PŘÍPADOVÁ STUDIE

Digitální dvojče pro tepelné zpracování

Pro zefektivnění provozu a minimalizaci rizika chyb implementovala SECO/WARWICK řešení digitálních dvojčat Siemens.

Proces tepelného zpracování kovů je z technologického hlediska mimořádně složitý. Vyžaduje udržování vhodných provozních parametrů a specifických bezpečnostních podmínek. To představuje významné výzvy pro výrobce moderních průmyslových pecí. Pro minimalizaci rizika možných chyb a zlepšení výrobních a montážních procesů na místě používá skupina SECO/WARWICK řešení založená na digitálním dvojčeti od společnosti Siemens.

SECO/WARWICK je výrobcem technologicky vyspělých pecí pro tepelné zpracování kovů, navržených a vyrobených v souladu s individuálními potřebami zákazníků. Klíčovým faktorem při výběru technologie pece a technického řešení je náklad zákazníka (pracovní zátěž), tj. kovový výrobek, který má být tepelně ošetřen. Na základě toho je vybrána vhodná technologie, proces a recept, které ovlivňují úroveň složitosti zařízení a řídicích systémů. Typ technologie tepelného zpracování také určuje výběr bezpečnostních opatření chránících zaměstnance před potenciálními riziky.

„Pro automatizačního inženýra zapojeného do návrhu pece je zásadní důkladná znalost technologie a procesních parametrů, stejně jako povědomí o potenciálních rizicích. Například vakuové pece pro tepelné zpracování jsou naprogramovány zcela odlišně od zařízení používaných pro zpracování hliníku nebo vakuovou metalurgii, přestože mají podobnou hardwarovou strukturu. Pochopení technologie umožňuje předvídat potenciální nebezpečí a zavést vhodná ochranná opatření,“
zdůrazňuje Sławomir Wachowski, ředitel divize automatizace ve společnosti SECO/WARWICK.

SECO/WARWICK je výrobcem technologicky vyspělých pecí pro tepelné zpracování kovů.

Digitální dvojče podporuje modelování a testování

Pro zefektivnění práce a minimalizaci rizika chyb se společnost SECO/WARWICK rozhodla použít digitální dvojitá řešení od společnosti Siemens. Společnost využívá mimo jiné software SIMIT k vytváření digitálních modelů vakuových, atmosférických a tavicích pecí. Tento nástroj se také používá k testování automatizačních systémů před předáním softwaru k uvedení do provozu. Společnost také používá SIMIT Unit k podpoře výrobního procesu a konfigurace rozvaděčů prostřednictvím úplné simulace testů hardwarových skříní. U pokročilejších modelů, jako jsou čerpací systémy, Simulační platforma Simcenter Amesim se používá k simulaci výkonu a k pomoci při výběru vhodné velikosti vývěv.

„V současné době v našich modelech simulujeme několik typů zařízení. Hlavním důvodem, proč jsme se rozhodli použít digitální dvojče, byla složitost řídicího softwaru a rozmanitost výzev, kterým jsme museli čelit. Mnohé z těchto problémů se projevily až při testování a uvedení do provozu — tedy v závěrečné fázi, kdy zařízení již opustilo naše zařízení,“ dodal.
vysvětluje Radosław Gorowy, inženýr digitálního modelování a simulace ve společnosti SECO/WARWICK.

Testování pece „na stole“

Digitální dvojčata používaná společností SECO/WARWICK umožňují identifikovat potenciální chyby a problémy již v raných fázích práce na daném zařízení.

Digitální dvojčata používaná společností SECO/WARWICK umožňují identifikovat potenciální chyby a problémy již v raných fázích práce na daném zařízení. Modelování a testování pomocí simulačního softwaru výrazně zvyšují efektivitu práce. Zvyšují také spolehlivost vyvíjených řešení. Výsledkem je, že průmyslové pece pro tepelné zpracování kovů mohou být dodávány a uváděny do provozu rychleji, za nižší cenu a se sníženou pracovní silou.

„Snaha o inovace je velmi důležitým faktorem pro rozvoj naší společnosti. V tomto ohledu digitální dvojče plně splnilo naše očekávání. Používá se pro modelování veškerého zařízení, které vyrábíme. V současné době máme připraveno několik modelů. Zpočátku byly vytvořeny simulace pro vakuové pece, na kterých nyní plně testujeme naše automatizační systémy. V současné době vyvíjíme modely pro pece na zpracování hliníku a vakuovou metalurgii. Máme také první zkušenosti s modelováním atmosférických pecí, které představují důležitý segment řešení, která vyvíjíme,“
vysvětluje Sławomir Wachowski.

SECO/WARWICK využívá software SIMIT mimo jiné k simulaci vstupních a výstupních signálů řídicích systémů, k poskytování podrobné simulace chování zařízení a k modelování procesů pomocí specializovaných technologických knihovek.

„V tomto řešení je SIMIT klíčovým nástrojem, ale pro plné využití jeho možností byl systém rozšířen o PLCSIM Advanced — emulátor řadiče — a WinCC pro operátorský panel HMI. Integrace s TIA Portal umožňuje upravit řídicí program v reálném čase (Software-in-the-Loop). Simulační model může také komunikovat s fyzickým řadičem pomocí SIMIT UNIT (Hardware-in-the-Loop),“
vysvětluje Mariusz Waśkowicz, odborník na řešení digitalizace podporující projekt jménem společnosti Siemens. Testování zařízení a automatizace se provádí doslova „na stole“, kde jsou aplikovaná technologická řešení ověřena před konečným uvedením do provozu.

„Rozvaděč je připojen k jednotce SIMIT a testován pomocí tohoto nástroje z hlediska hardwaru a měřicího výkonu. To nám dává jistotu, že to nezpůsobí problémy, a pokud se nějaké problémy vyskytnou na místě, budou pramenit z jiných příčin souvisejících s fyzickou realizací projektu, spíše než z komponent, které jsme použili,“
vysvětluje Wojciech Piasny, zástupce ředitele oddělení automatizace v SECO/WARWICK.

Software pro digitální dvojče je jen jedním z mnoha prvků ekosystému Siemens používaného výrobcem. Celý řídicí systém je založen na řešeních Siemens. Řízení systému zajišťuje regulátor S7-1500 spolu s jeho moduly. Siemens také dodává průmyslové počítače a dotykové panely, které slouží jako uživatelské rozhraní. Bezpečnostní systémy jsou navíc postaveny na bezpečnostních řešeních výrobce. Komponenty Siemens se také používají v rozvaděčích, včetně stykačů, obvodů

Software pro digitální dvojče je jen jedním z mnoha prvků ekosystému Siemens používaného společností SECO/WARWICK.

Systémy jsou řízeny regulátorem a moduly S7-1500.

Jak model mluví s ovladačem?

Modelování bere v úvahu všechny procesy probíhající v peci: čerpání, ohřev pece, chlazení a nauhličování. Ve fyzickém světě trvá takový proces několik hodin až - v případě určitých zařízení - dokonce několik dní. Použitím simulačních řešení založených na digitálním dvojčeti zařízení to může být výrazně zrychleno a pec může být komplexně testována dlouho před vytvořením jejího fyzického protějšku. Během modelování jsou simulovány digitální i analogové parametry, jako je teplota a vakuum. Během testování je ověřen provoz spínačů, stykačů a dalších zařízení připojených k rozvaděči, včetně celého bezpečnostního systému.

„Model obsahuje digitální reprezentaci komponent zařízení a součástí uvnitř rozvaděče. Všechny tyto prvky musí mít digitální ekvivalent v SIMIT. Pomocí tohoto nástroje vytvoříme knihovnu komponent. Zkoumáme jednotlivé komponenty pece, jejich strukturu a poté je reprezentujeme v modelu, který vytvoříme. Na základě elektrických schémat připojujeme model k PLC přes vstupy/výstupy, což nám umožňuje otestovat provoz jednotlivých technologických programů. Další výhodou je možnost využívat dostupné vstupy/výstupy, „vysvětluje Radosław Gorowy.

Modelování bere v úvahu všechny procesy, které se vyskytují v peci: včetně čerpání, ohřevu pece, chlazení a nauhličování.

SECO/WARWICK konstruuje modely navržené tak, aby odrážely realitu co nejvěrněji. Ale to není vše, protože jsou také vytvářeny simulace, které generují syntetická data pro analýzu. Takové simulace umožňují vývojovému týmu například otestovat řešení věnovaná platformě FurnacePlus, která rozšiřuje funkčnost zařízení skupiny o prediktivní a energetické systémy. Pochopení potřeb rozhraní zákazníka je také důležitým aspektem návrhu řešení, protože ergonomie je z bezpečnostních důvodů zásadní.

„Zákazníci, kteří se nemusí nadměrně obávat nebezpečných nehod během provozu pece, mají jiné potřeby než ti, kdy je vzhledem k použité technologii zpracování materiálu riziko značné a může mít vážné následky. V druhém případě máme co do činění s vysoce kvalifikovanými operátory, kteří také vyžadují specializované rozhraní v zařízeních, která používají,“
poznamenává Marek Melnarowicz, obchodní manažer společnosti Siemens Polska.

Testování řešení v simulačních nástrojích digitálního dvojčete probíhá během předání rozvaděče a softwaru. Dále montážní oddělení implementuje návrh a provede konečnou montáž zařízení. Nakonec servisní oddělení provádí fyzické testování. Konečným potvrzením, že přijatý model byl správně implementován, je jeho ověření na cílovém zařízení.

„Modely, které používáme pro simulaci a testování, jsou dostatečně zralé a dostatečně rychlé na to, aby nám prakticky ušetřily čas. Ještě důležitější je, že uvolňují cenné automatizační prostředky, protože je nemusíme zapojovat do fyzického testování zařízení se servisem, a to ani v závodě SECO/WARWICK, ani přímo u zákazníka. Čas strávený přípravou modelu se také vyplatí větším klidem mysli, pokud jde o plánovací práce, zejména proto, že každý následující model nás stojí méně díky postupně sestavené knihovně našich vlastních komponent. Úspora času díky digitálnímu dvojčeti je tedy obrovská,“
vysvětluje S. Wachowski.

Rychlejší, bezpečnější a úspornější

Po několika měsících spolupráce se SIMIT a SIMIT Unit vidí SECO/WARWICK významné výhody používání nástrojů, které poskytují komplexní řešení pro testování automatizace. Mezi klíčové výhody implementace modelovacích a testovacích řešení patří zkrácení doby potřebné pro montáž pece a uvedení do provozu v zařízení zákazníka.

„Před implementací digitálního dvojče v případě vakuové pece trvalo testování v kombinaci s technologickými zkouškami 2 až 2,5 týdne u servisního technika a 4-5 dní u automatizačního inženýra. Testování na vytvořeném modelu několikanásobně zkrátilo jejich pracovní zátěž. U systémů složených z několika nebo tuctu zařízení jsou tyto časy úměrně sníženy z průměrných 400-500 hodin na 100-150, což znamená významné úspory. Sníží se také pracovní zátěž elektroinstalátorů. Nižší náklady jsou důležité, ale pocit jistoty, že zařízení bude správně fungovat na místě, je k nezaplacení,“
vysvětluje Sławomir Wachowski.

Pomocí digitálního dvojče lze pec komplexně otestovat dlouho před vytvořením jejího fyzického ekvivalentu.

Cloudový model

Další významnou výhodou použití digitálního dvojče je vyšší kvalita konečného produktu.

Dalším zajímavým aspektem používání digitálního dvojče jsou jeho obchodní důsledky. Model vakuové pece založený na cloudu umožňuje prodejcům demonstrovat výkon zařízení současným i novým zákazníkům. Další inovativní funkcí je schopnost vývojového týmu otestovat pokročilá řešení správy zařízení. Díky cloudovému modelu již k testování nepotřebují fyzická data. V budoucnu Simcenter Amesim také umožní SECO/WARWICK vytvářet pokročilé matematické modely učících se strojů.

„Díky spolupráci s Amesim jsme dokázali ověřit, jak přesně jsme schopni modelovat spotřebu energie, tepelné změny a dynamické změny tlaku plynu. Vidíme v Amesimu velký potenciál pro vytváření ještě přesnějších modelů, které pak můžeme použít jako součásti SIMIT a přesněji reprezentovat realitu v digitálním světě,“
říká Wojciech Piasny.

Podle Mariusze Waśkowicze ze společnosti Siemens přináší digitální dvojče nejen hmatatelné organizační a ekonomické výhody, ale také signalizuje posun ve směru vývoje automatizace a dokonce ovlivňuje vzdělávání současných i budoucích specialistů na automatizaci.

„Použití digitálního dvojče umožňuje efektivní trénink například pro osoby odpovědné za provoz nebo údržbu stroje. To jim umožňuje důkladně porozumět zařízení nebo celé výrobní lince dříve, než vůbec interagují s fyzickým objektem, a tak se naučí, jak jej efektivněji ovládat rychleji. Budou také věnovat pozornost konkrétním aspektům práce a rychleji identifikovat příznaky potenciálních poruch a následně prostojů linky, „vysvětluje Mariusz Waśkowicz.

Marek Melnarowicz také zaznamenává dopad digitálního dvojče na vnímání profese automatizace a vývoj nových směrů vzdělávání specialistů na průmyslovou automatizaci.

„Díky modelování se svět automatizace PLC přibližuje k IT. Vývoj digitálního dvojčete znamená, že nás fyzický svět již nespojuje a můžeme pracovat na strojních a přístrojových komponentách a softwaru, který je ovládá, než budou implementovány v reálných podmínkách, „vysvětluje Marek Melnarowicz.