27/07/2020
Francisco Villaverde y Ramón Adarraga (Siemens) | Oscar Guallar (Electroingenium)
Las fábricas de automóviles también ‘sacan partido’ al Gemelo Digital
Llega el Virtual Commissioning para la gestión de AGVs
Gemelo Digital. Proceso automático descarga AGVs. Gemelo Digital. Proceso automático descarga AGVs.// FOTO: Siemens.
Vivimos en una época de cambios constantes, cada vez se valora más la velocidad de puesta en marcha de una instalación o línea en el mercado y la flexibilidad en la misma. Está a la orden del día que una empresa debe ser capaz de adaptarse constantemente a la demanda, realizando los cambios que sean necesario si varían las especificaciones. Además, se exige una calidad excelente, que se asocia a la imagen que tenga cada compañía, las cuales tienen que desempeñar un papel extraordinario en sus trabajos para conseguir un resultado lo más eficiente posible.

Para conseguir dichos objetivos, surge el concepto de Gemelo Digital y puesta en marcha virtual, que cambia la forma de diseñar máquinas y líneas de automatización. Esta visión nos lleva a optimizar los procesos de ingeniería y a generar nuevas líneas de negocio, que igual antes no se podían ni imaginar.

Se trata de poder integrar el mundo del PLC dentro de la simulación CAD que hemos conocido hasta ahora, para que trabajen de la mano, proporcionando una solución final totalmente probada, incluso antes de tener ningún elemento físico. Por tanto, al compaginar estas tareas desde un primer momento, la detección de errores se produciría en la fase más temprana, consiguiendo que la calidad sea máxima. Además, se podrán reducir los costes debido a estos fallos, ya que una detección en la operación puede ser fatal.

Para desarrollar la puesta en marcha virtual, también llamado Virtual Commissioning, se pueden considerar distintos niveles de aplicación; siendo uno de los más interesantes la simulación dedicada a optimizar procesos productivos o logísticos complejos, es decir, aquella que está enfocada al nivel de planta. Aquí se pretende simular el flujo de material, para analizar los consumos, encontrar los cuellos de botella o el layout más adecuado. Son numerosas las optimizaciones que se pueden realizar en este nivel, siendo considerable el adelanto en tiempo y dinero al poder integrar el nivel de la automatización desde el primer momento.

Uno de los campos donde mejor se puede integrar esta tecnología es en la intralogística de fábrica y sobre todo en la gestión de AGVs, Automatic Guided Vehicules. Los AGVs están tomando una relevancia muy importante dentro de las plantas de automoción, no solo para el suministro de material de producción a la propia línea de montaje sino también como elementos de transporte del propio vehículo que es transportado a cada puesto de trabajo, cambiando por completo las tradicionales y fijas cadenas de producción basadas en skids, skillets u otros.

Para la puesta en funcionamiento de los AGVs se requiere de un despliegue importante en la fábrica dada la disruptiva forma de producción que se genera con la incorporación de estos nuevos participantes en la cadena de producción. Conceptos como fabricación flexible y Smart Factory requieren que los flujos de materiales y productos terminados sean flexibles y esto necesita de un dimensionamiento previo y un ensayo de las múltiples alternativas y casuísticas.

Por esto, se hace imprescindible la posibilidad de simular la puesta en marcha de los AGVs, de forma que se pueda generar por completo el layout productivo de la instalación o fábrica en un entorno virtual incluso antes de quitar ni un solo tornillo o de ni siquiera fabricar los propios AGVs. Modificar rutas, simular situaciones de bloqueo, ensayar reglas de tráfico, dimensionar la cantidad de equipos, optimizar recursos y tiempos, comprobar consumos y dimensionar puntos de carga de baterías.

Para ello, herramientas como Plant Simulation de Siemens combinada con PLCSIM Advanced hacen que podamos imaginar por completo el flujo productivo en una fase muy previa a la puesta en marcha haciendo también de diseño de proceso.

Caso de éxito

Electroingenium, como partner de automatización y digitalización de Siemens, ya ha implementado diversas soluciones.

La presente descripción recoge un caso de uso aplicado al sector de la automoción para la gestión de AGVs dentro de una planta de fabricación del sector auxiliar. En concreto, el proyecto se ha desarrollado con el objetivo de optimizar tanto la logística, como la eficiencia energética en el proceso de carga de baterías de AGVs dentro de la planta. El proceso corresponde a un búfer de secuenciación en una planta de suministro JIT donde no se tiene solucionada la intralogística entre el final de las líneas de montaje y el almacén de producto terminado antes de expedición a cliente final en secuencia. La solución intralogística requiere un búfer de secuenciación, con una incertidumbre clara en la secuencia de salida de las líneas de producción debido a la posibilidad de retrabajos. La metodología combina simulaciones con el software de Siemens Plant Simulation como análisis de datos para la consecución de objetivos.

La instalación cuenta con una cantidad notable de AGVs, zonas con cruces donde se autogestionan por escáner y áreas de espera que permiten redistribuirlos por la instalación, contribuyendo a un tráfico muy denso y una alta susceptibilidad a los bloqueos.

La principal motivación por parte del cliente en este proyecto viene incentivada por varias experiencias desfavorables en implementaciones de soluciones similares en otras de sus plantas. Como consecuencia, el cliente optó por la simulación durante la fase previa de diseño con el fin de optimizar y concretar diversos aspectos del proyecto donde anteriormente no habían sido capaces de realizar un buen diseño teniendo en cuenta los siguientes aspectos: layout, cantidad de AGVs necesarios, capacidades y limitaciones.

La solución propuesta consiste en realizar un gemelo digital donde se evalúa y prueba una instalación virtual similar a la que realmente se quiere conseguir. Partiendo de los datos de producción reales obtenidos en una semana normal de en la fábrica, se crea el gemelo digital del proceso productivo. A partir de ahí, se realiza una emulación de la instalación con los datos reales de producción, para ser capaces de probar que el diseño de nuestro sistema va a cumplir con los requisitos exigidos por la producción.

Una vez realizado el modelo dinámico, otra de las utilidades adicionales de la simulación es realizar el Virtual Commissioning (VC) de modo que el código de programa y HMI del controlador de tráfico se puede depurar y obtener unos programas al 95%. El VC se realiza conectando el modelo 3D con el controlador del PLC. Las órdenes de producción del ERP llegan al controlador el cual las gestiona y transmite a los AGVs. Para finalizar, en el modelo 3D se visualiza la ejecución de dichas ordenes de modo que el modelo es capaz de contestar a las ordenes requeridas con acuse a dichas órdenes e informado del estado.

Objetivos del cliente conseguidos

Entre los objetivos fundamentales marcados por el cliente destacan:

• Establecimiento de la mínima cantidad de AGVs necesarios para llevar a cabo los movimientos necesarios manteniendo una producción óptima y constante.
• Determinación de la mínima cantidad de cargadores necesarios para una correcta gestión de las baterías minimizando AGVs no productivos.
• Optimización de la estrategia de carga de baterías y por ello, mejora de la eficiencia energética del sistema.
• Obtención de mínimos de ocupación en las zonas de espera para la minimización del tiempo sin AGVs de las zonas de carga y descarga.
• Localización de puntos calientes, establecimiento de semáforos y tamaños de haz de escáner necesarios para evitar bloqueos manteniendo un alto criterio de seguridad.
• Optimización y validación de layout.
• Conocimiento de capacidad y límites de parámetros que permiten que el sistema siga siendo operativo.
• Acortamiento de la puesta en servicio de la instalación debido al desarrollo solapado de las instalaciones con la programación y puesta en marcha.
• Evitar interferencias entre los integradores de AGVs con los carretilleros que actualmente hacen el proceso de logística minimizando los riesgos de perdida de producción.
• Reducción de riesgo de accidentes en la puesta en marcha en una zona de mucho tráfico carretillas.

Objetivos del proveedor conseguidos

• Tener una especificación clara y precisa del modo de funcionamiento de la instalación.
• Minimizar modificaciones una vez empezada o finalizada la instalación.
• Chequeo y validación del código de los controladores de la instalación.
• Tener confianza del cliente y usuario.
• Fidelizar al cliente.

Detección de fallos

• Detectados bloqueos producidos tras llenado del búfer.
• Detectados itinerarios bloqueantes.
• Detectados bloqueos por exceso de AGVs.
• Detectada falta de caminos necesarios.
• Detectados fallos de funcionamiento en áreas de re-secuenciado.
• Detectados fallos en el código de programa de PLC y de HMIs

Ahorros del cliente

• Reducción de un 25% del número de AGVs necesarios respecto a los cálculos iniciales.
• Reducción de un 33% del número de cargadores de batería necesarios respecto a los cálculos iniciales.
• Retorno más rápido de la inversión al reducir notablemente la fase de pruebas y puesta a punto de la instalación.
• Formaciones y adiestramiento de operarios realizadas con antelación evitando pérdidas de tiempo por falta de conocimiento de funcionamiento de instalación una vez realizado el SOP.

Ahorro del proveedor

• Ahorros en costes económicos de reducción considerable de pruebas en casa del cliente debido a la depuración y generación de los programas del controlador de tráfico y de los HMIs. Cabe destacar que utilizando la simulación la puesta en marcha se ha reducido de 4 semanas a 1 semana.
• Ahorros en recursos humanos debido a que el trabajo va a ser más cómodo y en gran parte realizado desde casa sin tener que estar desplazado.

Consumos

• Plant Simulation software: Librerías y desarrollo de componentes ad-hoc
• PLCSIM Advanced
• Recogida y análisis de datos entre cliente y proveedor.
• Reuniones periódicas entre proveedor y usuario final para definir el modo de funcionamiento con una serie de reglas requeridas, nuevas modificaciones y optimizaciones a realizar en fase de diseño de gemelo. Fundamental el trabajo en equipo entre integrador y usuario final.

La eficiencia lograda es tal que los costes han sido reducidos al mínimo, tanto los de diseño como los de puesta en servicio. Además, los riesgos también han disminuido, habiendo menos tiempos de parada en planta. De cara al operario, además de reducir estos peligros, se podría ofrecer también un servicio de Virtual Training, pues ya no hay que tener la máquina sin operar para su aprendizaje, sino que se podrá realizar incluso antes de tenerla construida físicamente. También es importante destacar la posibilidad de evaluar los cambios o conceptos alternativos de control, así como modificaciones que queramos hacer al modelo.

Estas soluciones permiten ahorros en todas las fases y vida de un proyecto:
• Fase de diseño: dimensionamiento de equipos (AGVs, carros), consumos, puntos de carga, flujos, etc. Detectar prematuramente fallos de diseño o bloqueos mediante la realización de ensayos en diferentes condiciones.

• Fase de oferta: como herramienta de marketing y de conceptualización de soluciones.

• Fase de licitación: al quedar claramente definida la solución final, los proveedores minimizan riesgos y permite ajustar los costes de una manera más eficiente.

• Fase de implementación: permite reducir drásticamente los tiempos de puesta en marcha, ya que se puede llegar con el código de PLCs, robots, AGVs, todo ello probado y testeado antes de cargarlo en la instalación.

• Fase de explotación: el Gemelo Digital permite reaccionar ante cambios y se puede simular sin riesgo los nuevos requerimientos del sistema. Permite optimizar rutas y recursos. Incluso situaciones reales no previstas pueden llevarse al Gemelo Digital para su observación y ensayo, convirtiéndose en una herramienta clave de mejora continua.

• Fase de reutilización del conocimiento: la posibilidad de crear librerías y casos de uso permite reutilizar el Know-How adquirido en otros proyectos de naturaleza similar sin partir de cero sino de una fase muy avanzado de diseño.

La colaboración de Siemens con un partner como Electroingenium se hace factor sine qua non para el desarrollo y consecución de proyectos y nuevas aplicaciones, como la puesta en marcha virtual. Gracias al experiencia y a la profesionalidad de Electroingenium en el mundo de la automatización e innovando en los nuevos conceptos de Gemelo Digital el cliente final ha cumplido completamente sus expectativas con una puesta en marcha mucho más optimizada.

Francisco Villaverde
Responsable Negocio Automóvil Siemens

Ramón Adarraga
Especialista AGVs Siemens

www.siemens.es


Oscar Guallar
Gerente Electroingenium
www.electroingenium.es


Este artículo aparece publicado en el nº 521 de Automática e Instrumentación, págs. 40 y 43.
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