Existen diferentes tipos de gemelos digitales en función del nivel de digitalización del proceso o sistema [1]:

• Gemelo de Componente/Parte: Representa una pieza individual, permitiendo el análisis de propiedades como eficiencia, durabilidad y rendimiento;
• Gemelo de activo: Modela un conjunto de componentes que interactúan, centrándose en las relaciones funcionales y la optimización del rendimiento;
• Gemelo de sistema: engloba múltiples activos que trabajan juntos, permitiendo una evaluación y optimización exhaustivas del comportamiento a nivel de sistema;
• Gemelo de proceso: permite observar cómo múltiples sistemas funcionan juntos para formar el proceso completo.

Además, según la clasificación propuesta en [2], un gemelo digital puede modelar un sistema en función de fines específicos; por citar sólo algunos: modelos de gemelos digitales para la supervisión, para el diagnóstico, para la predicción y para la automatización del control. En el primer caso, los modelos proporcionan una "réplica virtual" de un sistema físico y, mediante la monitorización continua de su estado, permiten identificar ineficiencias. El gemelo digital para diagnóstico se utiliza para reducir los costes de mantenimiento y mejorar la fiabilidad del sistema. Del mismo modo, el modelo de gemelo digital para la predicción puede predecir con exactitud cuándo puede fallar un componente, permitiendo así un mantenimiento proactivo.

Los modelos de gemelo digital para la automatización del control permiten sistemas de automatización más eficientes; gracias a las señales de los sensores de retroalimentación, se permite la monitorización y supervisión en tiempo real con el ajuste de los parámetros del sistema para mantener constante el rendimiento. Automation Studio™ encaja perfectamente en el campo de los gemelos digitales, de hecho el software permite modelar, simular y analizar exhaustivamente sistemas completos [3, 4, 5, 6], permitiendo la evaluación de interacciones entre componentes individuales y a través de las diversas tecnologías empleadas en la máquina real, tales como subsistemas hidráulicos, eléctricos, neumáticos , etc. Además, una vez desarrollada la "réplica virtual" del sistema real en Automation Studio™, también se puede realizar un Análisis Modal de Fallos y Efectos (AMFE). FMEA es un método sistemático y proactivo para evaluar un producto o proceso para identificar dónde y cómo podría fallar, y para evaluar el impacto relativo de los diferentes modos de fallo. El uso de Automation Studio™ simplifica enormemente el análisis al permitir la integración de múltiples modos de fallo directamente en los componentes y proporcionar estimaciones automatizadas del rendimiento en condiciones de fallo.

En este trabajo se ha desarrollado un gemelo digital preliminar de un sistema automático mediante el software de simulación Automation Studio™. El modelo del sistema entra dentro de la categoría "modelos gemelos digitales para control y automatización" al perseguir el objetivo de crear una "réplica virtual" de la automatización. En concreto se realizó un diseño de control basado en PLC cableando el controlador y escribiendo el código de lógica de escalera lo más parecido posible a la automatización física.

2. METODOLOGÍA Y HERRAMIENTAS

Un paso crucial en la implementación de un gemelo digital es el desarrollo de un "modelo virtual" que refleje con exactitud la máquina física real. Para ello, el modelo debe desarrollarse en un software de simulación avanzado que permita reproducir los comportamientos de los componentes de la máquina, incluidos los elementos eléctricos, mecánicos y neumáticos. La precisión con la que se reproducen estos elementos permite evaluar en detalle el rendimiento de la máquina en diferentes escenarios operativos, identificar posibles áreas de mejora y probar modificaciones en las condiciones de funcionamiento sin intervenir en la maquinaria física.  

La herramienta utilizada para desarrollar el modelo simulado es Automation Studio™, un software de Famic Technologies Inc. diseñado para la creación y simulación de sistemas multidominio. Automation Studio™ permite la creación de esquemas eléctricos, neumáticos, hidráulicos y de automatización integrados dentro de un entorno de desarrollo unificado. Su interfaz admite la modelización de procesos complejos mediante el uso de bibliotecas de componentes estándar, lo que garantiza el cumplimiento de las normas industriales vigentes. Se puede llevar a cabo la simulación virtual del funcionamiento de los modelos diseñados, proporcionando análisis de rendimiento y diagnóstico. Además, Automation Studio™ admite la generación automática de documentación técnica y se integra con las normas IEC, NEMA e ISO, lo que lo hace adecuado para el control de procesos y la optimización de la ingeniería. Además, el software puede conectarse con otros dispositivos o software a través de conexiones OPC UA y TCP/IP, una característica muy útil para una implementación de gemelos digitales a gran escala.

3. VIRTUALIZACIÓN Y SIMULACIÓN DEL SISTEMA AUTOMÁTICO

El sistema objeto de estudio es una planta automática de rebordeado compuesta por actuadores electroneumáticos con control basado en PLC. El esquema de la planta se muestra en la Fig.1, consta de 4 actuadores neumáticos, A, B, C, y D para sujetar la tubería, detener la tubería y aplicar el rebordeado a uno de los lados de la tubería; el rebordeado se aplica en dos pasos gracias al cilindro de conmutación D que conduce a lo largo de una guía lineal la posición de los cilindros C. El panel de control de la estación automática se muestra esquemáticamente en la Fig.1 y consta de un PLC, pulsadores, luces piloto y un panel táctil HMI. El ciclo automático sigue la secuencia de letras A+/B-/C+/C-/D+/C+/C-/A- B+ D-. Actualmente, la secuencia desplazamiento-paso se modela con electroválvulas on-off con diseño de control basado en PLC. Sin embargo, en futuros desarrollos se prevén accionamientos neumáticos proporcionales para un mejor control de la sujeción y la brida de la tubería.

Figura1 - Representación esquemática de la instalación

Inicialmente, el cilindro B se extiende para actuar como tope de la tubería que avanza. A continuación, el cilindro A se extiende y sujeta la tubería (paso 1) y, posteriormente, el cilindro B se retrae (paso 2). El cilindro C se extiende (paso 3) por primera vez para realizar la operación preliminar de rebordeado y luego se retrae (paso 4). El cilindro D realiza el cambio de herramienta (paso 5) y el cilindro de rebordeado C realiza la segunda operación de rebordeado (paso 6) y luego se retrae (paso 7). Después, los cilindros A, D se retraen y el cilindro B inicia el movimiento de avance para volver a la posición inicial (paso 8). En el código de escalera implementado, los pasos 3,6 y 4,7 se consideran como dos pasos realizados dos veces en el ciclo en lugar de cuatro pasos diferentes, ya que son la repetición de los mismos movimientos.

3.1 Esquemas neumático y eléctrico

El circuito neumático del sistema se modeló (Fig. 2) gracias a la gran variedad de componentes disponibles en la Biblioteca General de Automation Studio™. Para mejorar aún más el modelado del sistema, se podrían emplear componentes reales del fabricante, ya que están disponibles en los amplios catálogos de fabricantes en línea que proporciona Automation Studio™. Otro enfoque posible habría sido ajustar los parámetros y las curvas características de los componentes genéricos basándose en los datos proporcionados en las hojas de datos de los componentes reales utilizados en el sistema.

Figura 2 - Esquema neumático

El esquema eléctrico (Fig. 3) está compuesto por un PLC Siemens SIMATIC S7-1200 explotando la librería de componentes ilustrados que proporciona una representación virtual muy realista del controlador S7-1200 físico. Los pulsadores de inicio, parada, reinicialización y emergencia están conectados a sus respectivos pines de la tarjeta de entrada digital del PLC. El pulsador de emergencia está conectado como contacto normalmente cerrado por razones de seguridad. Las entradas también incluyen los finales de carrera de los actuadores, que son componentes esenciales para el desarrollo del sistema automático. En el lado de las salidas se encuentran los solenoides de las válvulas direccionales.

Figura 3 - Esquema eléctrico

3.2 Breve visión del código ladder (Siemens ladder)

La lógica de control se desarrolló en ladder, el mismo lenguaje que se utiliza en la máquina real. Este enfoque permite probar el código dentro del entorno virtualizado de Automation Studio™, permitiendo su posterior despliegue en el sistema real. Además, Automation Studio™ proporciona soporte para conectividad OPC, permitiendo la integración con el sistema real. A través de esta conexión, las variables del PLC se pueden mapear a sus homólogas en Automation Studio™, permitiendo el intercambio de datos entre el sistema virtual y el PLC.

El código ladder se diseñó utilizando subrutinas FC. Por lo tanto, el sistema incluye un peldaño de escalera principal que activa todas las subrutinas creadas. El uso de subrutinas en la programación de PLC es útil para realizar funciones específicas, de modo que cada subrutina puede probarse individualmente para comprobar su funcionalidad, lo que supone grandes ventajas en la resolución de problemas y la depuración del código. 

Se desarrolló una subrutina de Arranque/Parada responsable de arrancar y parar el sistema; se implementaron las memorias "Start" y "System_is_running" para monitorizar la condición de arranque y monitorizar la "marcha" del sistema. También se ha implementado una subrutina de Emergencia, que gestiona todas las funciones relacionadas con la emergencia y la seguridad de la máquina. Estas funciones incluyen la activación de la lámpara de emergencia y el sonido de una alarma. En caso de emergencia, los actuadores se detienen inmediatamente desactivando las válvulas de 2/2 vías. En su posición estable (desactivada), estas válvulas bloquean el paso de aire a presión a los actuadores. En consecuencia, durante el funcionamiento normal del sistema, estas válvulas deben permanecer activadas para permitir el flujo de aire presurizado.

Se han diseñado subrutinas específicas para gestionar el piloto y la animación de los actuadores neumáticos. De este modo, el operador puede detectar y supervisar todos los estados de la automatización y visualizar los movimientos de los actuadores en la HMI. Automation Studio™ proporciona todo tipo de sensores (lengüetas, proximidades, sensores de presión, sensores de desplazamiento lineal, encoders, caudalímetros, ...) y para cada uno de ellos se dispone de datos de tipo bool, entero o real para ser enviados al HMI con fines de visualización y monitorización.

El algoritmo principal de la lógica de control se incluye en la subrutina Fig.4a. Esta subrutina explota la regla general del método paso-transición: se establece un nuevo paso si se establece el paso actual y si la condición establecida por la transición es verdadera. Cuando se establece el nuevo paso, se restablece el paso anterior.

En el código ladder desarrollado, hay una ligera modificación debido a la inclusión de la bobina Loop_memory. Dado que las dos operaciones de rebordeado son idénticas desde la perspectiva del cilindro C, se ha añadido esta bobina de memoria para permitir que los pasos 3 y 4 de la secuencia automática se realicen dos veces.

A continuación, en otra subrutina (Figura 4b), se asoció cada paso del método a un puerto de salida del PLC.
 

Figura 4 - Subrutinas Paso/Transición (a) y Acciones (b)

3.3 HMI para monitoreo y supervisión del sistema

La HMI se muestra en la Fig. 5. Gracias a la HMI & Control Panels de la librería Automation Studio™, se creó una extensa representación visual del sistema. Esta librería contiene varios componentes que cumplen los requisitos del sistema. Una función especialmente útil que se aprovechó es la posibilidad de añadir animaciones a las imágenes. Esta funcionalidad permitió crear animaciones para los vástagos de los cilindros, el movimiento de las tuberías y otros elementos dinámicos del sistema. Como se muestra en la Fig. 5, el operario puede introducir el número de tubos que deben embridarse a través de la HMI y supervisar continuamente el estado del sistema y el número de tubos ya embridados. Cuando el sistema se encuentra en su estado inicial, todos los actuadores están en posición de empuje excepto el Cilindro B, que está en posición de empuje y el indicador luminoso de "Sistema Listo" está encendido.

Figura 5 - Interfaz hombre-máquina (IHM) y estado inicial del sistema automático

Al arrancar el sistema, todos los actuadores realizan el ciclo de acuerdo con la secuencia descrita anteriormente. La HMI de la Fig. 6 muestra el sistema automático mientras se realiza la operación preliminar de rebordeado de la tubería. Posteriormente, el cilindro D se extiende para cambiar la herramienta de rebordeado, y el cilindro C realiza la operación de rebordeado final (Fig.7).

Figura 6 - Operación preliminar de rebordeado

Figura 7 - Operación de rebordeado final

Posteriormente el sistema vuelve a su estado inicial, y el contador de tubos rebordeados se incrementará en uno y el sistema vuelve a estar listo para una nueva repetición del ciclo (Fig. 8).

Figura 8 - Paso final del ciclo


4. CONCLUSIONES

En este trabajo se ha presentado la virtualización de un sistema automático como primer paso para la implementación de un gemelo digital. El software Automation Studio™ se empleó como una herramienta amplia y completa para desarrollar un modelo digital preciso de la automatización. Como caso de estudio se analizó una estación automatizada de rebordeado de tubos y se realizó un diseño de control basado en PLC en el gemelo digital cableando "virtualmente" el PLC y escribiendo la lógica de escalera exactamente igual que en la automatización física real. De esta forma se desarrolló una "réplica virtual" de la estación automática y del PLC. La "réplica virtual" del sistema automático está ahora lista para el Análisis Modal de Fallos y Efectos (AMFE) y para la implementación de la conectividad OPC y la integración con el sistema real.

REFERENCIAS

[1] A. V. Volosova, P. F. Yurchik, V. B. Golubkova, B. S. Subbotin and A. V. Vasiliev, "Using a Digital Twin in Ultra-Large-Scale System," 2023 Intelligent Technologies and Electronic Devices in Vehicle and Road Transport Complex (TIRVED), Moscow, Russian Federation, 2023, pp. 1-5, doi: 10.1109/TIRVED58506.2023.10332708

[2] R. Rayhana, L. Bai, G. Xiao, M. Liao and Z. Liu, "Digital Twin Models: Functions, Challenges, and Industry Applications," in IEEE Journal of Radio Frequency Identification, vol. 8, pp. 282-321, 2024, doi: 10.1109/JRFID.2024.338799

[3] A.P. Moreira, H.A. Lepikson, L. Schnitman, and G.L. Bezerra Ramalho, “Designing a new artificial lift method using computational simulation and evolutionary optimization, IEEE Access, 8, 2019, doi: 10.1109/ACCESS.2019.2938992

[4] N. Hodzic, E. Ekinovic  and M. Redzic, “The application of software automation studio in design and work simulation of hydraulic systems,'' Proc. 18th Int. Res./Expert Conf., Budapest, Hungary, 2014, pp. 357_36.

[5] R. B. Pandhare and R. M. Metkar, “Design of semi-automatic hydraulic broaching machine - A review,'' Int. J. Eng. Res. Technol., 5 (2), pp. 1-6, 2017

[6] C. He, G. Jingnan, and S. Guangbin, “Application of automation studio in hydraulic system design,'' Mach. Tool Hydraul., 18, pp. 53-55, 2010