Virtualização de processos na Indústria 4.0 Mestrado em Engenharia Eletrotécnica Tiago Miguel dos Santos Neves Leiria, novembro de 2020 Virtualização de processos na Indústria 4.0 Mestrado em Engenharia Eletrotécnica Tiago Miguel dos Santos Neves Projeto realizado sob a orientação do Professor Doutor Eliseu Ribeiro e do Professor Doutor Luís Perdigoto Leiria, novembro de 2020 Originalidade e Direitos de Autor O presente projeto é original, elaborado unicamente para este fim, tendo sido devidamente citados todos os autores cujos estudos e publicações contribuíram para a elaborar. Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição de que seja mencionado o Autor e feita referência ao ciclo de estudos no âmbito do qual o mesmo foi realizado, a saber, Curso de Mestrado em Engenharia Eletrotécnica, no ano letivo 2019/2020, da Escola Superior de Tecnologia e Gestão do Instituto Politécnico de Leiria, Portugal, e, bem assim, à data das provas públicas que visaram a avaliação destes trabalhos. iii Agradecimentos Ao elaborar este projeto, não poderia deixar de agradecer a todas as pessoas com quem troquei conhecimentos e contribuíram para que o projeto tivesse um melhor desenvolvimento. Aos orientadores deste projeto, Eliseu Ribeiro e Luís Perdigoto, pelo auxílio nas tarefas a realizar, indo ao encontro do que é o objetivo do projeto. Também pela disponibilização de um posto de trabalho na Siemens Automation Academy, com acesso a software e hardware utilizado neste projeto. À empresa CADFLOW, pela sua disponibilidade em demonstrar o funcionamento básico de software da Siemens® (NX e Mechatronics Concept Designer). A todos os colegas de mestrado, com quem tive o prazer de partilhar várias ideias na área da Eletrotécnia e com isso tornar mais completo o desenvolvimento do projeto. Aos meus familiares, por me apoiarem ao longo do curso de mestrado. iv Resumo Neste projeto, foi desenvolvido um sistema de virtualização de processos na Indústria 4.0, com o objetivo de demonstrar a importância de existir uma análise e monitorização, em processos automáticos na área da indústria. O conceito Digital Twin, está a ser utilizado neste tema de virtualização, pois pode ser definido como uma cópia virtual de um processo físico existente, tendo como objetivo interagir com esse, trocando informação e identificar melhorias ao longo do tempo. Também se define por uma simulação de um modelo real, antes de este ser implementado para prever o seu funcionamento. Tendo em conta os conteúdos descritos, foi realizado um Digital Twin de um kit de automação, que se encontra na Siemens Automation Academy, na ESTG, e é utilizado para dar formação aos alunos, com a utilização de autómatos. Este kit é constituído por uma mesa rotativa de assemblagem, que disponibiliza peças a um operador, e contém vários sensores e atuadores para o funcionamento automático do processo. A ideia principal é a de utilizar um software de modelação 3D, para efetuar o modelo virtual do kit, neste caso o NX da Siemens®, que tem incorporado o simulador de movimentos e física através de atuadores e sensores, o Mechatronics Concept Designer. Para efetuar a programação do Digital Twin, é utilizado o TIA Portal da Siemens®. Neste software, é possível existir uma interligação, entre eles, através da criação de um autómato virtual, com o PLCSIM, criando um sistema denominado por Software-in-the-loop. Também é possível interligar o Digital Twin com um autómato real, através de um protocolo de comunicação, neste caso designa-se pelo sistema Hardware-in-the-loop. Este projeto, ajuda a perceber como é possível antecipar e otimizar, virtualmente, todos os componentes de um processo físico industrial, antes de este existir, reduzindo riscos, custos e ajustes no chão de fábrica, quando o sistema for instalado. Durante a sua utilização, o espaço virtual, também pode intervir, de maneira a tornar o processo real mais eficiente, informando os envolventes do processo em tempo real, do funcionamento correto deste. v vi Abstract In this project, a processes virtualization system in Industry 4.0 was developed, with the aim of demonstrate the importance of having an analysis and monitoring, in industry area automatic processes. The Digital Twin concept, is being used in this virtualization theme, as it can be defined as a virtual copy of an existing physical process, aiming to interact with it, exchanging information and identifying improvements over time. It is also defined by a simulation of a real model, before it is implemented to predict its operation. Considering the contents described, a Digital Twin of an automation kit was made, which is at the Siemens Automation Academy, at ESTG, and is used to train students with the use of PLCs. This kit consists of a rotating assembly table, which provides parts to an operator, and contains several sensors and actuators for automatic operation of the process. The main idea is to use 3D modulation software, to make the virtual model of the kit, in this case the NX from Siemens®, which has incorporated the motion and physics simulator through actuators and sensors, the Mechatronics Concept Designer. To program the Digital Twin, TIA Portal from Siemens® is used. In these software, it is possible to have an interconnection, between them, through the creation of a virtual PLC, with PLCSIM, creating a system called Software-in-the-loop. It is also possible to connect the Digital Twin with a real PLC, through a communication protocol, in this case it is called the Hardware-in-the-loop system. This project helps to understand how it is possible to anticipate and optimize, virtually, all the components of an industrial physical process, before it exists, reducing risks, costs and adjustments on the shop floor, when the system is installed. During its use, the virtual space can also intervene, in order to make the real process more efficient, informing the parties of the process value in real time, of its correct functioning. vii Índice Originalidade e Direitos de Autor .................................................................................... iii Agradecimentos ................................................................................................................ iv Resumo ............................................................................................................................... v Abstract ............................................................................................................................. vii Lista de Figuras ................................................................................................................. x Lista de Tabelas .............................................................................................................. xiv Lista de siglas e acrónimos ...............................................................................................xv Introdução .................................................................................................................. 2 Virtualização de processos ......................................................................................... 6 2.1 Indústria 4.0 ........................................................................................................... 6 2.2 Virtualização na indústria ................................................................................... 11 2.3 Digital Twin .......................................................................................................... 15 2.4 Virtual Commisioning ........................................................................................... 20 2.5 Software de modelação e programação ............................................................... 23 2.5.1 Programação PLC .............................................................................................. 24 2.5.2 Criação de modelos virtuais ............................................................................... 25 2.5.3 Exemplos de software de simulação ................................................................... 25 2.6 Métodos de interligação e simulação ................................................................... 29 2.6.1 Protocolos de comunicação ................................................................................ 30 2.6.2 Exemplos de utilização do protocolo OPC UA ................................................... 31 Desenvolvimento .......................................................................................................36 3.1 Processo físico ...................................................................................................... 36 3.1.1 Descrição do processo físico .............................................................................. 37 3.2 Modelo virtual ...................................................................................................... 39 3.2.1 Siemens NX ........................................................................................................ 40 3.2.2 Mechatronics Concept Designer ........................................................................ 41 3.2.3 Operações no MCD ............................................................................................ 47 3.2.4 Criação de sinais e instruções ............................................................................. 54 3.3 Interligação com o Digital Twin ........................................................................... 60 3.3.1 Programação do Digital Twin ............................................................................