EVOLUCIÓN DE LA SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES Y SU APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA 4.0

27/02/2020 admin Industria 4.0 0

Resumen

En este documento se presentan las características de la simulación de procesos industriales, su evolución y la relevancia que adquiere a partir en la industria 4.0 generando un nuevo paradigma en donde conceptos como “gemelo digital” y “manufactura digital” toman cada vez más relevancia y toman un papel cada vez más preponderante en los entornos industriales, económico y social.

Se inicia el documento presentando una definición general de la simulación de procesos industriales, posteriormente se habla de su evolución, los principales programas que se utilizan para tal fin y se concluye con la aplicación de los mismos en la actual tendencia de economía digital. Finalmente, se presentan las conclusiones a título personal derivadas del tema desarrollado.

Palabras clave: simulación, gemelo digital y manufactura digital

 

Introducción

En su libro “The Handbook of Simulation” Jerry Banks, define simulación como: “La imitación de las operaciones de un proceso real; comprende la creación de un escenario artificial (modelo) y el análisis del mismo para detectar los problemas que presenta el sistema operacional representado…” (Banks en PRODINTEC, 2010).

La simulación, es una herramienta tradicionalmente utilizada para la identificación de problemas en una fase temprana, resolución de los mismos de manera ágil así como para la integración del trabajo de diseño con los ingenieros desde el diseño hasta el producto terminado  (Dávila y Torres, 2008). Si se habla específicamente del ámbito de la producción, ésta es utilizada para representar y analizar diferentes alternativas y a partir de ello, decidir cuál es la mejor opción (Banks en PRODINTEC, 2010).

Gracias al rápido desarrollo de software, así como de los sistemas gráficos, ha sido posible llegar a un momento histórico en donde con la ayuda de tecnologías emergentes, es posible incorporar el diseño de procesos industriales en ambientes virtuales así como en tiempo real. La simulación industrial, hoy en día tiene inmersa dentro de sí, el “gemelo digital” incorporado en lo que se conoce como “manufactura digital”.

 

  1. Evolución de la simulación de los procesos industriales

La simulación de procesos industriales tiene sus orígenes en las técnicas de simulación por computadora, la cual intenta hacer un modelo de un sistema real o hipotético de tal manera que sea posible estudiar su funcionamiento y predecir su comportamiento a fin de tomar decisiones.

De acuerdo con información de la Facultad de Informática de la Universidad de Barcelona (2019), la simulación ha evolucionado de manera paralela a la informática; la primera simulación registrada es el Método Montecarlo, desarrollado en la Segunda Guerra Mundial, el cuál se aplicó para resolver un problema relacionado con el comportamiento de neutrones. Posteriormente, en la Guerra Fría fue más intensivo el uso de la simulación para resolver problemas de origen militar, es decir simulación continua basada en el cálculo; ya para los 60´s aparecen en el mercado los primeros programas de simulación de acontecimientos discretos con aplicación civil, tales como el GPSS (General Purpose System Simulator, desarrollado por IBM) y SIMSCRIPT. En los 80´s, con la revolución informática se presentó un importante avance en la simulación por computadora.

En la actualidad, los modelos de simulación de acontecimientos discretos son ampliamente utilizados en los ámbitos de la producción industrial, logística, transporte, servicios, entre otros, los cuáles, se caracterizan por modelar las capacidades del sistema en cuestión. Hablando del entorno industrial, podemos afirmar que es una de las herramientas más importantes de la ingeniería industrial que permiten simular un sistema real en un modelo, realizar un análisis respecto la eficiencia del mismo, generar en el simulador una solución óptima y posteriormente implementarlo (véase gráfico 1).

 

Gráfico 1. Proceso general de la simulación de procesos
Fuente: evaluación propia a partir de PRODEINTEC, 2010.

 

La principal ventaja de la simulación de procesos industriales es que constituye una herramienta que bien empleada es confiable para la toma de decisiones; normalmente, dichas decisiones vienen alineadas con cambios importantes en el sistema productivo, y que, a su vez, están ligadas a inversiones económicas relevantes.

El gráfico 2 muestra una línea del tiempo en la que se observan los diferentes simuladores de procesos que fueron presentándose a lo largo del tiempo; inicia en 1960 con GPSS, mostrando un auge en el desarrollo de los mismos en la década de los 80´s, considerada como la época de oro de la informática, en donde entre otras cosas, se estandarizó el lenguaje de programación Fortran y se desarrollaron los que hoy en día son de los programas de uso común (AC train, 2019).

Los paquetes de simulación, en términos generales utilizan la programación por medio de módulos, pueden incorporar modelos animados y constituye una herramienta valiosa para demostrar y verificar las capacidades del modelo.

Gráfico 2. Evolución de los simuladores de procesos industriales
Fuente: evaluación propia con información obtenida de AC train, historia de la simulación de procesos, 2019.

 

  1. La simulación de procesos y la cuarta revolución industrial: elementos de la manufactura digital

La cuarta revolución industrial liderada por las tecnologías emergentes, particularmente la inteligencia artificial, está influyendo de manera drástica en todas las áreas de la economía y sociedad (Schwab, 2017 y López-Portillo, 2018); dicho en otras palabras, el mundo atraviesa por una transformación digital de sociedad y economía.

La industria, es de hecho en donde surge este fenómeno; conceptos como la manufactura digital se vuelven cada vez más comunes y traen dentro si, la evolución de la simulación de procesos en lo que se ha denominado como el “gemelo digital” a través de la incorporación de tecnologías como la realidad virtual, sensórica, big data, impresión 3D, entre otros (Rodic, 2017).

Este cambio tecnológico avanza a distintas velocidades y con diferentes niveles de profundidad, dependiendo del lugar y del sector, pero en cualquier caso representa una enorme oportunidad para generar valor:

  • Para 2030, se podrían agregar 13 billones de dólares a la economía global como resultado de la digitalización, la automatización y la inteligencia artificial (Expansión, 2019).

Brynjolfsson y Saunder (2010) realizaron una investigación a nivel nacional en la que identificaron los que llamaron los 7 pilares de la organización digital, acorde al gráfico 3, éstos incluyen aspectos relacionados con el capital humano, acceso a la información y sobre todo, la base de todo este sistema inicia con el punto 1. Moverse de procesos análogos a procesos digitales, que para los fines del presente documento, nos enfocaremos en este punto. Los mencionados autores, señalan que la clave de la digitalización es mudar el mayor número posible de procesos al aspecto digital, lo que permitirá que por un lado, las empresas se liberen de las limitaciones físicas y por otro, conlleva que sea más sencillo rastrear indicadores clave de las mismas.

Gráfico 3. Pilares de la organización digital
 

 
Fuente: elaboración propia con información de  Brynjolfsson y Sounders (2010).

De acuerdo con Rodic (2017) si bien, no está del todo delimitado los aspectos que abarca la industria 4.0, lo que si es claro es que esta requiere productos, específicamente software industrial y de gestión (herramientas CAD, simulación virtual, ERP, MES, PLM), procesadores (SCADA, DCS, PLC) y dispositivos (Ethernet, robótica, RFID ,sensores, switches, etc) cuya aplicación se extiende a todos los ámbitos de la empresa, empezando por el proceso industrial, en donde ya existen registros de la simulación de procesos, que en esta nueva tendencia, toman fuerza y se potencializan con las tecnologías emergentes conformándose en elementos como la manufactura digital en donde el uso del gemelo digital se vuelve un tema cada vez más relevante.

Cuando se habla de gemelo digital, se hace referencia a una representación virtual de un producto, proceso o desempeño (Siemens, 2019), aunque éste se ha utilizado desde hace tiempo en la industria, hoy en día está está revolucionando toda la cadena de valor, debido principalmente a que permite incrementar la eficiencia, reduce las tasas de fracaso y sobre todo, recorta el tiempo de desarrollo, lo que representa una posibilidad para generar oportunidades de negocios.

De acuerdo con Rodic (2017) tres son los aspectos que resumen los cambios en el paradigma de simulación y modelado basado en simulación independiente de “gemelo digital”:

  • La conectividad y la integración en un sistema más amplio es la norma (MRP/ERP)
  • El sistema modelado se realiza de manera holística, multinivel que incluye modelado físico con un alto nivel de detalle y un bajo nivel de abstracción.
  • La construcción y modificación de modelos es automatizada (basada en datos) al más alto grado.

El Gemelo Digital, proporciona una amplia gama de herramientas de soporte de decisiones que actualiza dinámicamente la representación digital del proceso tal como ocurre en la vida .Los datos del proceso se recopilan en tiempo real por los sensores y máquinas inteligentes en el proceso empresarial, se almacenan en una base de datos y posteriormente son transferidos a la “sombra digital”.  La operación del modelo Digital Master se ajusta a partir de los datos en la Sombra digital, lo que permite contar con optimización en línea, soporte de decisiones, así como control de la automatización del proceso, generando así un control del circuito de retroalimentación, lo que resulta en la base de los sistemas cibernéticos (Kljajić, 2002).

Siemens ha desarrollado una cartera de productos que hoy en día son pioneros en el área:

La producción digital se considera prometedora por incluir tecnologías reducen el tiempo de desarrollo de producto, costos asociados al mismo, así como la facilidad de personalización, y respuesta más rápida al mercado (Mahendra, 2016).

Junto con la producción digital, las tecnologías asociadas al diseño asistido por computadora son, la simulación y realidad virtual, automatización, control de procesos, entre otras, las cuáles constituyen un ser de simulación digital que se emplean conjuntamente para el diseño de componentes, productos o procesos.

Así pues, uno de los elementos que se suma en la era de la manufactura digital es la simulación virtual. La aplicación de simulación de movimiento 3D se ilustra para el diseño y diseño del sistema de manejo de materiales. La gran ventaja de utilizarla es que permite verificar diversos aspectos previo a su implementación tales como su uso, apego a normas, probar diferentes alternativas a fin seleccionar la mejor alternativa para conseguir los resultados deseados, hacer ajustes hasta encontrar la mejor opción costo-eficiente así como hacer todos los ajustes necesarios a fin de reducir costos, todo ello, en tiempo real (Dávila y Torres, 2008).

Conclusiones

La simulación de procesos industriales es una herramienta sumamente útil, si bien, tuvo su origen en el sector bélico, una vez que se desarrollaron sistemas de uso discreto con aplicación civil en los 60´s, ésta se ha convertido en un elemento indispensable en las industrias para la simulación de procesos, reduciendo tiempo de desarrollo, costos y abriendo nuevas oportunidades de negocios.

Con la expansión de la industria 4.0, esta herramienta también ha experimentado un apogeo incluyendo elementos como el gemelo digital en un marco de fabricación digital que consolida una serie de tecnologías emergentes tales como la Realidad Virtual, simulación de movimientos en 3D así como una serie de activadores tales como sensores, activadores, etc.

Una vez analizadas las implicaciones de la evolución en la simulación de procesos, es evidente que nos encontramos en un momento histórico en dónde prácticamente cualquier desarrollo está al alcance inmediato y los límites están determinados por la imaginación, pues gracias a las tecnologías emergentes, es posiblemente imaginar, diseñar y llevar a la realidad prácticamente cualquier creación reduciendo los tiempos de implementación, así como los costos asociados al mismo.

 

Bibliografía

Brynjolfsson, Erik y Saunders, Adam (2010). Weird for innovation, how information technology is reshaping the economy. The MIT Press Cambridge, Massachusetts London, England

Dávila-Ríos, Ignacio y Torres-Treviño, Luis. (2008). On the Implementation of a Robotic Welding Process Using 3D Simulation Environment. 283 – 287. 10.1109/CERMA.2008.71.

AC Train (2019). Historia de la simulación de procesos. Recuperado de: https://ac-train.com/historia-de-la-simulacion-de-procesos/ Consultado el: 19 de Septiembre de 2019.

Facultad de Informática de la Universidad de Barcelona (2019). Simulación.Recuperado de: https://www.fib.upc.edu/retro-informatica/avui/simulacio.html Consultado el 20 de Septiembre de 2019.

Expansión(2019).El impacto de la IA en la economía mundial será de 30 bdd en 2030. Recuperado de: https://expansion.mx/tecnologia/2019/07/04/el-impacto-de-la-ia-en-la-economia-mundial-sera-de-30-bdd-en-2030. Consulado el: 21 de Septiembre de 2019

López-Portillo Romano, José Ramón. (2018).La gran transición. México. Fondo de Cultura Económica.

Mahendra, Chaudhari (2016). Digital manufacturing for competitive advantages. IJARIIE. Vol-2 Issue-42

Rodic, Blaz (2017). Industry 4.0 and the New Simulation Modelling Paradigm. Faculty of information studies, Ljubljanska cesta 31A, Novo mesto, Slovenia

Schwab, Klaus (2017). La cuarta revolución industrial. 1ª edición. España. Debate

Siemens (2019). Gemelo digital. Recuperado de: https://new.siemens.com/global/es/empresa/la-revista/industria/gemelo-digital.html Consulado el: 22 de Septiembre de 2019

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