Industria del agua 4.0 con la ayuda del gemelo digital

La urbanización y el cambio climático están ejerciendo presión sobre los recursos naturales en todo el mundo. Tomemos a Berlín, por ejemplo: desde 2000, la ciudad ha ganado casi 300.000 habitantes y hoy alberga una población de 3,6 millones, un crecimiento del 10 por ciento en sólo 20 años. Para 2030, se podrían agregar otras 200,000 personas a ese número. En comparación con las megaciudades en auge de Asia, este crecimiento puede ser modesto, pero los recursos hídricos de la ciudad ya están sintiendo la presión.

Además, el calentamiento global está provocando un aumento de períodos prolongados secos y cálidos, mientras que los pronósticos predicen un número cada vez mayor de eventos de lluvias intensas. “Los períodos de sequía dan como resultado emisiones olorosas de la red de aguas residuales y corrosión. Las fuertes lluvias pueden inundar el sistema de alcantarillado y esto puede provocar derrames de aguas residuales contaminadas en el medio ambiente ”, explica el profesor Paul Uwe Thamsen, jefe del Departamento de Dinámica de Sistemas de Fluidos del Instituto de Dinámica de Fluidos y Acústica Técnica de TU Berlín.

“Nuestra investigación se centra en mejorar la operación de plantas y sistemas en la industria del agua en Alemania, Berlín en particular, ayudando a que los sistemas existentes funcionen de manera más flexible y eficiente”, explica Thamsen. La digitalización proporciona herramientas importantes para los sistemas de red, y para apoyar enfoques novedosos para el análisis de datos en operación y mantenimiento. Thamsen y su equipo ahora están estudiando algunos de estos enfoques utilizando una planta de demostración de una estación de bombeo que actualmente se complementa con una planta gemela digital.

Siemens es un importante socio que respalda la planta de demostración con soluciones innovadoras. “Esto es especialmente cierto cuando se desea demostrar los beneficios de la digitalización en aplicaciones específicas. El conocimiento de campos como la investigación, la ingeniería de plantas, la automatización y la experiencia de los operadores de la planta produce nueva inspiración e ideas sobre cómo convertir la digitalización en una experiencia práctica ”, afirma Markus Lade, director general de la vertical de agua / aguas residuales en Siemens AG, Alemania.

En la actualidad, Siemens está implementando una solución integral de digitalización y automatización que incluye inventario y digitalización de activos, instrumentación de procesos, suministro de energía, comunicación y seguridad industrial, administración de motores y bombas, el sistema de control de procesos y sistemas de ingeniería y simulación de plantas.

El punto final será un entorno digital único para toda la información de la estación de bombeo, desde el diseño hasta los datos de operación y mantenimiento, incluidos los sistemas parcialmente autónomos para la detección y eliminación de fallas. El intercambio de datos bidireccional entre la ingeniería de procesos con Comos y el sistema de control de procesos Simatic PCS 7 asegura que la información esté actualizada durante toda la fase operativa.

Al comienzo del proyecto, todos los componentes físicos de la planta se capturaron con el software ContextCapture de Bentley mediante fotogrametría y se compilaron en un modelo 3D. Luego, este modelo se cargó en PlantSight, donde se integra con otros datos para crear un gemelo digital de la planta de demostración.

“Este es un paso crucial”, comenta Thamsen. "Nos permite demostrar que la digitalización se puede utilizar con éxito en plantas industriales abandonadas, no solo en unos pocos proyectos totalmente nuevos". Actualmente, los datos del modelo están vinculados con el sistema de control de procesos Simatic PCS 7 para crear un gemelo digital completo que comprende todos los datos de ingeniería y operación de la planta a lo largo de todo su ciclo de vida.

La integración de herramientas inteligentes en la planta de demostración ha permitido a Thamsen implementar los primeros conceptos innovadores. Por ejemplo, los perfiles de potencia y voltaje se pueden analizar con el sistema de gestión de motores Simocode, tanto localmente como en la nube. Además, el potencial de optimización también se puede derivar de los datos de la planta utilizando el modelo en PlantSight y algoritmos basados ​​en la nube. Esto puede ayudar a los operadores de la planta a detectar y eliminar de manera proactiva las fallas típicas en las estaciones de bombeo.

Una aplicación tiene como objetivo la obstrucción de la bomba por residuos de fibra que se entrelazan en los remolinos de aguas residuales y se acumulan en la rueda de la bomba. En el peor de los casos, la bomba está bloqueada. “Con el gemelo digital, podemos detectar obstrucciones en función de los parámetros de funcionamiento y limpiar la bomba mediante el funcionamiento inverso”, dice Thamsen.

Debido a que la planta de demostración utiliza componentes industriales que también se emplean en muchas plantas de aguas residuales industriales, se pueden implementar nuevas soluciones más rápidamente en la industria. “Podemos usar nuestra planta para demostrar cómo integrar soluciones en un entorno industrial y mostrar resultados en vivo. Esto ayuda a reducir el tiempo de comercialización de las innovaciones ”, explica Thamsen, y agrega:

“Lo que tenemos aquí no es solo una planta de demostración, sino una planta industrial a pequeña escala con un sistema de control de procesos, sistemas de accionamiento y sensores y actuadores. Con nuestro gemelo digital, podemos proporcionar una demostración práctica de cómo es la digitalización y hacer que este tema complejo sea accesible, incluso para los operadores de las plantas y el personal de mantenimiento. ¡Esto es lo que hace de este proyecto un verdadero hito para Water 4.0! "