Implementación del gemelo digital de un proceso secuencial electro-neumático - Iglesias Rios, Matias (My University, 2021)
El aumento de la digitalización en las últimas décadas ha sido impulsado por el desarrollo de tecnologías emergentes como el internet de las cosas, el uso de la nube, la inteligencia artificial, etc. Abriendo una ventana de oportunidad para el desarrollo de aplicaciones industriales que revolucionen a todo el ciclo de vida del producto. La Industria 4.0 impulsada por Alemania es una respuesta al alza de la competitividad global para posicionarse en las tendencias tecnológicas, el eje central de esta propuesta recae en la implementación de los sistemas ciberfísicos o también llamados gemelos digitales, los cuales se pueden definir como la representación virtual y dinámica de un proceso o sistema. En este trabajo de tesis se implementa el gemelo digital de un proceso secuencial electroneumático, para el cual se desarrolló el modelo tridimensional de la plataforma, mediante la utilización de herramientas de diseño asistido por computadora con base en la información proporcionada en las hojas del fabricante. El modelo se compone de piezas, subensambles y el ensamble completo. Para describir la dinámica del sistema se propone un modelo matemático de parámetros concentrados, el modelo es implementado en Matlab Simulink, el cual es una herramienta que nos permite emular el proceso y mediante una conexión OPC, se conecta con su contraparte física. De esta manera es implementado el gemelo digital. Finalmente se realizó una prueba al modelo matemático evaluando tres escenarios. En el primer escenario se evaluó la respuesta del sistema a la expulsión y retracción del cilindro bajo condiciones favorables. En el segundo escenario se mantuvieron activas ambas electroválvulas durante cierto tiempo, con la finalidad de analizar la respuesta del sistema ante un bloqueo de la válvula de control. Finalmente, en el tercer escenario se evaluó el control y supervisión de tres cilindros de doble efecto, mediante el seguimiento de una secuencia implementada con base en la metodología GRAFCET, programada en el lenguaje SFC, bajo la norma IEC 61131-3, utilizando el software Studio 5000 Logix Designer. A partir de la evaluación del gemelo digital implementado, se pudo constatar que representa fielmente al proceso real y es posible realizar control en lazo cerrado con sistemas de control industrial en tiempo real.
El presente trabajo de tesis se encuentra dividido en cinco capítulos, siendo el primero el que concierne a la introducción. En el Capítulo 2, se presenta el marco teórico del gemelo digital. Además, se abordan los conceptos básicos sobre neumática, diseño asistido por computadora, que nos permiten sentar la bases del desarrollo del modelo tridimensional del sistema electroneumático, también se presentan los conceptos básicos de mecánica y termodinámica que se utilizan posteriormente en el Capítulo 3 para proponer un modelo matemático que describa la dinámica del sistema, de igual forma en el Capítulo 2 se hace referencia al emulador de procesos en tiempo real desarrollado en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México EmulPro, que es una herramienta optimizada para la implementación de gemelos digitales, también se presentan conceptos de control secuencial, así como la metodología GRAFCET para la resolución de sistemas secuenciales y su implementación en el lenguaje de programación SFC bajo la norma IEC 61131-3. En el Capítulo 3, se presenta la implementación del gemelo digital del sistema electroneumático dividido en dos partes. La primera parte es el desarrollo del modelo tridimensional. En la segunda parte se propone un modelo matemático para describir la dinámica del sistema utilizando ecuaciones diferenciales, este modelo es implementado en Simulink y nos permite, mediante el protocolo de comunicación OPC, establecer comunicación en tiempo real con el gemelo físico que es programado a través de Studio 5000 Logix Designer y utilizando el emulador Studio 5000 Logix Emulate como controlador industrial. Para validar el funcionamiento del gemelo digital, en el Capítulo 4 se muestran los resultados de la evaluación de tres escenarios de la emulación del modelo matemático. En el primer escenario se evaluó la respuesta del sistema a la expulsión y retracción del cilindro bajo condiciones favorables. En el segundo escenario se mantuvieron activas ambas electroválvulas durante cierto tiempo para analizar la respuesta ante un bloqueo de la válvula de control. En el tercer escenario se evaluó el control y supervisión de tres cilindros de doble efecto mediante el seguimiento de una secuencia implementada mediante la metodología GRAFCET, programada en el lenguaje SFC bajo la norma IEC 61131-3 utilizando el software Studio 5000 Logix Designer. En el Capítulo 5 se establecen las conclusiones y el potencial trabajo a futuro sobre este tema. Los planos obtenidos en el desarrollo del modelo tridimensional del gemelo digital se incluyen en el Apéndice A. En el Apéndice B se presentan las rutinas utilizadas en los diferentes escenarios, implementados en Ladder y SFC además del diagrama de bloques del modelo matemático implementado en Simulink. Finalmente, en el Apéndice C se muestra el código del modelo matemático implementado, donde se presentan los valores numéricos de los parámetros utilizados y las ecuaciones diferenciales, así como diversas consideraciones que definen al modelo.
Keywords: Gemelo digital; Industria 4.0; Electroneumática; Control secuencial