Validação em loop fechado: reunindo os mundos real e virtual

Por Rahul Garg e Daniel Scuzzarello, vice-presidente do Industrial Machinery & SMB Program da Siemens Digital Industries Software e CEO da empresa no Brasil, respectivamente

Salvador, 02/08/2021 – A demanda do cliente final por produtos altamente diferenciados e personalizados está aumentando as exigências aos OEMs para máquinas personalizadas. Para garantir que as máquinas modernas e complexas de hoje atendam a todas as suas especificações, os fabricantes de máquinas precisam confiar na simulação no início e, com frequência, durante o processo de projeto e verificação. Porém, para melhorar a velocidade da inovação e a confiança na simulação virtual e minimizar a prototipagem e os testes, é importante correlacionar a precisão dessas simulações à operação da máquina no ambiente físico real. Por meio de um processo de validação em loop fechado, a Engenharia de Desempenho Inteligente (IPE – Intelligent Performance Engineering) oferece a capacidade de verificar a simulação por meio de feedback em tempo real de dados de máquina baseados em sensores.

Respondendo à complexidade com Engenharia de Desempenho Inteligente

Os consumidores exigem cada vez mais um sistema de pacotes de produtos e serviços integrados e personalizados para atender às suas necessidades individuais. Com isso, os fabricantes de máquinas devem estar preparados para oferecer uma variedade muito maior de opções de personalização para suas máquinas que atendam às solicitações exclusivas dos seus clientes. Ao mesmo tempo, as demandas do mercado por melhor rendimento e desempenho, eficiência energética, qualidade e segurança deram origem a máquinas mais complexas que integram tecnologia avançada para criar sistemas inteligentes conectados. Esses sistemas reúnem controles mecânicos e elétricos, e outros recursos para ajudar os OEMs na produção de máquinas altamente personalizáveis e adaptáveis, confiáveis e eficientes para os seus clientes. Além disso, os fabricantes de máquinas enfrentam a ameaça de concorrentes de baixo custo em todo o mundo. Para que os fabricantes de alto desempenho prosperem nesse ambiente, eles devem abraçar a digitalização para impulsionar a inovação, a diferenciação e a competitividade de custo, destacando-se de seus pares. A Engenharia de Desempenho Inteligente (IPE) oferece uma alternativa, ajudando os OEMs a descobrir projetos melhores e com mais rapidez e aumentar a produtividade.

A IPE permite que as equipes avaliem com eficiência as muitas variações necessárias para as máquinas da próxima geração em um ambiente virtual, alcançando um equilíbrio ideal de custo e desempenho e outros requisitos fundamentais, além de obter confiabilidade máxima. A IPE oferece três diferenciais principais para ajudar os fabricantes de máquinas: simulação e testes multifísicos, projeto e simulação integrados e validação em loop fechado. A simulação e os testes multifísicos equilibram a engenharia de múltiplos atributos para fornecer uma grande variedade de disciplinas como a física sob o mesmo guarda-chuva, desta forma, otimizando a complexidade cada vez maior das máquinas industriais.

“O projeto e a simulação integrados permitem que os projetistas e engenheiros de simulação usem o mesmo modelo em um sistema, ajudando a impulsionar a inovação e aumentar a produtividade por meio da simulação. A simulação dessas máquinas mais inteligentes nas fases iniciais do projeto reduz o tempo de desenvolvimento e o risco” diz Daniel Scuzzarello, Country Manager da Siemens Digital Industries Software no Brasil.

Por fim, a validação em loop fechado, que é o foco deste artigo, confirma as simulações, captando e testando a relação entre os requisitos, o layout funcional, a implementação lógica e a implementação física.

Reunindo teste e simulação

A validação em loop fechado permite que os construtores de máquinas se movimentem facilmente durante o projeto, comissionamento e operação da máquina em campo, avançando ou voltando etapas. Esta metodologia está baseada no uso do gêmeo digital da máquina, ajudando a projetar, simular, testar, compreender e prever o desempenho da máquina física em uma série de condições antes, durante e depois de se comprometer com um protótipo físico.

A base do gêmeo digital abrangente é a integração de projeto e simulação, em que as várias disciplinas de engenharia captam os resultados da simulação e validação em um repositório centralizado. Agora as equipes podem avaliar a capacidade e a limitação das variações do produto com mais eficiência devido à integração entre projetistas, analistas e dados ativos; todos focados em melhorar as principais métricas de projeto. Os threads digitais também ajudam a automatizar o compartilhamento de informações entre as equipes de engenharia, analistas de produção, equipes de teste e engenheiros de serviço. Com o gêmeo digital apoiado por threads digitais, os fabricantes de máquinas aumentam a flexibilidade do projeto, aumentam a produtividade e melhoram os processos de inovação para construir a próxima geração de máquinas industriais inteligentes.

Durante o estágio de projeto e simulação, a validação da máquina virtual usando o gêmeo digital permite que a equipe verifique os projetos com antecedência, teste várias configurações rapidamente e entenda o impacto das variáveis umas nas outras sem a necessidade de um protótipo físico caro. Mas essas simulações exigem simplificação da realidade com base em suposições bem instruídas. O gêmeo digital virtual pode não ter alguns dos verdadeiros critérios e verdadeiros ambientes que a máquina encontrará ao operar no mundo real. Para garantir que as suposições da simulação não se esqueceram de comportamentos importantes e que o projeto não tenha sido simplificado demais, é fundamental testar e validar as máquinas no ambiente real. É nesse momento que o processo de validação em loop fechado entra em cena.

Loop fechado para entregar máquinas ainda melhores

Depois que a máquina muda para um protótipo físico e, eventualmente, para a produção real, ela agora pode ser usada na validação baseada em teste e em tempo de execução. O construtor da máquina pode conectar os sensores apropriados para coletar dados de desempenho operacional da máquina em tempo real, complementados por sensores virtuais. Por meio de uma análise intensa do desempenho da máquina, as validações em loop fechado fornecem uma noção real de como a máquina atenderá às necessidades do cliente. Dados sobre variáveis como taxas de produção, ruído e vibração fornecem feedback em tempo real, reunidos e transferidos ao gêmeo digital para validar e melhorar a precisão dos critérios de teste para modelos de simulação futuros. Este processo conecta os dados de simulação ao objeto do projeto, garantindo que os modelos de simulação sejam precisos, fornecendo aos construtores de máquinas uma visão maior do processo de validação e permitindo que eles ajustem os parâmetros e aprimorem futuros projetos e a engenharia do produto.

Além disso, os processos de loop fechado podem validar as simulações captando e validando as relações entre os requisitos, incluindo o layout funcional da máquina, a implementação lógica do código de automação e a implementação física do módulo. A validação aprimorada pode reduzir o custo para garantir que as alterações funcionem conforme planejado antes de colocá-las em produção.

Benefícios em todo o ciclo de vida da máquina

Manutenção preditiva: a validação em loop fechado continua agregando valor ao longo de toda a vida útil da máquina. Ela pode ser usada para realizar análises inteligentes com os dados operacionais da máquina e descobrir novas informações e criar produtos ainda melhores. Para o usuário final da máquina que conhece o uso real da máquina, ele pode antecipar a manutenção antes que se transforme em paralisação grave. Ao combinar dados do mundo real e o gêmeo digital, o usuário pode prever diferentes condições operando com cargas reais. É possível verificar como está evoluindo o desempenho da máquina e como a máquina se comporta para antecipar problemas e planejar a manutenção quando necessário, evitando assim a condição grave de um problema inesperado ou paralisação. Isso permite a manutenção preditiva para a máquina quando necessário, abordando as ameaças ao desempenho da máquina antes que se transformem em problemas maiores que podem afetar a linha de produção.

Alterações no desempenho da máquina: reunir os ambientes de simulação e teste também promove maior adaptabilidade da máquina. Ao aplicar dados do mundo real ao ambiente de simulação, o usuário da máquina pode explorar como as alterações no uso real da máquina vão afetar as metas de desempenho específicas. Por exemplo, o motor de uma máquina operando a 100 RPM pode causar problemas de rendimento e aquecer. O operador da máquina poderia usar o gêmeo digital da máquina que incorporou dados operacionais do mundo real para avaliar rapidamente uma variedade de possíveis cenários e descobrir que a operação do motor a 70 RPM ainda oferece a produtividade desejada sem afetar o desempenho geral da máquina.

Comissionamento no local: quando a máquina estiver pronta para entrega ao cliente, a validação em loop fechado garante tempos de comissionamento menores. O gêmeo digital pode suportar o comissionamento virtual antes da instalação física real no chão de fábrica do cliente, virtualizando uma grande parte do processo de verificação e otimização necessário para o comissionamento. Agora os engenheiros podem comissionar virtualmente o controlador lógico programável (CLP) do modelo de simulação da máquina, reduzindo o risco e o tempo necessário de treinamento e comissionamento.

Engenharia de máquinas: Quanto ao fabricante da máquina, a validação em loop fechado durante a vida útil de operação da máquina beneficia significativamente a qualidade de seus produtos futuros. Ela pode usar a capacidade d Internet das Coisas Industrial (IIoT) para coletar em tempo real dados de desempenho do produto em campo e transferir para um ambiente centralizado e seguro. Essas informações são então incorporadas ao gêmeo digital para melhorar a precisão dos modelos ao longo do tempo, analisando os dados de desempenho do equipamento. Ao incorporar essa riqueza de dados ao gêmeo digital, o fabricante da máquina pode melhorar o desempenho e a produção da próxima geração de máquinas.

Avaliação do desempenho dos componentes da máquina: esses dados também reduzem os custos de desenvolvimento subsequentes, permitindo que os construtores de máquinas e seus fornecedores façam a validação virtual do desempenho dos componentes em paralelo ao projeto, quando isso é mais barato e mais eficaz, ajudando a garantir que as variações personalizadas funcionem conforme esperado, antes de ir para a produção.

Produção mais rápida de máquinas totalmente otimizadas

A validação em loop fechado traz dados e ambientes da vida real para o ambiente de engenharia de projeto, melhorando o desempenho geral, o projeto e os recursos das máquinas da próxima geração e resolvendo rapidamente os problemas do cliente durante o ciclo de vida da máquina.

Quando combinado com outros recursos robustos oferecidos pela IPE – simulação multifísica e integração de projeto e simulação – a IPE permite que os fabricantes de máquinas atendam com segurança às demandas do mercado em constante evolução. Agora é possível entregar de forma rápida e econômica um desempenho, eficiência energética e segurança ainda melhores com as máquinas cada vez mais complexas atuais e futuras, que devem integrar tecnologias avançadas. Desta forma, os fabricantes podem projetar e entregar máquinas personalizadas e diferenciadas para atender às expectativas de seus clientes finais para produtos altamente personalizados.

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