FALLSTUDIE

Digital tvilling för värmebehandling

För att effektivisera verksamheten och minimera risken för fel implementerade SECO/WARWICK Siemens digitala tvillinglösningar.

Värmebehandlingsprocessen för metaller är exceptionellt komplex ur teknisk synvinkel. Det kräver att lämpliga driftsparametrar upprätthålls samt specifika säkerhetsförhållanden. Detta innebär stora utmaningar för tillverkare av moderna industriugnar. För att minimera risken för potentiella fel och förbättra tillverknings- och monteringsprocesserna på plats använder SECO/WARWICK Group lösningar baserade på en digital tvilling från Siemens.

SECO/WARWICK är en tillverkare av tekniskt avancerade ugnar för värmebehandling av metaller, konstruerade och tillverkade i enlighet med kundernas individuella behov. En nyckelfaktor vid valet av ugnsteknik och tekniska lösningar är kundens avgift (arbetsbelastning), det vill säga metallprodukten som ska värmebehandlas. Baserat på detta väljs lämplig teknik, process och recept, vilket påverkar utrustningens och styrsystemens komplexitet. Typen av värmebehandlingsteknik bestämmer också valet av säkerhetsåtgärder som skyddar anställda från potentiella faror.

” För en automationsingenjör som arbetar med ugnsdesign är en grundlig kunskap om teknik och processparametrar avgörande, liksom medvetenhet om potentiella risker. Till exempel programmeras vakuumvärmebehandlingsugnar helt annorlunda än utrustning som används för aluminiumbearbetning eller vakuummetallurgi, trots att de har en liknande hårdvarustruktur. Att förstå tekniken gör det möjligt att förutse potentiella faror och genomföra lämpliga skyddsåtgärder.
betonar Sławomir Wachowski, chef för automatiseringsavdelningen på SECO/WARWICK.

SECO/WARWICK är en tillverkare av tekniskt avancerade ugnar för värmebehandling av metaller.

Den digitala tvillingen stöder modellering och testning

För att effektivisera arbetet och minimera risken för fel beslutade SECO/WARWICK att använda digitala tvillinglösningar från Siemens. Företaget använder bland annat SIMIT-programvara för att skapa digitala modeller av vakuum-, atmosfär- och smältugnar. Detta verktyg används också för att testa automationssystem innan programvaran överlämnas för driftsättning.Företaget använder också SIMIT Unit för att stödja produktionsprocessen och konfigurationen av styrskåp genom fullständig simulering av hårdvaruskapstester. För mer avancerade modeller, såsom pumpsystem, Simcenter Amesim simuleringsplattform används för att simulera prestanda och för att hjälpa till att välja lämplig storlek på vakuumpumpar.

”För närvarande simulerar vi i våra modeller flera typer av utrustning. Den främsta anledningen till att vi bestämde oss för att använda en digital tvilling var komplexiteten i styrprogramvaran och de olika utmaningar vi var tvungna att möta. Många av dessa problem blev uppenbara först vid testning och idrifttagning — det vill säga i slutskedet, när utrustningen redan hade lämnat vår anläggning.”
förklarar Radosław Gorowy, digital modellering och simuleringsingenjör på SECO/WARWICK.

Ugnstestning ”på skrivbordet”

De digitala tvillinglösningarna som används av SECO/WARWICK gör det möjligt att identifiera potentiella fel och problem redan i ett tidigt skede av arbetet med en viss enhet.

De digitala tvillinglösningarna som används av SECO/WARWICK gör det möjligt att identifiera potentiella fel och problem redan i ett tidigt skede av arbetet med en viss enhet. Modellering och testning med användning av simuleringsprogramvara förbättrar arbetseffektiviteten avsevärt. De ökar också tillförlitligheten hos de lösningar som utvecklas. Som ett resultat kan industriugnar för metallvärmebehandling levereras och tas i drift snabbare, till lägre kostnad och med minskad arbetsinsats.

— Att sträva efter innovation är en mycket viktig faktor som driver utvecklingen av vårt företag. I detta avseende har den digitala tvillingen helt uppfyllt våra förväntningar. Den används för att modellera all utrustning vi producerar. För närvarande har vi flera modeller förberedda. Ursprungligen skapades simuleringar för vakuumugnar, där vi nu testar våra automationssystem fullt ut. För närvarande utvecklar vi modeller för aluminiumbearbetningsugnar och vakuummetallurgi. Vi har också vår första erfarenhet av modellering av atmosfärsugnar, som utgör ett viktigt segment av de lösningar vi utvecklar.”
förklarar Sławomir Wachowski.

SECO/WARWICK använder SIMIT-programvara bland annat för att simulera in- och utsignaler från styrsystem, för att tillhandahålla detaljerad simulering av enhetsbeteende och för att modellera processer med hjälp av dedikerade tekniska bibliotek.

”I den här lösningen är SIMIT nyckelverktyget, men för att fullt ut utnyttja dess kapacitet har systemet utökats med PLCSIM Advanced — en styrenhetsemulator — och WinCC för HMI-operatörspanelen. Integration med TIA Portal gör det möjligt att ändra styrprogrammet i realtid (Software-in-the-Loop). Simuleringsmodellen kan också kommunicera med en fysisk styrenhet med hjälp av SIMIT UNIT (Hardware-in-the-loop), ”
förklarar Mariusz Waśkowicz, Digitalization Solutions Expert som stödjer projektet på uppdrag av Siemens. Testning av utrustning och automation utförs bokstavligen ”på skrivbordet”, där de tillämpade tekniska lösningarna verifieras före slutlig idrifttagning.

”Styrskåpet är anslutet till SIMIT Unit och testas med detta verktyg vad gäller hårdvara och mätprestanda. Detta ger oss förtroende för att det inte kommer att generera problem, och om några problem uppstår på plats kommer de att bero på andra orsaker relaterade till den fysiska implementeringen av projektet, snarare än från de komponenter vi har använt.
förklarar Wojciech Piasny, biträdande chef för automatiseringsavdelningen på SECO/WARWICK.

Digital tvillingprogramvara är bara en av många delar av Siemens ekosystem som används av tillverkaren. Hela styrsystemet är baserat på Siemens lösningar. Systemstyrning hanteras av S7-1500-styrenheten tillsammans med dess moduler. Siemens levererar också industriella datorer och pekskärmar som fungerar som användargränssnitt. Dessutom bygger säkerhetssystemen på tillverkarens säkerhetslösningar. Siemens komponenter används också i styrskåpen, inklusive kontaktorer, krets

Digital tvillingprogramvara är bara en av många delar av Siemens ekosystem som används av SECO/WARWICK.

Systemen styrs av S7-1500-styrenheten och modulerna.

Hur pratar modellen med styrenheten?

Modellering tar hänsyn till alla processer som förekommer i ugnen: pumpning, ugnsuppvärmning, kylning och karburering. I den fysiska världen tar en sådan process från flera timmar till - i fallet med vissa enheter - till och med flera dagar. Genom att använda simuleringslösningar baserade på en digital tvilling av enheten kan detta accelereras avsevärt och ugnen kan testas omfattande långt innan dess fysiska motsvarighet skapas. Under modellering simuleras både digitala och analoga parametrar, såsom temperatur och vakuum. Under testningen verifieras driften av omkopplare, kontaktorer och andra enheter anslutna till styrskåpet, inklusive hela säkerhetssystemet.

Modellen innehåller en digital representation av enhetens komponenter och komponenterna inuti styrskåpet. Alla dessa element måste ha en digital motsvarighet i SIMIT. Med hjälp av detta verktyg bygger vi ett komponentbibliotek. Vi undersöker de enskilda ugnskomponenterna, deras struktur och representerar dem sedan i modellen vi skapar. Baserat på de elektriska diagrammen ansluter vi modellen till PLC via ingångar/utgångar, så att vi kan testa driften av enskilda tekniska program. En ytterligare fördel är möjligheten att använda tillgängliga ingångar/utgångar, förklarar Radosław Gorowy.

Modelleringen tar hänsyn till alla processer som uppstår i ugnen: inklusive pumpning, ugnsuppvärmning, kylning och förgasning.

SECO/WARWICK konstruerar modeller utformade för att återspegla verkligheten så troget som möjligt. Men det är inte allt, eftersom simuleringar också skapas som genererar syntetiska data för analys. Sådana simuleringar gör det möjligt för utvecklingsteamet att till exempel testa lösningar dedikerade till FurnacePlus-plattformen, som utökar funktionaliteten hos koncernens enheter med prediktiva och energihanteringssystem. Att förstå kundens gränssnittsbehov är också en viktig aspekt av lösningsdesignen, eftersom ergonomi är avgörande av säkerhetsskäl.

” Kunder som inte behöver oroa sig alltför mycket för farliga olyckor under ugnsdrift har andra behov än de när risken på grund av den materialbearbetningsteknik som används är betydande och kan få allvarliga konsekvenser. I det senare fallet har vi att göra med högkvalificerade operatörer som också behöver ett specialiserat gränssnitt i de enheter de använder, ”
noterar Marek Melnarowicz, försäljningschef på Siemens Polska.

Testlösningar i den digitala tvillingens simuleringsverktyg sker under överlämnandet av styrskåp och programvara. Därefter implementerar monteringsavdelningen konstruktionen och utför den slutliga monteringen av enheten. Slutligen utför serviceavdelningen fysisk testning. Den slutliga bekräftelsen på att den antagna modellen har genomförts korrekt är dess verifiering på målinrättningen.

” Modellerna vi använder för simulering och testning är tillräckligt mogna och snabba nog att skapa så att de praktiskt taget sparar oss tid. Ännu viktigare är att de frigör värdefulla automatiseringsresurser, eftersom vi inte behöver engagera dem i fysisk testning av enheten med service, varken på SECO/WARWICK-anläggningen eller direkt i kundens lokaler. Tiden för att förbereda modellen lönar sig också genom större sinnesfrid när det gäller planeringsarbete, särskilt eftersom varje efterföljande modell kostar oss mindre på grund av det successivt byggda biblioteket med våra egna komponenter. Tidsbesparingarna tack vare den digitala tvillingen är därför enorma,”
förklarar S. Wachowski.

Snabbare, säkrare och mer ekonomiskt

Efter flera månaders arbete med SIMIT och SIMIT Unit ser SECO/WARWICK betydande fördelar med att använda verktyg som tillhandahåller heltäckande lösningar för automatiseringstestning. Bland de viktigaste fördelarna med att implementera modellerings- och testlösningar är minskningen av tiden som krävs för ugnsmontering och idrifttagning vid kundens anläggning.

”Innan den digitala tvillingen implementerades, i fallet med en vakuumugn, tog testning i kombination med tekniska tester 2 till 2,5 veckor för en servicetekniker och 4-5 dagar för en automationsingenjör. Testning på den skapade modellen förkortade deras arbetsbelastning flera gånger. För system som består av flera eller ett dussin enheter reduceras dessa tider proportionellt från i genomsnitt 400-500 timmar till 100-150, vilket innebär betydande besparingar. Arbetsbelastningen för elinstallatörer minskar också. Lägre kostnader är viktiga, men känslan av säkerhet att enheten kommer att fungera korrekt på plats är ovärderlig.”
förklarar Sławomir Wachowski.

Genom att använda en digital tvilling kan ugnen testas omfattande långt innan dess fysiska motsvarighet skapas.

Molnmodell

En annan viktig fördel med att använda en digital tvilling är den högre kvaliteten på slutprodukten.

En annan intressant aspekt av att använda en digital tvilling är dess affärsmässiga konsekvenser. En molnbaserad vakuumugnsmodell gör det möjligt för säljare att demonstrera enhetens prestanda för nuvarande och nya kunder. En annan innovativ funktion är möjligheten för utvecklingsteamet att testa avancerade enhetshanteringslösningar. Tack vare den molnbaserade modellen behöver de inte längre fysiska data för testning. I framtiden kommer Simcenter Amesim också att göra det möjligt för SECO/WARWICK att skapa avancerade matematiska modeller av inlärningsmaskiner.

”Tack vare samarbetet med Amesim kunde vi verifiera hur exakt vi kan modellera energiförbrukning, termiska förändringar och dynamiska gastrycksförändringar. Vi ser stor potential i Amesim för att skapa ännu mer exakta modeller, som vi sedan kan använda som komponenter i SIMIT och mer exakt representera verkligheten i den digitala världen, ”
säger Wojciech Piasny.

Enligt Mariusz Waśkowicz från Siemens ger en digital tvilling inte bara konkreta organisatoriska och ekonomiska fördelar utan signalerar också en förändring i riktning mot automatiseringsutveckling och påverkar till och med utbildningen av nuvarande och framtida automationsspecialister.

” Användningen av en digital tvilling möjliggör effektiv träning, till exempel för de som ansvarar för maskindrift eller underhåll. Detta gör att de kan förstå enheten eller hela produktionslinjen noggrant innan de ens interagerar med det fysiska objektet och därmed lära sig hur man använder det effektivt snabbare. De kommer också att uppmärksamma specifika aspekter av arbetet och snabbare identifiera symtom på potentiella fel och därmed driftstopp, förklarar Mariusz Waśkowicz.

Marek Melnarowicz noterar också effekten av en digital tvilling på uppfattningen av automationsyrket och utvecklingen av nya riktningar för utbildning av industriella automationsspecialister.

”Tack vare modellering närmar sig världen av PLC-automation IT. Utvecklingen av den digitala tvillingen innebär att den fysiska världen inte längre binder oss, och vi kan arbeta med maskin- och enhetskomponenter och mjukvaran som styr dem innan de implementeras i verkliga förhållanden, förklarar Marek Melnarowicz.