Las 4 (re)evoluciones - ¿Por qué 4.0?

Antes de abundar en detalles, expliquemos el porqué de esta designación. Simplemente hace referencia a 4 hitos históricos de la evolución industrial.

El primero ocurrió a mediados del siglo XIX, con la ‘dominación’ de la energía ‘bruta’ del vapor para convertirla en trabajo utilizable, por ejemplo para el transporte de ferrocarriles, que revolucionó para siempre la industria y la economía mundial.

La segunda revolución de principios de 1900 fue más de índole de procesos y estuvo relacionada con la organización de las operaciones industriales, tales como la línea de producción en serie de automóviles o la faena de animales.

La tercera revolución es más cercana y tiene que ver con el dominio de la energía eléctrica y su uso racional con la electrónica del transistor y los microprocesadores, lo que da origen a la automatización hasta como la conocemos hoy en día, que se tradujo en máquinas más especializadas, precisas y eficientes y que se extiende con la evolución de los autómatas programables y los sistemas de inteligencia de planta hasta el día de hoy.

La cuarta revolución, mejor entendida como una evolución, hace un uso mayor no sólo de los avances en automatización, sino también de todas las tecnologías surgidas en esta materia, fundamentalmente basadas en software, para cubrir en forma completa todo el ciclo de producción de un bien y/o de un servicio. 

 Industrie 4.0:  Para todos y al alcance de todos…

‘Future proof’

Las innovaciones tecnológicas surgidas en los últimos años han superado todas las predicciones, dejando en claro una cosa: nadie puede asegurar qué tecnología surgirá el día de mañana ni cuál de las actuales tecnologías seguirá vigente. 

Por ejemplo, hoy un control a lazo cerrado se puede resolver en un LOGO! o un servidor OPC UA se puede habilitar dentro de un PLC S7 1500, cosa que 10 años atrás no hubiéramos imaginado posible. 

Pero también la demanda cambia a ritmos aún más veloces; lo que hoy estamos acostumbrados a consumir, mañana quizás ya no lo requiramos, sea por un cambio en la moda, las tendencias, nuestras costumbres o nuestras necesidades. Ejemplos sobran.

Hoy en día, más de la mitad de la población mundial vive en regiones urbanizadas; sus necesidades de productos, bienes y servicios (desde alimentos y medicamentos hasta autos y celulares, sumando más necesidades de infraestructura de transporte, energía y comunicaciones) se han vuelto más refinadas y especializadas, disfrutando a la vez de una gran variedad de ofertores que compiten en calidad, disponibilidad y precios. Los ofertores deben adecuarse rápidamente a los cambios en las preferencias de los consumidores; de no lograrlo, su futuro se verá seriamente comprometido.

Por esta razón, los fabricantes industriales y los proveedores de servicios deben recurrir a un uso más abarcativo y racional de las tecnologías actuales para estar a la altura de los desafíos que los consumidores imponen, pero, a la vez, deben estar preparados para adaptarse rápidamente para asimilar cambios y continuar proveyendo a los clientes acorde a sus expectativas. Se dice entonces que las fabricas deben estar ‘preparadas para el futuro’, es decir, poder adaptarse, ser flexibles y lograr ser siempre competitivas ante los cambios de las condiciones de su negocio, sea por situaciones político – económicas o como consecuencia de condiciones de mercado, proveedores o cualquiera de las variables que puedan influir en su desarrollo. De no lograrlo, significa salirse del negocio.

Industrie 4.0 viene a presentar la concepción integral de la tecnología destinada a este propósito.

 

Una concepción holística de la tecnología

La cuarta evolución industrial viene a atender, desde la perspectiva tecnológica, las tres necesidades fundamentales que la industria y sus servicios necesitan resolver para perdurar en el mercado:

  • Ser eficientes - Sintéticamente, hacer más, o lo mismo, con menos recursos. (Por ejemplo, en el mercado de commodities).
  • Ser flexibles - Incorporar rápidamente cualquier cambio o tendencia que el mercado demanda. (Por ejemplo, en el mercado de tecnología o industria automotriz, textil o farmacéutica).
  • Reducir el “time to market” - Concretamente, ser más rápido que la competencia para enviar un producto o servicio innovador al mercado. (Los ejemplos abundan, desde la industria de alimentos y bebidas hasta biotecnología).

La idea central de Industrie 4.0 es utilizar toda la tecnología disponible en este momento y la que se vaticina que surgirá en el corto plazo, en pos de alcanzar estos tres objetivos. No sólo los modernos sistemas de automatización, sino, y muy especialmente, las tecnologías basadas en software, tales como virtualización, digitalización y simulación, con las que se pueden modelar los sistemas físicos en objetos de software y optimizar su diseño y operación antes de su materialización. 

También se refiere a los conceptos de Smart Manufacturing (fabricación inteligente) con sistemas que permiten tener vista del uso de los recursos para tomar decisiones, entre otros sistemas de Energy Management para la gestión completa del uso energético de la planta o sistemas de Plant Intelligence destinados a gestionar los sistemas de producción, además de sistemas de operación, almacenamiento y analítica en ‘la nube’ y tecnologías de identificación integradas al producto en curso.

 

Distintos ‘flavours’

Tratándose de un concepto tan abarcativo e integral, Industrie 4.0 puede ser asociado con algunas iniciativas o tendencias que cubren sólo un aspecto de todo lo que cubre en sí mismo. Dependiendo de qué funcionalidad o recurso resuelve mayormente, será el ‘flavour’ que prevalezca como principal tecnología de una implementación Industrie 4.0.

A Industrie 4.0 se lo suele considerar como sinónimo de Industrial IoT, Digitalización o Smart Manufacturing, y nuestro cometido aquí es tratar de marcar las diferencias y destacar que estos enfoques se refieren a soluciones parciales del gran concepto holístico de Industrie 4.0.

IoT (Internet of Things) es un avance en la integración de mecanismos de comunicación sobre protocolos estándar a dispositivos de nuestro uso diario con el fin de aprovechar funciones inteligentes que pueden ser de gran ayuda personal si podemos acceder e interactuar con los mismos en forma remota o automática. El caso más emblemático es la heladera, que puede ordenar una reposición automática al supermercado cuando se agota algún producto, el seteo del horno y la calefacción de nuestro hogar condicionados a distintos factores, tales como fechas, invitados, etc. También llega cada vez con mayor frecuencia a dispositivos más pequeños y sencillos que pueden interactuar con servicios en nuestros dispositivos móviles o incluso con/desde nuestros automóviles.

Más interesante es Industrial IoT (IIoT), que tecnológicamente funciona similar al caso anterior, con la diferencia que se aplica al mundo industrial y, por ende, se le exige determinadas consideraciones especiales. De partida, no se orienta a conectar electrodomésticos, ni tampoco su principal objetivo son las personas, sino que está orientado a integrar máquinas entre sí, con procesos y, obviamente, con operadores. Para esto requiere condiciones de seguridad robustizadas y velocidades que garanticen el determinismo y la seguridad para las señales críticas que transmiten. Espe­cialmente cuando se transpone fronteras como el piso de planta, se deben tomar recaudos que aumenten la integridad de la comunicación sin desmedro de la velocidad ni el determinismo.

Industrial IoT (IIoT) es un gran avance en la estandarización de los métodos de integración inteligente y funcional de las plantas productivas, a lo que se suma el lanzamiento de OPC UA como protocolo universal que resuelve los clásicos problemas de comunicación entre distintos tipos de dispositivos y entre marcas. Sin ir más lejos, los productos Siemens ya pueden intercomunicarse de manera más económica gracias a este protocolo; por ejemplo, si el usuario desea conectar un drive Sinamics con una pantalla HMI Comfort Panel en directo, o si quiere que su sistema de gestión releve datos directamente de la máquina disponibles en el PLC Simatic S7 1500 gracias a su servidor OPC UA instalado en la misma CPU.

De esta forma, Industrie 4.0 hace uso de IIoT para alcanzar objetivos más grandes y, por eso, no es apropiado compararlos o tomarlos como equivalentes.

 

‘Nube’ y minería de datos

Como vimos, IIoT permite el avance de los sistemas de comunicación desde el nivel de planta, facilitando la obtención de datos y, con esto, responde a la necesidad de disponer de repositorios efectivos donde realizar las operaciones de análisis y procesamiento de los mismos. La idea de poder disponer de estos repositorios en forma centralizada, a buen resguardo y de rápido alcance en servidores remotos y distribuidos, incluso a distancias geográficas del punto donde se generan los datos, permitiendo establecer conexiones hacia ellos en forma inalámbrica y segura, es lo que se dio en llamar ‘nubes’, concepto de por sí muy descriptivo en el sentido que están a nuestro alcance donde sea que tengamos una conexión a la Internet.

Pero no se trata de tener sólo un dispositivo de almacenamiento de enormes cantidades de datos sino también de una plataforma sobre la misma nube que permita realizar el análisis de los mismos y, en consecuencia, realizar las operatorias necesarias sobre la producción. Un sistema donde puedan residir los algoritmos que procesan las enormes cantidades de datos relevados de los procesos productivos, permite descubrir y obtener conocimiento de los procesos, comprenderlos mejor y realizar mejoras continuas; en definitiva, lo que se denomina minería de datos.

Siemens dispone de la plataforma Mindsphere para la gestión de datos haciendo uso de algoritmos específicos por cada máquina o proceso, muchos de ellos desarrollados por los mismos usuarios en el formato de ‘apps’, que facilita toda la gestión de la inteligencia digitalizada de las máquinas, planta y negocio, especialmente basada sobre una ‘nube’.

Las plataformas de Industrie 4.0 recurren imperiosamente a sistemas de analítica de datos y gestión de procesos de negocios basados en la nube, como el concepto de Siemens con Mind­sphere, lo que permite llevar el negocio a una operatoria completamente digital.

 

Digitalización es la clave

Digitalización se entiende como el modelado virtual, o sea basado en software, de algo físico. También se lo puede extender a la administración del negocio cuando se tiene una plataforma de gestión por software completamente integrada y abarcativa de todos los procesos del mismo.

La estrategia de digitalización de Siemens para la industria se basa en 3 plataformas, a su vez colaborativas e integrables entre sí: 

  • Software del ciclo de vida de desarrollo de un producto (PLM o Product Lifecycle Management) - Permite llevar en formal virtual o a través de un ‘gemelo digital’ todos los aspectos de la fabricación de un producto, desde diseño mecánico, disposición de los sistemas de producción, administración y gestión de los mismos, hasta simulación y comisionamiento virtual de las líneas de producción y de la fábrica. Al respecto, Siemens ofrece Team Center, NX y Plant Simulation para la industria discreta y la plataforma Comos para la industria de procesos. 
  • Sistema de ejecución y gestión de la producción (MES o Manufac­turing Execution System) - Modela los procesos productivos de una planta industrial según el estándar ISA 95 y para cada subproceso. Por eso se habla de una ‘suite’ o conjunto integrable de módulos de aplicaciones que resuelven distintos aspectos de la producción, tales como gestión de tiempos productivos, historial de variables y registros de producción, gestión de recetas, integración de laboratorios, depósitos, control de calidad y otros. En Siemens, esta suite se denomina SIMATIC IT e integra varias aplicaciones, tales como Historian, Performance Monitoring, Unilab e Interespec, Preactor como solución de Manufacturing Ope­ration Manager,  entre otros. 
  • Plataforma TIA (o Automatización Totalmente Integrada en inglés) - Revolucionario concepto de Siemens que permite que sus sistemas de automatización sean desarrollos en pos de las verdaderas necesidades de la industria, donde un sistema de control requiere implementar en forma rápida y sencilla la integración de diagnóstico, monitoreo y operación, comunicación y operación completa de drives y equipos de maniobra de motores, integración transparente de sistemas de comunicación , etc. En Siemens, la plataforma por excelencia es TIA Portal para la industria discreta, que integra directamente el desarrollo del sistema de monitoreo y operación con WinCC (TIA Portal o SCADA), comisionamiento de drives con Start Drive, paquetes integrables para configurar sistemas de seguridad, etc. Para la industria de procesos, PCS7 es una solución de sistema de control distribuido que potencia aún más la integración, extendida a las tecnologías de instrumentación de campo.

 

Preparada por el Ing.Andrés Gorenberg, Gerente de Factory Automation, Siemens Argentina.

IoT

Nos encontramos en un momento crítico, cuando los tres componentes involucrados normalmente en cualquier solución (usuario final, proveedor de tecnología e integrador de sistema) no se encuentran alineados en su conocimiento de qué es exactamente IoT y qué posibilidades y oportunidades se pueden encontrar en las distintas aplicaciones.

Los usuarios finales se sienten confundidos por la variedad de mensajes que reciben. Entienden que IoT es algo que tiene un gran potencial para mejorar la gestión de producción y están intrigados acerca de las posibilidades que ofrece un elemento que irrumpe en el mercado actual.

Los proveedores de tecnología necesitan luchar – al menos desde un punto de vista de comercialización – con la competencia y adecuar su oferta en términos de IoT. El ruido disruptivo que ocasiona el término los obliga a decir que tienen soluciones IoT, aun cuando esto signifique tan sólo presentar la misma cartera de productos de una manera diferente. Esto incidentalmente significa adaptar la definición de IoT, en mayor o menor medida, para que se corresponda con las ofertas existentes.

Los integradores de sistemas están atrapados entre demanda y suministro, ambos con poca claridad. Sienten y ven la urgencia de dominar IoT, con su potencial de transformar tanto la tecnología de su negocio como el propio modelo de negocio.

Siendo las cosas así, volvamos al tema de IoT, tratando de poner cierto orden y claridad para ver exactamente qué es IoT y qué no es. Hay varias definiciones de IoT, algunas más confiables que otras. Veamos cómo la define IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) en el documento titulado ‘Hacia una Definición de Internet of Things’:

Internet of Things se refiere a una red compleja adaptativa auto-configurable que interconecta ‘cosas’ a la Internet mediante el uso de protocolos de comunicación estándar. Las cosas interconectadas tienen una representación física o virtual en el mundo digital, capacidad de sensado/actuación, una característica de programabilidad y deben estar unívocamente identificables. La representación contiene información que incluye identidad de la cosa, estado, ubicación y toda otra información relevante de negocio, social o de carácter privado. Las cosas ofrecen servicios, con o sin intervención humana, mediante utilización de la identificación única, captura y comunicación de datos y capacidad de actuación. El servicio se concreta mediante el uso de interfaces inteligentes que están disponible dondequiera, en todo momento y para todo lo que tenga en cuenta la seguridad.”

Esta definición contiene todos los elementos que son de utilidad y necesarios para identificar qué es IoT y qué no es:

  • Primero, las cosas deben estar interconectadas – deben interactuar una con otra como así también con un servicio central, lo que hace que IoT sea sustancialmente diferente a cualquier otra solución de recolección de datos mediante sensores o RTU.
  • En segundo lugar, las cosas deben usar la Internet como infraestructura de comunicación. No importa si es eficiente o no, si implica retardos o si se realiza en tiempo real. Si las cosas se interconectan usando un fieldbus o una red cerrada o por el estilo, entonces no es una solución IoT.
  • Las cosas deben proveer información y tener capacidad de actuación. También deben incorporar inteligencia programable que les permita ofrecer servicios consumibles dondequiera y en todo momento.

Estos tres elementos por sí solos, si se los tiene en cuenta, permiten poner claridad y reconocer si se está hablando de IoT o no. Un grupo de PLCs conectados a través de un fieldbus no es IoT. En cambio, PLCs conectados a la Internet e intercambiando información entre ellos y con cualquier unidad base, son IoT. Recolectar datos en una base de datos centralizada para su subsiguiente procesamiento, si bien complejo, no es IoT.

Estas consideraciones no van en contra de los proveedores de tecnología que algunas veces promueven tales soluciones como Internet of Things. No se cuestiona el valor de su propuesta, sino el uso de la etiqueta de IoT para aprovecharse de la confusión que reina en la industria. Utilizar la etiqueta de IoT con fines de comercialización no hace ningún bien al mercado, especialmente en un mercado que se está transformando rápidamente y necesita claridad para evitar que termine en una burbuja especulativa.

Preparado en base a una presentación de Luigi De Bernardini en la conferencia anual de CSIA (Control System Integrators Association).

Los términos ‘Industrie 4.0’ e ‘Internet of Things’ aparecen con mucha frecuencia en los medios y generan intensas discusiones. ¿Qué significan exactamente y cómo son? Pero por sobre todo, ¿cómo habrán de influir en los requerimientos de los usuarios y, en consecuencia, en productos, servicios y soluciones?

El término ‘Industrie 4.0’ alude a la cuarta revolución industrial y se refiere al desarrollo de la así llamada ‘fábrica inteligente’. La primera revolución industrial se basó en la potencia del vapor y el agua, mientras la segunda significó producción en masa utilizando líneas de ensamblado y electricidad. La tercera revolución industrial fue digital y llevó al uso extendido de electrónica e IT para automatizar aún más la producción.

 

Primera aparición pública de Industrie 4.0

Fue durante la Feria Industrial de Hannover en 2011. La subsiguiente discusión acerca de cómo se vería afectada la manufactura por la cada vez más dominante tecnología Ethernet se tradujo en un informe oficial, presentado en la Feria de Hannover de 2013. Como resultado, las organizaciones alemanas BITKOM, VDMA y ZVEI se dedicaron a coordinar medidas para su desarrollo e implementación. Hoy en día, Industrie 4.0 encapsula mucho de lo que ya había antes de 2011 y donde, por ejemplo IEC TC65, ha trabajado en la elaboración de algunos de los estándares necesarios.

 

Microprocesadores y wearables

El término ‘Internet of Things’ encuentra su origen en Norteamérica y describe de qué manera un sistema de computadora central es reemplazado por ‘objetos inteligentes’ o ‘cosas’. A tal fin se usan microprocesadores discretos y cada vez de menor tamaño. Estos podrían estar insertos en la ropa y provistos con sensores que miden, por ejemplo, la temperatura corporal. 

Esta clase de ropa de alta tecnología, denominada wearables, encontrará un uso cada vez amplio en el futuro, particularmente en medicina. Por supuestos que hay muchas otras posibilidades de usar tales sensores miniatura inteligentes.

 

Identificación de objetos

‘Internet of Things’ también describe el enlace de objetos físicos (cosas) de identificación única con una representación virtual en una estructura parecida a la Internet. El reconocimiento automático usando RFID suele ser considerado como la base para la ‘Internet of Things’, si bien es posible lograrlo con un código de barras o un código 2D.

Industrie 4.0 ayuda a la modularización

La posibilidad de identificar y abordar cada activo de planta servirá para la modularización de la producción industrial, algo inminente en el horizonte desde hace ya varios años. Esto estará asociado a consecuencias tecnológicas y económicas de amplio alcance, que afectarán también a los fabricantes de instrumentación y sistemas. 

Nuevos competidores quizás ingresen en el mercado, quizás se requieran nuevos tipos de dispositivos, por ejemplo, un mayor número de dispositivos compactos, y nuevos modelos de negocio serán cada vez más importantes. Todo esto impulsado por tiempos más cortos de puesta en marcha, tiempos de llegada al mercado más rápidos y una producción mucho más flexible. La replicación en lugar de la extensión de la planta podría significar dispositivos que sean más similares en tamaño y construcción. 

Desde el punto de vista del usuario, y de acuerdo a la industria, las plantas convencionales serán más o menos reemplazadas por plantas modulares.

 

Gestión de datos en automatización de procesos

Industrie 4.0 permitirá instalar WirelessHART y, por ejemplo, la Suite PAM (Plant Asset Management) de Endress+Hauser. Similar al mundo de los bienes de consumo, se espera que la ‘Internet of Things’ aporte muchos más datos que serán transmitidos en forma inalámbrica, lo que se suma a la transmisión cableada en tiempo real de datos de proceso a través de, por ejemplo, Ethernet Industrial.

 

Preparado con material suministrado por Endress+Hauser.

 

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