Imagine a manufacturing facility where everything goes as planned. Processes are always operating within controlled limits, variation is eliminated, and every final product is the same. Nothing ever breaks down and unplanned downtime just doesn’t happen. No raw material is ever wasted, yields are exactly where they should be, day in and day out, and energy costs are minimized. Then layer on top a sea of data about the processes, enabling engineering to identify and prioritize improvement opportunities.
Imagina una planta de fabricación en la que todo sale según lo previsto. Los procesos siempre funcionan dentro de los límites controlados, se eliminan las variaciones y todos los productos finales son iguales. Nunca se produce ninguna avería y no hay paradas imprevistas. No se desperdicia materia prima, el rendimiento es exactamente el que debe ser, día tras día, y los costes energéticos se reducen al mínimo. A esto se suma una gran cantidad de datos sobre los procesos, lo que permite a los ingenieros identificar y priorizar las oportunidades de mejora. Parece una utopía de la fabricación, pero no está lejos si la Industria 4.0 alcanza su potencial. Este libro blanco de OMEGA Engineering explica los conceptos que hay detrás de la Industria 4.0 y sus implicaciones para los ingenieros y tecnólogos de las industrias de fabricación y procesos. Las secciones tratan los siguientes temas:
- El origen y el significado de «Industria 4.0»
- IIOT y M2M
- Aplicaciones comerciales e industriales
- Estado actual
- Problemas y preocupaciones
El origen y el significado de «Industria 4.0»
Se avecina un cambio en la fabricación tan trascendental como la llegada de la máquina de vapor, el paso a la energía eléctrica y la adopción del procesamiento de datos informatizado y la automatización. Los industriales y académicos alemanes han bautizado este cambio como «Industria 4.0», reconociendo que supone un nuevo enfoque de la fabricación.
La Industria 4.0 consolida los avances en sensores y comunicaciones que ya están en marcha. Se trata de un programa coordinado dirigido al desarrollo y la implementación de dispositivos «inteligentes». Esto abarca conceptos como el «Internet de las cosas» (IoT), el «Internet Industrial de las Cosas» (IIOT), la comunicación máquina a máquina (M2M), IPv6, RFID, computación en la nube y minería de datos. Internet Industrial de las Cosas (IIOT) y M2M Las redes Ethernet están bien establecidas, pero a medida que los procesadores se reducen, los ordenadores han pasado de los escritorios a las fábricas y los almacenes, y ahora se están integrando en sensores y actuadores. La incorporación de capacidades de comunicación como 802.11 Wi-Fi, Bluetooth o ZigBee en estos dispositivos les permite enviar y recibir mensajes. Si a esto le añadimos IPv6, que aumenta enormemente el número de direcciones disponibles, cada dispositivo conectado tiene una identidad única. Esto es el IoT.
Históricamente, los sensores utilizados en las industrias manufactureras y de procesos solo capturaban datos (temperatura, humedad, posiblemente presión barométrica), dejando que un bucle PID respondiera o que se presentaran en un registrador gráfico. Los actuadores tenían capacidades de captura de datos muy limitadas, normalmente restringidas a las salidas del codificador. El amanecer del IoT ha impulsado la creación del Internet Industrial de las Cosas (IIOT), la versión industrial de los dispositivos en red. Estos utilizan protocolos industriales basados en Ethernet para enviar y recibir información sobre los procesos.
El siguiente paso lógico es que estos dispositivos «se comuniquen» directamente entre sí, eliminando la sala de control o el controlador supervisor y dejando fuera del circuito a los seres humanos. Esto es lo que se conoce como comunicación «máquina a máquina». Se trata de una automatización descentralizada.
Aplicaciones comerciales e industriales
Los dispositivos conectados en red existen en el ámbito del consumo desde hace varios años. El termostato Nest fue uno de los primeros dispositivos conectados, seguido de los monitores inteligentes para bebés, los sistemas de control de acceso e incluso los electrodomésticos inteligentes. Imaginemos un monitor para bebés que emite una alarma en respuesta a cambios en la frecuencia cardíaca o la temperatura y luego informa a los padres sobre la ubicación del centro de urgencias más cercano, o un frigorífico que conoce las fechas de caducidad de todo lo que contiene.
En las industrias manufactureras y de procesos, la promesa del Internet Industrial de las Cosas (IIOT) es doble:
- Los sensores y actuadores conectados en red proporcionarán un control distribuido y autónomo, respondiendo a los eventos según sea necesario. La calidad de la producción mejorará al eliminarse las variaciones y la productividad aumentará al reducirse los residuos y los desechos. Por ejemplo, la monitorización de los niveles de luz reflejada podría permitir que un proceso de impresión se adaptara a los cambios en los recubrimientos de los materiales. Alternativamente, un proceso podría adaptar los tiempos de calentamiento y secado para adaptarse al contenido variable de humedad en los materiales de entrada.
- A medida que aumenta la capacidad de supervisar los activos físicos, especialmente los que están muy distribuidos, los equipos señalarán su «estado de salud» físico. Las averías pasarán a ser cosa del pasado, mientras que el mantenimiento será más preciso, lo que prolongará la vida útil de los activos y aumentará el retorno de la inversión. Por ejemplo, una bomba podría supervisar las presiones, las temperaturas y las vibraciones. Un cambio en la firma le llevaría a identificar las piezas que hay que sustituir, comprobar si ya están en el inventario y crear un pedido si no lo están. A continuación, se comunicaría con el sistema de control de producción para programar un tiempo de inactividad e incluso imprimiría una orden de trabajo para el técnico cuando llegara el momento de realizar la tarea.
Estado actual
Algunas de estas capacidades del IIOT aún se encuentran en fase de investigación, pero muchas ya están disponibles. Cada vez son más los dispositivos que incorporan capacidades de inteligencia y comunicación. Una sonda inteligente para la medición de la temperatura conoce los valores de corrección necesarios para obtener lecturas precisas y se puede conectar directamente a un registrador de datos. Los registradores de datos ya no se limitan a registrar propiedades como la temperatura y la presión, sino que envían esos números a través de Ethernet o de forma inalámbrica a otros sistemas.
Issues and concerns
Ningún debate sobre la Internet Industrial de las Cosas (IIOT) estaría completo sin mencionar los retos que plantea. Entre ellos se incluyen:
- Alimentación: cuando no se dispone de una fuente de alimentación de 24 V, la alternativa son las baterías de larga duración, junto con innovadoras estrategias de espera/«Wake-On-LAN» para minimizar el consumo de energía. Además, están surgiendo variantes de Wi-Fi de bajo consumo energético para prolongar aún más la vida útil de las baterías.
- De cara al futuro, las técnicas de recolección de energía podrían proporcionar energía «gratuita» durante toda la vida útil del dispositivo.
- Seguridad: los usuarios industriales de dispositivos inteligentes son conscientes de los riesgos de que se intercepten las comunicaciones y exigirán cada vez más a los proveedores que incorporen las medidas de seguridad y los protocolos de cifrado adecuados.
- Garantía de datos: todas las transacciones de medición se confirman con reintentos automáticos y se han implementado sistemas de seguridad para proporcionar un Registro de datos local en cada punto de posible fallo de la red.
- Alcance: los protocolos Bluetooth y Wi-Fi__33 tienen un rango limitado, pero algunos dispositivos son eficaces a más de 1000 m (3280'). Las paredes y otras obstrucciones reducirán el rango.
- Velocidad de datos: cuando los dispositivos transmiten por muestreo, la velocidad de datos rara vez es un problema. Sin embargo, podría convertirse en un problema en el futuro a medida que aumente la cantidad de datos que se envían. Las velocidades de transmisión de datos adaptativas basadas en los cambios del valor medido pueden mitigar la congestión de la red a medida que aumenta la cantidad de datos.
- Validez de los datos: supervisión del estado y la vida útil de los sensores para impulsar el mantenimiento predictivo.
- Inmunidad a las interferencias. Los equipos eléctricos, especialmente los motores o cualquier elemento que genere un arco, pueden causar interferencias electromagnéticas. Esto puede provocar la pérdida de datos o la reducción del rango. Se deben tener en cuenta estos factores al ubicar los transmisores y receptores.
La tecnología de la Industria 4.0 ya está aquí
La Industria 4.0, un término que engloba el «Internet Industrial de las Cosas (IIOT)» junto con la comunicación máquina a máquina (M2M) y el IPv6, busca consolidar los avances en sensores y comunicaciones que ya están en marcha. Aunque aún queda mucho por hacer, ya existen dispositivos que incorporan conceptos del IIOT. Los transmisores y receptores inalámbricos, junto con la comunicación Ethernet y la tecnología de servidores web, permiten que cualquier persona con autoridad pueda acceder de forma remota a la información de los procesos. Esta mayor visibilidad permite una supervisión superior y una respuesta más rápida en caso de problemas, lo que ahorra tiempo y dinero a las empresas de fabricación y procesos, al tiempo que mejora la utilización de los activos.
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