Simulação: do conceito ao gémeo virtual
Publicado às 04 de junho de 2025 em Industry 4.0
Simulação: do conceito ao gémeo virtual
Como é que os fabricantes podem aproveitar o poder da simulação para obter um design real à primeira? O conceito de utilizar simulação para apoiar o design de fábricas já existe há anos, sendo mesmo anterior aos computadores. Os primeiros exemplos de simulação foram modelos físicos que permitiam aos engenheiros testar processos e designs à escala reduzida antes de os aplicar em grande escala. Embora os mesmos princípios fundamentais ainda se apliquem, atualmente a simulação ocorre num ambiente virtual. Isto oferece uma capacidade muito superior para criar processos complexos e testar o efeito das variáveis nos resultados. As tecnologias baseadas em IA têm sido fundamentais para alcançar este nível de flexibilidade e sofisticação.Simulação sem limites
A próxima fronteira na simulação é uma mudança para uma abordagem mais holística. A simulação de robôs e de PLC tornou-se uma prática comum na indústria – raramente são construídas fábricas sem que a automação e os controlos tenham sido previamente testados num ambiente virtual. No entanto, com o advento de tecnologias de fábricas inteligentes, as limitações de simular máquinas ou processos isolados estão tornar-se evidentes.
A convergência de IT/OT – a integração de sistemas de gestão de dados (IT) com sistemas de operação industrial (OT) – está a introduzir novos desafios para a simulação. As plataformas de simulação de sistemas isolados não têm em conta a conetividade que as fábricas procuram alcançar em termos de recolha, partilha, análise e utilização de dados. Tendo isto em consideração, vários setores industriais – automóvel, farmacêutico e cosmético, entre outros – procuram soluções de simulação capazes de replicar fábricas inteiras.
E não tem necessariamente de ficar por aí. As operações e a gestão da cadeia de fornecimento estão cada vez mais interdependentes e digitalizadas, e os modelos de simulação terão de considerar fatores que vão para além dos limites físicos da fábrica. A variabilidade dos materiais recebidos e as perturbações da cadeia de fornecimento, por exemplo, têm de ser tidas em consideração.
Existe também uma necessidade crescente de ferramentas de simulação para explorar as sinergias entre diferentes unidades industriais, para analisar como várias fábricas podem trocar dados e investigar e comparar o desempenho entre estas. Além disso, à medida que muitos fabricantes adotam o modelo DAMA (Design Anywhere, Manufacture Anywhere – Projetar em qualquer lugar, fabricar em qualquer lugar), precisam da simulação para determinar a forma como podem ser alcançados resultados consistentes em diferentes locais, com variabilidade na entradas.
Estratégias de simulação
Existem cinco ferramentas de simulação que têm papéis importantes a desempenhar na conceção de uma fábrica digitalizada: MiL (Model-in-the-loop), SiL (Software-in-the-loop) e HiL (Hardware-in-the-loop) para validar conceitos; gémeos digitais que imitam processos do mundo real e otimizam cenários; e gémeos virtuais para monitorização contínua e melhoria de fábricas em tempo real.
1. MiL (Model-in-the-loop)
O MiL é utilizado em fases iniciais de desenvolvimento. Simula um sistema juntamente com o seu modelo de ambiente para testar algoritmos antes de avançar para o SiL e o HiL. Nesta etapa, grande parte do software de controlo pode ser gerado. A geração automática de código reduz o tempo de desenvolvimento e minimiza os erros humanos.
2. SiL (Software-in-the-loop)
O SiL testa o software de automação por trás do design da fábrica – desde o software incorporado aos algoritmos e circuitos de controlo. Executa o software numa plataforma virtual, permitindo a validação sem a necessidade de hardware físico. Esta fase de teste antecipada ajuda a detetar erros que poderiam ser dispendiosos de corrigir numa fase posterior.
3. HiL (Hardware-in-the-loop)
Segue-se o hardware. Esta fase começa com um PLC ou controlador de motion a executar a máquina virtual. Gradualmente, são adicionados componentes físicos como motores, sensores e sistemas de visão, criando um ambiente híbrido. O HiL é popular na indústria automóvel, particularmente nos testes de sistemas avançados de assistência à condução (ADAS).
4. Gémeos digitais
Um gémeo digital é uma réplica virtual de um produto, processo ou sistema. Espelha o comportamento do mundo real através de um modelo CAD 3D ligado a dados em tempo real. Por exemplo, o gémeo digital de um robô permite que os fabricantes testem cargas úteis, fluxos de trabalho e outras variáveis, facilitando decisões mais fundamentadas.
5. Gémeos virtuais
Os gémeos digitais podem evoluir para gémeos virtuais que simulam comportamentos avançados. Não há uma distinção rígida entre ambos; contudo, geralmente, considera-se que um gémeo digital torna-se uma gémeo virtual quando o hardware está ligado e começa a trocar dados em tempo real com a fábrica em funcionamento. Neste momento, funciona continuamente em paralelo com a operação real.
Sysmac Studio: um ambiente de desenvolvimento integrado
O Sysmac Studio, a ferramenta de simulação da OMRON, oferece aos engenheiros um conjunto de ferramentas avançadas para programação, simulação e monitorização de PLC, controladores de motion, sistemas de visão e outros dispositivos de automação. Destaca-se por oferecer três vantagens principais que vão além das soluções convencionais de automação industrial:
1. Lógica de segurança
A segurança é um aspeto do design de fábricas frequentemente negligenciado pelos fornecedores de simulação. Muitas vezes, as empresas concentram-se apenas no desempenho de um sistema ou processo durante os testes virtuais, detetando problemas de segurança que exigem a reconceção numa fase muito posterior. A OMRON distingue-se por integrar lógica de segurança na sua plataforma de simulação 3D, permitindo aos fabricantes realizar testes de segurança abrangentes, incluindo funções como botoneiras de emergência, barreiras e sensores de segurança, bem como desenvolver estratégias ideais, por exemplo, para a colocação e programação de portas de proteção de máquinas.
2. Depuração virtual
A capacidade de depurar um design de sistema de automação num ambiente virtual é uma aplicação que poucos fornecedores de simulação podem oferecer. A OMRON combinou renderização de alta fidelidade com simulação avançada para desenvolver uma aplicação de depuração 3D que permite identificar falhas. Os utilizadores podem ligar virtualmente os seus sensores e depurar uma máquina ou linha.
3. Biblioteca de blocos de funções
A OMRON desenvolveu uma biblioteca de blocos de funções do PLC que podem ser utilizados tanto num ambiente de simulação como em sistemas reais. Estes componentes de software são ficheiros que podem ser carregados num sistema de controlo, fornecendo ao PLC todas as funcionalidades necessárias para executar aplicações específicas, acelerando assim o processo de desenvolvimento. Aproveitando a vasta experiência da OMRON, estas bibliotecas abrangem áreas como soldadura, enrolamento, desenrolamento, ferramentas de inserção por pressão, robótica, motion, inspeção e muito mais. Estes blocos de funções também estão disponíveis para utilização em ambiente virtual, permitindo criar simulações muito mais detalhadas e próximas da realidade.
Vantagens reais da simulação virtual
A simulação é uma pedra angular da fábrica digital. Existem imensas formas de proporcionar vantagens reais, desde facilitar a análise de modos de falha e respetivos efeitos, que podem orientar estratégias de manutenção, permitir a paralelização de processos para a otimização do desempenho e acelerar o tempo de colocação no mercado, encurtando os ciclos de planeamento e design até 25% ou mais.
Para a indústria automóvel, onde os ciclos de vida dos produtos estão a diminuir e os ciclos de inovação estão a acelerar, a simulação proporciona a agilidade necessária para manter a competitividade. Por exemplo, um gémeo virtual de uma linha de produção de baterias de veículos elétricos permitirá aos fabricantes testar fluxos de trabalho, otimizar o manuseamento de materiais e identificar potenciais estrangulamentos antes de investir em equipamento.
Na indústria dos cosméticos, onde o design dos produtos precisa de considerar as tendências sazonais, as preferências regionais e a disponibilidade de ingredientes, as ferramentas de simulação permitem testar diferentes fórmulas e configurações de produção antes de serem realizados ensaios físicos.
Através de parcerias, a OMRON traz novas propostas de valor aos fabricantes que pretendem explorar abordagens avançadas de simulação. Combinando a experiência em IT e os conhecimentos de automação industrial da OMRON, estas colaborações permitem uma troca aberta e rápida de dados em tempo real entre sistemas de IT e operações de OT, proporcionando plataformas para o avanço de soluções de simulação.
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