CASESTUDIE

Digital tvilling til varmebehandling

For at strømline driften og minimere risikoen for fejl implementerede SECO/WARWICK Siemens' digitale tvillingeløsninger.

Varmebehandlingsprocessen for metaller er usædvanligt kompleks ud fra et teknologisk synspunkt. Det kræver opretholdelse af passende driftsparametre samt specifikke sikkerhedsforhold. Dette udgør betydelige udfordringer for producenter af moderne industrielle ovne. For at minimere risikoen for potentielle fejl og forbedre produktions- og monteringsprocesserne på stedet anvender SECO/WARWICK-koncernen løsninger baseret på en digital tvilling leveret af Siemens.

SECO/WARWICK er en producent af teknologisk avancerede ovne til varmebehandling af metaller, designet og produceret i overensstemmelse med kundernes individuelle behov. En nøglefaktor ved valg af ovnteknologi og tekniske løsninger er kundens afgift (arbejdsbyrde), dvs. det metalprodukt, der skal varmebehandles. Baseret på dette vælges den passende teknologi, proces og opskrift, som påvirker udstyrets og kontrolsystemernes kompleksitet. Typen af varmebehandlingsteknologi bestemmer også valget af sikkerhedsforanstaltninger, der beskytter medarbejderne mod potentielle farer.

„For en automatiseringsingeniør, der er involveret i ovndesign, er et indgående kendskab til teknologi og procesparametre afgørende samt bevidsthed om potentielle risici. For eksempel programmeres vakuumvarmebehandlingsovne ganske forskelligt fra udstyr, der anvendes til aluminiumforarbejdning eller vakuummetallurgi, på trods af at de har en lignende hardwarestruktur. At forstå teknologien gør det muligt at forudse potentielle farer og implementere passende sikkerhedsforanstaltninger,“
understreger Sławomir Wachowski, direktør for automatiseringsafdelingen hos SECO/WARWICK.

SECO/WARWICK er en producent af teknologisk avancerede ovne til varmebehandling af metaller.

Den digitale tvilling understøtter modellering og test

For at strømline arbejdet og minimere risikoen for fejl besluttede SECO/WARWICK at bruge digitale tvillingløsninger leveret af Siemens. Virksomheden bruger blandt andet SIMIT software til at skabe digitale modeller af vakuum-, atmosfære- og smelteovne. Dette værktøj bruges også til at teste automatiseringssystemer, før softwaren afleveres til ibrugtagning. Virksomheden bruger også SIMIT Unit til at understøtte produktionsprocessen og konfigurationen af kontrolskabe gennem fuld simulering af hardwareskabetest. For mere avancerede modeller, såsom pumpesystemer, Simcenter Amesim simuleringsplatform bruges til at simulere ydeevne og hjælpe med at vælge den passende størrelse af vakuumpumper.

“ I øjeblikket simulerer vi i vores modeller flere typer udstyr. Hovedårsagen til, at vi besluttede at bruge en digital tvilling, var kompleksiteten af kontrolsoftwaren og de mange udfordringer, vi måtte stå over for. Mange af disse problemer blev først tydelige under test og idriftsættelse - det vil sige i den sidste fase, hvor udstyret allerede havde forladt vores anlæg,“
forklarer Radosław Gorowy, digital modellering og simuleringsingeniør hos SECO/WARWICK.

Ovnprøvning „på skrivebordet“

De digitale tvillingløsninger, der anvendes af SECO/WARWICK, gør det muligt at identificere potentielle fejl og problemer allerede i tidlige stadier af arbejdet på en given enhed.

De digitale tvillingløsninger, der anvendes af SECO/WARWICK, gør det muligt at identificere potentielle fejl og problemer allerede i tidlige stadier af arbejdet på en given enhed. Modellering og test med brug af simuleringssoftware forbedrer arbejdseffektiviteten betydeligt. De øger også pålideligheden af de løsninger, der udvikles. Som et resultat kan industrielle ovne til metalvarmebehandling leveres og tages i brug hurtigere, til lavere omkostninger og med reduceret arbejdsindsats.

„At stræbe efter innovation er en meget vigtig faktor, der driver udviklingen af vores virksomhed. I denne henseende har den digitale tvilling fuldt ud opfyldt vores forventninger. Det bruges til modellering af alt det udstyr, vi producerer. På nuværende tidspunkt har vi flere modeller forberedt. Oprindeligt blev der oprettet simuleringer til vakuumovne, hvor vi nu fuldt ud tester vores automatiseringssystemer. I øjeblikket udvikler vi modeller til aluminiumforarbejdningsovne og vakuummetallurgi. Vi har også vores første erfaring med modellering af atmosfæriske ovne, som repræsenterer et vigtigt segment af de løsninger, vi udvikler,“
forklarer Sławomir Wachowski.

SECO/WARWICK bruger SIMIT software blandt andet til at simulere input- og outputsignaler fra styresystemer, til detaljeret simulering af enhedens adfærd og til at modellere processer ved hjælp af dedikerede teknologiske biblioteker.

„I denne løsning er SIMIT nøgleværktøjet, men for fuldt ud at udnytte sine muligheder er systemet blevet udvidet med PLCSIM Advanced — en controller-emulator — og WinCC til HMI-operatørpanelet. Integration med TIA Portal gør det muligt at ændre kontrolprogrammet i realtid (Software-in-the-Loop). Simuleringsmodellen kan også kommunikere med en fysisk controller ved hjælp af SIMIT UNIT (Hardware-in-the-Loop),“
forklarer Mariusz Waśkowicz, Digitalization Solutions Expert, der støtter projektet på vegne af Siemens. Test af udstyr og automatisering udføres bogstaveligt talt „på skrivebordet“, hvor de anvendte teknologiske løsninger verificeres inden den endelige idriftsættelse.

„Kontrolskabet er tilsluttet SIMIT Unit og testet ved hjælp af dette værktøj med hensyn til hardware og måleydelse. Dette giver os tillid til, at det ikke vil skabe problemer, og hvis der opstår problemer på stedet, vil de stamme fra andre årsager relateret til den fysiske implementering af projektet snarere end fra de komponenter, vi har brugt,“
forklarer Wojciech Piasny, vicedirektør for automatiseringsafdelingen hos SECO/WARWICK.

Digital tvilling-software er blot et af mange elementer i Siemens-økosystemet, der bruges af producenten. Hele styresystemet er baseret på Siemens løsninger. Systemstyring håndteres af S7-1500-controlleren sammen med dens moduler. Siemens leverer også industrielle computere og berøringspaneler, der fungerer som brugergrænseflade. Desuden er sikkerhedssystemerne bygget på producentens sikkerhedsløsninger. Siemens komponenter bruges også i styreskabene, herunder kontaktorer, kredsløb

Digital tvillingssoftware er blot et af mange elementer i Siemens-økosystemet, der bruges af SECO/WARWICK.

Systemerne styres af S7-1500 controller og moduler.

Hvordan taler modellen med controlleren?

Modellering tager højde for alle processer, der forekommer i ovnen: pumpning, ovnopvarmning, køling og karburering. I den fysiske verden tager en sådan proces fra flere timer til - i tilfælde af visse enheder - endda flere dage. Ved at bruge simuleringsløsninger baseret på en digital tvilling af enheden kan dette accelereres betydeligt, og ovnen kan testes grundigt længe før dens fysiske modstykke oprettes. Under modellering simuleres både digitale og analoge parametre, såsom temperatur og vakuum. Under testningen verificeres driften af kontakter, kontaktorer og andre enheder, der er tilsluttet kontrolskabet, inklusive hele sikkerhedssystemet.

„Modellen indeholder en digital repræsentation af enhedens komponenter og komponenterne inde i styrekabinettet. Alle disse elementer skal have en digital ækvivalent i SIMIT. Ved hjælp af dette værktøj bygger vi et komponentbibliotek. Vi undersøger de enkelte ovnkomponenter, deres struktur og repræsenterer dem derefter i den model, vi opretter. Baseret på de elektriske diagrammer forbinder vi modellen til PLC via input/output, så vi kan teste driften af individuelle teknologiske programmer. En yderligere fordel er muligheden for at bruge tilgængelige input/output,“ forklarer Radosław Gorowy.

Modelleringen tager højde for alle processer, der forekommer i ovnen: herunder pumpning, ovnopvarmning, køling og karburering.

SECO/WARWICK konstruerer modeller designet til at afspejle virkeligheden så trofast som muligt. Men det er ikke alt, da der også oprettes simuleringer, der genererer syntetiske data til analyse. Sådanne simuleringer gør det muligt for udviklingsteamet for eksempel at teste løsninger dedikeret til FurnacePlus-platformen, som udvider funktionaliteten af koncernens enheder med prædiktive og energistyringssystemer. Forståelse af kundens grænsefladebehov er også et vigtigt aspekt ved løsningsdesign, da ergonomi er afgørende af sikkerhedsmæssige årsager.

„Kunder, der ikke behøver at bekymre sig overdrevent om farlige ulykker under ovndrift, har andre behov end dem, hvor risikoen på grund af den anvendte materialebehandlingsteknologi er betydelig og kan have alvorlige konsekvenser. I sidstnævnte tilfælde har vi at gøre med højt kvalificerede operatører, der også kræver en specialiseret grænseflade i de enheder, de bruger,“
bemærker Marek Melnarowicz, salgschef hos Siemens Polska.

Test af løsninger i den digitale tvillings simuleringsværktøjer sker under overdragelsen af styrekabinet og softwaren. Dernæst implementerer monteringsafdelingen designet og udfører den endelige samling af enheden. Endelig udfører serviceafdelingen fysisk test. Den endelige bekræftelse på, at den vedtagne model er blevet implementeret korrekt, er dens verifikation på målfaciliteten.

„De modeller, vi bruger til simulering og test, er modne nok og hurtige nok til at skabe, at de praktisk talt sparer os tid. Endnu vigtigere er det, at de frigør værdifulde automatiseringsressourcer, da vi ikke behøver at engagere dem i fysisk test af enheden med service, hverken på SECO/WARWICK-anlægget eller direkte hos kunden. Den tid, der bruges på at forberede modellen, betaler sig også gennem større ro i sindet, når det kommer til planlægningsarbejde, især da hver efterfølgende model koster os mindre på grund af det successivt byggede bibliotek med vores egne komponenter. Tidsbesparelserne takket være den digitale tvilling er derfor enorme,“
forklarer S. Wachowski.

Hurtigere, sikrere og mere økonomisk

Efter flere måneders arbejde med SIMIT og SIMIT Unit ser SECO/WARWICK betydelige fordele ved at bruge værktøjer, der leverer omfattende løsninger til automatiseringstest. Blandt de vigtigste fordele ved implementering af modellerings- og testløsninger er reduceringen af den tid, der kræves til ovnmontering og idriftsættelse på kundens anlæg.

„Før implementeringen af den digitale tvilling, i tilfælde af en vakuumovn, tog test kombineret med teknologiske forsøg 2 til 2,5 uger for en servicetekniker og 4-5 dage for en automatiseringsingeniør. Test på den oprettede model forkortede deres arbejdsbyrde flere gange. For systemer sammensat af flere eller et dusin enheder reduceres disse tider proportionalt fra et gennemsnit på 400-500 timer til 100-150, hvilket betyder betydelige besparelser. Arbejdsbyrden for elektriske installatører reduceres også. Lavere omkostninger er vigtige, men følelsen af sikkerhed for, at enheden fungerer korrekt på stedet, er uvurderlig,“
forklarer Sławomir Wachowski.

Ved at bruge en digital tvilling kan ovnen testes grundigt længe før dens fysiske ækvivalent oprettes.

Cloud-model

En anden væsentlig fordel ved at bruge en digital tvilling er den højere kvalitet af det endelige produkt.

Et andet interessant aspekt ved at bruge en digital tvilling er dens forretningsmæssige konsekvenser. En skybaseret vakuumovnmodel giver sælgere mulighed for at demonstrere enhedens ydeevne til nuværende og nye kunder. En anden innovativ funktion er udviklingsteamets evne til at teste avancerede enhedsstyringsløsninger. Takket være den skybaserede model har de ikke længere brug for fysiske data til test. I fremtiden vil Simcenter Amesim også gøre det muligt for SECO/WARWICK at skabe avancerede matematiske modeller af læringsmaskiner.

„Takket være samarbejdet med Amesim var vi i stand til at kontrollere, hvor præcist vi er i stand til at modellere energiforbrug, termiske ændringer og dynamiske gastrykændringer. Vi ser et stort potentiale i Amesim for at skabe endnu mere præcise modeller, som vi derefter kan bruge som komponenter i SIMIT og mere præcist repræsentere virkeligheden i den digitale verden,“
siger Wojciech Piasny.

Ifølge Mariusz Waśkowicz fra Siemens giver en digital tvilling ikke kun håndgribelige organisatoriske og økonomiske fordele, men signalerer også et skift i retning af automatiseringsudvikling og påvirker endda uddannelsen af nuværende og fremtidige automatiseringsspecialister.

“ Brugen af en digital tvilling giver mulighed for effektiv træning, for eksempel for dem, der er ansvarlige for maskinens drift eller vedligeholdelse. Dette giver dem mulighed for grundigt at forstå enheden eller hele produktionslinjen, før de overhovedet interagerer med det fysiske objekt, og dermed lære at betjene det effektivt hurtigere. De vil også være opmærksomme på specifikke aspekter af arbejdet og hurtigere identificere symptomer på potentielle fejl og dermed driftsstop,“ forklarer Mariusz Waśkowicz.

Marek Melnarowicz bemærker også virkningen af en digital tvilling på opfattelsen af automatiseringsfaget og udviklingen af nye retninger for uddannelse af industrielle automatiseringsspecialister.

„Takket være modellering bevæger verden af PLC-automatisering sig tættere på IT. Udviklingen af den digitale tvilling betyder, at den fysiske verden ikke længere binder os, og vi kan arbejde på maskine- og enhedskomponenter og den software, der styrer dem, før de implementeres i virkelige forhold,“ forklarer Marek Melnarowicz.