ÉTUDE DE CAS

Jumeau numérique pour traitement thermique

Pour rationaliser les opérations et minimiser le risque d'erreurs, SECO/WARWICK a mis en œuvre les solutions jumelles numériques de Siemens.

Le processus de traitement thermique des métaux est exceptionnellement complexe d'un point de vue technologique. Cela nécessite de maintenir des paramètres de fonctionnement appropriés ainsi que des conditions de sécurité spécifiques. Cela pose des défis importants pour les fabricants de fours industriels modernes. Pour minimiser le risque d'erreurs potentielles et améliorer les processus de production et d'assemblage sur site, le groupe SECO/WARWICK utilise des solutions basées sur un jumeau numérique fourni par Siemens.

SECO/WARWICK est un fabricant de fours technologiquement avancés pour le traitement thermique des métaux, conçus et produits en fonction des besoins individuels des clients. Un facteur clé dans le choix de la technologie du four et des solutions techniques est la charge du client (charge de travail), c'est-à-dire le produit métallique à traiter thermiquement. Sur cette base, la technologie, le processus et la recette appropriés sont sélectionnés, ce qui influence le niveau de complexité de l'équipement et des systèmes de contrôle. Le type de technologie de traitement thermique détermine également le choix des mesures de sécurité protégeant les employés contre les dangers potentiels.

« Pour un ingénieur en automatisation impliqué dans la conception de fours, une connaissance approfondie de la technologie et des paramètres du processus est cruciale, ainsi que la sensibilisation aux risques potentiels. Par exemple, les fours de traitement thermique sous vide sont programmés assez différemment des équipements utilisés pour le traitement de l'aluminium ou la métallurgie sous vide, malgré une structure matérielle similaire. Comprendre la technologie permet d'anticiper les dangers potentiels et de mettre en place des mesures de protection appropriées,
souligne Sławomir Wachowski, directeur de la division Automatisation de SECO/WARWICK.

SECO/WARWICK est un fabricant de fours technologiquement avancés pour le traitement thermique des métaux.

Le jumeau numérique prend en charge la modélisation et les tests

Pour rationaliser le travail et minimiser le risque d'erreurs, SECO/WARWICK a décidé d'utiliser les solutions jumelles numériques fournies par Siemens. La société utilise, entre autres, le logiciel SIMIT pour créer des modèles numériques de fours à vide, d'atmosphère et de fusion. Cet outil est également utilisé pour tester les systèmes d'automatisation avant que le logiciel ne soit remis pour la mise en service. La société utilise également l'unité SIMIT pour soutenir le processus de production et la configuration des armoires de commande grâce à une simulation complète des tests d'armoires matérielles. Pour les modèles plus avancés, tels que les systèmes de pompage, le La plateforme de simulation Simcenter Amesim est utilisée pour simuler les performances et pour aider à sélectionner la taille appropriée des pompes à vide.

« Actuellement, dans nos modèles, nous simulons plusieurs types d'équipements. La principale raison pour laquelle nous avons décidé d'utiliser un jumeau numérique était la complexité du logiciel de contrôle et la variété des défis auxquels nous avons dû faire face. Beaucoup de ces problèmes ne sont apparus que lors des essais et de la mise en service — c'est-à-dire à la dernière étape, lorsque l'équipement avait déjà quitté notre installation,
explique Radosław Gorowy, ingénieur en modélisation numérique et simulation chez SECO/WARWICK.

Essais de fournaise « sur le bureau »

Les solutions jumelles numériques utilisées par SECO/WARWICK permettent d'identifier les erreurs et problèmes potentiels dès les premières étapes du travail sur un appareil donné.

Les solutions jumelles numériques utilisées par SECO/WARWICK permettent d'identifier les erreurs et problèmes potentiels dès les premières étapes du travail sur un appareil donné. La modélisation et les tests à l'aide de logiciels de simulation améliorent considérablement l'efficacité du travail. Ils améliorent également la fiabilité des solutions en cours de développement. En conséquence, les fours industriels pour le traitement thermique des métaux peuvent être livrés et mis en service plus rapidement, à moindre coût et avec une main-d'œuvre réduite.

« La recherche de l'innovation est un facteur très important qui motive le développement de notre entreprise. À cet égard, le jumeau numérique a pleinement répondu à nos attentes. Il est utilisé pour modéliser tout l'équipement que nous produisons. À l'heure actuelle, nous avons plusieurs modèles préparés. Initialement, des simulations ont été créées pour les fours à vide, sur lesquels nous testons maintenant complètement nos systèmes d'automatisation. Actuellement, nous développons des modèles pour les fours de traitement de l'aluminium et la métallurgie sous vide. Nous avons également notre première expérience dans la modélisation de fours à atmosphère, qui représentent un segment important des solutions que nous développons, »
explique Sławomir Wachowski.

SECO/WARWICK utilise le logiciel SIMIT, entre autres, pour simuler les signaux d'entrée et de sortie des systèmes de contrôle, pour fournir une simulation détaillée du comportement des appareils et pour modéliser les processus à l'aide de bibliothèques technologiques dédiées.

« Dans cette solution, SIMIT est l'outil clé ; cependant, pour tirer pleinement parti de ses capacités, le système a été étendu avec PLCSIM Advanced — un émulateur de contrôleur — et WinCC pour le panneau opérateur de l'IHM. L'intégration avec TIA Portal permet de modifier le programme de contrôle en temps réel (Software-in-the-Loop). Le modèle de simulation peut également communiquer avec un contrôleur physique à l'aide de SIMIT UNIT (Hardware-in-the-Loop),
explique Mariusz Waśkowicz, expert en solutions de digitalisation soutenant le projet pour le compte de Siemens.Les tests d'équipement et d'automatisation sont effectués littéralement « sur le bureau », où les solutions technologiques appliquées sont vérifiées avant la mise en service finale.

« L'armoire de commande est connectée à l'unité SIMIT et testée à l'aide de cet outil en termes de performance matérielle et de mesure. Cela nous donne l'assurance que cela ne générera pas de problèmes, et si des problèmes surviennent sur place, ils proviendront d'autres causes liées à la mise en œuvre physique du projet, plutôt que des composants que nous avons utilisés,
explique Wojciech Piasny, directeur adjoint du département Automatisation de SECO/WARWICK.

Le logiciel jumeau numérique n'est qu'un des nombreux éléments de l'ecosystem Siemens utilisés par le fabricant. L'ensemble du système de contrôle est basé sur les solutions Siemens. Le contrôle du système est géré par le contrôleur S7-1500 avec ses modules. Siemens fournit également ordinateurs industriels et écrans tactiles qui servent d'interface utilisateur. De plus, les systèmes de sécurité sont construits sur les solutions de sécurité du fabricant. Les composants Siemens sont également utilisés dans les armoires de commande, y compris les contacteurs, le circuit

Le logiciel jumeau numérique n'est qu'un des nombreux éléments de l'ecosystem Siemens utilisés par SECO/WARWICK.

Les systèmes sont contrôlés par le contrôleur et les modules S7-1500.

Comment le modèle parle-t-il au contrôleur ?

La modélisation prend en compte tous les processus se produisant dans le four : pompage, chauffage du four, refroidissement et carburation. Dans le monde physique, un tel processus prend de plusieurs heures à - dans le cas de certains appareils - même plusieurs jours. En utilisant des solutions de simulation basées sur un jumeau numérique de l'appareil, cela peut être considérablement accéléré et le four peut être testé de manière complète bien avant que son homologue physique ne soit créé. Pendant la modélisation, les paramètres numériques et analogiques, tels que la température et le vide, sont simulés. Pendant les tests, le fonctionnement des interrupteurs, contacteurs et autres appareils connectés à l'armoire de commande, y compris l'ensemble du système de sécurité, est vérifié.

« Le modèle contient une représentation numérique des composants de l'appareil et des composants à l'intérieur de l'armoire de commande. Tous ces éléments doivent avoir un équivalent numérique dans SIMIT. À l'aide de cet outil, nous construisons une bibliothèque de composants. Nous examinons les composants individuels du four, leur structure, puis les représentons dans le modèle que nous créons. Sur la base des schémas électriques, nous connectons le modèle au PLC via des entrées/sorties, ce qui nous permet de tester le fonctionnement de programmes technologiques individuels. Un avantage supplémentaire est la possibilité d'utiliser les entrées/sorties disponibles », explique Radosław Gorowy.

La modélisation prend en compte tous les processus qui se produisent dans le four : y compris le pompage, le chauffage du four, le refroidissement et la cémentation.

SECO/WARWICK construit des modèles conçus pour refléter la réalité aussi fidèlement que possible. Mais ce n'est pas tout, car des simulations sont également créées qui génèrent des données synthétiques pour l'analyse. De telles simulations permettent à l'équipe de développement, par exemple, de tester des solutions dédiées à la plateforme FurnacePlus, qui étend les fonctionnalités des appareils du Groupe avec des systèmes prédictifs et de gestion de l'énergie. Comprendre les besoins d'interface du client est également un aspect important de la conception de la solution, car l'ergonomie est cruciale pour des raisons de sécurité.

« Les clients qui n'ont pas à s'inquiéter excessivement des accidents dangereux pendant le fonctionnement du four ont des besoins différents de ceux où, en raison de la technologie de traitement des matériaux utilisée, le risque est important et peut avoir de graves conséquences. Dans ce dernier cas, nous avons affaire à des opérateurs hautement qualifiés qui ont également besoin d'une interface spécialisée dans les appareils qu'ils utilisent,
remarque Marek Melnarowicz, directeur des ventes chez Siemens Polska.

Les solutions de test dans les outils de simulation du jumeau numérique se produisent lors du transfert de l'armoire de commande et du logiciel. Ensuite, le département d'assemblage implémente la conception et effectue l'assemblage final de l'appareil. Enfin, le service après-vente effectue des tests physiques. La confirmation finale que le modèle adopté a été correctement mis en œuvre est sa vérification sur l'installation cible.

« Les modèles que nous utilisons pour la simulation et les tests sont suffisamment matures et assez rapides pour être créés pour nous faire gagner pratiquement du temps. Plus important encore, ils libèrent de précieuses ressources d'automatisation, car nous n'avons pas besoin de les engager dans des tests physiques de l'appareil avec service, soit dans les installations SECO/WARWICK, soit directement dans les locaux du client. Le temps passé à préparer le modèle est également payant grâce à une plus grande tranquillité d'esprit lorsqu'il s'agit de planifier les travaux, d'autant plus que chaque modèle ultérieur nous coûte moins cher en raison de la bibliothèque construite successivement de nos propres composants. Les gains de temps grâce au jumeau numérique sont donc énormes, »
explique S. Wachowski.

Plus rapide, plus sûr et plus économique

Après plusieurs mois de travail avec SIMIT et l'unité SIMIT, SECO/WARWICK voit des avantages significatifs à l'utilisation d'outils qui fournissent des solutions complètes pour les tests d'automatisation. L'un des principaux avantages de la mise en œuvre de solutions de modélisation et de test est la réduction du temps requis pour l'assemblage et la mise en service du four dans les installations du client.

« Avant de mettre en œuvre le jumeau numérique, dans le cas d'un four à vide, les tests combinés aux essais technologiques prenaient 2 à 2,5 semaines pour un technicien de service et 4-5 jours pour un ingénieur en automatisation. Les tests sur le modèle créé ont réduit leur charge de travail de plusieurs fois. Pour les systèmes composés de plusieurs ou d'une douzaine d'appareils, ces temps sont réduits proportionnellement d'une moyenne de 400-500 heures à 100-150, ce qui se traduit par des économies importantes. La charge de travail des installateurs électriques est également réduite. La réduction des coûts est importante, mais le sentiment de certitude que l'appareil fonctionnera correctement sur site est inestimable, »
explique Sławomir Wachowski.

En utilisant un jumeau numérique, le four peut être testé de manière complète bien avant que son équivalent physique ne soit créé.

Modèle de nuage

Un autre avantage important de l'utilisation d'un jumeau numérique est la meilleure qualité du produit final.

Un autre aspect intéressant de l'utilisation d'un jumeau numérique est ses implications commerciales. Un modèle de four à vide basé sur le cloud permet aux vendeurs de démontrer les performances de l'appareil aux clients actuels et nouveaux. Une autre fonctionnalité innovante est la capacité pour l'équipe de développement de tester des solutions avancées de gestion des appareils. Grâce au modèle basé sur le cloud, ils n'ont plus besoin de données physiques pour les tests. À l'avenir, Simcenter Amesim permettra également à SECO/WARWICK de créer des modèles mathématiques avancés de machines d'apprentissage.

« Grâce à notre collaboration avec Amesim, nous avons pu vérifier avec quelle précision nous sommes en mesure de modéliser la consommation d'énergie, les changements thermiques et les changements dynamiques de pression de gaz. Nous voyons un grand potentiel dans Amesim pour créer des modèles encore plus précis, que nous pouvons ensuite utiliser comme composants de SIMIT et représenter plus précisément la réalité dans le monde numérique. »
dit Wojciech Piasny.

Selon Mariusz Waśkowicz de Siemens, un jumeau numérique offre non seulement des avantages organisationnels et économiques tangibles, mais signale également un changement dans la direction du développement de l'automatisation et influence même la formation des spécialistes de l'automatisation actuels et futurs.

« L'utilisation d'un jumeau numérique permet une training efficace, par exemple, pour les responsables du fonctionnement ou de la maintenance de la machine. Cela leur permet de bien comprendre l'appareil ou toute la ligne de production avant même d'interagir avec l'objet physique, apprenant ainsi à le faire fonctionner efficacement plus rapidement. Ils prêteront également attention à des aspects spécifiques du travail et identifieront plus rapidement les symptômes de défaillances potentielles, et par conséquent, les temps d'arrêt des lignes », explique Mariusz Waśkowicz.

Marek Melnarowicz note également l'impact d'un jumeau numérique sur la perception de la profession de l'automatisation et le développement de nouvelles orientations pour la formation des spécialistes de l'automatisation industrielle.

« Grâce à la modélisation, le monde de l'automatisation PLC se rapproche de l'informatique. Le développement du jumeau numérique signifie que le monde physique ne nous lie plus, et nous pouvons travailler sur les composants des machines et des appareils et le logiciel qui les contrôle avant qu'ils ne soient implémentés dans des conditions réelles », explique Marek Melnarowicz.