Ventil 6 / 2023 • Letnik 29 392 AVTOMATIZACIJA TEHNOLOŠKIH PROCESOV 1 Uvod V zadnjih letih smo priča izjemnemu napredku v industriji, kjer se pojmi, kot so digitalizacija, industrija 4.0, internet stvari (IoT) in pametne tovarne, vse pogosteje pojavljajo v strokovnih razpravah. Poudariti velja, da so del tega hitre- ga tehnološkega razvoja tudi simulacijska orod- ja. Del digitalizacije so namreč prav ta orodja, ki postajajo ključni sestavni del tako za integratorje kot tudi za končne stranke v procesni industriji. Simulacijske platforme, ki so nekoč predstavlja- le zgolj reprezentacije kompleksnih procesov na sejmih, so zdaj nepogrešljiv del avtomatizacije in postajajo osrednji del vsakdanjih orodij. Ta premik od statičnih predstavitev k dejanskemu vključevanju simulacij v delovne procese odpi- ra številne priložnosti za optimizacijo procesov in ohranjanje strokovnega znanja. Posledično se čas vzpostavitve sistema zmanjšuje, kar pripo- more k učinkovitejšemu delovanju industrijskih procesov. Simulacije tako omogočajo ne le vizu- alno razumevanje kompleksnih sistemov, ampak tudi konkretno zmanjšanje časa pri zagonu, kar ima pomembne posledice za industrijsko avto- matizacijo. Del nenehnega razvoja v smeri digi- talizacije so prav simulacije in njihova orodja, ki igrajo ključno vlogo pri oblikovanju prihodnosti industrijskih procesov. Jure Erjavec, univ. dipl. inž., Kolektor Sisteh, d. o. o., Ljubljana – Črnuče a vtomatizacija tehnoloških Procesov z uPorabo naPrednih simulacijskih orodij v Procesni industriji Jure Erjavec Izvleček: Članek obravnava uporabo naprednih simulacijskih orodij v procesni industriji za avtomatizacijo tehnolo- ških procesov. V uvodu poudarja hitro digitalizacijo in vlogo simulacij pri tem razvoju. Simulacijska orodja so zdaj ključni del avtomatizacije, omogočajo optimizacijo procesov ter ohranjajo strokovno znanje. Simu- lacije ponujajo vizualno razumevanje in zmanjšujejo čas vzpostavitve sistemov. Poudarja namen uporabe simulacij, kot so optimizacija proizvodnje, odločanje, načrtovanje procesov in učinkovito usposabljanje kadra. Osrednji del članka se posveča simulacijskemu okolju SIMIT podjetja Siemens, ki se uporablja za optimi- zacijo razvoja in delovanja avtomatiziranih sistemov. SIMIT omogoča simulacijo procesov v realnem času ter zagotavlja napredne funkcionalnosti za testiranje in preverjanje delovanja sistema pred dejansko im- plementacijo. Praktičen primer uporabe SIMIT-a je opisan v kontekstu migracije sistema v proizvodnji. Predstavljeni so ključni izzivi, kot so menjava recepturnega sistema in kratek čas ustavitve proizvodnje. Simulacijsko okolje omogoča izvedbo temeljitih testov, vključno s testiranjem Factory Acceptance Test (FAT), kar prispeva k zanesljivosti in kakovosti sistema. V zaključku članka je poudarjeno, kako simulacije postajajo ključno orodje za integratorje in končne stran- ke, saj omogočajo preizkus in izboljšanje sistemov brez tveganja za dejansko proizvodnjo. Sodelovanje s simulacijskim okoljem lahko prinese številne koristi, vključno z identifikacijo napak, izobraževanjem kadra ter temeljitim preverjanjem delovanja sistema pred implementacijo v realno proizvodno okolje. Ključne besede: simulacijska orodja, digitalni dvojčkek, Siemens SIMIT, optimizacija proizvodnje, učinkovito usposabljanje kadra. Ventil 6 / 2023 • Letnik 29 2 Simulacija in njihova orodja Simulacija je proces, ki predstavlja povezavo med modelom in računalnikom. To vključuje ustvarjanje digitalnih dvojčkov realnih sistemov s pomočjo pro- gramske opreme, kar omogoča virtualno testiranje in preverjanje delovanja brez potrebe po fizičnih prototipih. Simulacijska orodja predstavljajo pro- gramske pakete, ki omogočajo virtualno uvajanje strojev brez potrebe po resničnem prototipu. Raz- lična simulacijska orodja izpolnjujejo različne name- ne, vendar se pogosto delijo na dve glavni kategoriji glede na njihovo funkcionalnost: tista, ki omogočajo dinamične procese, ter simulatorje, namenjene izva- janju programov, izdelanih v programabilnih logičnih krmilnikih (PLC). Simulatorji za izvajanje PLC-pro- gramov so bolj osredotočeni na preverjanje in testi- ranje programske logike, ki jo uporabljajo. Ti simula- torji omogočajo programerjem preizkus krmilniških programov v virtualnem okolju brez dejanskega vpliva na fizične procese. Simulacijska orodja za di- namične procese so usmerjena v simulacijo komple- ksnih industrijskih sistemov v realnem času. Ta orod- ja omogočajo modeliranje interakcij med različnimi komponentami avtomatiziranih sistemov, vključno s senzorji, aktuatorji in nadzornimi algoritmi. 3 Namen uporabe simulacij in simulacijskega orodja Namen uporabe simulacij in simulacijskih orodij v procesni industriji je ključen pri digitalizaciji proi- zvodnih procesov ter igra pomembno vlogo pri ustvarjanju digitalnega dvojčka proizvodnje – vir- tualnega modela fizičnega procesa ali sistema, ki natančno odraža delovanje v realnem času. Simu- lacijska orodja omogočajo izdelavo in vzdrževanje takšnih digitalnih dvojčkov, kar omogoča podrobno spremljanje in analizo proizvodnje na virtualni ravni. Ključna prednost uporabe simulacij je možnost op- timizacije proizvodnje. S pomočjo natančnega mo- deliranja različnih scenarijev in parametrov simula- cijska orodja identificirajo potencialne izboljšave ter učinkovitejše strategije delovanja, kar pripomore k zmanjšanju odpadkov, povečanju izkoristka virov ter optimizaciji časovnih in stroškovnih faktorjev v proizvodnji. Digitalni dvojčki, ki jih omogočajo simulacije, olaj- šajo sprejemanje odločitev in načrtovanje procesov. Podjetja lahko preizkušajo različne možnosti brez tveganja za dejansko proizvodnjo, kar omogoča boljše strategije in hitrejše prilagajanje spremem- bam na trgu ali notranjim zahtevam, s čimer se po- večujeta prilagodljivost in konkurenčnost proizvo- dnih podjetij. Poleg tega simulacije omogočajo učinkovito uspo- sabljanje kadra. S sposobnostjo simuliranja realnih proizvodnih situacij zaposleni pridobivajo praktič- ne izkušnje v varnem virtualnem okolju, kar vodi k povečanju strokovnosti in zmanjšanju napak v de- janski proizvodnji. Integracija simulacijskih orodij v proizvodne pro- cese omogoča, da postane digitalizacija ključno orodje za doseganje optimizacije, učinkovitosti ter konkurenčnosti v sodobni procesni industriji. Poudarek na ključni vlogi digitalnih dvojčkov v pro- cesni industriji omogoča tehnologom izboljšanje delovanja sistemov v simulacijskem procesu, ne da bi ogrozili dejansko proizvodnjo. Napake je mo- goče simulirati brez tveganja za ljudi in stroje, kar omogoča vzporedno izboljševanje sistemov in pri- naša številne prednosti, zlasti pri usposabljanju ka- dra, kjer se soočamo s pomanjkanjem usposobljene delovne sile ter staranjem operaterjev. Digitalni dvojčki omogočajo tehnologom preizku- šanje in izboljševanje delovanja sistema v simula- cijskem okolju brez tveganja za proizvodnjo, kar omogoča hitrejše prilagajanje procesov, zmanjšuje tveganja in povečuje prilagodljivost proizvodnih sistemov. Pri usposabljanju kadra, kjer se soočamo s težava- mi zaradi premalo usposobljene delovne sile in sta- ranja operaterjev, se digitalni dvojčki izkažejo kot ključno orodje za optimizacijo časa, namenjenega usposabljanju. Z njihovo pomočjo novo osebje pri- dobiva praktične izkušnje v virtualnem okolju, kar vodi do hitrega in ciljno usmerjenega usposablja- nja, ključnega v luči naraščajočih potreb po delovni sili in hitrem uvajanju novih tehnologij. Vzporedno izboljševanje sistemov in učinkovito usposabljanje kadra postavljata digitalne dvojčke v središče sodobne procesne industrije, kjer prispe- vajo k trajnostnemu razvoju in optimizaciji opera- tivnih procesov. 4 Simulacijsko okolje SIMIT V industriji avtomatizacije, kjer prevladuje podjetje Siemens, se njihovo simulacijsko okolje Simit izkaže kot ključno orodje za optimizacijo razvoja in delo- vanja avtomatiziranih sistemov. Ponuja napredne funkcionalnosti, ki omogočajo inženirjem natančno simulacijo in testiranje, še preden se avtomatizirani procesi dejansko implementirajo. Centralna značilnost orodja Siemens Simit je spo- sobnost simulacije procesov v realnem času. Ta la- stnost omogoča inženirjem, da podrobno preverijo dinamiko in odziv avtomatiziranih sistemov v virtu- alnem okolju, kar znatno zmanjšuje možnost napak v fazi dejanske implementacije. Mogoče je testira- nje z uporabo strojne opreme ali emulatorja, zna- nega kot »software in the loop«. To omogoča prila- AVTOMATIZACIJA TEHNOLOŠKIH PROCESOV 393 Ventil 6 / 2023 • Letnik 29 394 godljivo testiranje in preverjanje delovanja sistema v različnih scenarijih. Pohvali se lahko z obsežnim naborom knjižnic kom- ponent za različne procese:  FLOWNET – simulacije procesov vodne pare, tekočine s konstantno gostoto/toploto,  CONTEC – transportne povezave, tirnice, RFID, …,  CHEM BASIC – simulacije procesov različnih re- akcij, destilacij, absorpcij,  SOLUTION WATER LIBRARY – dodatek h knji- žnici FLOWNET, simulacija proizvodnje sladke vode, reverzne osmoze in cevovodov Z uporabniku prijaznim vmesnikom in premišljenim dizajnom Siemens Simit omogoča enostavno upra- vljanje, kar prispeva k hitrejšemu razvoju avtomatizi- ranih sistemov. Dodatna prednost je 3D-vizualizaci- ja, ki omogoča boljši vpogled v delovanje sistemov, še posebej koristno pri kompleksnih postopkih. Na Simit okolje se je možno povezati preko več po- vezav (Couplings):  SIMIT Unit,  Virtual Controller (PCS 7),  PL CSIM A dv anc ed,  PL CSIM,  OPC DA Server,  OPC DA Client,  OPC UA Client,  Shar ed Memory ,  PROD A VE. Povezave so odvisne od tega, ali simuliramo z de- janskimi krmilniki (Simit Unit), emulatorji oziroma standardnimi komunikacijami. Simulacija brez stroj- ne opreme (PLC-ja in IO- komponent) oz. z emula- torjem poteka na treh nivojih: signali (signal level), naprave (device level) in proces (process level) [1]. AVTOMATIZACIJA TEHNOLOŠKIH PROCESOV Slika 2 : Knjižnica in nekaj primerov objektov Slika 1 : Potek simulacije na Simit okolju Ventil 6 / 2023 • Letnik 29 Na signalnem nivoju uporabimo enega od emula- torjev: Virtual controller (VC) za PCS7-sisteme, PL- CSIM Advanced za PLC-je serije 1500 in PLCSIM za PLC-je serije 300 ali 400. Emulatorji predstavljajo izmenjavo podatkov med PLC-ji in Simitom. Tu je možno izvajati enostavne teste na I/O-signalih in npr. izključiti napake na komunikaciji. Na nivoju naprav je omogočena simulacija napra- ve na komunikaciji PROFIBUS ali PROFINET. To so lahko frekvenčni, tehtalni moduli, hitri števci, preto- komerilci in podobno. T e simulacijske naprave lahko simuliramo tudi z realnim PLC-jem in komunikacij- skim modulom. Na procesni ravni Simit omogoča implementacijo procesa s knjižnicami. FLOWNET je že v osnovnem paketu, ostale je potrebno dokupiti. Knjižnice omo- gočajo preverjanje veljavnosti fizikalnih spremenljivk, kot so tlak, temperatura, pretok in specifična entalpi- ja. Siemens prav tako nudi že izvedene rešitve (SIMIT solution libraries) za različne industrije, kot so indu- strija hrane in pijače, zdravil, vodika, elektrarne itd. Precej teh knjižnic in pripravljenih rešitev je plačlji- vih, zato velja omeniti orodje Component Type Edi- tor (CTE), ki ponuja visoko stopnjo prilagodljivosti. Razvijate lahko svoje komponente ali razširjate ob- stoječe na vseh nivojih simulacij Simit-a. Ena od uporabnih funkcij SIMIT-a je kreiranje simu- lacijskih potekov na podlagi shem P & ID (Process and Instrumentation Diagram). Tu se cevne poveza- ve s komponentami (tekočine, plin) v odvisnosti od temperature, pretoka ali tlaka združijo z objektom (npr. reaktorjem ali izmenjevalcem). Posameznemu objektu se nastavijo parametri, s ka- terimi približamo virtualni objekt realnemu. Nasta- vitev parametrov posameznemu objektu v knjižnici zahteva znanje tehnologa specialista, ki se pogosto razlikuje od splošnega znanja avtomatikov ali pro- gramerjev. Razlog za to je, da tehnolog specialist poglablja razumevanje specifičnih procesov, mate- rialov, inženirskih sistemov ter industrijskih aplika- cij, ki jih simulira ali avtomatizira. 5 Uporaba v praksi – simulacija šaržnega procesa Stranka si je kot cilj postavila migracijo sistema, kar vključuje nadgradnjo na najnovejšo verzijo. Sistem je temeljil na Siemensovem PCS7-sistemu starejše verzije, poleg nadgradnje pa je bilo potrebno upo- rabiti še APL-knjižnice (Advanced Process Library), ki omogočajo boljši nadzor, sledljivost in upravlja- nje proizvodnih enot. Ena izmed zahtev naročnika je bila tudi izvedba testiranja Factory Acceptance Test (FAT) na simulacijskem okolju. Prvi ključni izziv je bil prehod »custom« recepturne- ga sistema na popolnoma nov sistem, imenovan Si- matic Batch proizvajalca Siemens. Izbira je logična, saj je bila oprema krmilnega nivoja istega proizva- jalca. Obenem dobijo »tipski« recepturni sistem, saj je prejšnji sistem predstavljal številne omejitve in ni omogočal razširitve za prihodnje potrebe. Drugi ključni izziv je bil zelo kratek čas ustavitve proizvodnje za vzpostavitev sistema z novim recep- turnim sistemom. Sistem je bil ključen za celotno proizvodnjo, ni pa bilo na voljo vzporednega sis- tema za začasno vzpostavitev proizvodnje. Za do- seganje tega cilja smo morali vzpostaviti sistem v nekaj urah, kar je predstavljalo zahtevno nalogo, saj je bil vsak trenutek ustavitve proizvodnje kritičen. Po migraciji PCS7-sistema je sledila izdelava SIMIT si- mulacijskega okolja z virtual controller emulatorjem. Izvedba na nivoju signalov in naprav je razmeroma hitra, na procesnem nivoju pa je za realno simulacijo potrebnega več časa, saj je treba nastaviti čim bolj re- alne parametre objektov iz knjižnic, ki jih uporabimo. Slika 3 : Objekt v knjižnici s parametri AVTOMATIZACIJA TEHNOLOŠKIH PROCESOV 395 Ventil 6 / 2023 • Letnik 29 396 AVTOMATIZACIJA TEHNOLOŠKIH PROCESOV Po uspešni izdelavi simulacijskega okolja je bilo mo- goče izvajati teste vseh postopkov in sekvenc, kar vključuje tudi vse teste OQ (Operational Qualificati- on). Simulacijsko okolje je omogočilo temeljito pre- verjanje delovanja sistema po izvedeni nadgradnji. V tem okviru so bili izvedeni operativni testi, ki so pokrivali vse ključne operacije in funkcije sistema. To je vključevalo testiranje delovanja posameznih enot, komunikacijskih povezav, procesnih kontrol in drugih ključnih funkcionalnosti. S tem sta bili zgo- tovljeni kakovost in zanesljivost sistema v simulira- nem, nadzorovanem okolju. Opremo z digitalnim dvojčkom smo postavili v pi- sarni in stranki omogočili daljinski dostop. Z vzpostavitvijo daljinskega dostopa smo se usme- rili v sodelovanje s tehnologom, ki se je osredotočil na recepturni sistem, temelječ na standardu S88. To je zahtevalo skupno delo pri definiranju procesnih enot, kjer smo natančno opredelili posamezne faze in korake v proizvodnem procesu ter določili tudi parametre posameznim fazam. Poleg tega smo se osredotočili na validacijo vseh izdelanih receptov. Ta korak je bil ključen za prever- janje, ali vsi recepti delujejo v skladu s pričakovanji in specifikacijami in ustrezno odražajo procese v proizvodnji. V tem konkretnem primeru izpostavljamo števil- ne prednosti uporabe simulacij v procesu nadgra- Slika 4 : Sistem na SCADI in njegov virtualna izvedba v SIMIT Ventil 6 / 2023 • Letnik 29 dnje in migracije sistema. Simulacije se izkažejo kot ključno orodje, ki omogoča širok nabor koristi za različne dele projekta. Kot prvo: že sam inte- grator ima možnost testirati morebitne napake v PLC-programu v simuliranem okolju. To omogoča identifikacijo in odpravo morebitnih programskih pomanjkljivosti, še preden sistem zaživi v dejan- skem proizvodnem okolju. S tem pristopom se po- večujeta zanesljivost in učinkovitost integracije, saj se težave lahko odpravijo že v zgodnji fazi. Pri stranki se izvede kvaliteten Factory Acceptance Test (FAT). Simulacijsko okolje omogoča natančno in temeljito preverjanje delovanja sistema, vključno z vsemi novimi funkcionalnostmi. To pomeni, da se lahko identificirajo morebitne pomanjkljivosti ali odstopanja od zahtev naročnika, kar omogoča nji- hovo takojšnjo odpravo. Poleg tega simulacije služijo kot učinkovito orodje za izobraževanje. Tehnologi imajo priložnost, da se naučijo kreiranja receptur na novem sistemu, ope- raterji pa se lahko v simuliranem okolju naučijo upo- rabljati nov sistem. AVTOMATIZACIJA TEHNOLOŠKIH PROCESOV 397 Slika 5 : Daljinski dostop do digitalnega dvojčka Slika 6 : Preizkus recepta v simulacijskem okolju Ventil 6 / 2023 • Letnik 29 398 AVTOMATIZACIJA TEHNOLOŠKIH PROCESOV 6 Zaključek Članek je osvetlil ključno vlo- go naprednih simulacijskih orodij s poudarkom na Si- emensovem simulacijskem okolju SIMIT pri avtomatizaciji tehnoloških procesov v proce- sni industriji. Digitalni dvojčki, ustvarjeni s pomočjo simula- cij, postajajo ključno orodje za optimizacijo, učinkovitost in konkurenčnost avtomatizacije v sodobni industriji. Prednosti uporabe simulacij so jasno izpostavljene, saj omogo- čajo optimizacijo proizvodnje, hitro prilagajanje spremem- bam ter zmanjšanje tveganj in stroškov v proizvodnih proce- sih. Siemens SIMIT se je izka- zal kot napredno simulacijsko okolje, ki inženirjem omogoča natančno preverjanje dinami- ke avtomatiziranih sistemov v virtualnem okolju, kar znatno zmanjšuje možnost napak pri dejanski implementaciji. Praktičen primer migracije sis- tema v proizvodnji je ponazo- ril, kako simulacije omogočajo identifikacijo in odpravo more- bitnih težav že v zgodnji fazi, preden sistem zaživi v realnem okolju. S tem se povečuje za- nesljivost integracije, hkrati pa simulacije služijo kot učinkovito orodje za izobraževanje kadra. Skupaj z digitalnimi dvojčki postajajo simulacijska orodja ključna za trajnostni razvoj in optimizacijo operativnih pro- cesov v procesni industriji. V luči naraščajočih izzivov in potreb po inovacijah postaja uporaba simulacij nepogre- šljiva v vsakdanjem delovanju podjetij, ki stremijo k učinko- vitosti, zanesljivosti in trajno- stnemu razvoju. Viri [1] SIMIT Getting Started 109746485_PCS7_SI- MIT_V71_GS_DOCU_ en.pdf (siemens.com) Automation of Technological Processes Using Ad- vanced Simulation Tools in the Process Industry Abstract: This article explores the use of advanced simulation tools in the process industry to automate technological processes. The intro- duction emphasizes the rapid digitization and the role of simula- tions in this development. Simulation tools have become a crucial part of automation, enabling process optimization and preserving expertise. The article focuses on the Siemens SIMIT simulation environment, detailing its features for system development and operation optimization. A practical case study highlights the chal- lenges and benefits of using SIMIT in a production system migra- tion, emphasizing its role in thorough testing, including Factory Acceptance Tests (FAT). The conclusion underscores how simula- tions have become essential for integrators and end-users, offer- ing risk-free system testing, error identification, staff training, and comprehensive performance verification before real-world imple- mentation. Keywords: simulation tools, digital twins, Siemens SIMIT, production optimi- zation, effective staff training OPL avtomatizacija, d.o.o. Dobrave 2 SI-1236 Trzin, Slovenija Tel. +386 (0) 1 560 22 40 Tel. +386 (0) 1 560 22 41 Mobil. +386 (0) 41 667 999 E-mail: info@opl.si www.opl.si automation