La fábrica digital
Digitalización de la industria
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