Simulación: del concepto al gemelo digital
Publicado a las 04 de junio de 2025 el Industry 4.0
Simulación: del concepto al gemelo digital
¿Cómo pueden aprovechar los fabricantes el poder de la simulación para diseñar a la primera el mundo real correctamente? El concepto de utilizar la simulación como base para el diseño de una fábrica existe desde hace años, incluso antes de que aparecieran los ordenadores. Los primeros ejemplos de simulación eran modelos físicos que permitían a los ingenieros probar procesos y diseños a pequeña escala antes de ampliarlos. Aunque se siguen aplicando los mismos principios subyacentes, hoy día la simulación tiene lugar en un entorno virtual. Esto brinda una capacidad mucho mayor para construir procesos complejos que permitan comprobar el efecto de las variables en los resultados. Las tecnologías basadas en la IA han contribuido de forma decisiva a lograr este nivel de flexibilidad y sofisticación.Simulación sin límites
La próxima frontera de la simulación es un cambio hacia un enfoque más holístico. En la producción, la simulación de robots y PLC se ha convertido en algo habitual: rara vez se construyen fábricas sin haber probado antes la automatización y los controles en un entorno virtual. Pero con la llegada de las tecnologías de fábricas inteligentes, las limitaciones de simular máquinas o procesos aislados se están haciendo patentes.
La unión de IT/OT, es decir, la integración de los sistemas de gestión de datos (IT) con los sistemas de operaciones industriales (OT), está planteando nuevos retos a la simulación. Las plataformas de simulación de un solo sistema no tienen en cuenta la conectividad a la que aspiran las fábricas en términos de recopilación, intercambio, análisis y utilización de datos. En este sentido, varios sectores industriales (automoción, productos farmacéuticos y cosmética, por citar solo algunos) buscan soluciones de simulación capaces de reproducir fábricas enteras.
La cosa no tiene por qué detenerse ahí. Las operaciones y la gestión de la cadena de suministro son cada vez más dependientes entre sí y los modelos digitalizados y de simulación deberán tener en cuenta factores que van más allá de los confines de la fábrica. Por ejemplo, habrá que tener en cuenta la variabilidad de los materiales entrantes y las interrupciones de la cadena de suministro.
También existe una creciente necesidad de herramientas de simulación que permitan explorar las sinergias entre distintos emplazamientos, examinar cómo pueden intercambiar datos varias plantas e investigar y comparar el rendimiento de distintas fábricas. Además, a medida que muchos fabricantes avanzan hacia un modelo DAMA (diseño en cualquier lugar, fabricación en cualquier lugar), necesitan la simulación para determinar cómo se pueden lograr resultados coherentes en diferentes ubicaciones con variables de entrada.
Estrategias de simulación
Existen cinco herramientas de simulación que pueden desempeñar un valioso papel en el diseño de una fábrica digitalizada: Model-in-the-Loop (MiL), Software-in-the-Loop (SiL) y Hardware-in-the-Loop (HiL) para validar conceptos, los gemelos digitales para imitar procesos del mundo real y optimizar escenarios, y los gemelos digitales para la supervisión y mejora continuas de fábricas vivas.
1. Model-in-the-Loop (MiL)
MiL se utiliza en las primeras fases de desarrollo. Simula un sistema junto con su modelo de entorno para probar algoritmos antes de pasar a SiL y HiL. En esta fase puede generarse gran parte del software de control. La generación automática de código reduce el tiempo de desarrollo y minimiza los errores humanos.
2. Software-in-the-Loop (SiL)
SiL comprueba el software de automatización que hay detrás del diseño de la fábrica, desde el software integrado hasta los algoritmos y bucles de control. Ejecuta el software en una plataforma virtual, lo que permite la validación sin hardware físico. Estas pruebas tempranas ayudan a detectar errores cuya corrección posterior podría resultar costosa.
3. Hardware-in-the-Loop (HiL)
A continuación viene el hardware. Se empieza con un PLC o un controlador de movimiento que ejecuta la máquina virtual. Poco a poco, se van añadiendo componentes de hardware como motores, sensores y sistemas de visión, creando un entorno híbrido. HiL es muy popular en automoción, sobre todo para probar sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS).
4. Gemelos digitales
Un gemelo digital es una réplica virtual de un producto, proceso o sistema. Refleja el comportamiento en el mundo real mediante un modelo CAD en 3D vinculado a datos en tiempo real. Por ejemplo, el gemelo digital de un robot permite a los fabricantes probar cargas útiles, flujos de trabajo y otras variables para mejorar la toma de decisiones.
5. Gemelos digitales
Los gemelos digitales pueden evolucionar hasta convertirse en gemelos digitales que simulan comportamientos avanzados. No hay un límite claro, pero normalmente un gemelo digital se convierte en gemelo digital cuando se conecta el hardware y comienza el intercambio de datos en tiempo real con la fábrica real. En ese momento, trabaja continuamente en paralelo con la operación real.
Sysmac Studio. un entorno de desarrollo integrado
Sysmac Studio, la herramienta de simulación de OMRON, brinda a los ingenieros herramientas avanzadas para la programación, simulación y supervisión de PLC, controladores de movimiento, sistemas de visión y otros dispositivos de automatización. Ofrece tres ventajas clave por encima de otras soluciones para la automatización industrial:
1. Lógica de seguridad
La seguridad es un aspecto del diseño de una fábrica que los proveedores de simulación suelen pasar por alto. Con demasiada frecuencia, las empresas se centran en los aspectos de rendimiento de un sistema o proceso en sus pruebas virtuales, solo para descubrir problemas de seguridad que requieren un rediseño en una fase muy posterior. OMRON es única porque su plataforma de simulación 3D incorpora lógica de seguridad, lo que permite a los fabricantes realizar pruebas de seguridad completas de funciones como paradas de emergencia, barreras ópticas de seguridad y sensores, y elaborar estrategias óptimas para la colocación y programación de puertas de protección de máquinas, por ejemplo.
2. Depuración virtual
La posibilidad de depurar el diseño de un sistema de automatización en un entorno virtual es una aplicación que pocos proveedores de simulación pueden ofrecer. OMRON ha combinado la simulación y el renderizado de alta fidelidad para diseñar una aplicación de depuración 3D que permite identificar fallos: los usuarios pueden conectar virtualmente sus sensores y depurar una máquina o línea.
3. Biblioteca de bloques de funciones
OMRON ha desarrollado una biblioteca de bloques de funciones de PLC que pueden utilizarse tanto en el entorno de simulación como en el mundo real. Estos componentes de software son archivos que pueden cargarse en un sistema de control para proporcionar al PLC toda la funcionalidad que necesita para realizar esa aplicación en particular, acelerando así el proceso de diseño. Aprovechando la amplia experiencia de OMRON, se cubren áreas como soldadura, bobinado, desbobinado, herramientas de ajuste a presión, robótica, movimiento, inspección, entre otras. Los bloques de funciones también están disponibles para su uso en el entorno virtual, lo que permite la creación de simulaciones mucho más detalladas y más próximas a la realidad.
Beneficios reales de la simulación virtual
La simulación es la piedra angular de la fábrica digital. Son muchas las formas en las que puede aportar beneficios reales, desde facilitar el análisis de los modos y efectos de los fallos, lo que puede servir de base para las estrategias de mantenimiento, hasta permitir la paralelización para la optimización del rendimiento y acelerar el tiempo de comercialización acortando los ciclos de planificación y diseño hasta en un 25 % y más.
En el sector de la automoción, donde los ciclos de vida de los productos se reducen y los ciclos de innovación se aceleran, la simulación proporciona la agilidad necesaria para seguir siendo competitivos. Por ejemplo, un gemelo digital de una línea de producción de baterías para vehículos eléctricos permitirá a los fabricantes probar flujos de trabajo, optimizar la manipulación de materiales e identificar posibles cuellos de botella antes de invertir en equipos.
En el sector de la cosmética, donde el diseño de los productos debe tener en cuenta las tendencias estacionales, las preferencias regionales y la disponibilidad de ingredientes, las herramientas de simulación permiten probar distintas fórmulas y configuraciones de fabricación antes de llevar a cabo las pruebas físicas.
A través de las colaboraciones, OMRON aporta nuevas propuestas de valor a los fabricantes que desean explorar enfoques de simulación avanzados. Combinando la experiencia en IT y los conocimientos de automatización industrial de OMRON, estas colaboraciones permiten el intercambio abierto y rápido de datos en tiempo real entre los sistemas de IT y las operaciones de OT, proporcionando plataformas para el avance de las soluciones de simulación.
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