Gemelo Digital: definición, nuevas variantes y alternativas

La simulación de productos o procesos también denominado ‘gemelo digital’ se puede definir muy básicamente como la representación virtual de una realidad física. Para que esto sea posible debe existir al menos una realidad física (equipo, proceso, producto), una realidad digital (modelo digital), la conexión entre ambas realidades (datos) y un software que lo integre todo (IT). Bajo esta definición básica, multitud de compañías están desarrollando sus propias definiciones adaptadas a sus necesidades y modelos de negocio, así como otras muchas ofrecen productos y/o servicios en múltiples y variopintas versiones. Desde A&I nos preguntamos por la validez de esta definición y queremos reconocer nuevas variantes y alternativas. 

Desde Automática e Instrumentación queremos dar más luz a un concepto, el de Gemelo Digital, con varias interpretaciones dependiendo de quién intente dilucidar acerca de él. Por eso, nos hacemos las siguientes preguntas:

1. En muy pocas palabras, ¿cómo define su compañía el ‘gemelo digital’? ¿Es correcta la definición del encabezado o caben consideraciones adicionales?
2.  ¿Qué tipos de productos y/o servicios ofrecen que responden a esta definición?
3. ¿A qué sectores están orientadas estas soluciones?
4. ¿Cuáles son los beneficios esperados?
   

Las respuestas de los expertos, a continuación:

OSISOFT

“De una manera muy simplificada, un gemelo digital se puede definir como una réplica virtual de una realidad física y de su comportamiento”, explica Raquel Mateos Tejada, Executive Territory Manager de OSIsoft, “la realidad física puede representar un equipo, un proceso, un producto, un sistema o un servicio. Pueden existir gemelos digitales de varios componentes individuales que se puedan interconectar posteriormente para formar un gemelo compuesto de un equipo o proceso más complejo”.  En su opinión, los modelos establecen la identidad de su equivalente en el mundo real. Estos permiten describir, comprender y predecir el comportamiento de su gemelo en el mundo real e, incluso, prescribir acciones sobre él. Estos modelos pueden ser de diversa índole: modelos físicos, químicos, simulaciones, modelos estadísticos, aprendizaje automático e Inteligencia Artificial, modelos visuales 2D- 3D.

Los datos son el vínculo entre la realidad virtual y la realidad física: alimentan los modelos para poder representar y comprender su estado y comportamiento. Pueden ser necesarios, datos de diseño (especificaciones, datos de ingeniería, P&IDs), datos de producción (materiales, piezas, registros de calidad), datos de operación (datos operacionales en tiempo real e históricos, registros de mantenimiento), datos comerciales, etc.

Respecto a los productos de la compañía que responden a esta definición, PI System permite recopilar de manera nativa datos y eventos de equipos, procesos e instalaciones relacionados con la operación en tiempo real (datos de proceso, de seguridad, estado y salud de los equipos, etc.). Una vez capturados, los datos en tiempo real de instrumentos y dispositivos IIoT, deben agregarse, procesarse y organizarse. PI Asset Framework permite relacionar los datos operacionales con activos. Un activo puede ser un instrumento, un equipo, un proceso, una línea de fabricación, una instalación o todos los centros productivos de una compañía, ofreciendo flexibilidad para la creación de gemelos digitales de elementos individuales o complejos. Esta organización por activos se puede crear fácilmente mediante plantillas, sin codificación ni desarrollo, proporcionando una representación digitalizada de los activos físicos fácil de comprender, flexible y escalable. Una vez organizados, los datos en tiempo real se pueden enriquecer con otro tipo de información contextualizada (registros de mantenimiento, inspecciones de calidad, órdenes de trabajo) y otras fuentes de datos que describan el comportamiento (actual, histórico e incluso futuro) y las acciones tomadas para influir en ese comportamiento. Esta información operacional contextualizada alimenta los modelos y las herramientas de visualización que hacen que la información en tiempo real sobre el estado y la condición de los equipos esté disponible de forma sencilla, rápida e intuitiva.

“La mayor accesibilidad a las tecnologías que se emplean en los gemelos digitales está contribuyendo a la adopción de estas soluciones por prácticamente cualquier sector industrial”, continúa Mateos Tejada, “actualmente se puede construir un gemelo digital de casi todo: desde componentes y activos individuales (rotores, turbinas, tuberías, etc.) hasta procesos y entornos complejos (líneas de producción, plantas de fabricación, parques eólicos, etc.). Una definición adecuada de lo que se quiere conseguir con el gemelo digital evitará el desarrollo de un sistema que sea demasiado complejo de mantener y que por tanto no sea útil para el fin último que se persigue”.

Y, respecto a los beneficios esperados, desde OSIsoft consideran que los gemelos digitales ofrecen niveles sin precedentes de conciencia situacional. La información obtenida de los gemelos digitales se puede utilizar para aumentar la calidad de un producto, mejorar el rendimiento de los procesos, optimizar el uso de la energía o simular escenarios hipotéticos que permitan descubrir nuevas oportunidades. “Un gemelo digital tiene muchas aplicaciones a lo largo del ciclo de vida de un producto o una instalación”, considera Raquel Mateos, y añade que en fases de ingeniería (diseño, construcción, comisionado) “el gemelo digital permite mejorar tiempos de ejecución y evitar errores en la construcción de nuevas instalaciones. Idealmente estos gemelos digitales realizados en fases de ingeniería deberían poder enriquecerse con datos en tiempo real para su uso en fases de operación, dónde contribuyen a optimizar el rendimiento y el mantenimiento de las instalaciones. Además, permiten promover la capacitación de las personas desde la puesta en marcha e idealmente durante todo el ciclo de vida de la planta, equipo o proceso”.  Y, sin duda, uno de los aspectos más valiosos del gemelo digital “es el potencial que tiene para la democratización del conocimiento: permiten que la información esté accesible para todo el que la necesite sin necesidad de ser un experto en simulación o modelización avanzada”.

EMERSON

Miguel Contreras Galobart, Business Development Manager, Process Simulation & Digital Twin; y Vicente Ríos, Senior Consultant, Process Simulation & Digital Twin de Emerson, definen al Gemelo Digital como una representación matemática y virtual de los activos físicos de la planta - es decir, equipos de proceso, instrumentación y controles - y procesos que tienen lugar dentro de ellos - es decir, reacciones químicas, procesos de separación, transferencia de calor. El gemelo digital de Emerson cuenta con unas características únicas que respaldan su valor y el uso durante el ciclo de vida de la planta. Asimismo, consideran que bajo el prisma de la industria de procesos, la definición del encabezo es correcta. No obstante, cabe remarcar que, desde la perspectiva de Emerson, el Gemelo Digital puede tratarse como un sistema aislado – esto es, sin conexión directa con la planta– o conectado en tiempo real con el histórico de datos de planta. Los usos y beneficios de esta herramienta difieren según el modo de implementación del mismo: online u offline.

Emerson ofrece a sus clientes servicios de consultoría e implementación del Gemelo Digital, basándolo en el extenso portafolio de tecnologías y productos dentro del ecosistema Plantweb. El Gemelo Digital de la compañía representa una réplica exacta de la configuración del sistema de control sin cambios, independientemente del proveedor del sistema de automatización: DeltaV u otro. Este enfoque de conexión directa proporciona a los clientes un entorno con las mismas funcionalidades e interfaces hombre-máquina que tendrían en la planta real. “Además, gracias a Mimic, Emerson aplica un enfoque selectivo de la fidelidad del modelo de simulación para el proceso de producción. Esta fidelidad selectiva permite la implementación rápida y flexible del Gemelo Digital, adaptando el sistema a las necesidades de cada proyecto: planificación, objetivos y presupuesto”, explican Contreras y Ríos. Por otra parte, la solución de Emerson para el Gemelo Digital está diseñada para una amplia gama de industrias y operaciones a las que sirve. “Gracias a la flexibilidad de nuestro Gemelo Digital, cubrimos las necesidades de todo tipo de industrias de proceso desde productos químicos, alimentación, farmacéuticas, pulpa y papel hasta minería, pasando por petróleo, refino o petroquímica”, añaden.

Respecto a los beneficios esperados, ambos concluyen que la inversión en el Gemelo Digital proporciona “excelentes rendimientos durante el ciclo de vida de la planta de procesos”. La inversión se puede justificar fácilmente en función de los siguientes beneficios:

• Validación del diseño de la planta durante las fases de ingeniería conceptual y de detalle.
• Verificación virtual del sistema de automatización: durante el diseño de los sistemas de control y de seguridad del proceso se realizan pruebas en el Gemelo Digital sin afectar el proceso, pudiendo verificar los procedimientos operativos y las lógicas antes de la implementación en el sistema real.
• Capacitación de nuevos operadores sobre las operaciones de proceso, procedimientos de arranque y parada, así como de situaciones peligrosas o poco frecuentes.
• Excelencia operativa. El Gemelo Digital aporta más información a operadores e ingenieros sobre el estado de la planta siendo una herramienta de soporte en la toma de decisiones, optimización y experimentación de procesos industriales.
• Herramienta de soporte en la implementación y ejecución de modelos analíticos, basados en inteligencia artificial (IA). Mediante la creación de datos sintéticos complementarios a los datos de planta, el Gemelo Digital permite reducir el tiempo de aprendizaje de los algoritmos (“machine learning”) y mejorar su capacidad predictiva.

Emerson ha implementado exitosamente Gemelos Digitales durante los últimos 15 años, lo que ha permitido a sus clientes reducir en 18 días de media el tiempo de comisionado del sistema de automatización y de puesta en marcha. Asimismo, se ha percibido un incremento del 30% en la efectividad de los operarios gracias a un mejor conocimiento del proceso y de la gestión de las situaciones adversas, logrando reducir el número de paradas de planta involuntarias (25% anual) y mermas de producto por no cumplir especificaciones, desechos y emisiones durante la operación de la planta (70%).

“El Gemelo Digital es una inversión eficaz y práctica que facilita la creación de un entorno de operación en planta más seguro y una producción más eficiente y sostenible, con beneficios tangibles que permiten en un retorno de la inversión menor a seis meses”, concluyen los expertos de

DASSAULT SYSTÈMES

“Los Gemelos Digitales, o Virtuales, son réplicas en 3D de productos, estructuras, instalaciones o sistemas, creados a imagen y semejanza de los reales. Nos ayudan a probarlos de forma virtual en el contexto de su uso, para ver cómo reaccionarán y averiguar si podemos y debemos llevarlos al mundo real. ‘Virtual’ es en referencia a qué es posible, el potencial para imaginar el futuro”. Ésta es la definición que nos aporta Nicolas Loupy, Director General en España de Dassault Systèmes, quien nos habla de la Plataforma 3DEXPERIENCE: ofrece un gran número de soluciones diseñadas para interactuar entre ellas de formas únicas, permitiendo el trabajo colaborativo en tiempo real en la nube, abarcando desde la misma concepción de un diseño hasta su fabricación y seguimiento. En este sentido, “soluciones como SOLIDWORKS, SIMULIA, DELMIA, BIOVIA o CATIA cumplen funciones diferentes dentro del diseño de los Gemelos Virtuales, pero todas ellas están concebidas con la idea de que los diseñadores e ingenieros sean capaces de coger una idea, diseñarla de forma digital, perfeccionarla y, después, convertirla en realidad”, agrega.

También en su opinión casi todos los sectores se pueden beneficiar, o lo harán pronto, de los Gemelos Virtuales, por ejemplo, en medicina, aviación, industria o las Smart Cities. “Esta tecnología puede beneficiar a cualquier compañía porque, probando un modelo virtual primero, se puede ver y comprender que funciona y qué no y mejorarlo. Se pueden optimizar tanto los recursos personales como tecnológicos y, por lo tanto, trabajar de forma más productiva y eficiente y así ahorrar costes”.

“Antes, para comprobar si un diseño funcionaba, había que fabricar un prototipo y comprobarlo de forma física”, indica Loupy al respecto de la última cuestión. “Cada fallo, suponía volver a la etapa diseño, ver qué fallaba, corregir y volver a prototipar. Los Gemelos Virtuales crean una nueva dinámica de trabajo en la que puede haber decenas de personas trabajando de forma simultánea en un mismo diseño, cada una en un apartado diferente, y lo más importante, todas son capaces de ver en tiempo real el impacto de los cambios que hacen en el conjunto”. Así, los gemelos virtuales permiten ver este proceso como un todo, un conjunto de elementos interconectados y dependientes de los unos de los otros. Se detectan antes los fallos, se pueden corregir más rápido y permiten más experimentación. Se reducen los tiempos de desarrollo, los costes de producción, se acelera la innovación. Resumiendo: “Nos hacen más eficientes y sostenibles, lo que está facilitando que los diseños sean cada vez mejores”.

En Dassault Systèmes están orgullosos de su Living Heart Project, con el que se ha conseguido por primera vez un modelo de simulación realista en 3D de un corazón humano íntegro, con el objetivo de aportar grandes avances a la industria de las Ciencias de la Vida, ya que está ayudando a comprender mejor algunas enfermedades, así como a diseñar y probar nuevos tratamientos. “Imaginad la creación de un Gemelo Virtual del cuerpo humano. Se podrían probar tratamientos y medicamentos para saber si son adecuados para curar a un determinado tipo de paciente”, concluye.

Págs. 38 a 41