ÉTUDE DE CAS

Jumeau numérique pour le traitement thermique

Pour rationaliser les opérations et minimiser les risques d'erreurs, SECO/WARWICK a mis en œuvre les solutions de jumeau numérique de Siemens.

Le processus de traitement thermique des métaux est extrêmement complexe d'un point de vue technologique. Cela nécessite le maintien de paramètres de fonctionnement appropriés ainsi que de conditions de sécurité spécifiques. Cela représente un défi de taille pour les fabricants de fours industriels modernes. Pour minimiser les risques 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 à la pointe de la technologie pour le traitement thermique des métaux, conçus et fabriqués en fonction des besoins individuels des clients. L'un des facteurs clés 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 des dangers potentiels.

« Pour un ingénieur en automatisation impliqué dans la conception de fours, une connaissance approfondie de la technologie et des paramètres du procédé est cruciale, tout comme une prise de conscience des risques potentiels. Par exemple, les fours de traitement thermique sous vide sont programmés très 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 œuvre les mesures de protection appropriées, »
souligne Sławomir Wachowski, directeur de la division Automation du SECO/WARWICK.

SECO/WARWICK est un fabricant de fours à la pointe de la technologie pour le traitement thermique des métaux.

Le jumeau numérique permet de modéliser et de tester

Pour rationaliser le travail et minimiser les risques d'erreurs, SECO/WARWICK a décidé d'utiliser les solutions de jumeau numérique proposées par Siemens. L'entreprise utilise, entre autres, le logiciel SIMIT pour créer des modèles numériques de fours à vide, d'atmosphère et de fours de fusion. Cet outil est également utilisé pour tester les systèmes d'automatisation avant la remise du logiciel pour la mise en service. L'entreprise utilise également SIMIT Unit pour faciliter 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 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 les nombreux défis auxquels nous avons dû faire face. La plupart de ces problèmes ne sont apparus que lors des tests et de la mise en service, c'est-à-dire lors de la phase finale, lorsque l'équipement avait déjà quitté nos installations, »
explique Radosław Gorowy, ingénieur en modélisation numérique et simulation chez SECO/WARWICK.

Tests de fournaise « sur le bureau »

Les solutions de jumeau numérique utilisées par SECO/WARWICK permettent d'identifier les erreurs et problèmes potentiels dès les premiers stades de travail sur un appareil donné.

Les solutions de jumeau numérique utilisées par SECO/WARWICK permettent d'identifier les erreurs et problèmes potentiels dès les premiers stades de travail sur un appareil donné. La modélisation et les tests à l'aide de logiciels de simulation améliorent considérablement l'efficacité au travail. Ils améliorent également la fiabilité des solutions en cours de développement. Ainsi, 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 d'innovation est un facteur très important pour le développement de notre entreprise. À cet égard, le jumeau numérique a pleinement répondu à nos attentes. Il est utilisé pour modéliser tous les équipements que nous produisons. À l'heure actuelle, nous avons préparé plusieurs modèles. Au départ, des simulations ont été créées pour les fours à vide, sur lesquelles nous testons maintenant complètement nos systèmes d'automatisation. Nous développons actuellement 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 commande, pour simuler de manière détaillée le comportement des appareils et pour modéliser les processus à l'aide de bibliothèques technologiques dédiées.

« Dans cette solution, SIMIT est l'outil clé ; toutefois, 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 HMI. L'intégration à 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 numérisation qui soutient le projet pour le compte de Siemens. Les tests des équipements et de l'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 matériel et de performances de mesure. Cela nous donne l'assurance que cela ne posera pas de problèmes, et si des problèmes surviennent sur site, ils seront dus à d'autres causes liées à la mise en œuvre physique du projet, plutôt qu'aux composants que nous avons utilisés, »
explique Wojciech Piasny, directeur adjoint du département d'automatisation du SECO/WARWICK.

Le logiciel Digital Twin n'est qu'un des nombreux éléments de l'écosystème Siemens utilisé par le fabricant. L'ensemble du système de contrôle est basé sur les solutions Siemens. Le contrôle du système est géré par la manette S7-1500 et ses modules. Siemens fournit également ordinateurs industriels et écrans tactiles qui font office d'interface utilisateur. De plus, les systèmes de sécurité sont basés sur les solutions de sécurité du fabricant. Les composants Siemens sont également utilisés dans les armoires de commande, notamment les contacteurs et les circuits

Le logiciel Digital Twin n'est qu'un des nombreux éléments de l'écosystème Siemens utilisé par SECO/WARWICK.

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

Comment le mannequin parle-t-il à la manette ?

La modélisation prend en compte tous les processus qui se produisent dans la fournaise : pompage, chauffage de la fournaise, refroidissement et cémentation. Dans le monde physique, ce processus prend de plusieurs heures à plusieurs jours, pour certains appareils. 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 approfondie bien avant la création de son équivalent physique. 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 de l'armoire de commande. Tous ces éléments doivent avoir un équivalent numérique au format SIMIT. À l'aide de cet outil, nous créons une bibliothèque de composants. Nous examinons les différents composants du four, leur structure, puis nous les représentons dans le modèle que nous créons. Sur la base des schémas électriques, nous connectons le modèle à l'automate via des entrées/sorties, ce qui nous permet de tester le fonctionnement de différents programmes technologiques. 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 la fournaise : y compris le pompage, le chauffage, le refroidissement et la carburation de la fournaise.

SECO/WARWICK construit des modèles conçus pour refléter la réalité le plus fidèlement possible. Mais ce n'est pas tout, car des simulations sont également créées pour générer des données synthétiques à des fins d'analyse. Ces 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 grâce à des systèmes prédictifs et de gestion de l'énergie. Comprendre les besoins du client en matière d'interface est également un aspect important de la conception des solutions, car l'ergonomie est cruciale pour des raisons de sécurité.

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

Les solutions de test des outils de simulation du jumeau numérique ont lieu lors de la remise de l'armoire de commande et du logiciel. Ensuite, le service d'assemblage met en œuvre la conception et effectue l'assemblage final de l'appareil. Enfin, le service technique 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 les simulations et les tests sont suffisamment avancés et rapides pour être créés, ce qui nous permet de gagner pratiquement du temps. Plus important encore, ils libèrent de précieuses ressources d'automatisation, car nous n'avons pas à les faire participer à des tests physiques de l'appareil avec service, que ce soit sur le site de SECO/WARWICK ou directement chez le client. Le temps passé à préparer le modèle est également rentable car il permet une plus grande tranquillité d'esprit lorsqu'il s'agit de planifier le travail, d'autant plus que chaque modèle suivant nous coûte moins cher grâce à la bibliothèque de composants créée successivement. Le gain de temps réalisé grâce au jumeau numérique est donc énorme. »
explique S. Wachowski.

Plus rapide, plus sûre et plus économique

Après plusieurs mois de collaboration avec SIMIT et SIMIT Unit, SECO/WARWICK voit des avantages significatifs à utiliser des outils fournissant 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 nécessaire à l'assemblage et à la mise en service du four chez le client.

« Avant la mise en œuvre du jumeau numérique, dans le cas d'un four à vide, les tests combinés à des essais technologiques prenaient de 2 à 2,5 semaines pour un technicien de service et de 4 à 5 jours pour un ingénieur en automatisation. Les tests sur le modèle créé ont permis de réduire leur charge de travail de plusieurs fois. Pour les systèmes composés de plusieurs ou d'une douzaine d'appareils, ces temps sont réduits proportionnellement, passant d'une moyenne de 400 à 500 heures à 100 à 150 heures, 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 la 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 approfondie bien avant que son équivalent physique ne soit créé.

Modèle cloud

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

Un autre aspect intéressant de l'utilisation d'un jumeau numérique concerne 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 aux nouveaux clients. Une autre fonctionnalité innovante est la possibilité 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 capables de modéliser la consommation d'énergie, les variations thermiques et les variations dynamiques de pression des gaz. Nous voyons un grand potentiel dans Amesim pour créer des modèles encore plus précis, que nous pourrons ensuite utiliser en tant que composants de SIMIT et représenter avec plus de précision la réalité dans le monde numérique, »
explique Wojciech Piasny.

Selon Mariusz Waśkowicz de Siemens, un jumeau numérique apporte non seulement des avantages organisationnels et économiques tangibles, mais marque 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 un entraînement efficace, par exemple, pour les personnes chargées de l'exploitation ou de la maintenance des machines. Cela leur permet de bien comprendre l'appareil ou l'ensemble de la chaîne de production avant même d'interagir avec l'objet physique, et d'apprendre ainsi à le faire fonctionner efficacement et plus rapidement. Ils seront également attentifs à des aspects spécifiques du travail et identifieront plus rapidement les symptômes d'éventuelles pannes et, par conséquent, d'interruptions de ligne », explique Mariusz Waśkowicz.

Marek Melnarowicz souligne également l'impact d'un jumeau numérique sur la perception du métier d'automatisme et la définition de nouvelles orientations pour la formation des spécialistes de l'automatisation industrielle.

« Grâce à la modélisation, le monde de l'automatisation des automates programmables 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, ainsi que sur le logiciel qui les contrôle, avant qu'ils ne soient mis en œuvre dans des conditions réelles », explique Marek Melnarowicz.