Cómo ahorrar costos de proyectos y mejorar la calidad con gemelos digitales

Jul 24, 2023

La puesta en marcha virtual de máquinas específicas del cliente tiene el mayor apalancamiento en términos de mejorar la calidad del producto, los costos y el tiempo de producción. Hasta ahora, la creación de modelos ha sido costosa y antieconómica debido a la falta de sistemas de bloques de construcción modulares mecatrónicos. Echemos un vistazo a los efectos de los gemelos digitales para la puesta en marcha virtual.

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Para este artículo, el uso de gemelos digitales ha sido analizado en varias evaluaciones con respecto a: aplicabilidad económica, tipo de base de tiempo de simulación, lenguajes o herramientas de modelado y metodología. A continuación se mostrarán los esfuerzos y beneficios de su uso para la ejecución de proyectos de Sistemas de Manufactura Ágil. Las máquinas para los sistemas se ensamblarán a partir de un kit modular y se equiparán de acuerdo con las especificaciones del cliente.

El campo de aplicación durante la ejecución del proyecto, desde el proceso de venta hasta el inicio de la producción (SOP), requiere diferentes especificaciones para tales modelos digitales. En el proceso de venta se considerará la consulta del cliente respecto al proceso de fabricación de la pieza, la capacidad requerida y el layout solicitado. La especificación tendrá un precio, pero los modelos para el proceso de propuesta utilizarán el sistema modular estándar de bloques de construcción para las máquinas individuales. La combinación con la velocidad requerida de la fase de ingeniería de la aplicación, los modelos utilizados para la simulación deben ser lo suficientemente básicos y precisos para proporcionar la información correcta sobre el tiempo de ciclo, el número de máquinas, la configuración correcta del diseño y el rendimiento general de la línea. Con la orden de compra y la ingeniería de la información de diseño mecatrónico se desarrollará el Digital Product Twin de acuerdo a las especificaciones del cliente. Durante la ejecución del proyecto existen diferentes hitos para la verificación de la simulación así como la optimización hasta lograr la aceptación final (FAC). Con la finalización del proyecto todos los Gemelos Digitales deberán estar actualizados y presentarán la copia virtual del alcance real del suministro.

El digital process twin es un modelo de área de trabajo y simula los movimientos de los ejes, los tiempos improductivos relevantes para el proceso, el dispositivo de sujeción, la pieza de trabajo a mecanizar y las herramientas de corte requeridas. En comparación con una puesta en marcha de PLC, la puesta en marcha de NC es muy corta pero con claras ventajas de calidad y tiempo.

El Digital Product Twin es un modelo físico cibernético con una funcionalidad cercana al 100 % en combinación con un (Software in the Loop) emulado o control real (Hardware in the Loop). Además del controlador real, otros productos reales como válvulas, actores o Las interfaces se pueden conectar, por ejemplo, a través de Ethernet o Profibus/Profinet. En comparación, la aplicación basada en Hardware in the Loop ha sido evaluada como la solución de mejores prácticas debido a su copia más precisa de la realidad. El controlador de la máquina (por ejemplo, Siemens 840 Dsl) conectarse directamente con el bus de campo real al PC (por ejemplo, Windows con Twin CAT 3.1) en el que está instalado el modelo de simulación de la máquina.La simulación se ejecuta en tiempo real.

El Digital Production/System Twin representa la instalación completa de un sistema de fabricación/producción como modelo. El propósito principal de esta aplicación es analizar y optimizar el flujo de material y el cálculo de la productividad alcanzable u OEE (eficiencia general del equipo) para el sistema completo. Ambos parámetros, el rendimiento del sistema y el rendimiento del sistema, son obligaciones contractuales y requieren un modelo de simulación para confirmar la especificación. Con una mayor sensibilidad para la energía y el medio ambiente y los costos de inversión y operación para estos temas, los modelos de simulación se utilizan para determinar el consumo de energía, las cargas conectadas requeridas, el consumo de medios (refrigerante, aire comprimido, agua de la planta), así como el rendimiento del filtro y el aire de escape.

La mayoría de los clientes con un alto volumen de producción emiten especificaciones detalladas del proyecto para aprovechar el personal ya capacitado y el stock de repuestos existente con sus consultas. Para el proveedor del sistema, dicha especificación requiere un trabajo de ingeniería bastante significativo para los componentes de su máquina modular estandarizada, así como para el proceso de fabricación. Para cada proyecto se debe considerar una fase de puesta en marcha intensiva para suministrar la calidad requerida y cumplir con las especificaciones de seguridad. Para evitar una cantidad máxima de puesta en marcha dependiente del tiempo de entrega, el desarrollo de la puesta en marcha virtual y la puesta en marcha como una combinación de equipo real con equipo virtual ofreció ventajas significativas que son más beneficiosas tanto para el proveedor como para los clientes. Cuanto más exactamente refleje un modelo la realidad, mayor será su calidad, lo cual es una guía para que Digital Product Twins pueda simular la realidad.

En el futuro, el gemelo digital se convertirá en parte de la entrega o el servicio y, por lo tanto, el cliente deberá solicitarlo y pagarlo. Esto requiere una definición de la calidad de simulación de un Digital Twin, una especificación y medidas de validación de dicha calidad.

Se requiere el diseño mecatrónico de componentes y máquinas para permitir un diseño de modelo eficiente. Los diseños 3D resultantes de las máquinas mecánicas con los planos de circuito, flujo y neumáticos correspondientes se pueden leer en el software para la creación de modelos. A continuación, se asignan a los conjuntos individuales los grados de libertad y los parámetros funcionales (p. ej.: velocidad máxima de desplazamiento, valores de aceleración y tirones) en el modelo. De esta forma, cada elemento de la máquina recibe los parámetros funcionales conocidos para simular el componente real. En el primer paso, el programa de PLC, que también se proporciona, se compara con el modelo y se comprueba su plausibilidad. Los primeros errores ya pueden ser detectados y eliminados en este punto. Si el programa no aborda los dispositivos o si el programa aborda dispositivos que no están presentes, entonces hay errores de diseño obvios que en el pasado no se descubrieron hasta la puesta en marcha real y probablemente se copiaron en todas las máquinas construidas. Dado que el modelo se crea durante la fase de diseño como una actividad aditiva, se debe gestionar el riesgo de falta de recursividad, es decir, los cambios posteriores en el departamento de ingeniería se están desarrollando en modelos anteriores.

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La puesta en marcha virtual es una anticipación de la prueba del programa PLC que finalmente se realiza en la máquina real. El objetivo de la puesta en marcha sobre el modelo es pasar la mayor cantidad de tiempo posible desde el área de la puesta en marcha real relevante para el tiempo de ejecución hasta la paralelización con la ingeniería, adquisición y producción de los subconjuntos. Con una transferencia exitosa, el tiempo de entrega de un proyecto (para el negocio de sistemas aproximadamente doce meses hasta ex fábrica) se puede acortar significativamente (sistemas de fabricación con máquinas CNC solo aproximadamente cuatro semanas aproximadamente doce semanas).

No todas las funciones se pueden transferir a la puesta en marcha virtual según las especificaciones del cliente y la declaración CE del fabricante, que no considera la última tecnología de simulación. Para poder evitar repeticiones para la puesta en marcha real, el modelo debe ser lo más exacto posible con respecto a la máquina real. Para respaldar esta solicitud, el equipo de prueba Hardware in the Loop (HiL) proporciona la mejor cobertura. Además de probar las funciones en el modelo sin ningún riesgo de daño, la simulación ofrece una repetición automática de funciones en la estación no tripulada. En el modo de prueba manual, una función se libera después de un pequeño número de repeticiones sin errores. En modo automático, después de la entrega, hay paradas singulares debido a una parada no planificada o caída del programa del PLC. La detección anticipada de cada uno de estos errores esporádicos proporciona efectos notables en los costos (factor de tiempo de corrección de errores en el simulador frente a la planta del fabricante frente a la planta del cliente: 1:8:40) y la calidad del software. El simulador se puede utilizar entre la entrega y el inicio de la puesta en marcha en la planta del cliente para cerrar problemas abiertos desde la preaceptación o continuar con una mayor optimización del programa.

La combinación de un robot real con una pinza virtual y la representación del sistema funcional común mediante realidad virtual es un estado del arte desde hace años y ha abierto un nuevo campo de aplicación para los modelos de simulación. En plantas llave en mano como Agile Manufacturing Systems, varios proveedores siempre están involucrados (Fig. izquierda: Agile Manufacturing Cell con automatización de pórtico y máquinas CNC). Para la puesta en servicio y la aceptación preliminar, los dos componentes del sistema construidos en ubicaciones espacialmente separadas tenían que unirse físicamente para la puesta en marcha. A menos que los clientes finales muy conservadores insistan en este procedimiento costoso y lento, solo se pueden lograr ventajas conectando un componente real del sistema a un modelo de simulación (hardware in the loop) a través, por ejemplo, de la interfaz Profibus. En realidad, esto fue inmediatamente medible durante la puesta en marcha después de la instalación en la planta del operador. Además de la mejora de la calidad del programa de PLC, se podrían ahorrar costes y tiempo al no tener que fusionar los dos componentes del sistema.

Una vez que el sistema instalado en la planta del cliente estaba listo para comenzar la producción, el sistema de producción debía integrarse en el sistema informático de gestión de la producción del cliente. Además del proceso de producción estándar, también se debe demostrar la aceleración y reducción por tipo de pieza y variante para ajustar el sistema de gestión de producción con la nueva línea de producción instalada. El uso de un sistema de producción listo para la producción durante un período de tiempo más largo (semanas) para la integración en un sistema de producción de planta ahora se puede evitar debido a la disponibilidad de modelos virtuales y admitirá un inicio de producción más temprano (SOP).

La reducción del tiempo de entrega es un primer efecto medible que será un punto de referencia frente a la ejecución tradicional del proyecto. La mejora de la calidad definitivamente se logra en diferentes áreas y se cuantificará en una reducción del costo del producto.

(DNI:48071328)