Unir toda la información de diseño digital de una planta industrial es un esfuerzo de varias disciplinas, hoy se plantea el uso de gemelos digitales, vamos a ver que implica este esfuerzo.
En este articulo sobre aplicaciones de diseño de plantas veremos:
- Antecedentes
- ¿Qué pasa hoy en la tecnología?
- Aplicaciones que dan solución al diseño de plantas
- Las 5 aplicaciones de diseño de plantas líderes en el mercado
- El proceso de diseño de plantas
- ¿Quién y cómo usa estas aplicaciones?
- Beneficios al implementar el software de diseño de plantas
- Conclusión
Antecedentes
Puedes crear un modelo 3D en CAD que represente una planta, geométricamente cumples con su apariencia, pero el modelo no es inteligente ni te puede decir nada respecto la cercanía de un equipo a un muro, o a la interferencia de una zona de robots con elementos cercanos. Si la dirección de tu empresa te pide evaluar un proyecto de construcción, con esta información solo representarás dibujos y lograrás una ingeniería a medias.
Conozco el tema del diseño de plantas por mi experiencia del pasado en la empresa Intergraph hoy parte de Hexagon. Recuerdo las demostraciones de mi época (1989 a 1997) como ingeniero de aplicaciones cuando había que armar presentaciones interactivas para mostrar en vivo disciplinas como diseño mecánico, arquitectura, topografía, ingeniería civil, instalaciones, tuberías, HVAC y sistemas geoespaciales. El objetivo era mostrar el diseño de una planta industrial, la interactividad que había en ella y su información, todo este escenario se contemplaba usando una misma base central repositorio con diferentes bases de datos y por lo menos 5 ingenieros manejando cada uno su estación de trabajo.
Para explicar esta presentación describo que al prospecto le mostrábamos el terreno donde se iba a construir la planta, en vistas de malla o con fotografía satelital. Al acercarnos podíamos simular el terreno, caminos y entorno forestal también modelado por aplicaciones de caminos, terrenos y zonas hidráulicas. Ahí desplegábamos el modelo 3D de la planta previamente modelada con toda su instalación. Podíamos ir acercándonos a alguna nave donde hubiera equipos, tubería y maquinaria y podíamos desaparecer el entorno y ver únicamente el equipo modelado, su piso de instalación, muros, pisos e instalaciones de ductos, charolas eléctricas, paneles, etc. Al apagar la geometría no necesaria podíamos interactuar con el modelo 3D de los equipos a nivel de detalle CAD e interrogar a las bases de datos por atributos de ese equipo.
Toda esta interactividad era hecha funcionar por más de 10 aplicaciones de diferentes disciplinas interactuando con archivos de referencia (sin usar paramétricos), más la base de datos de cada una donde residían los atributos asociados con los elementos CAD. Esta solución en su momento fue gracias a que todo partía de una misma fuente o motor de modelado, a la interconexión transparente de archivos entre una aplicación y otra y a las bases de datos que se comunicaban claramente. Aunque cada Workstation manejaba su propia aplicación, gracias a la compartición de archivos por protocolos NFS podíamos enlazar los equipos y presentar. Todo era posible porque Intergraph tenía todas las aplicaciones integrales disponibles como parte de la compañía.
De alguna manera teníamos lo que hoy se llama un prototipo virtual o gemelo digital de la planta completo, gracias a la transparencia de datos, enlaces en tiempo real, con la limitación del poder de cómputo de la época. Esta conectividad transparente permitía estas habilidades.
Imagen de captura de realidad del terreno con tecnología de Hexagon
¿Qué pasa hoy en la tecnología?
Una aplicación especializada y no un solo programa CAD. Siempre y cuando se use una misma plataforma podemos resolver el proyecto de diseño de plantas, de otra manera, comenzaremos con los problemas, ya que al momento de usar varias aplicaciones de terceros se puede empezar a complicar la transparencia de datos. Eso porque vamos a mezclar aplicaciones de CAD, AEC, MES, BIM, GIS, PPM, entre otras y sus respectivas bases de datos.
Imagen de Autodesk de aplicaciones BIM en la nube
Sin usar una sola plataforma común, e intentar hacer todo en un solo programa CAD es posible ver los datos y su geometría, pero al momento de preguntar por interferencias entre tuberías y columnas ya modeladas en las aplicaciones la inteligencia entre ellas se pierde por lo que hay que tener esto en cuenta. Si solo usáramos un programa CAD implicaría tener todo modelado en un mismo ambiente para tener un control, solo que los ensambles o carga de piezas en un solo archivo puede aumentar en tamaño y demandar que la aplicación resista o que la Workstation tenga el poder suficiente o procesar en la nube. De nuevo, esto no es posible hacerlo solo con una aplicación CAD.
Aplicaciones que dan solución al diseño de plantas
Replicar este escenario es perfectamente válido hoy en día y mucho más avanzado en la plataforma adecuada, la información de hoy involucra procesar y obtener datos en tiempo real, comenzando por los requerimientos del cliente, la actualización automática en las diferentes aplicaciones, su estructura y analítica de datos y colaboración para monitoreo de operaciones e indicadores. Además de tener continuidad en un hilo digital.
Una aplicación de diseño de plantas industriales involucra algunas de estas disciplinas
Sistemas de información geográfica o GIS (detección del terreno, simulación, vegetación, yacimientos, vetas, etc.)
- Topografía y caminos
- Drenaje y sistemas hidráulicos
- Ingeniería estructural, acero y cemento
- Arquitectura, edificios, manejo de instalaciones, “landscape”
- Instalación eléctrica
- Ductos y charolas
- Instrumentación y P&ID
- Tubería e isométricos
- Diseño de procesos
- Equipos y máquinas
- Chimeneas, hornos
- Paneles de control (indicadores, capacidad de producción, monitoreo)
- Visualización 3D (validación)
- Simulación general, vibración, equipos, vientos, fluidos, calor, etc.
- Ingeniería inversa (captura de activos físicos para volver inteligente los activos digitales)
- Interacción dinámica de la planta, ergonomía, tiempos y movimientos
- Logística interna
- Analítica
- Compras
Las 5 aplicaciones de diseño de plantas líderes en el mercado
Vamos a ir a las aplicaciones que hoy pueden resolver esto en un solo ambiente de trabajo:
Aveva
AVEVA es un set de aplicaciones integradas para dar solución al diseño de plantas industriales y su entorno de ingeniería en planta, operaciones, con opciones de manejo del ciclo de vida de esta. Sus programas pueden crear diseño de equipos 3D, tubería, instrumentación, visualización y manejo de interferencias. Incluye módulos como: Net, P&ID, Workbench, Pi&D Manager, Integrator, PDMS, Review. Su uso se orienta a plantas de oil & gas, energía, marina y químicas. https://aveva.com/
Hexagon
Para las industrias manufactureras y de Oil&Gas, alcanzar objetivos de producción más altos y requisitos normativos más estrictos empieza por construir una mejor planta. La división Asset Lifecycle Intelligence de Hexagon ofrece una plataforma de diseño de plantas industriales integrado para la construcción que define y gestiona el modelo 3D de la planta. Los diseñadores y propietarios de plantas necesitan un software de gestión de plantas con capacidades de apoyo a la toma de decisiones para facilitar el diseño global, la producción y la optimización del ciclo de vida de la planta. SmartPlant Enterprise for Owner Operators mantiene la integridad de la información de ingeniería y la planta a lo largo de su ciclo de vida.https://hexagon.com/
Bentley Systems
Los diseños de plantas pueden ser complejos, pero utilizarlos no debería serlo, con una interfaz fácil de usar para todas las fases del diseño. Realice modelados de diseño 3D multidisciplinares escalables y colaborativos y desarrolla rápidamente diagramas inteligentes de tuberías e instrumentación. Modela, mantenga y visualice un gemelo digital de procesos permanente a lo largo de todo el ciclo de vida de los activos en un entorno de datos abierto, inmersivo y conectado.https://www.bentley.com/
Autodesk
Autodesk AEC Collection ofrece a los ingenieros y contratistas un conjunto de herramientas BIM y CAD respaldadas por un entorno de datos común basado en la nube, que facilita la entrega de proyectos desde las primeras fases de diseño hasta la construcción. Mejora la construcción, diseña, optimiza y documenta proyectos de carreteras, puentes y ferrocarriles. Ingeniería de terrenos, trazado de parcelas y redes de diseño de tuberías. Coordinar desde el diseño hasta la construcción para reducir los riesgos, minimizar los RFI y garantizar la construcción.https://www.autodesk.com/
Siemens
Tecnomatix es una solución de fabricación digital que le ayuda a digitalizar la fabricación y el proceso de convertir ideas y materias primas en productos. Con el software Tecnomatix y la fabricación digital, logrará la sincronización entre la ingeniería de productos, de fabricación, ejecución de la producción y la ingeniería de servicios para maximizar la eficiencia de su fabricación. Crea modelos 3D bien estructurados de instalaciones, líneas y operaciones de producción para modelar procesos de fabricación mediante funciones de modelado y arquitectura. Modela, simula, visualiza y analiza sistemas de producción y procesos logísticos para optimizar el flujo de materiales y la utilización de recursos en todos los niveles de planeación de su planta. Planea, simula y valida tareas humanas, procesos de celdas de robots y automatización durante todo el ciclo de vida de desarrollo del producto, desde el concepto, la ingeniería y la puesta en marcha hasta la producción y la mejora continua. Aproveche los modelos 3D de productos y recursos para facilitar la simulación, validación, optimización y puesta en marcha de procesos de fabricación en los que intervienen equipos y personas, para acelerar los lanzamientos y aumentar la calidad de la producción.https://www.sw.siemens.com
Una imagen de un dibujo de Procesos y Diagrama de Instrumentación P&ID por AVEVA
El proceso de diseño de plantas industriales
Uso de estas aplicaciones por sector de industria
- Oil & Gas
- Maquinaria
- Construcción
- Ingeniería Civil
- Minería
- Servicios públicos (luz, teléfono, etc)
- Naval
En el caso de los nuevos y costosos proyectos de inversión, los propietarios y operadores de plantas utilizan cada vez más soluciones de software de diseño de ingeniería en las primeras fases del proyecto. Esto permite pasar rápido a producción, visualizar el rendimiento y estimar márgenes. Luego se mejoran las operaciones y la fase de mantenimiento del ciclo de vida del activo de planta. Los propietarios involucran a los EPC (ingeniería, compras y construcción) para que participen en las fases iniciales del diseño de la planta. A continuación, los propietarios pueden presentar los requisitos para la entrega, incluida la información y la documentación de operación y mantenimiento de la planta. Tras la entrega, los propietarios-operadores utilizan cada vez más soluciones de diseño de ingeniería junto con sus aplicaciones de activos para gemelos digitales con el fin de optimizar las operaciones, mejorar el tiempo de actividad y evitar los tiempos de inactividad no planeados.
Una imagen de una planta de empaque modelada en Tecnomatix de Siemens
¿Como comienza el proceso de diseño de plantas?
Ante la necesidad de un cliente de construir una planta hay varias consideraciones. Para entender esto, debemos pensar como lo ven los ingenieros de proyectos al momento de diseñar la planta, ellos deben considerar especialistas de terrenos, infraestructura de aguas, drenaje, caminos, ingeniería civil, estructural, de equipos industriales, de maquinaria, tubería, ductos y charolas eléctricas, chimeneas y automatización entre otras.
En una aplicación especializada por ejemplo de tubería se traza un “piping” inteligente y el sistema tiene embebido sus datos de diámetro, material, presión, lo que fluye dentro de ella, válvulas, etc. Comento de nuevo, con un programa CAD solo podríamos modelar el tubo, pero sin inteligencia. Lo reitero porque aún muchas empresas siguen pensando que con solo AutoCAD lo pueden lograr.
La aplicación inteligente de tubería de este ejemplo puede saber si le coloco una válvula que no le corresponde, el fluido dentro de ella, o si su ruteo no es el óptimo en base a la topografía del terreno, o convivir con la ingeniería estructural para ver si una tubería tiene interferencias digamos con una columna. Ahí es donde está la inteligencia de las aplicaciones de diseño de plantas industriales.
En general una planta comienza su diseño definiendo el lugar donde se construiría sabiendo los recursos que hay cerca, suelos, vientos o clima y vecindades cercanas. Una vez definido se estima el diseño de drenajes, infraestructura arquitectónica, estudios de vibración o estructural, vaciados de pisos en base a carga de equipos y maquinaria que habrá, zona de chimeneas, trazo de recorridos dentro de planta, etc. Luego vendrá la ingeniería básica, la de detalles, planos, modelos 3D, maquetas, visualización o simulación. Son muchas consideraciones y disciplinas las que intervienen, pero el mensaje es que desde un inicio nuestra aplicación puede ir considerando cada una de ellas desde su concepción.
Forma de trabajo en el proceso de diseño de plantas
Los ingenieros de cada disciplina tienen acceso a los módulos de software de su especialización, ingeniería civil, construcción, mecánica, eléctrica, estructural, química, etc. El software se instala de manera centralizada local o en nube y se manejan licencias de acceso muchas veces en un mismo ambiente. Cada ingeniero de su especialidad entra a la aplicación correspondiente mediante un sistema de licencias o tokens de acceso. El beneficio de usar un mismo ambiente se refleja en que no habrá retrasos entre datos de una disciplina a otra. La gerencia y otros equipos siempre estarán informados de los avances al monitorear sus paneles de control de operación. La información estará centralizada como única fuente de verdad.
Al facilitar el acceso y la comprensión de los datos industriales, un mayor número de empleados puede participar en la identificación de mejoras de valor y eficiencia. Reunir tus datos en una ubicación central apoya la gestión analítica de proyectos de capital y el control de operaciones hasta la supervisión de activos. Con esta disponibilidad los trabajadores remotos pueden ser tan productivos como si estuvieran in situ.
Mezcla de nubes de puntos y modelos CAD en Tecnomatix de Siemens
¿Cuándo se usan las aplicaciones de diseño de plantas?
• En diseño de nuevas plantas industriales
• En el mantenimiento de las plantas
• Al planear expansiones o recorte de instalaciones
• En los estudios de localización de plantas
• Plataformas marinas
• Diseño de Barcos
• En los estudios de simulación, analítica y operación de cada una de las anteriores.
Plant Design se utiliza en diferentes industrias como la del petróleo, gas, farmacéutica, fertilizantes, pasta de papel, agua y aguas residuales, alimentación y bebidas, y muchas más. Todas estas industrias necesitan el conjunto de herramientas para diseñar sus procesos y desarrollar modelos esquemáticos y precisos para representar sus diseños. Un diseño incorrecto podría provocar una catástrofe en la vida real. Las empresas que usan las aplicaciones de diseño de plantas industriales son compañías de cualquier sector que diseñen y operen sus plantas. Contratistas que diseñen las plantas y su ingeniería para otros. Agencias de ingeniería que diseñen para otros sus plantas. Constructoras, bufetes y firmas de ingeniería. Corporativos y dueños que mantengan sus plantas industriales.
Una instalación de una planta dentro de un buque, imagen por Bentley Systems
Beneficios al implementar el software de diseño de plantas
- Rápida implementación del proyecto
- Asegurar la seguridad del personal de planta
- Bajar costos operativos
- Incremento en la eficiencia del desarrollo y diseño
- Cumplimiento normativo
- Eliminas retrabajos
- Mantener la inteligencia y activos digitales de las instalaciones
- Una sola fuente de verdad de la información para administrar el proyecto
Realidad aumentada en un proyecto de diseño de plantas, imagen por AVEVA
Conclusión
Establecer flujos de trabajo digitales de ingeniería colaborativa agiliza el diseño multidisciplinar, mejora la precisión del modelado y permite detección temprana de colisiones, por ejemplo, los conflictos de colisión entre ingeniería civil e instalación eléctrica durante la construcción se reducen a cero.
Con una plataforma digital de construcción y administración en un entorno de datos de datos conectados, se automatizan procesos manuales que eleva la eficiencia del trabajo, para un ahorro en el tiempo de construcción. Los modelos de diseño de equipos en 3D permiten la preinstalación virtual de los equipos antes de la construcción de la fábrica, lo que reduce el tiempo de montaje in situ.
Si tu presupuesto es restringido seguro estar tratando de resolver esto con una o varias aplicaciones aisladas, te recomendamos evaluar una solución completa y desarrollar un estudio de justificación o consultoría para demostrar que la implementación de una nueva solución tendrá un retorno de inversión en un determinado tiempo.
Por: Sergio Alvarez
Sergio Alvarez es editor y fundador de www.3DCadPortal.com. Es ingeniero mecánico administrador con maestría en manufactura por la UANL. Tiene más de 35 años de experiencia en gerencias de tecnologías para diseño, ingeniería y manufactura de industria 4.0 en empresas como Intergraph, IBM y Vitro. Arrancó el 1er laboratorio de manufactura aditiva metálica en México en 2001.
