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案例研究

用於熱處理的數位雙胞胎

為了簡化營運並將錯誤風險降到最低,SECO/WARWICK 實施了西門子的數位雙解決方案。

從技術角度來看,金屬的熱處理過程非常複雜。它需要維持適當的操作參數以及特定的安全條件。這對現代工業爐的製造商帶來了巨大的挑戰。 為了減少潛在錯誤的風險,並改善生產和現場裝配流程,SECO/WARWICK 集團使用了基於西門子提供的數位雙胞胎解決方案。

SECO/WARWICK 是用於金屬熱處理的技術先進爐製造商,根據客戶的個人需求設計和生產。選擇爐爐技術和技術解決方案的關鍵因素是客戶的費用(工作量),即要熱處理的金屬產品。基於此,選擇合適的技術,過程和配方,這些技術會影響設備和控制系統的複雜程度。熱處理技術的類型也決定了保護員工免受潛在危害的安全措施的選擇。


「對於參與爐具設計的自動化工程師來說,對技術和製程參數的徹底了解至關重要,以及對潛在風險的意識是至關重要的。例如,真空熱處理爐的程序與用於鋁加工或真空冶金的設備完全不同,儘管具有類似的硬件結構。了解這項技術,可以預測潛在的危險並實施適當的防護措施,」
強調了 SECO/沃里克自動化部主任斯瓦沃米爾·瓦霍夫斯基。

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SECO/WARWICK 是用於金屬熱處理的技術先進爐製造商。

數位雙胞胎支援建模和測試

為了簡化工作並減少錯誤風險,SECO/WARWICK 決定使用西門子提供的數位雙解決方案。 該公司還使用 SIMIT 軟件來創建真空,氣氛和熔爐的數字模型。 此工具還用於在軟件交付進行啟動之前測試自動化系統。公司還使用 SIMIT Unit 通過完整模擬硬件機櫃測試來支持控制櫃的生產過程和配置。對於更先進的型號,例如抽水系統, Simcenter Amesim 模擬平台用於模擬性能並協助選擇適當尺寸的真空泵浦。

「目前,在我們的模型中,我們模擬了幾種類型的設備。我們決定使用數位雙胞胎的主要原因是控制軟體的複雜性以及我們必須面對的各種挑戰。這些問題中的許多只有在測試和調試期間變得明顯 — 即在最終階段,當設備已經離開我們的工廠時,」
解釋了 SECO/沃里克數字建模和模擬工程師拉多斯瓦夫·戈洛維。

爐子測試「在桌面上」

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SECO/WARWICK 使用的數位雙解決方案可以識別在特定設備上工作的早期階段的潛在錯誤和問題。

SECO/WARWICK 使用的數位雙解決方案可以識別在特定設備上工作的早期階段的潛在錯誤和問題。使用模擬軟件進行建模和測試可顯著提高工作效率。它們還提高正在開發解決方案的可靠性。因此,用於金屬熱處理的工業爐可以更快地交付和啟動,以更低的成本,並且減少人力輸入。


「追求創新是推動我們公司發展的非常重要因素。在這方面,數字雙胞胎已完全滿足我們的期望。它用於建模我們生產的所有設備。目前,我們準備了幾種模型。最初,我們為真空爐創建了模擬,現在我們在其中完全測試我們的自動化系統。目前,我們正在開發鋁加工爐和真空冶金模型。我們也在氣氛爐建模方面擁有第一次經驗,這是我們開發的解決方案的重要部分。」
斯拉沃米爾·瓦霍夫斯基解釋。

SECO/WARWICK 使用 SIMIT 軟件,以模擬控制系統的輸入和輸出信號,提供詳細的設備行為模擬,以及使用專用的技術庫來模擬流程。

「在這個解決方案中,SIMIT 是關鍵工具;然而,為了充分利用其功能,系統已使用 PLCSIM Advanced(控制器模擬器)和用於 HMI 操作面板的 WinCC 進行擴展。與 TIA Portal 集成使您可以實時修改控制程序(循環中軟件)。模擬模型還可以使用 SIMIT UNIT(循環硬體)與實體控制器進行通訊,」
代表西門子支持該項目的數位化解決方案專家 Mariusz Waśkowicz 解釋。設備和自動化的測試實際上是「在桌上」進行,在最終調試之前,應用的技術解決方案進行驗證。

「控制櫃已連接到 SIMIT 單元,並在硬件和測量性能方面使用此工具進行測試。這使我們有信心,它不會產生問題,如果在現場發生任何問題,它們將源於與項目實際實施相關的其他原因,而不是由我們使用的組件而不是由我們使用的組件。」
解釋了 SECO/沃里克自動化部副總監沃傑克·皮亞斯尼。

數字雙軟件只是製造商使用的西門子生態系統中的許多元素之一。整個控制系統基於西門子解決方案。 系統控制由 S7-1500 控制器及其模塊處理。 西門子還供應 工業電腦用作用戶界面的觸摸面板。此外,安全系統是在製造商的安全解決方案上構建的。西門子元件也用於控制櫃,包括接觸器,電路

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數位雙軟體只是 SECO/WARWICK 使用的西門子生態系統中的許多元素之一。

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系統由 S7-1500 控制器和模組控制。

模型如何與控制器交談?

建模考慮到爐內發生的所有過程:抽水,爐加熱,冷卻和碳化。在物理世界中,這種過程需要幾個小時到(在某些設備的情況下)甚至幾天。通過使用基於設備的數字雙胞胎的模擬解決方案,可以顯著加速,並且在創建其物理對應之前可以在爐灶產生前進行全面測試。在建模過程中,將模擬數位和類比參數,例如溫度和真空。測試過程中,經過驗證連接到控制櫃的開關,接觸器和其他設備的操作,包括整個安全系統。


「該模型包含設備元件和控制櫃內部元件的數字表示。所有這些元素都必須在 SIMIT 中具有數位等值。使用此工具,我們構建一個元件庫。我們檢查個別爐具組件及其結構,然後在我們創建的模型中表示它們。根據電氣圖,我們通過輸入/輸出將模型連接到 PLC,使我們可以測試個別技術程序的運行。另一個好處是能夠使用可用的輸入/輸出的能力,」Radosław Gorowy 解釋說。

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建模考慮到爐內發生的所有過程:包括抽水,爐加熱,冷卻和碳化。

SECO/WARWICK 構建模型,旨在盡可能忠實地反映現實。但這還不是全部,因為也會創建模擬來生成用於分析的合成數據。例如,這種模擬可讓開發團隊測試專門針對 FurnacePlus 平台的解決方案,該平台通過預測和能源管理系統擴展集團設備的功能。了解客戶的介面需求也是解決方案設計的重要方面,因為人體工程學基於安全原因至關重要。

「由於使用的材料加工技術,風險很大,可能會產生嚴重後果的客戶,不需要過度擔心火爐運行過程中危險事故的需求與那些客戶的需求不同。在後一種情況下,我們正在處理技能高的操作員,他們也需要在他們使用的設備中具有專門的界面,」
西門子波蘭西門子銷售經理馬雷克·梅爾納羅維奇(Marek Melnarowicz)表示。

數位雙胞胎模擬工具中的測試解決方案會發生在控制櫃和軟體的交付期間。接下來,組裝部門實施設計並執行設備的最終組裝。最後,服務部進行物理測試。最終確認採用的模型已正確實施,就是在目標設施上進行驗證。

「我們用於模擬和測試的模型足夠成熟且快速,可以創建,實際上可以節省我們的時間。更重要的是,它們可以釋放寶貴的自動化資源,因為我們無需在 SECO/WARWICK 設施或直接在客戶的處所參與其進行設備進行實體測試服務。準備模型所花費的時間也因為在規劃工作時更加安心而獲得了回報,尤其是因為每個後續模型的成本都由於我們自己的組件的連續構建庫,因此我們的成本更低。因此,由於數字雙胞胎節省了時間非常大,」
斯·瓦喬夫斯基解釋。

更快、更安全、更經濟

經過與 SIMIT 和 SIMIT 單位合作數個月後,SECO/WARWICK 看到使用提供全面解決方案的工具可以為自動化測試提供全面解決方案的顯著好處。實施建模和測試解決方案的主要優點之一是縮短爐組裝和在客戶設施進行調試所需的時間。

「在實施數位雙體之前,在真空爐的情況下,測試結合技術測試的服務技術人員需要 2 至 2.5 週,自動化工程師需要 4-5 天。在建立的模型上進行測試,它們的工作負載縮短了幾倍。對於由數或十個設備組成的系統,這些時間從平均 400-500 小時比例減少到 100-150 個,這意味著大量節省。電氣安裝人員的工作量也減少。降低成本很重要,但是確定設備在現場正常運行的感覺是無價的,」
斯拉沃米爾·瓦霍夫斯基解釋。

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通過使用數位雙體,可在產生物理等效之前進行全面測試爐。

雲模型

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使用數字雙胞胎的另一個重要好處是最終產品的質量更高。

使用數字雙胞胎的另一個有趣方面是其業務影響。雲端式真空爐模型允許銷售人員向現有和新客戶展示設備的性能。另一個創新功能是開發團隊能夠測試先進的設備管理解決方案。多虧了雲端模型,它們不再需要實體數據進行測試。未來,Simcenter Amesim 也將使 SECO/WARWICK 能夠創建學習機器的先進數學模型。

「由於與 Amesim 合作,我們能夠驗證我們能夠準確地對能源消耗、熱變化和動態氣體壓力變化進行模型。我們看到 Amesim 在創建更精確的模型方面具有巨大的潛力,然後我們可以將其用作 SIMIT 的組件,並更準確地表現數位世界中的現實。」
沃伊切赫·皮亞斯尼說。

據西門子的 Mariusz Waśkowicz 表示,數位雙胞胎不僅可以提供有形的組織和經濟效益,而且也表示自動化發展方向的轉變,甚至影響目前和未來自動化專家的教育。

「使用數字雙胞胎可以為負責機器操作或維護的人提供有效的培訓。這使他們能夠在與物理物體互動之前徹底了解設備或整個生產線,從而學習如何更快地有效地操作它。他們還會注意工作的特定方面,並更快地識別潛在故障的症狀,以及線路停機時間的症狀,」Mariusz Waśkowicz 解釋說。

Marek Melnarowicz 還指出數位雙胞胎對自動化專業的認知,以及對工業自動化專家的教育新方向發展的影響。

「多虧了建模,PLC 自動化的世界越來越接近 IT。數位雙胞胎的發展意味著物理世界不再綁定我們,而且我們可以在機器和設備組件以及控制它們的軟件,然後再在實際條件中實施它們,」Marek Melnarowicz 解釋說。