NGHIÊN CỨU ĐIỂN HÌNH

Kép kỹ thuật số để xử lý nhiệt

Để hợp lý hóa hoạt động và giảm thiểu rủi ro lỗi, SECO/WARWICK đã triển khai các giải pháp kép kỹ thuật số của Siemens.

Quá trình xử lý nhiệt của kim loại đặc biệt phức tạp từ quan điểm công nghệ. Nó đòi hỏi phải duy trì các thông số hoạt động thích hợp cũng như các điều kiện an toàn cụ thể. Điều này đặt ra những thách thức đáng kể cho các nhà sản xuất lò công nghiệp hiện đại. Để giảm thiểu rủi ro về các lỗi tiềm ẩn và cải thiện quy trình sản xuất và lắp ráp tại chỗ, Tập đoàn SECO/WARWICK sử dụng các giải pháp dựa trên cặp đôi kỹ thuật số do Siemens cung cấp.

SECO/WARWICK là nhà sản xuất lò nung công nghệ tiên tiến để xử lý nhiệt kim loại, được thiết kế và sản xuất phù hợp với nhu cầu cá nhân của khách hàng. Một yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn công nghệ lò và giải pháp kỹ thuật là phí (khối lượng công việc) của khách hàng, tức là sản phẩm kim loại được xử lý nhiệt. Dựa trên điều này, công nghệ, quy trình và công thức thích hợp được lựa chọn, ảnh hưởng đến mức độ phức tạp của thiết bị và hệ thống điều khiển. Loại công nghệ xử lý nhiệt cũng xác định việc lựa chọn các biện pháp an toàn bảo vệ nhân viên khỏi các mối nguy tiềm ẩn.

“Đối với một kỹ sư tự động hóa tham gia vào thiết kế lò, kiến thức kỹ lưỡng về công nghệ và các thông số quy trình là rất quan trọng, cũng như nhận thức về các rủi ro tiềm ẩn. Ví dụ, lò xử lý nhiệt chân không được lập trình khá khác so với thiết bị được sử dụng để gia công nhôm hoặc luyện kim chân không, mặc dù có cấu trúc phần cứng tương tự. Hiểu được công nghệ giúp dự đoán các mối nguy tiềm ẩn và thực hiện các biện pháp bảo vệ thích hợp”.
nhấn mạnh Sławomir Wachowski, Giám đốc Bộ phận Tự động hóa tại SECO/WARWICK.

SECO/WARWICK là nhà sản xuất lò nung công nghệ tiên tiến để xử lý nhiệt kim loại.

Bộ đôi kỹ thuật số hỗ trợ mô hình hóa và thử nghiệm

Để hợp lý hóa công việc và giảm thiểu rủi ro lỗi, SECO/WARWICK quyết định sử dụng các giải pháp kép kỹ thuật số do Siemens cung cấp. Công ty sử dụng, trong số những phần mềm khác, SIMIT để tạo ra các mô hình kỹ thuật số của lò chân không, khí quyển và lò nóng chảy. Công cụ này cũng được sử dụng để kiểm tra các hệ thống tự động hóa trước khi phần mềm được bàn giao để vận hành. Công ty cũng sử dụng SIMIT Unit để hỗ trợ quá trình sản xuất và cấu hình tủ điều khiển thông qua mô phỏng đầy đủ các thử nghiệm tủ phần cứng. Đối với các mô hình tiên tiến hơn, chẳng hạn như hệ thống bơm, Nền tảng mô phỏng Simcenter Amesim được sử dụng để mô phỏng hiệu suất và hỗ trợ lựa chọn kích thước phù hợp của máy bơm chân không.

“Hiện tại, trong các mô hình của chúng tôi, chúng tôi mô phỏng một số loại thiết bị. Lý do chính khiến chúng tôi quyết định sử dụng một chiếc song sinh kỹ thuật số là sự phức tạp của phần mềm điều khiển và nhiều thách thức mà chúng tôi phải đối mặt. Nhiều vấn đề trong số này chỉ trở nên rõ ràng trong quá trình thử nghiệm và vận hành - nghĩa là, trong giai đoạn cuối cùng, khi thiết bị đã rời khỏi cơ sở của chúng tôi.
giải thích Radosław Gorowy, Kỹ sư mô phỏng và mô phỏng kỹ thuật số tại SECO/WARWICK.

Kiểm tra lò “trên bàn”

Các giải pháp kép kỹ thuật số được SECO/WARWICK sử dụng giúp xác định các lỗi và vấn đề tiềm ẩn đã ở giai đoạn đầu của công việc trên một thiết bị nhất định.

Các giải pháp kép kỹ thuật số được SECO/WARWICK sử dụng giúp xác định các lỗi và vấn đề tiềm ẩn đã ở giai đoạn đầu của công việc trên một thiết bị nhất định. Mô hình hóa và thử nghiệm với việc sử dụng phần mềm mô phỏng cải thiện đáng kể hiệu quả công việc. Chúng cũng nâng cao độ tin cậy của các giải pháp đang được phát triển. Do đó, các lò công nghiệp để xử lý nhiệt kim loại có thể được giao và vận hành nhanh hơn, với chi phí thấp hơn và giảm đầu vào lao động.

“Phấn đấu đổi mới là một yếu tố rất quan trọng thúc đẩy sự phát triển của công ty chúng tôi. Về mặt này, cặp song sinh kỹ thuật số đã đáp ứng đầy đủ mong đợi của chúng tôi. Nó được sử dụng để mô hình hóa tất cả các thiết bị chúng tôi sản xuất. Hiện tại, chúng tôi có một số mô hình chuẩn bị. Ban đầu, các mô phỏng được tạo ra cho lò chân không, trên đó chúng tôi kiểm tra đầy đủ các hệ thống tự động hóa của mình. Hiện tại, chúng tôi đang phát triển các mô hình cho lò gia công nhôm và luyện kim chân không. Chúng tôi cũng có kinh nghiệm đầu tiên trong việc mô hình hóa lò khí quyển, đại diện cho một phân khúc quan trọng trong các giải pháp chúng tôi phát triển.”
Sławomir Wachowski giải thích.

SECO/WARWICK sử dụng phần mềm SIMIT, trong số những thứ khác, để mô phỏng tín hiệu đầu vào và đầu ra của các hệ thống điều khiển, để cung cấp mô phỏng chi tiết về hành vi của thiết bị và mô hình hóa các quy trình bằng cách sử dụng các thư viện công nghệ chuyên dụng.

“Trong giải pháp này, SIMIT là công cụ quan trọng; tuy nhiên, để tận dụng đầy đủ khả năng của nó, hệ thống đã được mở rộng với PLCSIM Advanced - một trình giả lập bộ điều khiển - và WinCC cho bảng điều hành HMI. Tích hợp với TIA Portal giúp bạn có thể sửa đổi chương trình điều khiển trong thời gian thực (Software-in-the-Loop). Mô hình mô phỏng cũng có thể giao tiếp với bộ điều khiển vật lý sử dụng SIMIT UNIT (Phần cứng trong vòng lặp),
Mariusz Waśkowicz, Chuyên gia Giải pháp Số hóa hỗ trợ dự án thay mặt cho Siemens giải thích. Việc thử nghiệm thiết bị và tự động hóa được thực hiện theo nghĩa đen “trên bàn làm việc”, nơi các giải pháp công nghệ được áp dụng được xác minh trước khi vận hành lần cuối.

“Tủ điều khiển được kết nối với SIMIT Unit và được thử nghiệm bằng công cụ này về phần cứng và hiệu suất đo lường. Điều này mang lại cho chúng tôi sự tự tin rằng nó sẽ không tạo ra vấn đề và nếu bất kỳ vấn đề nào xảy ra tại chỗ, chúng sẽ xuất phát từ các nguyên nhân khác liên quan đến việc thực hiện dự án, thay vì từ các thành phần chúng tôi đã sử dụng.
Wojciech Piasny, Phó Giám đốc Bộ phận Tự động hóa tại SECO/WARWICK giải thích.

Phần mềm kép kỹ thuật số chỉ là một trong nhiều yếu tố của hệ sinh thái Siemens được nhà sản xuất sử dụng. Toàn bộ hệ thống điều khiển dựa trên các giải pháp của Siemens. Điều khiển hệ thống được xử lý bởi bộ điều khiển S7-1500 cùng với các mô-đun của nó. Siemens cũng cung cấp máy tính công nghiệp và bảng cảm ứng đóng vai trò là giao diện người dùng. Ngoài ra, các hệ thống an toàn được xây dựng dựa trên các giải pháp An toàn của nhà sản xuất. Các thành phần của Siemens cũng được sử dụng trong tủ điều khiển, bao gồm công tắc tơ, mạch

Phần mềm kép kỹ thuật số chỉ là một trong nhiều yếu tố của hệ sinh thái Siemens được SECO/WARWICK sử dụng.

Các hệ thống được điều khiển bởi bộ điều khiển và mô-đun S7-1500.

Làm thế nào để mô hình nói chuyện với bộ điều khiển?

Mô hình hóa có tính đến tất cả các quá trình xảy ra trong lò: bơm, sưởi ấm lò, làm mát và thấm cacbon. Trong thế giới vật chất, một quá trình như vậy mất từ vài giờ đến - trong trường hợp của một số thiết bị nhất định - thậm chí vài ngày. Bằng cách sử dụng các giải pháp mô phỏng dựa trên bộ đôi kỹ thuật số của thiết bị, điều này có thể được tăng tốc đáng kể và lò có thể được kiểm tra toàn diện từ lâu trước khi đối tác vật lý của nó được tạo ra. Trong quá trình mô hình hóa, cả các thông số kỹ thuật số và tương tự, chẳng hạn như nhiệt độ và chân không, được mô phỏng. Trong quá trình thử nghiệm, hoạt động của các công tắc, công tắc tơ và các thiết bị khác được kết nối với tủ điều khiển, bao gồm toàn bộ hệ thống an toàn, được xác minh.

“Mô hình chứa một đại diện kỹ thuật số của các thành phần của thiết bị và các thành phần bên trong tủ điều khiển. Tất cả các yếu tố này phải có một kỹ thuật số tương đương trong SIMIT. Sử dụng công cụ này, chúng tôi xây dựng một thư viện thành phần. Chúng tôi kiểm tra các thành phần lò riêng lẻ, cấu trúc của chúng, và sau đó thể hiện chúng trong mô hình chúng tôi tạo ra. Dựa trên sơ đồ điện, chúng tôi kết nối mô hình với PLC thông qua đầu vào/đầu ra, cho phép chúng tôi kiểm tra hoạt động của các chương trình công nghệ riêng lẻ. Một lợi ích bổ sung là khả năng sử dụng đầu vào/đầu ra có sẵn”, Radosław Gorowy giải thích.

Việc mô hình hóa có tính đến tất cả các quá trình xảy ra trong lò: bao gồm bơm, sưởi ấm lò, làm mát và thấm cacbon.

SECO/WARWICK xây dựng các mô hình được thiết kế để phản ánh thực tế một cách trung thực nhất có thể. Nhưng đó không phải là tất cả, vì các mô phỏng cũng được tạo ra để tạo ra dữ liệu tổng hợp để phân tích. Ví dụ, các mô phỏng như vậy cho phép nhóm phát triển thử nghiệm các giải pháp dành riêng cho nền tảng FurnacePlus, mở rộng chức năng của các thiết bị của Tập đoàn với các hệ thống dự đoán và quản lý năng lượng. Hiểu được nhu cầu giao diện của khách hàng cũng là một khía cạnh quan trọng của thiết kế giải pháp, vì công thái học rất quan trọng vì lý do an toàn.

“Khách hàng không phải lo lắng quá mức về các tai nạn nguy hiểm trong quá trình vận hành lò có nhu cầu khác với những khách hàng khi, do công nghệ xử lý vật liệu được sử dụng, rủi ro là đáng kể và có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng. Trong trường hợp thứ hai, chúng tôi đang làm việc với các nhà khai thác có tay nghề cao, những người cũng yêu cầu một giao diện chuyên biệt trong các thiết bị mà họ sử dụng.
Marek Melnarowicz, Giám đốc bán hàng tại Siemens Polska lưu ý.

Các giải pháp thử nghiệm trong các công cụ mô phỏng của cặp song sinh kỹ thuật số xảy ra trong quá trình bàn giao tủ điều khiển và phần mềm. Tiếp theo, bộ phận lắp ráp thực hiện thiết kế và thực hiện lắp ráp cuối cùng của thiết bị. Cuối cùng, bộ phận dịch vụ tiến hành kiểm tra vật lý. Xác nhận cuối cùng rằng mô hình được thông qua đã được thực hiện chính xác là xác minh của nó trên cơ sở mục tiêu.

“Các mô hình chúng tôi sử dụng để mô phỏng và thử nghiệm đủ trưởng thành và đủ nhanh để tạo ra mà chúng thực tế giúp chúng tôi tiết kiệm thời gian. Thậm chí quan trọng hơn, chúng giải phóng các tài nguyên tự động hóa có giá trị, vì chúng tôi không phải tham gia thử nghiệm vật lý thiết bị với dịch vụ, tại cơ sở SECO/WARWICK hoặc trực tiếp tại cơ sở của khách hàng. Thời gian dành cho việc chuẩn bị mô hình cũng được đền đáp nhờ sự an tâm hơn khi lập kế hoạch công việc, đặc biệt là vì mỗi mô hình tiếp theo khiến chúng ta tốn ít chi phí hơn do thư viện được xây dựng liên tiếp của các thành phần của riêng chúng ta. Do đó, việc tiết kiệm thời gian nhờ vào cặp song sinh kỹ thuật số là rất lớn,”
S. Wachowski giải thích.

Nhanh hơn, an toàn hơn và tiết kiệm hơn

Sau vài tháng làm việc với SIMIT và SIMIT Unit, SECO/WARWICK nhận thấy những lợi ích đáng kể từ việc sử dụng các công cụ cung cấp các giải pháp toàn diện cho thử nghiệm tự động hóa. Một trong những lợi ích chính của việc triển khai các giải pháp mô hình hóa và thử nghiệm là giảm thời gian cần thiết cho việc lắp ráp và vận hành lò tại cơ sở của khách hàng.

“Trước khi triển khai bộ đôi kỹ thuật số, trong trường hợp lò chân không, thử nghiệm kết hợp với thử nghiệm công nghệ mất từ 2 đến 2,5 tuần đối với kỹ thuật viên dịch vụ và 4-5 ngày đối với kỹ sư tự động hóa. Thử nghiệm trên mô hình đã tạo đã rút ngắn khối lượng công việc của họ nhiều lần. Đối với các hệ thống bao gồm vài hoặc một chục thiết bị, thời gian này được giảm tỷ lệ thuận từ trung bình 400-500 giờ xuống 100-150, điều này giúp tiết kiệm đáng kể. Khối lượng công việc của người lắp đặt điện cũng giảm. Chi phí thấp hơn là rất quan trọng, nhưng cảm giác chắc chắn rằng thiết bị sẽ hoạt động chính xác tại chỗ là vô giá.
Sławomir Wachowski giải thích.

Bằng cách sử dụng bộ đôi kỹ thuật số, lò có thể được kiểm tra toàn diện từ lâu trước khi vật lý tương đương của nó được tạo ra.

Mô hình đám mây

Một lợi ích đáng kể khác của việc sử dụng cặp đôi kỹ thuật số là chất lượng cao hơn của sản phẩm cuối cùng.

Một khía cạnh thú vị khác của việc sử dụng cặp song sinh kỹ thuật số là ý nghĩa kinh doanh của nó. Mô hình lò chân không dựa trên đám mây cho phép nhân viên bán hàng chứng minh hiệu suất của thiết bị cho khách hàng hiện tại và khách hàng mới. Một tính năng sáng tạo khác là khả năng nhóm phát triển thử nghiệm các giải pháp quản lý thiết bị tiên tiến. Nhờ mô hình dựa trên đám mây, họ không còn cần dữ liệu vật lý để thử nghiệm. Trong tương lai, Simcenter Amesim cũng sẽ cho phép SECO/WARWICK tạo ra các mô hình toán học tiên tiến của máy học.

“Nhờ làm việc với Amesim, chúng tôi đã có thể xác minh chính xác mức độ chúng tôi có thể mô hình hóa mức độ tiêu thụ năng lượng, thay đổi nhiệt và thay đổi áp suất khí động. Chúng tôi thấy tiềm năng to lớn ở Amesim trong việc tạo ra các mô hình chính xác hơn, sau đó chúng tôi có thể sử dụng như các thành phần của SIMIT và thể hiện chính xác hơn thực tế trong thế giới kỹ thuật số”.
Wojciech Piasny nói.

Theo Mariusz Waśkowicz từ Siemens, một cặp song sinh kỹ thuật số không chỉ mang lại lợi ích hữu hình về tổ chức và kinh tế mà còn báo hiệu một sự thay đổi trong hướng phát triển tự động hóa và thậm chí ảnh hưởng đến giáo dục của các chuyên gia tự động hóa hiện tại và tương lai.

“Việc sử dụng bộ đôi kỹ thuật số cho phép đào tạo hiệu quả, ví dụ, cho những người chịu trách nhiệm vận hành hoặc bảo trì máy móc. Điều này cho phép họ hiểu kỹ thiết bị hoặc toàn bộ dây chuyền sản xuất trước khi họ tương tác với đối tượng vật lý, do đó học cách vận hành nó hiệu quả nhanh hơn. Họ cũng sẽ chú ý đến các khía cạnh cụ thể của công việc và nhanh chóng xác định các triệu chứng của các lỗi tiềm ẩn, và do đó, thời gian ngừng hoạt động của đường dây”, Mariusz Waśkowicz giải thích.

Marek Melnarowicz cũng lưu ý tác động của một cặp song sinh kỹ thuật số đối với nhận thức về nghề tự động hóa và sự phát triển của các hướng đi mới cho việc giáo dục các chuyên gia tự động hóa công nghiệp.

“Nhờ mô hình hóa, thế giới tự động hóa PLC đang tiến gần hơn đến CNTT. Sự phát triển của cặp song sinh kỹ thuật số có nghĩa là thế giới vật chất không còn ràng buộc chúng ta nữa và chúng ta có thể làm việc trên các thành phần máy móc và thiết bị và phần mềm điều khiển chúng trước khi chúng được triển khai trong điều kiện thực tế”, Marek Melnarowicz giải thích.