Aprende Virtual Commissioning
GuíA
Todo el contenido de la página web ha sido extraído directamente del trabajo de fin de grado: CREACIÓN DE UNA GUÍA DE AUTOAPRENDIZAJE PARA LA FORMACIÓN EN SIMULACIÓN DE PUESTA EN MARCHA VIRTUAL DE INSTALACIONES INDUSTRIALES (por Gonzalo Carrasco Velilla).
INTRODUCCIÓN
Industria 4.0
Actualmente, el sector industrial se encuentra en un proceso de cambio hacia una fabricación digitalizada gobernada por las nuevas tecnologías. Esta transición se conoce como la cuarta revolución industrial o Industria 4.0, y aspira a interconectar todos los elementos del proceso productivo con el objetivo optimizar y sobre todo flexibilizar los sistemas de manufactura.
Para ello, es necesaria la incorporación en la industria de objetos y dispositivos inteligentes (smart objects) que, por medio de su IoT integrado (Internet de las cosas o Internet of Things), permiten compartir información en tiempo real y establecer un nuevo nivel de comunicación entre los elementos del sistema productivo. De esta forma, el intercambio de información masivo y su procesamiento con análisis de Big Data, consiguen adaptar la producción a las condiciones cambiantes del sector.
Gemelos digitales (Digital Twins)
Asimismo, la introducción de sistemas ciber-físicos está revolucionando la forma de percibir los procesos de producción. Este tipo de sistemas explotan la interacción entre entornos reales y virtuales mediante la creación de gemelos digitales. Los gemelos digitales, o Digital Twins, son representaciones virtuales de sistemas existentes, que buscan optimizar los procesos de producción mediante el estudio de simulaciones llevadas a cabo en un entorno virtual.
En estos casos, los dispositivos inteligentes instalados en el sistema real comparten información con el gemelo digital, que por medio de la aplicación de algoritmos y del uso de inteligencia artificial, comienza a buscar alternativas para mejorar la productividad del sistema. Posteriormente, el software simula estas posibles mejoras en el entorno virtual, sin tener que alterar la producción del sistema físico, y selecciona la alternativa más apropiada para las circunstancias específicas. Finalmente, la información recabada por el gemelo digital se comparte, optimizando los procesos productivos de forma constante y completamente autónoma.
Puesta en marcha virtual (Virtual Commissioning)
Cuando el objeto de estudio es representar el comportamiento de una instalación hipotética que se va a construir, se introduce el término de puesta en marcha virtual o Virtual Commissioning. En este caso, el objetivo es aprovechar el gemelo digital para adelantar la programación de los sistemas de control, estudiar distintas distribuciones de la fábrica y optimizar el proceso de manufactura antes de que dé comienzo la instalación del sistema real. Esta forma de actuar reduce significativamente el tiempo de puesta en marcha y minimiza los costes debido a errores en la programación o a reconfiguraciones de la instalación.
Imagen obtenida de: Equipe ESSS (pulse imagen para acceder a la fuente)
Línea de producción virtual (elaboración propia).
OBJETIVOS
Bajo estas premisas, en el presente trabajo se ha elaborado una guía de autoaprendizaje, cuyo objetivo consiste en explicar de forma clara y sencilla, los aspectos técnicos que permitan llevar a cabo las simulaciones de Virtual Commissioning.
Por ello, los objetivos fundamentales de este trabajo de fin de grado se concretan en dos áreas principales:
• La primera de ellas se orienta a los aspectos técnicos de la guía de autoaprendizaje, en la que se profundiza en los programas informáticos utilizados, así como en el análisis de las herramientas e instrumentos que incorporan dichos programas para poder llevar a cabo las simulaciones de puesta en marcha virtual.
• Por otro lado, un aspecto esencial de este proyecto es que se trata de un trabajo eminentemente divulgativo, en el que se debe prestar gran atención a conseguir una guía estructurada, coherente, y que permita a los usuarios aprovechar todos los recursos didácticos que se ponen a su disposición.
TECNOLOGÍAS APLICADAS
Con respecto a la parte técnica del trabajo, para poder desarrollar una puesta en marcha virtual, se requiere de la incorporación de tres elementos clave: la representación CAD del sistema físico, la interfaz de control (HMI) utilizada para dirigir los procesos y los controladores lógicos programables o PLCs. Con el fin de llevar a cabo la simulación de estos elementos se ha recurrido a los programas NX12, TIA Portal V14 y PLCSIM Advanced, desarrollados por Siemens PLM Software.
En primer lugar, el programa de NX es utilizado para diseñar el CAD del modelo digital, definiendo aquí elementos como los sensores, las juntas o los actuadores. Este modelo tridimensional se controla mediante un HMI, también conocido como interfaz hombre-máquina, que incorpora un panel de control con el que el operario puede regular y supervisar el sistema. Todas las señales que se obtienen del HMI y del modelo tridimensional son procesadas por medio de un PLC, que se encuentra programado siguiendo una lógica Ladder. De esta forma, el PLC recibe señales de entrada, provenientes de los botones del HMI o de los sensores del modelo, y devuelve señales de salida con las cuales controlar los indicadores luminosos de la interfaz o los actuadores del modelo digital.
A continuación, se hace un pequeño énfasis en el papel que desarrolla cada uno de los programas involucrados. En primer lugar, como ya se ha explicado anteriormente, NX se emplea para diseñar y simular los modelos tridimensionales que replican el funcionamiento de los emplazamientos reales.
Por otro lado, desde TIA Portal se diseña la lógica de los PLCs y las interfaces de los HMIs. Además, incorpora un simulador de PLCs, denominado PLCSIM, y un simulador de HMIs, lo que permite simular los dos dispositivos virtuales desde el mismo programa. Sin embargo, PLCSIM es no es compatible con NX, por lo que resulta imposible establecer la conexión entre el modelo CAD y el PLC virtual simulado desde TIA Portal, siendo necesaria la introducción de un tercer programa.
Por ello, se incorpora PLCSIM Advanced, un software capaz de generar PLCs virtuales y de conectarse con los programas de NX y TIA Portal. Como se expondrá más adelante, este es el motivo por el cual, antes de comenzar las simulaciones, se debe cargar el código Ladder diseñado en TIA Portal hasta el PLC virtual generado desde PLCSIM Advanced.
Esquema del funcionamiento del modelo digital (elaboración propia).
Esquema de funcionamiento (elaboración propia).
Modo de empleo del software (elaboración propia).
Asimismo, la guía incorpora recursos técnicos con los que desarrollar modelos de realidad aumentada a partir de los entornos virtuales utilizados en las simulaciones. La introducción de esta herramienta viene motivada por los resultados obtenidos de numerosos estudios de investigación, concebidos para impulsar la introducción de esta tecnología en aplicaciones industriales.
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Modelo de Realidad Aumentada (elaboración propia).
METODOLOGÍA
Para reunir todo el contenido de la guía en un mismo espacio de trabajo, se ha creado esta página web que permite acceder a todos los recursos pedagógicos desarrollados. De esta forma, para explicar los ejemplos, se han grabado diferentes vídeos donde se desarrollan los conceptos que se quieren impartir. Debido a la gran cantidad de información contenida en este trabajo, los vídeos se han grabado de tal forma que sean dinámicos, consiguiendo que en un breve periodo de tiempo abarquen un elevado número de conocimientos. Este “ritmo acelerado” de los vídeos es esencial para captar la atención del público, pero no permite al usuario practicar y replicar los ejemplos mientras se esté reproduciendo el vídeo.
Por ello, como material complementario, se han redactado unos documentos PDF en los que se resume paso por paso todo lo expuesto en cada vídeo, con el objetivo de que los usuarios de la guía puedan replicar con facilidad cada uno de los ejemplos presentados. Asimismo, en la página web se ha añadido una biblioteca de piezas junto con los archivos de NX y TIA Portal, que permiten acceder fácilmente a los modelos de los ejemplos. Así, los usuarios pueden descargarse estos archivos para practicar con ellos o modificarlos a su gusto. Del mismo modo, pueden servir de referencia para que se desarrollen nuevas ideas y conceptos.
Finalmente, se ha añadido un foro en el que los usuarios pueden realizar preguntas, ayudar a resolver las dudas, compartir sus propios proyectos y comentar los artículos de investigación que les hayan resultado interesantes. De esta forma, se pretende crear una comunidad activa con la que seguir desarrollando y actualizando este instrumento de aprendizaje.