Uso de gemelos digitales para la validación y verificación de software en el estándar de programación industrial IEC-61131

Abstract

Durante las últimas décadas, el uso de tecnologías de control y la automatización de procesos se ha vuelto cada vez más común en la industria, evolucionando significativamente desde su aparición en los años 60. Con el fin de controlar los distintos procesos industriales, se introducen los autómatas programables o PLCs (Programmable Logic Controllers), usados para gestionar actuadores (ej.motores) u otros dispositivos en función de la información recibida a través de las entradas (ej. sensores) acorde a la lógica de control que implementan. Esta creciente digitalización de la industria provoca una tendencia hacia la optimización y el diseño de procesos mediante el uso de tecnologías avanzadas, resultando en una cuarta revolución industrial o Industria 4.0, caracterizada por el uso de máquinas y fábricas inteligentes. Interesa resaltar, entre estas nuevas tecnologías, la utilización de gemelos digitales. Un gemelo digital es una réplica virtual de un sistema físico, a menudo en formato 3D, que reproduce su comportamiento en tiempo real. A diferencia de las simulaciones clásicas, donde las interacciones están programadas de antemano, en los gemelos digitales, las interacciones entre elementos se basan en leyes físicas básicas, lo que permite una emulación más realista del sistema y la identificación de posibles fallos antes de su implementación en el mundo físico. Esto facilita el estudio del comportamiento del software de forma previa a su implementación en un sistema real. Para explorar en profundidad cómo los gemelos digitales pueden utilizarse como herramienta para validar y verificar el software de control de sistemas reales, se obtendrá un gemelo digital de un sistema neumático específico (proporcionado por el área de Ingeniería de Sistemas y Automática de la Universitat Jaume I), utilizando la herramienta de simulación Factory I/O. En este programa se recreará virtualmente el entorno del sistema, incluyendo sus componentes y su interacción, en un formato tridimensional inmersivo. Una vez obtenido el gemelo digital, se procede al desarrollo del software de control necesario para dirigir el comportamiento del sistema. Para esto, se utilizará CODESYS®, un entorno de desarrollo integrado para programar aplicaciones de controlador reconocido a nivel internacional y ampliamente utilizado en la programación de sistemas industriales. Este entorno sigue los estándares de programación establecidos por la normativa IEC-61131. Cuando se programa un PLC, es común que los principales fabricantes adopten los conceptos del estándar IEC-61131, ampliamente reconocido a nivel internacional como una referencia para la programación de sistemas de control industrial. Entre los cinco lenguajes definidos por esta normativa, el siguiente proyecto se centra en el SFC (Sequential Function Chart) que, como se verá más adelante, permite programar de manera más visual. Previamente a la implementación del programa mediante SFC, se utilizará el lenguaje GRAFCET, definido en la norma IEC-60848, al ser este un lenguaje de modelado gráfico. El siguiente paso de este proyecto es la utilización del gemelo digital desarrollado para llevar a cabo pruebas del software de control. Esto permite realizar una evaluación precisa del rendimiento del software en un entorno virtual antes de su implementación en el sistema físico real. De este modo, en primer lugar, se verifica el código, asegurándose de que cumple con los requisitos establecidos de forma teórica comprobados en el entorno virtual. Y, en segundo lugar, se pasa a la validación del código para garantizar que funcione de manera óptima en el sistema real, cumpliendo así con las funciones requeridas. En este trabajo de final de grado, se pretende discutir las ventajas y limitaciones del uso de gemelos digitales como método para la validación y verificación de software desarrollado según el estándar IEC-61131, así como las herramientas necesarias para su implementación, mediante un ejemplo práctico. Como se ha visto, este método consiste en replicar de la manera más fidedigna posible el sistema en el que se va a implementar el software, de modo que se obtiene una copia virtual en la que se puede evaluar el programa sin asumir riesgos en la realidad. Se busca evaluar la incidencia de los gemelos digitales en la eficacia y la fiabilidad de los procesos de control y automatización industrial, a la vez que se asegura el cumplimiento de los estándares establecidos.