ESTUDO DE CASO

Gêmeo digital para tratamento térmico

Para agilizar as operações e minimizar o risco de erros, a SECO/WARWICK implementou as soluções de gêmeos digitais da Siemens.

O processo de tratamento térmico de metais é excepcionalmente complexo do ponto de vista tecnológico. Isso requer a manutenção de parâmetros operacionais apropriados, bem como de condições de segurança específicas. Isso representa desafios significativos para os fabricantes de fornos industriais modernos. Para minimizar o risco de possíveis erros e melhorar os processos de produção e montagem no local, o Grupo SECO/WARWICK usa soluções baseadas em um gêmeo digital fornecido pela Siemens.

A SECO/WARWICK é fabricante de fornos tecnologicamente avançados para tratamento térmico de metais, projetados e produzidos de acordo com as necessidades individuais dos clientes. Um fator chave na seleção da tecnologia e das soluções técnicas do forno é a carga do cliente (carga de trabalho), ou seja, o produto metálico a ser tratado termicamente. Com base nisso, a tecnologia, o processo e a receita apropriados são selecionados, o que influencia o nível de complexidade dos equipamentos e sistemas de controle. O tipo de tecnologia de tratamento térmico também determina a seleção de medidas de segurança que protegem os funcionários de possíveis riscos.

“Para um engenheiro de automação envolvido no projeto de fornos, um conhecimento profundo da tecnologia e dos parâmetros do processo é crucial, bem como a consciência dos riscos potenciais. Por exemplo, os fornos de tratamento térmico a vácuo são programados de forma bem diferente dos equipamentos usados para processamento de alumínio ou metalurgia a vácuo, apesar de terem uma estrutura de hardware semelhante. A compreensão da tecnologia possibilita antecipar riscos potenciais e implementar salvaguardas apropriadas”.
enfatiza Sławomir Wachowski, diretor da divisão de automação da SECO/WARWICK.

A SECO/WARWICK é fabricante de fornos tecnologicamente avançados para o tratamento térmico de metais.

O gêmeo digital suporta modelagem e testes

Para agilizar o trabalho e minimizar o risco de erros, a SECO/WARWICK decidiu usar soluções de gêmeos digitais fornecidas pela Siemens. A empresa usa, entre outros, o software SIMIT para criar modelos digitais de fornos a vácuo, atmosfera e fusão. Essa ferramenta também é usada para testar sistemas de automação antes que o software seja entregue para comissionamento. A empresa também usa a unidade SIMIT para apoiar o processo de produção e a configuração de gabinetes de controle por meio de simulação completa de testes de gabinete de hardware. Para modelos mais avançados, como sistemas de bombeamento, o A plataforma de simulação Simcenter Amesim é usada para simular o desempenho e auxiliar na seleção do tamanho apropriado das bombas de vácuo.

“Atualmente, em nossos modelos, simulamos vários tipos de equipamentos. O principal motivo pelo qual decidimos usar um gêmeo digital foi a complexidade do software de controle e a variedade de desafios que tivemos que enfrentar. Muitos desses problemas só se tornaram aparentes durante os testes e o comissionamento, ou seja, na fase final, quando o equipamento já havia saído de nossas instalações”
explica Radosław Gorowy, engenheiro de modelagem digital e simulação da SECO/WARWICK.

Teste de forno “na mesa”

As soluções digitais gêmeas usadas pela SECO/WARWICK permitem identificar possíveis erros e problemas já nos estágios iniciais do trabalho em um determinado dispositivo.

As soluções digitais gêmeas usadas pela SECO/WARWICK possibilitam a identificação de possíveis erros e problemas já nos estágios iniciais do trabalho em um determinado dispositivo. A modelagem e o teste com o uso de software de simulação melhoram significativamente a eficiência do trabalho. Eles também aumentam a confiabilidade das soluções que estão sendo desenvolvidas. Como resultado, os fornos industriais para tratamento térmico de metais podem ser entregues e comissionados mais rapidamente, com menor custo e com menor entrada de mão de obra.

“A busca pela inovação é um fator muito importante que impulsiona o desenvolvimento de nossa empresa. Nesse sentido, o gêmeo digital atendeu totalmente às nossas expectativas. Ele é usado para modelar todos os equipamentos que produzimos. No momento, temos vários modelos preparados. Inicialmente, simulações foram criadas para fornos a vácuo, nos quais agora testamos totalmente nossos sistemas de automação. Atualmente, estamos desenvolvendo modelos para fornos de processamento de alumínio e metalurgia a vácuo. Também temos nossa primeira experiência na modelagem de fornos atmosféricos, que representam um segmento importante das soluções que desenvolvemos”
explica Sławomir Wachowski.

A SECO/WARWICK usa o software SIMIT, entre outras coisas, para simular sinais de entrada e saída de sistemas de controle, fornecer simulação detalhada do comportamento do dispositivo e modelar processos usando bibliotecas tecnológicas dedicadas.

“Nesta solução, o SIMIT é a principal ferramenta; no entanto, para aproveitar totalmente seus recursos, o sistema foi ampliado com o PLCSIM Advanced — um emulador de controlador — e o WinCC para o painel do operador HMI. A integração com o Portal TIA possibilita a modificação do programa de controle em tempo real (Software-in-the-Loop). O modelo de simulação também pode se comunicar com um controlador físico usando SIMIT UNIT (Hardware-in-the-Loop),”
explica Mariusz Waśkowicz, especialista em soluções de digitalização que apoia o projeto em nome da Siemens. Os testes de equipamentos e automação são realizados literalmente “na mesa”, onde as soluções tecnológicas aplicadas são verificadas antes do comissionamento final.

“O gabinete de controle é conectado à unidade SIMIT e testado usando essa ferramenta em termos de hardware e desempenho de medição. Isso nos dá a confiança de que isso não gerará problemas e, se algum problema ocorrer no local, ele se originará de outras causas relacionadas à implementação física do projeto, e não dos componentes que usamos”
explica Wojciech Piasny, vice-diretor do Departamento de Automação da SECO/WARWICK.

O software digital twin é apenas um dos muitos elementos do ecossistema Siemens usados pelo fabricante. Todo o sistema de controle é baseado nas soluções da Siemens. O controle do sistema é controlado pelo controlador S7-1500 junto com seus módulos. A Siemens também fornece computadores industriais e painéis de toque que servem como interface de usuário. Além disso, os sistemas de segurança são baseados nas soluções de segurança do fabricante. Os componentes da Siemens também são usados nos gabinetes de controle, incluindo contatores, circuitos

O software digital twin é apenas um dos muitos elementos do ecossistema Siemens usados pela SECO/WARWICK.

Os sistemas são controlados pelo controlador e pelos módulos S7-1500.

Como o modelo se comunica com o controlador?

A modelagem leva em consideração todos os processos que ocorrem no forno: bombeamento, aquecimento do forno, resfriamento e cementação. No mundo físico, esse processo leva de várias horas até, no caso de certos dispositivos, até vários dias. Ao usar soluções de simulação baseadas em um gêmeo digital do dispositivo, isso pode ser significativamente acelerado e o forno pode ser testado de forma abrangente muito antes de sua contraparte física ser criada. Durante a modelagem, parâmetros digitais e analógicos, como temperatura e vácuo, são simulados. Durante o teste, a operação de interruptores, contatores e outros dispositivos conectados ao gabinete de controle, incluindo todo o sistema de segurança, é verificada.

“O modelo contém uma representação digital dos componentes do dispositivo e dos componentes dentro do gabinete de controle. Todos esses elementos devem ter um equivalente digital no SIMIT. Usando essa ferramenta, construímos uma biblioteca de componentes. Examinamos os componentes individuais do forno, sua estrutura e os representamos no modelo que criamos. Com base nos diagramas elétricos, conectamos o modelo ao PLC por meio de entradas/saídas, o que nos permite testar a operação de programas tecnológicos individuais. Um benefício adicional é a capacidade de usar entradas/saídas disponíveis”, explica Radosław Gorowy.

A modelagem leva em consideração todos os processos que ocorrem no forno: incluindo bombeamento, aquecimento do forno, resfriamento e cementação.

A SECO/WARWICK constrói modelos projetados para refletir a realidade da forma mais fiel possível. Mas isso não é tudo, pois também são criadas simulações que geram dados sintéticos para análise. Essas simulações permitem que a equipe de desenvolvimento, por exemplo, teste soluções dedicadas à plataforma FurnacePlus, que amplia a funcionalidade dos dispositivos do Grupo com sistemas preditivos e de gerenciamento de energia. Entender as necessidades de interface do cliente também é um aspecto importante do design da solução, pois a ergonomia é crucial por motivos de segurança.

“Os clientes que não precisam se preocupar excessivamente com acidentes perigosos durante a operação do forno têm necessidades diferentes daquelas em que, devido à tecnologia de processamento de material usada, o risco é significativo e pode ter consequências graves. No último caso, estamos lidando com operadores altamente qualificados que também precisam de uma interface especializada nos dispositivos que usam”
observa Marek Melnarowicz, gerente de vendas da Siemens Polska.

As soluções de teste nas ferramentas de simulação do gêmeo digital ocorrem durante a entrega do gabinete de controle e do software. Em seguida, o departamento de montagem implementa o design e realiza a montagem final do dispositivo. Finalmente, o departamento de serviço realiza testes físicos. A confirmação final de que o modelo adotado foi implementado corretamente é sua verificação na instalação alvo.

“Os modelos que usamos para simulação e teste são suficientemente maduros e rápidos para serem criados, o que praticamente nos poupa tempo. Ainda mais importante, eles liberam recursos de automação valiosos, pois não precisamos envolvê-los em testes físicos do dispositivo com serviço, seja nas instalações da SECO/WARWICK ou diretamente nas instalações do cliente. O tempo gasto na preparação do modelo também compensa com uma maior tranquilidade quando se trata de planejar o trabalho, especialmente porque cada modelo subsequente nos custa menos devido à biblioteca construída sucessivamente de nossos próprios componentes. A economia de tempo graças ao gêmeo digital é, portanto, enorme”
explica S. Wachowski.

Mais rápido, seguro e econômico

Depois de vários meses trabalhando com a SIMIT e a SIMIT Unit, a SECO/WARWICK vê benefícios significativos no uso de ferramentas que fornecem soluções abrangentes para testes de automação. Entre os principais benefícios da implementação de soluções de modelagem e teste está a redução no tempo necessário para montagem e comissionamento do forno nas instalações do cliente.

“Antes de implementar o gêmeo digital, no caso de um forno a vácuo, os testes combinados com os testes tecnológicos levavam de 2 a 2,5 semanas para um técnico de serviço e de 4 a 5 dias para um engenheiro de automação. O teste no modelo criado reduziu sua carga de trabalho várias vezes. Para sistemas compostos por vários ou uma dúzia de dispositivos, esses tempos são reduzidos proporcionalmente de uma média de 400-500 horas para 100-150, o que se traduz em economias significativas. A carga de trabalho dos instaladores elétricos também é reduzida. Custos mais baixos são importantes, mas a sensação de certeza de que o dispositivo funcionará corretamente no local não tem preço”
explica Sławomir Wachowski.

Usando um gêmeo digital, o forno pode ser testado de forma abrangente muito antes de seu equivalente físico ser criado.

Modelo de nuvem

Outro benefício significativo de usar um gêmeo digital é a maior qualidade do produto final.

Outro aspecto interessante do uso de um gêmeo digital são suas implicações comerciais. Um modelo de forno a vácuo baseado em nuvem permite que os vendedores demonstrem o desempenho do dispositivo para clientes atuais e novos. Outro recurso inovador é a capacidade da equipe de desenvolvimento de testar soluções avançadas de gerenciamento de dispositivos. Graças ao modelo baseado em nuvem, eles não precisam mais de dados físicos para testes. No futuro, o Simcenter Amesim também permitirá que a SECO/WARWICK crie modelos matemáticos avançados de máquinas de aprendizado.

“Graças ao trabalho com a Amesim, pudemos verificar com que precisão somos capazes de modelar o consumo de energia, as mudanças térmicas e as mudanças dinâmicas da pressão do gás. Vemos um grande potencial na Amesim para criar modelos ainda mais precisos, que podemos usar como componentes do SIMIT e representar com mais precisão a realidade no mundo digital”.
diz Wojciech Piasny.

De acordo com Mariusz Waśkowicz, da Siemens, um gêmeo digital não só oferece benefícios organizacionais e econômicos tangíveis, mas também sinaliza uma mudança na direção do desenvolvimento da automação e até influencia a educação dos especialistas em automação atuais e futuros.

“O uso de um gêmeo digital permite um treinamento eficaz, por exemplo, para os responsáveis pela operação ou manutenção da máquina. Isso permite que eles entendam completamente o dispositivo ou toda a linha de produção antes mesmo de interagir com o objeto físico, aprendendo assim a operá-lo de forma eficaz e mais rápida. Eles também prestarão atenção a aspectos específicos do trabalho e identificarão mais rapidamente os sintomas de possíveis falhas e, consequentemente, o tempo de inatividade da linha”, explica Mariusz Waśkowicz.

Marek Melnarowicz também observa o impacto de um gêmeo digital na percepção da profissão de automação e no desenvolvimento de novas direções para a educação de especialistas em automação industrial.

“Graças à modelagem, o mundo da automação de PLC está se aproximando da TI. O desenvolvimento do gêmeo digital significa que o mundo físico não nos une mais e que podemos trabalhar nos componentes de máquinas e dispositivos e no software que os controla antes de serem implementados em condições reais”, explica Marek Melnarowicz.