ŠTUDIJA PRIMERA

Digitalni dvojček za toplotno obdelavo

Za racionalizacijo poslovanja in zmanjšanje tveganja napak je SECO/WARWICK uvedla digitalne dvojne rešitve podjetja Siemens.

Postopek toplotne obdelave kovin je s tehnološkega vidika izjemno zapleten. Zahteva vzdrževanje ustreznih delovnih parametrov in posebnih varnostnih pogojev. To predstavlja velike izzive za proizvajalce sodobnih industrijskih peči. Da bi zmanjšali tveganje morebitnih napak ter izboljšali proizvodne procese in montaže na kraju samem, skupina SECO/WARWICK uporablja rešitve, ki temeljijo na digitalnem dvojčku, ki ga ponuja Siemens.

SECO/WARWICK je proizvajalec tehnološko naprednih peči za toplotno obdelavo kovin, oblikovanih in izdelanih v skladu s individualnimi potrebami kupcev. Ključni dejavnik pri izbiri tehnologije peči in tehničnih rešitev je naročnikov strošek (delovna obremenitev), tj. kovinski izdelek, ki ga je treba toplotno obdelati. Na podlagi tega se izbere ustrezna tehnologija, postopek in recept, ki vplivajo na stopnjo kompleksnosti opreme in nadzornih sistemov. Vrsta tehnologije toplotne obdelave določa tudi izbiro varnostnih ukrepov, ki ščitijo zaposlene pred morebitnimi nevarnostmi.

»Za inženirja avtomatizacije, ki se ukvarja z načrtovanjem peči, je temeljito poznavanje tehnologije in procesnih parametrov ključnega pomena ter zavedanje morebitnih tveganj. Na primer, vakuumske peči za toplotno obdelavo so programirane precej drugače od opreme, ki se uporablja za obdelavo aluminija ali vakuumsko metalurgijo, kljub podobni strukturi strojne opreme. Razumevanje tehnologije omogoča predvidevanje morebitnih nevarnosti in izvajanje ustreznih zaščitnih ukrepov,
poudarja Sławomir Wachowski, direktor oddelka za avtomatizacijo pri SECO/WARWICK.

SECO/WARWICK je proizvajalec tehnološko naprednih peči za toplotno obdelavo kovin.

Digitalni dvojček podpira modeliranje in testiranje

Da bi racionalizirali delo in zmanjšali tveganje za napake, se je SECO/WARWICK odločil uporabiti digitalne dvojne rešitve, ki jih ponuja Siemens. Podjetje med drugim uporablja programsko opremo SIMIT za ustvarjanje digitalnih modelov vakuumskih, atmosferskih in talilnih peči. To orodje se uporablja tudi za testiranje sistemov avtomatizacije, preden je programska oprema predana v naročanje. Podjetje uporablja tudi enoto SIMIT za podporo proizvodnemu procesu in konfiguraciji krmilnih omar s popolno simulacijo testov strojne omare. Za naprednejše modele, kot so črpalni sistemi, Simcenter Amesim simulacijska platforma se uporablja za simulacijo zmogljivosti in pomoč pri izbiri ustrezne velikosti vakuumskih črpalk.

»Trenutno v naših modelih simuliramo več vrst opreme. Glavni razlog, zakaj smo se odločili za uporabo digitalnega dvojčka, je bila zapletenost nadzorne programske opreme in raznolikost izzivov, s katerimi smo se morali soočiti. Veliko teh težav je postalo očitno šele med testiranjem in zagonom - torej v zadnji fazi, ko je oprema že zapustila naš objekt,«
pojasnjuje Radosław Gorowy, inženir digitalnega modeliranja in simulacije pri SECO/WARWICK.

Testiranje peči »na mizi«

Digitalne dvojne rešitve, ki jih uporablja SECO/WARWICK, omogočajo prepoznavanje morebitnih napak in težav že v zgodnjih fazah dela na določeni napravi.

Digitalne dvojne rešitve, ki jih uporablja SECO/WARWICK, omogočajo prepoznavanje morebitnih napak in težav že v zgodnjih fazah dela na določeni napravi. Modeliranje in testiranje z uporabo simulacijske programske opreme bistveno izboljšata delovno učinkovitost. Prav tako povečajo zanesljivost rešitev, ki se razvijajo. Posledično je mogoče industrijske peči za toplotno obdelavo kovin dobaviti in naročiti hitreje, z nižjimi stroški in z manjšim vložkom delovne sile.

»Prizadevanje k inovacijam je zelo pomemben dejavnik, ki spodbuja razvoj našega podjetja. V tem pogledu je digitalni dvojček v celoti izpolnil naša pričakovanja. Uporablja se za modeliranje vse opreme, ki jo proizvajamo. Trenutno imamo pripravljenih več modelov. Sprva so bile ustvarjene simulacije za vakuumske peči, na katerih zdaj v celoti preizkušamo naše sisteme avtomatizacije. Trenutno razvijamo modele za peči za obdelavo aluminija in vakuumsko metalurgijo. Prve izkušnje imamo tudi pri modeliranju atmosferskih peči, ki predstavljajo pomemben segment rešitev, ki jih razvijamo,«
pojasnjuje Sławomir Wachowski.

SECO/WARWICK med drugim uporablja programsko opremo SIMIT za simulacijo vhodnih in izhodnih signalov krmilnih sistemov, za podrobno simulacijo vedenja naprave in za modeliranje procesov z uporabo namenskih tehnoloških knjižnic.

»Pri tej rešitvi je SIMIT ključno orodje; vendar je bil sistem za popolno izkoriščanje njegovih zmogljivosti razširjen s PLCSIM Advanced - emulatorjem krmilnika - in WinCC za operatersko ploščo HMI. Integracija s TIA Portal omogoča spreminjanje nadzornega programa v realnem času (programska oprema v zanki). Simulacijski model lahko komunicira tudi s fizičnim krmilnikom s pomočjo SIMIT UNIT (Hardware-in-the-Loop),«
pojasnjuje Mariusz Waśkowicz, strokovnjak za digitalne Solutions, ki podpira projekt v imenu podjetja Siemens. Testiranje opreme in avtomatizacija poteka dobesedno »na mizi«, kjer se uporabljene tehnološke rešitve preverjajo pred končnim zagonom.

»Krmilna omara je priključena na enoto SIMIT in preizkušena s tem orodjem glede strojne opreme in merilnih zmogljivosti. To nam daje zaupanje, da ne bo povzročilo težav in če se kakršne koli težave pojavijo na kraju samem, bodo izhajale iz drugih vzrokov, povezanih s fizičnim izvajanjem projekta, in ne iz komponent, ki smo jih uporabili,«
pojasnjuje Wojciech Piasny, namestnik direktorja oddelka za avtomatizacijo pri SECO/WARWICK.

Digitalna dvojna programska oprema je le eden od mnogih elementov Siemensovega ecosystem, ki ga uporablja proizvajalec. Celoten nadzorni sistem temelji na Siemensovih rešitvah. Krmiljenje sistema upravlja krmilnik S7-1500 skupaj z njegovimi moduli. Siemens dobavlja tudi industrijski računalniki in plošče na dotik, ki služijo kot uporabniški vmesnik. Poleg tega so varnostni sistemi zgrajeni na proizvajalčevih varnostnih rešitvah. Komponente Siemens se uporabljajo tudi v krmilnih omarah, vključno s kontaktorji, vezjem

Digitalna dvojna programska oprema je le eden od mnogih elementov Siemensovega ecosystem, ki ga uporablja SECO/WARWICK.

Sisteme nadzoruje krmilnik S7-1500 in moduli.

Kako se model pogovarja s krmilnikom?

Modeliranje upošteva vse procese, ki se pojavljajo v peči: črpanje, ogrevanje peči, hlajenje in ugljičenje. V fizičnem svetu tak proces traja od nekaj ur do - v primeru določenih naprav - celo nekaj dni. Z uporabo simulacijskih rešitev, ki temeljijo na digitalnem dvojčku naprave, je to mogoče znatno pospešiti in peč celovito preizkusiti že dolgo, preden se ustvari njen fizični ekvivalent. Med modeliranjem se simulirajo tako digitalni kot analogni parametri, kot sta temperatura in vakuum. Med testiranjem se preveri delovanje stikal, kontaktorjev in drugih naprav, priključenih na krmilno omarico, vključno s celotnim varnostnim sistemom.

»Model vsebuje digitalno predstavitev komponent naprave in komponent znotraj nadzorne omare. Vsi ti elementi morajo imeti digitalni ekvivalent v SIMIT. S tem orodjem zgradimo knjižnico komponent. Preučimo posamezne komponente peči, njihovo strukturo in jih nato predstavljamo v modelu, ki ga ustvarimo. Na podlagi električnih diagramov model povežemo s PLC-jem prek vhodov/izhodov, kar nam omogoča testiranje delovanja posameznih tehnoloških programov. Dodatna prednost je možnost uporabe razpoložljivih vhodov/izhodov, »pojasnjuje Radosław Gorowy.

Modeliranje upošteva vse procese, ki se pojavljajo v peči: vključno s črpanjem, ogrevanjem peči, hlajenjem in uplinjanjem.

SECO/WARWICK konstruira modele, zasnovane tako, da čim bolj zvesto odražajo resničnost. A to še ni vse, saj so ustvarjene tudi simulacije, ki ustvarjajo sintetične podatke za analizo. Takšne simulacije omogočajo razvojni ekipi, na primer, testiranje rešitev, namenjenih platformi FurnacePlus, ki razširja funkcionalnost naprav skupine s sistemi za napovedovanje in energetsko upravljanje. Razumevanje potreb uporabnikovega vmesnika je tudi pomemben vidik oblikovanja rešitev, saj je ergonomija ključnega pomena iz varnostnih razlogov.

»Stranke, ki jim med delovanjem peči ni treba pretirano skrbeti zaradi nevarnih nesreč, imajo drugačne potrebe kot tiste, kadar je zaradi uporabljene tehnologije obdelave materiala tveganje veliko in ima lahko resne posledice. V slednjem primeru imamo opravka z visoko usposobljenimi operaterji, ki potrebujejo tudi specializiran vmesnik v napravah, ki jih uporabljajo,«
ugotavlja Marek Melnarowicz, vodja prodaje v podjetju Siemens Polska.

Testiranje rešitev v simulacijskih orodjih digitalnega dvojčka poteka med predajo krmilne omare in programske opreme. Nato oddelek za montažo izvede zasnovo in opravi končno montažo naprave. Nazadnje servisni oddelek izvaja fizično testiranje. Končna potrditev, da je bil sprejeti model pravilno izveden, je njegovo preverjanje na ciljnem objektu.

»Modeli, ki jih uporabljamo za simulacijo in testiranje, so dovolj zreli in dovolj hitri, da jih ustvarimo, da nam praktično prihranijo čas. Še pomembneje je, da sprostijo dragocene vire za avtomatizacijo, saj nam jih ni treba vključevati v fizično testiranje naprave s servisom, bodisi v objektu SECO/WARWICK bodisi neposredno v prostorih stranke. Čas, porabljen za pripravo modela, se izplača tudi z večjim duševnim mirom pri načrtovanju dela, še posebej, ker nas vsak naslednji model stane manj zaradi zaporedoma zgrajene knjižnice lastnih komponent. Prihranek časa zahvaljujoč digitalnemu dvojčku je zato ogromen,«
pojasnjuje S. Wachowski.

Hitrejše, varnejše in bolj ekonomično

Po večmesečnem sodelovanju s SIMIT in SIMIT enoto SECO/WARWICK vidi pomembne koristi od uporabe orodij, ki zagotavljajo celovite rešitve za testiranje avtomatizacije. Med ključnimi prednostmi implementacije rešitev za modeliranje in testiranje je skrajšanje časa, potrebnega za montažo in zagon peči v naročnikovem objektu.

»Pred uvedbo digitalnega dvojčka je v primeru vakuumske peči testiranje v kombinaciji s tehnološkimi poskusi trajalo 2 do 2,5 tedna za servisnega tehnika in 4-5 dni za inženirja avtomatizacije. Testiranje na ustvarjenem modelu je večkrat skrajšalo njihovo delovno obremenitev. Za sisteme, sestavljene iz več ali ducat naprav, se ti časi sorazmerno zmanjšajo s povprečja 400-500 ur na 100-150, kar pomeni znatne prihranke. Zmanjša se tudi delovna obremenitev električnih monterjev. Nižji stroški so pomembni, vendar je občutek gotovosti, da bo naprava pravilno delovala na kraju samem, neprecenljiv,«
pojasnjuje Sławomir Wachowski.

Z uporabo digitalnega dvojnika je mogoče peč celovito preizkusiti že dolgo, preden se ustvari njen fizični ekvivalent.

Model v oblaku

Druga pomembna prednost uporabe digitalnega dvojčka je višja kakovost končnega izdelka.

Drug zanimiv vidik uporabe digitalnega dvojčka so njegove poslovne posledice. Model vakuumske peči v oblaku omogoča prodajalcem, da sedanjim in novim strankam pokažejo delovanje naprave. Druga inovativna lastnost je sposobnost razvojne ekipe, da preizkuša napredne rešitve za upravljanje naprav. Zahvaljujoč modelu v oblaku ne potrebujejo več fizičnih podatkov za testiranje. V prihodnosti bo Simcenter Amesim SECO/WARWICK omogočil tudi ustvarjanje naprednih matematičnih modelov učnih strojev.

»Zahvaljujoč sodelovanju z Amesimom smo lahko preverili, kako natančno lahko modeliramo porabo energije, toplotne spremembe in dinamične spremembe tlaka plina. V Amesimu vidimo velik potencial za ustvarjanje še natančnejših modelov, ki jih lahko nato uporabimo kot komponente SIMIT-a in natančneje predstavljamo resničnost v digitalnem svetu,«
pravi Wojciech Piasny.

Po besedah Mariusza Waśkowicza iz Siemensa digitalni dvojček ne zagotavlja le oprijemljivih organizacijskih in gospodarskih koristi, ampak tudi signalizira premik v smeri razvoja avtomatizacije in celo vpliva na izobraževanje sedanjih in prihodnjih strokovnjakov za avtomatizacijo.

»Uporaba digitalnega dvojčka omogoča učinkovito training, na primer za tiste, ki so odgovorni za delovanje ali vzdrževanje stroja. To jim omogoča, da temeljito razumejo napravo ali celotno proizvodno linijo, preden sploh komunicirajo s fizičnim predmetom, in se tako naučijo, kako ga hitreje učinkovito upravljati. Prav tako bodo pozorni na posebne vidike dela in hitreje prepoznali simptome morebitnih napak in posledično izpadov na linijah, »pojasnjuje Mariusz Waśkowicz.

Marek Melnarowicz ugotavlja tudi vpliv digitalnega dvojčka na dojemanje stroka avtomatizacije in razvoj novih smeri za izobraževanje strokovnjakov za industrijsko avtomatizacijo.

»Zahvaljujoč modeliranju se svet avtomatizacije PLC približuje IT. Razvoj digitalnega dvojčka pomeni, da nas fizični svet ne veže več in lahko delamo na komponentah strojev in naprav ter programski opremi, ki jih nadzoruje, preden jih implementiramo v resničnih razmerah, »pojasnjuje Marek Melnarowicz.