STUDIU DE CAZ

Geamăn digital pentru tratament termic

Pentru a eficientiza operațiunile și a minimiza riscul de erori, SECO/WARWICK a implementat soluțiile digitale twin de la Siemens.

Procesul de tratare termică a metalelor este extrem de complex din punct de vedere tehnologic. Necesită menținerea parametrilor de funcționare adecvați, precum și a condițiilor specifice de siguranță. Acest lucru reprezintă provocări semnificative pentru producătorii de cuptoare industriale moderne. Pentru a minimiza riscul de erori potențiale și pentru a îmbunătăți procesele de producție și asamblare la fața locului, Grupul SECO/WARWICK utilizează soluții bazate pe un twin digital furnizat de Siemens.

SECO/WARWICK este un producător de cuptoare avansate tehnologic pentru tratarea termică a metalelor, proiectate și produse în conformitate cu nevoile individuale ale clienților. Un factor cheie în selectarea tehnologiei cuptorului și a soluțiilor tehnice este taxa clientului (volumul de muncă), adică produsul metalic care urmează a fi tratat termic. Pe baza acestui lucru, sunt selectate tehnologia, procesul și rețeta adecvate, care influențează nivelul de complexitate al echipamentelor și sistemelor de control. Tipul tehnologiei de tratament termic determină, de asemenea, selectarea măsurilor de siguranță care protejează angajații de pericolele potențiale.

„Pentru un inginer de automatizare implicat în proiectarea cuptorului, o cunoaștere aprofundată a tehnologiei și a parametrilor procesului este crucială, precum și conștientizarea riscurilor potențiale. De exemplu, cuptoarele de tratament termic cu vid sunt programate destul de diferit de echipamentele utilizate pentru prelucrarea aluminiului sau metalurgia în vid, în ciuda faptului că au o structură hardware similară. Înțelegerea tehnologiei face posibilă anticiparea potențialelor pericole și implementarea măsurilor de siguranță adecvate.
subliniază Sławomir Wachowski, directorul diviziei de automatizare la SECO/WARWICK.

SECO/WARWICK este un producător de cuptoare avansate tehnologic pentru tratarea termică a metalelor.

Geamănul digital acceptă modelarea și testarea

Pentru a eficientiza munca si a minimiza riscul de erori, SECO/WARWICK a decis sa utilizeze solutiile digitale twin oferite de Siemens. Compania folosește, printre altele, software-ul SIMIT pentru a crea modele digitale de vid, atmosferă și cuptoare de topire. Acest instrument este, de asemenea, utilizat pentru testarea sistemelor de automatizare înainte ca software-ul să fie predat pentru punere în funcțiune. Compania folosește, de asemenea, unitatea SIMIT pentru a sprijini procesul de producție și configurarea dulapurilor de control prin simularea completă a testelor dulapurilor hardware. Pentru modele mai avansate, cum ar fi sistemele de pompare, Platforma de simulare Simcenter Amesim este utilizată pentru a simula performanța și pentru a ajuta la selectarea dimensiunii adecvate a pompelor de vid.

„În prezent, în modelele noastre simulăm mai multe tipuri de echipamente. Principalul motiv pentru care am decis să folosim un geamăn digital a fost complexitatea software-ului de control și varietatea provocărilor cu care trebuia să ne confruntăm. Multe dintre aceste probleme au devenit evidente doar în timpul testării și punerii în funcțiune - adică în etapa finală, când echipamentul părăsise deja unitatea noastră”.
explică Radosław Gorowy, inginer de modelare digitală și simulare la SECO/WARWICK.

Testarea cuptorului „pe birou”

Soluțiile digitale twin utilizate de SECO/WARWICK permit identificarea erorilor și problemelor potențiale deja în stadiile incipiente de lucru pe un anumit dispozitiv.

Soluțiile digitale twin utilizate de SECO/WARWICK permit identificarea erorilor și problemelor potențiale deja în stadiile incipiente de lucru pe un anumit dispozitiv. Modelarea și testarea cu utilizarea software-ului de simulare îmbunătățesc semnificativ eficiența muncii. De asemenea, acestea sporesc fiabilitatea soluțiilor dezvoltate. Drept urmare, cuptoarele industriale pentru tratarea termică a metalelor pot fi livrate și puse în funcțiune mai rapid, la costuri mai mici și cu consum redus de forță de muncă.

„Efortul pentru inovare este un factor foarte important care conduce dezvoltarea companiei noastre. În acest sens, geamănul digital ne-a îndeplinit pe deplin așteptările. Este folosit pentru modelarea tuturor echipamentelor pe care le producem. În prezent, avem mai multe modele pregătite. Inițial, au fost create simulări pentru cuptoarele cu vid, pe care acum testăm complet sistemele noastre de automatizare. În prezent, dezvoltăm modele pentru cuptoare de prelucrare a aluminiului și metalurgia în vid. De asemenea, avem prima noastră experiență în modelarea cuptoarelor cu atmosferă, care reprezintă un segment important al soluțiilor pe care le dezvoltăm”.
explică Sławomir Wachowski.

SECO/WARWICK utilizează software-ul SIMIT, printre altele, pentru a simula semnalele de intrare și ieșire ale sistemelor de control, pentru a oferi simulare detaliată a comportamentului dispozitivului și pentru a modela procesele folosind biblioteci tehnologice dedicate.

„În această soluție, SIMIT este instrumentul cheie; cu toate acestea, pentru a-și valorifica pe deplin capacitățile, sistemul a fost extins cu PLCSIM Advanced - un emulator de controler - și WinCC pentru panoul de operare HMI. Integrarea cu TIA Portal face posibilă modificarea programului de control în timp real (Software-in-the-Loop). Modelul de simulare poate comunica, de asemenea, cu un controler fizic folosind SIMIT UNIT (Hardware-in-the-Loop),”
explică Mariusz Waśkowicz, Expertul în soluții de digitalizare care sprijină proiectul în numele Siemens.Testarea echipamentelor și automatizării se efectuează literalmente „pe birou”, unde soluțiile tehnologice aplicate sunt verificate înainte de punerea în funcțiune finală.

„Dulapul de comandă este conectat la unitatea SIMIT și testat folosind acest instrument în ceea ce privește hardware-ul și performanța măsurătorilor. Acest lucru ne dă încredere că nu va genera probleme, iar dacă apar probleme la fața locului, acestea vor proveni din alte cauze legate de implementarea fizică a proiectului, mai degrabă decât din componentele pe care le-am folosit”.
explică Wojciech Piasny, director adjunct al departamentului de automatizare la SECO/WARWICK.

Software-ul digital twin este doar unul dintre multele elemente ale ecosistemului Siemens utilizate de producător. Întregul sistem de control se bazează pe soluțiile Siemens. Controlul sistemului este gestionat de controlerul S7-1500 împreună cu modulele sale. Siemens furnizează, de asemenea calculatoare industriale și panouri tactile care servesc ca interfață cu utilizatorul. În plus, sistemele de siguranță sunt construite pe soluțiile de siguranță ale producătorului. Componentele Siemens sunt, de asemenea, utilizate în dulapurile de control, inclusiv contactoare, circuite

Software-ul digital twin este doar unul dintre multele elemente ale ecosistemului Siemens utilizate de SECO/WARWICK.

Sistemele sunt controlate de controlerul și modulele S7-1500.

Cum vorbește modelul cu controlerul?

Modelarea ia în considerare toate procesele care apar în cuptor: pompare, încălzirea cuptorului, răcirea și carburarea. În lumea fizică, un astfel de proces durează de la câteva ore până la - în cazul anumitor dispozitive - chiar câteva zile. Prin utilizarea soluțiilor de simulare bazate pe un geamăn digital al dispozitivului, acest lucru poate fi accelerat semnificativ, iar cuptorul poate fi testat în mod cuprinzător cu mult înainte de crearea omologului său fizic. În timpul modelării, sunt simulați atât parametrii digitali, cât și parametrii analogici, cum ar fi temperatura și vidul. În timpul testării, se verifică funcționarea întrerupătoarelor, contactoarelor și a altor dispozitive conectate la dulapul de comandă, inclusiv întregul sistem de siguranță.

„Modelul conține o reprezentare digitală a componentelor dispozitivului și a componentelor din interiorul dulapului de comandă. Toate aceste elemente trebuie să aibă un echivalent digital în SIMIT. Folosind acest instrument, construim o bibliotecă de componente. Examinăm componentele individuale ale cuptorului, structura lor și apoi le reprezentăm în modelul pe care îl creăm. Pe baza diagramelor electrice, conectăm modelul la PLC prin intrări/ieșiri, permițându-ne să testăm funcționarea programelor tehnologice individuale. Un beneficiu suplimentar este capacitatea de a utiliza intrările/ieșirile disponibile”, explică Radosław Gorowy.

Modelarea ia în considerare toate procesele care apar în cuptor: inclusiv pomparea, încălzirea cuptorului, răcirea și carburarea.

SECO/WARWICK construiește modele concepute pentru a reflecta realitatea cât mai fidel posibil. Dar asta nu este totul, deoarece sunt create și simulări care generează date sintetice pentru analiză. Astfel de simulări permit echipei de dezvoltare, de exemplu, să testeze soluții dedicate platformei FurnacePlus, care extinde funcționalitatea dispozitivelor Grupului cu sisteme predictive și de management al energiei. Înțelegerea nevoilor de interfață ale clientului este, de asemenea, un aspect important al proiectării soluției, deoarece ergonomia este crucială din motive de siguranță.

„Clienții care nu trebuie să se îngrijoreze excesiv de accidente periculoase în timpul funcționării cuptorului au nevoi diferite decât cele atunci când, datorită tehnologiei de prelucrare a materialelor utilizate, riscul este semnificativ și poate avea consecințe grave. În acest din urmă caz, avem de-a face cu operatori cu înaltă calificare care necesită, de asemenea, o interfață specializată în dispozitivele pe care le folosesc”.
notează Marek Melnarowicz, director de vânzări la Siemens Polska.

Soluțiile de testare în instrumentele de simulare ale gemenilor digitali au loc în timpul predării dulapului de comandă și a software-ului. Apoi, departamentul de asamblare implementează proiectarea și efectuează asamblarea finală a dispozitivului. În cele din urmă, departamentul de service efectuează teste fizice. Confirmarea finală a faptului că modelul adoptat a fost implementat corect este verificarea acestuia pe facilitatea țintă.

„Modelele pe care le folosim pentru simulare și testare sunt suficient de mature și suficient de rapide pentru a crea încât practic ne economisesc timp. Și mai important, ele eliberează resurse valoroase de automatizare, deoarece nu trebuie să le angajăm în testarea fizică a dispozitivului cu service, fie la unitatea SECO/WARWICK, nici direct la sediul clientului. Timpul petrecut pregătind modelul plătește, de asemenea, printr-o mai mare liniște sufletească atunci când vine vorba de planificarea lucrărilor, mai ales că fiecare model ulterior ne costă mai puțin datorită bibliotecii construite succesiv a propriilor noastre componente. Economiile de timp datorită gemenului digital sunt, prin urmare, enorme”
explică S. Wachowski.

Mai rapid, mai sigur și mai economic

După câteva luni de colaborare cu SIMIT și SIMIT Unit, SECO/WARWICK vede beneficii semnificative din utilizarea instrumentelor care oferă soluții complete pentru testarea automatizării. Printre avantajele cheie ale implementării soluțiilor de modelare și testare se numără reducerea timpului necesar pentru asamblarea cuptorului și punerea în funcțiune la instalația clientului.

„Înainte de implementarea geamului digital, în cazul unui cuptor cu vid, testarea combinată cu încercările tehnologice a durat 2 până la 2,5 săptămâni pentru un tehnician de service și 4-5 zile pentru un inginer de automatizare. Testarea pe modelul creat le-a scurtat volumul de muncă de mai multe ori. Pentru sistemele compuse din mai multe sau o duzină de dispozitive, aceste timpi sunt reduse proporțional de la o medie de 400-500 de ore la 100-150, ceea ce se traduce prin economii semnificative. Volumul de muncă al instalatorilor electrici este, de asemenea, redus. Costurile mai mici sunt importante, dar sentimentul de certitudine că dispozitivul va funcționa corect la fața locului este de neprețuit”.
explică Sławomir Wachowski.

Prin utilizarea unui geamăn digital, cuptorul poate fi testat în mod cuprinzător cu mult înainte de crearea echivalentului său fizic.

Modelul cloud

Un alt beneficiu semnificativ al utilizării unui geamăn digital este calitatea superioară a produsului final.

Un alt aspect interesant al utilizării unui geamăn digital este implicațiile sale de afaceri. Un model de cuptor cu vid bazat pe cloud permite vânzătorilor să demonstreze performanța dispozitivului clienților actuali și noilor. O altă caracteristică inovatoare este capacitatea echipei de dezvoltare de a testa soluții avansate de gestionare a dispozitivelor. Datorită modelului bazat pe cloud, nu mai au nevoie de date fizice pentru testare. În viitor, Simcenter Amesim va permite, de asemenea, SECO/WARWICK să creeze modele matematice avansate de mașini de învățare.

„Datorită colaborării cu Amesim, am putut verifica cât de precis suntem capabili să modelăm consumul de energie, schimbările termice și schimbările dinamice ale presiunii gazului. Vedem un mare potențial în Amesim pentru a crea modele și mai precise, pe care le putem folosi apoi ca componente ale SIMIT și să reprezinte mai exact realitatea în lumea digitală”.
spune Wojciech Piasny.

Potrivit lui Mariusz Waśkowicz de la Siemens, un geamăn digital nu numai că oferă beneficii organizaționale și economice tangibile, dar semnalează și o schimbare în direcția dezvoltării automatizării și chiar influențează educația actualilor și viitorilor specialiști în automatizare.

„Utilizarea unui geamăn digital permite o instruire eficientă, de exemplu, pentru cei responsabili de funcționarea sau întreținerea mașinii. Acest lucru le permite să înțeleagă temeinic dispozitivul sau întreaga linie de producție înainte de a interacționa chiar cu obiectul fizic, învățând astfel cum să îl opereze eficient mai rapid. De asemenea, aceștia vor acorda atenție aspectelor specifice ale lucrării și vor identifica mai rapid simptomele potențialelor defecțiuni și, în consecință, timpul de întrerupere a liniei”, explică Mariusz Waśkowicz.

Marek Melnarowicz notează, de asemenea, impactul unui geamăn digital asupra percepției profesiei de automatizare și dezvoltarea de noi direcții pentru educația specialiștilor în automatizare industrială.

„Datorită modelării, lumea automatizării PLC se apropie de IT. Dezvoltarea gemenului digital înseamnă că lumea fizică nu ne mai leagă și putem lucra la componentele mașinilor și dispozitivelor și la software-ul care le controlează înainte de a fi implementate în condiții reale”, explică Marek Melnarowicz.