Low-cost digital twin approach for industrial automation education in the context of industry 4.0

• Autorzy: Bastos Hoton Henriques de Almeida , Pavani Gilberto João , Perin Matheus

Identyfikatory

DOI

10.7862/rm.2025.10

Warianty tytułu

PL

Niskokosztowy cyfrowy bliźniak do zastosowań edukacyjnych w zakresie automatyzacji przemysłowej w kontekście przemysłu 4.0

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The teaching of automation and control technologies requires laboratories equipped with didactic benches, making the teaching-learning process costly and limited in terms of accessibility. Virtual benches offer an option for face-to-face teaching, democratizing access to education, including in remote locations such as rural areas. The SIMP virtual bench is a free software developed at the Industrial Technical College of Santa Maria (CTISM) in conjunction with the Federal University of Santa Maria (UFSM), being a low-cost and fast-learning option. Through experimentation, it was found that students have a much higher success rate correctly assembling pneumatic circuits when using the software compared to using only the physical bench (76% vs. 24%). The virtual bench, in conjunction with the physical bench through the Digital Twin approach enhances the accessibility and effectiveness of education in pneumatics. This article explores the possibility of applying SIMP as a Digital Twin of a pneumatic didactic bench by replicating its behavior, becoming an appropriate option for the Brazilian educational reality, with the objective of improving teaching and learning in the area of industrial automation in line with the principles of Industry 4.0.

PL

Nauczanie technologii automatyzacji i sterowania wymaga laboratoriów wyposażonych w stanowiska dydaktyczne, co sprawia, że proces nauczania-uczenia się jest kosztowny i ograniczony pod względem dostępności. Wirtualne stanowiska oferują opcję nauczania twarzą w twarz, demokratyzując dostęp do edukacji, w tym w odległych lokalizacjach, takich jak obszary wiejskie. Wirtualne stanowisko SIMP to bezpłatne oprogramowanie opracowane w Industrial Technical College of Santa Maria (CTISM) we współpracy z Federal University of Santa Maria (UFSM). Stwierdzono eksperymentalnie, że korzystając z oprogramowania, studenci wykazują znacznie wyższy wskaźnik sukcesu w prawidłowym montażu obwodów pneumatycznych, w porównaniu z korzystaniem tylko ze stanowiska fizycznego (76% w porównaniu do 24%). Stanowisko wirtualne, w połączeniu ze stanowiskiem fizycznym poprzez podejście cyfrowego bliźniaka, pozwala na zwiększenie dostępności i skuteczności edukacji w zakresie pneumatyki. W tym artykule przedstawiono wyniki badań możliwości zastosowania SIMP jako cyfrowego bliźniaka pneumatycznego stanowiska dydaktycznego poprzez replikację jego zachowania, stając się odpowiednim podejściem dla brazylijskiej rzeczywistości edukacyjnej, w celu poprawy nauczania i uczenia się w obszarze automatyki przemysłowej zgodnie z zasadami Przemysłu 4.0.

Słowa kluczowe

EN

education; industrial automation; digital twin; Industry 4.0

PL

edukacja; automatyzacja przemysłowa; bliźniak cyfrowy; Przemysł 4.0

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej
• Czasopismo: Advances in Mechanical and Materials Engineering
• Rocznik: 2025
• Tom: Vol. 42, nr 1
• Strony: 113--120
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys.

Twórcy

autor

Bastos Hoton Henriques de Almeida

• Teaching Department, Federal Institute of Rio Grande do Sul (IFRS)

autor

Pavani Gilberto João

• Teaching Department, Federal Institute of Rio Grande do Sul (IFRS)

autor

Perin Matheus

• Teaching Department, Federal Institute of Rio Grande do Sul (IFRS)

Bibliografia

• 1. ABM. (2024, September 16). The role of digital twins in Industry 4.0. Brazilian Maintenance Association. Retrieved from https://www.abmbrasil.com.br/por/noticia/gemeo-digital-a-technology-of-the-now
• 2. Abud Filho, E. (2024, September 16). From wind tunnels to computer simulation: Brasilsat's path to success. Retrieved from https://www.esss.co/blog/tunel-de-vento/
• 3. Fernandes, J. C. (2011). Virtual laboratory: Didactic support tool in disciplines in engineering education. Paper presented at the São Paulo State Congress on Educator Training, São Paulo.
• 4. Garcia, C. (2024, September 16). Digital twins mark a new phase of transformation in industries. Retrieved from https://jornal.usp.br/universidade/gemeos-digitais-marcam-new-phase-of-transformation-in-industries/
• 5. Grieves, M. W., & Thomas, F. (2024, September 15). Digital twin: Manufacturing excellence through virtual factory replication. Retrieved from https://www.youtube.com/watch?v=Mu68ZcJ66x4
• 6. Halker, N. S. M., & Vatanabe, S. L. (2020). Development of a didactic virtual laboratory for teaching electrical machines. Revista de Engenharia, 3(1), 33-50.
• 7. Helikar, T. (2024, September 16). Digital twin of the human immune system. Retrieved from https://www.nokia.com/thought-leadership/articles/digital-twin-of-the-human-immune-system/
• 8. Huang, J., Huang, S., Moghaddam, S. K., Lu, Y., Wang, G., & Yan, Y. (2024). Deep reinforcement learning-based dynamic reconfiguration planning for digital twin-driven smart manufacturing systems with reconfigurable machine tools. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 20(11), 13135-13146. https://doi.org/10.1109/TII.2024.3431095
• 9. Kahn, V. (2024, September 16). Use of 3D experience to create a digital twin to unify virtual and real worlds. Retrieved from https://www.youtube.com/watch?v=hXvmA7gBbSM
• 10. Kewley, K. (2024, September 16). Digital twins: The worlds that are changing the way businesses work. Retrieved from https://forbes.com.br/forbes-tech/2023/05/digital-twins-the-worlds-that-are-changing-the-way-companies-work/
• 11. Luca, A. L. M. (2023). Digital twins @ factories of the future [Master’s thesis, University of Coimbra].
• 12. MTI Brazil. (2025, January 22). Industrial automation guide: Everything you need to know. Retrieved from https://mtibrasil.com.br/blog/automacao-industrial/guia-de-automacao-industrial/
• 13. Meeker, B., Shepley, S., & Schatsky, F. (2024, September 16). Expecting digital twins. Retrieved from https://www2.deloitte.com/insights/us/en/focus/signals-for-strategists/understanding-digital-twin-technology.html
• 14. Onaji, I., Tiwari, D., Soulatiantork, P., Song, B., & Tiwari, A. (2022). Digital twin in manufacturing: Conceptual framework and case studies. International Journal of Computer Integrated Manufacturing, 35(8), 831-858. https://doi.org/10.1080/0951192X.2022.2027014
• 15. Pavani, S. A., Pavani, G. J., & Pozzer, C. T. (2024). SimP I - Virtual bench: Application manual (2nd ed.). Porto Alegre, RS: Professor Pavani.
• 16. Pavani, S. A., Pozzer, C. T., & Colusso, P. R. (2019). Virtual bench for laboratories of pneumatic automation, hydraulics, motor drive and process controllers – An evolving case. In Brazilian Congress of Engineering Education (COBENGE), Fortaleza, Ceará.
• 17. Pedroni, B. C., Glória Júnior, I., & Gonçalves, R. F. (2018). Industry 4.0: Concepts and fundamentals. In J. B. Sacomano, R. F. Gonçalves, M. H. Benilla, & W. C. Sátyro (Eds.), Industry 4.0: Concepts and fundamentals (pp. 47-48). São Paulo: Edgard Blücher.
• 18. Rocha, L. J. S. (2022). The digital twin concept as a tool to support the operation of railway vehicles [Master's thesis, University of Porto].
• 19. Silva, A. C. O. (2024). Digital twin – An ally of simulation to industrial continuous improvement [Master's thesis, University of Minho].
• 20. Soori, M., Arezoo, B., & Dastres, R. (2023). Digital twin for smart manufacturing: A review. Sustainable Manufacturing and Service Economics, 2, Article 100017. https://doi.org/10.1016/j.smse.2023.100017
• 21. Unifor. (2024, September 15). Engineering of control and automation. University of Fortaleza. Retrieved from https://unifor.br/web/graduacao/engenharia-de-controle-e-automacao
• 22. Vitalli, R. A. P. (2023). Systematization of the calibration methodology using the digital twin technique for robots: Case study applied to industrial robots [Doctoral thesis, State University of Campinas].

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki (2026).