Artículo técnico

Electroingenium

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Electroingeniería industrial xclc, s.l.

Ingeniería de automatización, especialistas en aportar soluciones para la mejora de los procesos productivos utilizando herramientas digitales de simulación y puesta en marcha virtual

La automatización de procesos es la creación y aplicación de tecnologías para producir y suministrar bienes y servicios con una mínima intervención humana. Mejora la eficiencia, la fiabilidad y la rapidez de muchas tareas repetitivas, con un aumento en el número de productos fabricados, una mejora de su calidad y una reducción de los costes.

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Figura 1. Automatización de un proceso en el sector de automoción

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Figura 2. Simulación y Emulación

En Electroingenium, realizamos nuestros proyectos de automatización utilizando nuevas metodologías de trabajo basadas en simulación y emulación (también denominada Puesta en Marcha Virtual). Estas metodologías tienen el objetivo principal de reducir el riesgo de inversiones a través de pruebas repetibles y de verificar la lógica de los controladores antes de la puesta en marcha real, conectando los modelos dinámicos del proceso con los controladores reales. Trabajamos en diversos sectores, como automoción, logística, energía y proceso.

Gemelo Digital, Simulación y Emulación

El origen de Digital Twin fue introducido por Michael Grieves en 2003 en la Universidad de Michigan, al presentar el concepto en una conferencia sobre la gestión del ciclo de vida del producto [1]. Grieves describe el Gemelo Digital (en adelante DT) como un compendio de tres componentes: un producto físico; una representación virtual de ese producto; y las conexiones bidireccionales de datos que alimentan los datos de la representación física a la virtual y la información y los procesos de la representación virtual a la física [2]. En el contexto de la I4.0, el DT puede utilizarse para la previsión y optimización de sistemas dinámicos en cada fase del ciclo en tiempo real [3].

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Figura 3. Concepto de Gemelo Digital [2]

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Figura 4. Simulación de un proceso de la nave de ceras de un OEM realizada por EIUM [6]

Utilizando la definición presentada por Grieves, se pueden distinguir dos niveles diferentes en términos de DT, relativos a los conceptos de simulación y emulación. La principal diferencia entre la emulación y una simulación pura es el hecho de que la emulación implica que alguna parte funcional del modelo es llevada a cabo por una parte del sistema real. De hecho, la emulación minimiza las diferencias entre el rendimiento de un sistema real y el modelo, sustituyendo parte de un modelo por una parte de un sistema real. Por lo tanto, debe ejecutarse en tiempo real [4]. Los modelos de simulación se utilizan para probar y desarrollar diferentes soluciones con el fin de llegar a la solución óptima, basándose en un conjunto de métricas prefijadas. Por lo tanto, normalmente se utiliza para analizar la productividad del sistema, ampliar los recursos y comprender la respuesta dinámica del sistema [5]. En cambio, la emulación se utiliza de forma mucho más precisa para probar el funcionamiento lógico de los sistemas de control industrial bajo diferentes condiciones de carga del sistema antes de la puesta en marcha, reduciendo el riesgo y el tiempo.

La emulación o puesta en marcha virtual es una metodología para replicar el comportamiento de un entorno físico con un sistema de software. El objetivo final de la emulación es proporcionar un entorno para que el ingeniero de controles de automatización valide su lógica de PLC (controlador lógico programable) y su diseño de HMI (interfaz hombre-máquina) antes de la depuración del sistema en el entorno real. Por lo tanto, la emulación se utiliza de forma mucho más precisa para probar el funcionamiento lógico de los sistemas de control industrial en diferentes condiciones de carga del sistema antes de la puesta en marcha, reduciendo el riesgo y el tiempo. Según Reinhart y Wünsch [6], la fase de puesta en servicio puede suponer hasta el 25% de todo el proyecto y, dentro de esta fase, la depuración del software es el principal consumidor. Shamp et al. [7] evalúan el impacto de la puesta en marcha virtual en un experimento a pequeña escala mediante la reducción del tiempo y el aumento de la calidad, alcanzando una reducción del 73% en el tiempo de depuración.

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Figura 5. Emulación  de una celda de soldadura realizada por EIUM

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Figura 6. Puesta en marcha virtual de una instalación de transporte realizada por EIUM (Sector automoción)

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Figura 7. Puesta en Marcha Virtual de tanques limpiaparabrisas realizada por EIUM

Esta metodología puede utilizarse adicionalmente en procesos continuos, donde los controladores se unen a modelos dinámicos de comportamiento basados en ecuaciones de transferencia de calor y mecánica de fluidos.

Ventajas

  • Calidad: Optimización de funcionalidad de procesos discretos y continuos, controladores e interfaces de usuario (HMI) y SCADAS en un entorno virtual.
  • Velocidad: Incremento de rapidez en la puesta en marcha de nuevas instalaciones, así como paralelización de trabajos en ingeniería mecánica, eléctrica y automatización.
  • Coste: Reducción de costes en la puesta en marcha.
  • Riesgo: Reducción de tiempos de parada en planta y de puesta en marcha, así como posibilidad de entrenamiento de operadores antes de la puesta en marcha.
  • Flexibilidad: El Gemelo Digital constituye un laboratorio para explorar nuevas configuraciones, escenarios, layouts que serían difíciles de evaluar a priori durante el proceso industrial. Además, estas combinaciones permiten mejorar y optimizar el proceso actual de forma virtual, de forma sencilla antes de aplicarlo en el mundo real.

Evolución del Gemelo Digital [9]

Considerando las referencias científicas existentes [9] acerca de la evolución del concepto del Gemelo Digital, se consideran dos principales puntos a reseñar. Por un lado, el incremento de capacidades (figura 8), destacando el incremento de autonomía de los gemelos digitales hasta llegar a sistemas autónomos. Respecto al aumento de sectores (figura 9), cabe resaltar su aplicación en los sectores sanitario, agrícola, construcción, ciudades, etc.

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Figura 8. Evolución del Gemelo Digital en relación a aumento de capacidades

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Figura 9. Incremento de aplicaciones del Gemelo Digital

Simulación y Emulación como conceptos clave en la innovación de Electroingenium

Desde Electroingenium apostamos por la utilización de estas herramientas como metodología de trabajo interna, que nos aportan innovación a nuestro portfolio de servicios tradicionales basados en la ingeniería eléctrica y automatización de instalaciones. Además, de cara al usuario final, estas metodologías permiten tener un mayor control del proceso y anticipaciones ante posibles problemas ocurridos durante la puesta en marcha.

Tenemos numerosos casos de éxito implementados en industrias del sector de automoción, logística y proceso, con ahorros de tiempos de puesta en marcha del 66% y optimizaciones de instalaciones de robótica de soldadura en torno a un 10% del tiempo de ciclo.

Referencias

[1] Grieves, M., “Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication,” White Paper 7, March, 2015.

[2] Jones, D., Snider, C., Nassehi, A., Yon, J., and Hicks, B., “Characterising the Digital Twin: A Systematic Literature Review,” CIRP J. Manuf. Sci. Technol. 29:36-52, 2020, doi:10.1016/j.cirpj.2020.02.002.

[3] Mcgregor, I., “The Relationship between Simulation and Emulation,” in Proceedings of the 2002 Winter Simulation Conference, 2002, pp. 1683-1688.

[4] Bélanger, J., “The What, Where and Why of Real-Time Simulation,” in IEEE Access, 2010, pp. 37-49, doi:10.4028/www.scientific.net/MSF.800-801.489.

[5] Aivaliotis, P., Georgoulias, K., Arkouli, Z., and Makris, S., “Methodology for Enabling Digital Twin Using Advanced Physics-Based Modelling in Predictive Maintenance,” Procedia CIRP 81:417-422, 2019, doi:10.1016/j.procir.2019.03.072.

[6] S. Escriche lng et al., “A Digital Twin Based Approach for Simulation and Emulation of an Automotive Paint Workshop,” SAE Tech. Pap. Ser., vol. 1, pp. 1–6, 2021, doi: 10.4271/2021-01-0240.

[7] G. Reinhart y G. Wünsch, «Economic application of virtual commissioning to mechatronic production systems», Prod. Eng., vol. 1, no. 4, pp. 371-379, 2007, doi: 10.1007/s11740-007-0066-0.

[8] M. Schamp, S. Hoedt, A. Claeys, E. H. Aghezzaf y J. Cottyn, «Impact of a virtual twin on commissioning time and quality», IFAC-PapersOnLine, vol. 51, n.º 11, pp. 1047-1052, 2018, doi: 10.1016/j.ifacol.2018.08.469.

[9] 5] R. Saracco, “Digital Twins’ Future,” IEEE Future Directions, 2021. https://cmte.ieee.org/futuredirections/2021/01/26/digital-twins-future/

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