En todos los mercados e industrias del mundo, los productos pasan del diseño conceptual al lanzamiento en el mercado en un período de tiempo cada vez más corto. El tiempo que lleva desarrollar el hardware de una máquina y programar su software puede ser un factor decisivo para su éxito o fracaso frente a la competencia. De modo que, por supuesto, cuanto más rápido, mejor. Los gemelos digitales pueden desempeñar un papel importante en el rápido desarrollo y comprobación del hardware y el software de una máquina.
La única forma para que las máquinas puedan afrontar sus programas de desarrollo cada vez más ajustados es siguiendo unos procesos altamente eficientes. Los errores deben descartarse desde el principio, en vez de corregirlos más adelante. Incluso el prototipo de una nueva máquina debe ser correcto desde el principio. "Para cumplir estos ambiciosos objetivos, la simulación es un enfoque que se ha demostrado útil en muchas disciplinas diferentes", afirma Kurt Zehetleitner, responsable de la simulación y el desarrollo basado en modelos de B&R. Un gemelo digital permite evaluar las características de un producto antes de que se haya creado ninguna de sus partes.
Este enfoque ya se utiliza habitualmente en el desarrollo de los sistemas mecatrónicos utilizados en las industrias de la automoción y de la aviación. Los sistemas mecánicos se modelan en el ordenador y se comprueban en un entorno de simulación. Esta estrategia de desarrollo sigue ganando terreno en otros sectores de la fabricación. Ello puede atribuirse en gran medida a la idea errónea generalizada de que el desarrollo de modelos de simulación es una tarea que requiere mucho tiempo y que solo pueden realizar desarrolladores con conocimientos matemáticos avanzados, y que los propios modelos son propensos a cometer errores. "Eso quizás sucediera al principio", comenta Zehetleitner, "pero actualmente crear modelos de simulación es una tarea considerablemente más fácil y rápida".
Los gemelos digitales aceleran la puesta en marcha
Las herramientas de simulación actuales facilitan enormemente la generación de gemelos digitales. Esto no solo simplifica y acelera el desarrollo del hardware y el software, sino que también permite realizar la puesta en marcha virtual. Simular el comportamiento físico de una máquina en tiempo real permite identificar los obstáculos y el potencial de optimización en una fase muy temprana del desarrollo. "Con una perfecta interacción entre las herramientas de desarrollo, la simulación facilita un alto grado de flexibilidad y una gestión eficiente de los recursos", comenta Zehetleitner. "Ello contribuye a la utilización óptima de los recursos de desarrollo y ayuda a reducir los tiempos de puesta en marcha hasta en un 80%".
En el entorno de ingeniería B&R Automation Studio, un gemelo digital ofrece a los desarrolladores de aplicaciones una ventaja decisiva: pueden iniciar el modelo virtual directamente en el PC y conectarse al control de máquina en una configuración de software o hardware-in-the-loop. El software de la aplicación se puede desarrollar, verificar y probar de antemano, y los requisitos de rendimiento se pueden probar en el control.
Para crear un gemelo digital, el desarrollador importa los datos de CAD para la máquina en una herramienta de modelado, como por ejemplo MapleSim. Pueden utilizar fácilmente características importantes del diseño CAD, tales como valores de masa y densidad, y también pueden ofrecer componentes mecánicos individuales con propiedades adicionales, como por ejemplo grados de libertad y una interfaz para el control.
Modelado sin ecuaciones
Con herramientas como MapleSim e industrialPhysics, incluso los modelos complejos son fáciles de implementar. MapleSim ofrece una biblioteca de elementos de modelado tales como masas, juntas, muelles y amortiguadores que hacen que el proceso de expansión y ajuste de un modelo sea intuitivo y sencillo. El sistema genera las ecuaciones para el modelo en segundo plano. Una aplicación de B&R en MapleSim permite que el modelo se exporte automáticamente a Automation Studio, junto con los datos de CAD. Allí, los usuarios pueden probar el software de la máquina con respecto a la carga del motor y el ajuste del control. La herramienta Scene Viewer de B&R utiliza los datos de CAD facilitados para visualizar movimientos en 3D. "Ello permite que el desarrollador de software pueda realizar fácilmente las pruebas y el diagnóstico de errores", comenta Zehetleitner.
El enfoque es similar con la herramienta de simulación industrialPhysics. La herramienta tiene un motor físico integrado que permite una simulación aproximada de sistemas físicos, haciendo hincapié en el rendimiento en tiempo real. "Es este tipo de sistema el que ahora permite simular máquinas y plantas enteras", afirma Zehetleitner. "Incluso puede comprobar el comportamiento en tiempo real y la carga del sistema en el hardware de destino en un entorno de hardware en bucle".
Generación automática de código
Una vez creado el gemelo digital, la generación automática de código juega un papel importante en el desarrollo y la implementación de las funciones de la máquina en el autómata. Una de sus muchas ventajas es la considerable reducción de la cantidad de programación necesaria. La herramienta MATLAB/Simulink resulta especialmente adecuada para la generación automática de código. B&R ha desarrollado una interfaz bidireccional entre MATLAB/Simulink y Automation Studio. Con Automation Studio Target for Simulink, todo lo que deberá hacer el desarrollador es hacer clic en el ratón unas cuantas veces. "Pueden pasar rápidamente de crear un modelo en Simulink a ejecutar un código de programa de alta calidad en el control de B&R", comenta Zehetleitner. "Incluyendo algunas opciones de diagnóstico muy sofisticadas". Automation Studio Target for Simulink ayuda a conseguir una alta calidad del producto y al mismo tiempo acelera notablemente el desarrollo del software de la máquina.
Interfaces abiertos
Cuando se trabaja con herramientas de simulación, los estándares abiertos y las interfaces son esenciales para permitir que los diferentes sistemas involucrados se comuniquen libremente y sin problemas. La posibilidad de emplear el software actual también permite ahorrar un tiempo valioso. B&R ofrece un sistema abierto en todos los niveles y en todos los productos. Con el estándar industrial independiente Functional Mock-up Interface (FMI), los modelos pueden intercambiarse y cosimularse utilizando distintas herramientas de desarrollo. B&R ofrece un mecanismo para importar unidades de simulación funcionales (FMU, por sus siglas en inglés) compatibles con el estándar FMI 2.0. "Las FMU se integran perfectamente en Automation Studio como bloques de funciones", explica Zehetleitner.
Las herramientas de simulación pueden utilizarse para probar modelos en todos los escenarios definidos y realizar una puesta en marcha virtual integral. Las pruebas realizadas durante la puesta en marcha virtual pueden variar desde simples secuencias lógicas hasta situaciones complejas y críticas para garantizar la eficiencia y calidad general del hardware y el software de la máquina. El uso de un gemelo digital reduce drásticamente la cantidad de tiempo necesaria para poner en marcha la máquina real y minimiza el riesgo de errores.
Autor:Stefan Hensel, editor de comunicaciones corporativas de B&R
Gemelos digitales
Un gemelo digital es una representación detallada y dinámica de una máquina real. Los datos de CAD tridimensionales se utilizan para crear un modelo digital, al que se le pueden asignar todas las características y funciones de la máquina que se está desarrollando, incluyendo los materiales y los sensores utilizados, así como los movimientos y las propiedades dinámicas de la máquina real. Ello permite simular el comportamiento de la máquina en tiempo real para identificar posibles errores o áreas de mejora sin el tiempo, el riesgo y el coste de crear un prototipo físico.