ANÁLISIS DE PRODUCCIÓN Y CALIDAD DE
BAJO COSTO PARA EL PROCESO DE
METALURGIA DE POLVOS VIRTUALIZADO EN
UNITY 3D
LOW-COST PRODUCTION AND QUALITY ANALYSIS FOR
VIRTUALIZED POWDER METALLURGY PROCESS IN UNITY 3D
Hernan Vinicio Morales Villegas
Universidad de la Fuerzas Armadas ESPELatacunga
Edgar Fabian Ilaquiche Vega
Universidad de la Fuerzas Armadas ESPELatacunga
Klever Daniel Yumiceba Yungan
Universidad de la Fuerzas Armadas ESPELatacunga
Henry Gabriel Haro Diaz
Universidad de la Fuerzas Armadas ESPELatacunga
Ronald Saul Avila Quinde
Universidad de la Fuerzas Armadas ESPELatacunga
pág. 5049
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v9i1.16206
Análisis de producción y calidad de bajo costo para el proceso de metalurgia
de polvos virtualizado en Unity 3D
Hernan Vinicio Morales Villegas1
hvmorales@espe.edu.ec
https://orcid.org/0000-0001-8211-1238
Universidad de la Fuerzas Armadas
ESPELatacunga
Latacunga Ecuador
Edgar Fabian Ilaquiche Vega
efilaquiche@espe.edu.ec
https://orcid.org/0009-0003-4084-3897
Universidad de la Fuerzas Armadas
ESPELatacunga
Latacunga Ecuador
Klever Daniel Yumiceba Yungan
kdyumiceba@espe.edu.ec
https://orcid.org/0009-0009-6760-5147
Universidad de la Fuerzas Armadas
ESPELatacunga
Latacunga Ecuador
Henry Gabriel Haro Diaz
hgharo1@espe.edu.ec
https://orcid.org/0009-0002-5393-1717
Universidad de la Fuerzas Armadas
ESPELatacunga
Latacunga – Ecuador
Ronald Saul Avila Quinde
rsavila@espe.edu.ec
https://orcid.org/0009-0008-6070-7039
Universidad de la Fuerzas Armadas
ESPELatacunga
Latacunga – Ecuador
RESUMEN
El presente artículo, analiza la producción y calidad a bajo costo para el control del proceso virtualizado
de una planta de metalurgia de polvos (pulvimetalurgia) para lo cual se consideró el software Unity 3D, el
diseño del entorno virtual consta de 5 etapas para la fabricación y terminado de la pieza, el entorno virtual
es desarrollado en Unity 3D enlazado con TIA Portal V17 (Totally Integrated Automation Portal), donde
se realiza la programación para realizar el control a través de PLC S7 1200 (Controlador Lógico
Programable), los dos softwares se comunican a través de Ethernet TCP/IP. El proceso consiste en cinco
etapas: ingreso de material, compactación, sinterizado, calibrado, impregnación de aceites y tratamiento
térmico, todo este procedimiento siendo virtualizado en Unity 3D para material educativo e industrial, la
virtualización en tiempo real se realiza mediante los servidores S7, ya que estos servidores permiten la
comunicación de datos históricos de manera real y eficiente para el proceso. Mediante la colaboración
entre Unity y Tia Portal se logró virtualizar la planta de metalurgia de polvos, brindando así la posibilidad
de experimentar con diferentes escenarios y configuraciones en un entorno virtual antes de la
implementación física, esto conlleva a la disminución de los riesgos y los costos asociados con ajustes y
cambios en la producción, por ende, esto conduce a un proceso de desarrollo más controlado y rentable.
Palabras clave: metalurgia de polvos, virtualización, automatización, plc, ethernet
1 Autor principal
Correspondencia: hvmorales@espe.edu.ec
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v9i1.16206
Análisis de producción y calidad de bajo costo para el proceso de metalurgia
de polvos virtualizado en Unity 3D
Hernan Vinicio Morales Villegas1
hvmorales@espe.edu.ec
https://orcid.org/0000-0001-8211-1238
Universidad de la Fuerzas Armadas
ESPELatacunga
Latacunga Ecuador
Edgar Fabian Ilaquiche Vega
efilaquiche@espe.edu.ec
https://orcid.org/0009-0003-4084-3897
Universidad de la Fuerzas Armadas
ESPELatacunga
Latacunga Ecuador
Klever Daniel Yumiceba Yungan
kdyumiceba@espe.edu.ec
https://orcid.org/0009-0009-6760-5147
Universidad de la Fuerzas Armadas
ESPELatacunga
Latacunga Ecuador
Henry Gabriel Haro Diaz
hgharo1@espe.edu.ec
https://orcid.org/0009-0002-5393-1717
Universidad de la Fuerzas Armadas
ESPELatacunga
Latacunga – Ecuador
Ronald Saul Avila Quinde
rsavila@espe.edu.ec
https://orcid.org/0009-0008-6070-7039
Universidad de la Fuerzas Armadas
ESPELatacunga
Latacunga – Ecuador
RESUMEN
El presente artículo, analiza la producción y calidad a bajo costo para el control del proceso virtualizado
de una planta de metalurgia de polvos (pulvimetalurgia) para lo cual se consideró el software Unity 3D, el
diseño del entorno virtual consta de 5 etapas para la fabricación y terminado de la pieza, el entorno virtual
es desarrollado en Unity 3D enlazado con TIA Portal V17 (Totally Integrated Automation Portal), donde
se realiza la programación para realizar el control a través de PLC S7 1200 (Controlador Lógico
Programable), los dos softwares se comunican a través de Ethernet TCP/IP. El proceso consiste en cinco
etapas: ingreso de material, compactación, sinterizado, calibrado, impregnación de aceites y tratamiento
térmico, todo este procedimiento siendo virtualizado en Unity 3D para material educativo e industrial, la
virtualización en tiempo real se realiza mediante los servidores S7, ya que estos servidores permiten la
comunicación de datos históricos de manera real y eficiente para el proceso. Mediante la colaboración
entre Unity y Tia Portal se logró virtualizar la planta de metalurgia de polvos, brindando así la posibilidad
de experimentar con diferentes escenarios y configuraciones en un entorno virtual antes de la
implementación física, esto conlleva a la disminución de los riesgos y los costos asociados con ajustes y
cambios en la producción, por ende, esto conduce a un proceso de desarrollo más controlado y rentable.
Palabras clave: metalurgia de polvos, virtualización, automatización, plc, ethernet
1 Autor principal
Correspondencia: hvmorales@espe.edu.ec
pág. 5050
Low cost production and quality analysis for virtualized powder metallurgy
process in Unity 3D
ABSTRACT
This article analyzes the production and quality at low cost for the control of the virtualized process of a
powder metallurgy plant (powder metallurgy) for which the Unity 3D software was considered. The
virtual environment design consists of 5 stages for the manufacture and finishing of the piece. The virtual
environment is developed in Unity 3D linked to TIA Portal V17 (Totally Integrated Automation Portal),
where the programming is done to perform the control through PLC S7 1200 (Programmable Logic
Controller). The two softwares communicate through Ethernet TCP / IP. The process consists of five
stages: material entry, compaction, sintering, calibration, oil impregnation and heat treatment. This entire
procedure is virtualized in Unity 3D for educational and industrial material. Realtime virtualization is
done through S7 servers, since these servers allow the communication of historical data in a real and
efficient way for the process. Through the collaboration between Unity and Tia Portal, the powder
metallurgy plant was virtualized, thus providing the possibility of experimenting with different scenarios
and configurations in a virtual environment before physical implementation. This leads to a reduction in
risks and costs associated with adjustments and changes in production, therefore, this leads to a more
controlled and profitable development process.
Keywords: powder metallurgy, virtualization, automation, plc, ethernet
Artículo recibido 05 enero 2025
Aceptado para publicación: 10 febrero 2025
Low cost production and quality analysis for virtualized powder metallurgy
process in Unity 3D
ABSTRACT
This article analyzes the production and quality at low cost for the control of the virtualized process of a
powder metallurgy plant (powder metallurgy) for which the Unity 3D software was considered. The
virtual environment design consists of 5 stages for the manufacture and finishing of the piece. The virtual
environment is developed in Unity 3D linked to TIA Portal V17 (Totally Integrated Automation Portal),
where the programming is done to perform the control through PLC S7 1200 (Programmable Logic
Controller). The two softwares communicate through Ethernet TCP / IP. The process consists of five
stages: material entry, compaction, sintering, calibration, oil impregnation and heat treatment. This entire
procedure is virtualized in Unity 3D for educational and industrial material. Realtime virtualization is
done through S7 servers, since these servers allow the communication of historical data in a real and
efficient way for the process. Through the collaboration between Unity and Tia Portal, the powder
metallurgy plant was virtualized, thus providing the possibility of experimenting with different scenarios
and configurations in a virtual environment before physical implementation. This leads to a reduction in
risks and costs associated with adjustments and changes in production, therefore, this leads to a more
controlled and profitable development process.
Keywords: powder metallurgy, virtualization, automation, plc, ethernet
Artículo recibido 05 enero 2025
Aceptado para publicación: 10 febrero 2025
pág. 5051
INTRODUCCIÓN
La automatización industrial es considerada como el manejo de la información en la industria para la
toma de decisiones en tiempo real [1], esta es uno de los mejores métodos para aumentar la cantidad de
producción de una empresa con la finalidad de aumentar la calidad de producción y mejorar la
competitividad en un entorno cambiante y de constante desarrollo tecnológico, la automatización
industrial es un método eficaz para incrementar la producción y calidad de una empresa, mejorando su
competitividad en un entorno en constante desarrollo tecnológico [2], con los avances tecnológicos
muchos países se ven en la necesidad de incorporar nuevas estrategias de producción con el objetivo de
aumentar la productividad y mejorar la calidad de los productos, herramientas innovadoras y el desarrollo
de software como, Unity, Tia Portal, se están incorporando en los diferentes niveles de los procesos
automatizados haciéndolos más eficientes y seguros ya que estos ofrecen beneficios significativos en
términos de simulación, diseño, control y optimización de procesos [3], todo esto se logra gracias a las
comunicaciones industriales ya que permiten el flujo de información del controlador a los diferentes
dispositivos a lo largo del proceso de producción: detectores, actuadores, sensores, entre otros, existen
gran variedad de sistemas de comunicación entre equipos industriales, con protocolos específicos, como
es el caso de Ethernet quien ha tenido un profundo impacto en la industria debido a sus capacidades para
control de planta y datos de oficina, aportando a los fabricantes una gran cantidad de ventajas que
incluyen una integración más fácil entre los sistemas de planta y de administración [4], considerando
diferentes conceptos de investigación, este paper se centra en la virtualización del proceso industrial de
metalurgia de polvos utilizando Unity 3D, considerando que el software Unity 3D virtualiza plantas con
realismo, modelando el comportamiento físico de las variables y permitiendo la conexión con otros
softwares y dispositivos físicos [5], la virtualización con Unity en la industria de metalurgia de polvos
(pulvimetalurgia) implica la virtualización de varios procedimientos, que se inicia al elegir materiales en
su estado inicial y finaliza al obtener el producto terminado [6], lo que posibilita entrenar a nuevos
empleados o para educar a estudiantes en los conceptos de la metalurgia de polvos [7], ya que esta
virtualización permite simular la presencia física del usuario en dicho entorno, permitiéndole interactuar
con él a través de unas gafas o casco de Realidad Virtual [8], los trabajos asociados con la virtualización
de diversas plantas industriales demuestran claramente que esta tecnología juega un papel fundamental en
INTRODUCCIÓN
La automatización industrial es considerada como el manejo de la información en la industria para la
toma de decisiones en tiempo real [1], esta es uno de los mejores métodos para aumentar la cantidad de
producción de una empresa con la finalidad de aumentar la calidad de producción y mejorar la
competitividad en un entorno cambiante y de constante desarrollo tecnológico, la automatización
industrial es un método eficaz para incrementar la producción y calidad de una empresa, mejorando su
competitividad en un entorno en constante desarrollo tecnológico [2], con los avances tecnológicos
muchos países se ven en la necesidad de incorporar nuevas estrategias de producción con el objetivo de
aumentar la productividad y mejorar la calidad de los productos, herramientas innovadoras y el desarrollo
de software como, Unity, Tia Portal, se están incorporando en los diferentes niveles de los procesos
automatizados haciéndolos más eficientes y seguros ya que estos ofrecen beneficios significativos en
términos de simulación, diseño, control y optimización de procesos [3], todo esto se logra gracias a las
comunicaciones industriales ya que permiten el flujo de información del controlador a los diferentes
dispositivos a lo largo del proceso de producción: detectores, actuadores, sensores, entre otros, existen
gran variedad de sistemas de comunicación entre equipos industriales, con protocolos específicos, como
es el caso de Ethernet quien ha tenido un profundo impacto en la industria debido a sus capacidades para
control de planta y datos de oficina, aportando a los fabricantes una gran cantidad de ventajas que
incluyen una integración más fácil entre los sistemas de planta y de administración [4], considerando
diferentes conceptos de investigación, este paper se centra en la virtualización del proceso industrial de
metalurgia de polvos utilizando Unity 3D, considerando que el software Unity 3D virtualiza plantas con
realismo, modelando el comportamiento físico de las variables y permitiendo la conexión con otros
softwares y dispositivos físicos [5], la virtualización con Unity en la industria de metalurgia de polvos
(pulvimetalurgia) implica la virtualización de varios procedimientos, que se inicia al elegir materiales en
su estado inicial y finaliza al obtener el producto terminado [6], lo que posibilita entrenar a nuevos
empleados o para educar a estudiantes en los conceptos de la metalurgia de polvos [7], ya que esta
virtualización permite simular la presencia física del usuario en dicho entorno, permitiéndole interactuar
con él a través de unas gafas o casco de Realidad Virtual [8], los trabajos asociados con la virtualización
de diversas plantas industriales demuestran claramente que esta tecnología juega un papel fundamental en
pág. 5052
la optimización de la eficiencia, seguridad y rentabilidad de las operaciones en el ámbito industrial [9],
por consiguiente, es de vital importancia fomentar el interés de las personas en sumergirse en el mundo de
la virtualización [10].
La distribución de este artículo considera seis secciones u objetivos a cumplirse:
Sección 1, Introducir la revisión bibliográfica del uso de la técnica HIL (Hardware in The Loop) en
procesos industriales automatizados.
Sección 2, Generar una propuesta de trabajo que detalla el software, hardware y comunicación del
proceso a virtualizar.
Sección 3, Desarrollar en software, a detalle cada una de las etapas del proceso, así como la virtualización
y diseño de la HMI (Interfaz HombreMáquina).
Sección 4, Realizar la comunicación, detallando el tipo de comunicación, así como el protocolo industrial
a utilizar para el envío y recepción de datos entre el software y el hardware.
Sección 5, Revisión de resultados a través de las pruebas funcionales de la implementación de la planta
virtualizada, así como la prueba de usabilidad del proceso.
Sección 6, Realizaremos las conclusiones donde se detalla el planteamiento del trabajo a nivel docente e
ingeniería.
Para asegurar una implementación eficiente y predecible, se ha desarrollado un cronograma que define los
plazos estimados para la replicación o adquisición de este espacio virtualizado. Este cronograma
proporciona a las empresas interesadas una clara comprensión del tiempo requerido para la
implementación y la metodología utilizada para llevar a cabo el proyecto.
la optimización de la eficiencia, seguridad y rentabilidad de las operaciones en el ámbito industrial [9],
por consiguiente, es de vital importancia fomentar el interés de las personas en sumergirse en el mundo de
la virtualización [10].
La distribución de este artículo considera seis secciones u objetivos a cumplirse:
Sección 1, Introducir la revisión bibliográfica del uso de la técnica HIL (Hardware in The Loop) en
procesos industriales automatizados.
Sección 2, Generar una propuesta de trabajo que detalla el software, hardware y comunicación del
proceso a virtualizar.
Sección 3, Desarrollar en software, a detalle cada una de las etapas del proceso, así como la virtualización
y diseño de la HMI (Interfaz HombreMáquina).
Sección 4, Realizar la comunicación, detallando el tipo de comunicación, así como el protocolo industrial
a utilizar para el envío y recepción de datos entre el software y el hardware.
Sección 5, Revisión de resultados a través de las pruebas funcionales de la implementación de la planta
virtualizada, así como la prueba de usabilidad del proceso.
Sección 6, Realizaremos las conclusiones donde se detalla el planteamiento del trabajo a nivel docente e
ingeniería.
Para asegurar una implementación eficiente y predecible, se ha desarrollado un cronograma que define los
plazos estimados para la replicación o adquisición de este espacio virtualizado. Este cronograma
proporciona a las empresas interesadas una clara comprensión del tiempo requerido para la
implementación y la metodología utilizada para llevar a cabo el proyecto.
pág. 5053
METODOLOGÍA
En este apartado se describe la propuesta de un proceso de la pulvimetalurgia o sinterización basada en la
técnica HIL, el mismo que es dividido en dos partes. La primera parte enfoca en la simulación o software
y la segunda en hardware.
Las partes que compone el trabajo propuesto se muestra en la figura 1, esta técnica HIL, costa de la parte
de software, lo cual se compone de (i) Control: realiza el control secuencial del proceso de fabricación del
engrane programado en el software TIA portal (Totally Integrated Automation Portal); (ii) Virtualización:
permite crear un entorno virtual del proceso, donde el usuario podrá visualizar el proceso en tiempo real,
manipular, interactuar mediante la realidad aumentada, (iii) S7: permite la comunicación y transferencia
de datos del proceso de metalurgia de polvos.
Figura 1. Diseño propuesto de la arquitectura software y hardware de control del proceso de la
pulvimetalurgia.
En cuanto la parte de hardware está compuesta por las variables de entradas y salidas para la
manipulación y visualización del proceso. Costa de (a) Controlador S71200: CPU 1214 AC/DC/RLY,
encargado de controlador el proceso de pulvimetalurgia; (b) Panel de control; el tablero físico que permite
ingresar señales digitales y la visualización del proceso; (c) Computadora: Dispositivo que contiene el
software para la visualización del proceso virtual y la comunicación con el sistema de control del proceso.
METODOLOGÍA
En este apartado se describe la propuesta de un proceso de la pulvimetalurgia o sinterización basada en la
técnica HIL, el mismo que es dividido en dos partes. La primera parte enfoca en la simulación o software
y la segunda en hardware.
Las partes que compone el trabajo propuesto se muestra en la figura 1, esta técnica HIL, costa de la parte
de software, lo cual se compone de (i) Control: realiza el control secuencial del proceso de fabricación del
engrane programado en el software TIA portal (Totally Integrated Automation Portal); (ii) Virtualización:
permite crear un entorno virtual del proceso, donde el usuario podrá visualizar el proceso en tiempo real,
manipular, interactuar mediante la realidad aumentada, (iii) S7: permite la comunicación y transferencia
de datos del proceso de metalurgia de polvos.
Figura 1. Diseño propuesto de la arquitectura software y hardware de control del proceso de la
pulvimetalurgia.
En cuanto la parte de hardware está compuesta por las variables de entradas y salidas para la
manipulación y visualización del proceso. Costa de (a) Controlador S71200: CPU 1214 AC/DC/RLY,
encargado de controlador el proceso de pulvimetalurgia; (b) Panel de control; el tablero físico que permite
ingresar señales digitales y la visualización del proceso; (c) Computadora: Dispositivo que contiene el
software para la visualización del proceso virtual y la comunicación con el sistema de control del proceso.
pág. 5054
La comunicación entre software y hardware se realiza mediante el protocolo de comunicación Ethernet
estándar debido que es ampliamente utilizado en la automatización industrial por su capacidad de
transmisión de datos a velocidad desde los 10 Mpbs hasta 100 Mbps con gran flexibilidad y rapidez para
realizar cambios en los procesos [10].
Para la configuración óptima del hardware, se requiere la adquisición de los siguientes componentes,
cuyas estimaciones de costo se encuentran reflejadas en la tabla de presupuesto previamente analizada. La
adquisición de estos elementos permitirá replicar las especificaciones actuales del sistema y facilitará
futuras actualizaciones y mejoras.
Tabla 1. Presupuesto estimado de los elementos a usarse en la virtualización.
Desarrollo de software
En esta sección se detalla el desarrollo de control, manipulación y visualización de la planta virtual de
pulvimetalurgia basado en la técnica HIL.
Automatización del proceso
El diagrama de tuberías e instrumentación (P&ID) de la figura 2, permite desarrollar el proceso de
automatización, permitiendo identificar los equipos e instrumentos instalados, así mismo la distribución
dentro de la planta. El diagrama diseñado se basa en los símbolos establecidos y estandarizados por la
Sociedad Internacional de Automatización (ISA S5.1) .
La comunicación entre software y hardware se realiza mediante el protocolo de comunicación Ethernet
estándar debido que es ampliamente utilizado en la automatización industrial por su capacidad de
transmisión de datos a velocidad desde los 10 Mpbs hasta 100 Mbps con gran flexibilidad y rapidez para
realizar cambios en los procesos [10].
Para la configuración óptima del hardware, se requiere la adquisición de los siguientes componentes,
cuyas estimaciones de costo se encuentran reflejadas en la tabla de presupuesto previamente analizada. La
adquisición de estos elementos permitirá replicar las especificaciones actuales del sistema y facilitará
futuras actualizaciones y mejoras.
Tabla 1. Presupuesto estimado de los elementos a usarse en la virtualización.
Desarrollo de software
En esta sección se detalla el desarrollo de control, manipulación y visualización de la planta virtual de
pulvimetalurgia basado en la técnica HIL.
Automatización del proceso
El diagrama de tuberías e instrumentación (P&ID) de la figura 2, permite desarrollar el proceso de
automatización, permitiendo identificar los equipos e instrumentos instalados, así mismo la distribución
dentro de la planta. El diagrama diseñado se basa en los símbolos establecidos y estandarizados por la
Sociedad Internacional de Automatización (ISA S5.1) .
pág. 5055
Figura 2. Diagrama P&ID de la planta pulvimetalurgia.
Mediante el diagrama el P&ID, podemos conocer la dinámica del proceso y los elementos que
constituyen planta pulvimetalurgia virtualizada, el sistema de control es secuencial con elementos de
control finales como, válvulas, motor, pistón neumático, bandas transportadoras. Las etapas del proceso
se muestran en la figura 3, programado en el TIA Portal, configurado utilizando PLC S71200 CPU 1214
AC/DC/RL.
Figura 3. Etapas del proceso pulvimetalurgia.
Figura 2. Diagrama P&ID de la planta pulvimetalurgia.
Mediante el diagrama el P&ID, podemos conocer la dinámica del proceso y los elementos que
constituyen planta pulvimetalurgia virtualizada, el sistema de control es secuencial con elementos de
control finales como, válvulas, motor, pistón neumático, bandas transportadoras. Las etapas del proceso
se muestran en la figura 3, programado en el TIA Portal, configurado utilizando PLC S71200 CPU 1214
AC/DC/RL.
Figura 3. Etapas del proceso pulvimetalurgia.
pág. 5056
El proceso se divide en 5 etapas: (i) Dosificación y mezclado: cuando presiona el botón de arranque, las
válvulas V1y V2 normalmente cerradas, se activan mediante un flanco positivo, al mismo tiempo el
motor M inicia con el mezclado del polvo metálico durante diez segundos, luego se activa la válvula V3,
llena el depósito, el sensor S1 mandar una señal al controlador para activar la válvula V4, con la
activación de la válvula inicia la descarga del material en la matriz; (ii) Compactación: los polvos
mezclados se colocan en una matriz, se someten a una presión suficiente con la activación del pistón P1.
La acción del pistón comprime los polvos y darles una forma inicial, similar a la pieza final que se desea
fabricar; (iii) Sinterizado: El pistón P3 empuja el engrane formado a la banda transportadora, donde es
trasladado al proceso de la sinterización. El proceso implica calentar los polvos a una temperatura inferior
a su punto de fusión, pero lo suficientemente alta como para que los granos de polvo se unan entre sí; (iv)
Calibración: la pieza metálica obtenida tiene una forma aproximada de la pieza final, para dar forma al
engrane pasa al proceso de maquinado mediante la acción del pistón P2, rectificado u otras técnicas de
conformado para obtener la forma y dimensiones exactas requeridas; (v) Impregnación de aceite y
Tratamiento térmico: La impregnación de aceite es un paso opcional que se realiza para mejorar las
propiedades de fricción y lubricación de la pieza metálica. En este proceso, la pieza se sumerge en un
baño de aceite o lubricante, y debido a la porosidad inherente de la pieza sinterizada. Finalmente, algunas
piezas pueden someterse a un tratamiento térmico, como el temple y el revenido, que ayudan a mejorar
las propiedades mecánicas, como la dureza y la resistencia, y reducir tensiones internas del producto final
[11].
Virtualización
Con el diseño del diagrama P&ID de la sección 3.1, se realiza el entorno de virtualización del proceso
pulvimetalurgia. Para el diseño de los modelos 3D de la planta, se utiliza el software SolidWorks,
posterior generar un archivo en formato. STL, para luego integrar y renderizar en el software Unity 3D.
En el espacio de nuevo proyecto creado del Unity 3D se agrega cada uno de los objetos necesarios para
modelar la planta. Para virtualizar y asemejar los objetos a la vida real, se crea un ‘prefaps’ que contiene
los objetos de animación con formato .obj, para luego programar en scripts de Microsoft Visual Studio,
que genera movimientos, sonidos configuración, integración texturas, asignación de etiquetas, colisiones,
etc. La secuencia de diseño de la planta virtualizado se muestra en la figura 6.
El proceso se divide en 5 etapas: (i) Dosificación y mezclado: cuando presiona el botón de arranque, las
válvulas V1y V2 normalmente cerradas, se activan mediante un flanco positivo, al mismo tiempo el
motor M inicia con el mezclado del polvo metálico durante diez segundos, luego se activa la válvula V3,
llena el depósito, el sensor S1 mandar una señal al controlador para activar la válvula V4, con la
activación de la válvula inicia la descarga del material en la matriz; (ii) Compactación: los polvos
mezclados se colocan en una matriz, se someten a una presión suficiente con la activación del pistón P1.
La acción del pistón comprime los polvos y darles una forma inicial, similar a la pieza final que se desea
fabricar; (iii) Sinterizado: El pistón P3 empuja el engrane formado a la banda transportadora, donde es
trasladado al proceso de la sinterización. El proceso implica calentar los polvos a una temperatura inferior
a su punto de fusión, pero lo suficientemente alta como para que los granos de polvo se unan entre sí; (iv)
Calibración: la pieza metálica obtenida tiene una forma aproximada de la pieza final, para dar forma al
engrane pasa al proceso de maquinado mediante la acción del pistón P2, rectificado u otras técnicas de
conformado para obtener la forma y dimensiones exactas requeridas; (v) Impregnación de aceite y
Tratamiento térmico: La impregnación de aceite es un paso opcional que se realiza para mejorar las
propiedades de fricción y lubricación de la pieza metálica. En este proceso, la pieza se sumerge en un
baño de aceite o lubricante, y debido a la porosidad inherente de la pieza sinterizada. Finalmente, algunas
piezas pueden someterse a un tratamiento térmico, como el temple y el revenido, que ayudan a mejorar
las propiedades mecánicas, como la dureza y la resistencia, y reducir tensiones internas del producto final
[11].
Virtualización
Con el diseño del diagrama P&ID de la sección 3.1, se realiza el entorno de virtualización del proceso
pulvimetalurgia. Para el diseño de los modelos 3D de la planta, se utiliza el software SolidWorks,
posterior generar un archivo en formato. STL, para luego integrar y renderizar en el software Unity 3D.
En el espacio de nuevo proyecto creado del Unity 3D se agrega cada uno de los objetos necesarios para
modelar la planta. Para virtualizar y asemejar los objetos a la vida real, se crea un ‘prefaps’ que contiene
los objetos de animación con formato .obj, para luego programar en scripts de Microsoft Visual Studio,
que genera movimientos, sonidos configuración, integración texturas, asignación de etiquetas, colisiones,
etc. La secuencia de diseño de la planta virtualizado se muestra en la figura 6.
pág. 5057
Figura 4. Desarrollo de virtualización aplicado al proceso pulvimetalurgia.
Comunicación
En este apartado se describe la comunicación entre el PLC y la planta pulvimetalurgia virtualizado en
Unity 3D.
Comunicación de software
Para establecer la comunicación del software Unity 3D, OPC KEPserver y TIA Portal, se asigna una
dirección IP (Internet Protocol) 192.168.0.30 al PLC configurando el dispositivo a través de TIA Portal,
la dirección IP es una dirección única que identifica a un dispositivo en Ethernet, permitiendo conectar
hasta 254 dispositivos. La conexión entre el software S7 y el PLC se obtiene con la activación de
‘Put/Get’, con la versión de firmware 4.5 o superior de Siemens.
Comunicación HIL
La comunicación bidireccional entre PLC y Unity 3D se realiza mediante el Protocolo Ethernet industrial
abierto TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), versión 4 (TCP/IPv4) designado una
dirección IP 192.168.0.30.
El uso del puerto Sharp7 permite la comunicación entre los PLCs y Unity 3D, incluido en un código de
cliente C# Snap7 diseñado para funcionar con hardware basado en protocolo Simatic net, la conexión
física entre el PLC y el computador se conectan mediante el cable UTP, designando una dirección IP
192.168.0.1 generador del router como se muestra en la figura 5, esta comunicación se realiza a una
velocidad de 10Mbit/s mediante el cable UTP (Unshielded Twister Pair).
Figura 4. Desarrollo de virtualización aplicado al proceso pulvimetalurgia.
Comunicación
En este apartado se describe la comunicación entre el PLC y la planta pulvimetalurgia virtualizado en
Unity 3D.
Comunicación de software
Para establecer la comunicación del software Unity 3D, OPC KEPserver y TIA Portal, se asigna una
dirección IP (Internet Protocol) 192.168.0.30 al PLC configurando el dispositivo a través de TIA Portal,
la dirección IP es una dirección única que identifica a un dispositivo en Ethernet, permitiendo conectar
hasta 254 dispositivos. La conexión entre el software S7 y el PLC se obtiene con la activación de
‘Put/Get’, con la versión de firmware 4.5 o superior de Siemens.
Comunicación HIL
La comunicación bidireccional entre PLC y Unity 3D se realiza mediante el Protocolo Ethernet industrial
abierto TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), versión 4 (TCP/IPv4) designado una
dirección IP 192.168.0.30.
El uso del puerto Sharp7 permite la comunicación entre los PLCs y Unity 3D, incluido en un código de
cliente C# Snap7 diseñado para funcionar con hardware basado en protocolo Simatic net, la conexión
física entre el PLC y el computador se conectan mediante el cable UTP, designando una dirección IP
192.168.0.1 generador del router como se muestra en la figura 5, esta comunicación se realiza a una
velocidad de 10Mbit/s mediante el cable UTP (Unshielded Twister Pair).
pág. 5058
Figura 5. Elementos de conexión física de la técnica HIL desarrollada.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En este apartado se describe los resultados obtenidos de la virtualización de la planta pulvimetalurgia
implementado con la técnica HIL, el funcionamiento del entorno virtualizado consta de válvulas
encargadas del paso del polvo a los contenedores, el motor agitador para mezclar dos tipos de polvos en el
contenedor, los actuadores asumen el trabajo de comprimir el material y empujar a la banda
transportadora la pieza elaborada. La figura 6 presenta el proceso implementado, en el cual el usuario
tiene el acceso total del sistema, controlar, manipular e interactuar con entorno desarrollado, manipular
los Set Points, control del proceso en tiempo real del sistema en funcionamiento. El usuario puede
manipular de dos formas el entorno: (i) Dispositivos hardware de la computadora, mouse y teclado, para
realizar acciones específicas y manipulación de elementos de la planta para la visualización de la
operación; y (ii) Dispositivos hápticos, Oculus Quest 2, permite visualizar el funcionamiento del entorno
virtual mediante gafas de Realidad Virtual al usuario.
Figura 5. Elementos de conexión física de la técnica HIL desarrollada.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En este apartado se describe los resultados obtenidos de la virtualización de la planta pulvimetalurgia
implementado con la técnica HIL, el funcionamiento del entorno virtualizado consta de válvulas
encargadas del paso del polvo a los contenedores, el motor agitador para mezclar dos tipos de polvos en el
contenedor, los actuadores asumen el trabajo de comprimir el material y empujar a la banda
transportadora la pieza elaborada. La figura 6 presenta el proceso implementado, en el cual el usuario
tiene el acceso total del sistema, controlar, manipular e interactuar con entorno desarrollado, manipular
los Set Points, control del proceso en tiempo real del sistema en funcionamiento. El usuario puede
manipular de dos formas el entorno: (i) Dispositivos hardware de la computadora, mouse y teclado, para
realizar acciones específicas y manipulación de elementos de la planta para la visualización de la
operación; y (ii) Dispositivos hápticos, Oculus Quest 2, permite visualizar el funcionamiento del entorno
virtual mediante gafas de Realidad Virtual al usuario.
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Figura 6. Control del proceso de pulvimetalurgia virtualizado.
Virtualización del Proceso
En esta sección describe las 5 etapas de producción del engrane: Dosificación y mezclado, compactación,
sinterización, calibración e impregnación de aceite y tratamiento térmico, como se indica en la figura 7.
Figura 7. Etapas de una planta pulvimetalurgia, (1) representa la etapa de dosificación y mezclado, (2)
compactación, (3) sinterización, (4) calibración, (5) impregnación de aceite y tratamiento térmico.
El funcionamiento de las etapas es secuencial, la planta inicia al presionar el botón de arranque, se puede
realizar desde el panel de control físico y panel virtual en Unity 3D como se muestra en la figura 8,
funciona de manera indefinida por etapa hasta presionar el botón de parada. Cada etapa tiene un tiempo
Figura 6. Control del proceso de pulvimetalurgia virtualizado.
Virtualización del Proceso
En esta sección describe las 5 etapas de producción del engrane: Dosificación y mezclado, compactación,
sinterización, calibración e impregnación de aceite y tratamiento térmico, como se indica en la figura 7.
Figura 7. Etapas de una planta pulvimetalurgia, (1) representa la etapa de dosificación y mezclado, (2)
compactación, (3) sinterización, (4) calibración, (5) impregnación de aceite y tratamiento térmico.
El funcionamiento de las etapas es secuencial, la planta inicia al presionar el botón de arranque, se puede
realizar desde el panel de control físico y panel virtual en Unity 3D como se muestra en la figura 8,
funciona de manera indefinida por etapa hasta presionar el botón de parada. Cada etapa tiene un tiempo
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definido para realizar las acciones necesarias y completar la tarea requerida.
Figura 8. Presentación del panel físico VS. Panel virtualizado.
Cada proceso de la planta es identificado mediante los indicadores en el panel de control tanto virtual y
físico como se indica la figura 9. En la etapa de mezclado, en el panel virtualizado, se puede observar el
indicador de color verde encendido, mostrando la etapa actual, también el valor de Set Point del sensor
hasta llegar al valor deseado, activar la siguiente etapa.
Figura 9. Activación de la secuencia mediante indicadores en panel virtualizado.
Finalmente, la comunicación entre PLC y Unity 3D es mediante el protocolo de comunicación IP
Ethernet, con una arquitectura cliente – servidor y topología en estrella, conectado un router como
servidor Ethernet, el PLC como cliente y los ordenadores con el software Unity 3D como servidor, como
se indica en la figura 11. Esta comunicación se realiza una velocidad de 10 Mbps.
definido para realizar las acciones necesarias y completar la tarea requerida.
Figura 8. Presentación del panel físico VS. Panel virtualizado.
Cada proceso de la planta es identificado mediante los indicadores en el panel de control tanto virtual y
físico como se indica la figura 9. En la etapa de mezclado, en el panel virtualizado, se puede observar el
indicador de color verde encendido, mostrando la etapa actual, también el valor de Set Point del sensor
hasta llegar al valor deseado, activar la siguiente etapa.
Figura 9. Activación de la secuencia mediante indicadores en panel virtualizado.
Finalmente, la comunicación entre PLC y Unity 3D es mediante el protocolo de comunicación IP
Ethernet, con una arquitectura cliente – servidor y topología en estrella, conectado un router como
servidor Ethernet, el PLC como cliente y los ordenadores con el software Unity 3D como servidor, como
se indica en la figura 11. Esta comunicación se realiza una velocidad de 10 Mbps.
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Figura 10. Comunicación y virtualización de panel de control.
CONCLUSIONES
La virtualización de la metalurgia de polvos, a través de la implementación de Unity y TIA Portal,
proporciona una mejora significativa en la formación y capacitación tanto para empleados como
estudiantes, permitiendo así visualizar y ajustar virtualmente las diferentes etapas existentes en un entorno
seguro y controlado, más allá de una simple simulación en pantalla, esta virtualización se sumerge en el
mundo de la realidad virtual permitiendo así a los usuarios interactuar con procesos simulados utilizando
dispositivos como gafas de realidad virtual, lo cual aporta un nivel de realismo que se asemeja aún más al
proceso real, esta innovadora técnica ofrece la posibilidad de experimentar con diversos escenarios y
configuraciones en un entorno virtual antes de llevarlos a cabo físicamente, esto conlleva a la reducción
de riesgos y costos relacionados con ajustes y cambios en la producción, lo que a su vez conduce a un
proceso de desarrollo más controlado y económicamente viable.
La realización de este artículo destaca la importancia de la optimización del tiempo de capacitación y la
calidad que aporta la visualización de los espacios de trabajo en diferentes procesos de producción. Esta
herramienta facilita la comprensión y aplicación segura de las prácticas, reduciendo significativamente la
probabilidad de errores durante la manipulación de herramientas. Además, la visualización contribuye a
una reducción en los tiempos de mantenimiento, evitando las consecuencias de una mala práctica en el
espacio de trabajo. En resumen, la visualización de los espacios de trabajo se presenta como una
estrategia fundamental para mejorar la eficiencia, seguridad y calidad en la formación y ejecución de
procesos productivos.
Figura 10. Comunicación y virtualización de panel de control.
CONCLUSIONES
La virtualización de la metalurgia de polvos, a través de la implementación de Unity y TIA Portal,
proporciona una mejora significativa en la formación y capacitación tanto para empleados como
estudiantes, permitiendo así visualizar y ajustar virtualmente las diferentes etapas existentes en un entorno
seguro y controlado, más allá de una simple simulación en pantalla, esta virtualización se sumerge en el
mundo de la realidad virtual permitiendo así a los usuarios interactuar con procesos simulados utilizando
dispositivos como gafas de realidad virtual, lo cual aporta un nivel de realismo que se asemeja aún más al
proceso real, esta innovadora técnica ofrece la posibilidad de experimentar con diversos escenarios y
configuraciones en un entorno virtual antes de llevarlos a cabo físicamente, esto conlleva a la reducción
de riesgos y costos relacionados con ajustes y cambios en la producción, lo que a su vez conduce a un
proceso de desarrollo más controlado y económicamente viable.
La realización de este artículo destaca la importancia de la optimización del tiempo de capacitación y la
calidad que aporta la visualización de los espacios de trabajo en diferentes procesos de producción. Esta
herramienta facilita la comprensión y aplicación segura de las prácticas, reduciendo significativamente la
probabilidad de errores durante la manipulación de herramientas. Además, la visualización contribuye a
una reducción en los tiempos de mantenimiento, evitando las consecuencias de una mala práctica en el
espacio de trabajo. En resumen, la visualización de los espacios de trabajo se presenta como una
estrategia fundamental para mejorar la eficiencia, seguridad y calidad en la formación y ejecución de
procesos productivos.
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] L. A. Dobrzański, «Goals and Contemporary Position of Powder Metallurgy in Products
Manufacturing», en Powder Metallurgy Fundamentals and Case Studies, IntechOpen, 2017. doi:
10.5772/65378.
[2] «(PDF) Powder Metallurgy Processes and Making Metal Powder».
https://www.researchgate.net/publication/344884511_Powder_Metallurgy_Processes_and_Makin
g_Metal_Powder (accedido 25 de agosto de 2023).
[3] «AlvarezLugo et al. 2014 A review of the characterization and evaluation of.pdf». Accedido: 29
de agosto de 2023. [En línea]. Disponible en:
https://scielo.conicyt.cl/pdf/ingeniare/v22n4/art03.pdf
[4] X. Goso y A. Kale, «Production of titanium metal powder by the HDH process», Journal of the
Southern African Institute of Mining and Metallurgy, vol. 111, n.o 3, pp. 203210, 2011.
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29 de agosto de 2023).
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metallurgy in biomaterials», en Advances in Powder Metallurgy, I. Chang y Y. Zhao, Eds., en
Woodhead Publishing Series in Metals and Surface Engineering. Woodhead Publishing, 2013,
pp. 520554. doi: 10.1533/9780857098900.4.520.
[7] C. Selcuk, «15 Nondestructive evaluation of powder metallurgy parts», en Advances in Powder
Metallurgy, I. Chang y Y. Zhao, Eds., en Woodhead Publishing Series in Metals and Surface
Engineering. Woodhead Publishing, 2013, pp. 437454. doi: 10.1533/9780857098900.3.437.
[8] M. Malaki, «An Insight Into Metal Matrix Composites With Nano Size Reinforcement», en
Encyclopedia of Materials: Composites, D. Brabazon, Ed., Oxford: Elsevier, 2021, pp. 4251. doi:
10.1016/B9780128035818.117989.
[9] X. Kong y X. Kong, «Research on Realtime Virtualization Technology for Control System», en
Proceedings of the 5th International Conference on Computer Science and Application
Engineering, en CSAE ’21. New York, NY, USA: Association for Computing Machinery, dic.
2021, pp. 15. doi: 10.1145/3487075.3487080
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Engineering, en CSAE ’21. New York, NY, USA: Association for Computing Machinery, dic.
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pág. 5063
[10] G. Machado, M. Carvalho, I. Bessa, R. Landau, y V. Lucena Jr, VIRTUAL SETUP
AUTOMATIC VIRTUALIZATION OF INDUSTRIAL PLANTS FOR DIDACTIC PURPOSES.
2021, p. 4301. doi: 10.21125/iceri.2021.0996.
[11] Z. Lin y S. Pearson. An inside look at industrial Ethernet communication protocols, Texas, July
2018, pp. 45.
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[13] A. Lawley y T. F. Murphy, «Metallography of powder metallurgy materials», Materials
Characterization, vol. 51, n.o 5, pp. 315327, dic. 2003, doi: 10.1016/j.matchar.2004.01.006.
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