ANWENDERBERICHT

Digitaler Zwilling für die Wärmebehandlung

Um den Betrieb zu rationalisieren und das Fehlerrisiko zu minimieren, implementierte SECO/WARWICK die digitalen Zwillingslösungen von Siemens.

Der Wärmebehandlungsprozess von Metallen ist aus technologischer Sicht außergewöhnlich komplex. Es erfordert die Einhaltung geeigneter Betriebsparameter sowie bestimmter Sicherheitsbedingungen. Das stellt die Hersteller moderner Industrieöfen vor große Herausforderungen. Um das Risiko potenzieller Fehler zu minimieren und die Produktions- und Montageprozesse vor Ort zu verbessern, verwendet die SECO/WARWICK Group Lösungen, die auf einem digitalen Zwilling von Siemens basieren.

SECO/WARWICK ist ein Hersteller von technologisch fortschrittlichen Öfen für die Wärmebehandlung von Metallen, die gemäß den individuellen Bedürfnissen der Kunden entworfen und hergestellt werden. Ein wichtiger Faktor bei der Auswahl der Ofentechnologie und der technischen Lösungen ist die Gebühr (Arbeitslast) des Kunden, d. h. das Metallprodukt, das wärmebehandelt werden soll. Auf dieser Grundlage werden die geeignete Technologie, das Verfahren und die Rezeptur ausgewählt, die den Grad der Komplexität der Geräte und Kontrollsysteme beeinflussen. Die Art der Wärmebehandlungstechnologie bestimmt auch die Auswahl der Sicherheitsmaßnahmen, die Mitarbeiter vor potenziellen Gefahren schützen.

„Für einen Automatisierungstechniker, der an der Ofenkonstruktion beteiligt ist, ist eine gründliche Kenntnis der Technologie und der Prozessparameter ebenso wichtig wie das Bewusstsein für potenzielle Risiken. Zum Beispiel sind Vakuum-Wärmebehandlungsöfen ganz anders programmiert als Geräte, die für die Aluminiumverarbeitung oder Vakuummetallurgie verwendet werden, obwohl sie eine ähnliche Hardwarestruktur haben. Das Verständnis der Technologie ermöglicht es, potenzielle Gefahren zu antizipieren und angemessene Schutzmaßnahmen zu ergreifen.“
betont Sławomir Wachowski, Direktor der Automatisierungsabteilung bei SECO/WARWICK.

SECO/WARWICK ist ein Hersteller von technologisch fortschrittlichen Öfen für die Wärmebehandlung von Metallen.

Der digitale Zwilling unterstützt das Modellieren und Testen.

Um die Arbeit zu rationalisieren und das Fehlerrisiko zu minimieren, entschied sich SECO/WARWICK für digitale Zwillingslösungen von Siemens. Das Unternehmen verwendet unter anderem die SIMIT-Software, um digitale Modelle von Vakuum-, Atmosphären- und Schmelzöfen zu erstellen. Dieses Tool wird auch verwendet, um Automatisierungssysteme zu testen, bevor die Software zur Inbetriebnahme übergeben wird. Das Unternehmen verwendet SIMIT Unit auch, um den Produktionsprozess und die Konfiguration von Schaltschränken durch die vollständige Simulation von Hardwareschranktests zu unterstützen. Für fortgeschrittenere Modelle, wie Pumpsysteme, Die Simcenter Amesim-Simulationsplattform wird verwendet, um die Leistung zu simulieren und bei der Auswahl der richtigen Größe von Vakuumpumpen zu helfen.

„Derzeit simulieren wir in unseren Modellen verschiedene Arten von Geräten. Der Hauptgrund, warum wir uns für einen digitalen Zwilling entschieden haben, war die Komplexität der Steuerungssoftware und die Vielzahl der Herausforderungen, denen wir uns stellen mussten. Viele dieser Probleme traten erst beim Testen und bei der Inbetriebnahme zutage — also in der Endphase, als die Ausrüstung unsere Einrichtung bereits verlassen hatte.“
erklärt Radosław Gorowy, Ingenieur für digitale Modellierung und Simulation bei SECO/WARWICK.

Ofentests „auf dem Schreibtisch“

Die von SECO/WARWICK verwendeten digitalen Zwillingslösungen ermöglichen es, potenzielle Fehler und Probleme bereits in frühen Phasen der Arbeit an einem bestimmten Gerät zu identifizieren.

Die von SECO/WARWICK verwendeten digitalen Zwillingslösungen ermöglichen es, potenzielle Fehler und Probleme bereits in frühen Phasen der Arbeit an einem bestimmten Gerät zu identifizieren. Modellieren und Testen mit Simulationssoftware verbessern die Arbeitseffizienz erheblich. Sie erhöhen auch die Zuverlässigkeit der Lösungen, die entwickelt werden. Dadurch können Industrieöfen für die Wärmebehandlung von Metallen schneller, kostengünstiger und mit reduziertem Arbeitsaufwand geliefert und in Betrieb genommen werden.

„Das Streben nach Innovation ist ein sehr wichtiger Faktor, der die Entwicklung unseres Unternehmens vorantreibt. In dieser Hinsicht hat der digitale Zwilling unsere Erwartungen voll erfüllt. Es wird für die Modellierung aller Geräte verwendet, die wir herstellen. Derzeit haben wir mehrere Modelle vorbereitet. Ursprünglich wurden Simulationen für Vakuumöfen erstellt, an denen wir jetzt unsere Automatisierungssysteme vollständig testen. Derzeit entwickeln wir Modelle für Aluminiumverarbeitungsöfen und Vakuummetallurgie. Wir haben auch unsere ersten Erfahrungen mit der Modellierung von Atmosphärenöfen, die ein wichtiges Segment der von uns entwickelten Lösungen darstellen.“
erklärt Sławomir Wachowski.

SECO/WARWICK verwendet die SIMIT-Software unter anderem, um Eingangs- und Ausgangssignale von Steuerungssystemen zu simulieren, das Geräteverhalten detailliert zu simulieren und Prozesse mithilfe spezieller technologischer Bibliotheken zu modellieren.

„Bei dieser Lösung ist SIMIT das wichtigste Tool. Um seine Funktionen voll auszuschöpfen, wurde das System jedoch um PLCSIM Advanced — einen Controller-Emulator — und WinCC für das HMI-Bedienfeld erweitert. Die Integration mit TIA Portal ermöglicht es, das Steuerungsprogramm in Echtzeit zu ändern (Software-in-the-Loop). Das Simulationsmodell kann mithilfe von SIMIT UNIT (Hardware-in-the-Loop) auch mit einer physikalischen Steuerung kommunizieren.“
erklärt Mariusz Waśkowicz, Experte für Digitalisierungslösungen, der das Projekt im Namen von Siemens unterstützt. Das Testen von Ausrüstung und Automatisierung erfolgt buchstäblich „auf dem Schreibtisch“, wo die angewandten technologischen Solutions vor der endgültigen Inbetriebnahme überprüft werden.

„Der Schaltschrank ist mit der SIMIT Unit verbunden und mit diesem Tool in Bezug auf Hardware und Messleistung getestet. Das gibt uns die Gewissheit, dass es keine Probleme geben wird, und falls Probleme vor Ort auftreten, werden sie auf andere Ursachen im Zusammenhang mit der physischen Umsetzung des Projekts zurückzuführen sein und nicht auf die Komponenten, die wir verwendet haben.“
erklärt Wojciech Piasny, stellvertretender Direktor der Automatisierungsabteilung bei SECO/WARWICK.

Die Software für digitale Zwillinge ist nur eines von vielen Elementen des Siemens-Ökosystems, das vom Hersteller verwendet wird. Das gesamte Steuerungssystem basiert auf Siemens-Lösungen. Die Systemsteuerung wird vom S7-1500-Controller zusammen mit seinen Modulen übernommen. Siemens liefert auch Industrie-Computer und Touchpanels, die als Benutzerschnittstelle dienen. Darüber hinaus basieren die Sicherheitssysteme auf den Sicherheitslösungen des Herstellers. Siemens-Komponenten werden auch in den Schaltschränken verwendet, einschließlich Schütze, Schaltungen

Die Software für digitale Zwillinge ist nur eines von vielen Elementen des Siemens-Ökosystems, das von SECO/WARWICK genutzt wird.

Die Systeme werden vom S7-1500-Controller und den Modulen gesteuert.

Wie spricht das Model mit dem Controller?

Die Modellierung berücksichtigt alle Prozesse, die im Ofen ablaufen: Pumpen, Ofenheizen, Kühlen und Aufkohlen. In der physischen Welt dauert ein solcher Vorgang mehrere Stunden bis — bei bestimmten Geräten — sogar mehrere Tage. Durch die Verwendung von Simulationslösungen, die auf einem digitalen Zwilling des Geräts basieren, kann dies erheblich beschleunigt werden und der Ofen kann umfassend getestet werden, lange bevor sein physisches Gegenstück entsteht. Während der Modellierung werden sowohl digitale als auch analoge Parameter wie Temperatur und Vakuum simuliert. Während der Tests wird die Funktion von Schaltern, Schützen und anderen Geräten, die an den Schaltschrank angeschlossen sind, einschließlich des gesamten Sicherheitssystems, überprüft.

„Das Modell enthält eine digitale Darstellung der Komponenten des Geräts und der Komponenten im Schaltschrank. All diese Elemente müssen ein digitales Äquivalent in SIMIT haben. Mit diesem Tool erstellen wir eine Komponentenbibliothek. Wir untersuchen die einzelnen Ofenkomponenten, ihre Struktur und stellen sie dann in dem Modell dar, das wir erstellen. Basierend auf den Schaltplänen verbinden wir das Modell über Ein-/Ausgänge mit der SPS, sodass wir den Betrieb einzelner technologischer Programme testen können. Ein zusätzlicher Vorteil ist die Möglichkeit, verfügbare Ein-/Ausgänge zu nutzen „, erklärt Radosław Gorowy.

Die Modellierung berücksichtigt alle Prozesse, die im Ofen ablaufen: einschließlich Pumpen, Ofenheizung, Kühlung und Aufkohlen.

SECO/WARWICK konstruiert Modelle, die die Realität so originalgetreu wie möglich widerspiegeln. Aber das ist noch nicht alles, da auch Simulationen erstellt werden, die synthetische Daten für Analysen generieren. Solche Simulationen ermöglichen es dem Entwicklungsteam beispielsweise, Lösungen für die FurnacePlus-Plattform zu testen, die die Funktionalität der Geräte der Gruppe um prädiktive Systeme und Energiemanagementsysteme erweitert. Das Verständnis der Schnittstellenanforderungen des Kunden ist auch ein wichtiger Aspekt des Lösungsdesigns, da Ergonomie aus Sicherheitsgründen von entscheidender Bedeutung ist.

„Kunden, die sich keine allzu großen Sorgen über gefährliche Unfälle während des Ofenbetriebs machen müssen, haben andere Bedürfnisse als Kunden, bei denen das Risiko aufgrund der verwendeten Materialverarbeitungstechnologie erheblich ist und schwerwiegende Folgen haben kann. Im letzteren Fall haben wir es mit hochqualifizierten Bedienern zu tun, die auch eine spezielle Schnittstelle in den Geräten benötigen, die sie verwenden.“
bemerkt Marek Melnarowicz, Vertriebsleiter bei Siemens Polska.

Das Testen von Lösungen in den Simulationstools des digitalen Zwillings erfolgt während der Übergabe des Schaltschranks und der Software. Als Nächstes implementiert die Montageabteilung das Design und führt die Endmontage des Geräts durch. Schließlich führt die Serviceabteilung physische Tests durch. Die endgültige Bestätigung, dass das angenommene Modell korrekt umgesetzt wurde, ist die Überprüfung an der Zieleinrichtung.

„Die Modelle, die wir für Simulationen und Tests verwenden, sind ausgereift und schnell genug, um sie zu erstellen, sodass sie uns praktisch Zeit sparen. Noch wichtiger ist, dass sie wertvolle Automatisierungsressourcen freisetzen, da wir sie nicht mit physischen Tests des Geräts mit Service beauftragen müssen, weder in der Einrichtung von SECO/WARWICK noch direkt beim Kunden vor Ort. Die Zeit, die für die Vorbereitung des Modells aufgewendet wird, zahlt sich auch aus, weil wir mehr Sicherheit bei der Planung haben, vor allem, weil jedes nachfolgende Modell uns aufgrund der sukzessive erstellten Bibliothek unserer eigenen Komponenten weniger kostet. Die Zeitersparnis dank des digitalen Zwillings ist daher enorm.“
erklärt S. Wachowski.

Schneller, sicherer und wirtschaftlicher

Nach mehreren Monaten der Zusammenarbeit mit SIMIT und SIMIT Unit sieht SECO/WARWICK erhebliche Vorteile in der Verwendung von Tools, die umfassende Lösungen für Automatisierungstests bieten. Zu den wichtigsten Vorteilen der Implementierung von Modellierungs- und Testlösungen gehört die Verkürzung der Zeit, die für die Montage und Inbetriebnahme des Ofens beim Kunden benötigt wird.

„Vor der Implementierung des digitalen Zwillings, im Fall eines Vakuumofens, dauerten Tests in Kombination mit technologischen Tests für einen Servicetechniker 2 bis 2,5 Wochen und für einen Automatisierungstechniker 4-5 Tage. Das Testen des erstellten Modells verkürzte ihren Arbeitsaufwand um ein Vielfaches. Bei Systemen, die aus mehreren oder einem Dutzend Geräten bestehen, werden diese Zeiten proportional von durchschnittlich 400-500 Stunden auf 100-150 reduziert, was zu erheblichen Einsparungen führt. Die Arbeitsbelastung der Elektroinstallateure wird ebenfalls reduziert. Niedrigere Kosten sind wichtig, aber das Gefühl der Gewissheit, dass das Gerät vor Ort korrekt funktioniert, ist von unschätzbarem Wert.“
erklärt Sławomir Wachowski.

Durch die Verwendung eines digitalen Zwillings kann der Ofen umfassend getestet werden, lange bevor sein physisches Äquivalent hergestellt wird.

Cloud-Modell

Ein weiterer bedeutender Vorteil der Verwendung eines digitalen Zwillings ist die höhere Qualität des Endprodukts.

Ein weiterer interessanter Aspekt der Verwendung eines digitalen Zwillings sind seine geschäftlichen Auswirkungen. Ein cloudbasiertes Vakuumofenmodell ermöglicht es Verkäufern, aktuellen und neuen Kunden die Leistung des Geräts zu demonstrieren. Eine weitere innovative Funktion ist die Möglichkeit für das Entwicklungsteam, fortschrittliche Geräteverwaltungslösungen zu testen. Dank des Cloud-basierten Modells benötigen sie keine physischen Daten mehr zum Testen. In Zukunft wird Simcenter Amesim es SECO/WARWICK auch ermöglichen, fortschrittliche mathematische Modelle von Lernmaschinen zu erstellen.

„Dank der Zusammenarbeit mit Amesim konnten wir überprüfen, wie genau wir den Energieverbrauch, thermische Veränderungen und dynamische Gasdruckänderungen modellieren können. Wir sehen in Amesim großes Potenzial für die Erstellung noch genauerer Modelle, die wir dann als Komponenten von SIMIT verwenden und die Realität in der digitalen Welt genauer abbilden können.“
sagt Wojciech Piasny.

Laut Mariusz Waśkowicz von Siemens bietet ein digitaler Zwilling nicht nur greifbare organisatorische und wirtschaftliche Vorteile, sondern signalisiert auch einen Richtungswechsel in der Automatisierungsentwicklung und beeinflusst sogar die Ausbildung aktueller und zukünftiger Automatisierungsspezialisten.

„Die Verwendung eines digitalen Zwillings ermöglicht eine effektive training, zum Beispiel für diejenigen, die für die Bedienung oder Wartung der Maschine verantwortlich sind. Dadurch können sie das Gerät oder die gesamte Produktionslinie gründlich verstehen, bevor sie überhaupt mit dem physischen Objekt interagieren, und lernen so, es schneller effektiv zu bedienen. Sie werden auch auf bestimmte Aspekte der Arbeit achten und schneller Symptome potenzieller Ausfälle und folglich Produktionsausfälle erkennen „, erklärt Mariusz Waśkowicz.

Marek Melnarowicz weist auch auf die Auswirkungen eines digitalen Zwillings auf die Wahrnehmung des Automatisierungsberufs und die Entwicklung neuer Wege für die Ausbildung von Spezialisten für industrielle Automatisierung hin.

„Dank der Modellierung rückt die Welt der SPS-Automatisierung näher an die IT heran. Die Entwicklung des digitalen Zwillings bedeutet, dass uns die physische Welt nicht mehr bindet und wir an Maschinen- und Gerätekomponenten und der Software, die sie steuert, arbeiten können, bevor sie unter realen Bedingungen implementiert werden „, erklärt Marek Melnarowicz.