Memoria TFG Adrián Borredá

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TRABAJO DE FINAL DE GRADO. 
Grado en Ingeniería Mecánica. 
GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTICO. 
 
 
 
Memoria 
 
 
Autor: Adrián Borredá García 
Director: Daniel Di Capua 
Convocatoria: Junio 2023 
 
 
 
GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTCO 
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Resumen 
El siguiente trabajo trata las diferentes aplicaciones de los gemelos digitales y su implementación en 
un producto industrial. De hecho, los gemelos digitales pueden aplicarse a cualquier tipo de producto 
industrial, además de poder implementarse también en otros sectores como la fabricación, 
edificación, etc. 
Los gemelos digitales son modelos virtuales que imitan y simulan el comportamiento y características 
de objetos o procesos del mundo real. 
Dichos modelos se usan para optimizar el diseño y el funcionamiento de productos o procesos 
industriales. También son empleados para predecir el desempeño del modelo real antes de 
fabricarlo, de esta manera poder prevenir fallos y reducir costes a la hora de fabricar los modelos 
reales. 
Para hacer un gemelo digital, se necesita recopilar datos del mundo real a través de sensores y 
diferentes dispositivos IoT, dichos datos se procesan y se guardan en la nube, donde se podrán 
utilizar para crear el modelo virtual. El modelo virtual se realiza con herramientas CAD, en el caso de 
este proyecto se usará el SolidWorks. 
Este proyecto trata de la realización de un gemelo digital de una grúa pórtico, empezando desde el 
diseño 3D de la misma, siguiendo con la implementación en otras plataformas o programas como 
SolidWorks, Ramseries, Blender y OSI4IOT los cuales son necesarios para realizar un gemelo digital. 
 
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Resum 
El treball següent tracta les diferents aplicacions dels bessons digitals i la seva implementació en un 
producte industrial. De fet, els bessons digitals es poden aplicar a qualsevol tipus de producte 
industrial, a més de poder-se implementar també en altres sectors com la fabricació, edificació, etc. 
Els bessons digitals són models virtuals que imiten i simulen el comportament i les característiques 
d'objectes o processos del món real. 
Aquests models es fan servir per optimitzar el disseny i el funcionament de productes o processos 
industrials. També són emprats per predir l'exercici del model real abans de fabricar-lo, d'aquesta 
manera poder prevenir fallades i reduir costos a l'hora de fabricar els models reals. 
Per fer un bessó digital, cal recopilar dades del món real a través de sensors i diferents dispositius IoT, 
aquestes dades es processen i es guarden al núvol, on es podran utilitzar per crear el model virtual. El 
model virtual es fa amb eines CAD, en el cas d'aquest projecte es farà servir el SolidWorks. 
Aquest projecte tracta de la realització d'un bessó digital d'un pòrtic grua, començant des del disseny 
3D, seguint amb la implementació en altres plataformes o programes com SolidWorks, Ramseries, 
Blender i OSI4IOT els quals són necessaris per realitzar un bessó digital. 
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Abstract 
The following work deals with the different applications of digital twins and their implementation in 
an industrial product. In fact, digital twins can be applied to any type of industrial product, in addition 
to being able to also be implemented in other sectors such as manufacturing, building, etc. 
Digital twins are virtual models that mimic and simulate the behavior and characteristics of objects or 
processes in the real world. 
These models are used to optimize the design and operation of industrial products or processes. They 
are also used to predict the performance of the real model before manufacturing it, in this way to be 
able to prevent failures and reduce costs when manufacturing real models. 
To make a digital twin, you need to collect data from the real world through sensors and different IoT 
devices, this data is processed and stored in the cloud, where it can be used to create the virtual 
model. The virtual model is made with CAD tools, in the case of this project SolidWorks will be used. 
This project deals with the realization of a digital twin of a gantry crane, starting from the 3D design 
of the crane, continuing with the implementation in other platforms or programs such as SolidWorks, 
Ramseries, Blender and OSI4IOT which are necessary to make a digital twin. 
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iv 
Agradecimientos 
En primer lugar, agradecer la atención y el esfuerzo del director de mi TFG Daniel Di Capua, ya que, 
ha sido muy paciente a la hora de resolver diversas dudas que me han ido surgiendo mientras 
realizaba el proyecto, en definitiva, sin su colaboración, este proyecto no se habría podido llevar a 
cabo. 
En segundo lugar, darle las gracias a todos los compañeros que he ido conociendo a lo largo de estos 
años, han hecho de la universidad un ambiente sano y agradable. 
En tercer lugar, me gustaría agradecer a mi familia todo el esfuerzo realizado, debido a que me han 
estado apoyando en todo momento, no solo en las buenas, como cuando encontraba una materia 
apasionante sino sobre todo cuando venían momentos difíciles en los cuales era complicado 
encontrar algo de optimismo, siempre estuvieron allí para hacerme ver el lado positivo en algo que 
podía considerar negativo, también quiero agradecerles el haberme subvencionado tanto los 
estudios como mi estancia en la ciudad. 
 
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Índice 
RESUMEN ___________________________________________________________ I 
RESUM _____________________________________________________________ II 
ABSTRACT __________________________________________________________ III 
AGRADECIMIENTOS __________________________________________________ IV 
1. PREFACIO ______________________________________________________ 1 
1.1. Origen del trabajo .................................................................................................... 1 
1.2. Motivación ............................................................................................................... 1 
1.3. Requerimientos previos ........................................................................................... 1 
2. INTRODUCCIÓN _________________________________________________ 3 
2.1. Objetivos del trabajo ................................................................................................ 3 
2.2. Alcance del trabajo .................................................................................................. 3 
3. MARCO TEÓRICO ________________________________________________ 5 
3.1. Resistencia de materiales ........................................................................................ 5 
3.1.1. Tensión ................................................................................................................... 5 
3.1.2. Deformación ........................................................................................................... 6 
3.2. Análisis de elementos finitos ................................................................................... 7 
3.3. La industria 4.0 ......................................................................................................... 8 
3.4. Gemelos digitales ................................................................................................... 12 
3.4.1. Ventajas de los gemelos digitales ........................................................................ 12 
3.5. Internet de las cosas (IoT) ...................................................................................... 13 
3.5.1. Ventajas de IoT ..................................................................................................... 13 
3.5.2. Componentes y protocolo de comunicación de OSI4IOT .................................... 14 
4. METODOLOGÍA ________________________________________________ 21 
4.1. SolidWorks .............................................................................................................21 
4.1.1. Metodología realizada con SolidWorks ............................................................... 21 
4.2. Ramseries ............................................................................................................... 23 
4.2.1. Metodología realizada con Ramseries ................................................................. 23 
4.3. Blender ................................................................................................................... 32 
4.3.1. Metodología realizada con Blender ..................................................................... 32 
4.4. OSI4IOT ................................................................................................................... 39 
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4.4.1. Interfaz de la plataforma IoT ................................................................................ 39 
4.4.2. Metodologia realizada con OSI4IOT ..................................................................... 40 
4.4.3. Metodología Node-RED ........................................................................................ 42 
5. RESULTADOS __________________________________________________ 47 
IMPACTO AMBIENTAL _______________________________________________ 51 
CONCLUSIONES _____________________________________________________ 52 
PRESUPUESTO ______________________________________________________ 53 
BIBLIOGRAFÍA ______________________________________________________ 55 
ANEXO ____________________________________________________________ 57 
 
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1. Prefacio 
1.1. Origen del trabajo 
Para comprender los motivos por los cuales he realizado este trabajo, hay que remontarse a 
diciembre de 2022. Me hallaba buscando un director para dirigir mi TFG, con la intención de realizar 
un proyecto que se relacionase con el diseño mecánico, de hecho, le escribí a Daniel con la idea de 
realizar un proyecto diferente al actual, pero cuando me comento el tema de los gemelos digitales, 
cambié de opinión y decidí aceptar su propuesta, debido a que siempre me llamaron los programas 
de metodología BIM, este proyecto me dio la oportunidad ir un paso más allá. 
1.2. Motivación 
Como ya he mencionado anteriormente, los programas de validación de diseño ya sean Ansys o 
SolidWorks Simulation, han sido las materias que más me han llamado la atención durante mis 
estudios en la UPC. 
Poder realizar un diseño y después validar la funcionalidad del mismo es algo que me pareció en todo 
momento un proceso creativo y útil. Este tipo de programas siempre me han parecido una gran 
forma de materializar los conocimientos adquiridos en muchas materias de la carrera. 
También me motivó el hecho de hacer un proyecto sobre un tema tan innovador y con tanta 
proyección. El futuro de las nuevas tecnologías está en la Industria 4.0, por lo que adquirir 
conocimientos sobre este tema, es además de útil, apasionante y puede abrir puertas para el futuro. 
1.3. Requerimientos previos 
Los conocimientos previos que se han de asentar para realizar este trabajo son diversos, dichos 
conocimientos engloban al campo del análisis estructural (elasticidad), el campo del análisis de los 
elementos finitos. 
También se ha de saber cómo diseñar con SolidWorks, además de saber hacer como realizar de 
manera adecuada renderizados y animaciones con Blender. 
Por último, saber programar en JavaScript, tener nociones básicas de Node-Red, y entender cómo 
funciona la plataforma OSI4IOT. 
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2. Introducción 
2.1. Objetivos del trabajo 
El objetivo principal de este proyecto es el de implementar un gemelo digital en una estructura 
creada virtualmente, como ya se ha mencionado anteriormente dicha estructura es una grúa pórtico. 
Para ello se ha tenido que crear un modelo CAD y mediante a la ayuda de otras plataformas, ya sean 
de análisis de elementos finitos, animación o programación, se ha podido implementar el gemelo 
digital en dicho modelo virtual, con el propósito de monitorizar datos a tiempo real. 
Los datos que se busca obtener con este proyecto son los desplazamientos y los esfuerzos cortantes 
en el eje x a los que se ve sometida la estructura según va variando la posición del carro de empuje 
de la grúa, para de esa manera, poder prevenir gastos en la fabricación de este tipo de estructuras. 
2.2. Alcance del trabajo 
El alcance del trabajo es implementar un gemelo digital a un modelo virtual de una grúa pórtico 
como se ha mencionado anteriormente. La intención es maximizar la interconexión y el tráfico de 
información entre las diferentes células que forman el gemelo digital, con la finalidad de que el 
gemelo digital sea lo más completo posible y pueda predecir de mejor forma el comportamiento de 
dicha estructura cuando se somete a una carga de 1000 kilogramos. 
 
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3. Marco teórico 
3.1. Resistencia de materiales 
El campo de la resistencia de materiales estudia el comportamiento de los materiales estructurales 
cuando se ven sometidos a cargas externas, para realizar los estudios de dichos comportamientos se 
utilizan métodos analíticos y numéricos que son las herramientas para estudiar las propiedades 
mecánicas del material. 
Dichas propiedades son la elasticidad, la plasticidad y la resistencia a la fractura, por lo que implica el 
análisis de tensiones, deformaciones y fallas en elementos estructurales sometidos a diversas cargas, 
como tracción, compresión, flexión y torsión 
El objetivo es evaluar la capacidad de carga de las estructuras, diseñar componentes seguros 
eficientes, y prevenir que la estructura pueda fallar. 
3.1.1. Tensión 
La tensión describe la distribución de fuerzas internas en un material cuando se le aplica una carga 
externa. Es una medida de la intensidad de las fuerzas internas que actúan en un material y puede 
influir en su comportamiento y resistencia. 
Este fenómeno se define como la fuerza aplicada sobre un área determinada. Se expresa como la 
relación entre la fuerza (F) y el área transversal (A) sobre la cual se aplica dicha fuerza. Por lo tanto, la 
tensión (σ) se calcula como σ = F / A. 
 
Imagen 1: Representación gráfica tensión. 
Existen diferentes tipos de tensiones que se pueden presentar en un material, dependiendo de la 
dirección y la forma de la carga aplicada. 
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• Tensión de tracción: Ocurre cuando se aplica una fuerza que tiende a alargar o estirar el 
material. La tensión de tracción se distribuye uniformemente a lo largo de la sección 
transversal y se calcula dividiendo la fuerza aplicada por el área inicial del material. 
• Tensión de compresión: Se produce cuando se aplica una fuerza que tiende a comprimir o 
acortar el material. Al igual que la tensión de tracción, se distribuye uniformemente en la 
sección transversal y se calcula de manera similar. 
• Tensión de corte: Se presenta cuando se aplica una fuerza paralela a una superficie que 
tiende a deslizar las capas internas del material entre sí. La tensión de corte se calcula 
dividiendo la fuerza de corte por el área transversal. 
• Tensión de flexión: Sucede cuando se aplica una carga que curva o dobla el material. La 
tensión de flexión varía a lo largo de la sección transversal del material y es mayor en la 
región externa más alejada del eje de flexión. 
3.1.2. Deformación 
El fenómeno de la deformación se refiere al cambio en la forma o tamaño del material cuando se le 
aplica una carga externa. Cuando se le aplican fuerzas a un material, se ve sometido a una respuesta 
física y se deforma, cambiando sus propiedades geométricas. 
La deformación se expresa como la relación entre el cambio en la dimensión del material y su 
dimensión original. Se puede cuantificar utilizando diferentes medidas, como la deformación lineal, la 
deformación volumétrica o la deformación angular.• Deformación lineal: se refiere al cambio en la longitud relativa de un material en una 
dirección específica debido a la carga aplicada. Se calcula dividiendo el cambio en la longitud 
por la longitud original. 
• Deformación volumétrica: se relaciona con el cambio en el volumen del material debido a 
una carga aplicada. La deformación volumétrica se calcula dividiendo el cambio en el 
volumen por el volumen original. 
• Deformación angular: se produce cuando se aplica una carga que altera el ángulo entre las 
partes del material. Se mide mediante cambios en los ángulos internos del material y se 
expresa en radianes o grados. 
Es importante tener en cuenta que la deformación puede ser elástica o plástica. La elástica es 
reversible y el material recupera su forma original una vez que se retira la carga. En cambio, la 
plástica es permanente, y el material no regresa a su forma original después de la descarga. 
El estudio de la deformación es esencial para el diseño y análisis de estructuras, ya que permite 
evaluar la capacidad de los materiales para soportar cargas sin deformarse excesivamente ni fallar. 
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Además, proporciona información sobre la resistencia, rigidez y comportamiento de los materiales 
bajo diferentes condiciones de carga, lo que ayuda a garantizar la seguridad y el rendimiento 
adecuado de las estructuras y componentes. 
3.2. Análisis de elementos finitos 
El análisis de los elementos finitos es una técnica numérica utilizada para resolver problemas de 
ingeniería estructural y mecánica. Es un método de simulación por computación que divide un objeto 
o estructura en pequeños elementos geométricos (finitos) para aproximarse al comportamiento real 
del sistema bajo cargas y condiciones específicas. 
El primer paso es discretizar la geometría en una malla de elementos finitos. Los elementos se 
describen por un conjunto de ecuaciones y después estas ecuaciones se resuelven numéricamente 
para obtener las soluciones aproximadas. 
Básicamente el análisis de elementos finitos consiste en dividir un objeto complejo en objetos más 
pequeños, de esta manera se facilita el estudio del mismo, estos objetos más pequeños se 
denominan elementos. 
Los elementos se definen por sus propiedades de material, geometría y condiciones de carga. El 
comportamiento de los elementos individuales se combina para representar el comportamiento 
global de la estructura completa. 
La discretización en elementos finitos permite modelar y analizar una amplia gama de problemas, 
como el análisis de tensiones y deformaciones, la transferencia de calor, el flujo de fluidos, la 
dinámica estructural y otros fenómenos físicos. 
 
Imagen 2: Asa sometida a un esfuerzo analizada por métodos FEM. 
El proceso de análisis de elementos finitos implica los siguientes pasos: 
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• Discretización o modelado de la estructura: La estructura se dividide en una cantidad finita 
de elementos. 
• Definir las propiedades del elemento: En este paso se definen las propiedades del elemento. 
• Ensamblar las matrices de rigidez de los elementos: A continuación, mediante la matriz de 
rigidez se relacionan los desplazamientos de una serie de puntos o nodos, con los esfuerzos 
puntuales efectivos en dichos puntos. 
• Aplicación de las cargas: Fuerzas externas concentradas o fuerzas uniformes y momentos 
son especificados en este paso. 
• Definir las condiciones de contorno: Se deben especificar las sujeciones, por ejemplo, si el 
desplazamiento de ciertos nodos es conocido. Usando loas condiciones de contorno se 
pueden determinar las reacciones en los mismos. 
• Solucionar el sistema de ecuaciones algebraicas lineales: La secuencial aplicación de los 
pasos descritos, conduce a un sistema de ecuaciones algebraicas simultáneas, donde los 
desplazamientos nodales son desconocidos. 
• Calcular los esfuerzos: El usuario puede entonces calcular los esfuerzos, reacciones, 
deformaciones u otra información relevante. El post-procesador ayuda a visualizar la salida 
en forma gráfica. 
 
3.3. La industria 4.0 
Durante la historia de la humanidad se han vivido revoluciones tecnológicas marcadas por algún 
avance técnico que ha hecho que sea posible dar un paso adelante como sociedad y facilitar muchas 
de las tareas cotidianas y no tan cotidianas del día a día. 
A día de hoy se está viviendo una de las revoluciones tecnológicas lo cual hará que en diversos 
campos cambie la forma de trabajar e incluso de vivir. 
Esta revolución que estamos presenciando es la de la Industria 4.0. De hecho, hay parte de la 
sociedad que teme a este tipo de progresos, debido a que piensan que van a perder su empleo por 
estos avances tecnológicos, la clave está en saber cómo adaptarse a estos cambios, tal y como han 
hecho siempre los humanos a lo largo de la historia. 
La cuarta revolución industrial implica la promesa de una nueva revolución que combina técnicas 
avanzadas de producción y operaciones con tecnologías inteligentes que se integrarán en las 
organizaciones, las personas y los activos. [1] 
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Las consecuencias del surgimiento de esta industria pueden verse a diferentes niveles: en grandes 
ecosistemas, a nivel organizacional e, incluso, a nivel individual. [2] 
• Ecosistemas: La Industria 4.0 puede afectar a todos los ingredientes del ecosistema, es decir, 
tanto a proveedores como a los consumidores finales. Además, también impacta en la forma 
en la que las empresas operan y en la producción de bienes, puesto que la cuarta revolución 
trae consigo la interconexión entre los diferentes puntos de una red y una eficiencia 
multiplicada. 
• Organizaciones: Gracias a las innovaciones que ofrece la industria 4.0 es posible ajustarse y 
aprender de los datos a tiempo real. Gracias a ello, las empresas son más proactivas, 
receptivas y sobre todo, predictivas. De igual forma, también permite a las organizaciones a 
reducir los riesgos dentro de su operativa. 
• Individuos: Desde la perspectiva de cada persona, la Industria 4.0 puede representar cosas 
diferentes. Para la plantilla de una empresa puede significar una serie de cambios operativos 
que van a llevar a cabo en sus trabajos. Sin embargo, para los clientes podría significar una 
atención más personalizada en los productos y servicios que va a recibir por parte de la 
compañía. 
Las diferentes tecnologías que han surgido a partir de la cuarta revolución industrial son diversas, es 
cierto que este proyecto trata solo sobre dos de ellas (Gemelos digitales e IoT), pero es importante 
tener en cuenta este tipo de tecnologías ya que están cambiando la manera de trabajar y de vivir 
actual. 
Estas nuevas tecnologías son: IoT, Big Data, Integración horizontal y vertical, computación en la 
nube, impresión 3D, robots autónomos, gemelos digitales y ciberseguridad. [3] 
• Internet de las cosas (IoT): La mayoría de las cosas físicas de la Industria 4.0 ya sean 
dispositivos, robots, maquinaria, equipos y/o productos, utilizan sensores y etiquetas RFID 
para proporcionar datos en tiempo real sobre su estado, rendimiento o ubicación. Esta 
tecnología les permite a las empresas operar cadenas de suministro más fluidas, diseñar y 
modificar rápidamente productos, evitar la inactividad de los equipos, estar al tanto de las 
preferencias del consumidor, hacer seguimiento de los productos y el inventario, y mucho 
más. 
• Big Data: En la Industria 4.0, el Big Data se recopila desde una amplia gama de fuentes, 
desde equipos de fábrica y dispositivos de internet de las cosas (IoT), hasta sistemas de ERP y 
CRM, hasta apps del estado del tiempo y del tránsito. Las analíticas potenciadas por 
inteligencia artificial (IA) y machine learning se aplican a los datos en tiempo real y la 
información estratégica se aprovecha para mejorar la toma de decisiones y la automatización 
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en todas las áreas de la gestión de la cadena de suministro: planificación de la cadena de 
suministro, gestión de logística, fabricación, I+D e ingeniería, gestión de activos 
empresariales (EAM) y compras. 
• Computación en la nube: La computación en la nube es el "gran habilitador" de la Industria 
4.0 y la transformación digital. La tecnología en la nube de hoy en día va mucho más allá de 
velocidad, escalabilidad, almacenamiento y eficiencia de costos. Proporciona la base para la 
mayoría de las tecnologías avanzadas desde IA y machine learning hasta internet de las cosas 
y les da a las empresas los medios para innovar. Los datos que alimentan las tecnologías de la 
Industria 4.0 residen en la nube y los sistemas ciberfísicos del centro de la Industria 4.0 
utilizan la nube para comunicarse y coordinarse. 
• Realidad aumentada (AR): La realidad aumentada, superpone el contenido digital en un 
entorno real, es un concepto central de la Industria 4.0. Con un sistema de AR, los empleados 
utilizan lentes inteligentes o dispositivos móviles para visualizar datos de IoT en tiempo real, 
piezas digitalizadas, instrucciones de reparación o montaje, contenido de capacitación, y más 
cuando miran algún elemento físico como una pieza de equipamiento o un producto. La AR 
sigue emergiendo, pero tiene implicancias importantes para el mantenimiento, servicio y 
control de calidad, así como para la capacitación y seguridad de los técnicos. 
• Integración vertical y horizontal: Con la integración horizontal, los procesos están 
estrechamente integrados a "nivel de campo" en la planta de producción, en múltiples 
instalaciones de producción y en toda la cadena de suministro. Con la integración vertical, 
todas las capas de una organización están vinculadas y los datos fluyen libremente desde la 
planta de fabricación hasta las oficinas y desde allí al resto. En otras palabras, la producción 
está estrechamente integrada con procesos de negocio como I+D, garantía de calidad, ventas 
y marketing, y otros departamentos y los silos de datos y conocimiento son cosa del pasado. 
• Impresión 3D: La impresión 3D se utilizó inicialmente como una herramienta de creación 
rápida de prototipos, pero ahora brinda una gama más amplia de aplicaciones, desde la 
personalización en masa hasta la fabricación distribuida. Con la impresión 3D, por ejemplo, 
las piezas y los productos pueden almacenarse como archivos de diseño en inventarios 
virtuales e imprimirse bajo demanda o donde se lo necesite reduciendo tanto las distancias 
de transporte como los costos. 
• Robots autónomos: Programados para realizar tareas con mínima intervención humana, los 
robots autónomos varían mucho en tamaño y función, desde drones de escaneo de 
inventario hasta robots móviles autónomos para operaciones de recoger y ubicar. Equipados 
con software de vanguardia, IA, sensores y visión de máquina, estos robots son capaces de 
realizar tareas difíciles y delicadas y pueden reconocer, analizar y actuar sobre la información 
que reciben de sus alrededores. 
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• Ciberseguridad: Implementando una arquitectura Zero Trust y tecnologías como machine 
learning y blockchain, las empresas pueden automatizar la detección, prevención y respuesta 
ante amenazas y minimizar el riesgo de violaciones a los datos y demoras en la producción 
en todas sus redes 
• Gemelos digitales: Un gemelo digital es una simulación virtual de una máquina, producto, 
proceso o sistema del mundo real basado en datos de sensores de IoT. Este componente 
central de la Industria 4.0 les permite a las empresas comprender, analizar y mejorar el 
rendimiento y el mantenimiento de los sistemas y productos industriales. Un operador de 
activos, por ejemplo, puede utilizar un gemelo digital para identificar una pieza específica 
que funciona mal, prever problemas potenciales y mejorar el tiempo productivo. 
 
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3.4. Gemelos digitales 
Un gemelo digital es un modelo virtual de un objeto físico. Abarca el ciclo de vida del objeto y utiliza 
los datos en tiempo real enviados por los sensores del objeto para simular el comportamiento y 
supervisar las operaciones. Los gemelos digitales pueden replicar varios elementos del mundo real, 
desde piezas individuales de un equipo en una fábrica hasta instalaciones completas, como turbinas 
eólicas e incluso ciudades enteras. La tecnología de gemelos digitales permite supervisar el 
rendimiento de un activo, identificar posibles fallos y tomar decisiones mejor fundamentadas en 
cuanto al mantenimiento y el ciclo de vida. [4] 
3.4.1. Ventajas de los gemelos digitales 
Las ventajas de los gemelos digitales son diversas y se pueden describir desde diferentes perspectivas 
técnicas y operativas. 
En primer lugar, los gemelos digitales brindan una visibilidad mejorada y en tiempo real de los 
objetos físicos. Al recopilar y analizar datos continuamente, los gemelos digitales proporcionan 
información actualizada sobre el estado, el rendimiento y las posibles fallas de los objetos físicos. Esto 
permite una mejor toma de decisiones, lo que puede aumentar la eficiencia y reducir los costos 
operativos. 
Además, los gemelos digitales permiten realizar simulaciones y análisis de "qué pasaría si" en 
entornos virtuales. Esto da la oportunidad de probar diferentes escenarios, identificar posibles 
problemas y evaluar soluciones. Por ejemplo, se puede simular el impacto de modificar ciertos 
parámetros en el rendimiento de una máquina o en el flujo de producción de una planta. 
Otra ventaja de los gemelos digitales es su capacidad para facilitar el mantenimiento predictivo y la 
detección temprana de fallas. Al monitorizar continuamente el estado de los objetos físicos a través 
de los datos del gemelo digital, es posible identificar señales que podrían indicar problemas futuros. 
Esto permite tomar medidas preventivas y programar el mantenimiento de manera más eficiente, 
evitando interrupciones costosas en la operación. 
Los gemelos digitales también son útiles en el diseño y desarrollo de productos. Al crear un gemelo 
digital de un nuevo producto o prototipo, se pueden realizar pruebas virtuales y optimizar su diseño 
antes de iniciar la producción. Esto acelera el proceso de desarrollo y reduce los costos asociados con 
la construcción de múltiples prototipos físicos. 
En términos de aplicaciones, los gemelos digitales se utilizan en diversos sectores, como la 
fabricación, la energía, la salud, la logística y la construcción. En la fabricación, por ejemplo, los 
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gemelos digitales permiten supervisar y optimizar la producción, predecir fallas en maquinaria y 
mejorar la eficiencia general de las operaciones. En el campo de la salud, los gemelos digitales 
pueden ayudar en la planificación de cirugías, la simulación de tratamientos y el monitoreo 
personalizado de pacientes. 
3.5. Internet de las cosas (IoT) 
El Internet de las Cosas (IoT) es un avance tecnológico que se basa en la interconexión de objetos 
físicos, dotados de sensores y actuadores, a través de una infraestructura de red global. Estos 
objetos, también conocidos como dispositivos IoT, son capaces de recopilar, procesar y transmitir 
datos de manera autónoma, permitiendo la integración y colaboración entre ellos y con sistemas de 
gestión centralizados. 
El funcionamiento de los sistemas de IoT consiste en analizar, recibir y enviar los datos de forma 
permanente en un ciclo de retroalimentación. Según el tipo de tecnología de IoT, las personas o los 
sistemas de inteligencia artificial y aprendizaje automático (IA/ML) pueden analizar estos datos casi 
de inmediato o durante cierto tiempo [6]. 
3.5.1. Ventajas de IoT 
Las ventajas del IoT son diversas y se pueden describir desde diferentes perspectivas. En términos deeficiencia operativa, el IoT permite la monitorización y control en tiempo real de procesos y sistemas. 
Los dispositivos IoT recopilan datos continuamente y los transmiten a sistemas centrales, lo que 
facilita la toma de decisiones más informadas y la optimización de recursos. 
• En el ámbito de la seguridad: Brinda la capacidad de supervisar y proteger entornos de 
manera más efectiva. Los sensores y cámaras IoT pueden detectar situaciones de riesgo, 
como intrusiones o incendios, y enviar alertas inmediatas para tomar medidas preventivas. 
Además, el IoT puede mejorar la seguridad vial mediante la monitorización del tráfico en 
tiempo real y la gestión inteligente de semáforos. 
• En el ámbito de la salud: Ofrece soluciones innovadoras. Los dispositivos portátiles, como 
relojes inteligentes o pulseras de actividad, pueden recopilar datos sobre la actividad física, el 
sueño y el ritmo cardíaco de los usuarios. Estos datos se pueden utilizar para monitorear la 
salud, ofrecer recomendaciones personalizadas y facilitar un estilo de vida más saludable. 
• En el sector agrícola: Permite una gestión más eficiente de los cultivos y los recursos hídricos. 
Los sensores IoT pueden medir la humedad del suelo, la temperatura y otros parámetros 
importantes para la agricultura. Con esta información, los agricultores pueden optimizar el 
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riego, detectar enfermedades en las plantas y predecir la cosecha, lo que conduce a una 
producción agrícola más sostenible y rentable. 
Otra aplicación del IoT se encuentra en los hogares inteligentes, donde los dispositivos conectados 
permiten el control remoto y la automatización de diversas funciones. Desde el encendido y apagado 
de luces hasta el ajuste de la temperatura o la gestión de electrodomésticos. 
3.5.2. Componentes y protocolo de comunicación de OSI4IOT 
Para crear el gemelo digital en este proyecto se ha utilizado una plataforma de IoT en la cual se 
implementarán unos resultados que se obtendrán con otros programas de simulación y de 
animación. 
Es necesario utilizar una plataforma IoT para la creación del modelo digital debido a que será la 
responsable de monitorizar los componentes y comportamientos del modelo creado. La plataforma 
utilizada para la realización del TFG es OSI4IOT. 
OSI4IOT es una abreviación de: Open Source Integration for Internet Of Things). La plataforma está 
formada por una serie de herramientas, servicios y programas de código abierto para hacer que sea 
una plataforma en la cual se pueda insertar un modelo 3D y seguidamente realizar una serie de pasos 
para convertir este modelo 3D en un Gemelo Digital. 
Los componentes que utiliza OSI4IOT son los siguientes: 
• Mosquitto: Es un broker de mensajes que implementa el protocolo MQTT. El protocolo 
MQTT proporciona un método ligero para enviar mensajes usando un modelo de 
publicación/suscripción 
• Node-RED: Es una herramienta de programación visual para conectar dispositivos de 
hardware, API y servicios en línea. Se utiliza como puerta de enlace de datos. 
• Posgresql: Es un sistema de gestión de bases de datos relacionales gratuito y de código 
abierto. 
• Timescaledb: Es una base de datos relacional de código abierto para datos de series 
temporales. Pgadmin: Es una herramienta para administrar la base de datos PostgreSQL. 
• Grafana: Es una aplicación web de visualización interactiva. Proporciona tablas, gráficos y 
alertas para la web cuando se conecta a fuentes de datos compatibles. 
• Traefik: Es un proxy inverso y un balanceador de carga. 
• Nodejs: Es un entorno de tiempo de ejecución de JavaScript de back-end que ejecuta código 
JavaScript fuera de un navegador web. 
GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTCO 
 15 
• React: Es una biblioteca de JavaScript front-end de código abierto para crear interfaces de 
usuario o componentes de interfaz de usuario. 
• Typescript: Es un lenguaje de programación que es un superconjunto sintáctico estricto de 
JavaScript. permitir agregar escritura estática al idioma. 
• Docker: Es una herramienta diseñada para facilitar la creación, implementación y ejecución 
de aplicaciones mediante el uso de contenedores. Los contenedores permiten a un 
desarrollador empaquetar una aplicación con todas las partes que necesita, como bibliotecas 
y otras dependencias, e implementarla como un solo paquete. 
• Dev2pdb: Herramienta desarrollada en lenguaje go para guardar en base de datos los 
mensajes que llegan a los dispositivos. 
• Portanier: Es una herramienta universal de gestión de contenedores. 
 
Imagen 3:Componentes OSI4IOT 
Para la realización de este proyecto es necesario comprender bien las bases del protocolo MQTT y el 
funcionamiento del programa Node-RED. 
 
3.5.2.1. Protocolo de comunicación MQTT 
Un protocolo de comunicación es una serie de normas que se definen para que dos o más 
dispositivos puedan comunicarse y entenderse. El protocolo de comunicación MQTT utiliza el patrón 
pub/sub, la metodología pub/sub es un patrón de mensajería donde un agente, el “Subscriber”, 
informa al “broker” que quiere recibir un tipo de mensajes. Otro agente, el “Publisher” puede 
publicar mensajes. El “broker” distribuye los mensajes a los “Subscribers”.[7] 
 GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTICO 
16 
 
Imagen 4: Protocolo MQTT 
3.5.2.2. Ventajas del protocolo MQTT 
Las ventajas que ofrece el protocolo MQTT son diversas: 
• Ligero y eficiente: MQTT es eficiente en el consumo de energía y ancho de banda, lo que es 
ideal para dispositivos y redes con recursos limitados. 
• Conexión persistente: MQTT mantiene una conexión persistente, lo que agiliza la 
comunicación sin necesidad de establecer y cerrar la conexión repetidamente. 
• Modelo de publicación/suscripción: MQTT utiliza un modelo en el que los mensajes se 
publican en temas y los suscriptores reciben los mensajes en los temas a los que están 
suscritos. 
• Escalabilidad y flexibilidad: MQTT permite múltiples clientes y brokers MQTT 
interconectados para una escalabilidad y distribución eficientes. 
• Soporte para redes inestables: MQTT puede manejar reconexiones automáticas y garantizar 
la entrega de mensajes en condiciones de red poco confiables. 
• Calidad de servicio (QoS): MQTT ofrece diferentes niveles de calidad de servicio para 
garantizar la entrega confiable de mensajes. 
3.5.2.2.1 Tipos de calidad de servicio 
La calidad de servicio (QoS, por sus siglas en inglés) en MQTT se refiere a los diferentes niveles de 
garantía de entrega de mensajes que se pueden aplicar durante la comunicación entre los clientes y 
el broker MQTT. MQTT ofrece tres niveles de QoS: 
• QoS 0 (Entrega al menos una vez): En este nivel de QoS, el mensaje se entrega una vez sin 
confirmación o garantía de entrega. El cliente publica el mensaje, y el broker lo envía a los 
GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTCO 
 17 
suscriptores. Sin embargo, no se realiza un seguimiento de si los suscriptores han recibido el 
mensaje. Si algún suscriptor está desconectado o no puede recibir el mensaje en ese 
momento, el mensaje se perderá. 
 
Imagen 5: QoS 0 
• QoS 1 (Entrega al menos una vez con confirmación): En este nivel de QoS, el mensaje se 
entrega al menos una vez y se espera una confirmación de entrega. El cliente publica el 
mensaje y el broker lo envía a los suscriptores. Cada suscriptor confirma la recepción del 
mensaje, y si el broker no recibe la confirmación, volverá a enviar el mensaje hasta que se 
confirme la entrega. Esto garantiza que el mensaje se entregue al menos una vez, pero 
puede resultar en duplicados si hay reintentos debido a falta de confirmación. 
 
Imagen 6: QoS 1 
• QoS 2 (Entrega exactamente una vez): Este es el nivel de QoS más alto en MQTT. En este 
caso, el mensaje se entrega exactamente una vez. Se realiza un seguimiento exhaustivo de la 
entrega y se evitan duplicados. El cliente publica el mensaje, el broker lo envía alos 
suscriptores y se realiza un intercambio de confirmaciones para garantizar una entrega sin 
 GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTICO 
18 
duplicados. Esto asegura que el mensaje se entregue solo una vez, aunque puede requerir 
más tiempo y recursos de red debido a la confirmación adicional. 
 
Imagen 7: QoS 2 
La elección del nivel de QoS depende de las necesidades y requisitos específicos de la aplicación. Si la 
pérdida ocasional de mensajes no es un problema, el nivel de QoS 0 puede ser suficiente. Si se 
necesita una entrega confiable y se pueden tolerar duplicados, el nivel de QoS 1 es adecuado. Si se 
requiere una entrega exacta y sin duplicados, se debe utilizar el nivel de QoS 2, aunque esto puede 
requerir más recursos. 
3.5.2.3. Node-RED 
Node-RED es una plataforma de programación visual que permite conectar y automatizar 
dispositivos y servicios. Fue desarrollada por IBM, aunque ahora es un proyecto de código abierto. 
Utiliza un enfoque basado en nodos interconectados para crear flujos de trabajo y aplicaciones IoT 
(Internet de las cosas) de forma gráfica. 
Node-RED está creado a partir de Node.js, lo cual proporciona a la herramienta una potencia 
suficiente para que sea escalable y fiable, con unos requerimientos de computación muy bajos. Dicha 
característica ha propiciado que Node-RED pueda ser ejecutado en ordenadores domésticos, en 
servidores cloud y en dispositivos embebidos de bajas prestaciones. [8] 
GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTCO 
 19 
 
Imagen 8: Logotipo Node-RED 
Como se ha mencionado anteriormente Node-RED trabajo mediante nodos, que se pueden localizar 
en la barra “filter nodes”. Estos nodos están clasificados según su función, los tipos de nodos que hay 
se clasifican en: “common”, “function”, “network”, “input”, “output”, “sequence”, “parser”, 
“storage”, “análisis”, “image tolos” y “dashboard”. 
Este proyecto trata los nodos tipo “inject”, “debug”, “function”, “mqtt in” y “mqtt out”, por esa razón 
se realizará un especial hincapié en los mismos. 
• Nodo "Inject": Permite enviar manualmente un mensaje a través del flujo. Es útil 
para desencadenar una acción o iniciar un proceso en un momento específico. 
• Nodo "Debug": Muestra los mensajes de depuración en la pestaña de depuración de 
Node-RED. Ayuda a rastrear y comprender el flujo de datos durante la ejecución. 
• Nodo "Function": Permite escribir código JavaScript personalizado para realizar 
manipulaciones avanzadas en los datos del flujo. Puedes realizar cálculos, 
transformaciones y lógica compleja utilizando este nodo. 
• Nodo “Mqtt in”: Se utiliza para suscribirse a un tema (topic) MQTT y recibir 
mensajes publicados en ese tema. Se puede configurar el nodo para que se conecte 
a un broker MQTT específico y definir el tema al que interesa suscribirse. Una vez 
que el nodo está suscrito, los mensajes que se publican en ese tema se enviarán al 
flujo de Node-RED para su procesamiento. 
• Nodo “Mqtt out”: Se utiliza para publicar mensajes en un tema MQTT específico. SE 
puede configurar el nodo para que se conecte a un broker MQTT y definir el tema en 
el que interesa publicar los mensajes. Al enviar un mensaje al nodo "mqtt out" desde 
el flujo, este se enviará al broker MQTT y estará disponible para todos los 
dispositivos o aplicaciones suscritos a ese tema. 
 GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTICO 
20 
Por otra parte, la pestaña en la que se añaden estos nodos recibe el nombre de “Flow”. Los 
“Flows” son áreas de trabajo separadas dentro del entorno de desarrollo donde se pueden 
crear y organizar flujos de automatización. Cada pestaña de flujo representa un espacio 
independiente donde se puede diseñar y construir flujos de nodos. 
Una vez realizado el código de programación en bloques, se tendrá que presionar la pestaña 
“Deploy” la cual da diferentes opciones (por si se modifican los nodos y es de interés solo 
ejecutar dicho nodo). 
Cuando ya se ha ejecutado el código, accediendo a la pestaña "Debug" se visualizarán y 
depuraran los mensajes que fluyen a través de tu flujo de automatización. Esta pestaña 
proporciona una forma conveniente de inspeccionar y rastrear los datos que se procesan en 
cada nodo a lo largo del flujo. 
 
Imagen 9: Interfaz Node-RED (pestaña debug abierta, mostrando los topics del DT) 
GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTCO 
 21 
4. Metodología 
4.1. SolidWorks 
SolidWorks es un software de diseño CAD 3D modelar piezas y ensamblajes en 3D y planos en 2D. El 
software ofrece un abanico de soluciones para cubrir los aspectos implicados en el proceso de 
desarrollo del producto. Sus productos ofrecen la posibilidad de crear, diseñar, simular, fabricar, 
publicar y gestionar los datos del proceso de diseño. 
 
Imagen 10: Logo SW 
4.1.1. Metodología realizada con SolidWorks 
En el caso de este proyecto la única finalidad de SolidWorks ha sido generar un diseño, para 
posteriormente implementarlo en Blender en formato stl. 
El ensamblaje final este compuesto por 4 piezas: la estructura general, el peso, el carro de empuje y 
la sujeción del peso. 
Los soportes de la estructura son tubos cuadrados de 80x80x5 cm con 1 cm de grosor. Respecto a la 
parte superior de la estructura en un principio fue ideada una viga normalizada que tuviese un perfil 
IPE200, pero finalmente se ha decidido que sea una unión rectangular de 426x195x40 cm, de esta 
manera se facilitará poder recrear el esqueleto de la estructura con Ramseries. 
 GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTICO 
22 
 
Imagen 11: Renderizado SW estructura. 
El diseño del carro de empuje se ha realizado en base a las dimensiones de la estructura y analizando 
varios diseños a través de la plataforma GrabCad. 
 
Imagen 12: Renderizado SW carro de empuje. 
El enganche del carro de empuje con el peso ha sido diseñado de tal forma que quede un ajuste con 
apriete entre el eje del carro de empuje y el agujero del enganche, el orificio inferior se ha realizado 
para poder enganchar el peso al carro de empuje. 
 
Imagen 13: Renderizado SW unión. 
GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTCO 
 23 
El peso tiene una función puramente visual, ya que en una grúa pórtico real existen componentes 
como el gancho, el cable plano de carro, el panel gabinete, etc. 
 
Imagen 14: Renderizado SW peso. 
Una vez terminado los diseños se exporta cada pieza en formato stl, de manera que luego no haya 
problemas a la hora de importar las piezas en blender. 
4.2. Ramseries 
Ramseries es un programa de análisis de elementos finitos, el cual incluye análisis estático lineal, 
modal/vibraciones, dinámica lineal y no lineal, impacto, análisis acoplado fluido-estructura, estudios 
termomecánicos, verificación a fatiga y mucho más. 
 
Imagen 15: Logo Ramseries. 
4.2.1. Metodología realizada con Ramseries 
Ramseries es el programa de análisis de elementos finitos que se ha usado para obtener los 
resultados de las simulaciones que posteriormente se implementaran en la plataforma IoT (OSI4IOT), 
también será necesario exportar la malla creada con Ramseries para poder importarla a Blender y 
luego dotar el archivo con las propiedades necesarias para que la plataforma IOT lea correctamente 
el archivo gltf que se exportará en Blender. 
 GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTICO 
24 
El primer paso es definir el tipo de problema a resolver, este TFG trata de estudiar los 
desplazamientos y los esfuerzos cortantes que sufre la estructura, por lo que se seleccionará una 
dimensión de simulación 3D, el tipo de elemento será de láminas, el tipo de análisis será uno estático, 
el modelo ha de ser elástico-lineal y la geometría ha de ser lineal. 
Respecto a la gravedad, se seleccionará el eje Z negativo, el sistema de unidades será el sistema 
internacional, y la geometría se definirá en metros. 
 
Imagen 16: Datos del problema. 
A continuación, se ha de definir el modelo a estudiar, mediante líneas escribiendo todos los puntos 
de coordenadas que formanla estructura (para ser más eficaz se han utilizado los comandos: 
Copiar>Tipo de entidades: Superficies>Transformación: Paralelo, o el comando Copiar>Tipo de 
entidades: Superficies>Transformación: Translación). Además, la parte superior de la estructura se ha 
divido en 20 partes para poder simular una carga de 1000 kg cada 0’209m, la geometría final es la 
siguiente: 
GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTCO 
 25 
 
Imagen 17: Modelo en Ramseries. 
El siguiente paso es definir las condiciones de contorno, el material, y las cargas a las que se verá 
sometida la estructura. 
Las condiciones de contorno aplicadas al problema se han pensado de manera que la parte inferior 
de las patas de la grúa pórtico estén fijadas al suelo, por lo que en el apartado de “Restricciones” se 
ha indicado que sea una restricción fija y se ha seleccionado la línea inferior que hay en ambas patas. 
 
Imagen 18: Selección de aristas. 
 GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTICO 
26 
 
Imagen 19: Fijación al suelo. 
Para definir el tipo de material hay que ir al arbol de datos, desplegar la opción “materiales y 
propiedades”, seguidamente entrar en el menu de laminas y seleccionar la opción “lamina 
isotrópica” (se selecciona del tipo lamina isotrópica debido a que sus propiedades mecánicas y 
térmicas son las mismas en todas las direcciones) se selecciona aplicar a entidades, posteriormente 
hay que elegir el grosor de la lamina y el tipo de material. Se ha escogido un grosor de 0’2m y un 
acero S-355N. 
Seguidamente hay seleccionar la opción “Apply to entities”, se aplica a la estructura, se define el 
nombre que saldrá en “group” y se acepta. 
 
Imagen 20: Material. 
Una vez definidas las restricciones y el material hay que definir las cargas, para ello, se crea un 
loadcase para cada partición de la parte superior de la estructura. 
Para calcular la presión que hay que aplicar en el problema, se ha dividido la carga de 1000 kg por 
cada superficie, el resultado obtenido es el siguiente: 
 
 
GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTCO 
 27 
 
 0.209m M=1000 kg. 
0.195m 
𝐹
𝐴
= 𝑃 
𝐹
𝐴
=
1000 ∗ 9.81
0.209 ∗ 0.195
= 240706.66 𝑃𝑎 = 𝑃𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 
Haciendo click derecho sobre la pestaña “Loadcases” aparece la opcion de crear un nuevo caso de 
carga, dado que hay 20 superficies que se verán sometidas a un esfuerzo, hay que crear 20 loadcases. 
Por cada loadcase hay que poner las mismas condiciones, las cuales son el peso propio de la 
estructura y la presión que ejerce la carga de 1000 kg. 
 
Imagen 21: Propiedades y numero de loadcases. 
Para que Ramseries calcule todos los casos y no la combinación de todos hay que hacer abrir la 
pestaña “CC combinados” y en la pestaña “New combined” seleccionar la opción “One combined per 
result”. 
Después de haber aplicado todas las condiciones para realizar la simulación hay que crear un mallado 
para la estructura, el mallado será del tipo cuadrático y el tipo de elemento será triangular. Que sea 
cuadrático implica que si el elemento es triangular por cada elemento habrá 6 nodos a analizar, es 
decir uno por cada vértice y uno en la mitad de cada artista. 
 GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTICO 
28 
 
Imagen 22: Mallado estructura. 
También se ha desestructurado el tamaño de las transiciones, para de esa manera hacer un mallado 
más fino entre las transiciones de elementos de diferentes tamaños, es decir las zonas de cambio de 
geometría como las esquinas superiores. 
Si se selecciona la pestaña que hay en la parte inferior izquierda de la interfaz se abre una pestaña 
que indica la cantidad de nodos y de elementos totales, en este caso el número final de nodos es de 
1321, y el de elementos es de 493. 
Finalmente se ha calculado el modelo y se han obtenido los resultados siguientes en el postproceso. 
A continuación, se muestra una imagen con una malla por cada caso de carga, de esta manera se ha 
podido comprobar que no falta ninguna superficie por cada loadcase, de todos modos, es 
recomendable revisar bien las condiciones de contorno antes de calcular la simulación. 
 
 
Imagen 23: Malla de los 20 loadcases. 
Los resultados de los desplazamientos en el eje Z son los esperados, ya que en la parte central de la 
estructura se encuentra el caso critico a estudiar. Debido a que es la parte más alejada de los apoyos 
GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTCO 
 29 
es natural que sea donde se generen los mayores esfuerzos. El desplazamiento máximo es de 
0,46 𝑚𝑚 en sentido negativo. 
 
Imagen 24: Desplazamientos en z (loadcase10). 
 
 
Imagen 25: Desplazamientos en z caso 1 y caso 20 
Los desplazamientos sufridos en el caso 1 y el caso 20 tienen el mismo valor como resultado, hecho 
que es obvio dado que ambos casos son simétricos tanto en cargas como en geometría. Sus valores 
son de 0,21 𝑚𝑚, mucho menores que los del loadcase 10. 
 
 GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTICO 
30 
 
 
Imagen 26: Cortante superior eje Y caso 10 (Pa) 
 
Imagen 27: Cortante inferior eje Y caso 10 (Pa) 
Los esfuerzos cortantes máximos tanto en la parte superior como la inferior de la estructura se 
encuentran en el caso 10. Sus valores máximos son de |−7,69 · 106𝑃𝑎| en la lámina superior y de 
|7,5 · 106𝑃𝑎| en la lámina inferior. 
Hay que mencionar que la diferencia de colores que se observa entre los casos “Shear Stresses Top 
Sy” y “Shear Stresses Bottom Sy” es consecuencia de los diferentes estados de tensión a los que se 
encuentran las láminas, puesto que la superior se encuentra a compresión, mientras que la inferior 
se ve sometida a tracción. 
GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTCO 
 31 
 
Imagen 28: Von Misses caso 10 (Pa) 
Se ha realizado un remallado, dado que la generación de una nueva malla proporciona una forma de 
validar y verificar los resultados obtenidos previamente. Al comparar los resultados de diferentes 
mallas con diferentes niveles de refinamiento, se puede evaluar la convergencia de la solución y 
asegurarse de que los resultados sean consistentes y estables. 
 
Por otra parte, puesto que el valor en el caso más crítico se encuentra entre 7,72 𝑀𝑃𝑎 y 7,69 𝑀𝑃𝑎 
se confirma que el estudio es correcto puesto que su valor converge, además mencionar que la 
estructura no se partirá ni se deformará plásticamente en ningún caso ya que el límite elástico del 
material es de 355𝑀𝑃𝑎 valor superior al de la tensión máxima obtenida. 
 
 GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTICO 
32 
4.3. Blender 
Blender es un programa que se utiliza para hacer renderizados y animaciones, este programa va 
orientado a usuarios profesionales del diseño y multimedia, además permite crear modelos 3D y 
videos de alta calidad. 
 
Imagen 29: Logo Blender. 
Además de ser un programa multiplataforma, libre y gratuito blender tiene una serie de 
características que permiten la implementación de varias características que permiten la realización 
de un digital twin. 
Características a destacar del blender: 
• Capacidad para una gran variedad de primitivas geométricas, incluyendo curvas, mallas 
poligonales, vacíos, NURBS, metaballs. 
• Junto a las herramientas de animación se incluyen cinemática inversa, deformaciones por 
armadura o cuadrícula, vértices de carga y partículas estáticas y dinámicas. 
• Características interactivas como detección de colisiones, recreaciones dinámicas y lógica. 
• Lenguaje Python para automatizar o controlar varias tareas. 
4.3.1. Metodología realizada con Blender 
4.3.1.1. Posicionamiento de las piezas 
El primer paso a realizar con Blender es importar las piezas en formato stl, e ir colocando cada una en 
el lugar que le corresponde. Una vez las piezas están colocadas en su sitio se añade un suelo para dar 
realismo a la animación que se realizará posteriormente. 
GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTCO 
 33 
 
Imagen 30: Posición piezas. 
4.3.1.2. Implementación Add-on y malla. 
El siguiente paso es insertarel add-on (subcategoría de un plugin) que envió el tutor Daniel Di Capua, 
es un código escrito en Python, mediante el cual Blender será capaz de importar las mallas obtenidas 
en Ramseries, a través del formato JSON. 
Para poder implementar este add-on hay que ir a la pestaña “Editar” > “Preferencias” > 
“Complementos “e instalar el código “load_fem_meshes.py” mencionado antes. Una vez instalado, 
hay que activarlo para que el Blender pueda detectar las mallas importadas en JSON. 
 
Imagen 31: Add-on LoadFemMeshes 
El siguiente paso es insertar la malla realizada con Ramseries, para ello primero se han tenido que 
enviar los resultados de las simulaciones al profesor Daniel Di Capua de manera que él pueda enviar 
el resultado de las mallas y del cálculo estructural en formato JSON. 
 GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTICO 
34 
Seguidamente en la pestaña “Layout” se busca en “Objetos” la opción de “Load Fem Meshes” y se 
importa el archivo del resultado de la malla. 
 
Imagen 32: Malla importada al Blender. 
4.3.1.3. Texturas 
Ahora ya están implementados todos los objetos que posteriormente se enviarán a la plataforma 
OSI4IOT. A continuación, hay que agregarles colores y texturas a los objetos para tratar de darle 
realismo a la animación. Para ello hay que ir al menú “shading”, y se añadirá un nuevo material por 
cada pieza que haya. 
Es importante remarcar que se le ha dado un modificador booleano los objetos peso y carro de 
empuje para simplificar el estudio, de esta manera, cuando se mueva el carro también se moverá el 
peso, es decir, formarán un solo objeto. 
A la estructura se le ha agregado una textura metálica de color azul, para ello el primer paso ha sido 
descargar una imagen en formato jpg desde Google, posteriormente en el menú se ha seleccionada 
la pestaña “Agregar”, se ha seleccionado “Textura” y después “Imagen”, se ha importado la imagen 
descargada anteriormente, se han unido las pestañas “Color” con “Color base” y “Alfa” con 
“Transluminiscencia”. 
GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTCO 
 35 
 
Imagen 33: Textura estructura. 
4.3.1.4. Animación. 
Una vez añadidas las texturas, la siguiente tarea a realizar es la de crear la animación del movimiento 
del carro de empuje sobre la estructura, para ello hay que ir a la ventana “Layout” para después 
seleccionar la planilla de tiempos. 
Para realizar la animación se ha colocado el carro lo más aproximado a una de las patas, se ha movido 
el cursor en la planilla de tiempos al instante 0, se ha apretado la tecla “I” y se marca la posición 
inicial. 
 
Imagen 34: Fotograma inicial. 
Después se ha arrastrado el carro de empuje hasta la posición final (4,18 𝑚), se ha movido el cursor 
de la planilla de tiempos al instante 240 y se ha apretado la tecla “I” y de nuevo se ha seleccionado la 
opción posición para indicar el instante final. 
 GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTICO 
36 
 
Imagen 35: Fotograma final. 
 
4.3.1.5. Propiedades personalizadas. 
Antes de exportar el archivo a .gtlf, hay que dotar al archivo .blend de unas ciertas propiedades 
personalizadas para que la plataforma OSI4IOT sea capaz de identificar las piezas con las propiedades 
necesarias. 
Existen cuatro tipos de propiedades que son: 
• Genéricos: Los objetos genéricos (generic) representan los elementos de decoración que 
ayudan a contextualizar la imagen que se esta visualizando. 
• Activos: Los objetos activos (asset), son las partes del proceso que se monitorizan. 
• Sensores: Los objetos sensores (sensor) son la representación gráfica de los sensores que se 
van a usar. 
• Objetos FEM: Los objetos FEM (femObject) representan la geometría de las simulaciones de 
elementos finitos que ayudan a caracterizar el estado de los activos 
Por lo tanto hay que asignar estas propiedades personalizadas a cada uno de los elementos que se 
visualicen en la animación. Para ello, se ha ido a la pestaña de propiedades, y se ha seleccionado 
añadir propiedades personalizadas. 
Las propiedades añadidas al suelo, han sido basicamente las de un objeto generico debido a que se 
trata de una imagen que ayudará a contextualizar la animación, para ello se le añadirán las 
propiedades “collectionName: Suelo” y “type:generic” 
 
GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTCO 
 37 
 
Imagen 36: Propiedades personalizadas del suelo. 
A continuación, se han añadido las propiedades personalizadas para los objetos FEM, el único objeto 
FEM que hay en este proyecto es la malla importada anteriormente, para ello, en el menú listado se 
selecciona el objeto “Triangle_mesh_1” y se le añade la propiedad “type: femObject”. 
 
Imagen 37: Propiedades personalizadas objetos FEM. 
La siguiente propiedad personalizada a añadir, es la de la estructura. Para ello se selecciona el objeto 
“Estructura” y se la añade la propiedad “collectionName: Estructura” y “type: asset”, la estructura es 
un elemento de tipo activo puesto que es la parte del proceso que realiza los esfuerzos. 
 
Imagen 38: Propiedades personalizadas estructura. 
A continuación, se han asignado las propiedades para el carro. En este caso, el carro se considera un 
elemento genérico, aunque también realiza una animación, por lo que hay que asignarle unas 
propiedades específicas. 
A las propiedades de animación, hay que añadirles el valor máximo y mínimo de posición del carro, 
en este caso el máximo será de 4,18 𝑚 y el mínimo de 0 𝑚. También es necesario añadir el tópico 
“dev2pdb_1” para indicar que su movimiento está relacionado con la animación. Se añadirá la 
propiedad de “animationType: blenderTemporary” para indicar el tipo de animación que es. También 
es necesario añadir el nombre del archivo de la animación como “clipFieldName: x_pos”, el nombre 
 GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTICO 
38 
del clip como “clipName:x_pos”, su nombre general como “collectionName: Carro” y el tipo de 
objeto que se define mediante la propiedad “type: generic”. 
 
Imagen 39: Propiedades personalizadas carro de empuje. 
Una vez creada la animación y asignadas todas las propiedades personalizadas, se exporta el archivo 
como formato gltf incorporado, se marca la opción de exportar con propiedades personalizadas, se le 
asigna un nombre y finalmente se exporta. 
 
Imagen 40: Opciones de exportación formato glTF. 
 
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 39 
4.4. OSI4IOT 
Para la realización de este proyecto se ha utilizado una plataforma IoT proporcionada por el tutor del 
TFG, OSI4IOT (Open Source Integration For Internet Of Things). 
 
Imagen 41: Icono OSI4IOT. 
4.4.1. Interfaz de la plataforma IoT 
Como se ha mencionado anteriormente la plataforma IoT está formada por diversos componentes 
que te otorgan una amplia gama de posibilidades. El primer paso es entender cómo funciona y 
manejar bien sus herramientas para sacarle el máximo partido posible. 
 
Imagen 42: Menú principal IOT EEBE Plataform 
En las opciones del menú principal se pueden encontrar diferentes opciones: “Platform assistant”, 
“Dashboards”, “Digital twin simulator”, “Mobile sensors”. 
Una vez se accede a “Platform assistant” en la parte izquierda de la interfaz se pueden observar tres 
pestañas: ·” Home”, “User role” y “Group admin role”. 
En la pestaña “Home” se puede ver la geolocalización del gemelo digital. En la de “User role” se 
encuentran el perfil, los miembros existentes en el grupo y los miembros en las organizaciones. Por 
 GEMELO DIGITAL DE UNA GRÚA PÓRTICO 
40 
último, en la de “Group admin role” se visualizan los grupos manejados, los miembros del grupo, los 
dispositivos, los tópicos, las mediciones, los dashboards, los gemelos digitales y los modelos ML. 
Dentro de la opción “Topics”, se encuentran los tópicos a los que más tarde se suscribirá el nodo 
“Mqtt in”, por esa razón hay que destacar su importancia. Los tópicos “sim2dtm” y “dev2pdb” son 
esenciales para la obtención de la animación y los resultados. 
 
Imagen 43: Tópicos4.4.2. Metodologia realizada con OSI4IOT 
El primer paso para crear el gemelo digital es entrar en la plataforma OSI4IOT, una vez se ha entrado 
con el usuario y la contraseña que anteriormente creó el profesor Daniel Di Capua se accede a la 
ventana “Platform assistant for groups admin” y seguidamente se entra en la pestaña Digital Twin 
para proceder a crear un nuevo gemelo digital seleccionando la opción “New digital twin”. 
Posteriormente se implementan el archivo gltf exportado de la animación de Blender, un archivo 
JSON con los resultados obtenidos de la simulación en Ramseries, y una línea de código que indicará 
el nombre de la variable a monitorizar del digital twin, sus valores máximos y mínimos, la separación 
que habrá entre cada fotograma y las unidades, que en este caso serán metros. 
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Imagen 44: Archivo gltf importado. 
 
Imagen 45: Archivo JSON de resultados importado. 
 
Imagen 46: Código escrito para el Digital Twin Simulator 
Una vez seleccionados los archivos y escrito el código se selecciona la pestaña “Submit” para crear el 
gemelo digital. 
Ahora ya se puede visualizar el modelo del gemelo digital en la plataforma. Para poder acceder al 
modelo se ha de ir a la pestaña “Platform assistant”, a continuación, en la pestaña “Geolocation” se 
podrá observar un plano de la planta de la EEBE, también se visualizan el aula en la cual esta creada el 
modelo del gemelo digital, una pestaña que hace referencia al “Digital Twin” (donde se encuentra el 
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modelo CAD) y otra al Node-RED que posteriormente se utilizará para programar el código necesario 
para el correcto funcionamiento del gemelo digital. 
También se puede ver la pestaña “Tutorial” en la cual se encuentra una guía de uso de la plataforma. 
 
Imagen 47: Interfaz Platform assistant. 
Para acceder al visualizador del gemelo digital es necesario acercarse al icono verde que hace 
referencia al dispositivo o “Device” que contendrá dicho modelo, en el “Device” se encuentran tres 
digital twins uno de temperatura, otro de aceleración y el último que será la visualización de la 
animación y las propiedades del mismo, de hecho, este último es al cual hay que acceder. 
 
Imagen 48: Icono de gemelos digitales. 
Una vez se accede a la visualización hay que seleccionar la carpeta que se haya en la parte derecha y 
superior del visualizador, dentro de esta carpeta se encuentran una serie de variables que son: las 
luces, los ejes, los objetos activos, los objetos genéricos, los objetos FEM, y el simulador del gemelo 
digital. 
4.4.3. Metodología Node-RED 
Es necesario remarcar que hasta que no se escriba el código en Node-RED el digital twin no 
funcionará de forma correcta, por esta misma razón el siguiente paso es realizar la programación, 
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para ello se accederá a la pestaña “Node-red instance”. Una vez dentro de la plataforma Node-RED 
se podrán visualizar 2 líneas con nodos interconectados. 
 
Imagen 49: Conexión de nodos inicial node-red 
Los 5 nodos que aparecen al abrir Node-RED hacen referencia al funcionamiento del broker que 
implementa el protocolo MQTT, es decir no hace falta añadir ni modificar nada para el correcto 
funcionamiento de ambas líneas, la creación de estos nodos da la posibilidad de introducir los tópicos 
que se prefieran. 
Para que el gemelo digital funcione hay que crear una tercera línea, para ello el primero nodo que se 
incorporará en el “Flow 1” será el nodo “inject” que sirve como un disparador para iniciar el flujo, se 
insertará la referencia del gemelo digital, y se suscribirá al tópico “sim2dtm”. 
 
Imagen 50: Opciones nodo inject. 
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Seguidamente se conecta un segundo nodo al “inject”, que es de tipo “Mqtt in”. Este nodo tiene la 
función de suscribirse al tópico que se ha especificado antes mediante una acción del tipo “Dynamic 
subscription”. 
 
Imagen 51: Nodo MQTT in. 
El siguiente paso es conectar un tercer nodo al “Mqtt in”, que es de tipo “function”, hace referencia 
al funcionamiento del gemelo digital. En él se escriben unas líneas de código en lenguaje JavaScript, 
que dan la lógica al funcionamiento del “digital twin”. 
Para escribir el código de forma adecuada hay que definir unas constantes relacionadas con la 
referencia del gemelo digital, el archivo de resultados JSON, el nombre del tópico “sim2dtm” y unas 
constantes que ayudarán a definir la posición en la que se ubica el carro de empuje. 
Además, hay que añadir una serie de condiciones “if” y “else”, para indicar en el caso de carga que se 
ubica x_pos. También se crea una constante “topicFemResults” que recogerá los resultados del 
tópico “dtm2sim”, y se añadirá una constante que englobe 5 “loadFactArray” que hacen referencia a 
la variedad de resultados que se quieren obtener (desplazamientos y esfuerzos cortantes). Se define 
la constante “msg1”, que es la encargada de mostrar los resultados finales. 
Por último, se añade la función “return” para mostrar los resultados de “msg1”. 
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El resultado obtenido es el siguiente: 
 
Imagen 52: Código JavaScript. 
Para terminar el gemelo digital, se conecta el ultimo nodo al nodo que lleva la función, este último 
nodo es del tipo “Mqtt out”, el cual enviará los resultados al servidor. 
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Imagen 53: Nodo Mqtt out 
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5. Resultados 
Ahora ya se ha finalizado el proceso de creación del gemelo digital, por lo tanto, si se accede a la 
pestaña “Device” y se desbloquea la lectura de resultados del digital twin, seleccionando la opción 
“Lock read measurements”, se podrán observar los resultados finales, que en este caso serán los 
esfuerzos cortantes y los desplazamientos. 
Para poder visualizar los resultados se accede al apartado de “Fem objects” y dentro de “All meshes” 
donde se pueden ver los resultados de los desplazamientos en cada eje y los esfuerzos cortantes, 
tanto el de la parte superior como el de la inferior. 
 
Imagen 54:Resultados en Fem objects 
También hay que mencionar que se puede hacer una exageración en los desplazamientos que sufre 
la estructura, seleccionando la pestaña “Deformation” y moviendo el cursor “Log def”. De esta 
manera se podrán visualizar los resultados con una escala mucho mayor que la real. 
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Imagen 55: Desplazamiento máximo en Z (con escala de deformación aplicada) 
 
Imagen 56: Desplazamiento en z momento inicial e inicial. 
Como era de esperar los desplazamientos más grandes se encuentran en la parte central de la 
estructura, mientras que en los extremos los valores son iguales debido a la simetría de la estructura 
y de las cargas, de la misma forma que pasaba con el Ramseries. Su valor es de 0,44 𝑚𝑚 valor muy 
parecido al de Ramseries. 
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Imagen 57: Cortante inferior máximo (con escala de deformación aplicada) 
 
Imagen 58: Cortante superior máximo (con escala de deformación aplicada) 
Debido a la posición de las fuerzas de reacción situadas en ambos extremos de la estructura se puede 
observar que el máximo esfuerzo cortante coincide con el caso de carga 10, es decir se ubica en la 
mitad de la estructura. 
Los valores máximos son de |−7,49 · 106𝑃𝑎| en “Sx_top” y de |7,21 · 106𝑃𝑎| en “Sx_bot”, valores 
muy similares a los de Ramseries. 
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Nótese que los resultados de los cortantes en Ramseries son en él eje y mientras que en el gemelo 
digital son en el eje x, esto es debido a que se han girado los ejes a la hora de colocar la estructura en 
Blender y por lo tanto en la plataforma IoT. 
Como ocurría con Ramseries, la diferencia de colores que se observa entre los casos “Sx_top” y 
“Sx_bot”es consecuencia de los diferentes estados de tensión a los que se encuentran las láminas, 
puesto que la superior se encuentra a compresión, mientras que la inferior se ve sometida a tracción. 
Los resultados varían ligeramente con los de Ramseries, esto puede ser causado por una ligera 
diferencia entre los resultados finales de Ramseries y los JSON que se implementaron en el gemelo 
digital, de todas formas, los resultados son prácticamente iguales, por lo que las soluciones son 
correctas, además se pueden visualizar los diferentes resultados de los cortantes y desplazamientos a 
tiempo real. Por lo que se confirma el correcto funcionamiento del gemelo digital. 
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Impacto ambiental 
Dado que el trabajo es puramente virtual, el único impacto ambiental que hay que tener en cuenta es 
el generado por recursos físicos como el ordenador, el router y los accesorios que se necesitan, por lo 
que el impacto ambiental negativo es insignificante. 
Por otra parte, uno de los propósitos de la creación de un gemelo digital es el de optimizar recursos a 
la hora de mantener o fabricar un producto industrial, por lo que, si se utilizará el modelo virtual 
creado para fabricar grúas pórtico como la de este proyecto, se podrían ahorrar recursos en 
fabricación y mantenimiento, asi que se obtendría un impacto ambiental positivo. 
 
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Conclusiones 
En el proyecto se ha podido implementar de forma correcta el gemelo digital de una grúa pórtico, 
aunque también es cierto que se podrían haber implementado otras funciones que hiciesen un 
modelo más completo, como crear un sensor de peso que diese el aviso cuando la estructura supere 
un esfuerzo máximo. 
Se ha dado una explicación sobre los conceptos que engloban a la resistencia de los materiales 
incluyendo tensiones, deformaciones, y el análisis de los elementos finitos, además de explicar de 
forma detallada el funcionamiento de los gemelos digitales, del internet de las cosas, y la importancia 
que tienen dentro de la Industria 4.0. 
También se ha explicado la metodología realizada con los programas SolidWorks, Ramseries, Blender 
y la plataforma OSI4IOT, además de la programación con Node-RED. 
Durante la realización del proyecto se han aprendido nuevos conceptos y se han superado los 
problemas que han surgido mediante autoaprendizaje o gracias a la cooperación del tutor Daniel Di 
Capua. 
Después de realizar los pasos mencionados anteriormente se puede concluir que el funcionamiento 
del gemelo digital es el esperado, lo que significa que se pueden obtener datos a tiempo real sobre el 
comportamiento de la estructura cuando se ve sometida a una carga de 1000 kg. 
 
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Presupuesto 
La finalidad de este proyecto es puramente académica, aun asi hay que tener en cuenta diferentes 
condiciones que añaden un valor económico al proyecto. 
El ordenador con el que se ha realizado el proyecto es un portátil Lenovo Legion que tiene un coste 
de 1200 euros, contando que su vida útil es de 8 años y que el tiempo de realización del proyecto ha 
sido de 4 meses, se obtiene el valor del coste asociado al ordenador, el cual es de 50 euros. 
Añadiendo la tarifa de internet que son 30 euros al mes, el paquete de Office, la licencia de 
SolidWorks, y el salario mínimo que pide la UPC para un estudiante que está realizando unas 
prácticas de 8€/h, y puesto que la realización de este proyecto ha tenido una duración de 214 h, se 
obtiene el siguiente presupuesto del proyecto. 
 
Elementos Coste (€) Cantidad 
Ordenador 50 1 unidad 
Tarifa de internet 30 4 meses 
SolidWorks Estudiantes 99 1 unidad 
Office 50 1 unidad 
Salario de ingeniero en 
practicas 
8 214 h 
Total 2031 
 
Tabla 1: Coste de la realización del proyecto 
 
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Bibliografía 
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en:https://www.sap.com/latinamerica/products/scm/industry-4-0/what-is-industry-4-
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2023] Disponible en: https://aws.amazon.com/es/what-is/digital-twin/. 
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consulta: 15 de marzo de 2023]: https://integralplm.com/blog/2022/10/17/que-es-y-que-
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6. ¿Qué es el Internet de las cosas (IoT)? [En línea]. [Fecha de la consulta: 17 de marzo de 2023] 
Disponible en: https://www.redhat.com/es/topics/internet-of-things/what-is-iot . 
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marzo de 2023] Disponible en: https://www.luisllamas.es/que-es-mqtt-su-importancia-
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Anexo 
En el anexo se han adjuntado los cuatro planos que definen la geometría de la estructura. 
Planos: 
• Plano 1: Estructura (MKS). 
 
 
 Annexos 
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• Plano 2: Enganche 
 
 
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 59 
• Plano 3: Carro de empuje 
 
 Annexos 
60 
• Plano 4: Peso