Un Sistema de Ejecución de Manufactura Distribuido Basado en Gemelos Digitales para la Industria 4.0 con Capacidades de Replanificación en Tiempo Real Impulsadas por IA

Los sistemas de producción inteligente de la Industria 4.0 comprenden sistemas y subsistemas industriales que necesitan ser integrados de tal manera que puedan soportar una alta modularidad y reconfigurabilidad de todos los componentes del sistema. En la producción industrial actual, los sistemas de ejecución de manufactura (MES) y los sistemas de control supervisión y adquisición de datos (SCADA) suelen encargarse de orquestar y monitorear procesos de producción automatizados. Este artículo explica una arquitectura de MES que es capaz de componer, verificar, interpretar y ejecutar planes de producción de manera autónoma utilizando gemelos digitales y métodos de planificación simbólica. Para apoyar una producción más eficiente, la solución propuesta asume que el proceso de manufactura puede iniciarse con un plan de producción inicial que puede ser relativamente ineficiente pero que es rápidamente encontrado por una IA. Mientras ejecuta este plan inicial, la IA busca alternativas más eficientes y envía mejores soluciones al MES propuesto, que es capaz de alternar sin problemas entre el plan actualmente ejecutado y el nuevo plan, incluso durante la producción. Además, esta capacidad de replanificación en tiempo real también es aplicable cuando aparecen nuevas circunstancias/objetivos de producción identificados, como un robot defectuoso, escasez de materiales o un cambio de última hora en un producto personalizable. Otra característica de la solución MES propuesta es su operación distribuida con múltiples instancias. Cada instancia puede interpretar su parte del plan de producción, dedicada a un lugar dentro de todo el sitio de producción. Todas estas instancias de MES están sincronizadas continuamente, y el progreso global o parcial actual (es decir, desde la perspectiva de la instancia) de la producción se gestiona en tiempo real dentro de un gemelo digital común. Este artículo presenta tres contribuciones principales: (i) un sistema de ejecución que es capaz de alternar sin problemas entre un plan de producción original y un plan alternativo introducido posteriormente, (ii) planificación y replanificación en tiempo real impulsadas por IA de la producción industrial integrada en un gemelo digital, y (iii) un MES distribuido, que permite ejecutar múltiples instancias que pueden depender de la topología o condiciones específicas de una planta de producción real. Todos estos resultados se demuestran y validan en un caso de uso utilizando un banco de pruebas de la Industria 4.0, que está equipado con un sistema de transporte automatizado y varios robots industriales. Aunque nuestra solución se prueba en un sistema de producción de tamaño de laboratorio, la base tecnológica está preparada para escalar a sistemas más grandes.