CASESTUDIE

Digital tvilling for varmebehandling

For å effektivisere driften og minimere risikoen for feil, implementerte SECO/WARWICK Siemens' digitale tvillingløsninger.

Varmebehandlingsprosessen av metaller er usedvanlig kompleks fra et teknologisk synspunkt. Det krever opprettholdelse av passende driftsparametere samt spesifikke sikkerhetsforhold. Dette gir betydelige utfordringer for produsenter av moderne industrielle ovner. For å minimere risikoen for potensielle feil og for å forbedre produksjons- og monteringsprosessene på stedet, bruker SECO/WARWICK Group løsninger basert på en digital tvilling levert av Siemens.

SECO/WARWICK er en produsent av teknologisk avanserte ovner for varmebehandling av metaller, designet og produsert i samsvar med kundens individuelle behov. En nøkkelfaktor ved valg av ovnsteknologi og tekniske løsninger er kundens kostnad (arbeidsmengde), dvs. metallproduktet som skal varmebehandles. Basert på dette velges riktig teknologi, prosess og oppskrift, som påvirker kompleksiteten til utstyret og kontrollsystemene. Typen varmebehandlingsteknologi bestemmer også valg av sikkerhetstiltak som beskytter ansatte mot potensielle farer.

«For en automatiseringsingeniør som er involvert i ovnsdesign, er grundig kunnskap om teknologi og prosessparametere avgjørende, samt bevissthet om potensielle risikoer. For eksempel er vakuumvarmebehandlingsovner programmert ganske annerledes enn utstyr som brukes til aluminiumbehandling eller vakuummetallurgi, til tross for at de har en lignende maskinvarestruktur. Å forstå teknologien gjør det mulig å forutse potensielle farer og implementere passende sikkerhetstiltak,»
understreker Sławomir Wachowski, direktør for automatiseringsdivisjonen i SECO/WARWICK.

SECO/WARWICK er en produsent av teknologisk avanserte ovner for varmebehandling av metaller.

Den digitale tvillingen støtter modellering og testing

For å effektivisere arbeidet og minimere risikoen for feil, bestemte SECO/WARWICK seg for å bruke digitale tvillingløsninger levert av Siemens. Selskapet bruker blant annet SIMIT programvare for å lage digitale modeller av vakuum, atmosfære og smelteovner. Dette verktøyet brukes også til å teste automatiseringssystemer før programvaren overleveres for igangsetting. Selskapet bruker også SIMIT Unit for å støtte produksjonsprosessen og konfigurasjonen av kontrollskap gjennom full simulering av maskinvareskaptester. For mer avanserte modeller, for eksempel pumpesystemer, Simcenter Amesim simuleringsplattform brukes til å simulere ytelse og for å hjelpe til med å velge riktig størrelse på vakuumpumper.

«For tiden simulerer vi i våre modeller flere typer utstyr. Hovedgrunnen til at vi bestemte oss for å bruke en digital tvilling var kompleksiteten i kontrollprogramvaren og mangfoldet av utfordringer vi måtte møte. Mange av disse problemene ble først tydelige under testing og igangkjøring - det vil si i sluttfasen, da utstyret allerede hadde forlatt anlegget vårt,»
forklarer Radosław Gorowy, digital modellering og simuleringsingeniør ved SECO/WARWICK.

Ovntesting «på skrivebordet»

De digitale tvillingløsningene som SECO/WARWICK bruker, gjør det mulig å identifisere potensielle feil og problemer allerede i tidlige stadier av arbeidet med en gitt enhet.

De digitale tvillingløsningene som SECO/WARWICK bruker, gjør det mulig å identifisere potensielle feil og problemer allerede i tidlige stadier av arbeidet med en gitt enhet. Modellering og testing med bruk av simuleringsprogramvare forbedrer arbeidseffektiviteten betydelig. De øker også påliteligheten til løsningene som utvikles. Som et resultat kan industrielle ovner for metallvarmebehandling leveres og tas i bruk raskere, til lavere kostnader og med redusert arbeidsinnsats.

«Å strebe etter innovasjon er en svært viktig faktor som driver utviklingen av selskapet vårt. I denne forbindelse har den digitale tvillingen fullt ut oppfylt forventningene våre. Den brukes til modellering av alt utstyret vi produserer. For tiden har vi flere modeller forberedt. Opprinnelig ble det laget simuleringer for vakuumovner, som vi nå tester automatiseringssystemene våre fullt ut på. For tiden utvikler vi modeller for aluminiumsbehandlingsovner og vakuummetallurgi. Vi har også vår første erfaring med modellering av atmosfæreovner, som representerer et viktig segment av løsningene vi utvikler,»
forklarer Sławomir Wachowski.

SECO/WARWICK bruker SIMIT-programvare blant annet for å simulere inn- og utgangssignaler fra kontrollsystemer, for å gi detaljert simulering av enhetsatferd og til å modellere prosesser ved hjelp av dedikerte teknologiske biblioteker.

«I denne løsningen er SIMIT nøkkelverktøyet, men for å utnytte mulighetene fullt ut har systemet blitt utvidet med PLCSIM Advanced — en kontrolleremulator — og WinCC for HMI-operatørpanelet. Integrasjon med TIA Portal gjør det mulig å endre kontrollprogrammet i sanntid (Software-in-the-Loop). Simuleringsmodellen kan også kommunisere med en fysisk kontroller ved hjelp av SIMIT UNIT (Hardware-in-the-Loop),»
forklarer Mariusz Waśkowicz, Digitalization Solutions Expert som støtter prosjektet på vegne av Siemens. Testing av utstyr og automatisering utføres bokstavelig talt «på skrivebordet», der de anvendte teknologiske løsningene blir verifisert før endelig igangkjøring.

«Kontrollskapet er koblet til SIMIT Unit og testet med dette verktøyet når det gjelder maskinvare og måleytelse. Dette gir oss tillit til at det ikke vil generere problemer, og hvis noen problemer oppstår på stedet, vil de stamme fra andre årsaker knyttet til den fysiske gjennomføringen av prosjektet, snarere enn fra komponentene vi har brukt,»
forklarer Wojciech Piasny, visedirektør for automatiseringsavdelingen i SECO/WARWICK.

Digital tvillingprogramvare er bare ett av mange elementer i Siemens-økosystemet som brukes av produsenten. Hele kontrollsystemet er basert på Siemens løsninger. Systemkontroll håndteres av S7-1500-kontrolleren sammen med modulene. Siemens leverer også industrielle datamaskiner og berøringspaneler som fungerer som brukergrensesnitt. I tillegg er sikkerhetssystemene bygget på produsentens sikkerhetsløsninger. Siemens komponenter brukes også i kontrollskapene, inkludert kontaktorer, krets

Digital tvillingprogramvare er bare ett av mange elementer i Siemens økosystem som brukes av SECO/WARWICK.

Systemene styres av S7-1500-kontrolleren og modulene.

Hvordan snakker modellen med kontrolleren?

Modellering tar hensyn til alle prosesser som forekommer i ovnen: pumping, ovnsoppvarming, kjøling og karburering. I den fysiske verden tar en slik prosess fra flere timer til - i tilfelle av visse enheter - til og med flere dager. Ved å bruke simuleringsløsninger basert på en digital tvilling av enheten, kan dette akselereres betydelig, og ovnen kan testes grundig lenge før den fysiske motparten opprettes. Under modellering simuleres både digitale og analoge parametere, som temperatur og vakuum. Under testing blir driften av brytere, kontaktorer og andre enheter koblet til kontrollskapet, inkludert hele sikkerhetssystemet, verifisert.

«Modellen inneholder en digital representasjon av enhetens komponenter og komponentene inne i kontrollskapet. Alle disse elementene må ha en digital ekvivalent i SIMIT. Ved hjelp av dette verktøyet bygger vi et komponentbibliotek. Vi undersøker de enkelte ovnskomponentene, deres struktur, og representerer dem deretter i modellen vi lager. Basert på de elektriske diagrammene kobler vi modellen til PLC via innganger/utganger, slik at vi kan teste driften av individuelle teknologiske programmer. En ekstra fordel er muligheten til å bruke tilgjengelige innganger/utganger, forklarer Radosław Gorowy.

Modelleringen tar hensyn til alle prosesser som skjer i ovnen: inkludert pumping, ovnsoppvarming, kjøling og karburering.

SECO/WARWICK konstruerer modeller designet for å reflektere virkeligheten så trofast som mulig. Men det er ikke alt, ettersom simuleringer også lages som genererer syntetiske data for analyse. Slike simuleringer lar utviklingsteamet for eksempel teste løsninger dedikert til FurnacePlus-plattformen, som utvider funksjonaliteten til konsernets enheter med prediktive og energistyringssystemer. Å forstå kundens grensesnittbehov er også et viktig aspekt ved løsningsdesign, ettersom ergonomi er avgjørende av sikkerhetshensyn.

«Kunder som ikke trenger å bekymre seg for mye for farlige ulykker under ovnsdrift, har andre behov enn de når risikoen på grunn av materialbehandlingsteknologien som brukes er betydelig og kan få alvorlige konsekvenser. I sistnevnte tilfelle har vi å gjøre med dyktige operatører som også trenger et spesialisert grensesnitt i enhetene de bruker,»
bemerker Marek Melnarowicz, salgssjef i Siemens Polska.

Testing av løsninger i den digitale tvillingens simuleringsverktøy skjer under overlevering av kontrollskap og programvare. Deretter implementerer monteringsavdelingen designet og utfører den endelige monteringen av enheten. Til slutt utfører serviceavdelingen fysisk testing. Den endelige bekreftelsen på at den vedtatte modellen er riktig implementert, er verifiseringen på målanlegget.

«Modellene vi bruker til simulering og testing er modne nok og raske nok til å skape at de praktisk talt sparer oss tid. Enda viktigere er at de frigjør verdifulle automatiseringsressurser, ettersom vi ikke trenger å engasjere dem i fysisk testing av enheten med service, verken på SECO/WARWICK-anlegget eller direkte hos kunden. Tiden brukt på å forberede modellen lønner seg også gjennom større trygghet når det gjelder planleggingsarbeid, spesielt siden hver påfølgende modell koster oss mindre på grunn av det suksessivt bygde biblioteket med våre egne komponenter. Tidsbesparelsene takket være den digitale tvillingen er derfor enorme,»
forklarer S. Wachowski.

Raskere, tryggere og mer økonomisk

Etter flere måneders arbeid med SIMIT og SIMIT Unit ser SECO/WARWICK betydelige fordeler ved å bruke verktøy som gir omfattende løsninger for automatiseringstesting. Blant de viktigste fordelene ved å implementere modellerings- og testløsninger er reduksjonen i tiden som kreves for ovnmontering og igangkjøring på kundens anlegg.

«Før implementeringen av den digitale tvillingen, når det gjelder en vakuumovn, tok testing kombinert med teknologiske forsøk 2 til 2,5 uker for en servicetekniker og 4-5 dager for en automatiseringsingeniør. Testing på den opprettede modellen forkortet arbeidsmengden flere ganger. For systemer som består av flere eller et dusin enheter, reduseres disse tidene proporsjonalt fra et gjennomsnitt på 400-500 timer til 100-150, noe som betyr betydelige besparelser. Arbeidsmengden til elektriske installatører reduseres også. Lavere kostnader er viktig, men følelsen av sikkerhet for at enheten vil fungere riktig på stedet er uvurderlig,»
forklarer Sławomir Wachowski.

Ved å bruke en digital tvilling kan ovnen testes grundig lenge før den fysiske ekvivalenten opprettes.

Skymodell

En annen betydelig fordel med å bruke en digital tvilling er den høyere kvaliteten på sluttproduktet.

Et annet interessant aspekt ved å bruke en digital tvilling er dens forretningsmessige implikasjoner. En skybasert vakuumovnsmodell lar selgere demonstrere enhetens ytelse til nåværende og nye kunder. En annen nyskapende funksjon er muligheten for utviklingsteamet til å teste avanserte løsninger for enhetsadministrasjon. Takket være den skybaserte modellen trenger de ikke lenger fysiske data for testing. I fremtiden vil Simcenter Amesim også gjøre det mulig for SECO/WARWICK å lage avanserte matematiske modeller av læringsmaskiner.

«Takket være samarbeidet med Amesim var vi i stand til å verifisere hvor nøyaktig vi er i stand til å modellere energiforbruk, termiske endringer og dynamiske gasstrykkendringer. Vi ser et stort potensial i Amesim for å skape enda mer nøyaktige modeller, som vi deretter kan bruke som komponenter i SIMIT og mer nøyaktig representere virkeligheten i den digitale verden,»
sier Wojciech Piasny.

Ifølge Mariusz Waśkowicz fra Siemens gir en digital tvilling ikke bare konkrete organisatoriske og økonomiske fordeler, men signaliserer også et skifte i retning av automatiseringsutvikling og påvirker til og med utdannelsen til nåværende og fremtidige automatiseringsspesialister.

«Bruken av en digital tvilling muliggjør effektiv trening, for eksempel for de som er ansvarlige for maskindrift eller vedlikehold. Dette gjør at de kan forstå enheten eller hele produksjonslinjen grundig før de til og med samhandler med det fysiske objektet, og dermed lære å betjene det effektivt raskere. De vil også ta hensyn til spesifikke aspekter av arbeidet og raskere identifisere symptomer på potensielle feil, og følgelig nedetid på linjen,» forklarer Mariusz Waśkowicz.

Marek Melnarowicz bemerker også virkningen av en digital tvilling på oppfatningen av automatiseringsyrket og utviklingen av nye retninger for utdanning av spesialister innen industriell automatisering.

«Takket være modellering beveger verden av PLS-automatisering seg nærmere IT. Utviklingen av den digitale tvillingen betyr at den fysiske verden ikke lenger binder oss, og vi kan jobbe med maskin- og enhetskomponenter og programvaren som styrer dem før de implementeres i virkelige forhold, forklarer Marek Melnarowicz.