DIGITAL TWINS II: Gemelos Digitales en la transición a la Industria 4.0

INDUSTRIA 4.0
Fecha de inicio: 01/01/2017
Fecha de finalización: 31/12/2017

Los Gemelos Digitales se presentan como una tecnología disruptiva en la simulación de procesos industriales, capaz de explotar la transformación digital de planta, que se llevará a cabo durante los próximos años.

Los Gemelos Digitales son representaciones digitales “vivas” de dispositivos y procesos que componen una factoría, conectadas con el sistema real al que representan mediante “Sistemas Ciberfísicos” (CPS).

Con la información en directo de planta, el histórico de operaciones y mantenimiento, y la aplicación de técnicas de Machine Learning, es posible desconectar los sistemas de supervisión y análisis de los sistemas físicos, y trabajar exclusivamente con los Gemelos Digitales.

En consecuencia, nos aporta un marco protegido y seguro para la experimentación, mediante la detección de problemas antes de que ocurran, planificar tareas de mantenimiento evitando paradas inesperadas, construir nuevos escenarios de funcionamiento más eficientes (OEE), desarrollar nuevas oportunidades de negocio y nuevos planes de fabricación, o incluso realizar previsiones a futuro.

Sin embargo, el concepto de Gemelos Digitales aún presenta barreras tecnológicas para su completo desarrollo. Por un lado, existe una dificultad técnica para monitorizar masivamente y digitalizar procesos en la industria. Por otro lado, los sistemas utilizados actualmente en la industria son incapaces de almacenar y tratar los volúmenes de datos necesarios para crear y evolucionar los Gemelos Digitales, que realmente representen el comportamiento de los elementos físicos, y no sólo sus características y su estado.

En 2017 el proyecto se centró en atacar estos problemas aprovechando los últimos avances en tecnologías del Internet de las Cosas Industrial (IoT) y en técnicas de aprendizaje basadas en Big Data.

 

La consolidación del Internet de las Cosas (IoT) en la Industria 4.0, sumado a los nuevos avances en técnicas de almacén de gran volumen y aprendizaje automático mediante Big Data Analytics, ha posibilitado el desarrollo de nuevos conceptos dentro de la industria, como es el caso de los “Gemelos Digitales” (GD)

El concepto de Gemelos Digitales aún presenta barreras tecnológicas para su completo desarrollo, y que por tanto no permiten su adopción en el tejido industrial en general y en el de la Comunidad Valenciana en particular.

Por un lado, existe una dificultad técnica para monitorizar masivamente y digitalizar procesos en la industria, con gran variedad de equipos, sistemas legados aislados, buses de campo, protocolos propietarios, así como una estricta arquitectura de integración y automatización industrial.

Por otro lado, los sistemas utilizados actualmente en la industria son incapaces de almacenar y tratar los volúmenes de datos necesarios para crear y evolucionar los Gemelos Digitales, que realmente representen el comportamiento de los elementos físicos, y no sólo sus características y su estado.

Esto está unido a la complejidad tecnológica que requiere el ir más allá de las representaciones digitales, y avanzar hacia escenarios de manejo de múltiples copias digitales simultáneas, con mayor capacidad de evaluar escenarios alternativos.

Objetivos

Digitalización de planta “deploy & forget”

Mediante la aplicación de IoT y los Sistemas Ciberfísicos (CPS), se desarrollará una prueba de concepto de “CPS deploy & forget” para digitalizar elementos en planta (maquinaria antigua y moderna, herramientas, personas, productos…) mediante tecnologías cableadas e inalámbricas. Este sistema está especialmente diseñado para que su puesta en marcha sea rápida y sencilla, sin necesidad de infraestructuras de comunicaciones y energía, y se integre de forma transparente con los sistemas de planta mediante las nuevas arquitecturas y protocolos de Industria 4.0. El sistema utiliza técnicas de fog-computing para absorber toda la complejidad que suponen las tareas de diagnóstico y mantenimiento de estos equipos y sus redes de comunicación, así como un sistema simplificado para configuración y puesta en marcha. De esta forma, desplegar este sistema en distintas ubicaciones para realizar auditorías puntuales, o monitorización continua para alimentar los Gemelos Digitales deja de suponer un problema de tiempo y recursos humanos, y el nivel de digitalización de planta puede incrementarse de forma significativa.

Este sistema es capaz de conectar de forma rápida y sencilla sensores y máquinas, generando así su “pareja digital”.

Su potencia reside en los “digitalizadores”, unos elementos inteligentes y autónomos que no requieren de infraestructuras de comunicaciones propias, ya que los propios nodos presentan la capacidad de auto-organizarse entre ellos y resolver muchos de los problemas de mantenimiento que hasta ahora debía resolver el personal de planta.

Este sistema está diseñado desde cero para ofrecer una elevada sencillez en el proceso de instalación y puesta en marcha y consigue la sensorización masiva de los recursos y parámetros de planta y sus procesos, así como su integración en los sistemas de supervisión de forma transparente y homogénea.

En 2018, se agregarán funcionalidades esenciales para su uso en procesos industriales y empresariales en general, mediante la interacción con los flujos energéticos de los procesos, lo que permitirá mejorar la eficiencia energética de la producción.

– Big Data Analytics para Gemelos Digitales

La gran cantidad de datos que genera la planta en continuo supone un reto para los sistemas de almacenamiento y tratamiento de la información, que limitan la cantidad y calidad de los resultados que pueden obtenerse. Mediante la aplicación de tecnologías Big Data Analytics, es posible superar estas limitaciones y gestionar eficientemente los datos en directo, junto con los históricos y otra información de contexto (logística, ventas, almacén, entorno), y realizar así una previsión de variables, mantenimiento preventivo y predictivo, o el planteamiento de nuevos escenarios de producción alternativos, que permitan mejorar los procesos productivos actuales.

Por otro lado, la creación de modelos de comportamiento es una tarea compleja y multidisciplinar, que genera una versión aproximada de la realidad en un momento específico. Los avances en las técnicas de aprendizaje automático basados en Big Data permitirán generar un nuevo tipo de GD más precisos y versátiles, con los que realizar simulaciones realistas adaptadas a la operativa real, tanto en su estado actual, como en distintos puntos de su pasado y futuro.

El Instituto ha completado el proyecto con una prueba de concepto para la especificación y generación de los Gemelos Digitales mediante técnicas y tecnologías Big Data Analytics.

El prototipo desarrollado por ITI es capaz, gracias a la combinación de técnicas de Machine Learning y tecnologías Big Data, de trabajar con todos los datos sensorizados en directo para construir y simular Gemelos Digitales con una precisión muy elevada.

El sistema consigue no sólo modelar fielmente el proceso o maquinaria representado sino también usar los datos registrados en aras de mejorar los procesos productivos, evaluar nuevos planes de producción, realizar mantenimiento predictivo o analizar nuevas configuraciones de planta, todo ello sin alterar el funcionamiento real de la máquina.

En esta prueba de concepto ha participado también la empresa valenciana SPB, donde se ha realizado el modelado y evaluación de diversos procesos productivos reales.

A partir de los resultados alcanzados en ambas líneas de trabajo, durante la segunda anualidad se desarrollará un piloto real en una empresa colaboradora.

En dicho piloto se desplegarán los sistemas de digitalización masiva en planta (“CPS deploy & forget”) y se conectarán en directo con un Gemelo Digital definido mediante técnicas de Big Data Analytics. Mediante este piloto se evaluará tanto la integración de ambos sistemas, como los resultados ofrecidos por el Gemelo Digital en un escenario de producción real.

Los resultados del proyecto se transferirán y promocionarán a las empresas valencianas de los sectores involucrados (Industria manufacturera, TIC, equipamiento industrial y sensores, ingenierías, etc.), y permitirán a éstas crear nuevos productos, generar empleo, mejorar la cualificación profesional de sus empleados, aumentar sus beneficios y su competitividad, mejorar su capacidad de innovación e incrementar su diversificación industrial.

 

Entidades financiadoras

Entidad: IVACE y FEDER
Nº Expediente: IMDEEA/2017/103
Financiación: 191.007,30 €

Resultados obtenidos

Puedes descargar el folleto del proyecto aquí.

Los resultados obtenidos en el proyecto se encuentran aquí

 

Enlaces externos

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