Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos

Av. Prof. Mello Moraes, 2231

05508-030 - São Paulo - SP - Brasil

LSA – Laboratório de Sistemas de Automação www.pmrlsa.poli.usp.br

PMR3507

Fábrica digital

Digital Twin (Gêmeo digital)

Pre

âm

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• Missão Apollo 13

– Problemas na missão

– Como os engenheiros em terra auxiliaram a resolver

os problemas?

– Uso de sistemas “espelho”, em terra

• Processos de projeto e fabricação se tornando

cada vez mais digitais

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ital?

• Modelo virtual de um processo, produto ou serviço

• Ponte entre o mundo físico e o digital

• Reflete o estado corrente do processo, produto ou

serviço ao mesmo tempo que mantém seu

histórico, da fabricação à operação

• Gêmeo digital aprende e fornece dados

continuamente

• Ponte para interação entre ativos físicos, e entre

ativos físicos e o ambiente

– Mais que um CAD

– Mais do que um sensor

Função

do

gê

meo

dig

ital

• Representação virtual de um objeto físico ou

sistema em todo o seu ciclo de vida

• O gêmeo digital espelha em tempo real o

comportamento e estado do objeto físico

• Sensores conectados ao objeto físico e ao

ambiente coletam dados que podem ser mapeados

no gêmeo digital

• Utiliza dados do objeto físico e de outras fontes,

em tempo real, para permitir aprendizado, e

recalibração dinâmica do objeto físico

Função

do

gê

meo

dig

ital

• Acompanhar o que está acontecendo e pode vir a

acontecer com o ativo físico

– Durante um período de tempo, as análises podem

revelar tendências inaceitáveis no desempenho real

do processo de fabricação em uma determinada

dimensão quando comparadas com uma faixa ideal

de desempenho tolerável

– Tal visão comparativa poderia desencadear

investigação e uma possível mudança em algum

aspecto do processo de fabricação no mundo físico

Função

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Função

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Sensores distribuídos ao

longo do processo de

fabricação criam sinais

que permitem ao gêmeo

digital capturar dados

operacionais e ambientais

relativos ao processo

físico

Função

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dig

ital -

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ra

Dados ambientais e

operacionais são

agregados e combinados

com dados da empresa,

como a lista de materiais,

dos sistemas corporativos

e as especificações de

projeto

Função

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ital -

ma

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fatu

ra Os sensores comunicam

os dados ao mundo digital

por meio da tecnologia de

integração entre o mundo

físico e o mundo digital e

vice-versa

Função

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ital -

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ra

Técnicas de análise

(simulações e rotinas de

visualização) são usadas

pelo gêmeo digital para

produzir insights com

base nos dados obtidos

Função

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ra

O gêmeo digital produz a

ação por meio de

atuadores, sujeitos a

intervenção humana, que

acionam o processo físico

Função

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Um aplicativo que

combina os componentes

em um modelo digital em

tempo quase real do

mundo e processo físicos

Exem

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dig

ital

• GE

– Utiliza o ambiente digital para informar a

configuração de cada turbina eólica antes da

construção

• Otimização da oferta e demanda de peças para a

produção – o JIT levado a um novo patamar

• Detecção de disrupção na cadeia produtiva

– Mais de 800mil gêmeos digitais de motores a jato,

locomotivas, turbinas eólicas, etc.

• Auxiliam a empresa a tornarem seus produtos e

processos mais produtivos

• Assim como informações dos clientes ajudam a

Amazon a criar perfis de cliente e prever o que

qualquer um deles pode vir a querer, o gêmeo digital

auxilia a GE a criar perfis de equipamentos e detectar

necessidades futuras

Exem

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dig

ital

• NASA

• Hoje já é possível criar réplicas virtuais dos

equipamentos

– Cria, testar e implementar novos produtos em

ambiente virtual

– Produto virtual atende requisitos de projeto?

– Produto é fabricado fisicamente

– Conecta-se o produto físico ao virtual, para que o

último tenha acesso a todas as informações do

primeiro

Bene

fício

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dig

ital

• Qualidade

– Melhoria da qualidade de forma geral

– Detectar tendências de defeitos de qualidade mais

rapidamente

– Determinar precisamente quando o problema de

qualidade começou

• Gastos com serviços e garantias

– Entender a configuração atual do equipamento no

campo, remotamente, para atendê-lo / consertá-lo

mais rapidamente

– Determinar de forma proativa e precisa os

problemas relatados pelos clientes de forma a

melhorar a experiência do cliente e reduzir gastos

totais com garantia

Bene

fício

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dig

ital

• Custos operacionais

– Melhorar o projeto do produto e do processo

produtivo – eliminar produtos, funcionalidades ou

componentes indesejados

– Melhorar o desempenho dos equipamentos de

fabricação

– Minimizar variações nas operações do processo

• Registro contínuo de produtos produzidos em série

– Registra todas as ocorrências em peças em série e

matérias primas utilizadas, permitindo melhor

rastreabilidade, e gestão de recalls

Bene

fício

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dig

ital

• Custo e tempo para introdução de novos produtos

– Reduzir o custo total para produzir um novo produto

– Reduzir o tempo de colocação de novos produtos no

mercado

– Identificar componentes com longos prazos de

entrega e seu impacto na cadeia de suprimentos

• Oportunidade de novos negócios

– Identificar produtos no campo que estejam prontos

para upgrade

– Otimizar custos e eficiência para serviço no produto

– Diferenciação de produtos

– Venda de serviços adicionais

Cria

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dig

ital

• Foco nos tipos de informação que serão

necessárias ao longo do ciclo de vida do ativo

• É importante estruturar as informações de maneira

reutilizável

– Criação de um modelo de dados canônicos pode ser

importante

– Estrutura de dados comum, padrão da empresa

– Permite que sistemas e aplicativos diferentes se

conectem e troquem informações corporativas

– Diversos sistemas que se integram ao gêmeo digital

se comuniquem em um formato simples

• Permite que uma empresa use o gêmeo digital de

várias maneiras com maior flexibilidade

Cria

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ital

Aparelhar o processo físico com inúmeros sensores que medem

entradas críticas do processo físico e seus arredores

As medições podem ser classificadas em duas categorias: (1)

medições operacionais pertencentes aos critérios de desempenho

físico do ativo, como resistência à tração, deslocamento, torque, etc; (2)

dados ambientais ou externos que afetam as operações de um ativo

físico, como temperatura ambiente, pressão barométrica e nível de

umidade

Os sinais dos sensores podem ser aumentados com informações do

MES, ERP, modelos CAD, etc.

Cria

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dig

ital

A comunicação ajuda na integração / conectividade bidirecional

contínua e em tempo real entre o processo físico e o gêmeo digital

A comunicação em rede é uma das mudanças radicais que permitiram

o gêmeo digital

Compreende três componentes primários: processamento de borda

(converte protocolos proprietários em formatos “neutros”); interfaces de

comunicação; e segurança de borda (firewalls, criptografia, etc.)

Cria

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ital

Alimentação de um repositório de dados processados e preparados

para análise

Cria

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ital

Os dados são analisados e visualizados

Cria

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ital

Insights da análise são apresentados em painéis,

destacando diferenças inaceitáveis no desempenho

do gêmeo digital e do mundo físico, indicando áreas

que potencialmente precisam de investigação e

mudança

Cria

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Os insights são convertidos em instruções para atuadores do processo

do ativo físico, responsáveis pela movimentação ou controle

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ita

l • Os dados de campo em muitos casos são

coletados manualmente

• Sem dados atualizados (quase tempo real), não se

pode fazer simulações acuradas

• Como coletar dados automaticamente?

– Uso de sensores (RFID e Beacons)

– Uso de visão de máquina

– Onde usar cada um?

– Veículos de transporte e operadores?

– Produtos?

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l • Os dados de campo estão descentralizados; no

entanto é necessário uma sistema centralizado

para analisá-los

– Qual a quantidade de dados gerados?

– Onde guardar estes dados?

– Como analisar estes dados?

• Os dados precisam ser padronizados quanto à

forma, o método de aquisição, e quanto à

periodicidade

• Segurança dos dados

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l • Quem é o dono dos dados? Quem comprou o

equipamento ou quem fabricou o equipamento?

• Produto é vendido ou alugado?

• Qual o produto decorrente, e mais importante, ao

se adotar o gêmeo digital?

Na In

dú

str

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– Impacto no projeto de cada ativo (Tipo)

– Impacto na produção/manutenção de

cada ativo (Instância)

– Impacto no uso de cada ativo (eixo

vertical)