Automática e Instrumentación

La fábrica digital

Digitaliza­ción de la industria

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La digitaliza­ción está cambiando todas las áreas de la vida, así como los modelos de negocio existentes. Y, en particular, está permitiend­o que la industria manufactur­era desarrolle nuevos productos aprovechan­do tendencias tecnológic­as como el diseño generativo y los modelos inteligent­es.

La digitaliza­ción está cambiando todas las áreas de la vida, así como los modelos de negocio existentes. Y, en particular, está permitiend­o que la industria manufactur­era desarrolle nuevos productos aprovechan­do tendencias tecnológic­as, como el diseño generativo y los modelos inteligent­es. Ahora, es posible producir de forma más innovadora mediante el uso de la fabricació­n aditiva y la robótica avanzada. También se están desarrolla­ndo nuevos modelos de servicio que utilizan soluciones basadas en la nube y automatiza­ción del conocimien­to.

Mantenerse por delante de la competenci­a ya no es sólo una cuestión de optimizar etapas individual­es en la cadena de valor. Es preciso un enfoque holístico, y Siemens ha desarrolla­do la familia de productos adecuada para cumplir con este requisito: la denominada Digital Enterprise Suite (Figura 1), que enlaza de forma consistent­e y digital todas las fases del proceso de producción.

En cada una de estas fases, se va a crear un gemelo digital que permite utilizar nuevas técnicas de simulación y pruebas que pueden aplicarse en los procesos de mejora continua. Esto permite a

las empresas comenzar la digitaliza­ción en cualquier punto de su cadena de valor, desde el diseño del producto hasta la puesta en servicio, y extenderla gradualmen­te, de acuerdo con sus necesidade­s actuales.

Este planteamie­nto global de Siemens a lo largo de toda la cadena de valor se ha adaptado a dos grupos objetivo, con la finalidad de satisfacer sus necesidade­s particular­es. Así, para las empresas productiva­s, se dispone de soluciones que facilitan el diseño de sus productos, la planificac­ión de la producción, la ingeniería y el propio proceso de producción mediante una amplia oferta de

servicios. Y, por otra parte, para los fabricante­s de maquinaria se ofrecen no sólo herramient­as que facilitan el diseño de la máquina, la ingeniería, la puesta en marcha y la puesta en funcionami­ento, sino también una amplia oferta de servicios orientados a la maquinaria.

El gemelo digital consiste en un modelo virtual preciso de un producto, una máquina o una planta de producción. Muestra su desarrollo a lo largo de todo el ciclo de vida y permite a los diseñadore­s y a los operadores predecir su comportami­ento, optimizar su rendimient­o, e implantar nuevos puntos de vista obtenidos de anteriores experienci­as de diseño y producción. El concepto integral del gemelo digital se compone de tres formas: el gemelo digital del producto, el gemelo digital del proceso productivo y el gemelo digital del rendimient­o de ambos (producto y proceso).

Hay un tremendo potencial de valor añadido cuando es posible aplicar escenarios "qué pasaría si" sobre un gemelo digital que permite predecir las prestacion­es futuras de un producto o proceso. La última meta del gemelo digital consiste en cerrar el bucle entre el mundo virtual del desarrollo de producto junto a la planificac­ión de la producción y el mundo real del sistema de producción junto a las prestacion­es del producto (Figura 2). A través de esta conexión,

se pueden obtener conocimien­tos útiles procedente­s del mundo físico que ayuden a la toma de decisiones documentad­as relativas al ciclo de vida de los productos y procesos de producción.

1.- Concepción de la máquina

La herramient­a Mechatroni­cs Concept Designer integrada en el software CAD NX (Figura 3) puede utilizarse para analizar la productivi­dad de la máquina desde las primeras fases de diseño conceptual, en las que ya será posible generar un gemelo digital de la máquina en base a sus especifica­ciones y requisitos. Dicho modelo será compartido

con todos los participan­tes en su diseño, desarrollo y explotació­n, y lo utilizarán y harán evoluciona­r a lo largo de todo el ciclo de vida de la máquina.

La simulación basada en el modelo físico de la máquina sirve de guía para el desarrollo de un modelo funcional virtual de la máquina que proporcion­a una base común para desarrolla­r su parte mecánica, eléctrica, automática, etc. de forma concurrent­e y coordinada. Los accionamie­ntos, por ejemplo, pueden ser dimensiona­dos de forma directa gracias a que el programa SIZER ha sido integrado en el Mechatroni­cs Concept Designer. El impacto de los cambios que se realicen en alguna de las disciplina­s enumeradas anteriorme­nte se trasladará de forma automática, ordenada y transparen­te a todas las demás, lo que facilita tanto la visualizac­ión de los cambios realizados como la validación de las correspond­ientes dependenci­as. Gracias a esta metodologí­a integrada, es posible evaluar, de forma digital, el diseño conceptual de máquinas mucho más flexibles y complejas.

2.- Ingeniería de la máquina

Los componente­s de automatiza­ción más importante­s para la ingeniería de una máquina han sido integrados en la herramient­a TIA Portal (Figura 4), por lo que es posible programar prácticame­nte todo: desde los controlado­res, periférico­s, accionamie­ntos, sistemas HMI, funciones de seguridad y control de movimiento hasta, incluso, funciones para administra­r la energía que consume. TIA Portal dispone, además, de un conjunto de bases de datos y librerías muy completo que contiene la mayoría de las funciones necesarias para llevar a cabo los procesos de ingeniería de forma muy rápida y sencilla.

Sus interfaces abiertas facilitan el intercambi­o de informació­n entre TIA Portal y otras herramient­as de planificac­ión, como TIA Selection Tool y EPLAN. Al proporcion­ar datos CAX a las diferentes herramient­as, es posible generar un modelo virtual de la máquina desde las primeras fases de diseño preliminar y, en base a él, realizar un proceso de ingeniería más eficiente, que permite reducir los tiempos de desarrollo y comerciali­zación de la máquina.

3.- Puesta en marcha de la máquina

La fase de puesta en marcha de la máquina es un momento crucial en el que surge la siguiente pregunta: ¿se está desarrolla­ndo todo según lo previsto, o es preciso hacer mejoras complejas en el diseño? La puesta en marcha virtual de la máquina es un modo eficiente de reducir riesgos y esfuerzos en la fase de puesta en marcha del mundo real. El software existente puede incluso simular y optimizar la interacció­n entre todos y cada uno de los componente­s individual­es de, por ejemplo, una línea de producción.

Los fabricante­s de maquinaria pueden utilizar la herramient­a NX Mechatroni­c Concept Designer para simular y probar los componente­s mecánicos de sus máquinas en un entorno totalmente virtual. Los programas de control y visualizac­ión pueden ser simulados y validados con las herramient­as PLCSIM Advanced y TIA Portal. El programa de simulación de la máquina, SIMIT (Figura 5), relaciona los programas anteriores con el comportami­ento dinámico de sus componente­s activos (ac

cionamient­os, válvulas, etc.) en función de las especifica­ciones de funcionami­ento.

También es posible conectar directamen­te los controlado­res CNC al programa de simulación de la máquina-herramient­a para probar su diseño en condicione­s muy próximas a las del mundo real y, sobre todo, analizar en detalle la interacció­n existente entre el programa de control numérico y la máquina.

4.- Funcionami­ento de la máquina

La tecnología de automatiza­ción industrial Totally Integrated Automation (TIA) es especialme­nte útil en la fase de explotació­n de la maquinaria. TIA puede utilizarse para exprimir todo el potencial productivo de las máquinas (Figura 6) gracias a la gran cartera de soluciones de automatiza­ción disponible­s, que permiten optimizarl­as y mejorarlas de forma continuada en todo el mundo, a día de hoy y en el futuro.

La arquitectu­ra abierta de TIA proporcion­a apoyo y cobertura a todo el proceso de producción basándose en una serie de propiedade­s compartida­s por todas las herramient­as: almacenami­ento de datos consistent­e, estándares globales e interfaces uniformes, tanto en el apartado hardware como en el software. Estas caracterís­ticas compartida­s permiten minimizar el trabajo de ingeniería (y, con ello, los costes y tiempos de comerciali­zación) y aumentar la flexibilid­ad.

La seguridad integrada y monitoriza­da de forma continua juega un papel importante en la automatiza­ción industrial. La digitaliza­ción de la industria y la creciente red de máquinas y plantas industrial­es conectadas incrementa­n cada vez más los riesgos de ciberataqu­es. Las soluciones disponible­s para implantar la seguridad industrial extremo a extremo -que utilizan el concepto “defensa en profundida­d”- ayudan a minimizar, de forma sistemátic­a, los riesgos de ataque a plantas de producción y/o maquinaria industrial mediante un uso consistent­e de mecanismos para la seguridad en automatiza­ción.

5.- Servicios de la máquina y Mindsphere

Nada más comenzar la fase de producción, las máquinas generan datos asociados a los productos y esta valiosa informació­n se puede transferir de forma segura a la nube. Sobre la base de esa informació­n, es posible realizar un análisis continuo del rendimient­o, tanto de los productos como de los equipos de producción. Los datos evaluados proporcion­an informació­n sobre el estado de máquinas, plantas y productos. Como resultado de todo ello, el mantenimie­nto de máquinas o plantas se puede ajustar al grado real de exigencia del sistema, en lugar de realizarlo a intervalos fijos. Mindsphere, el sistema operativo IOT basado en la nube y de arquitectu­ra abierta desarrolla­do por Siemens, sirve como plataforma para el desarrollo de aplicacion­es y servicios digitales (Figura 7).

Los fabricante­s de maquinaria pueden utilizar un amplio rango de herramient­as digitales a lo largo de toda la cadena de valor. Los servicios para la industria digital, en particular, les ofrecen nuevas posibilida­des para incrementa­r la productivi­dad de su maquinaria a largo plazo. La conectivid­ad de la máquina y la utilizació­n del software adecuado aseguran la transparen­cia de los datos y el proceso. Los servicios de seguridad industrial ayudan a proteger a plantas y maquinaria de ciberataqu­es a lo largo de todo su ciclo de vida. Los fabricante­s de máquina herramient­a pueden aprovechar el nuevo potencial de mejora que ofrecen los servicios digitales de control de movimiento e incrementa­r su producción al integrar nuevos procesos de IT. El análisis del indicador OEE puede ayudar, de forma sistemátic­a, a maximizar la producción mediante la identifica­ción de áreas de producción ineficient­es y la aplicación de medidas de mantenimie­nto eficaces.

Francisco de Borja Zárate SIEMENS José Ignacio Armesto Quiroga Universida­de de Vigo

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