Un gemelo digital es una representación digital de un producto, proceso o sistema, ya sea en funcionamiento o en desarrollo. Cuando está en funcionamiento, un gemelo digital refleja el estado actual del activo, así como datos históricos relevantes. Los gemelos digitales se utilizan para evaluar el estado actual de un activo y, lo que es más importante, para predecir comportamiento futuro, perfeccionar sistemas de control y optimizar operaciones. Durante el desarrollo, el gemelo digital sirve como modelo de un producto, proceso o sistema que se va a crear, y facilita su desarrollo, pruebas y validación.
Relevancia de los gemelos digitales
Los gemelos digitales imitan el comportamiento de sus equivalentes físicos para ayudar a las organizaciones a mejorar y acelerar desarrollo, pruebas y validación de productos. Permiten optimizar operaciones, diagnosticar fallos y realizar mantenimiento predictivo, lo que ahorra costes, mejora la fiabilidad y ofrece mejores experiencias de uso. Además, si se emplea un gemelo digital a lo largo de todo el ciclo de vida del producto, las organizaciones pueden mejorar sustancialmente la cadena de valor desde el concepto hasta el desmantelamiento, creando un círculo virtuoso de feedback y mejora que impulsa la innovación, reduce los costes, favorece la calidad y garantiza que los productos siguen siendo relevantes y valiosos a lo largo del tiempo.
Desarrollo de productos
Optimización del diseño de productos: Los gemelos digitales permiten simular sistemas complejos en tiempo real, lo que ayuda al equipo de diseño a observar el comportamiento de un sistema en diversas condiciones de funcionamiento para optimizar sus respuestas, consumo de energía y eficiencia operativa. También se pueden utilizar para perfeccionar diseños de componentes o subsistemas, y desarrollar estrategias de control para alcanzar niveles de rendimiento deseados, precisión de movimiento, estabilidad y tiempo de respuesta.
Krones desarrolla el gemelo digital de un robot empaquetador de botellas
Sirviéndose de Simulink® y Simscape Multibody™, Krones creó un gemelo digital que permite optimizar diseños, probar fallos y realizar mantenimiento predictivo. El equipo de ingeniería logró aumentar el rendimiento de un sistema automático de embalaje de bebidas incorporando un robot trípode dinámico al diseño.
“Las simulaciones del gemelo digital en Simulink nos permitieron obtener datos e información que sería imposible, demasiado costoso y lento con pruebas en hardware. Visualizar las fuerzas y momentos nos ayudó a comprender los efectos de cada componente en un robot altamente dinámico”.
Verificación y validación virtuales: Se pueden utilizar réplicas virtuales de productos físicos y sistemas creados con gemelos digitales para probar y validar conceptos de diseño, evaluar el rendimiento e identificar posibles problemas en etapas iniciales del proceso de diseño. Este enfoque reduce la necesidad de prototipos físicos y acorta el ciclo de diseño.
Schindler Elevator sustituye las pruebas físicas por simulación
Schindler Elevator incorporó recientemente un flujo de trabajo de validación basado en modelos a su proceso de desarrollo. EDEn (Elevator Dynamics Environment) es un conjunto de herramientas desarrolladas en MATLAB®, Simulink y Simscape™ para realizar simulaciones offline utilizando aplicaciones basadas en web y pruebas de hardware-in-the-loop. Con EDEn, las pruebas de lanzamiento de software se reducen de tres o cuatro semanas a una única ejecución nocturna, lo que reduce enormemente el coste y riesgo, al tiempo que posibilita una cobertura de pruebas mucho más amplia.
“Con el enfoque de HIL [hardware-in-the-loop], ahora podemos cubrir muchos más casos de prueba, de un día para el otro. Esto también permite transformar el paradigma de diseño y enfocarnos en optimizar el software para un uso típico en lugar de centrarnos en los peores casos".
Virtual commissioning: Los gemelos digitales son fundamentales para virtual commissioning, ya que permiten realizar pruebas, validación y optimización integrales de sistemas en un entorno virtual. Este enfoque reduce riesgos y costes, y garantiza una transición más fluida a una implementación física.
Detección virtual: Utilizando gemelos digitales, las empresas pueden reducir su dependencia de sensores físicos, integrar prestaciones de predicción, optimizar la colocación en sensores, y mejorar la supervisión y rendimiento de sistemas, lo que ahorra costes y aumenta la eficiencia.
Operación y mantenimiento
Optimización de operaciones: Los gemelos digitales reflejan el estado en tiempo real de los activos físicos, lo que permite a las organizaciones supervisar sus operaciones y optimizarlas dinámicamente. Esta optimización abarca varios aspectos, desde la mejora del rendimiento de un sistema y la eficiencia energética, hasta la asignación de recursos. Con un gemelo digital, los operadores pueden ejecutar diferentes escenarios operativos para encontrar la condición de funcionamiento óptima o aprender a reaccionar como parte de su formación para operaciones.
Gemelos digitales de turbina de gas para diagnóstico y optimización de rendimiento
Siemens Energy desarrolló un gemelo digital basado en la física con MATLAB y Simulink, y lo validó utilizando un prototipo de banco de pruebas y datos de flotas. El equipo de ingeniería distribuyó las funcionalidades del gemelo digital en diversas plataformas de cálculo: sistemas integrados, edge, de nube y de supervisión remota. Simulink Coder™ y Simulink Compiler™ contribuyeron a que los despliegues requirieran poca o ninguna codificación manual. Crear un gemelo digital de su sistema permitió a Siemens Energy mejorar la fiabilidad, disponibilidad y mantenibilidad de la turbina de gas, optimizar el funcionamiento, reducir el coste, y prolongar su vida útil.
Mantenimiento predictivo: Conocer el estado de cada componente o del sistema general permite al gemelo digital detectar patrones y anomalías sutiles que pueden indicar un posible fallo, y predecir cuándo es probable que sea necesario realizar mantenimientos o reemplazos. Esta capacidad de previsión permite planificar el mantenimiento en los momentos más oportunos, evitar interrupciones no planificadas y optimizar el uso de recursos de mantenimiento.
Gemelo digital amplía el diseño basado en modelos
El diseño basado en modelos es el uso sistemático de modelos a lo largo de todo el proceso de desarrollo, y mejora la forma en que se crean sistemas complejos. El diseño basado en modelos sienta bases sólidas para aplicaciones de gemelos digitales. Las metodologías de diseño basado en modelos y gemelos digitales comparten una relación simbiótica durante la fase de desarrollo de productos. Muchos escenarios donde se emplean gemelos digitales también son casos prácticos de diseño basado en modelos.
Combinar el uso de gemelos digitales con diseño basado en modelos puede resultar particularmente ventajoso para los fabricantes de equipos originales (OEM). Mientras que el diseño basado en modelos se centra principalmente en la fase de desarrollo de productos, los gemelos digitales permiten ampliar el alcance ofreciendo productos o servicios digitales que respaldan y enriquecen las experiencias operativas y de mantenimiento de los clientes de OEM. No solo pueden diseñar y fabricar productos físicos, sino también ofrecer un conjunto de herramientas digitales que potencian el valor de esos productos a lo largo de sus ciclos de vida. El gemelo digital actúa como un puente entre el producto físico y su equivalente digital, posibilitando la supervisión en tiempo real, el mantenimiento predictivo y la optimización de operaciones.
Atlas Copco reduce el coste de propiedad con simulación y gemelos digitales
Atlas Copco integra simulación y análisis de datos, desde ingeniería y producción, hasta ventas y servicio, utilizando gemelos digitales como fuente única de información. Confían en MATLAB y Simulink para desarrollar su Plataforma de Ingeniería Basada en Modelos. Esta plataforma permite que el equipo de ventas tenga acceso a simulaciones de rendimiento fiables y pueda ofrecer productos a la medida de sus clientes. Los modelos actuales de compresores de Atlas Copco incorporan hasta 50 sensores, preparándolos para mantenimiento predictivo. La división de servicio puede definir estrategias de mantenimiento específicas para cada cliente, basadas en la recopilación de datos en tiempo real desde más de 100.000 máquinas sobre el terreno, lo que supone una gran cantidad de información que la empresa recién empieza a explorar.
Flujo de trabajo de gemelos digitales
A pesar de la variabilidad de los casos prácticos de gemelos digitales, existen estrategias compartidas que puede adoptar para garantizar el éxito de sus proyectos de gemelos digitales. Estas estrategias giran en torno a un marco homogéneo de definición de objetivos claros, diseño, validación y despliegue de modelos efectivo, y mantenimiento con supervisión y actualizaciones continuas.
Paso 1: Determine el objetivo y alcance
El camino hacia una aplicación de gemelos digitales exitosa comienza con una visión clara del objetivo. Responde a las preguntas: ¿Cuál es el propósito del gemelo digital? ¿Facilitar el desarrollo de productos? ¿Diagnosticar problemas en equipos? ¿Optimizar las operaciones? ¿Proporcionar simulaciones con fines de capacitación?
Luego, defina el alcance del gemelo digital. ¿El gemelo digital representará un componente individual, un conjunto de componentes que funcionan como un subsistema, o el sistema completo? ¿Servirá para una sola función o tendrá múltiples propósitos? Estas decisiones iniciales orientarán la complejidad y dirección del proyecto.
Paso 2: Diseñe y desarrolle
Crear un gemelo digital requiere un enfoque meditado que depende de la experiencia personal, metodología preferida y, muy frecuentemente, todo lo que tenga a disposición. Cuando se diseña un producto totalmente nuevo sin datos de prueba o funcionamiento, se debe comenzar con un modelo basado en la física, para generar un marco para el gemelo digital. Cuando se dispone de suficientes datos, se puede utilizar un enfoque basado en datos o en IA, que puede predecir resultados y comportamientos incorporando Machine Learning o Deep Learning. También se deben tener en cuenta todos los modelos o datos preexistentes que puedan reutilizarse para acelerar el desarrollo del gemelo digital, para evitar reinventar la rueda.
Paso 3: Pruebe y valide
Una vez que haya creado el gemelo digital, sométalo a rigurosas pruebas y validación. El objetivo de esta etapa es generar confianza en el gemelo digital evaluando con qué precisión refleja su equivalente físico. También debe medir la precisión de las predicciones y simulaciones. Es igualmente importante conocer los riesgos que implica la toma de decisiones a partir de la información del gemelo. Se trata de garantizar que el gemelo digital no sea solo un modelo sofisticado, sino una herramienta fiable para aplicaciones del mundo real.
Paso 4: Despliegue y opere
Una vez que el gemelo digital está validado, está listo para desplegarse. La estrategia de despliegue debe ajustarse al uso previsto del gemelo, conectándolo directamente a su equivalente físico local, utilizando edge computing para beneficiarse de la proximidad y latencia reducida, o bien aprovechando la nube por sus vastos recursos de cálculo y escalabilidad.
Paso 5: Supervise y actualice
Un gemelo digital no es una estrategia de "configurar y olvidar". Se necesita una supervisión continua para garantizar que el gemelo siga siendo una representación fiel y precisa de su equivalente físico. Estableciendo métricas de rendimiento y validando regularmente el gemelo con datos del mundo real, se puede mantener su integridad. Además, es probable que el gemelo digital deba evolucionar a lo largo del tiempo, con mecanismos establecidos para ajustar parámetros o rediseñar completamente el modelo cuando se superen ciertos umbrales. Esta adaptabilidad es clave para la longevidad y utilidad del gemelo digital.
Más información
Gemelos digitales con MATLAB y Simulink
MATLAB y Simulink ofrecen una plataforma integral para crear, simular, verificar y desplegar gemelos digitales. Los beneficios combinados de IA, modelado basado en la física, análisis de datos avanzado y opciones de despliegue sencillas (PLC, integrado, web, nube, y más) permiten diseñar gemelos digitales que mejoran la comprensión, operación y mantenimiento de sistemas físicos complejos.
Simscape permite crear rápidamente modelos de sistemas físicos en el entorno de Simulink. Puede modelar sistemas de motores eléctricos, puentes rectificadores, actuadores hidráulicos y sistemas de refrigeración agrupando los componentes fundamentales en un esquema. Con los productos complementarios de Simscape, puede modelar y analizar componentes y sistemas más complejos.
Para un enfoque basado en datos, MATLAB ofrece un amplio conjunto de herramientas para estadísticas, Machine Learning, Deep Learning e identificación de sistemas. Estas herramientas permiten crear gemelos digitales basados en datos e identificar patrones, optimizar el rendimiento, predecir necesidades de mantenimiento, y mucho más. La integración armónica de estos gemelos digitales basados en datos con gemelos digitales basados en la física proporciona una visión integral del rendimiento del sistema y sus posibles problemas.
La validación y verificación son pasos críticos para garantizar que el gemelo digital refleja con precisión su equivalente físico y funciona según lo previsto. Siguiendo el flujo de trabajo de verificación de alta integridad, puede utilizar pruebas basadas en simulación y análisis estático para detectar errores y acortar el plazo de comercialización, sin poner en riesgo los altos estándares de calidad.
Las opciones de despliegue con MATLAB y Simulink son versátiles, y permiten implementaciones en PLC, controladores industriales, sistemas integrados, plataformas web y la nube. Esta flexibilidad garantiza que el gemelo digital se pueda integrar en flujos de trabajo e infraestructura existentes, y que la monitorización en tiempo real, el mantenimiento predictivo y la optimización operativa sean factibles en diferentes entornos. En última instancia, el valor de un gemelo digital se materializa a través de su implementación, que permite a las partes interesadas aprovechar las predicciones e información para tomar decisiones bien fundadas y lograr la excelencia operativa.
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