CASO PRÁCTICO

Gemelo digital para tratamiento térmico

Para agilizar las operaciones y minimizar el riesgo de errores, SECO/WARWICK implementó las soluciones gemelas digitales de Siemens.

El proceso de tratamiento térmico de metales es excepcionalmente complejo desde un punto de vista tecnológico. Requiere mantener parámetros operativos apropiados, así como condiciones de seguridad específicas. Esto plantea desafíos importantes para los fabricantes de hornos industriales modernos. Para minimizar el riesgo de posibles errores y mejorar los procesos de producción y ensamblaje in situ, SECO/WARWICK Group utiliza soluciones basadas en un gemelo digital proporcionado por Siemens.

SECO/WARWICK es un fabricante de hornos tecnológicamente avanzados para el tratamiento térmico de metales, diseñados y producidos de acuerdo con las necesidades individuales de los clientes. Un factor clave en la selección de la tecnología del horno y las soluciones técnicas es el cargo del cliente (carga de trabajo), es decir, el producto metálico que se va a tratar térmicamente. En base a esto, se seleccionan la tecnología, el proceso y la receta apropiados, lo que influye en el nivel de complejidad del equipo y los sistemas de control. El tipo de tecnología de tratamiento térmico también determina la selección de medidas de seguridad que protegen a los empleados de peligros potenciales.

“Para un ingeniero de automatización involucrado en el diseño de hornos, un conocimiento profundo de la tecnología y los parámetros del proceso es crucial, así como la conciencia de los riesgos potenciales. Por ejemplo, los hornos de tratamiento térmico al vacío se programan de manera muy diferente a los equipos utilizados para el procesamiento de aluminio o la metalurgia al vacío, a pesar de tener una estructura de hardware similar. La comprensión de la tecnología hace posible anticipar los peligros potenciales e implementar las salvaguardas adecuadas”
enfatiza Sławomir Wachowski, Director de la División de Automatización de SECO/WARWICK.

SECO/WARWICK es un fabricante de hornos tecnológicamente avanzados para el tratamiento térmico de metales.

El gemelo digital admite modelado y pruebas

Para agilizar el trabajo y minimizar el riesgo de errores, SECO/WARWICK decidió utilizar soluciones gemelas digitales proporcionadas por Siemens. La compañía utiliza, entre otros, el software SIMIT para crear modelos digitales de vacío, atmósfera y hornos de fusión. Esta herramienta también se utiliza para probar los sistemas de automatización antes de que se entregue el software para su puesta en marcha. La compañía también utiliza la unidad SIMIT para apoyar el proceso de producción y la configuración de los gabinetes de control a través de la simulación completa de pruebas de gabinetes de hardware. Para modelos más avanzados, tales como sistemas de bombeo, La plataforma de simulación Simcenter Amesim se utiliza para simular el rendimiento y ayudar a seleccionar el tamaño adecuado de las bombas de vacío.

“Actualmente, en nuestros modelos simulamos varios tipos de equipos. La razón principal por la que decidimos usar un gemelo digital fue la complejidad del software de control y la variedad de desafíos que tuvimos que enfrentar. Muchos de estos problemas solo se hicieron evidentes durante las pruebas y la puesta en marcha, es decir, en la etapa final, cuando el equipo ya había salido de nuestras instalaciones”.
explica Radosław Gorowy, ingeniero de simulación y modelado digital en SECO/WARWICK.

Pruebas de horno “en el escritorio”

Las soluciones gemelas digitales utilizadas por SECO/WARWICK permiten identificar posibles errores y problemas ya en las primeras etapas del trabajo en un dispositivo determinado.

Las soluciones gemelas digitales utilizadas por SECO/WARWICK permiten identificar posibles errores y problemas ya en las primeras etapas del trabajo en un dispositivo determinado. El modelado y las pruebas con el uso de software de simulación mejoran significativamente la eficiencia del trabajo. También mejoran la confiabilidad de las soluciones que se están desarrollando. Como resultado, los hornos industriales para el tratamiento térmico de metales se pueden entregar y poner en marcha más rápido, a menor costo y con menor entrada de mano de obra.

“Lucharse por la innovación es un factor muy importante que impulsa el desarrollo de nuestra compañía. En este sentido, el gemelo digital ha cumplido plenamente nuestras expectativas. Se utiliza para modelar todo el equipo que producimos. En la actualidad, tenemos varios modelos preparados. Inicialmente, se crearon simulaciones para hornos de vacío, en los que ahora probamos completamente nuestros sistemas de automatización. Actualmente, estamos desarrollando modelos para hornos de procesamiento de aluminio y metalurgia al vacío. También tenemos nuestra primera experiencia en el modelado de hornos de atmósfera, que representan un segmento importante de las soluciones que desarrollamos”
explica Sławomir Wachowski.

SECO/WARWICK utiliza el software SIMIT, entre otras cosas, para simular señales de entrada y salida de sistemas de control, para proporcionar una simulación detallada del comportamiento del dispositivo y para modelar procesos utilizando bibliotecas tecnológicas dedicadas.

“En esta solución, SIMIT es la herramienta clave; sin embargo, para aprovechar al máximo sus capacidades, el sistema se ha ampliado con PLCSIM Advanced, un emulador de controlador, y WinCC para el panel del operador de HMI. La integración con TIA Portal hace posible modificar el programa de control en tiempo real (Software-in-the-Loop). El modelo de simulación también se puede comunicar con un controlador físico mediante SIMIT UNIT (Hardware-in-the-Loop),”
explica Mariusz Waśkowicz, experto en Solutions de digitalización que apoya el proyecto en nombre de Siemens. Las pruebas de equipos y automatización se llevan a cabo literalmente “en el escritorio”, donde las soluciones tecnológicas aplicadas se verifican antes de la puesta en marcha final.

“El gabinete de control está conectado a la unidad SIMIT y se prueba con esta herramienta en términos de hardware y rendimiento de medición. Esto nos da la confianza de que no generará problemas, y si ocurre algún problema en el sitio, se derivará de otras causas relacionadas con la implementación física del proyecto, en lugar de los componentes que hemos utilizado”.
explica Wojciech Piasny, Director Adjunto del Departamento de Automatización de SECO/WARWICK.

El software digital gemelo es solo uno de los muchos elementos del ecosystem de Siemens utilizados por el fabricante. Todo el sistema de control se basa en las soluciones de Siemens. El control del sistema es manejado por el controlador S7-1500 junto con sus módulos. Siemens también suministra computadoras industriales y paneles táctiles que sirven como interfaz de usuario. Además, los sistemas de seguridad se basan en las soluciones de seguridad del fabricante. Los componentes de Siemens también se utilizan en los gabinetes de control, incluidos contactores, circuitos

El software digital gemelo es solo uno de los muchos elementos del ecosystem de Siemens utilizados por SECO/WARWICK.

Los sistemas están controlados por el controlador y los módulos S7-1500.

¿Cómo habla el modelo con el controlador?

El modelado tiene en cuenta todos los procesos que ocurren en el horno: bombeo, calentamiento del horno, enfriamiento y carburación. En el mundo físico, ese proceso lleva desde varias horas hasta, en el caso de ciertos dispositivos, incluso varios días. Mediante el uso de soluciones de simulación basadas en un gemelo digital del dispositivo, esto se puede acelerar significativamente y el horno se puede probar exhaustivamente mucho antes de que se cree su contraparte física. Durante el modelado, se simulan parámetros digitales y analógicos, como temperatura y vacío. Durante las pruebas, se verifica el funcionamiento de los interruptores, contactores y otros dispositivos conectados al gabinete de control, incluido todo el sistema de seguridad.

“El modelo contiene una representación digital de los componentes del dispositivo y los componentes dentro del gabinete de control. Todos estos elementos deben tener un equivalente digital en SIMIT. Usando esta herramienta, construimos una biblioteca de componentes. Examinamos los componentes individuales del horno, su estructura y luego los representamos en el modelo que creamos. Basándonos en los diagramas eléctricos, conectamos el modelo al PLC a través de entradas/salidas, lo que nos permite probar el funcionamiento de programas tecnológicos individuales. Un beneficio adicional es la capacidad de utilizar entradas/salidas disponibles”, explica Radosław Gorowy.

El modelado tiene en cuenta todos los procesos que ocurren en el horno: incluyendo bombeo, calentamiento del horno, enfriamiento y carburización.

SECO/WARWICK construye modelos diseñados para reflejar la realidad de la manera más fiel posible. Pero eso no es todo, ya que también se crean simulaciones que generan datos sintéticos para el análisis. Tales simulaciones permiten al equipo de desarrollo, por ejemplo, probar soluciones dedicadas a la plataforma FurnacePlus, que amplía la funcionalidad de los dispositivos del Grupo con sistemas predictivos y de administración de energía. Comprender las necesidades de interfaz del cliente también es un aspecto importante del diseño de la solución, ya que la ergonomía es crucial por razones de seguridad.

“Los clientes que no tienen que preocuparse excesivamente por accidentes peligrosos durante la operación del horno tienen necesidades diferentes a aquellas en las que, debido a la tecnología de procesamiento de materiales utilizada, el riesgo es significativo y puede tener consecuencias graves. En este último caso, estamos tratando con operadores altamente calificados que también requieren una interfaz especializada en los dispositivos que usan”.
señala Marek Melnarowicz, gerente de ventas de Siemens Polska.

Las soluciones de prueba en las herramientas de simulación del gemelo digital se producen durante la entrega del gabinete de control y el software. A continuación, el departamento de ensamblaje implementa el diseño y realiza el ensamblaje final del dispositivo. Finalmente, el departamento de servicio realiza pruebas físicas. La confirmación final de que el modelo adoptado se ha implementado correctamente es su verificación en la instalación objetivo.

“Los modelos que utilizamos para la simulación y las pruebas son lo suficientemente maduros y rápidos como para crearlos y prácticamente nos ahorran tiempo. Aún más importante, liberan valiosos recursos de automatización, ya que no tenemos que involucrarlos en pruebas físicas del dispositivo con servicio, ya sea en las instalaciones de SECO/WARWICK o directamente en las instalaciones del cliente. El tiempo dedicado a preparar el modelo también vale la pena gracias a una mayor tranquilidad cuando se trata de planificar el trabajo, especialmente porque cada modelo posterior nos cuesta menos debido a la biblioteca construida sucesivamente de nuestros propios componentes. El ahorro de tiempo gracias al gemelo digital es, por lo tanto, enorme”
explica S. Wachowski.

Más rápido, más seguro y más económico

Después de varios meses de trabajar con SIMIT y SIMIT Unit, SECO/WARWICK ve beneficios significativos del uso de herramientas que proporcionan soluciones integrales para pruebas de automatización. Entre los beneficios clave de implementar soluciones de modelado y prueba se encuentra la reducción del tiempo requerido para el montaje y puesta en marcha del horno en las instalaciones del cliente.

“Antes de implementar el gemelo digital, en el caso de un horno de vacío, las pruebas combinadas con pruebas tecnológicas tomaban de 2 a 2.5 semanas para un técnico de servicio y 4-5 días para un ingeniero de automatización. Las pruebas en el modelo creado redujeron su carga de trabajo varias veces. Para sistemas compuestos por varios o una docena de dispositivos, estos tiempos se reducen proporcionalmente de un promedio de 400-500 horas a 100-150, lo que se traduce en ahorros significativos. La carga de trabajo de los instaladores eléctricos también se reduce. Los costos más bajos son importantes, pero la sensación de certeza de que el dispositivo funcionará correctamente en el sitio no tiene precio”.
explica Sławomir Wachowski.

Al usar un gemelo digital, el horno se puede probar exhaustivamente mucho antes de que se cree su equivalente físico.

Modelo de nube

Otro beneficio significativo de usar un gemelo digital es la mayor calidad del producto final.

Otro aspecto interesante del uso de un gemelo digital son sus implicaciones comerciales. Un modelo de horno de vacío basado en la nube permite a los vendedores demostrar el rendimiento del dispositivo a clientes actuales y nuevos. Otra característica innovadora es la capacidad del equipo de desarrollo para probar soluciones avanzadas de administración de dispositivos. Gracias al modelo basado en la nube, ya no necesitan datos físicos para las pruebas. En el futuro, Simcenter Amesim también permitirá a SECO/WARWICK crear modelos matemáticos avanzados de máquinas de aprendizaje.

“Gracias a trabajar con Amesim, pudimos verificar con qué precisión podemos modelar el consumo de energía, los cambios térmicos y los cambios dinámicos de presión de gas. Vemos un gran potencial en Amesim para crear modelos aún más precisos, que luego podemos usar como componentes de SIMIT y representar con mayor precisión la realidad en el mundo digital”.
dice Wojciech Piasny.

Según Mariusz Waśkowicz de Siemens, un gemelo digital no solo proporciona beneficios organizativos y económicos tangibles, sino que también señala un cambio en la dirección del desarrollo de la automatización e incluso influye en la educación de los especialistas en automatización actuales y futuros.

“El uso de un gemelo digital permite una training efectiva, por ejemplo, para los responsables de la operación o mantenimiento de la máquina. Esto les permite comprender a fondo el dispositivo o toda la línea de producción incluso antes de que interactúen con el objeto físico, aprendiendo así cómo operarlo de manera efectiva más rápidamente. También prestarán atención a aspectos específicos del trabajo e identificarán más rápidamente los síntomas de posibles fallas y, en consecuencia, el tiempo de inactividad de la línea”, explica Mariusz Waśkowicz.

Marek Melnarowicz también señala el impacto de un gemelo digital en la percepción de la profesión de automatización y el desarrollo de nuevas direcciones para la educación de especialistas en automatización industrial.

“Gracias al modelado, el mundo de la automatización de PLC se está acercando a la TI. El desarrollo del gemelo digital significa que el mundo físico ya no nos une, y podemos trabajar en componentes de máquinas y dispositivos y el software que los controla antes de que se implementen en condiciones del mundo real”, explica Marek Melnarowicz.