No todos los datos son iguales

 

Hoy en día, cuando cada vez más empresas industriales buscan convertirse en verdaderas empresas digitales abarcando producción, oficina y trabajo remoto, hay un tema clave que siempre es necesario tener en cuenta: las redes. Los datos que corren en las redes actúan como hilos digitales que unen las operaciones en todas estas actividades. En estos hilos, sin embargo, no todos los datos son iguales.

Aún más, cuando se consideran las operaciones de infraestructura, tales como puentes y túneles o nuestra red de energía, las repercusiones de una parada se extienden más allá de una instalación y pueden afectar a todo el conjunto con potenciales problemas serios, tales como mensajería y señalizaciones inexactas o cortes de energía generalizados.

Es por eso que los equipos de informática (IT) y de tecnología de operaciones (OT) deben colaborar más que nunca para garantizar que sus redes están diseñadas para priorizar ciertos datos sobre otros y para brindar resiliencia y disponibilidad a la hora de transmitir datos allí donde se los necesita.

Algunos datos, especialmente en operaciones industriales, deben tener prioridad respecto a los demás. De lo contrario, pueden quedar comprometidos el desempeño de las operaciones y la disponibilidad de los activos. Y para peor, podrían ocurrir interrupciones en la producción de elevado costo y potencialmente dañinas. Todo esto puede llevar a lesiones graves, litigios, multas, incumplimiento de compromisos e incluso quedar afectada una marca.

Mientras algunos identifican los datos en función de si contienen texto, números o alguna clase de multimedia, Siemens ofrece al respecto una visión práctica, con tres tipos de datos según su contexto y criticidad y donde cada uno requiere una priorización de red específica:

 

1| Datos basados en información

¿Los datos entregan información dentro de latencias aceptables por el usuario de 100 milisegundos (ms) o más? ¿El hilo de datos, desde fuente hasta receptor, está disponible el 99,9% del tiempo o mejor, sin más de 8 horas de parada durante un año?

Este tipo de datos generalmente circulan a través de redes informáticas de empresa y se refiere a emails, recuperación y uso compartido de archivos, pedidos de base de datos, respuestas de aplicaciones, etc. En la mayoría de las empresas, la tecnología VoIP (Voice-over-IP) también utiliza datos basados en información para brindar comunicaciones de persona a persona y conferencias de grupos.

En todos estos casos, el enrutamiento de paquetes de datos puede ser el ‘mejor posible’ con paquetes reenviados según necesidad para cumplir con las especificaciones de QoS (Quality of Service). QoS, que está definida por latencia, jitter y pérdida, es gestionada por como está diseñada la red utilizando configuraciones y topologías que han sido probadas durante años.

Normalmente, si se producen problemas en la red, los usuarios no perciben demoras en la entrega de paquetes. Por ejemplo, si se envía un archivo a la impresora de una oficina y se demora incluso por algunos segundos, la mayoría de los usuarios no se darán cuenta. Sin embargo, los usuarios de aplicaciones de voz y conferencias sin duda sabrán que no se cumplen las especificaciones VoIP QoS, por lo que sus datos deben tener prioridad en relación a otros datos basados en información.

Las redes informáticas de empresa se encuentran no sólo en entornos de oficina, sino que también cubren pisos de plantas y depósitos. De esta manera, el personal de planta podrá comunicarse de forma segura y acceder a información igual que sus colegas en oficinas o que realizan un trabajo remoto.

En algunos casos, los datos basados en información pueden ser transmitidos a través de redes industriales externas configuradas para aplicaciones específicas y operando en tiempo no real a través de redes WAN con celulares e incluso redes satelitales.

Un ejemplo es una estación elevadora remota que bombea aguas residuales a una planta de tratamiento municipal. Puesto que sus datos no son de tiempo crítico para las operaciones, se podrán enviar datos a un servidor de control centralizado en tandas periódicas con bajas velocidades de transmisión que consumen poco ancho de banda.

 

2| Datos en tiempo real

¿Los datos entregan información de operaciones, tales como conteo, parámetros de condiciones y comandos de control, con un mínimo de latencia, generalmente menos de 20 ms, de una manera consistente sin poner en peligro las operaciones? ¿El hilo de datos está disponible el 99,99% del tiempo, con no más de 48 minutos de interrupción durante un año?

La definición de datos en tiempo real se refiere a que soporta operaciones de producción sensibles al tiempo. Por ejemplo, los programas de proceso que se ejecutan cíclicamente necesitan el ingreso de datos constantemente actualizados en tiempo real para enviar comandos de control a los componentes.

Los robots, por su parte, también deben disponer de datos en tiempo real para realizar sus tareas de manera eficaz y segura, como lo hacen todos los sistemas de seguridad de planta conectados en red.

Los datos en tiempo real requieren una red consistente y predecible, o sea determinística, para lograr una producción continua sin interrupciones. Además, para soportar las necesidades de latencia de los datos en tiempo real, algunas veces en milisegundos o incluso microsegundos, estos datos deben ser priorizados por sobre los datos basados en información.

Las redes OT sirven como columna vertebral de una estructura compleja con mezcla de tecnologías a nivel de campo, lo que incluye sensores, PLCs, relés, actuadores, válvulas, instrumentación y otros dispositivos. Estos componentes deben funcionar con ajustes precisos y determinísticos, muchas veces en condiciones de operación severas. Además, estos elementos alimentan y extraen datos de operaciones dentro, hacia y desde una infraestructura vertical dinámica que consiste de una amplia gama de concentradores de datos, controladores de señal, computadoras de borde y sistemas de control.

Los retardos de los paquetes pueden disparar fallas en los equipos, lo que quizás lleve a una parada de producción no programada, a veces de una sorprendente duración y costo.

Las plantas involucradas en el procesamiento continuo, por ejemplo, pueden tardar horas para volver a la velocidad y temperaturas requeridas. Además, una pérdida de funcionamiento del sistema de comunicación puede implicar que se tenga que descartar materia prima y trabajo en elaboración. Y que también sea necesaria la limpieza de equipos y cañerías. Asimismo, las paradas no programadas también pueden dañar equipos sensibles que requieren servicio, reparaciones o reemplazos, todo lo cual suma tiempo a la hora de retornar la producción online.

 

3| Misión crítica

¿Los datos entregan la información requerida en tiempo real para operar equipos y sistemas sin los cuales podrían ocurrir potenciales catástrofes? Además, ¿la redundancia que soporta estos hilos digitales es suficiente para tener una disponibilidad 24/7/365 sin virtualmente ningún tipo de parada?

Los datos de misión crítica soportan una infraestructura clave, por ejemplo redes públicas de comunicación, instalaciones de servicios públicos, plantas nucleares, operaciones de petróleo y gas, sistemas de transporte y aplicaciones militares. Estos deben operar las 24 horas, en tiempo real o casi real y con el 99,999% del tiempo en operación o mejor.

Aspectos como confiabilidad, durabilidad y disponibilidad de este tipo de datos son de suma importancia, razón por la cual los correspondientes paquetes deben tener la máxima prioridad entre todos los datos que viajan a través de una red compartida. Además, estas redes deben estar diseñadas con una resiliencia de failover inmediata junto con una suficiente redundancia para garantizar esa resiliencia. De esta manera se pueden minimizar las posibilidades de falla de los equipos e incluso eliminarlas.

Por ejemplo, los relés de protección en las subestaciones de energía eléctrica de alta tensión son uno de los dispositivos muy críticos en el entorno de subestaciones. No sólo es necesario que un relé sea resiliente al entorno que lo rodea, sino que múltiples relés puedan comunicarse entre sí, procesar datos y operar en tiempo real. Estos esquemas de protección en tiempo real son misión crítica por la necesidad de protección de activos de gran valor, detección de fallas y recuperación de la red eléctrica y otras operaciones críticas.

 

Conclusión

Si las empresas con la visión de convertirse en empresas digitales necesitan la colaboración entre OT e IT, es imprescindible tener una priorización adecuada en sus redes, sean datos basados en información, de tiempo real o de misión crítica. De esta manera podrán lograr grandes avances hacia salvaguardar la disponibilidad de los activos de producción mientras maximizan su desempeño.

 

Preparado en base a una minuta técnica de Siemens con el asesoramiento del Ing. Andrés G. Gorenberg.

En los años recientes, TSN (Time Sensitive Networ­king) ha mostrado un rápido avance en cuanto al desarrollo de un estándar a nivel de proveedores y a la elaboración de un banco de pruebas, a cargo de Industrial Internet Consortium, para probar el concepto. Dentro de este contexto, a medida que los productos compatibles con TSN comiencen a llegar al mercado, los proveedores de tecnología podrán clarificar su posición acerca de TSN y cómo piensan aprovechar la tecnología en el corto plazo.

 

Estrategia TSN vía PROFINET y OPC UA

 

En el último Siemens Automation Summit, Rainer Brehm, vicepresidente de Siemens, presentó la estrategia de Siemens acerca del uso de TSN vía PROFINET y OPC UA, resaltando tres aspectos clave de la comunicación en estas redes:

  • OPC UA se encargará de la comunicación vertical de datos acíclicos y de las comunicaciones controlador-controlador;
  • PROFINET se utilizará para el intercambio de datos de E/S cíclico y en tiempo real a nivel de campo;
  • Puesto que OPC UA y PROFINET pueden compartir la misma red, se podrán utilizar juntos para permitir el envío de datos de dispositivos a nivel de campo a sistemas SCADA, MES y ERP, como así también a la nube.

"Si sólo hay Ethernet estándar, no se pueden correr dos redes de tiempo real a la vez, pero sí es posible hacerlo con TSN", explicó Brehm. "OPC UA con TSN es más potente, ya que garantiza la calidad de servicio en tiempo real utilizando chips estándar".

Más específicamente, Brehm señaló que el uso de PROFINET basado en TSN apuntará a la red de control determinística, mientras el uso de OPC UA con TSN tendrá que ver con la integración de datos entre máquinas.

La incorporación de TSN sobre PROFINET lo convierte en un protocolo a prueba del futuro gracias a la estandarización IEEE 802.1 de TSN. PROFINET también ofrece un mayor ancho de banda con TSN, hasta 1 gigabit, aporta capacidad de tiempo real con chips estándar y puede ampliar las aplicaciones existentes manteniendo la capa de aplicación PROFINET.

 

Estrategia TSN vía PROFINET y OPC UA

 

Con OPC UA, Siemens facilita la implementación de redes de máquinas gracias a los estándares abiertos OPC UA y TSN, aclaró Brehm. También puede proveer comunicación máquina a máquina (M2M) en tiempo real vía OPC UA usando cliente/servidor, Pub/Sub o Pub/Sub TSN.

Durante una demostración de Siemens TSN en Hannover Messe 2019, se presentó una comunicación Ethernet robusta y confiable entre máquinas usando TSN en condiciones de alta carga de red. Para esta demostración, que mostró capacidades de movimiento sincronizado, Siemens utilizó Pub/Sub OPC UA junto con TSN para comunicación M2M a fin de conectar dos robots, cada uno comunicado sobre PROFINET con un controlador SIMATIC.

Esta demostración resaltó un importante elemento subyacente del principio Pub/Sub. Con este método, un editor, por ejemplo un control de máquina, envía datos a la red que luego están disponibles para todos los suscriptores. A continuación, los suscriptores determinan, en base a su programación, si requieren esta información. La reserva de ancho de banda en este caso, es decir, no enviar cada bit de datos a todos los dispositivos conectados, garantiza la transmisión de datos dentro de la red TSN de una manera predecible, sin importar la carga de la red.

El protocolo PROFINET sobre OPC UA TSN también es un aspecto clave de la estrategia de Siemens para implementar el protocolo de seguridad PROFIsafe sobre OPC UA. Según Brehm, "PROFIsafe sobre OPC UA se convertirá en una solución abierta y altamente competitiva para la seguridad funcional".

 

Ventajas de TSN vía PROFINET y OPC UA

 

  • Establece la base para la implementación de redes abiertas integradas dentro de una empresa en pos de una producción flexible y determinística.

  • Ofrece anchos de banda garantizados y escalables como así también una baja latencia de transmisión.

  • Está basado en corrientes encapsuladas y garantiza que distintos protocolos, incluso de tiempo real, puedan utilizar la misma red Ethernet.

  • Permite implementar QoS (Quality of Service) en redes Ethernet estándar.

  • Garantiza que PROFINET y OPC UA sean la base de la empresa digital en las futuras redes de planta.

Gestión energética desde el sistema de automatización

Es muy común que muchas industrias tengan un gran consumo de energía y una producción automatizada. Los operadores que se desempeñan en lograr un control sustentable de los costos de energía con vista al futuro necesitan disponer en sus plantas de una tecnología de medición de energía integrada.

La automatización de la producción deberá incluir gestión de energía ya que es aquí donde se genera el mayor consumo. Al respecto, SIMATIC Energy Suite de Siemens es una opción integrada en TIA Portal que vincula la gestión de energía con la automatización, introduciendo transparencia energética en la producción. La configuración simplificada de los componentes de medición de energía en los sistemas de automatización reduce los costos de configuración e ingeniería.

La conexión integrada a un sistema superior de gestión, por ejemplo SIMATIC Energy Manager Pro, o al servicio en la nube Energy Analytics, facilita la integración de los datos de energía obtenidos en el sistema de gestión de energía de todo el sitio. Como resultado, se cumple con todos los requerimientos económicos y de gestión relacionados con energía, desde adquisición y planificación de energía hasta control de la misma.

La integración del sistema de gestión del consumo de energía con la plataforma de automatización ofrece importantes ventajas:

  • Generación automática de datos y variables para la gestión de energía;
  • Integración con la herramienta de ingeniería TIA Portal y centralización con el sistema de automatización.
  • Se reduce el trabajo de configuración.

SIMATIC Energy Suite integrado en TIA Portal ofrece:

  • Configuración fácil e intuitiva en lugar de programación;
  • Generación automática del programa de gestión de energía para el PLC;
  • Integración cómoda de componentes de medición de Siemens y terceros;
  • Integración al TIA Portal y al sistema de automatización;
  • Archivo de variables en el SCADA WinCC Professional o en el mismo PLC;
  • Conexión directa a sistemas superiores de gestión central.
Siemens agrega inteligencia artificial a la lógica de control
Demostración de Siemens del concepto de ‘agarre flexible’ usando inteligencia artificial y procesamiento de redes neutonales.

¿Cómo sería si un robot pudiera ajustar automáticamente su agarre en base al tamaño y forma del objeto? En otras palabras, un robot que pudiera ajustarse para sostener un objeto sin dejarlo caer de la misma manera que lo hacen los humanos. Según Siemens, esto es bastante posible, y todo se reduce a incorporar inteligencia artificial (IA) basada en redes neuronales.

Las redes neuronales son una tecnología que imita el cerebro humano en lo que hace a reconocer patrones complejos. Dentro de este contexto, Siemens considera que agregando inteligencia artificial vía redes neuronales a los programas de control tradicionales, que fueron diseñados para ejecutar una tarea establecida, se podrán ampliar las capacidades del sistema para cambiar en base a los parámetros del producto o proceso. En pocas palabras: las máquinas se vuelven naturalmente flexibles.

Siemens presentó recientemente un módulo que incorpora capacidades de inteligencia artificial en el controlador SIMATIC S7-1500 y el sistema ET 200MP de E/Ss. Con este módulo S7-1500 TM NPU (Neural Processing Unit), Siemens lleva la inteligencia artificial directamente al controlador. El módulo se puede usar a nivel de campo en la máquina, donde es necesario tomar decisiones determinísticas, rápidas y confiables, ya que permite la transferencia de experticia humana a la máquina mediante entrenamiento.

"Con inteligencia artificial podemos entrenar, reconocer y ajustar para conseguir una maquinaria más flexible", comentó Colm Gavin, de Siemens. "¿Qué es preferible: tener 10 máquinas que empaqueten 10 tipos diferentes de productos, o una sola herramienta capaz de acomodar distintos paquetes y diferentes tamaños y ajustarse automáticamente a un nuevo formato?"

El módulo S7-1500 TM NPU utiliza un sistema neuronal entrenado en una tarjeta SD. Los usuarios pueden conectar sensores compatibles con Gigabit Ethernet y USB 3.1, tales como cámaras y micrófonos, a las interfaces integradas del módulo. Los datos de la CPU transmitidos por el bus de backplane se pueden usar también como datos de entrada. Los resultados del procesamiento son evaluados luego en el programa de la CPU.

Por ejemplo, en una línea de empaque, las botellas bajan rápidamente por una cinta transportadora y, si el sistema está entrenado para ‘pasa/falla’, en el momento en que algo se sale de tolerancia, falla. Utilizando inteligencia artificial en el entrenamiento de las redes neuronales para reconocer mil millones de imágenes de cada combinación posible, un sistema de visión podrá descifrar las reglas por sí mismo.

Según Gavin, los beneficios del módulo S7-1500 TM NPU incluyen:

  • Flexibilidad – Facilita el manejo de objetos desconocidos sin necesidad de una programación que insume muchos recursos.
  • Calidad – El conocimiento experto en chequeos de calidad rápidos y confiables puede ser transferido directamente al módulo gracias al entrenamiento de mayor nivel de una red neuronal.
  • Mayor eficiencia – Las máquinas pueden responder de manera flexible y automática a situaciones que alguna vez requerían intervención manual, lo que reduce paradas y aumenta la disponibilidad.
  • Rentabilidad – El módulo permite la detección temprana de problemas en la producción, evitando el costo de reelaboración o incluso descarte del producto.

El módulo encuentra aplicaciones en robótica, aseguramiento de la calidad y monitoreo de condiciones, y puede haber muchas más. En la reciente PACK EXPO, Siemens presentó un robot con ‘agarre flexible’ utilizando inteligencia artificial que, observando la forma de un objeto, calcula el punto óptimo de agarre de la pinza. Una vez determinado ese punto de agarre, la inteligencia artificial le dice a dónde ir. "No es necesario programar el robot ya que la inteligencia artificial hace posible el agarre de objetos con formas y posiciones arbitrarias", explicó Gavin, quien agregó que la capacidad de imitar la mano humana en manufactura tiene un enorme potencial de negocio.

Se estima que la nueva tecnología 5G de redes wireless tendrá un fuerte impacto en las aplicaciones de automatización y control, apuntando principalmente a comunicaciones tipo máquina y soporte para IIoT. La confiabilidad sin precedentes y las latencias muy bajas se suman al potencial básico de Industrial 5G en manufactura, aun cuando los principales bloques constructivos y los desafíos que plantea su implementación  todavía no han sido resueltos en su totalidad.

El estándar de comunicaciones 5G ofrece un ancho de banda mucho mayor y la capacidad de enviar más datos simultáneamente que 4G y otros estándares wireless anteriores. Según Siemens, se estima comenzar en 10 gigabits por segundo, o sea 10 veces más que 4G, junto a una latencia sustancialmente más baja y de mayor confiabilidad que en las redes móviles actuales y al hecho de soportar un mayor número de dispositivos conectados.

Las aplicaciones de Industrial 5G incluyen soporte para tres tipos diferentes de comunicación de fábrica: banda ancha móvil ampliada (eMBB), comunicación masiva tipo máquina (mMTC) y comunicaciones de baja latencia ultra-confiables (URLLC).

 

 

Industrial 5G: Su impacto en automatización de fábrica
Las nuevas redes wireless de 5ta generación ofrecen un enorme potencial en la industria. Una confiabilidad sin precedentes y muy bajas latencias, como así también la amplia conectividad IIoT de Industrial 5G, facilitan la implementación de aplicaciones orientadas al futuro.

 

Se estima que las comunicaciones de banda ancha móvil ampliada podrán aprovechar las altas tasas de transmisión de datos de 5G y su mayor cobertura, comparado con 4G, para implementar aplicaciones wireless en áreas como realidad aumentada y virtual.

La comunicación mMTC ofrece una amplia cobertura de área y permite la conexión de un gran número de dispositivos IoT (algunos reportes indican hasta un millón de dispositivos) por kilómetro cuadrado. Esta comunicación está destinada a aportar conectividad con bajos requerimientos de software y hardware en dispositivos conectados y soportar una operación de baja energía y optimización de batería.

La comunicación URLLC se basa en la elevada confiabilidad de sistema y los tiempos de reacción en el rango de los milisegundos de 5G. Las posibles aplicaciones podrían estar en la automatización de procesos para control de lazo cerrado, paneles de control móviles con funcionalidad de seguridad integrada, robots móviles y control de movimiento.

Según un documento técnico elaborado por 5G ACIA (Alliance for Connected Industries and Automation), “5G tiene el potencial de proveer conectividad wireless en una amplia gama de aplicaciones a nivel industrial. A largo plazo, podrá llevar a la convergencia de las distintas tecnologías de comunicación utilizadas hoy en día, reduciendo considerablemente el número de posibles soluciones de conectividad industrial. Del mismo modo que hay una clara tendencia hacia TSN en el mundo de soluciones cableadas de Industrial Ethernet, es muy posible que 5G se convierta en una tecnología wireless estándar, ya que, por primera vez, conlleva una comunicación wireless directa desde el nivel de campo a la nube".

  Pero dentro de este contexto, también es necesario abordar los principales desafíos que se plantean a la hora de concretar el potencial de 5G. Uno de estos desafíos es alinear el trabajo de los entes de estandarización con la industria de manufactura.

Otros desafíos incluyen:

  • Cómo desarrollar 5G en manufactura;
  • Modelos de espectro y operador;
  • Seguridad y ciberseguridad;
  • Componentes industriales habilitados para 5G;
  • Establecimiento de un lenguaje común;
  • Transparencia de una conexión 5G en cuanto a radio acceso y red central.

Preparado en base a documentos de Siemens.

La ejecución de proyectos utilizaLa convergencia de informática (IT) y tecnología de operaciones (OT) poco sirve para el avance de la digitalización en una empresa. Lo importante para que la digitalización funcione es una colaboración exitosa entre la tecnología  OT e IT y que cada parte comprenda las necesidades de la otra parte.

 

Colaboración IT/OT:  Clave para la digitalización

 

La industria, al hablar de la convergencia de tecnología de operaciones (OT) e informática (IT), asume que las dos partes se podrán fusionar en un dominio común utilizando metodologías, dispositivos, herramientas y experticia de informática, todo aplicable al piso de planta y a operaciones de oficina. Sin embargo, este concepto puede llegar a tener sus bemoles.

Por sí sola, la convergencia IT/OT no define el concepto de digitalización de toda la empresa. Si bien puede ofrecer ahorros de costos a corto plazo gracias a la posibilidad de compartir tecnología y tener equipos de IT y OT consolidados, las ganancias en cuanto a performance serán tan sólo marginales, en el mejor de los casos, y no las sustanciales que la digitalización puede generar. Las aplicaciones en el piso de planta de hardware, software, conectividad y servicios orientados a IT siempre tendrán que ser mucho más robustas, precisas y confiables que lo que se necesita en una oficina.

En lugar de convergencia IT/OT, las empresas requieren una colaboración profunda, interfuncional y proactiva que combine capacidad intelectual, know-how y experiencia de los equipos de IT y OT para lograr empresas totalmente digitales.

El objetivo está en comprender colectivamente una terminología única y requerimientos de diseño para todos los entornos de red, especialmente en el contexto de la red como pilar estratégico de una empresa totalmente digital.

 

Fundamentos de la convergencia IT/OT

La idea de convergencia IT/OT es comprensible. Después de todo, informática y teléfonos fueron alguna vez funciones y redes separadas en la mayoría de las empresas de gran tamaño, pero pudieron converger años atrás gracias a la tecnología paquetizada de  VoIP (Voice-over-IP). Además, los especialistas en operaciones han adaptado muchas tecnologías informáticas a nivel empresa para abordar las necesidades de un paisaje industrial diverso que abarca fábricas, depósitos e instalaciones logísticas en una gran variedad de industrias.

Entre esas tecnologías se pueden mencionar redes de área local (WLANs) cableadas y wireless habilitadas por Ethernet, así como también PCs industriales, switches y enrutadores. Por su parte, los operadores continúan adaptando tecnologías informáticas emergentes a nivel de empresa, tales como nube, Big Data y analítica avanzada, impulsados por las ventajas económicas y los imperativos competitivos que aporta IIoT.

Los beneficios de estas adaptaciones informáticas incluyeron grandes reducciones en costos, latencias, tiempos de ciclo de vida y errores de recopilación de datos. Por su parte, las comunicaciones industriales, o sea el hilo digital, ayudaron a interconectar lo que alguna vez fueron islas de actividades y datos, además de romper los silos operacionales. Una mayor transparencia y visibilidad operativa también llevaron a un mejor soporte de decisiones para optimizar la utilización de activos, como así también la calidad, la flexibilidad y los costos de producción.

 

Adaptar la informatica de empresa a aplicaciones complejas de OT

Esta adaptación va mucho más allá de darle una apariencia de robustez a los dispositivos. Por ejemplo, los sistemas OT de automatización, que consisten de cientos o incluso miles de dispositivos a nivel de campo, tales como sensores, actuadores, válvulas e instrumentación, necesitan sincronizaciones precisas de milisegundos en sus actividades.

Las redes de soporte deben ser determinísticas. Los comandos de datos deben llegar cuando se supone que deben hacerlo y no de la mejor manera. Es posible que un usuario no note un problema de red que retrase medio segundo un correo electrónico saliente, pero una demora similar en un comando de controlador llegando a su destino podría interrumpir una línea de producción.

Las consecuencias podrían ser graves. Muchas empresas no buscan la convergencia IT/OT porque saben que no viene al caso. El sentido real de la colaboración IT/OT es establecer hilos de datos digitales capaces de correr de manera transparente, sin inconvenientes y segura desde el piso de planta hasta la sala de control con todo lo que implica.

Colaboración IT/OT

En lugar de presionar a sus equipos IT y OT para forzar, aunque más no sea, una mezcla de dos entornos tecnológicos necesariamente diferentes, estas empresas prefieren que colaboren para concretar la realidad de una empresa digital en toda su extensión. Para hacerlo, cada equipo necesita comprender la experticia y los puntos de vista del otro, lo que incluye sus principales inquietudes.

 

Inquietudes de IT y digitalización de fábrica

  • Impactos ambientales, en la salud y la seguridad – Si bien es cierto que las fallas tecnológicas o los incidentes de seguridad pueden interrumpir las operaciones de una empresa, incidentes similares en un entorno industrial pueden causar interrupciones y consecuencias en diferentes escalas, incluso amenazar vidas y medio ambiente.
  • Disponibilidad y utilización de activos – Los sistemas conectados en red pueden originar riesgos en el negocio que la mayoría de los equipos de IT todavía no tienen en cuenta, tales como daño o pérdida de equipos costosos y la producción de productos defectuosos. Las interrupciones en la producción también pueden causar incumplimientos con los clientes. Además, una pobre disponibilidad y utilización de activos pueden bajar los retornos de la inversión.
  • Sistemas desactualizados o personalizados – IT se encarga de aplicar parches y actualizaciones frecuentes y consistentes de software, mientras los entornos industriales tienden a ser más sistémicos: un pequeño cambio en un componente o subsistema puede disparar cambios o interrupciones en otros lugares. Como resultado, muchos sistemas de control de planta y fábrica existentes pueden estar corriendo sistemas operativos desactualizados que no pueden ser intercambiados fácilmente o una configuración personalizada que no es compatible con los paquetes estándar de seguridad informáticos de una empresa.

 

Inquietudes de OT y conectividad de empresa

  • Riesgos físicos y seguridad – Las amenazas a la seguridad de vidas siguen siendo un motivo de preocupación, pero los equipos de OT se enfrentan ahora también a amenazas que están potencialmente fuera de su control. Conectar máquinas, equipos y sistemas de control a redes de empresa más abiertas puede dejarlos vulnerables a ataques que pueden anular controles de válvulas y causar cortes de emergencia, exponiendo a los empleados a un peligro cierto y a la producción a interrupciones costosas.
  • Control de productividad y calidad – Perder el control de un proceso de manufactura o cualquier dispositivo relacionado es la peor pesadilla de un equipo de OT. Piense en lo que podría pasar si alguien malicioso reprogramara un proceso de ensamblado para saltar algunos pasos o detener la producción por completo, con el resultado de un producto defectuoso que podría dañar a un usuario…
  • Pérdida de datos - Mientras las violaciones de los datos han sido durante mucho tiempo una de las principales preocupaciones de los equipos de IT tradicionales, son algo nuevo para los equipos de OT acostumbrados a trabajar con sistemas cerrados. Sin embargo, al estar este tipo de sistemas industriales online, proteger los datos transmitidos es crítico.
  • Seguridad industrial – Si bien los equipos de OT pueden verse beneficiados al pasar de sistemas cerrados a redes abiertas, hay cierta preocupación por la aparente falta de experiencia informática y posibles soluciones para las rigurosas necesidades de OT, lo que incluye comunicaciones en tiempo real, que las soluciones de oficina tradicionales de ciberseguridad no pueden proporcionar.

 

Objetivos comunes de IT/OT para proteger una empresa totalmente digitalizada

  • Identificar y autenticar todos los dispositivos y máquinas dentro de un sistema, una planta de manufactura y en el campo, para garantizar que sólo los dispositivos y sistemas aprobados se comunican uno con otro.
  • Encriptar todas las comunicaciones entre dispositivos para asegurar la privacidad de los datos transmitidos y la integridad de los datos generados a partir de estos sistemas.

 

Colaboración en la digitalización industrial

La digitalización completa de una empresa requiere una amplia estrategia de redes desarrollada conjuntamente por los equipos de IT y OT. La red industrial debe estar diseñada como pilar estratégico de los sistemas de producción, no como un componente, e involucra la implementación de tecnologías de redes a nivel industrial basadas en estándares probados. A continuación se describe de qué manera se puede facilitar el necesario proceso de colaboración.

 

Reunir a todos los interesados

Todos quienes intervienen en la digitalización de las operaciones de una empresa deben tener voz a la hora de construir consenso acerca de cuáles son las métricas más críticas para la organización y qué métricas necesitan mejoras.

Todos deben apuntar a los requerimientos de las operaciones de producción y manejar los riesgos de una parada y de seguridad.

Hay varias preguntas a la hora de identificar los principales objetivos:

 

  • ¿Cuáles son los activos críticos que pueden fallar, cuándo y por qué?
  • ¿Cómo afecta la falla de un activo al personal y cómo incide en operaciones o costos de producción y parada?
  • ¿Cómo se pueden integrar las decisiones basadas en datos dentro de las limitaciones de las prácticas existentes?
  • ¿Qué operaciones de producción están funcionando por debajo del estándar en términos de calidad de producto o tasas de defectos en proceso?
  • ¿Dónde hay grandes cantidades de intervención humana para controlar la calidad que, de otro modo, podría automatizarse?
  • ¿Dónde podrían usarse los datos para monitorear el desempeño en tiempo real a fin de reducir la variabilidad en la calidad de producto?

 

Capacitación en redes industriales

Los equipos de IT quizás necesiten capacitación en los requerimientos en tiempo real de redes OT y en los problemas que plantean las soluciones IT de ciberseguridad tradicionales. Es por eso que los equipos de OT deben compartir principios, protocolos y detalles de arquitectura acerca de cómo operar, mantener y solucionar problemas en redes existentes y planificadas, lo que incluye switching y enrutamiento, comunicaciones wireless y requerimientos de ciberseguridad.

 

Los primeros pasos

Sólo una colaboración IT/OT activa, con una comprensión mutua de los respectivos roles y antecedentes de cada uno, puede optimizar los flujos de datos en la red central de una empresa, que en definitiva es el pilar de una empresa totalmente digitalizada.

Al comprender todo el potencial que tienen las comunicaciones industriales modernas, IT y OT podrán trabajar conjuntamente para garantizar una mayor eficiencia operativa, visibilidad, flexibilidad y ciberseguridad en la producción.

Todo esto contribuirá, sin lugar a dudas, a concretar  plenamente la promesa de la digitalización en pos de una mayor competitividad y rentabilidad a corto y largo plazo.

 

Preparado en base a una presentación de Michael Bingaman, de Siemens, con el asesoramiento del Ing. Andrés Gorenberg.

Nuevo firmware y más funciones en los controladores Simatic

 

Siemens acaba de presentar dos actualizaciones del firmware de los controladores Simatic que incluyen nuevas funciones:

  • El firmware v2.8 para Simatic S7-1500 optimiza la integración de datos entre diferentes dispositivos y las funciones de diagnóstico.
  • El firmware v4.4 para Simatic S7-1200 amplía las funciones de comunicación, mejorando así la transferencia de datos entre plataformas y otros controladores y sistemas de niveles superiores o sistemas en la nube, tales como ERP, SCADA y nube, por ejemplo Mindsphere.

Estas prestaciones se pueden utilizar en numerosas aplicaciones, que incluyen desde uso industrial y agricultura hasta proyectos de infraestructura.

Nuevo firmware y más funciones en los controladores Simatic
El firmware v2.8 para Simatic S7-1500 optimiza la integración de datos entre diferentes dispositivos y las funciones de diagnóstico.

 

El firmware v2.8 para Simatic S7-1500 CPU permite ahora el acceso remoto a los controladores Simatic S7-1500 a través de redes de IP. Los correos electrónicos con información confidencial se protegen y encriptan a través de correos seguros con archivos adjuntos. El novedoso servidor web brinda una integración de datos sencilla y segura, lo que permite a los usuarios, por ejemplo, tener acceso estandarizado a las variables para realizar sus propios análisis.

La nueva Simatic S7-1500 CPU ofrece una gran variedad de funciones de diagnóstico. El seguimiento de proyectos en diferentes dispositivos mejora los diagnósticos de la planta, independientemente de cuáles sean las CPUs involucradas.

También se han ampliado las funciones de diagnóstico para el servidor OPC UA. Gracias a la visualización de diagnósticos online, las entradas del búfer de diagnóstico y la visualización de la conexión OPC UA, es posible detectar y resolver los errores de comunicación en menos tiempo. Con el nuevo firmware v2.8, sólo es necesario reiniciar el servidor OPC UA para las descargas del TIA Portal cuando se hayan realizado cambios en los datos relacionados con OPC UA, reduciendo, por ende, los tiempos de carga.

 

Nuevo firmware y más funciones en los controladores Simatic
El nuevo firmware v4.4 para Simatic S7-1200 mejora la conectividad con nuevas funciones de comunicación.

 

OPC UA Data Access, como servidor, permite la comunicación estandarizada horizontal y vertical, además de cumplir con estándares específicos de la industria, tales como OMAC PackML y Weihenstephan. Con esta versión, el usuario puede transmitir de forma segura datos confidenciales por correo electrónico y lograr una comunicación máquina a máquina mediante el acceso a datos.

Por su parte, OPC UA Modelling Editor (SiOME) permite a los usuarios definir modelos de información OPC UA y mapear especificaciones adicionales en el control de Simatic. Los bloques de bornes opcionales, que se colocan a presión, simplifican la instalación ya que no requieren herramientas.

Nuevo hardware y nuevas funciones para TIA Portal

 

El nuevo software para comisionamiento SINAMICS Startdrive V16, luego de integrar el sistema SINAMICS S120 multieje, es una nueva versión monoeje del sistema de servoaccionamiento de alta prestación que se puede integrar a TIA Portal.

El control de accionamientos de SIMATIC Drive Controller, recientemente lanzado al mercado, también se integra a esta herramienta de comisionamiento. Los hubs Drive-CliQ, que aumentan la cantidad de interfaces en el grupo multieje de SINAMICS S120, además de otros componentes add-on, ahora están integrados al TIA Portal, completando así esta nueva actualización de hardware.

SINAMICS Startdrive V16 también ofrece novedosas funciones. Al incorporar la experticia en protección de SINAMICS S120, la parametrización de los accionamientos queda protegida contra cambios o intentos de lectura no autorizados.

También se dispone de una gran variedad de funciones de seguridad gracias a SINAMICS Safety Integrated. Con SINAMICS Startdrive, estas funciones se parametrizan y validan en un solo proceso fácil de manejar.

El test de homologación de seguridad integrado en Startdrive guía paso a paso al usuario a través del proceso de homologación y luego genera un registro de tests de compatibilidad con las normas. La herramienta de comisionamiento SINAMICS Startdrive es un componente clave para automatización de máquinas.

La interacción entre el accionamiento y el controlador facilita la finalización de las etapas de ingeniería y comisionamiento de aplicaciones de control de movimiento con controladores SIMATIC y accionamientos SINAMICS.

 

Las cifras son sorprendentes. La cantidad de sensores y dispositivos IIoT conectados a Internet estallará a 50 mil millones para el 2020, cuando se generarán 500 zettabytes de datos. Un analista de IDC pronostica que el gasto en equipos y software relacionado con IoT llegará a los 1.200 millones de dólares en el 2022.

El sector industrial será uno de los principales beneficiados. Los fabricantes que se preparen para esta ola de sensores y dispositivos IIoT podrán consolidar toda la información sobre tecnología operativa (OT), informática (IT), inteligencia comercial (BI), calidad y procesos de producción en un solo modelo de datos. Al hacerlo, conseguirán una enorme ventaja competitiva y cambiarán radicalmente la eficiencia de sus procesos.

Ante una demanda de soluciones IIoT que crecerá exponencialmente, la conectividad remota será crítica en muchas aplicaciones. La buena noticia es que las empresas de telecomunicaciones ya ofrecen una infraestructura celular robusta, diseñada para conexión con distintos puntos finales de IIoT, para luego reenviar esa información a los sistemas industriales de control.

Para responder a esta tendencia, Siemens ha lanzado SCALANCE M876-4 e IIoT Connectivity Packages. Son soluciones llave en mano que ofrecen conectividad de teleservicio y telecontrol segura a través de redes celulares de 4G LTE, lo que permite una conexión económica con ubicaciones remotas al simplificar su instalación y configuración. De esta manera queda eliminada también la complejidad de tener que seleccionar operadores de telefonía móvil y planes de datos, además de proveer un solo punto de contacto.

Esta combinación de paquetes de conectividad e IIoT abre nuevos caminos a los sensores y actuadores inteligentes a la hora de mejorar procesos de fabricación e industriales. En paralelo, estos sistemas podrán brindar análisis en tiempo real para aprovechar los datos en una gran variedad de sistemas industriales.

La automatización del piso de planta necesita informática de borde
Siemens Industrial Edge combina hardware y software con mecanismos de tecnología de nube. De esta forma, integra las ventajas del procesamiento de datos local y en la nube.

 

Todos sabemos que IIoT está generando un enorme volumen de datos. Si bien esto podría significar oportunidades de negocio, también significa dolores de cabeza: poca capacidad de almacenamiento, redes sobrecargadas e incapacidad de examinar los datos lo suficientemente rápido como para llegar a conclusiones correctas.

La informática de borde ofrece una solución a estos problemas, ya que aporta potencia de procesamiento, memoria e incluso algo de almacenamiento en el borde de la red. Después de todo, es allí donde residen los dispositivos y sensores IIoT. Además, disponer de potencia de procesamiento en la periferia de la red permite recolectar y analizar datos, detectar anomalías e impulsar la toma de decisiones.

De acuerdo a un reciente documento de Frost & Sullivan, son muchos los beneficios a conseguir en un entorno de manufactura. El análisis de datos, por ejemplo, es mucho más rápido a nivel de dispositivo local. La alternativa es transmitir todos los datos de sensores y dispositivos de borde a través de la red a la nube o al centro de datos mediante un enlace satelital o cableado. De cualquier manera, se consume demasiado tiempo enviando, procesando e interpretando los datos haciéndolo de manera centralizada. Además de latencia, esto sobrecarga las infraestructuras centralizadas y genera cuellos de botella. El análisis en tiempo real sólo se puede lograr con procesamiento en el borde.

¿Y qué hay acerca de los costos? Cuánto más datos se tengan que transportar a través de una red, más ancho de banda se requiere. Y con la explosión de los volúmenes de datos en los próximos años debido a IIoT, una estrategia de procesamiento centralizado podría llevar a que los costos de conexión en red se descontrolen. Es posible contener los costos operativos o de gestión de datos permitiendo que los datos residan en un dispositivo de borde. Esto, además de minimizar los costos de infraestructura para la transmisión de la red, también simplifica la tarea (y el costo) de someter esos datos a análisis.

Hay otro beneficio adicional que merece ser mencionado. IIoT genera enormes cantidades de datos, pero tan sólo una pequeña fracción tiene un valor real. Al examinar y resumir los datos en el borde, el análisis básico puede ayudar en la automatización de tareas. Y la transmisión de red puede quedar reservada sólo para los datos más importantes. De esta forma, los servidores y otros dispositivos inteligentes en el borde podrán reducir la carga sobre una infraestructura centralizada y eliminar la necesidad de actualizaciones extensas para responder a un aumento exponencial en el tráfico.

Está claro que enviar datos de sensores IIoT hacia y desde la nube o centro de datos lleva mucho tiempo, es costoso y poco práctico. Hoy en día, cada segundo es importante y la ralentización causada por el movimiento de datos equivale a pérdida de dinero.

Frost & Sullivan recomienda, a la hora de implementar informática de borde, empezar de a poco, probar su valor y luego escalar. Otros consejos se refieren a:

  • Realizar iteraciones frecuentes para alinear la informática de borde y la infraestructura asociada con los procesos de negocio para garantizar la obtención de los conocimientos correctos en el momento oportuno. Además, a medida que evolucione la tecnología y haya más potencia de procesamiento disponible, volver a examinar las arquitecturas de borde puede aportar capacidades adicionales.
  • Capacitar al personal de informática en tecnologías de borde e IIoT para maximizar su valor.
  • Asegurarse de que las interfaces de los dispositivos estén configuradas de forma segura con controles de acceso adecuados y seguridad física.
  • Conectar activos a la Internet agregando sensores, comenzando con sistemas como SCADA y MES.
  • Invertir en infraestructura de borde ahora en lugar de seguir desplegando arquitecturas tradicionales que pueden quedar obsoletas en un año o dos debido a la ausencia de una funcionalidad IIoT y a su incapacidad de proveer conocimientos localizados.

Hoy en día, al implementar informática de borde, las empresas están abriendo su camino hacia una verdadera manufactura digital. Una vez que los sensores y dispositivos IIoT comiencen a alimentar la informática de borde con datos, será posible establecer una toma de decisiones autónoma, o sea inteligencia artificial o basada en ciertos parámetros y reglas preprogramados, y realizar acciones de rutina sin participación humana. Las decisiones más importantes quedarán a cargo del operador.

También se podrán reducir considerablemente las fallas y los incidentes peligrosos con alertas oportunas generadas por los dispositivos de borde.  Analizando de forma remota los datos del sitio, el borde podrá desempeñar un rol vital para pronosticar desastres y prevenir catástrofes.

Del mismo modo, se podrán mejorar las prácticas de mantenimiento predictivo mediante la implementación de analítica de borde. Los sensores IIoT aportarán capacidades de monitoreo a la hora de vigilar la condición de los componentes y la salud general de los activos. También se podrán generar alertas para señalar áreas con problemas potenciales, lo que reduciría considerablemente las paradas no programadas.

Hoy en día, los sistemas de automatización industrial están a la vanguardia de la transformación digital. Estos sistemas necesitan de la adaptabilidad y la agilidad que brinda la informática de borde. Los sistemas de planta, al incorporar cada vez más sensores, dispositivos habilitados por IIoT y equipos de informática de borde, abren la puerta a una nueva era en manufactura. 

 

Preparado en base a un documento de Siemens.

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