Industria 4.0 – De la visión a la realidad

Realidad Mixta en conceptos de operación inteligentes. (Foto: OPTIMA packaging group GmbH) / Realidad Mixta en conceptos de operación inteligentes. (Foto: OPTIMA packaging group GmbH)

El monitoreo de condiciones proporciona información sobre máquinas individuales o líneas completas en tiempo real. Basándose en límites predefinidos de alarmas y fallos, se pueden detectar y corregir desviaciones de manera temprana. (Foto: Bosch Packaging Technology)

La transformación digital hacia entornos de producción conectados en el sentido de la Industria 4.0 (I4.0) o del Internet de las Cosas (Internet of Things, IoT) está ganando cada vez más impulso. Numerosas aplicaciones en los ámbitos de supervisión de productos y procesos, tecnología de marcado, embalaje, logística, así como mantenimiento y reparación, ya muestran hoy el potencial de optimización que encierra este cambio hacia el Internet de las Cosas.

Se trata de sensores, chips RFID (Identificación por Radiofrecuencia), dispositivos, máquinas y plantas. En el futuro, estos no solo deberán proporcionar de forma autónoma información continua sobre todos los estados importantes de procesos y sistemas, sino que también deberán comunicarse entre sí a través de Internet y, sin intervención humana, corregir y optimizar los procesos de producción. La base de esta comunicación a través de Internet es el Protocolo de Internet (IP) con sus direcciones IP claramente identificables. Sin embargo, el antiguo Protocolo de Internet IPv4 solo podía ofrecer un espacio de direcciones de casi 4,3 mil millones de direcciones IP, y a principios de 2012 ya estaban todas asignadas, incluyendo PCs, portátiles, tablets y teléfonos móviles. Por ello, se desarrolló el nuevo estándar IPv6, que abarca un espacio de direcciones de 3,4 x 10^38 direcciones IP. La escasez de direcciones ya no es una preocupación. La transición a IPv6 todavía está en marcha. Los desafíos no son tanto las cosas en sí mismas y sus direcciones, sino más bien la avalancha de datos que generan, cuando algún día miles de millones de sensores envíen miles de datos por segundo a los ordenadores principales. Estos datos deben analizarse en tiempo real para visualizaciones y simulaciones, y almacenarse con fines de documentación (rastreabilidad).

En el Internet de las Cosas, por tanto, se trata principalmente de datos. Más exactamente, de la información extraída de estos datos. Y esa es la esfera del software y los algoritmos. Lo que ya se puede lograr con ello hoy en día es motivo suficiente para impulsar activamente la transformación. Los siguientes ejemplos muestran aplicaciones que ya resultan rentables a corto plazo.

Cambio de paradigma en el mantenimiento

Los daños en rodamientos, transmisiones, bombas o equipos de llenado y dosificación no ocurren de repente en la realidad, sino que se anuncian mucho antes del daño mediante vibraciones inusuales, desviaciones de temperatura o cambios en el consumo de energía, caídas de presión y similares. Estas desviaciones detectadas por sensores en el marco del monitoreo de condición se pueden evaluar en tiempo real gracias a programas de análisis y simulación altamente complejos, visualizarlas y relacionarlas con procesos técnicos. Con base en esta información, los responsables de máquinas y plantas pueden intervenir de manera dirigida, y sobre todo, remota, en los sistemas. Por ejemplo, para mantener las instalaciones en el rango óptimo, realizar cambios en los programas o cargar nuevos programas de control y aplicación. Además, los resultados de las simulaciones permiten realizar predicciones precisas sobre la vida útil restante de componentes críticos, lo que otorga nuevas perspectivas al mantenimiento.

Se pasa así de un mantenimiento reactivo y preventivo, con intervalos de reemplazo periódicos, a un mantenimiento predictivo, que permite realizar acciones de mantenimiento precisas y planificadas. Las ventajas son una mayor disponibilidad de las máquinas y plantas, riesgos de fallos significativamente menores, mayor seguridad operativa y de producción, así como costes de mantenimiento mucho más bajos.

El mantenimiento predictivo también es un elemento importante en materia de sostenibilidad. Con el reemplazo periódico de componentes, siempre se actuaba con seguridad, pero se desperdiciaba valiosa vida útil restante de componentes caros, ya que no existían datos precisos sobre su comportamiento. Hoy en día, el conocimiento sobre el comportamiento de los materiales, las cargas en condiciones de esfuerzo alterno y similares ha avanzado mucho en comparación con hace 10 o incluso 20 años. Otro aspecto son las capacidades de procesamiento de datos mucho mayores disponibles hoy, así como programas de análisis, FEM (Método de Elementos Finitos) y simulación más inteligentes. Con ello, se pueden determinar y predecir con alta precisión los tiempos de vida restante, beneficiando así al mantenimiento predictivo.

Chatear con máquinas

El aumento de la potencia, flexibilidad e inteligencia de las máquinas y plantas conduce a sistemas cada vez más complejos, lo que exige cumplir con requisitos muy elevados en el desarrollo de conceptos de operación para las interfaces hombre-máquina (HMI, Human Machine Interface). En cuanto al hardware, las HMIs son dispositivos con pantallas táctiles, similares a las que la mayoría de las personas conoce de sus smartphones o tablets. Esto permite que los usuarios aprendan a manejar las máquinas y plantas basándose en conocimientos familiares, lo que motiva y reduce significativamente el tiempo de capacitación.

Un aspecto central en el desarrollo de interfaces de usuario es que las máquinas deben poder ser operadas de forma segura incluso por personas sin formación profesional específica y, a menudo, con conocimientos lingüísticos limitados. Para evitar errores operativos, los desarrolladores de interfaces optan por elementos gráficos intuitivos en lugar de lenguaje. También están en auge las representaciones fotorealistas en 3D de máquinas, plantas y componentes. Además, la HMI debe satisfacer las demandas de diferentes usuarios, según sus cualificaciones y permisos. Los operadores de máquinas ven diferentes interfaces en función de su rol, por ejemplo, en comparación con los supervisores de turno, mantenedores o responsables de producción. Así, cada usuario solo ve los datos relevantes para su área de trabajo y en la situación concreta. Además, la información se limita a lo esencial, lo que garantiza una presentación clara y una visión inmediata de los indicadores clave de las máquinas y datos de producción.

La movilidad y la accesibilidad son otras características de las HMIs modernas. La tendencia apunta a dispositivos móviles, desde los cuales se puede controlar y gestionar las máquinas y plantas de forma remota, según los permisos del usuario. Esto ahorra tiempo y costes de desplazamiento, especialmente en los servicios y mantenimiento.

Trabajar en mundos virtuales

Pocas temáticas están generando tanta resonancia en relación con el Internet de las Cosas como el gemelo digital o virtual. Sus fundamentos técnicos son programas potentes de CAD en 3D, simulación y análisis, así como copias virtuales 1:1 de programas de control reales de máquinas y plantas. Sobre estas herramientas de software, se modela todo el proceso de producción, incluyendo componentes, máquinas, plantas y sus controles, en un modelo virtual, con todos los datos físicos necesarios para las simulaciones. Además, ofrece la posibilidad de programación offline. Todo esto convierte al gemelo digital en una herramienta universal para desarrolladores, operadores y mantenedores.

Gracias a simulaciones realistas, ya en la fase de desarrollo se pueden detectar y corregir errores de diseño o debilidades en la concepción, sin necesidad de fabricar una pieza real previamente. Esto también aplica a la programación y optimización de controles.

Una de las aplicaciones más importantes es la puesta en marcha virtual. No solo se trata de una prueba virtual, sino también de familiarizar a los empleados responsables con las particularidades y capacidades del sistema. En otras palabras, el gemelo digital es el simulador de vuelo para procesos industriales, máquinas y plantas. La anticipación virtual de la puesta en marcha real tiene múltiples beneficios. Si hay errores en el sistema o en el concepto de operación, estos pueden corregirse previamente sin dañar componentes reales. La programación offline permite a los planificadores de producción realizar cambios virtuales en el sistema durante la operación, evaluar su impacto en los tiempos de ciclo o probar diferentes modos de operación. El aspecto más importante es que en el gemelo digital se combina el conocimiento de muchos especialistas, que luego puede reutilizarse en otros proyectos.

En resumen, los fabricantes de plantas y los usuarios pueden reducir significativamente los tiempos de proyecto, acelerar las puestas en marcha y lograr efectos de eficiencia en el desarrollo de plantas y procesos similares. Esto ahorra, además de tiempo, recursos, energía y mano de obra.

Las interfaces estándar son imprescindibles

La estandarización sigue siendo un gran desafío, ya que la mayoría de los fabricantes de máquinas aún tienen sus propias interfaces. Sin embargo, la integración es la característica principal del Internet de las Cosas. Y esta integración requiere, sobre todo, continuidad en el intercambio de datos e información entre máquinas, tanto vertical como horizontalmente. Y eso exige protocolos abiertos y estándar. La tendencia, por tanto, va hacia soluciones de código abierto, ya que, al no ser sistemas propietarios, ofrecen una alta seguridad en la inversión y autonomía. Un ejemplo de ello es la arquitectura unificada OPC (OPC UA), un conjunto de especificaciones para conectar máquinas de diferentes fabricantes. La seguridad en OPC UA se garantiza mediante autenticación y autorización, cifrado e integridad de datos.

Por ello, OPC UA es ideal para un transporte seguro, fiable y neutral en cuanto a fabricantes, de datos en bruto e información preprocesada desde el nivel de producción hacia sistemas superiores de planificación de la producción o ERP.

Las plantas antiguas también pueden ser Industria 4.0

Muchas máquinas, plantas, motores y compresores antiguos no están equipados con la tecnología de sensores y comunicación necesaria para la Industria 4.0, e incluso en algunos casos no están preparados para operar en sistemas conectados. Pero esto no significa que estas instalaciones sean obsoletas ante la transformación digital. Aquí, como solución de entrada en la Industria 4.0, se pueden instalar sensores inteligentes que midan parámetros de estado importantes de forma regular y envíen los datos de forma inalámbrica a las interfaces HMI o a los smartphones o tablets de los empleados para su análisis. Con estos y otros métodos sencillos, las empresas pueden iniciarse de forma rentable en el mundo de la Industria 4.0 y beneficiarse de menores tiempos de parada, mayor duración de las máquinas, menor consumo de energía y similares.

En la feria interpack 2017, la asociación especializada en máquinas de alimentos y embalaje del VDMA organizó una exposición especial sobre Industria 4.0. En ella, en un espacio de tecnología en el stand del VDMA, se mostraron ejemplos de soluciones en el área de máquinas de embalaje y tecnología de procesos, que ofrecen nuevas posibilidades en ámbitos como seguridad, trazabilidad, protección contra copia o plagio y embalajes personalizados.