира модели, предназначени да отразяват реалността възможно най-вярно. Но това не е всичко, тъй като се създават и симулации, които генерират синтетични данни за анализ. Подобни симулации позволяват на екипа за разработка например да тества решения, посветени на платформата FurnacePlus, която разширява функционалността на устройствата на Групата със системи за прогнозиране и управление на енергията. Разбирането на потребностите на интерфейса на клиента също е важен аспект от дизайна на решението, тъй като ергономичността е от решаващо значение от съображения за безопасност.

„Клиентите, които не трябва да се притесняват прекомерно за опасни аварии по време на експлоатация на пещта, имат различни нужди от тези, когато поради използваната технология за обработка на материали рискът е значителен и може да има сериозни последици. В последния случай имаме работа с висококвалифицирани оператори, които също се нуждаят от специализиран интерфейс в устройствата, които използват,“
отбелязва Марек Мелнарович, мениджър продажби в Siemens Polska.

Тестването на решения в инструментите за симулация на цифровия близнак става по време на предаването на контролния шкаф и софтуера. След това отделът за монтаж изпълнява дизайна и извършва окончателното сглобяване на устройството. И накрая, сервизният отдел провежда физически тестове. Окончателното потвърждение, че приетият модел е бил правилно приложен, е проверката му върху целевото съоръжение.

„Моделите, които използваме за симулация и тестване, са достатъчно зрели и достатъчно бързи, за да създадат, че на практика да ни спестят време. Още по-важното е, че те освобождават ценни ресурси за автоматизация, тъй като не е нужно да ги ангажираме във физическо тестване на устройството с обслужване, нито в съоръжението SECO/WARWICK, нито директно в помещенията на клиента. Времето, прекарано в подготовката на модела, също се отплаща чрез по-голямо спокойствие, когато става въпрос за планиране на работата, особено след като всеки следващ модел ни струва по-малко поради последователно изградената библиотека от собствените ни компоненти. Следователно спестяванията на време благодарение на дигиталния близнак са огромни,“
обяснява С. Вачовски.

По-бързо, по-безопасно и по-икономично

След няколко месеца работа със SIMIT и SIMIT Unit, SECO/WARWICK вижда значителни ползи от използването на инструменти, които предоставят цялостни решения за тестване на автоматизация. Сред основните предимства на внедряването на решения за моделиране и тестване е намаляването на времето, необходимо за монтаж и пускане в експлоатация на пещта в съоръжението на клиента.

„Преди внедряването на цифровия близнак, в случай на вакуумна пещ, тестването, комбинирано с технологични изпитания, отне 2 до 2,5 седмици за сервизен техник и 4-5 дни за инженер по автоматизация. Тестването върху създадения модел съкрати многократно натоварването им. За системи, съставени от няколко или дузина устройства, тези времена се намаляват пропорционално от средно 400-500 часа на 100-150, което означава значителни икономии. Натоварването на електрическите монтажници също е намалено. По-ниските разходи са важни, но усещането за сигурност, че устройството ще функционира правилно на място, е безценно“,
обяснява Славомир Вачовски.

С помощта на цифров двойник пещта може да бъде изчерпателно тествана много преди създаването на нейния физически еквивалент.

Облачен модел

Друго значително предимство от използването на цифров близнак е по-високото качество на крайния продукт.

Друг интересен аспект на използването на дигитален близнак са неговите бизнес последици. Моделът на вакуумна пещ, базиран на облак, позволява на продавачите да демонстрират производителността на устройството пред настоящи и нови клиенти. Друга иновативна характеристика е възможността екипа за разработка да тества усъвършенствани решения за управление на устройства. Благодарение на облачния модел, те вече не се нуждаят от физически данни за тестване. В бъдеще Simcenter Amesim също ще даде възможност на SECO/WARWICK да създава усъвършенствани математически модели на учебни машини.

„Благодарение на работата с Amesim успяхме да проверим колко точно можем да моделираме потреблението на енергия, топлинните промени и динамичните промени в налягането на газа. Виждаме голям потенциал в Amesim за създаване на още по-точни модели, които след това можем да използваме като компоненти на SIMIT и по-точно да представяме реалността в дигиталния свят.“
казва Войчех Пиасни.

Според Мариуш Вашкович от Siemens, цифровият близнак не само осигурява осезаеми организационни и икономически ползи, но и сигнализира за промяна в посоката на развитие на автоматизацията и дори влияе върху образованието на настоящи и бъдещи специалисти по автоматизация.

„Използването на цифров близнак позволява ефективно training, например, за тези, които отговарят за експлоатацията или поддръжката на машината. Това им позволява да разберат напълно устройството или цялата производствена линия, преди дори да взаимодействат с физическия обект, като по този начин се научат как да го управляват ефективно по-бързо. Те също така ще обърнат внимание на конкретни аспекти на работата и по-бързо ще идентифицират симптомите на потенциални неуспехи и следователно престой на линиите „, обяснява Мариуш Вашкович.

Марек Мелнарович също отбелязва въздействието на дигиталния близнак върху възприемането на професията за автоматизация и развитието на нови направления за обучение на специалисти по индустриална автоматизация.

„Благодарение на моделирането светът на PLC автоматизацията се приближава до ИТ. Развитието на цифровия близнак означава, че физическият свят вече не ни свързва и можем да работим върху компоненти на машини и устройства и софтуера, който ги контролира, преди те да бъдат внедрени в реални условия „, обяснява Марек Мелнарович.