CASESTUDIE

Digital twin voor warmtebehandeling

Om de activiteiten te stroomlijnen en het risico op fouten te minimaliseren, heeft SECO/WARWICK de Digital Twin-oplossingen van Siemens geïmplementeerd.

Het warmtebehandelingsproces van metalen is buitengewoon complex vanuit technologisch oogpunt. Hiervoor moeten de juiste bedrijfsparameters en specifieke veiligheidsvoorwaarden worden gehandhaafd. Dit stelt fabrikanten van moderne industriële ovens voor grote uitdagingen. Om het risico op mogelijke fouten tot een minimum te beperken en om de productie- en assemblageprocessen ter plaatse te verbeteren, gebruikt de SECO/WARWICK Group oplossingen die zijn gebaseerd op een digitale tweeling van Siemens.

SECO/WARWICK is een fabrikant van technologisch geavanceerde ovens voor de warmtebehandeling van metalen, ontworpen en geproduceerd in overeenstemming met de individuele behoeften van klanten. Een belangrijke factor bij de keuze van de oventechnologie en technische oplossingen is het tarief van de klant (werklast), dat wil zeggen het metaalproduct dat met warmte behandeld moet worden. Op basis hiervan worden de juiste technologie, proces en recept geselecteerd, die van invloed zijn op de mate van complexiteit van de apparatuur en besturingssystemen. Het type warmtebehandelingstechnologie bepaalt ook de selectie van veiligheidsmaatregelen die werknemers beschermen tegen mogelijke gevaren.

„Voor een automatiseringsingenieur die betrokken is bij het ontwerpen van ovens, is een grondige kennis van de technologie en procesparameters cruciaal, evenals een bewustzijn van mogelijke risico's. Vacuümovens voor warmtebehandeling zijn bijvoorbeeld heel anders geprogrammeerd dan apparatuur die wordt gebruikt voor de verwerking van aluminium of vacuümmetallurgie, ondanks dat ze een vergelijkbare hardwarestructuur hebben. Inzicht in de technologie maakt het mogelijk om op potentiële gevaren te anticiperen en passende veiligheidsmaatregelen te implementeren,”
benadrukt Sławomir Wachowski, directeur van de afdeling Automatisering van SECO/WARWICK.

SECO/WARWICK is een fabrikant van technologisch geavanceerde ovens voor de warmtebehandeling van metalen.

De digital twin ondersteunt modellering en testen

Om het werk te stroomlijnen en het risico op fouten tot een minimum te beperken, besloot SECO/WARWICK gebruik te maken van digital twin-oplossingen van Siemens. Het bedrijf gebruikt onder andere SIMIT-software om digitale modellen te maken van vacuüm-, atmosfeer- en smeltovens. Deze tool wordt ook gebruikt om automatiseringssystemen te testen voordat de software wordt overhandigd voor inbedrijfstelling. Het bedrijf gebruikt ook de SIMIT-eenheid om het productieproces en de configuratie van schakelkasten te ondersteunen door volledige simulatie van testen van hardwarekasten. Voor geavanceerdere modellen, zoals pompsystemen, Simcenter Amesim simulatieplatform wordt gebruikt om de prestaties te simuleren en om te helpen bij het selecteren van de juiste grootte van vacuümpompen.

„Momenteel simuleren we in onze modellen verschillende soorten apparatuur. De belangrijkste reden waarom we besloten om een digital twin te gebruiken, was de complexiteit van de besturingssoftware en de verschillende uitdagingen waarmee we te maken kregen. Veel van deze problemen kwamen pas aan het licht tijdens de tests en inbedrijfstelling, dat wil zeggen in de laatste fase, toen de apparatuur onze fabriek al had verlaten,”
legt Radosław Gorowy, ingenieur voor digitale modellering en simulatie bij SECO/WARWICK, uit.

Oven testen „op het bureau”

De digital twin-oplossingen die door SECO/WARWICK worden gebruikt, maken het mogelijk om potentiële fouten en problemen al in een vroeg stadium van het werk op een bepaald apparaat te identificeren.

De digital twin-oplossingen die door SECO/WARWICK worden gebruikt, maken het mogelijk om potentiële fouten en problemen al in een vroeg stadium van het werk op een bepaald apparaat te identificeren. Modellering en testen met behulp van simulatiesoftware verbeteren de werkefficiëntie aanzienlijk. Ze verhogen ook de betrouwbaarheid van de oplossingen die worden ontwikkeld. Als gevolg hiervan kunnen industriële ovens voor de warmtebehandeling van metalen sneller worden geleverd en in bedrijf gesteld, tegen lagere kosten en met minder arbeidsinzet.

„Het streven naar innovatie is een zeer belangrijke factor die de ontwikkeling van ons bedrijf stimuleert. In dit opzicht heeft de digitale tweeling volledig aan onze verwachtingen voldaan. Het wordt gebruikt voor het modelleren van alle apparatuur die we produceren. Op dit moment hebben we verschillende modellen voorbereid. Aanvankelijk werden simulaties gemaakt voor vacuümovens, waarop we nu onze automatiseringssystemen volledig testen. Momenteel ontwikkelen we modellen voor aluminiumverwerkingsovens en vacuümmetallurgie. We hebben ook onze eerste ervaring met het modelleren van atmosfeerovens, die een belangrijk onderdeel vormen van de oplossingen die we ontwikkelen,”
legt Sławomir Wachowski uit.

SECO/WARWICK maakt onder andere gebruik van SIMIT-software om invoer- en uitgangssignalen van besturingssystemen te simuleren, om het gedrag van apparaten gedetailleerd te simuleren en om processen te modelleren met behulp van speciale technologische bibliotheken.

„In deze oplossing is SIMIT het belangrijkste hulpmiddel; om de mogelijkheden volledig te benutten, is het systeem echter uitgebreid met PLCSIM Advanced — een controlleremulator — en WinCC voor het HMI-bedieningspaneel. Integratie met TIA Portal maakt het mogelijk om het besturingsprogramma in realtime aan te passen (Software-in-the-Loop). Het simulatiemodel kan ook communiceren met een fysieke controller met behulp van SIMIT UNIT (Hardware-in-the-Loop),”
legt Mariusz Waśkowicz uit, expert op het gebied van Digitalization Solutions die het project ondersteunt namens Siemens. Het testen van apparatuur en automatisering gebeurt letterlijk „op het bureau”, waar de toegepaste technologische oplossingen worden geverifieerd voordat ze definitief in gebruik worden genomen.

„De schakelkast is aangesloten op de SIMIT-eenheid en met deze tool getest op hardware en meetprestaties. Dit geeft ons het vertrouwen dat dit geen problemen zal opleveren, en als er zich ter plaatse problemen voordoen, zullen ze het gevolg zijn van andere oorzaken die verband houden met de fysieke uitvoering van het project, in plaats van de componenten die we hebben gebruikt,”
legt Wojciech Piasny uit, adjunct-directeur van de afdeling automatisering van SECO/WARWICK.

Digital twin-software is slechts een van de vele elementen van het Siemens-ecosysteem dat door de fabrikant wordt gebruikt. Het hele besturingssysteem is gebaseerd op oplossingen van Siemens. De besturing van het systeem wordt verzorgd door de S7-1500-controller en de bijbehorende modules. Siemens levert ook industriële computers en aanraakschermen die als gebruikersinterface dienen. Bovendien zijn de veiligheidssystemen gebaseerd op de veiligheidsoplossingen van de fabrikant. Siemens-componenten worden ook gebruikt in de schakelkasten, waaronder contactoren, circuits

Digital twin-software is slechts een van de vele elementen van het Siemens-ecosysteem dat door SECO/WARWICK wordt gebruikt.

De systemen worden bestuurd door de controller en modules van de S7-1500.

Hoe praat het model met de controller?

Bij de modellering wordt rekening gehouden met alle processen die in de oven plaatsvinden: pompen, verwarmen, koelen en carboneren. In de fysieke wereld duurt zo'n proces enkele uren tot, in het geval van bepaalde apparaten, zelfs meerdere dagen. Door simulatieoplossingen te gebruiken die zijn gebaseerd op een digitale tweeling van het apparaat, kan dit aanzienlijk worden versneld en kan de oven uitgebreid worden getest lang voordat de fysieke tegenhanger wordt gemaakt. Tijdens de modellering worden zowel digitale als analoge parameters, zoals temperatuur en vacuüm, gesimuleerd. Tijdens de tests wordt de werking van schakelaars, contactors en andere apparaten die op de schakelkast zijn aangesloten, inclusief het volledige veiligheidssysteem, geverifieerd.

„Het model bevat een digitale weergave van de componenten van het apparaat en de componenten in de schakelkast. Al deze elementen moeten een digitaal equivalent hebben in SIMIT. Met deze tool bouwen we een componentenbibliotheek. We onderzoeken de afzonderlijke onderdelen van de oven en hun structuur, en geven ze vervolgens weer in het model dat we maken. Op basis van de elektrische schema's verbinden we het model met de PLC via ingangen/uitgangen, zodat we de werking van individuele technologische programma's kunnen testen. Een bijkomend voordeel is de mogelijkheid om de beschikbare in-/uitgangen te gebruiken”, legt Radosław Gorowy uit.

Bij de modellering wordt rekening gehouden met alle processen die in de oven plaatsvinden: inclusief pompen, verwarmen, koelen en carboneren van de oven.

SECO/WARWICK construeert modellen die zijn ontworpen om de werkelijkheid zo getrouw mogelijk weer te geven. Maar dat is nog niet alles, want er worden ook simulaties gemaakt die synthetische gegevens genereren voor analyse. Met dergelijke simulaties kan het ontwikkelingsteam bijvoorbeeld oplossingen testen die speciaal zijn bedoeld voor het FurnacePlus-platform, dat de functionaliteit van de apparaten van de Groep uitbreidt met voorspellings- en energiebeheersystemen. Inzicht in de interfacebehoeften van de klant is ook een belangrijk aspect van het ontwerpen van oplossingen, aangezien ergonomie cruciaal is om veiligheidsredenen.

„Klanten die zich niet al te veel zorgen hoeven te maken over gevaarlijke ongelukken tijdens het gebruik van de oven, hebben andere behoeften dan klanten wanneer, vanwege de gebruikte materiaalverwerkingstechnologie, het risico aanzienlijk is en ernstige gevolgen kan hebben. In het laatste geval hebben we te maken met hoogopgeleide operators die ook een gespecialiseerde interface nodig hebben voor de apparaten die ze gebruiken,”
merkt Marek Melnarowicz op, verkoopmanager bij Siemens Polska.

Het testen van oplossingen in de simulatietools van de digital twin vindt plaats tijdens de overdracht van de schakelkast en de software. Vervolgens implementeert de assemblageafdeling het ontwerp en voert de eindmontage van het apparaat uit. Tot slot voert de serviceafdeling fysieke tests uit. De laatste bevestiging dat het goedgekeurde model correct is geïmplementeerd, is de verificatie ervan op de doelfaciliteit.

„De modellen die we gebruiken voor simulatie en tests zijn volwassen genoeg en snel genoeg om te creëren, zodat ze ons praktisch tijd besparen. Wat nog belangrijker is, ze maken waardevolle automatiseringsmiddelen vrij, omdat we ze niet hoeven te betrekken bij het fysiek testen van het apparaat met service, in de SECO/WARWICK-faciliteit of rechtstreeks bij de klant. De tijd die wordt besteed aan de voorbereiding van het model loont ook omdat er meer gemoedsrust is bij de planning, vooral omdat elk volgend model ons minder kost dankzij de achtereenvolgens opgebouwde bibliotheek van onze eigen componenten. De tijdbesparingen dankzij de digital twin zijn daarom enorm,”
legt S. Wachowski uit.

Sneller, veiliger en zuiniger

Na enkele maanden met SIMIT en SIMIT Unit te hebben gewerkt, ziet SECO/WARWICK aanzienlijke voordelen in het gebruik van tools die uitgebreide oplossingen bieden voor automatiseringstests. Een van de belangrijkste voordelen van de implementatie van modellerings- en testoplossingen is de verkorting van de tijd die nodig is voor de montage en inbedrijfstelling van de oven in de fabriek van de klant.

„Voordat de digital twin werd geïmplementeerd, duurde het testen in combinatie met technologische proeven in het geval van een vacuümoven 2 tot 2,5 weken voor een servicetechnicus en 4-5 dagen voor een automatiseringsingenieur. Door te testen op het gecreëerde model werd hun werklast meerdere malen verkort. Voor systemen die uit meerdere of een dozijn apparaten bestaan, worden deze tijden proportioneel verkort van gemiddeld 400-500 uur naar 100-150 uur, wat zich vertaalt in aanzienlijke besparingen. De werklast van elektrische installateurs is ook verminderd. Lagere kosten zijn belangrijk, maar het gevoel van zekerheid dat het apparaat op locatie goed zal functioneren is van onschatbare waarde,”
legt Sławomir Wachowski uit.

Door een digital twin te gebruiken, kan de oven uitgebreid worden getest lang voordat het fysieke equivalent ervan wordt gecreëerd.

Cloudmodel

Een ander belangrijk voordeel van het gebruik van een digital twin is de hogere kwaliteit van het eindproduct.

Een ander interessant aspect van het gebruik van een digital twin zijn de zakelijke implicaties ervan. Met een vacuümovenmodel in de cloud kunnen verkopers de prestaties van het apparaat demonstreren aan huidige en nieuwe klanten. Een andere innovatieve functie is de mogelijkheid voor het ontwikkelteam om geavanceerde oplossingen voor apparaatbeheer te testen. Dankzij het cloudmodel hebben ze geen fysieke gegevens meer nodig om te testen. In de toekomst zal Simcenter Amesim SECO/WARWICK ook in staat stellen geavanceerde wiskundige modellen van leermachines te creëren.

„Dankzij de samenwerking met Amesim konden we nagaan hoe nauwkeurig we in staat zijn om het energieverbruik, thermische veranderingen en dynamische gasdrukveranderingen te modelleren. We zien grote mogelijkheden in Amesim om nog nauwkeurigere modellen te maken, die we vervolgens kunnen gebruiken als componenten van SIMIT en die de werkelijkheid in de digitale wereld nauwkeuriger kunnen weergeven,”
zegt Wojciech Piasny.

Volgens Mariusz Waśkowicz van Siemens levert een digitale tweeling niet alleen tastbare organisatorische en economische voordelen op, maar duidt het ook op een verschuiving in de richting van de ontwikkeling van automatisering en heeft zelfs invloed op de opleiding van huidige en toekomstige automatiseringsspecialisten.

„Het gebruik van een digital twin maakt effectieve training mogelijk, bijvoorbeeld voor degenen die verantwoordelijk zijn voor de bediening of het onderhoud van de machine. Zo kunnen ze het apparaat of de hele productielijn grondig begrijpen voordat ze zelfs maar interactie hebben met het fysieke object, en zo sneller leren hoe ze het effectief kunnen bedienen. Ze zullen ook aandacht besteden aan specifieke aspecten van het werk en sneller symptomen van mogelijke storingen, en bijgevolg van uitvaltijd van de lijn, identificeren”, legt Mariusz Waśkowicz uit.

Marek Melnarowicz wijst ook op de impact van een digitale tweeling op de perceptie van het automatiseringsberoep en de ontwikkeling van nieuwe richtingen voor de opleiding van specialisten op het gebied van industriële automatisering.

„Dankzij modellering komt de wereld van PLC-automatisering steeds dichter bij IT. De ontwikkeling van de digitale tweeling betekent dat de fysieke wereld ons niet langer bindt en dat we kunnen werken aan onderdelen van machines en apparaten en de software die ze bestuurt voordat ze in reële omstandigheden worden geïmplementeerd”, legt Marek Melnarowicz uit.