Un factor vital para Industria 4.0 es el "gemelo digital", que facilita la adquisición e intercambio de datos, el acceso a una variedad de información mayor que la actual y una interoperabilidad sin precedentes. ¿Cuáles son los últimos avances en el frenético universo de los gemelos digitales?
Somayeh Malakuti, Jan Schlake, Sten Grüner, Dirk Schulz, Ralf Gitzel, Johannes Schmitt, Marie Platenius-Mohr, Philipp Vorst ABB Corporate Research Center, Ladenburg, Germany: somayeh.malakuti@de.abb.com, jan-christoph.schlake@de.abb.com, sten.gruener@de.abb.com, dirk.schulz@de.abb.com, ralf.gitzel@de.abb.com, johannes.schmitt@de.abb.com, marie.platenius@de.abb.com, philipp.vorst@de.abb.com; Kai Garrels ABB Electrification Products, Heidelberg, Germany, kai.garrels@de.abb.com
Los sistemas del Internet Industrial de lasCosas (IIdC) conectan numerosos dispositivos heterogéneos y otros activos en un único sistemapara extraer más acciones inteligentes de losdatos. La aplicación del IIdC en los sistemas de producción industrial se conoce como Industria 4.0. El gobierno alemán, en particular,ha reconocido la importancia de Industria4.0 e invierte continuamente en investigaciónacadémica y ensayos industriales.
Un factor vital de los sistemas de Industria 4.0 es el concepto de “gemelo digital”. Un gemelo digital no solo facilita la adquisición y elintercambio de una variedad de datos mucho mayor de lo posible hasta ahora y un mejoracceso a ellos, sino que también proporcionauna interoperabilidad sin precedentes →1.
La definición de gemelo digital está evolucionando[1]. Merece la pena revisar la situación actual de lainvestigación en la materia, explorar el trabajo dela «Plataforma Industrie 4.0» alemana y examinaralgunos casos de uso del gemelo digital.
Definición del gemelo digital
Como se ilustra en la parte izquierda de →2, el gemelo digital se consideró en sus inicios un conjunto de modelos matemáticos muy fielesque reflejan el comportamiento de activos reales(p. ej., dispositivos físicos, plantas y servicios) con la máxima precisión posible [2]. Esta percepción evolucionó hacia modelos dinámicos en 3- Disimulados y visibles de los activos del mundo real (en el centro de →2).
![02. Evolución de la definición de “gemelo
digital” (basada en [1]).](https://resources.news.e.abb.com/images/2019/1/10/0/2.jpg)
En la actualidad, gemelo digital se define como "un perfil digital enevolución del comportamiento de un objeto físico o un proceso, en el pasado y en la actualidad, que ayuda a optimizar los resultados empresariales. El gemelo digital se basa en mediciones dedatos del mundo real, en tiempo real, masivos yacumulados en una matriz de dimensiones" [3]→3. Esta información se completa con metadatos, propiedades y documentos, como informes, documentación y procedimientos operativos,generados durante todas las fases del ciclo devida del activo.
![03.Dimensiones de la información que se pueden incluir en el gemelo digital de un dispositivo durante las
fases de su vida útil (basado en [4]).](https://resources.news.e.abb.com/images/2019/1/10/0/3.jpg)
El valor real del gemelo digital se apreciacuando interactúa con otros gemelos digitales oherramientas de software de los demás sociosde la cadena de valor →4. Mientras el gemelodigital del centro del fabricante contiene variosmodelos para diseñar y fabricar un tipo deproducto, el gemelo digital de los centros de los clientes contiene varios modelos para la compra, lainstalación, el funcionamiento, el mantenimientoy la distribución de las instancias del producto.El intercambio de datos entre gemelos digitales completa el cuadro para ambas partes.
Gemelos digitales en el ciclo de vida de plantas Industria 4.0
El gemelo digital es un facilitador clave delos beneficios de Industria 4.0 porque vinculala información con el activo individual de laplanta. Disponer de información contextualen el momento y el lugar adecuados permitehabilitar nuevos casos de uso que no sonposibles con documentación y datos estáticos noindividualizados. →5 muestra la visión de ABB deldiseño, la construcción y el funcionamiento deplantas Industria 4.0 y el papel que desempeña elgemelo digital en cada fase [5].
En la fase 1 debe desarrollarse un modelodigital completo de todos los resultados de laplanificación (esto no sucedía en Industria 3.0). Las hipótesis y los conocimientos implícitosde los ingenieros de planificación se modelan yalmacenan explícitamente en el gemelo digitalde la fábrica. Las personas seleccionan losdispositivos necesarios en una biblioteca digitalde funciones y estos se vinculan al gemelo digitalde las instalaciones. Las funciones son abstractase independientes del hardware; en fases más avanzadas, los dispositivos reales cumpliránalgunas funciones específicas.
En la fase 2 se accede por vía electrónica a loscatálogos de los tipos de productos del fabricante,que se pueden explorar con interfaces estándar.Estos catálogos mantienen el gemelo digital de lostipos de productos, que cubren todos los aspectosdel ciclo de vida de los tipos y ofrecen una interfazestándar para acceder a la información.
En la fase 3 se ejemplifican los tipos de productos seleccionados y la información relacionada con ellos (identificación, parámetros, etc.) se incluye en el gemelo digital de las instancias de los productos. Los gemelos digitales de las instanciasde productos se incluyen en el gemelo digital de la planta y se vinculan con el gemelo digital de lostipos de productos. Los gemelos digitales de las instancias de los productos se pueden usar en función de la tipología de las instalaciones (p. ej.,con fines de simulación y pruebas). Los resultados de la simulación se almacenan en el gemelo digitalde las instancias de los productos.
En la fase 4 se piden productos reales utilizando elgemelo digital de las instancias de los productos. Aquí, las partes del gemelo digital pertinentespara el pedido se comunican al proveedor delproducto. Más tarde, el producto se integra en lasinstalaciones, se configura, se prueba y se activa.En esta fase, se incorpora en los gemelos digitalesla información sobre la instalación y puesta enservicio, la colocación de los dispositivos, losnúmeros de serie, etc.
En la fase 5, el gemelo digital de instancias deproductos individuales, así como la planta, secomplementan con información operativa y demantenimiento. Por ejemplo, se añade informaciónsobre los parámetros de la vida real, el estado desalud y el número de fallos.
Cada una de estas fases enriquece los submodelosexistentes o añade nuevos submodelos para ese caso de uso concreto.
El gemelo digital como facilitador para casos de uso de Industria 4.0
Un gemelo digital permite la viabilidad devarios casos de uso de una forma más eficiente. A continuación se comentan algunos ejemplosde casos de uso.
Caso de uso: ingeniería integrada, funcionamientointegrado y mantenimiento integrado
Durante el ciclo de vida de un producto, cobranimportancia diversas fuentes de información,modelos y herramientas →3. Sin embargo, en laactualidad, el flujo de información en las fases delciclo de vida suele romperse; p. ej., es difícil que lainformación sobre mantenimiento vuelva a la fase de ingeniería para perfeccionar los parámetrosde un dispositivo. Esto provoca la dispersión ola pérdida de información, así como dificultadespara acceder a la información correcta.Un gemelo digital es un contenedor que integrainformación de varias fuentes en diferentesfases del ciclo de vida. La información incluida puede presentarse en distintos formatos desdedistintas herramientas y no necesariamente sedespliega en un depósito central. Un gemelo digital reduce el esfuerzo necesario para acceder a la información y gestionarla; p. ej., puede eliminar la necesidad de mantenimiento manual de los documentos de ingeniería para reflejarcambios in situ durante el funcionamiento. La información contenida en un gemelo digital se puede usar para aprender del rendimiento real de los activos y extraer una valoración para sistemas futuros.
Caso de uso: diseño, fabricación y análisispredictivos de productos
En la actualidad, es imposible intercambiarinformación entre organizaciones sininterrupciones. Por ejemplo, la información sobreel comportamiento de un producto vendidopor ABB en el entorno del cliente solo es visiblepara el diseñador de tipos si el cliente envíareclamaciones de garantía o comparte informesde servicio o si el cliente ofrece feedbackexplícito al proveedor, por ejemplo, a travésde un comercial. Pero todas estas fuentes sonincompletas y posiblemente imprecisas, lo quesignifica que el diseñador cuenta con informaciónincierta y limitada para el diseño de la siguientegeneración del producto.
El gemelo digital es vital para intercambiar información entre organizaciones; por ejemplo,dentro del gemelo digital se puede gestionar información operativa y de mantenimiento concreta e intercambiarse con partes externas de un modo adecuado. En concreto, los modelos y los datos de procesos que ofrece un gemelo digital, así como los resultados de simulaciones en tiempo real, ayudan a predecir los requisitos y amejorar el diseño para las siguientes generacionesde tipos de activos. El análisis predictivo ayuda alos fabricantes a calcular con confianza los retosfuturos. En este caso de uso, el enfoque de gemelodigital permite mejorar continuamente los diseñosde los tipos de activos a partir de datos reales.
Caso de uso: "plug-and-produce" para dispositivos de campo
En la actualidad, la obtención de la configuracióncorrecta de dispositivos de campo a partirde un diseño de proceso existente requiereintervención manual. A veces no se usan formatosde descripción normalizados, o, si se usan, no secomparten de forma abierta, o se comparten perolas normas y el diseño de la automatización difierenen la forma de expresar la misma información. El flujo de información se puede interrumpir en todoslos puntos de reenvío de los datos.
Además, con tecnología Fieldbus, el descubrimiento,el direccionamiento, la identificación y la configuración online de dispositivos son tareasmuy manuales y expuestas a errores. Asimismo, los puntos de medición, los dispositivos de campo,las señales, etc., suelen tener distintos nombreso identificadores en las distintas herramientas. Por todo ello, a menudo es necesario un mapeomanual para crear asociaciones correctas. Y, sobre todo, si hay que sustituir un dispositivo durante el funcionamiento de la planta, estos pasos de puesta en servicio tendrían que repetirse.
Tecnologías como FDI (integración de dispositivosde campo) y OPC UA (arquitectura unificada deOPC) ya reducen muchos de los problemas depuesta en servicio de dispositivos. El gemelo digital para dispositivos de campo se basa en estas tecnologías y permite un escenario "plugand-produce" para ellos. Incorporando másnormas del ámbito de las TIC (tecnologíasde la información y la comunicación) y dominios de automatización, en especial mediante la inclusión de recomendaciones de grupos deinterés del cliente como NAMUR, el gemelo digital consolida toda la información necesariapara la ingeniería, la puesta en servicio, el uso y lasustitución de dispositivos de campo de manerauniforme. El vínculo entre el gemelo digital y su homólogo físico permite a los operadoresdescargar automáticamente parámetros a losdispositivos de campo y ponerlos en marcha. Aunque la sustitución física aún requierepersonal capacitado, el gemelo digital permite la reconfiguración instantánea sin necesidad de que intervenga un experto en dispositivos o procesos. Obviamente, el gemelo digital reduce el tiempo necesario para llevar a cabo las tareas básicas de ingeniería y puesta en servicio de un dispositivo de campo desde unos 10 minutos (si no surgenproblemas) hasta fracciones de segundo. Parauna planta de tamaño medio con 10 000 puntosde E/S, el trabajo de una semana se reduce a unos minutos.
Manteniendo el flujo de información a travésde las fases del ciclo de vida, la reutilizaciónsistemática de la información existente del diseñodel proceso original puede tener aún más valor.La configuración de un dispositivo de campose convierte en una consecuencia directa de lasintenciones del ingeniero de procesos; la razón decualquier configuración se puede rastrear de formaobjetiva y automática hasta un requisito del cliente.Esta situación mejora la calidad de los datos deingeniería, porque los errores se circunscriben aldiseño del proceso original.
El gemelo digital en ABB
Debido al importante papel que desempeña elgemelo digital en Industria 4.0, varios proyectos de investigación de ABB están analizando sus diversos aspectos. Por ejemplo, el proyecto BaSys4.0 [7], cuyo cofundador es el BMBF (Ministeriode Educación e Investigación alemán), reúne a15 socios industriales y académicos. El objetivo principal es desarrollar una plataforma abierta de referencia en la que el gemelo digital sea el factor clave para conseguir flexibilidad en las industrias de fabricación y proceso. A medida que el IIdC avance, los gemelos digitales se convertirán en piedra angular dela automatización industrial. La habilidad para implantar gemelos digitales será crucial para escribir el futuro digital de la automatización.
References [1] R. Drath, “The Digital Twin: The Evolution of a key Concept, of Industry 4.0,” guest article for visIT / Fraunhofer IOSB 2018. Available: https://www.iosb.fraunhofer.de/servlet/is/81724/ [2] Michael Grieves, “Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication,” whitepaper, 2014. Available: http://innovate.fit.edu/plm/documents/doc_mgr/912/1411.0_Digital_Twin_White_Paper_Dr_Grieves.pdf[3] Deloitte Consulting, “Industry 4.0 and the digital twin – Manufacturing meets its match,” Deloitte University Press, 2017.[4] C. Ganz, “Digital twin – virtually identical?” ABB Review 02/2018, pp. 94-95. [5] C. Wagner et al., “The role of the Industry 4.0 Asset Administration Shell and the Digital Twin during the life cycle of a plant,” IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, Limassol, Cyprus, 2017.[6] Plattform Industry 4.0, “Structure of the administration shell.” Available: https://www.plattform-i40.de/I40/Redaktion/EN/Downloads/Publikation/structure-of-the-administration-shell.html[7] https://www.basys40.de/
