Digital Twin Technology for evaluation of machine safety in Industry 4.0

Abstract

[ES] La seguridad de las máquinas es primordial en los pisos de automatización industrial, sobre todo cuando en el flujo de producción hay interacción entre personas y máquinas. Evaluar y garantizar niveles aceptables de seguridad requiere un enfoque casi exhaustivo que comprende una multitud de escenarios de prueba y variaciones de las condiciones de funcionamiento. A menudo, esto se ve dificultado por la complejidad de las máquinas y los equipos implicados, así como por los tiempos de inactividad que suponen un coste para las empresas implicadas.

Los gemelos digitales (DT) constituyen una réplica virtual de las líneas de producción reales que pueden emular el comportamiento operativo de la maquinaria hasta un nivel de alta precisión. La tecnología de gemelo digital puede facilitar un gran número de pruebas para evaluar el rendimiento y la seguridad de las máquinas sin comprometer el flujo operativo de las líneas de producción reales. El objetivo de este proyecto es investigar la aplicabilidad de los gemelos digitales para evaluar la seguridad de las máquinas en la Industria 4.0. El enfoque consiste en desarrollar completamente un gemelo digital funcional de una línea de producción real e investigar la viabilidad del uso de gemelos digitales para describir con precisión el comportamiento de la máquina en diferentes escenarios de funcionamiento, con especial atención a la seguridad de la máquina.

Se espera que los siguientes objetivos se cumplan y se documenten en la tesis al final del proyecto: 1. Realizar una revisión bibliográfica sobre las tecnologías de gemelo digital, su aplicación y sus estrategias de implementación. 2. Investigar los aspectos legislativos de la posibilidad de uso de los gemelos digitales para la evaluación de la seguridad de las máquinas. 3. Investigar la viabilidad de la aplicación de las tecnologías de gemelo digital en la evaluación de la seguridad de las máquinas en base a criterios de precisión. 4. Identificar un sistema de referencia, por ejemplo una máquina/línea de fabricación, para desarrollar y probar las ideas investigadas. 5. Desarrollar un Gemelo Digital del sistema de referencia. 6. Desarrollar un marco para la evaluación sistemática de la aplicabilidad del gemelo digital para evaluar la seguridad del sistema. a. Definir los requisitos para el éxito de la evaluación. b. Definir las métricas (por ejemplo, precisión y consistencia en las respuestas). 7. Implementar la solución de evaluación del gemelo digital junto con una interfaz de usuario adecuada para las pruebas. 8. Definir los escenarios de prueba y los criterios de éxito. 9. Realizar pruebas basadas en los escenarios definidos y evaluar el rendimiento de la solución desarrollada.

[EN] Machine safety is paramount in industrial automation floors, especially when interaction between humans and machines is involved in the production stream. Assessing and guaranteeing acceptable levels of safety requires a nearly exhaustive approach comprising a multitude of test scenarios and variations of operating conditions. This is often hindered by the complexity of the involved machinery and equipment as well as the cost-inducing downtimes.

Digital Twins (DT) constitute a virtual replicate of actual production lines that can emulate the machinery operating behavior up to a high accuracy level. DT technology can facilitate large number of tests for assessing the performance and safety of machines without compromising the operating flow of actual production lines. This project aims to investigating the applicability of DTs for assessing machine safety in Industry 4.0. The approach pertains to fully developing a functional DT of an actual production line and investigating the feasibility of using DTs to accurately describe the machine behavior in different operating scenarios, with special focus on machine safety.

The following objectives are expected to be met and documented in the thesis by the end of the project: 1. Perform a literature review on DT technologies, their application and their implementation strategies. 2. Investigate legislation aspects of the usability of DTs for machine safety evaluation. 3. Investigate the feasibility of applying DT technologies in assessing machine safety based on accuracy criteria. 4. Identify a benchmark system, e.g. a manufacturing machine/line, for the developing and testing of the researched ideas. 5. Develop a Digital Twin of the benchmark system. 6. Develop a framework for systematic evaluation of the applicability of the DT for assessing the system¿s safety. a. Define the requirements for successful evaluation. b. Define the metrics (e.g. accuracy and consistency in responses). 7. Implement the DT evaluation solution along with an appropriate user interface for testing. 8. Define test scenarios and success criteria. 9. Conduct tests based on the defined scenarios and evaluate the performance of the developed DT solution.