La demanda por productos altamente diferenciados y personalizados está impulsando a los fabricantes de equipos originales (OEM) a requerir máquinas personalizadas. Para garantizar que las máquinas de la actualidad cumplan todas sus especificaciones, los fabricantes de maquinaria deben recurrir a la simulación desde el inicio y durante el proceso de diseño y verificación. Y para mejorar la innovación y confianza en la simulación virtual y minimizar prototipos y pruebas, se debe correlacionar la precisión de estas simulaciones con el funcionamiento real de la máquina en la vida real. A través de un proceso de validación de lazo cerrado, la ejecución inteligente en ingeniería ofrece la capacidad de verificar la simulación apoyada en la retroalimentación desde los datos de sensores en la máquina.

 Método de validación en un lazo cerrado: uniendo el mundo real con el virtual

 

Respuesta a la complejidad: La ejecución inteligente en ingeniería

Los consumidores exigen cada vez más un sistema de productos y servicios personalizados empacados o integrados para satisfacer sus necesidades particulares. Bajo esta percepción, los fabricantes deben estar preparados para ofrecer una gama más amplia de opciones de máquinas estándar que satisfagan las peticiones especiales de sus clientes. Simultáneamente, la demanda del mercado para mejorar la producción, eficiencia, calidad y seguridad del producto ha dado lugar a máquinas más complejas que integran tecnología avanzada, creando sistemas conectados e inteligentes.

Estos sistemas conectados e inteligentes reúnen capacidades mecánicas, eléctricas, de control y de otros tipos para ayudar a los fabricantes OEM de máquinas a producir equipos personalizables y adaptables que sean confiables y eficientes para sus clientes. A su vez, los fabricantes de maquinaria se ven cada vez más amenazados por la competencia de bajo costo a nivel mundial. Para que los fabricantes sean “top performers” y prosperen en este ambiente, deben adoptar la digitalización para impulsar la innovación, añadir valor, competir en costos y diferenciarse de la competencia. La ejecución inteligente en ingeniería (IPE por sus siglas en inglés) ofrece un camino a seguir y ayuda a los fabricantes de equipos originales a descubrir mejores diseños, más rápido e impulsar la productividad.

La ejecución inteligente en ingeniería permite al grupo de diseñadores evaluar variaciones en el diseño de máquinas en un entorno virtual, y así lograr un equilibrio óptimo entre costo, rendimiento y otros requisitos vitales, mientras que se consigue la máxima confiabilidad.

 

La ejecución inteligente en ingeniería ofrece tres puntos clave para ayudar a los fabricantes de máquinas:

Simulación multi física y pruebas, La simulación y las pruebas multi físicas equilibran la ingeniería de múltiples atributos para ofrecer una amplia gama de disciplinas bajo una plataforma para optimizar la creciente complejidad de las máquinas industriales.

El diseño y la simulación integrados permiten a los diseñadores e ingenieros de simulación utilizar el mismo modelo en un solo sistema, lo cual ayuda a aumentar la productividad mediante la simulación. Además, la simulación de estas máquinas inteligentes en las fases de inicio de diseño permite reducir el tiempo de desarrollo con menos riesgos.

Validación en lazo cerrado, es el tema central de este artículo que confirma la ejecución de la simulación, al capturar y probar la relación entre los requerimientos, el diseño funcional, implementación lógica y física.

 

La ejecución inteligente en ingeniería


Uniendo simulación y las pruebas

La validación de lazo cerrado ofrece a los fabricantes de maquinaria la posibilidad de avanzar sin problemas a lo largo del diseño, su puesta en marcha y funcionamiento de la máquina en el mundo real y el virtual. Esta metodología basada en el gemelo digital de la máquina ayuda a que el diseño, simulación y las pruebas entiendan y estimen el performance de la máquina física en diversas condiciones antes, durante y después de invertir en un prototipo físico.

La base del gemelo digital integral es el diseño y la simulación integrada, donde todas las diferentes disciplinas de ingeniería capturan los resultados de la simulación y la validación en un repositorio centralizado. De esta manera los equipos pueden evaluar las capacidades y limitaciones de las variaciones del producto de forma más eficiente gracias a la integración entre diseñadores, analistas CAE y datos en tiempo real; que se centran en mejorar las métricas clave del diseño. La continuidad de los hilos digitales también ayuda en el intercambio de información entre los equipos de ingeniería, producción, equipos de pruebas e ingenieros de servicio. Con un gemelo digital apoyado por hilos digitales, los fabricantes de maquinaria aumentan su flexibilidad de diseño, impulsan la productividad y mejoran los procesos de innovación para desarrollarla próxima generación de máquinas industriales inteligentes.

Durante la etapa de diseño y simulación, validar la máquina virtual mediante un gemelo digital permite al equipo verificar virtualmente los diseños CAD, probar múltiples configuraciones y entender el impacto de las variables entre sí, sin necesidad de un prototipo físico. Sin embargo, estas simulaciones requieren una simplificación de la realidad basada en suposiciones muy bien informadas. El gemelo digital virtual puede carecer de algunos de los verdaderos criterios y entornos que la máquina encontrará cuando funcione en el mundo real. Para asegurarse de que los supuestos de la simulación no han pasado por alto ciertos comportamientos claves y que el diseño no se ha simplificado en exceso, es fundamental probar y validar las máquinas en el entorno real. Es ahí donde entra en juego el proceso de validación en lazo cerrado.


Cerrando el lazo para ofrecer máquinas óptimas

Una vez que la máquina pase a ser un prototipo físico y, finalmente, a la producción real, puede utilizarse para la validación basada en pruebas y en tiempo de ejecución. El fabricante de la máquina puede aprovechar y colocar los sensores adecuados para recopilar datos reales de desempeño de la máquina en tiempo real, complementados con sensores virtuales. Mediante un escrutinio intenso del rendimiento de la máquina, la validación por lazo cerrado ofrece una idea real de cómo la máquina se desempeña y cumple las necesidades del cliente. Los datos sobre variables como los índices de producción, el ruido y las vibraciones reportan en tiempo real, estos datos se recopilan y se devuelven al gemelo digital CAD para validar y mejorar la precisión de los criterios de prueba para futuros modelos de simulación. Este proceso conecta los datos de simulación al objeto de diseño, garantizando que los modelos de simulación sean precisos, dando a los fabricantes de máquinas mejor conocimiento del proceso de validación y permitiéndoles afinar los parámetros y mejorar el diseño y la ingeniería de los próximos años.

Además, los procesos de lazo cerrado pueden validar las simulaciones capturando y evaluando las relaciones entre los requisitos, incluyendo el diseño funcional de la máquina, implementación lógica del código de automatización e implementación física del módulo. La mejora en la verificación puede reducir el costo de garantizar que los cambios funcionen como fueron planeados antes de pasar a la producción. 

 

Uso del gemelo digital en diseño de maquinaria

 

Beneficios durante el ciclo de vida de la máquina

Para el mantenimiento predictivo: Validar el lazo cerrado seguirá generando valor durante toda la vida útil de una máquina. Se podrá aplicar en hacer analítica de datos operativos de las máquinas para descubrir nuevas perspectivas y crear mejores productos. Para el usuario final de la máquina, al conocer el uso real de la misma, puede anticipar el mantenimiento antes de que sea un problema crítico de tiempo de inactividad. Al combinar los datos del mundo real y el gemelo digital, pueden predecir diferentes condiciones bajo cargas reales. Con esta forma de trabajo es posible comprobar cómo evoluciona el performance de la máquina y cómo se comporta para anticiparse a los problemas y planear el mantenimiento cuando sea necesario, evitando así la condición crítica de un problema inesperado o una situación de inactividad. Esto permite realizar un mantenimiento predictivo de la máquina cuando sea necesario, abordando las amenazas al rendimiento de la máquina antes de que se conviertan en problemas importantes que puedan afectar a la línea de producción.

Cambios en el desempeño de la máquina: Al unir el entorno de simulación con las pruebas también se promueve una mayor adaptabilidad de la máquina. Al aplicar los datos del mundo real al entorno de simulación CAE, el usuario de la máquina puede explorar cómo los cambios en el uso real de la máquina afectarán la operación. Por ejemplo, un motor de máquina a 100 RPM podría estar provocando problemas y generando demasiado calor. El operador podría utilizar el gemelo digital CAD de la máquina que ha incorporado datos operativos del mundo real para evaluar rápidamente una variedad de escenarios “qué pasaría si”, y encontrar que el motor podría operar a 70 RPM con el mismo rendimiento deseado sin afectar la operación general de la máquina.

Puesta en marcha: Cuando la máquina está lista para la entrega al cliente, la validación con el método de lazo cerrado garantiza tiempos de arranque más cortos. El gemelo digital apoya la puesta en marcha virtual antes de la instalación física real del cliente, virtualizando una gran parte del proceso de verificación y optimizando esta tarea. Los ingenieros pueden poner en marcha virtualmente los controladores lógicos programables (PLC) en el modelo de simulación de la máquina para reducir el riesgo y tiempo de capacitación y la puesta en marcha real.

Ingeniería de máquinas: En cuanto a los fabricantes de máquinas, la validación en lazo cerrado durante la vida útil de la operación de la máquina ayudará a su ingeniería en un futuro. Podrán aprovechar la potencia del Internet Industrial de las Cosas (IIoT) para recopilar datos de rendimiento del producto en campo en tiempo real en un entorno central y seguro. Esta información se vuelve a incorporar al gemelo digital para mejorar la precisión de los modelos mediante el análisis de los datos del rendimiento del equipo. Al incorporar esta gran cantidad de datos al gemelo digital, el fabricante de máquinas puede aprovecharlos para mejorar la producción de la próxima generación de máquinas.

Evaluar los componentes de la máquina: Estos datos también reducen los costos de desarrollo posteriores al ofrecer a los fabricantes y a sus proveedores la posibilidad de validar virtualmente los componentes en paralelo al diseño, cuando es más barato y eficaz. Esto ayuda a garantizar que las variaciones personalizadas funcionen como se pretende, antes de pasar a la producción.

 

Fabricar máquinas optimizadas

El método de validación en lazo cerrado aporta datos del ambiente real a la ingeniería de diseño para mejorar la eficiencia y las capacidades de las máquinas de nueva generación, con el fin de resolver los problemas a lo largo del ciclo de vida de la máquina.

Cuando el método se combina con las funciones que ofrece la ejecución inteligente en ingeniería con multi física, diseño integrado y simulación, permite a los fabricantes satisfacer con confianza las demandas del mercado. Es posible ofrecer de forma rápida y rentable una mayor eficiencia operativa de las máquinas cada vez más complejas y con tecnología avanzada. Al mismo tiempo, pueden diseñar y proveer máquinas diferenciadas y personalizadas para satisfacer las expectativas del cliente en cuanto a productos altamente personalizados.


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Rahul Garg 

Por Rahul Garg, VPdel Programa de Maquinaria Industrial y SMB en Siemens Digital Industries Software.