Tesis:
Arquitecturas para el Diseño de Sistemas Basados en Digital Twin Inmersivos Aplicados al Monitoreo y Control de Procesos Industriales
- Autor: CAIZA GUANOCHANGA, Gustavo Javier
- Título: Arquitecturas para el Diseño de Sistemas Basados en Digital Twin Inmersivos Aplicados al Monitoreo y Control de Procesos Industriales
- Fecha: 2025
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/88630/
- Director/a 1º: SANZ BRAVO, Ricardo
- Resumen: Manufacturing systems are facing a new revolution driven by the digitization of assets, processes, and computing capabilities imposed by new data-driven digital architectures. This represents a transformative shift towards digitization, automation, and connectivity, aiming to create highly efficient and flexible production systems, qualified to adapt to the current and dynamic market demands. Among the enabling technologies of Industry 4.0, the Digital Twin is considered the one leading the way for cyber-physical integration, as the 'cyber' side of CPSs (Cyber-Physical Systems) is often the hosting environment for the DT. The Digital Twin is defined as a digital replica of a physical system that has bidirectional communication and constantly exchanges information between the physical and virtual entities.
For architecture design, it is important to rely on established standards to provide a comprehensive framework for the design, management, and evaluation of the Digital Twin. For these reasons, this research considered the ISO/IEC/IEEE 42010, 42020, 42030, and ISO 23247 standards. These standards specify the fundamental requirements of all the elements that comprise the physical and virtual entities, the guidelines for managing the architecture through a reference model, the requirements for an architecture evaluation framework, and the standardization of a framework to support the creation of the DT in manufacturing applications.
This research proposes the implementation of an architecture for the design of an immersive Digital Twin-based system applied to the monitoring and control of industrial processes. The design of the proposed architecture is based on ISO standards and incorporates the integration of technologies such as Cyber-Physical Systems, Manufacturing Execution Systems, Robotics, the Internet of Things, Augmented Reality, Virtual Reality, and communication protocols like MQTT and OPC UA, to enhance the functionalities of the DT and provide greater capabilities. The proposed work was implemented in an Industry 4.0 laboratory composed of Festo CP-Lab and CP-Factory stations. The following requirements were considered for the implementation of the DT design: (1) observable attributes, 3D design, and visualization of all physical production lines at all stages, (2) a communication entity through flexible and robust protocols for collecting state changes of physical and virtual entities, (3) a DT entity where digital models are modeled and updated based on collected data, and (4) user entities through the integration of enabling technologies.
The experimental results obtained showed that the immersive DT represents a novel technological paradigm that introduces innovative approaches to improve monitoring, control, decision-making, and efficient management throughout the production cycle. Thanks to these characteristics, the precision and efficiency of manufacturing can be improved based on high-fidelity real-time simulation, converting all available information into knowledge and closing the cyber-physical system loop, making the DT vital to achieving smart manufacturing. Additionally, the proposed architecture, together with the use of industrial protocols, allows the exchange of information between models as well as physical and virtual addresses, integrating the real context of measurement equipment and simulated data analysis. This achieves an improvement in operational efficiency and optimization of manufacturing operation procedures through continuous monitoring, interoperability, and error diagnosis throughout the entire production line, achieved by synchronizing physical and virtual environments.
RESUMEN
Los sistemas de fabricación se enfrentan a una nueva revolución basada en la digitalización de activos, procesos y capacidades informáticas impuestas por las nuevas arquitecturas digitales basadas en datos. Esto representa un cambio transformador hacia la digitalización, la automatización y la conectividad, con el objetivo de crear sistemas de producción altamente eficientes y flexibles, calificados para adaptarse a las demandas actuales y dinámicas del mercado. Entre las tecnologías habilitadoras de la industria 4.0 se considera que el Digital Twin es el que marca el camino para la integración ciberfísica, debido a que el lado cibernético de los CPS suele ser el entorno de alojamiento del DT, que se define como una réplica digital de un sistema físico que tiene comunicación bidireccional e intercambia constantemente información entre las entidades físicas y virtuales.
Para el diseño de arquitecturas es importante basarse en estándares establecidos para proporcionar un marco completo para el diseño, gestión y evaluación del Digital Twin. Por estos motivos en la presente investigación se consideraron los estándares ISO/IEC/IEEE 42010, 42020, 42030 e ISO 23247. Los cuales especifican los requisitos fundamentales de todos los elementos que componen las entidades físicas y virtuales, las pautas para la gestión de la arquitectura mediante un modelo de referencia, los requisitos sobre un marco de evaluación de arquitectura, y la estandarización de un marco para respaldar la creación del DT en aplicaciones de fabricación.
La presente investigación propone la implementación de una arquitectura para el diseño de un sistema basado en Digital Twin inmersivo aplicado al monitoreo y control de procesos industriales. Para el diseño de la arquitectura propuesta se basó en las normas ISO y se realizó la integración de tecnologías como: Sistemas ciberfísicos, Sistemas de Ejecución de Manufactura, Robótica, Internet de las Cosas, Realidad Aumentada, Realidad Virtual y protocolos de comunicación MQTT y OPC UA, con el objetivo de potenciar las funcionalidades del DT y brindar mayores prestaciones. El trabajo propuesto se implementó en un laboratorio de industria 4.0 que está compuesto por las estaciones Festo CP-Lab y CP-Factory. Para la implementación de la arquitectura se consideró los siguientes requerimientos para el diseño del DT, (1) atributos observables, diseño 3D y visualización de todas las líneas de producción físicas en todas sus etapas, (2) entidad de comunicación a través de protocolos flexibles y robustos para la recopilación de cambios de estado de las entidades físicas y virtuales, (3) entidad del DT donde se modela y actualiza los modelos digitales en función de los datos recopilados, y (4) entidades de usuario mediante la integración de tecnologías habilitadoras.
Los resultados experimentales obtenidos mostraron que el DT inmersivo representa un paradigma tecnológico novedoso que introduce enfoques innovadores para mejorar los procesos de monitoreo, control, toma de decisiones y gestión eficiente durante todo el ciclo de producción. Gracias a estas características se puede mejorar la precisión y eficiencia de la fabricación basándose en simulación de alta fidelidad en tiempo real, convirtiendo toda la información disponible en conocimiento y cerrando el ciclo del sistema ciberfísico por lo que el DT es vital para lograr la fabricación inteligente. Además, la arquitectura propuesta en conjunto con el uso de protocolos industriales permiten el intercambio de información tanto de modelos como de direcciones físicas y virtuales integrando el contexto real de los equipos de medición y el análisis de datos simulados, logrando una mejora en la eficiencia operativa y optimización de los procedimientos de operación de fabricación a través del monitoreo continuo, la interoperabilidad, y diagnóstico de errores durante toda la línea de producción, esto se logra mediante la sincronización de los entornos físicos y virtuales.