IIoT y evolución hacia una manufactura inteligente

El potencial de IIoT reside en su capacidad de vincular sistemas de automatización con sistemas de planificación de empresa, programación y ciclo de vida de producto.

 

Muchos piensan que  IIoT (Industrial Inter­net of Things) es una revolución que está modificando profundamente la cara de la industria. Pero en realidad, es una evolución que tiene sus orígenes en tecnologías y funcionalidades desarrolladas por proveedores de automatización visionarios hace más de 15 años. Cuando maduren los necesarios estándares, quizás se necesiten otros 15 años más para concretar todo el potencial de IIoT. A lo largo de este tiempo, los cambios en la industria llegarán bastante lejos.

La buena noticia es que los usuarios finales y los constructores de máquinas podrán utilizar sus inversiones existentes en tecnología y personal, y, al mismo tiempo, aprovechar las nuevas tecnologías IIoT disponibles. El hecho de incorporar soluciones IIoT basadas en el concepto de ‘reutilizar’ en lugar de ‘sacar y reemplazar’, permitirá tener un mayor control del negocio. Además, el nuevo concepto impulsará la evolución hacia una empresa de manufactura inteligente más eficiente, más segura y sustentable.

La aparición de la megatendencia IIoT ha logrado despertar al mismo tiempo esperanza y confusión entre los responsables de operar plantas industriales. Gran parte de este estado de cosas se centra en el impacto de los avances tecnológicos en las plataformas de automatización existentes.

Sin embargo, uno de los desafíos a la hora de comprender el potencial de IIoT es su enorme campo de aplicaciones.

En el área de control de empresa inteligente, por ejemplo, se pueden ver máquinas que se auto-organizan y activos que aceptan una personalización masiva y un tamaño de lote de uno.

En el mundo del desempeño de activos, la recolección y el análisis de datos provenientes de un número cada vez mayor de sensores inteligentes y de costo económico harán crecer la performance del negocio y el tiempo de operación de los activos.

Una nueva generación de operadores ‘aumentados’ podrán aprovechar varias tecnologías de punta, tales como dispositivos móviles y realidad aumentada. Con un acceso más fácil a información en toda la empresa, su trabajo se simplifica y los sistemas de producción se vuelven cada vez más rentables.

Algunos de estos cambios podrán ser implementados a corto y mediano plazo, otros requerirán una evolución gradual agregando funcionalidad a sistemas ya existentes mientras se establecen nuevos estándares de IIoT a nivel internacional.

 

IIoT y evolución hacia una manufactura inteligente
El control de empresa holístico rompe los silos de una empresa y facilita un mejor control de negocio.

 

Definiciones

La visión IIoT del mundo incorpora activos conectados inteligentes (las cosas) que operan como parte de un sistema de mayor tamaño o sistemas de sistemas que conforman la empresa de manufactura inteligente. Las ‘cosas’ poseen distintos niveles de funcionalidad inteligente, que van desde simples sensores y actuadores hasta control, optimización y una operación totalmente autónoma.

La empresa de manufactura inteligente contiene máquinas, plantas y operaciones, con mayores niveles de inteligencia embebida en el núcleo. Los sistemas vinculados están basados en la Internet abierta y estándar y tecnologías de nube que permiten un acceso seguro a dispositivos e información. Esto facilita el procesamiento de Big Data con nuevas herramientas avanzadas de analítica y recurrir a tecnologías móviles para promover un mayor valor de negocio. Esto, a su vez, se traduce en mejoras de eficiencia y rentabilidad, una mayor ciberseguridad e innovación.

 

Empresa de manufactura inteligente

Si bien el impacto a largo plazo de IIoT es a veces difícil de predecir, son tres los entornos operacionales que hacen a la consolidación de una empresa de manufactura inteligente:

 

1 - Control de empresa inteligente

Las tecnologías IIoT permitirán una fuerte integración de máquinas inteligentes conectadas y activos de manufactura inteligentes conectados con una empresa más amplia, lo que se traduce en una manufactura más flexible y eficiente, y por lo tanto rentable.

El control de empresa inteligente puede ser visto como una tendencia a mediano y largo plazo. Es bastante complejo de implementar y requiere la elaboración de nuevos estándares que permitan la convergencia de sistemas IT y OT.

 

2 - Gestión del desempeño de activos

Por cierto que el despliegue de sensores wireless de costo económico, una fácil conectividad con la nube (que incluye WAN) y la analítica de datos mejorarán el desempeño de los activos. Estas herramientas facilitan la recolección de datos de campo y su conversión en información procesable en tiempo real, lo que significa mejores decisiones de negocio y una visión de futuro en la toma de decisiones.

 

3 - Operadores aumentados

Los futuros operadores dispondrán de dispositivos móviles, analítica de datos, realidad aumentada y conectividad transparente para aumentar la productividad. A medida que se reduce la cantidad de personal calificado a cargo de las principales operaciones debido al paulatino retiro de baby boomers, los operadores de planta más jóvenes que los reemplazan necesitarán información para cumplir con sus tareas. Esa información deberá ser entregada en un formato de tiempo real que les resulte familiar. De esta forma, la planta irá evolucionando para centrarse más en el usuario y no tanto en la máquina.

Si bien estas tres áreas están estrechamente relacionadas y comparten muchas interdependencias, también tienen diferencias. Por ejemplo, las escalas de tiempo sobre las que pueden ser implementadas y la clase de segmento del mercado de automatización que atienden.

Hay otras dos áreas, la robótica colaborativa y la impresión 3D, que también hacen a la discusión en torno a IIoT, pero éstas no se tratan en este artículo ya que son tecnologías específicas que no se aplican a todas las empresas de manufactura.

 

Control de empresa inteligente

Uno de los mayores beneficios potenciales de la próxima generación de sistemas IIoT es romper los silos de una empresa. Las tecnologías permitirán una integración más estrecha de sistemas de producción con sistemas ERP, sistemas PLM (Product Lifecycle Management), sistemas SCM (Supply Chain Management) y sistemas CRM (Customer Relationship Management). Hoy en día, estos sistemas son gestionados en forma bastante independiente uno de otro. Se estima que un tal concepto holístico podría promover una considerable ganancia de eficiencia de hasta 26%.

El control de empresa inteligente no significa reemplazar los sistemas actuales de automatización con sistemas completamente nuevos, sino que implica la conexión de esos sistemas con los sistemas de empresa, ciclo de vida y cadena de valor, optimizando toda la empresa de manufactura y facilitando un grado mucho mayor de control de negocio.

Una mayor integración permitirá a las empresas no sólo ser más eficientes, sino también más rentables gracias a una mayor flexibilidad y capacidad de respuesta a condiciones volátiles del mercado.

La noción de control se expandirá desde control en tiempo real de un parámetro físico a control en tiempo real de todo el negocio, incluyendo parámetros físicos y no físicos. Los beneficios incluyen mayor protección contra ciberamenazas, más innovación y la capacidad de gestionar mejor la seguridad, el desempeño y el impacto ambiental.

Como ejemplos de control de empresa inteligente se pueden mencionar personalización masiva y tamaños de lote de uno, detección temprana de productos defectuosos en el proceso de manufactura, modificación del diseño de un producto para eliminar causas raíz, modificación de la planificación de producción en base a pronósticos climáticos y modificación del plan de producción/recetas en base a precios de la materia prima.

 

IIoT y evolución hacia una manufactura inteligente
El desempeño de los activos acelera la adopción de las nuevas aplicaciones de gestión de desempeño aprovechando Big Data y analítica, y también tecnologías wireless de costo económico.

 

Desempeño de activos

Las aplicaciones de gestión del desempeño de activos, tales como gestión de energía y mantenimiento predictivo, no son algo nuevo en la industria, pero su aceptación se ha visto limitada por el costo de implementación. Los costos de la conectividad física (costo del cableado a los sensores) y de la conectividad lógica (integración con sistemas existentes) han sido prohibitivos.

La conectividad IP wireless y las arquitecturas basadas en la nube permiten ahora superar estas barreras de costo. Además, emerge una nueva generación de sensores simples, de pequeño tamaño y bajo costo.

Como resultado, la nueva generación de sistemas IIoT aportará soluciones innovadoras en el área de desempeño de activos.

Tomemos como ejemplo el monitoreo basado en condiciones/mantenimiento predictivo. Se malgasta mucho dinero manteniendo equipos que no requieren mantenimiento o descuidando equipos que subsiguientemente fallan y originan paradas de producción no anticipadas.

Hoy en día hay soluciones, pero su aceptación también se ha visto limitada por el costo. La nueva generación de sistemas IIoT promete reducir considerablemente los costos de implementación de tales soluciones.

 

IIoT y evolución hacia una manufactura inteligente
Los operadores aumentados son más productivos ya que reciben la información correcta en el momento justo.

 

Operador aumentado

El uso de tecnologías de HMI móviles, tales como teléfonos inteligentes, tabletas y wearables, en combinación con un acceso IP a datos e información (analítica y realidad aumentada), transformará la forma en que trabajan los operadores. Los dispositivos wireless portátiles irán ampliando sus capacidades mientras tecnologías, tales como códigos QR dinámicos, mejorarán la experiencia del operador y lo convertirán en un operador ‘aumentado’ más productivo.

Hoy en día, los operadores sólo tienen acceso a información proveniente de sistemas de automatización. En el día de mañana, los operadores aumentados podrán tener acceso a información de todos los sistemas de empresa necesarios y podrán gestionar no sólo el desempeño o la eficiencia de proceso, sino también rentabilidad del proceso.

 

Barreras a la adopción

Será necesario superar varias barreras antes de que la próxima generación de sistemas IIoT sea adoptada en manufactura. Estas barreras incluyen el establecimiento de estándares referentes a IIoT, ciberseguridad y la adaptación de la fuerza laboral a las nuevas habilidades que implica la adopción.

 

Estandarización

Los estándares son necesarios para que productos, máquinas y activos conectados inteligentes interactúen de manera transparente. Esto va más allá de simples protocolos de comunicación e implica la creación de semántica y mecanismos estándar que permitan que los dispositivos inteligentes descubran uno al otro e interoperen. Algunos estándares, tales como PackML, ya existen en esta área, pero son incompletos y no cubren todos los aspectos de manufactura. En este momento, la estandarización está siendo abordada por Industria 4.0 y las iniciativas de Industrial Internet Consortium.

 

Ciberseguridad

El advenimiento de IIoT está acelerando la necesidad de ciberseguridad en sistemas de control.

La complejidad de IIoT significa que la ciberseguridad debe estar diseñada en los componentes del sistema de automatización.

La adopción de estándares de ciberseguridad industrial con certificación será un factor clave para el avance de IIoT, ya que podrá garantizar la ciberseguridad no sólo de activos individuales sino también de sistemas de mayor tamaño y sistemas de sistemas.

Estas certificaciones tendrán un rol similar al que tienen en el mundo de las certificaciones de seguridad. Conseguir la certificación significa que los elementos de un sistema contienen bloques constructivos clave de ciberseguridad. Los elementos son combinados de manera segura por equipos certificados en ciberseguridad y son operados como sistema seguro por operadores entrenados en ciberseguridad.

La clave para la certificación de ciberseguridad es consistencia y aplicabilidad. A nivel mundial, la serie IEC 62443 de estándares cubre todos los elementos de ciberseguridad a partir del desarrollo del producto hasta llegar a las características del producto, características del sistema, entrega y operación. Es importante señalar que, si bien hay algunos entes independientes que ofrecen hoy en día certificación para IEC 62443, IEC en sí todavía no ha aprobado ninguno de estos entes para certificar IEC 62443.

Como complemento a los estándares de ciberseguridad IEC 62443, los estándares industriales existentes también van evolucionando para ser más seguros. DNP3 ha evolucionado a DNPV5 para agregar ciberseguridad, OPC UA ofrece importantes mejoras de ciberseguridad, Modbus está evolucionando a Modbus Secure y EtherNet/IP se está convirtiendo en EtherNet/IP Secure. Además, muchos sistemas IIoT están adoptando características de ciberseguridad derivadas de estándares informáticos ya existentes, tales como HTTPS, certificados y encriptación/protocolos autenticados.

 

IIoT y evolución hacia una manufactura inteligente
Se requieren muchas nuevas habilidades para diseñar y operar sistemas IIoT.

 

Competencias del operador

El conjunto de habilidades que se requieren para diseñar y operar un sistema basado en IIoT son diferentes a las necesarias para implementar un sistema de automatización clásico. Hará falta mucho reentrenamiento de operadores existentes y personal de mantenimiento para gestionar tales sistemas.

La buena noticia es que los sistemas IIoT utilizan tecnologías que ya son familiares en la vida cotidiana, de modo que la nueva generación de operadores jóvenes no tendrá problemas para adaptarse a este nuevo concepto.

El principal desafío para los proveedores de automatización tiene que ver con diseñar y suministrar herramientas de diagnósticos/depuración capaces de identificar rápidamente la causa raíz de los problemas. De esta forma, un sistema defectuoso o caído podrá ser restaurado en poco tiempo.

 

Arquitecturas basadas en información

A medida que las empresas de manufactura inteligente comiencen a implementar control de empresa inteligente y sistemas de desempeño de activos gestionados por operadores aumentados, los proveedores de automatización tendrán que responder incorporando IIoT en todos los niveles de la jerarquía de automatización, lo que facilitará la integración con la próxima generación de sistemas IIoT.

Además, con el creciente poder de la electrónica embebida, la inteligencia conectada migrará hacia los niveles más bajos de la jerarquía de automatización, o sea al nivel de control y al nivel de sensores y actuadores.

Como resultado, los sistemas de tecnología de operaciones (OT) se juntarán con los sistemas informáticos (IT) y la jerarquía de automatización evolucionará para conformar una arquitectura mucho más plana y más basada en información. Puesto que las consecuencias de este esquema aún no están claras, las tecnologías y arquitecturas empleadas deberán ser flexibles, adaptables al cambio y capaces de integrarse con los sistemas existentes.

Las filosofías y arquitecturas jerárquicas monolíticas y de una sola fuente del pasado dejarán de funcionar en el futuro.

La arquitectura consiste de dos capas. El flujo de información a través de ambas capas será transparente utilizando semántica y mecanismos de descubrimiento basados en estándares industriales.

La capa sensible al tiempo está destinada al control determinístico en tiempo real. Esta capa suele ser designada como ‘niebla’ o ‘borde’. Sin embargo, el término ‘basada en IP sensible al tiempo’, que se usa para esta capa, subraya el hecho de que las tecnologías en esta capa son fundamentalmente las mismas tecnologías  IIoT utilizadas en la capa de nube de empresa, pero optimizadas para comunicaciones determinísticas en tiempo real.

Los dispositivos OT que corresponden a esta capa sensible al tiempo (sensores, actuadores y controladores) estarán listos para nube y capaces de interactuar de manera transparente con los sistemas informáticos de negocio de la segunda capa.

Esos mismos dispositivos también tendrán un alto grado de inteligencia. Como ejemplo piense en válvulas de control con sensores embebidos de temperatura, presión y acústicos. Estas válvulas son capaces de operar de manera autónoma con setpoints desde la empresa, determinando sus propias necesidades de mantenimiento preventivo e informando al departamento de mantenimiento acerca de su condición en el momento oportuno.

La otra capa es la capa de nube de empresa donde sistemas de empresa (ERP, MOM, PLM, SCM, CRM, etc.) y funciones de próxima generación, que incluyen gestión de activos y gestión de energía, podrán interoperar entre sí y con los sistemas sensibles al tiempo y listos para nube.

El término nube mencionado anteriormente se refiere a las tecnologías utilizadas, y no a la ubicación física de la infraestructura. Hay muchas razones para creer que, en el negocio de automatización a nivel industrial, las nubes locales (comúnmente designadas como ‘borde’) serán la arquitectura más ampliamente utilizada.

 

Control centralizado versus distribuido

Los argumentos a favor de sistemas de control redundante fuertemente centralizado versus sistemas de control distribuido han existido desde hace muchos años. Dentro de este contexto, los defensores de cada arquitectura han defendido su posición con argumentos válidos.

El advenimiento de IIoT no resuelve este debate. Por un lado, el uso de electrónica embebida de costo económico en los dispositivos de campo supone una mayor distribución de inteligencia y control. Por el otro lado, la conectividad IP de alta velocidad de los dispositivos de campo acepta una arquitectura más centralizada donde todos los sensores y actuadores se encuentran conectados a un procesador multinúcleo altamente redundante y potente, ubicado en un centro de datos seguro local.

Hoy en día, una aplicación se programa pensando en un hardware en particular, por ejemplo un PLC. En el día de mañana, una aplicación podrá ser programada independientemente del hardware de automatización subyacente, mientras el sistema distribuirá la aplicación de manera transparente al hardware, configurando automáticamente todos los mecanismos de comunicación.

Este esquema permitirá a los usuarios elegir ya sea una arquitectura fuertemente centralizada o distribuida, o un enfoque híbrido basado en requerimientos y problemas específicos. Ya existe un estándar de control distribuido IEC 61499 que puede servir como base para un estándar de control distribuido IIoT.

La distribución de inteligencia en el campo permitirá a los productos conectados inteligentes y máquinas conectadas inteligentes publicar información importante en un formato estandarizado, con lo que dicha información llegará de manera transparente a los sistemas y aplicaciones que la requieren. Con este esquema se podrá superar uno de los desafíos importantes de hoy en día: la ubicación de la información se desconoce y, por lo tanto, no puede ser descubierta o utilizada sin una programación personalizada.

 

Arquitecturas de automatización en red

Las redes verán un crecimiento exponencial en cuanto a dispositivos conectados inteligentes, que aprovecharán una red central IIoT/Ethernet sensible al tiempo para interoperar entre sí y con dispositivos que residen en otros sistemas de empresa.

El gran número de dispositivos conectados en red plantea nuevos desafíos no sólo en el área de gestión y desempeño de la red sino también en el área de gestión de toda la configuración del sistema de control distribuido y su software de aplicación.

Implementar grandes sistemas en red con las técnicas clásicas de automatización de hoy en día es complejo. Los sistemas de automatización basados en IIoT del mañana requerirán un nuevo esquema para simplificar las tareas de diseño, gestión y mantenimiento de las arquitecturas de automatización en red.

IIoT se describe muchas veces como una revolución tendiente a cambiar la vida tal como la conocemos. En los sectores de bienes de consumo, gestión de edificios y otros, hay algo de verdad en esto. Sin embargo, en la industria, IIoT irá aplicándose más lentamente a medida que vayan evolucionando sus necesidades específicas y abordando sus desafíos específicos.

 

Conclusión

Si bien el interés en IIoT va creciendo fuertemente, hay razones por las que IIoT debería ser visto como una evolución, no una revolución. Los usuarios finales han invertido mucha plata en sistemas de automatización y control industrial y no están dispuestos a invertir más plata para reemplazar esos sistemas con nuevas tecnologías.

Los usuarios finales incluso se resisten al cambio a causa del mayor riesgo de paradas y costos asociados.

Proveedores de automatización visionarios, tales como Schneider Electric, y un grupo de usuarios finales han trabajado conjuntamente en pos de este objetivo desde hace más de 15 años El concepto de servidores web embebidos y el uso de Ethernet como red de control en tiempo real para tener acceso a información de manera transparente desde cualquier lugar en la empresa fue una primicia de Schneider Electric en el mercado allá por los años ’90. Presentado en ese entonces como ‘Fábrica Transparente’, sus ecos se sienten claramente en la historia de IIoT de hoy en día.

Se requieren avances en el área de estándares para hacer realidad todo el potencial de IIoT. Sin embargo, a pesar de su lenta adopción, el impacto de IIoT en manufactura será de gran alcance.

Proveedores y usuarios deben comenzar a adoptar tecnologías IIoT en sus productos y operaciones si desean seguir siendo competitivos en el mercado. La buena noticia es que la madurez tecnológica es tal que negocios y empresas podrán introducir ya ahora soluciones IIoT con nuevas tecnologías que harán mover la base de su infraestructura física en el tiempo.

El costo de los sensores conectados está bajando rápidamente, mientras los protocolos abiertos basados en IP avanzan a un ritmo acelerado y la adopción de soluciones basadas en la nube se está convirtiendo en una realidad.

 

IIoT y evolución hacia una manufactura inteligente
Arquitectura de automatización basada en información.

 

Preparado en base a una presentación de John Conway, de Schneider Electric.

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