CASO STUDIO

Gemello digitale per il trattamento termico

Per semplificare le operazioni e ridurre al minimo il rischio di errori, SECO/WARWICK ha implementato le soluzioni gemelle digitali di Siemens.

Il processo di trattamento termico dei metalli è eccezionalmente complesso dal punto di vista tecnologico. Richiede il mantenimento di parametri operativi appropriati e di condizioni di sicurezza specifiche. Ciò pone sfide significative per i produttori di forni industriali moderni. Per ridurre al minimo il rischio di potenziali errori e migliorare i processi di produzione e assemblaggio in loco, il gruppo SECO/WARWICK utilizza soluzioni basate su un gemello digitale fornito da Siemens.

SECO/WARWICK è un produttore di forni tecnologicamente avanzati per il trattamento termico dei metalli, progettati e prodotti in base alle esigenze individuali dei clienti. Un fattore chiave nella scelta della tecnologia e delle soluzioni tecniche del forno è il costo del cliente (carico di lavoro), vale a dire il prodotto metallico da trattare termicamente. Sulla base di ciò, vengono selezionati la tecnologia, il processo e la ricetta appropriati, che influenzano il livello di complessità delle apparecchiature e dei sistemi di controllo. Il tipo di tecnologia di trattamento termico determina anche la selezione delle misure di sicurezza che proteggono i dipendenti da potenziali pericoli.

«Per un ingegnere dell'automazione coinvolto nella progettazione dei forni, una conoscenza approfondita della tecnologia e dei parametri di processo è fondamentale, così come la consapevolezza dei potenziali rischi. Ad esempio, i forni per il trattamento termico sotto vuoto sono programmati in modo molto diverso dalle apparecchiature utilizzate per la lavorazione dell'alluminio o la metallurgia sotto vuoto, nonostante abbiano una struttura hardware simile. La comprensione della tecnologia consente di anticipare i potenziali pericoli e implementare misure di sicurezza adeguate»,
sottolinea Sławomir Wachowski, direttore della divisione Automazione di SECO/WARWICK.

SECO/WARWICK è un produttore di forni tecnologicamente avanzati per il trattamento termico dei metalli.

Il gemello digitale supporta la modellazione e il test

Per semplificare il lavoro e ridurre al minimo il rischio di errori, SECO/WARWICK ha deciso di utilizzare soluzioni gemelle digitali fornite da Siemens. L'azienda utilizza, tra gli altri, il software SIMIT per creare modelli digitali di forni a vuoto, atmosferici e fusori. Questo strumento viene utilizzato anche per testare i sistemi di automazione prima che il software venga consegnato per la messa in servizio. L'azienda utilizza anche l'unità SIMIT per supportare il processo di produzione e la configurazione degli armadi di controllo attraverso la simulazione completa dei test degli armadi hardware. Per modelli più avanzati, come i sistemi di pompaggio, La piattaforma di simulazione Simcenter Amesim viene utilizzata per simulare le prestazioni e aiutare a selezionare la dimensione appropriata delle pompe per vuoto.

«Attualmente, nei nostri modelli simuliamo diversi tipi di apparecchiature. Il motivo principale per cui abbiamo deciso di utilizzare un gemello digitale è stata la complessità del software di controllo e la varietà di sfide che abbiamo dovuto affrontare. Molti di questi problemi sono diventati evidenti solo durante i test e la messa in servizio, cioè nella fase finale, quando l'attrezzatura aveva già lasciato il nostro stabilimento»,
spiega Radosław Gorowy, ingegnere di modellazione digitale e simulazione presso SECO/WARWICK.

Test della fornace «sulla scrivania»

Le soluzioni gemelle digitali utilizzate da SECO/WARWICK consentono di identificare potenziali errori e problemi già nelle prime fasi di lavoro su un determinato dispositivo.

Le soluzioni gemelle digitali utilizzate da SECO/WARWICK consentono di identificare potenziali errori e problemi già nelle prime fasi di lavoro su un determinato dispositivo. La modellazione e i test con l'uso di software di simulazione migliorano significativamente l'efficienza del lavoro. Inoltre migliorano l'affidabilità delle soluzioni in fase di sviluppo. Di conseguenza, i forni industriali per il trattamento termico dei metalli possono essere consegnati e messi in servizio più rapidamente, a costi inferiori e con un input di manodopera ridotto.

«La ricerca dell'innovazione è un fattore molto importante che guida lo sviluppo della nostra azienda. A questo proposito, il gemello digitale ha soddisfatto pienamente le nostre aspettative. Viene utilizzato per modellare tutte le apparecchiature che produciamo. Al momento, abbiamo preparato diversi modelli. Inizialmente, sono state create simulazioni per i forni a vuoto, sui quali ora testiamo completamente i nostri sistemi di automazione. Attualmente stiamo sviluppando modelli per forni per la lavorazione dell'alluminio e per la metallurgia del vuoto. Abbiamo anche la nostra prima esperienza nella modellazione di forni ad atmosfera, che rappresentano un segmento importante delle soluzioni che sviluppiamo»
spiega Sławomir Wachowski.

SECO/WARWICK utilizza il software SIMIT, tra le altre cose, per simulare i segnali di ingresso e uscita dei sistemi di controllo, per fornire una simulazione dettagliata del comportamento dei dispositivi e per modellare i processi utilizzando librerie tecnologiche dedicate.

«In questa soluzione, SIMIT è lo strumento chiave; tuttavia, per sfruttare appieno le sue capacità, il sistema è stato esteso con PLCSIM Advanced, un emulatore di controller, e WinCC per il pannello operatore HMI. L'integrazione con TIA Portal consente di modificare il programma di controllo in tempo reale (Software-in-the-Loop). Il modello di simulazione può anche comunicare con un controller fisico utilizzando SIMIT UNIT (Hardware-in-the-Loop),»
spiega Mariusz Waśkowicz, Digitalization Solutions Expert che supporta il progetto per conto di Siemens. Il collaudo delle apparecchiature e dell'automazione viene eseguito letteralmente «sulla scrivania», dove le soluzioni tecnologiche applicate vengono verificate prima della messa in servizio finale.

«L'armadio di controllo è collegato all'unità SIMIT e testato utilizzando questo strumento in termini di hardware e prestazioni di misurazione. Questo ci dà la certezza che non genererà problemi e, se dovessero verificarsi problemi in loco, deriveranno da altre cause legate all'implementazione fisica del progetto, piuttosto che dai componenti che abbiamo utilizzato»
spiega Wojciech Piasny, vicedirettore del dipartimento di automazione di SECO/WARWICK.

Il software Digital Twin è solo uno dei tanti elementi dell'ecosistema Siemens utilizzati dal produttore. L'intero sistema di controllo è basato su soluzioni Siemens. Il controllo del sistema è gestito dal controller S7-1500 insieme ai suoi moduli. Siemens fornisce anche computer industriali e pannelli tattili che fungono da interfaccia utente. Inoltre, i sistemi di sicurezza sono basati sulle soluzioni di sicurezza del produttore. I componenti Siemens sono utilizzati anche negli armadi di controllo, inclusi contattori, circuiti

Il software Digital Twin è solo uno dei tanti elementi dell'ecosistema Siemens utilizzato da SECO/WARWICK.

I sistemi sono controllati dal controller e dai moduli S7-1500.

Come parla la modella con il controller?

La modellazione tiene conto di tutti i processi che avvengono nel forno: pompaggio, riscaldamento del forno, raffreddamento e carburazione. Nel mondo fisico, tale processo richiede da diverse ore a, nel caso di determinati dispositivi, anche diversi giorni. Utilizzando soluzioni di simulazione basate su un gemello digitale del dispositivo, questo può essere notevolmente accelerato e il forno può essere testato in modo completo molto prima che venga creata la sua controparte fisica. Durante la modellazione, vengono simulati parametri digitali e analogici, come temperatura e vuoto. Durante i test, viene verificato il funzionamento di interruttori, contattori e altri dispositivi collegati al quadro elettrico, incluso l'intero sistema di sicurezza.

«Il modello contiene una rappresentazione digitale dei componenti del dispositivo e dei componenti all'interno del quadro elettrico. Tutti questi elementi devono avere un equivalente digitale in SIMIT. Usando questo strumento, creiamo una libreria di componenti. Esaminiamo i singoli componenti del forno, la loro struttura e poi li rappresentiamo nel modello che creiamo. Sulla base degli schemi elettrici, colleghiamo il modello al PLC tramite ingressi/uscite, permettendoci di testare il funzionamento dei singoli programmi tecnologici. Un ulteriore vantaggio è la possibilità di utilizzare gli ingressi/uscite disponibili», spiega Radosław Gorowy.

La modellazione tiene conto di tutti i processi che avvengono nel forno: incluso il pompaggio, il riscaldamento del forno, il raffreddamento e la carburazione.

SECO/WARWICK costruisce modelli progettati per riflettere la realtà il più fedelmente possibile. Ma non è tutto, poiché vengono create anche simulazioni che generano dati sintetici per l'analisi. Tali simulazioni consentono al team di sviluppo, ad esempio, di testare soluzioni dedicate alla piattaforma FurnacePlus, che estende la funzionalità dei dispositivi del Gruppo con sistemi predittivi e di gestione dell'energia. Comprendere le esigenze di interfaccia del cliente è anche un aspetto importante della progettazione della soluzione, poiché l'ergonomia è fondamentale per motivi di sicurezza.

«I clienti che non devono preoccuparsi eccessivamente di incidenti pericolosi durante il funzionamento del forno hanno esigenze diverse rispetto a quelli in cui, a causa della tecnologia di lavorazione dei materiali utilizzata, il rischio è significativo e può avere gravi conseguenze. In quest'ultimo caso, abbiamo a che fare con operatori altamente qualificati che richiedono anche un'interfaccia specializzata nei dispositivi che utilizzano»,
nota Marek Melnarowicz, responsabile vendite di Siemens Polska.

Le soluzioni di test negli strumenti di simulazione del gemello digitale avvengono durante la consegna del quadro elettrico e del software. Successivamente, il reparto di assemblaggio implementa la progettazione ed esegue l'assemblaggio finale del dispositivo. Infine, il servizio assistenza effettua test fisici. La conferma finale che il modello adottato è stato implementato correttamente è la sua verifica sulla struttura bersaglio.

«I modelli che utilizziamo per la simulazione e i test sono sufficientemente maturi e veloci da creare da farci praticamente risparmiare tempo. Ancora più importante, liberano preziose risorse di automazione, poiché non dobbiamo coinvolgerli nei test fisici del dispositivo con assistenza, presso la struttura SECO/WARWICK o direttamente presso la sede del cliente. Il tempo impiegato per preparare il modello si ripaga anche grazie a una maggiore tranquillità quando si tratta di pianificare il lavoro, soprattutto perché ogni modello successivo ci costa meno a causa della libreria dei nostri componenti costruita successivamente. I risparmi di tempo grazie al gemello digitale sono quindi enormi»,
spiega S. Wachowski.

Più veloce, sicuro ed economico

Dopo diversi mesi di lavoro con SIMIT e SIMIT Unit, SECO/WARWICK vede vantaggi significativi dall'utilizzo di strumenti che forniscono soluzioni complete per i test di automazione. Tra i principali vantaggi dell'implementazione di soluzioni di modellazione e collaudo c'è la riduzione del tempo necessario per l'assemblaggio e la messa in servizio del forno presso la struttura del cliente.

«Prima di implementare il gemello digitale, nel caso di un forno a vuoto, i test combinati con le prove tecnologiche richiedevano dalle 2 alle 2,5 settimane per un tecnico dell'assistenza e 4-5 giorni per un ingegnere dell'automazione. I test sul modello creato hanno ridotto il loro carico di lavoro di diverse volte. Per i sistemi composti da diversi o una dozzina di dispositivi, questi tempi sono ridotti proporzionalmente da una media di 400-500 ore a 100-150, il che si traduce in risparmi significativi. Anche il carico di lavoro degli installatori elettrici è ridotto. La riduzione dei costi è importante, ma la sensazione di certezza che il dispositivo funzionerà correttamente in loco non ha prezzo»,
spiega Sławomir Wachowski.

Utilizzando un gemello digitale, il forno può essere testato in modo completo molto prima che venga creato il suo equivalente fisico.

Modello cloud

Un altro vantaggio significativo dell'utilizzo di un gemello digitale è la maggiore qualità del prodotto finale.

Un altro aspetto interessante dell'utilizzo di un gemello digitale sono le sue implicazioni aziendali. Un modello di forno a vuoto basato su cloud consente ai venditori di dimostrare le prestazioni del dispositivo ai clienti attuali e nuovi. Un'altra caratteristica innovativa è la capacità del team di sviluppo di testare soluzioni avanzate per la gestione dei dispositivi. Grazie al modello basato sul cloud, non hanno più bisogno di dati fisici per i test. In futuro, Simcenter Amesim consentirà anche a SECO/WARWICK di creare modelli matematici avanzati di macchine per l'apprendimento.

«Grazie alla collaborazione con Amesim, siamo stati in grado di verificare con quanta precisione siamo in grado di modellare il consumo di energia, le variazioni termiche e le variazioni dinamiche della pressione del gas. Vediamo un grande potenziale in Amesim per la creazione di modelli ancora più accurati, che possiamo poi utilizzare come componenti del SIMIT e rappresentare con maggiore precisione la realtà nel mondo digitale»,
dice Wojciech Piasny.

Secondo Mariusz Waśkowicz di Siemens, un gemello digitale non solo offre vantaggi organizzativi ed economici tangibili, ma segnala anche un cambiamento nella direzione dello sviluppo dell'automazione e influenza persino la formazione degli specialisti dell'automazione attuali e futuri.

«L'uso di un gemello digitale consente un training efficace, ad esempio, per i responsabili del funzionamento o della manutenzione delle macchine. Ciò consente loro di comprendere a fondo il dispositivo o l'intera linea di produzione prima ancora di interagire con l'oggetto fisico, imparando così a utilizzarlo efficacemente e più rapidamente. Presteranno attenzione anche ad aspetti specifici del lavoro e identificheranno più rapidamente i sintomi di potenziali guasti e, di conseguenza, i tempi di inattività della linea», spiega Mariusz Waśkowicz.

Marek Melnarowicz rileva anche l'impatto di un gemello digitale sulla percezione della professione dell'automazione e lo sviluppo di nuove direzioni per la formazione degli specialisti dell'automazione industriale.

«Grazie alla modellazione, il mondo dell'automazione dei PLC si sta avvicinando all'IT. Lo sviluppo del gemello digitale significa che il mondo fisico non ci vincola più e possiamo lavorare sui componenti di macchine e dispositivi e sul software che li controlla prima che vengano implementati in condizioni reali», spiega Marek Melnarowicz.