CASE STUDY

Wdrożenie cyfrowego bliźniaka pieców do obróbki cieplnej i metalurgii

Aby usprawnić prace i zminimalizować ryzyko wystąpienia błędów, SECO/WARWICK zdecydowało się na wykorzystanie dostarczanych przez Siemensa rozwiązań cyfrowego bliźniaka.

Proces obróbki cieplnej metali jest wyjątkowo złożony technologicznie. Wymaga zachowania odpowiednich parametrów pracy, lecz także szczególnych warunków bezpieczeństwa. Stawia to przed producentami nowoczesnych pieców przemysłowych duże wyzwania. W celu zminimalizowania ryzyka potencjalnych błędów, usprawnienia procesu produkcji i montażu urządzeń u klienta, Grupa SECO/WARWICK wykorzystuje rozwiązania oparte na cyfrowym bliźniaku dostarczonym przez Siemensa.

SECO/WARWICK jest producentem zaawansowanych technologicznie pieców do obróbki cieplnej metali, projektowanych i wytwarzanych zgodnie z indywidualnymi potrzebami klientów. Istotne znaczenie przy wyborze technologii i rozwiązań technicznych pieca ma bowiem używany przez klienta wsad, czyli produkt metalowy, który ma być obrabiany termicznie. W zależności od tego dobierana jest odpowiednia technologia, proces i receptura, które wpływają na stopień skomplikowania urządzenia i systemów sterowania. Od rodzaju technologii obróbki cieplnej zależy również dobór zabezpieczeń chroniących pracowników przed potencjalnymi zagrożeniami.

„Dla automatyka zajmującego się projektowaniem pieców kluczowa jest znajomość technologii i parametrów procesu, a co z tym związane, świadomość potencjalnych niebezpieczeństw. Przykładowo – piece do obróbki cieplnej w próżni są oprogramowane zupełnie inaczej niż urządzenia do obróbki aluminium czy z zakresu metalurgii próżniowej, pomimo podobnej struktury sprzętowej. Znajomość technologii pozwala przewidzieć ewentualne zagrożenia i odpowiednio przed nimi się zabezpieczyć”
– podkreśla Sławomir Wachowski, dyrektor zakładu automatyki w SECO/WARWICK.

SECO/WARWICK jest producentem zaawansowanych technologicznie pieców do obróbki cieplnej metali.

Cyfrowy bliźniak wspiera modelowanie i testowanie

Aby usprawnić prace i zminimalizować ryzyko wystąpienia błędów, SECO/WARWICK zdecydowało się na wykorzystanie dostarczanych przez Siemensa rozwiązań cyfrowego bliźniaka. Producent posługuje się m.in. oprogramowaniem SIMIT, które służy do tworzenia modeli cyfrowych pieców próżniowych, atmosferowych oraz topialnych. Narzędzie to wykorzystywane jest także do testowania automatyki przed przekazaniem oprogramowania do uruchomienia. W firmie stosowany jest również SIMIT Unit, jako wsparcie procesu produkcji i konfiguracji szaf sterowniczych poprzez pełną symulację testów sprzętowych szafy. Na potrzeby bardziej zaawansowanych modeli, np. systemu pompowego, do symulacji wydajności oraz przy doborze wielkości pomp próżniowych wykorzystywana jest z kolei platforma symulacyjna Simcenter Amesim.

„Obecnie, w naszych modelach symulujemy kilka urządzeń. Podstawowym powodem dla którego zdecydowaliśmy się na stosowanie cyfrowego bliźniaka był stopień skomplikowania oprogramowania służącego do sterowania oraz różnorodność wyzwań, z którymi musieliśmy się zmagać. Wiele z nich ujawniało się dopiero podczas testowania i rozruchu, czyli w ostatniej fazie, kiedy urządzenie opuściło już nasz zakład”
– tłumaczy Radosław Gorowy, inżynier ds. modelowania i symulacji cyfrowej w SECO/WARWICK.

Testowanie pieca „na biurku”

Stosowane przez SECO/WARWICK rozwiązania cyfrowego bliźniaka pozwalają zidentyfikować potencjalne błędy i problemy już na wczesnych etapach pracy nad danym urządzeniem.

Stosowane przez SECO/WARWICK rozwiązania cyfrowego bliźniaka pozwalają zidentyfikować potencjalne błędy i problemy już na wczesnych etapach pracy nad danym urządzeniem. Modelowanie i testowanie z wykorzystaniem oprogramowania symulacyjnego umożliwia dzięki temu znaczące usprawnienie pracy. Wpływa też na poprawę niezawodności tworzonych rozwiązań. Piece przemysłowe do obróbki cieplnej metalu mogą być dostarczane i uruchamiane szybciej, taniej, przy mniejszych nakładach pracy.

„Dążenie do innowacyjności to bardzo ważny czynnik, napędzający rozwój naszej firmy. Cyfrowy bliźniak całkowicie spełnił pod tym względem pokładane w nim oczekiwania. Wykorzystywany jest do modelowania wszystkich produkowanych urządzeń. W tej chwili mamy przygotowanych kilka modeli. W pierwszej kolejności tworzone były symulacje dla pieców próżniowych. W całości testujemy już na nich naszą automatykę. Obecnie opracowujemy modele pieców do obróbki aluminium i metalurgii próżniowej. Mamy także pierwsze doświadczenia z modelowaniem pieców atmosferowych, stanowiących istotny segment rozwiązań, które tworzymy”
– wyjaśnia Sławomir Wachowski.

SECO/WARWICK wykorzystuje oprogramowanie SIMIT między innymi do symulowania sygnałów wejściowych i wyjściowych sytemu sterowania, szczegółowej symulacji zachowania urządzenia i symulowania procesu z wykorzystaniem dedykowanych bibliotek technologicznych.

„W tym rozwiązaniu SIMIT jest kluczowym narzędziem jednak aby w pełni wykorzystać jego możliwości system został rozbudowany o PLCSIM Advanced – emulator sterownika oraz WinCC do panelu operatorskiego HMI. Łączność z TIA Portal pozwala na dokonanie zmian programu sterującego na bieżąco (Sofware-in-the-Loop). Model symulacyjny może komunikować się także z fizycznym sterownikiem za pomocą SIMIT UNIT (Hardware-in-the-Loop)”
– wyjaśnia Mariusz Waśkowicz, ekspert ds. rozwiązań digitalizacyjnych, wpierający projekt ze strony Siemensa.

Testowanie urządzeń i automatyki następuje dosłownie „na biurku”, gdzie weryfikowane są użyte rozwiązania technologiczne przed ostateczną próbą.

„Szafa sterownicza podłączona jest do SIMIT Unit i testowana za pomocą tego narzędzia pod względem sprzętowym i pomiarowym. Dzięki temu mamy pewność, że nie będzie generować problemów i jeżeli wystąpią one na obiekcie, to wynikną z innych przyczyn związanych z implementacją fizyczną projektu, a nie z zastosowanych przez nas komponentów”
– wyjaśnia Wojciech Piasny, zastępca dyrektora Zakładu Automatyki w SECO/WARWICK.

Oprogramowanie cyfrowego bliźniaka to tylko jeden z wielu elementów ekosystemu Siemensa, z którego korzysta producent. Cały system sterowania oparty jest na rozwiązaniach Siemensa. Kontrolę nad układami sprawuje sterownik S7-1500 wraz z modułami. Siemens dostarcza także komputery przemysłowe i ekrany dotykowe pełniące funkcję interfejsu komunikacji z użytkownikiem. Z kolei systemy bezpieczeństwa wykonane zostały na bazie rozwiązań Safety tego producenta. Komponenty Siemensa znajdują się także w szafach sterowniczych. Są to m.in.: styczniki, wyłączniki i zabezpieczenia.

Oprogramowanie cyfrowego bliźniaka to tylko jeden z wielu elementów ekosystemu Siemensa, z którego korzysta SECO/WARWICK.

Kontrolę nad układami sprawuje sterownik S7-1500 wraz z modułami.

Jak model rozmawia ze sterownikiem?

Modelowanie uwzględnia wszystkie procesy, które zachodzą w piecu: m.in. pompowanie, nagrzewanie pieca, chłodzenie czy nawęglanie. W świecie fizycznym taki proces trwa od kilku godzin do – w przypadku określonych urządzeń – nawet kilku dni. Dzięki wykorzystaniu rozwiązań symulacyjnych opartych o cyfrowego bliźniaka urządzenia, można to znacznie przyspieszyć i kompleksowo przetestować piec na długo przed tym, nim powstanie jego fizyczny odpowiednik. W trakcie modelowania symulowane są zarówno parametry cyfrowe jak i analogowe takie jak temperatura i próżnia. W czasie testowania sprawdzane jest natomiast działanie wyłączników, styczników i innych urządzeń podłączonych do szafy sterowniczej, w tym całego systemu bezpieczeństwa.

„Model zawiera cyfrową reprezentację podzespołów urządzenia i tego, co znajduje się w szafie sterowniczej. Wszystkie te elementy muszą mieć swój cyfrowy odpowiednik w SIMIT. Pracując w tym narzędziu budujemy bibliotekę komponentów. Przyglądamy się poszczególnym elementom pieca, temu jak są zbudowane i odwzorowujemy je w tworzonym modelu. Model na bazie schematów elektrycznych łączymy ze sterownikiem PLC poprzez wejścia/wyjścia, dzięki czemu możemy testować działanie poszczególnych programów technologicznych. Dodatkowym benefitem jest możliwość wykorzystania dostępnych wejść/wyjść”
– wyjaśnia Radosław Gorowy.

Modelowanie uwzględnia wszystkie procesy, które zachodzą w piecu: m.in. pompowanie, nagrzewanie pieca, chłodzenie czy nawęglanie.

SECO/WARWICK konstruuje modele, których zadaniem jest jak najwierniejsze odzwierciedlenie rzeczywistości. Ale to nie wszystko, bo tworzone są także takie symulacje, które generują dane syntetyczne do analiz. Tego rodzaju symulacje pozwalają np. zespołowi programistów przetestować rozwiązania dedykowane na platformę FurnacePlus, stanowiącą rozszerzenie funkcjonalności urządzeń Grupy o systemy predykcyjne czy zarządzania energią. Ważnym aspektem projektowania rozwiązań jest także zrozumienie potrzeb klienta dotyczących interfejsu, ergonomia ma bowiem istotne znaczenie ze względów bezpieczeństwa.

„Inne potrzeby mają klienci, którzy nie muszą przesadnie obawiać się niebezpiecznych wypadków podczas eksploatacji pieca, a zupełnie inne, kiedy ze względu na zastosowaną technologię obróbki wsadu, ryzyko jest poważne i może rodzić ze sobą groźne konsekwencje. W tym drugim przypadku mamy do czynienia z wysoko wykwalifikowaną obsługą, która wymaga też specjalnego rodzaju interfejsu w urządzeniach, z których korzysta”
– zauważa Marek Melnarowicz, kierownik ds. sprzedaży w Siemens Polska.

Testowanie rozwiązań w narzędziach symulacyjnych cyfrowego bliźniaka następuje z kolei na etapie przekazania szafy sterowniczej i oprogramowania. W kolejnym kroku dział montażu realizuje projekt i wykonuje finalny montaż urządzenia. Wreszcie, fizyczne testy realizuje dział serwisu. Ostatecznym potwierdzeniem, że przyjęty model został wykonany prawidło jest jego weryfikacja na docelowym obiekcie.

„Stosowane przez nas modele używane do symulacji i testowania są już na tyle dojrzałe i szybkie w tworzeniu, że w wymiarze praktycznym generują nam oszczędności czasu. Co nawet ważniejsze uwalniają nam też cenne zasoby automatyków, których nie musimy angażować w fizyczne testowanie urządzenia wspólnie z serwisem czy to na hali SECO/WARWICK, czy też bezpośrednio u klienta. Czas poświęcony na przygotowanie modelu zwraca się również poprzez większy spokój w zakresie planowania prac tym bardziej, że każdy kolejny model kosztuje nas mniej ze względu na budowaną sukcesywnie bibliotekę własnych komponentów. Oszczędność czasu dzięki cyfrowemu bliźniakowi jest więc olbrzymia”
– precyzuje S.Wachowski.

Szybciej, pewniej i oszczędniej

Po kilku miesiącach pracy z SIMIT i SIMIT Unit, SECO/WARWICK dostrzega znaczące korzyści wynikające z zastosowania narzędzi pozwalających kompleksowo rozwiązać kwestie testowania automatyki. Do najważniejszych benefitów wynikających z wdrożenia rozwiązań do modelowania i testowania należy skrócenie czasu potrzebnego na montaż i uruchomienie pieca u klienta.

„Przed wdrożeniem cyfrowego bliźniaka, w przypadku pieca próżniowego, testowanie połączone z próbami technologicznymi trwało od 2 do 2,5 tygodnia pracy serwisanta oraz 4-5 dni pracy automatyka. Dzięki testowaniu na stworzonym modelu kilkukrotnie skrócił się ich czas pracy. W przypadku systemów złożonych z kilku lub kilkunastu urządzeń czasy te skracają się proporcjonalnie ze średnio 400-500 godzin do 100-150, co przekłada się na znaczne oszczędności. Skróceniu ulega też czas pracy montażystów-elektryków. Niższe koszty są ważne, ale wręcz bezcenne jest poczucie pewności, że urządzenie zadziała na miejscu poprawnie”
– wyjaśnia Sławomir Wachowski.

Dzięki wykorzystaniu cyfrowego bliźniaka można kompleksowo przetestować piec na długo przed tym, nim powstanie jego fizyczny odpowiednik.

Model w chmurze

Istotną korzyścią wynikającą ze stosowania cyfrowego bliźniaka jest także wyższa jakość produktu końcowego.

Ciekawym aspektem związanym z wykorzystaniem cyfrowego bliźniaka są także kwestie biznesowe. Model pieca próżniowego umieszczony w chmurze pozwala handlowcom prezentować aktualnym i nowym klientom, jak zachowuje się urządzenie podczas pracy. Innowacyjną funkcją jest też testowanie przez zespół deweloperski zaawansowanych rozwiązań do obsługi urządzeń. Dzięki modelowi w chmurze nie potrzebują oni fizycznych danych do testów. W przyszłości Simcenter Amesim umożliwi SECO/WARWICK także tworzenie zaawansowanych modeli matematycznych maszyn learningowych.

„Dzięki pracy z Amesim mogliśmy zweryfikować na ile poprawnie jesteśmy w stanie odwzorować w modelu zużycie energii, zmiany cieplne i dynamiczne zmiany ciśnienia gazów. Duży potencjał widzimy w Amesim w zakresie tworzenia jeszcze dokładniejszych modeli, które następnie możemy wykorzystać jako składowe SIMIT-a i jeszcze dokładniej odwzorować rzeczywistość w świecie cyfrowym”
– mówi Wojciech Piasny.

Zdaniem Mariusza Waśkowicza z Siemensa cyfrowy bliźniak nie tylko zapewnia wymierne korzyści organizacyjne i ekonomiczne, lecz także oznacza zmiany kierunku rozwoju automatyki, a nawet wpływa na proces kształcenia obecnych i przyszłych specjalistów ds. automatyki.

„Wykorzystanie cyfrowego bliźniaka pozwala w efektywny sposób przeszkolić np. osoby odpowiedzialne za obsługę maszyn czy utrzymanie ruchu. Dzięki temu, zanim jeszcze będą mieć do czynienia z fizycznym obiektem, będą w stanie dokładnie poznać urządzenie czy całą linię produkcyjną, a tym samym szybciej nauczyć się jej efektywnej obsługi. Będą też zwracać uwagę na określone aspekty pracy oraz szybciej wyłapywać symptomy potencjalnej awarii, a w konsekwencji przestoju linii”
– tłumaczy Mariusz Waśkowicz.

Wpływ cyfrowego bliźniaka na postrzeganie zawodu automatyka i określanie nowych kierunków kształcenia specjalistów z branży automatyki przemysłowej dostrzega także Marek Melnarowicz.

„Dzięki modelowaniu świat automatyki PLC zbliża się do IT. Rozwój cyfrowego bliźniaka sprawił, że świat fizyczny nas nie wiąże i możemy pracować nad elementami maszyn i urządzeń czy sterującego nimi oprogramowania zanim zostanie ono zastosowane w warunkach rzeczywistych”
– wyjaśnia Marek Melnarowicz.