PRÍPADOVÁ ŠTÚDIA

Digitálne dvojčatá pre tepelné spracovanie

S cieľom zefektívniť prevádzku a minimalizovať riziko chýb zaviedla SECO/WARWICK digitálne dvojité riešenia spoločnosti Siemens.

Proces tepelného spracovania kovov je z technologického hľadiska mimoriadne zložitý. Vyžaduje si zachovanie vhodných prevádzkových parametrov, ako aj špecifických bezpečnostných podmienok. To predstavuje významné výzvy pre výrobcov moderných priemyselných pecí. S cieľom minimalizovať riziko potenciálnych chýb a zlepšiť procesy výroby a montáže na mieste používa skupina SECO/WARWICK riešenia založené na digitálnom dvojčeku, ktorý poskytuje spoločnosť Siemens.

SECO/WARWICK je výrobcom technologicky vyspelých pecí na tepelné spracovanie kovov, navrhnutých a vyrábaných podľa individuálnych potrieb zákazníkov. Kľúčovým faktorom pri výbere technológie pece a technických riešení je poplatok (pracovné zaťaženie) zákazníka, t. j. kovový výrobok, ktorý sa má tepelne spracovať. Na základe toho sa vyberie vhodná technológia, proces a recept, ktoré ovplyvňujú úroveň zložitosti zariadení a riadiacich systémov. Typ technológie tepelného spracovania tiež určuje výber bezpečnostných opatrení chrániacich zamestnancov pred potenciálnymi nebezpečenstvami.

„Pre automatizačného inžiniera zapojeného do návrhu pecí je kľúčová dôkladná znalosť technológie a parametrov procesu, ako aj informovanosť o potenciálnych rizikách. Napríklad vákuové pece na tepelné spracovanie sú naprogramované úplne odlišne od zariadení používaných na spracovanie hliníka alebo vákuovú metalurgiu, napriek tomu, že majú podobnú hardvérovú štruktúru. Pochopenie technológie umožňuje predvídať potenciálne nebezpečenstvá a zaviesť vhodné záruky,
zdôrazňuje Sławomir Wachowski, riaditeľ divízie automatizácie SECO/WARWICK.

SECO/WARWICK je výrobcom technologicky vyspelých pecí na tepelné spracovanie kovov.

Digitálne dvojča podporuje modelovanie a testovanie

S cieľom zefektívniť prácu a minimalizovať riziko chýb sa SECO/WARWICK rozhodla využiť digitálne dvojité riešenia poskytované spoločnosťou Siemens. Spoločnosť okrem iného používa softvér SIMIT na vytváranie digitálnych modelov vákuových, atmosférických a taviacich pecí. Tento nástroj sa používa aj na testovanie automatizačných systémov pred odovzdaním softvéru na uvedenie do prevádzky.Spoločnosť tiež využíva jednotku SIMIT na podporu výrobného procesu a konfigurácie riadiacich skriniek prostredníctvom úplnej simulácie testov hardvérovej skrine. Pre pokročilejšie modely, ako sú čerpacie systémy, Simcenter Amesim simulačná platforma slúži na simuláciu výkonu a pomoc pri výbere vhodnej veľkosti vákuových čerpadiel.

„V súčasnosti v našich modeloch simulujeme niekoľko typov zariadení. Hlavným dôvodom, prečo sme sa rozhodli použiť digitálne dvojča, bola zložitosť riadiaceho softvéru a rozmanitosť výziev, ktorým museli čeliť. Mnohé z týchto problémov sa prejavili až počas testovania a uvedenia do prevádzky — teda v záverečnej fáze, keď zariadenie už opustilo naše zariadenie,“
vysvetľuje Radosław Gorowy, inžinier digitálneho modelovania a simulácie v SECO/WARWICK.

Testovanie pece „na stole“

Digitálne dvojité riešenia, ktoré používa SECO/WARWICK, umožňujú identifikovať potenciálne chyby a problémy už v počiatočných fázach práce na danom zariadení.

Digitálne dvojité riešenia, ktoré používa SECO/WARWICK, umožňujú identifikovať potenciálne chyby a problémy už v počiatočných fázach práce na danom zariadení. Modelovanie a testovanie pomocou simulačného softvéru výrazne zlepšujú efektivitu práce. Zvyšujú tiež spoľahlivosť vyvíjaných riešení. Výsledkom je, že priemyselné pece na tepelné spracovanie kovov môžu byť dodávané a uvedené do prevádzky rýchlejšie, za nižšie náklady a so zníženým prísunom práce.

„Úsilie o inovácie je veľmi dôležitým faktorom, ktorý riadi rozvoj našej spoločnosti. V tomto ohľade digitálne dvojča plne splnilo naše očakávania. Používa sa na modelovanie všetkých zariadení, ktoré vyrábame. V súčasnosti máme pripravených niekoľko modelov. Spočiatku boli vytvorené simulácie pre vákuové pece, na ktorých teraz plne testujeme naše automatizačné systémy. V súčasnosti vyvíjame modely pre pece na spracovanie hliníka a vákuovú metalurgiu. Prvé skúsenosti máme aj v modelovaní atmosférických pecí, ktoré predstavujú dôležitý segment riešení, ktoré vyvíjame,“
vysvetľuje Sławomir Wachowski.

SECO/WARWICK využíva softvér SIMIT okrem iného na simuláciu vstupných a výstupných signálov riadiacich systémov, na poskytovanie podrobnej simulácie správania zariadení a na modelovanie procesov pomocou vyhradených technologických knižníc.

„V tomto riešení je SIMIT kľúčovým nástrojom; avšak na plné využitie jeho schopností bol systém rozšírený o PLCSIM Advanced - emulátor ovládača - a WinCC pre panel operátora HMI. Integrácia s TIA Portal umožňuje upravovať riadiaci program v reálnom čase (Software-in-the-loop). Simulačný model môže tiež komunikovať s fyzickým regulátorom pomocou SIMIT UNIT (Hardware-in-the-loop),“
vysvetľuje Mariusz Waśkowicz, expert na digitalizačné Solutions podporujúci projekt v mene spoločnosti Siemens. Testovanie zariadení a automatizácie sa vykonáva doslova „na stole“, kde sa aplikované technologické riešenia overujú pred konečným uvedením do prevádzky.

„Ovládacia skrinka je pripojená k jednotke SIMIT a testovaná pomocou tohto nástroja z hľadiska hardvéru a výkonu merania. To nám dáva istotu, že to nebude spôsobovať problémy, a ak sa vyskytnú nejaké problémy na mieste, budú vyplývať z iných príčin súvisiacich s fyzickou realizáciou projektu, a nie z komponentov, ktoré sme použili,“
vysvetľuje Wojciech Piasny, zástupca riaditeľa oddelenia automatizácie v SECO/WARWICK.

Digitálny dvojitý softvér je len jedným z mnohých prvkov ekosystému Siemens, ktorý používa výrobca. Celý riadiaci systém je založený na riešeniach spoločnosti Siemens. Ovládanie systému je vybavené regulátorom S7-1500 spolu s jeho modulmi. Siemens tiež dodáva priemyselné počítače a dotykové panely, ktoré slúžia ako používateľské rozhranie. Okrem toho sú bezpečnostné systémy postavené na bezpečnostných riešeniach výrobcu. Komponenty Siemens sa používajú aj v riadiacich skriniach vrátane stýkačov, obvodov

Digitálny dvojitý softvér je len jedným z mnohých prvkov ekosystému Siemens, ktorý používa SECO/WARWICK.

Systémy sú riadené regulátorom S7-1500 a modulmi.

Ako sa model rozpráva s ovládačom?

Modelovanie zohľadňuje všetky procesy vyskytujúce sa v peci: čerpanie, vykurovanie pece, chladenie a karburizácia. Vo fyzickom svete takýto proces trvá niekoľko hodín až v prípade určitých zariadení dokonca niekoľko dní. Použitím simulačných riešení založených na digitálnom dvojici zariadenia sa to dá výrazne urýchliť a pec môže byť komplexne testovaná dlho pred vytvorením jej fyzického náprotivku. Počas modelovania sú simulované digitálne aj analógové parametre, ako je teplota a vákuum. Počas testovania sa overuje činnosť spínačov, stýkačov a iných zariadení pripojených k riadiacej skrini vrátane celého bezpečnostného systému.

„Model obsahuje digitálne znázornenie komponentov zariadenia a komponentov vo vnútri riadiacej skrinky. Všetky tieto prvky musia mať v SIMIT digitálny ekvivalent. Pomocou tohto nástroja vytvoríme knižnicu komponentov. Skúmame jednotlivé komponenty pece, ich štruktúru a potom ich reprezentujeme v modeli, ktorý vytvárame. Na základe elektrických schém pripojíme model k PLC prostredníctvom vstupov/výstupov, čo nám umožňuje otestovať fungovanie jednotlivých technologických programov. Ďalšou výhodou je možnosť využiť dostupné vstupy/výstupy, „vysvetľuje Radosław Gorowy.

Modelovanie zohľadňuje všetky procesy, ktoré sa vyskytujú v peci: vrátane čerpania, ohrevu pece, chladenia a karburizácie.

SECO/WARWICK vytvára modely navrhnuté tak, aby čo najvernejšie odrážali realitu. To však nie je všetko, pretože sa vytvárajú aj simulácie, ktoré generujú syntetické údaje na analýzu. Takéto simulácie umožňujú vývojovému tímu napríklad testovať riešenia určené pre platformu FurnacePlus, ktorá rozširuje funkčnosť zariadení skupiny o prediktívne a energetické systémy riadenia. Pochopenie potrieb zákazníckeho rozhrania je tiež dôležitým aspektom návrhu riešenia, pretože ergonómia je z bezpečnostných dôvodov rozhodujúca.

„Zákazníci, ktorí sa počas prevádzky pece nemusia nadmerne obávať nebezpečných nehôd, majú iné potreby ako tie, keď je riziko vzhľadom na použitú technológiu spracovania materiálu značné a môže mať vážne následky. V druhom prípade máme do činenia s vysoko kvalifikovanými operátormi, ktorí tiež vyžadujú špecializované rozhranie v zariadeniach, ktoré používajú,“
poznamenáva Marek Melnarowicz, obchodný manažér spoločnosti Siemens Polska.

Testovanie riešení v simulačných nástrojoch digitálneho dvojčaťa nastáva počas odovzdania riadiacej skrinky a softvéru. Ďalej montážne oddelenie implementuje návrh a vykoná konečnú montáž zariadenia. Nakoniec servisné oddelenie vykonáva fyzické testovanie. Konečným potvrdením, že prijatý model bol správne implementovaný, je jeho overenie v cieľovom zariadení.

„Modely, ktoré používame na simuláciu a testovanie, sú dostatočne zrelé a dostatočne rýchle na to, aby nám prakticky ušetrili čas. Ešte dôležitejšie je, že uvoľňujú cenné zdroje automatizácie, pretože ich nemusíme zapojiť do fyzického testovania zariadenia so servisom, či už v zariadení SECO/WARWICK, alebo priamo v priestoroch zákazníka. Čas strávený prípravou modelu sa tiež vyplatí väčším pokojom mysle, pokiaľ ide o plánovanie práce, najmä preto, že každý nasledujúci model nás stojí menej kvôli postupne budovanej knižnici našich vlastných komponentov. Úspory času vďaka digitálnemu dvojčaťu sú preto obrovské,“
vysvetľuje S. Wachowski.

Rýchlejšie, bezpečnejšie a ekonomickejšie

Po niekoľkých mesiacoch práce s SIMIT a SIMIT Unit vidí SECO/WARWICK významné výhody používania nástrojov, ktoré poskytujú komplexné riešenia pre automatizačné testovanie. Medzi kľúčové výhody implementácie modelovacích a testovacích riešení patrí skrátenie času potrebného na montáž pece a uvedenie do prevádzky v zariadení zákazníka.

„Pred zavedením digitálneho dvojčaťa, v prípade vákuovej pece, testovanie kombinované s technologickými pokusmi trvalo 2 až 2,5 týždňa pre servisného technika a 4-5 dní pre automatizačného inžiniera. Testovanie na vytvorenom modeli niekoľkokrát skrátilo ich pracovné zaťaženie. V prípade systémov zložených z niekoľkých alebo desiatok zariadení sa tieto časy úmerne znižujú z priemerne 400 - 500 hodín na 100 - 150, čo znamená značné úspory. Znižuje sa aj pracovné zaťaženie elektrických inštalatérov. Nižšie náklady sú dôležité, ale pocit istoty, že zariadenie bude správne fungovať na mieste, je na neocenenie,“
vysvetľuje Sławomir Wachowski.

Použitím digitálneho dvojčeka môže byť pec komplexne testovaná dlho pred vytvorením jej fyzického ekvivalentu.

Cloudový model

Ďalšou významnou výhodou použitia digitálneho dvojčaťa je vyššia kvalita konečného produktu.

Ďalším zaujímavým aspektom používania digitálneho dvojčaťa sú jeho obchodné dôsledky. Model vákuovej pece založený na cloude umožňuje predajcom demonštrovať výkon zariadenia súčasným aj novým zákazníkom. Ďalšou inovatívnou funkciou je schopnosť vývojového tímu testovať pokročilé riešenia správy zariadení. Vďaka cloudovému modelu už na testovanie nepotrebujú fyzické údaje. V budúcnosti Simcenter Amesim tiež umožní SECO/WARWICK vytvárať pokročilé matematické modely učebných strojov.

„Vďaka spolupráci s Amesim sme dokázali overiť, ako presne dokážeme modelovať spotrebu energie, tepelné zmeny a dynamické zmeny tlaku plynu. V Amesim vidíme veľký potenciál na vytváranie ešte presnejších modelov, ktoré potom môžeme použiť ako komponenty SIMIT a presnejšie reprezentovať realitu v digitálnom svete,“
hovorí Wojciech Piasny.

Podľa Mariusza Waśkowicza zo spoločnosti Siemens digitálne dvojča poskytuje nielen hmatateľné organizačné a ekonomické výhody, ale tiež signalizuje posun v smere vývoja automatizácie a dokonca ovplyvňuje vzdelávanie súčasných a budúcich špecialistov na automatizáciu.

„Použitie digitálneho dvojčaťa umožňuje efektívne školenie napríklad pre tých, ktorí sú zodpovední za prevádzku alebo údržbu stroja. To im umožňuje dôkladne porozumieť zariadeniu alebo celej výrobnej linke skôr, ako dokonca interagujú s fyzickým objektom, a tak sa naučiť, ako ho efektívnejšie ovládať rýchlejšie. Venujú pozornosť aj konkrétnym aspektom práce a rýchlejšie identifikujú príznaky potenciálnych porúch a následne aj prestojov na linke, „vysvetľuje Mariusz Waśkowicz.

Marek Melnarowicz tiež poznamenáva vplyv digitálneho dvojča na vnímanie automatizačnej profesie a vývoj nových smerov vzdelávania špecialistov na priemyselnú automatizáciu.

„Vďaka modelovaniu sa svet automatizácie PLC približuje k IT. Vývoj digitálneho dvojčaťa znamená, že nás fyzický svet už neviaže a môžeme pracovať na komponentoch strojov a zariadení a softvéri, ktorý ich ovláda skôr, ako budú implementované v reálnych podmienkach, „vysvetľuje Marek Melnarowicz.