Gemelos Digitales y Puesta en Marcha Virtual en la Industria Manufacturera
En este artículo, destacaremos algunos de los términos y tecnologías sobre los que a menudo nos preguntan, sus aplicaciones y por qué creemos que son importantes.
Para reducir costos, mejorar la calidad y desarrollar nuevos productos sofisticados, los fabricantes están invirtiendo en una automatización cada vez más compleja. Como herramienta para mejorar la confiabilidad de este equipo y mejorar el control de procesos, también quieren aprovechar las tecnologías de Industria 4.0 como sensores IoT y gemelos digitales.
Para las empresas que construyen e integran esta automatización, el desafío es un poco diferente. Su objetivo es pasar las pruebas de aceptación finales lo más rápido posible, brindando una automatización avanzada que genera el ROI más alto posible para sus clientes. La puesta en marcha virtual proporciona una forma de hacerlo.
¿Cuál es la conexión entre un gemelo digital y la puesta en marcha virtual? Existe una clara superposición en el sentido de que ambos implican la construcción de simulaciones complejas de sistemas físicos. También hay algunas diferencias, y es factible, aunque quizás no deseable, tener uno sin el otro. Este artículo se sumerge en las superposiciones y diferencias para ayudar a los lectores a comprender cuáles deben priorizar.
Recapitulando Industria 4.0
La frase ha estado en uso durante algunos años, pero un breve resumen preparará el escenario para una discusión sobre los gemelos digitales y la puesta en servicio virtual.
Industria 4.0, la cuarta revolución industrial, se refiere a la aparición de sistemas ciberfísicos para lograr un cambio radical en las capacidades de fabricación similar a las revoluciones anteriores del vapor, la electricidad y la informatización.
En términos prácticos, la Industria 4.0 consiste en combinar tecnologías de sensores avanzados con conectividad a Internet e inteligencia artificial para crear sistemas de fabricación “inteligentes”. Se trata de máquinas, procesos, células y líneas que pueden informar sobre su estado, reaccionar a las tendencias y optimizar su rendimiento con una intervención humana mínima o incluso nula.
La complejidad de estos sistemas de Industria 4.0 implica la necesidad de nuevos procesos para facilitar su implementación y supervisar su funcionamiento. Dos de estos procesos son el gemelo digital y la puesta en marcha virtual.
¿Qué es un Gemelo Digital?
Una respuesta simple es que es una recreación virtual de un sistema físico. Es un modelo de computadora que se ve, actúa y se comporta como el sistema físico que replica. Además, puede haber una conexión entre los dos para un intercambio de datos para que el sistema virtual pueda sincronizarse con el sistema real.
Muchos de los primeros gemelos digitales fueron pioneros en el producto en lugar del ámbito de la fabricación. Los motores de turbina, las plantas de energía nuclear y las turbinas eólicas son tres ejemplos de productos que pueden tener gemelos digitales.
Un gemelo digital es mucho más que un simple modelo CAD, aunque ese suele ser el punto de partida. También debe incluir alguna forma de simulación multifísica que le permita funcionar como el sistema real. Esto incluirá replicar velocidades, cargas, temperaturas, presiones, inercia e incluso las fuerzas externas que actúan sobre el sistema.
En la fabricación, un gemelo digital puede replicar una máquina individual, una celda, una línea completa o incluso, como informa Time en “How Digital Twins Are Transforming Manufacturing, Medicine and More”, una fábrica completa, que es algo que BMW está haciendo. Los ejemplos de cómo se podría usar un gemelo digital a nivel de máquina incluyen:
- Evaluación del rendimiento del husillo
- Monitoreo de cambios térmicos
- Simulación de carga y descarga
Las celdas que utilizan varios robots se desarrollan con sofisticados modelos CAD y software de simulación de robots. Algunas personas podrían considerar estos gemelos digitales, aunque una célula verdaderamente hermanada tendría una amplia gama de sensores e instrumentación, además de una forma de intercambiar datos con la réplica virtual.
Otras áreas donde los gemelos digitales ofrecen grandes beneficios son el embalaje y el almacenamiento. Estas operaciones complejas a menudo incorporan transportadores y, cada vez más, robots autónomos móviles con flujos de materiales sinuosos y múltiples ubicaciones de almacenamiento y preparación de kits. Un gemelo digital de una operación de este tipo puede ayudar a identificar y evaluar mejoras en el flujo y el manejo para aumentar la velocidad y reducir los costos.
Una vez validadas contra el sistema real, las aplicaciones del gemelo digital pueden incluir:
- Predicciones de vida útil y mantenimiento
- Capacitación de operadores y mantenimiento
- Evaluación de posibles nuevos escenarios operativos
- Reproducir eventos pasados como una forma de entender lo que salió mal
Cabe destacar que en todas estas actividades el gemelo digital evita tener que poner fuera de servicio la máquina o el sistema. En cambio, puede continuar ejecutándose y/o produciendo mientras se llevan a cabo en paralelo.
Puesta en Marcha de Equipos de Fabricación Complejos
Todos los proyectos importantes de equipos de fabricación incluyen un paso llamado “Puesta en servicio”. Otro paso importante es la prueba de aceptación de fábrica (FAT), donde se demuestra el rendimiento según las especificaciones. FAT se puede incluir en la puesta en marcha, o la puesta en marcha puede comenzar después de FAT. A menudo es donde comienza la capacitación de operadores y técnicos de mantenimiento, y también es la parte del proyecto que genera más angustia a los fabricantes de máquinas e integradores de automatización.
El problema es que la puesta en marcha es donde los sistemas de control están vinculados a los sistemas mecánicos. Esto involucra secuencias complejas de señales que deben fluir lógicamente y cumplir con estrictos requisitos de tiempo. Casi inevitablemente, se necesita tiempo para resolver los problemas que surgen al hacer que estos sistemas “hablen” entre sí, y esto conduce a retrasos en los proyectos.
Además, el entrenamiento en sí mismo puede tomar más tiempo de lo esperado y puede sacar a la luz problemas previamente ocultos que deben resolverse antes de la FAT. El resultado: más retrasos.
Descripción de la puesta en servicio virtual
Se cree que un artículo publicado en el “Journal of Computational Design and Engineering” de julio de 2014 tiene la primera referencia a la puesta en servicio virtual. La “Encuesta sobre la puesta en marcha virtual de sistemas de fabricación” revisó el estado actual de la técnica en “la construcción del modelo físico de un dispositivo virtual y la construcción del modelo lógico de un dispositivo virtual” y recomendó la dirección que debería tomar la investigación futura.
En los años transcurridos desde que se publicó ese documento, el significado de “Comisionamiento virtual” se ha entendido mejor. Hoy en día, se considera que simula la lógica de control y las señales que permitirán que una pieza específica de automatización funcione para replicar la operación y así completar los controles del sistema.
Una ventaja de la puesta en marcha virtual sobre la física es que puede comenzar antes en el proyecto, ya que no necesita el sistema mecánico. Sin embargo, requiere que se comprenda toda la lógica operativa, incluidos los tiempos de ciclo, las tasas de piezas, los avances, el funcionamiento de las pinzas, las velocidades y la carga y descarga. También requiere una simulación de la lógica de control, incluyendo todas las señales del PLC con sus tiempos y respuestas de sensores y actuadores. Sin embargo, dados estos requisitos previos, la puesta en servicio virtual es completamente factible.
Beneficios de la Puesta en Marcha Virtual
La puesta en marcha virtual es de gran interés para los fabricantes e integradores de máquinas porque puede acortar drásticamente el proyecto general. En lugar de continuar con la construcción física, puede comenzar mientras la construcción está en marcha. Hacer que la puesta en marcha sea una actividad paralela en lugar de una serie ahorra tiempo entre la construcción y FAT, lo que beneficia tanto al cliente como al integrador.
La puesta en marcha virtual también reduce el riesgo, tanto técnico como de proyecto. Los problemas en la lógica del sistema o el tiempo se descubren antes. A menudo, los cambios se pueden realizar rápidamente con un impacto mínimo en la duración del proyecto.
Un comienzo más temprano en el entrenamiento es otro beneficio. Los operadores y el personal de mantenimiento pueden comenzar a recibir instrucciones antes de que el sistema esté físicamente completo. Esto adelanta la fecha en la que la nueva línea o maquinaria puede “entrar en funcionamiento”.
Puesta en Marcha Virtual, Gemelos Digitales e IoT
Este artículo ha buscado aclarar las áreas de superposición y las diferencias entre la puesta en marcha virtual y los gemelos digitales. Ambos utilizan representaciones virtuales de sistemas físicos para ahorrar tiempo, permitir una mejor capacitación e identificar oportunidades de mejora, entre otros beneficios. Sin embargo, el gemelo digital requiere un equivalente físico con la tecnología IoT para la transferencia de datos. La puesta en marcha virtual no lo hace.
Otra forma de ver esto es que los casos de uso son diferentes. En la fabricación, un gemelo digital es una herramienta para monitorear, predecir y mejorar el rendimiento de un sistema existente. Por lo tanto, es algo para ser utilizado por los fabricantes.
Por el contrario, la puesta en marcha virtual es de mayor valor para aquellos que construyen e integran nuevos equipos de fabricación complejos.
Curiosamente, la simulación de fabricación admite tanto la puesta en marcha virtual como la tecnología de gemelos digitales. Esto se produce a través de la capacidad de modelar cómo fluyen los flujos de trabajo a través de un sistema. Tal modelo es una entrada vital tanto para el gemelo digital como para el ejercicio de puesta en marcha virtual.
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