ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ

Цифровой двойник для термообработки

Чтобы оптимизировать операции и минимизировать риск ошибок, SECO/WARWICK внедрила решения Siemens по цифровым двойникам.

Процесс термической обработки металлов исключительно сложен с технологической точки зрения. Это требует поддержания соответствующих рабочих параметров, а также особых условий безопасности. Это создает серьезные проблемы для производителей современных промышленных печей. Чтобы свести к минимуму риск возможных ошибок и улучшить процессы производства и сборки на месте, группа SECO/WARWICK использует решения на основе цифрового двойника, предоставленного Siemens.

SECO/WARWICK — производитель высокотехнологичных печей для термической обработки металлов, спроектированных и изготовленных в соответствии с индивидуальными потребностями клиентов. Ключевым фактором при выборе технологии и технических решений печи является стоимость (рабочая нагрузка) заказчика, то есть металлическое изделие, подлежащее термообработке. На основе этого выбираются подходящая технология, процесс и рецептура, которые влияют на уровень сложности оборудования и систем управления. Тип технологии термообработки также определяет выбор мер безопасности, защищающих сотрудников от потенциальных опасностей.

«Для инженера по автоматизации, занимающегося проектированием печей, крайне важно доскональное знание технологии и технологических параметров, а также понимание потенциальных рисков. Например, печи для вакуумной термообработки программируются совершенно иначе, чем оборудование, используемое для обработки алюминия или вакуумной металлургии, несмотря на схожую аппаратную структуру. Понимание технологии позволяет предвидеть потенциальные опасности и применять соответствующие меры безопасности»,
подчеркивает Славомир Ваховски, директор отдела автоматизации SECO/WARWICK.

SECO/WARWICK — производитель высокотехнологичных печей для термической обработки металлов.

Цифровой двойник поддерживает моделирование и тестирование

Чтобы оптимизировать работу и минимизировать риск ошибок, компания SECO/WARWICK решила использовать решения Siemens по цифровым двойникам. Компания использует, в частности, программное обеспечение SIMIT для создания цифровых моделей вакуумных, атмосферных и плавильных печей. Этот инструмент также используется для тестирования систем автоматизации перед передачей программного обеспечения в эксплуатацию. Компания также использует SIMIT Unit для поддержки производственного процесса и настройки шкафов управления путем полного моделирования тестов аппаратных шкафов. Для более совершенных моделей, таких как насосные системы, Платформа моделирования Simcenter Amesim используется для моделирования производительности и выбора подходящего размера вакуумных насосов.

«В настоящее время в наших моделях мы моделируем несколько типов оборудования. Основная причина, по которой мы решили использовать цифровой двойник, заключалась в сложности программного обеспечения управления и множестве проблем, с которыми нам пришлось столкнуться. Многие из этих проблем стали очевидны только во время тестирования и ввода в эксплуатацию, то есть на заключительном этапе, когда оборудование уже покинуло наш объект».
объясняет Радослав Горовой, инженер по цифровому моделированию и симуляции в SECO/WARWICK.

Тестирование печи «на столе»

Цифровые двойники, используемые SECO/WARWICK, позволяют выявлять потенциальные ошибки и проблемы уже на ранних этапах работы на данном устройстве.

Цифровые двойники, используемые SECO/WARWICK, позволяют выявлять потенциальные ошибки и проблемы уже на ранних этапах работы на данном устройстве. Моделирование и тестирование с использованием программного обеспечения для моделирования значительно повышают эффективность работы. Они также повышают надежность разрабатываемых решений. В результате промышленные печи для термической обработки металлов могут быть доставлены и введены в эксплуатацию быстрее, с меньшими затратами и с меньшими трудозатратами.

«Стремление к инновациям — очень важный фактор развития нашей компании. В этом отношении цифровой двойник полностью оправдал наши ожидания. Он используется для моделирования всего производимого нами оборудования. В настоящее время мы подготовили несколько моделей. Первоначально моделирование было создано для вакуумных печей, на которых мы теперь полностью тестируем наши системы автоматизации. В настоящее время мы разрабатываем модели для печей для обработки алюминия и вакуумной металлургии. У нас также есть первый опыт моделирования атмосферных печей, которые представляют собой важный сегмент разрабатываемых нами решений»,
объясняет Славомир Ваховский.

SECO/WARWICK использует программное обеспечение SIMIT, среди прочего, для моделирования входных и выходных сигналов систем управления, детального моделирования поведения устройств и моделирования процессов с использованием специальных технологических библиотек.

«В этом решении SIMIT является ключевым инструментом; однако для полного использования его возможностей система была расширена с помощью PLCSIM Advanced — эмулятора контроллера — и WinCC для панели оператора HMI. Интеграция с TIA Portal позволяет изменять программу управления в реальном времени (Software-in-the-Loop). Имитационная модель также может взаимодействовать с физическим контроллером с помощью SIMIT UNIT (Hardware-in-the-Loop)»,
поясняет Мариуш Васкович, эксперт по цифровым решениям (Digitalization Solutions), поддерживающий проект от имени Siemens. Тестирование оборудования и средств автоматизации проводится буквально «на столе», где применяемые технологические решения проверяются перед окончательным вводом в эксплуатацию.

«Шкаф управления подключен к модулю SIMIT Unit и протестирован с использованием этого инструмента с точки зрения аппаратного обеспечения и производительности измерений. Это дает нам уверенность в том, что это не вызовет проблем, и если какие-либо проблемы возникнут на месте, они будут вызваны другими причинами, связанными с физической реализацией проекта, а не с компонентами, которые мы использовали».
объясняет Войцех Пясны, заместитель директора департамента автоматизации SECO/WARWICK.

Программное обеспечение Digital Twin — это лишь один из многих элементов экосистемы Siemens, используемой производителем. Вся система управления основана на решениях Siemens. Управление системой осуществляется контроллером S7-1500 вместе с его модулями. Siemens также поставляет промышленные компьютеры а также сенсорные панели, служащие пользовательским интерфейсом. Кроме того, системы безопасности построены на решениях производителя Safety. Компоненты Siemens также используются в шкафах управления, включая контакторы, схемы

Программное обеспечение для цифровых двойников — это лишь один из многих элементов экосистемы Siemens, используемой SECO/WARWICK.

Управление системами осуществляется с помощью контроллера и модулей S7-1500.

Как модель взаимодействует с контроллером?

При моделировании учитываются все процессы, происходящие в печи: откачка, нагрев печи, охлаждение и науглероживание. В физическом мире такой процесс занимает от нескольких часов до, в случае некоторых устройств, даже нескольких дней. Используя решения для моделирования, основанные на цифровом двойнике устройства, можно значительно ускорить процесс и провести комплексное тестирование печи задолго до создания ее физического аналога. Во время моделирования моделируются как цифровые, так и аналоговые параметры, такие как температура и вакуум. В ходе тестирования проверяется работа переключателей, контакторов и других устройств, подключенных к шкафу управления, включая всю систему безопасности.

«Модель содержит цифровое представление компонентов устройства и компонентов внутри шкафа управления. Все эти элементы должны иметь цифровой эквивалент в SIMIT. Используя этот инструмент, мы создаем библиотеку компонентов. Мы изучаем отдельные компоненты печи, их структуру, а затем представляем их в созданной модели. На основе электрических схем мы подключаем модель к ПЛК через входы/выходы, что позволяет тестировать работу отдельных технологических программ. Дополнительным преимуществом является возможность использования доступных входов/выходов», — объясняет Радослав Горовой.

При моделировании учитываются все процессы, происходящие в печи: включая перекачку, нагрев печи, охлаждение и науглероживание.

SECO/WARWICK создает модели, максимально точно отражающие реальность. Но это еще не все, поскольку также создаются симуляции, генерирующие синтетические данные для анализа. Такое моделирование позволяет команде разработчиков, например, тестировать решения, предназначенные для платформы FurnacePlus, которая расширяет функциональность устройств Группы с помощью систем прогнозирования и управления энергопотреблением. Понимание потребностей клиента в интерфейсе также является важным аспектом разработки решения, поскольку эргономика имеет решающее значение из соображений безопасности.

«Потребности клиентов, которым не нужно чрезмерно беспокоиться об опасных авариях во время работы печи, отличаются от потребностей тех, у которых из-за используемой технологии обработки материалов риск значителен и может иметь серьезные последствия. В последнем случае мы имеем дело с высококвалифицированными операторами, которым также требуется специализированный интерфейс в используемых ими устройствах»,
отмечает Марек Мелнарович, менеджер по продажам Siemens Polska.

Тестирование решений в инструментах моделирования цифрового двойника происходит во время передачи шкафа управления и программного обеспечения. Далее сборочный отдел реализует конструкцию и выполняет окончательную сборку устройства. Наконец, отдел обслуживания проводит физическое тестирование. Окончательным подтверждением правильности внедрения принятой модели является ее проверка на целевом объекте.

«Модели, которые мы используем для моделирования и тестирования, достаточно проработаны и достаточно быстры, чтобы создавать их, поэтому они практически экономят нам время. Что еще более важно, они высвобождают ценные ресурсы автоматизации, поскольку нам не нужно привлекать их к физическому тестированию устройства с обслуживанием ни на объекте SECO/WARWICK, ни непосредственно на предприятии заказчика. Время, потраченное на подготовку модели, также окупается за счет большего спокойствия при планировании работы, тем более что каждая последующая модель обходится нам дешевле благодаря последовательно созданной библиотеке наших собственных компонентов. Таким образом, цифровой двойник позволяет значительно сэкономить время».
объясняет С. Вачовски.

Быстрее, безопаснее и экономичнее

После нескольких месяцев работы с SIMIT и SIMIT Unit компания SECO/WARWICK видит значительные преимущества в использовании инструментов, обеспечивающих комплексные решения для автоматизированного тестирования. Одним из ключевых преимуществ внедрения решений по моделированию и тестированию является сокращение времени сборки и ввода печи в эксплуатацию на объекте заказчика.

«Перед внедрением цифрового двойника в случае вакуумной печи тестирование в сочетании с технологическими испытаниями заняло от 2 до 2,5 недель для специалиста по обслуживанию и 4-5 дней для инженера по автоматизации. Тестирование на созданной модели позволило им в несколько раз сократить рабочую нагрузку. Для систем, состоящих из нескольких или дюжины устройств, это время пропорционально сокращается со среднего значения 400-500 часов до 100-150 часов, что означает значительную экономию. Также снижается рабочая нагрузка на электромонтажников. Снижение затрат важно, но уверенность в том, что устройство будет работать правильно на месте, бесценно»,
объясняет Славомир Ваховский.

Используя цифровой двойник, печь может быть всесторонне протестирована задолго до создания ее физического эквивалента.

Облачная модель

Еще одним существенным преимуществом использования цифрового двойника является более высокое качество конечного продукта.

Еще одним интересным аспектом использования цифрового двойника являются его последствия для бизнеса. Облачная модель вакуумной печи позволяет продавцам продемонстрировать производительность устройства существующим и новым клиентам. Еще одна инновационная функция — возможность команды разработчиков тестировать передовые решения по управлению устройствами. Благодаря облачной модели им больше не нужны физические данные для тестирования. В будущем Simcenter Amesim также позволит SECO/WARWICK создавать передовые математические модели обучающихся машин.

«Благодаря сотрудничеству с Amesim мы смогли проверить, насколько точно мы можем моделировать потребление энергии, температурные изменения и динамические изменения давления газа. Мы видим в Amesim огромный потенциал для создания еще более точных моделей, которые затем можно использовать в качестве компонентов SIMIT и более точно представлять реальность в цифровом мире»,
говорит Войцех Пясны.

По словам Мариуша Васковича из Siemens, цифровой двойник не только обеспечивает ощутимые организационные и экономические преимущества, но и свидетельствует о смене направления развития автоматизации и даже влияет на образование нынешних и будущих специалистов по автоматизации.

«Использование цифрового двойника позволяет эффективно обучать, например, лиц, ответственных за эксплуатацию или техническое обслуживание машины. Это позволяет им полностью изучить устройство или всю производственную линию еще до того, как они начнут взаимодействовать с физическим объектом, и тем самым быстрее научиться эффективно управлять им. Они также будут уделять внимание конкретным аспектам работы и быстрее выявлять симптомы потенциальных сбоев и, как следствие, простоя линии», — объясняет Мариуш Васкович.

Марек Мелнарович также отмечает влияние цифрового двойника на восприятие профессии автоматизации и развитие новых направлений обучения специалистов по промышленной автоматизации.

«Благодаря моделированию мир автоматизации ПЛК становится все ближе к ИТ. Развитие цифрового двойника означает, что физический мир больше не связывает нас, и мы можем работать над компонентами машин и устройств и программным обеспечением, управляющим ими, прежде чем они будут реализованы в реальных условиях», — объясняет Марек Мелнарович.