La neumática inteligente ofrece flexibilidad en la era de Industria 4.0 mientras avances como sistemas ciberfísicos contribuyen a lograr una mayor conectividad e inteligencia en válvulas.

 

Simple y digital: Aumentar la productividad con sistemas inteligentes
Gracias a la rápida activación de nuevas funciones vía apps de software, es posible crear un tipo de máquina básico y luego, de acuerdo a las apps seleccionadas, equiparla con distintas funciones y características según los requerimientos de la aplicación. (Cortesía: Festo).

 

La neumática inteligente combina estandarización con flexibilidad, lo que impulsa la neumática en la era de Industria 4.0. La tecnología que está detrás de la neumática inteligente amalgama los beneficios de la neumática tradicional con los de un movimiento eléctrico controlado y complejo. A pesar de su simplicidad, integra más funcionalidades que la tecnología convencional.

La actual tendencia en automatización hacia sistemas conectados en red, descentralizados e inteligentes con una óptima integración de funciones es la respuesta directa a los crecientes requerimientos técnicos y económicos.

La demanda de características adicionales, tales como capacidad para interpretar información ambiental, también va en aumento en la era de Industria 4.0. Las capacidades de comunicación, que incluyen componentes que se comunican uno con otro, promueven nuevas áreas de actividad, ya que permiten más mantenimiento preventivo específico y abren el camino hacia una producción autónoma con sistemas de autorregulación.

 

Simple y digital: Aumentar la productividad con sistemas inteligentes
Cuatro piezo válvulas piloto de 2/2 vías (azul) y válvulas de asiento a diafragma con sensores inteligentes integrados ofrecen una enorme flexibilidad (Cortesía: Festo).

 

Statu quo en mecatrónica

Los sistemas mecatrónicos convencionales reúnen sistemas mecánicos, electrónica, tecnología de control e informática, lo que les permite interactuar en las actuales aplicaciones de automatización. Son la única forma de garantizar la integración de neumática en aplicaciones electromecánicas y son clave para lograr un posicionamiento preciso de accionamientos neumáticos.

Los sistemas mecatrónicos modulares facilitan una amplia integración de funciones, tales como una mayor adaptabilidad de sistema y estandarización, lo que se traduce en mejoras y optimizaciones del sistema a lo largo de toda la cadena de valor por haber un menor número de componentes que se deben seleccionar, adquirir, ensamblar y cablear. La comunicación digital aporta beneficios adicionales, por ejemplo la compatibilidad electromagnética que no incide en los valores analógicos, lo que ayuda a eliminar fallas del sistema.

 

La mecatrónica carece de flexibilidad

A pesar de los beneficios de los sistemas mecatrónicos modulares, es posible mejorar la flexibilidad. Reconvertir adaptaciones de sistema durante las fases de diseño e ingeniería de un proceso o modificar parámetros a la hora de introducir cambios durante operación sólo se logran con modificaciones costosas y que insumen mucho tiempo.

Un diseño modular ofrece cierta flexibilidad, pero sólo dentro de los límites del módulo particular. La regla general es que cualquier parámetro que podría cambiar siempre debe ser tenido en cuenta en la etapa de diseño. De acuerdo a la regla de 10, los costos de las subsiguientes adaptaciones crecen en un factor de 10. No hay diferencia si los cambios son necesarios para ajustar el tamaño a un cambio en las cargas o para agregar nuevas funciones pedidas por el usuario final.

 

Sistemas ciberfísicos con flexibilidad y conexión en red

Si bien hay numerosas definiciones para los sistemas ciberfísicos (CPSs por sus siglas en inglés), no se dispone de una definición ampliamente aceptada. Sin embargo, lo cierto es que los CPSs juegan un rol central en las aplicaciones de Industria 4.0.

Los CPSs, en términos de su estructura básica, son sistemas mecatrónicos. También incorporan sensores inteligentes y una mayor inteligencia de software. Una posible aplicación es predeterminar influencias externas usando datos registrados internamente sin necesidad de sensores adicionales, y luego compartir esta información interna y externamente con otros sistemas vía interfaces de comunicación adecuadas.

Tales sistemas pueden ser adaptados sin necesidad de un hardware nuevo o adicional, ya que las adaptaciones funcionales son ejecutadas usando software y apps, o bien el sistema se puede autoajustar por sí mismo o por medio de una instrucción del sistema de control.

Sin embargo, a pesar de todos los beneficios que ofrecen los sistemas mecatrónicos modulares, hay todavía espacio para mejoras en lo que hace a flexibilidad. Y es allí donde aparece un sistema ciberfísico como Festo Motion Terminal VTEM. Este sistema incluye cuatro piezo válvulas piloto de 2/2 vías y válvulas de asiento a diafragma con sensores inteligentes integrados. Ofrece las funciones tradicionales de válvulas de 2/2, 3/2, 4/2 o 4/3 vías, como así también tecnología proporcional y funciones servoneumáticas, todo en un solo dispositivo. Otras funciones incluyen predeterminación del tiempo de carrera, accionamiento ECO y diagnósticos de pérdidas.

La implementación de los requerimientos de Industria 4.0, tales como el uso de datos de todo el sistema, depende del sistema y el producto, lo que puede llevar a un resultado limitado. La razón es sencilla: los datos registrados en el dispositivo por los sensores no son compartidos con otras estaciones, por no haber una interface de datos. Por ejemplo, los datos de temperatura medidos en válvulas proporcionales sólo son procesados por la propia válvula. No se realiza ninguna otra función de diagnóstico, aun cuando podría servir para determinar si, por ejemplo, hay un ventilador defectuoso en un gabinete de control.

La fábrica del futuro necesita productos con sensores integrados y una interface Industria 4.0. Es fundamental que esta interface cumpla con los estándares internacionales en cuanto a gestión y comunicación de datos. El estándar de interface de software OPC UA, publicado como parte de la serie IEC 62541 de estándares, es un buen ejemplo.

 

Tecnologías flexibles para Industria 4.0

Los actuadores utilizados en las partes neumáticas en la forma de un circuito puente son una de las nuevas tecnologías que impulsan Industria 4.0. Las cuatro piezo válvulas piloto de 2/2 vías y las válvulas de asiento a diafragma con sensores inteligentes integrados ofrecen una enorme flexibilidad. A diferencia de los sistemas mecatrónicos convencionales, estos sensores inteligentes se encuentran embebidos directamente en una terminal de válvulas inteligente, lo que significa que los sensores de medición de presión ya no actúan más como un módulo separado que necesita ser seleccionado por medio del configurador.

La gama de tareas también es más amplia ya que se pueden usar los sensores de medición de presión, por ejemplo, para funciones de diagnóstico:

  • Cuatro válvulas de 2/2 vías (válvulas de asiento a diafragma) están conectadas en serie para formar un puente completo;
  • Cada válvula de asiento a diafragma es piloteada y controlada proporcionalmente por dos piezo válvulas (azul);
  • El pistón controlado digitalmente puede tomar las funciones de una amplia gama de pistones de control mecánicos que se suelen utilizar en un control direccional común.

 

Simple y digital: Aumentar la productividad con sistemas inteligentes
La válvula inteligente Festo Motion Terminal es una válvula neumática Industria 4.0 que puede cambiar la funcionalidad en base a algoritmos descargables.

 

Apps de movimiento reemplazan el hardware

Gracias a apps de movimiento descargables, la terminal de válvulas inteligente ofrece las funciones tradicionales de válvulas de 2/2 vías, 3/2 vías, 4/2 vías o 4/3 vías como así también tecnología proporcional y funciones servoneumáticas en un solo dispositivo. Todas estas funciones pueden ser implementadas en un CPS usando apps de movimiento. Lo destacable en este caso es que todo puede hacerse con una sola válvula del mismo diseño.

Esta válvula combina los beneficios de la tecnología de automatización neumática y eléctrica. La válvula neumática inteligente integra movimientos complejos, posicionamiento variable, monitoreo de condiciones y otras funcionalidades en un solo componente y consume menos energía.

La flexibilidad, la velocidad de implementación y los beneficios económicos en comparación con los sistemas convencionales cableados aumentan. Puesto que cambiar parámetros en tales sistemas no necesariamente significa que se debe adaptar el hardware, la regla de 10 ya no se aplica. Los costos de adaptación se mantienen dentro de márgenes muy estrechos, incluso si los cambios se hacen durante fases posteriores a la de diseño.

 

Simple y digital: Aumentar la productividad con sistemas inteligentes
Válvula inteligente de Festo que incluye (de izquierda a derecha) conectividad Ethernet industrial, un controlador con función flexible mediante app, válvulas con sensores embebidos para control de lazo cerrado, entradas analógicas y digitales para un control rápido de aplicaciones específicas y sensores integrados de presión de alimentación y temperatura para análisis de datos.

 

Nuevas dimensiones en automatización

La digitalización tendrá un gran impacto en la producción. Por primera vez, gracias a los CPSs, es posible implementar soluciones que combinan sistemas mecánicos, electrónica y software, además de tener sistemas listos para aplicaciones de Industria 4.0, incluyendo neumática. En comparación con los sistemas mecatrónicos modulares, ofrece una combinación de máxima estandarización y un alto nivel de flexibilidad.

Puesto que la válvula neumática inteligente desacopla las funciones neumáticas del hardware mecánico y las realiza mediante apps, se puede implementar una amplia gama de tareas de movimiento neumáticas con un solo tipo de válvula, lo que se traduce en numerosos beneficios mensurables a lo largo de la cadena de valor.

Las soluciones CPS permiten la implementación de movimientos complejos, tales como una retracción suave en la posición final, varios perfiles de velocidad o tareas de posicionamiento que antes sólo se podían realizar con servoneumática o automatización eléctrica. También facilitan la implementación de una amplia gama de funciones, monitoreo de condiciones, mantenimiento preventivo, y reducen el consumo de energía.

 

Preparado en base a una presentación de Sandro Quintero, gerente de producto de Festo.

Dos de los términos que van creciendo en popularidad en los últimos años son ‘nativo digital’ e ‘inmigrante digital’. Los nativos son aquellos individuos lo suficientemente jóvenes como para conocer las computadoras y la Internet desde su infancia. Para ellos, tales tecnologías siempre han existido. Los inmigrantes, ya sea por edad o circunstancia, entraron en contacto con estas tecnologías mucho más tarde en su vida. Con suerte, para ellos, tales tecnologías son un agregado bienvenido a su trabajo y su vida, pero todavía pueden recordar los momentos en que la mayoría de las actividades eran más manuales, locales y aisladas.

Al respecto, para quienes trabajan en las industrias de procesamiento, ha habido una división práctica diferente con la informática, y esto es más complicado.

Por ejemplo, la mayoría de quienes trabajan en refinerías tienen experiencia con sistemas de control distribuido (DCSs), o sea con los sistemas de automatización que operan en sus plantas y unidades de proceso. Los que están cerca de la edad de jubilación probablemente puedan recordar los comienzos de los años ’80 cuando estos sistemas eran todavía nuevos, pero nadie dudaba de que la tecnología basada en computadoras era la mejor manera de operar estas instalaciones.

Simultáneamente, también a comienzos de los años ’80, el concepto de informática (IT) se filtraba en nuestras mentes a medida que los sistemas computarizados se trasladaban a oficinas con la introducción de la computadora personal (PC). Con el tiempo, las PCs fueron reemplazando mainframes y minicomputadoras, mientras las unidades de escritorio se hacían presentes en lugares totalmente nuevos.

El mundo de la planta y el mundo de la oficina fueron creciendo en distintas direcciones: hardware y software especializados y propietarios en plantas versus hardware y software cada vez más estandarizados en oficinas y redes corporativas. La primera dirección llevó a lo que se conoce como tecnología de operaciones (OT), con sus distintas prácticas y requerimientos, para diferenciarla de IT.

OT e IT siguieron su camino en paralelo y separados hasta que surgieron dos cambios importantes. Primero, los constructores de DCSs descubrieron que las plataformas IT habían avanzado lo suficiente en potencia, confiabilidad y versatilidad como para soportar muchas de las necesidades de un DCS. También se dieron cuenta de que ya no era necesario elaborar y fabricar tanto hardware y software propietario, especialmente en las plataformas de HMI.

El otro cambio tuvo que ver con la gerencia de una refinería, que comenzó a reunir datos de plantas y unidades de proceso individuales. Los departamentos de IT se conectaban con los sistemas OT para extraer datos, y OT dejaba de estar aislado.

¿Dónde estamos ahora? Ambos mundos se han poblado con sus respectivos nativos digitales, pero es un concepto diferente acerca de lo que significa ‘digital’, con distintos lenguajes y culturas. Las tendencias que comenzaron hace décadas siguen, por lo que la separación dejó de estar si se tiene en cuenta que IT ingresa cada vez más en el mundo OT, reemplazando viejas plataformas propietarias. OT ya no tiene otra opción práctica que aceptar el cambio y aprender el nuevo lenguaje.

Las diferencias culturales no son tan fáciles de resolver, pero se pueden suavizar a medida que la gente de IT vaya aprendiendo qué es OT, particularmente las necesidades especiales de un proceso de manufactura. Los programas de digitalización requieren una amplia combinación de IT y OT, y muchas veces ya no se puede definir la línea divisoria.

Las redes Ethernet cableadas y wireless son parte integral de la infraestructura de una planta y se están volviendo cada vez más generalizadas. Sin embargo, OT todavía está viva y bien presente en los niveles más bajos de las redes de planta. Los dispositivos de campo individuales, tales como instrumentación y actuadores de válvula, siguen comunicándose utilizando protocolos diseñados específicamente en lugar de Ethernet. La mayoría de los dispositivos de campo están cableados, aunque son cada vez más los que se comunican a través de un protocolo wireless industrial, por ejemplo WirelessHART. Los proyectos de digitalización deben cerrar esta persistente brecha de conectividad de hardware y software, en un momento en que los mecanismos para hacerlo están mejorando día a día, con Ethernet wireless (por ejemplo, WiFi) como herramienta clave.

 

Implementar redes industriales para IIoT y digitalización
Figura 1. Hardware robustecido en entornos de planta, con algunas unidades certificadas para ubicaciones peligrosas.

 

Una tarea típica de planta, antes y ahora

Años atrás, los técnicos enviados para reemplazar actuadores de válvula en las unidades de operación de una refinería tenían varias tareas a cumplir: encontrar la válvula específica, verificar su número de tag y contactarse con los operadores de la sala de control mientras realizaban el trabajo mecánico y las conexiones eléctricas. El técnico pedía a los operadores que confirmen que los datos del nuevo actuador aparecían correctamente en las pantallas y luego enviar comandos a la válvula a través del sistema de control para verificar su desempeño correcto desde esa dirección.

En condiciones ideales, esta práctica solía dar buenos resultados. Siempre que los operadores no estuvieran ocupados con alguna otra cosa, por ejemplo una perturbación o un cambio en la calidad de producto, podían brindarle suficiente atención a un técnico bien capacitado trabajando con una lista de chequeo de funciones.

Pero son muchas cosas que pueden salir mal con tales interacciones, o simplemente consumen demasiado tiempo. El progreso es más lento si la sala de control introduce múltiples distracciones o si el técnico encuentra un problema y debe pedir ayuda con un ajuste de configuración o una terminación de cableado poco clara.

Pensemos ahora en la misma tarea, pero esta vez utilizando la tecnología digital más sofisticada disponible hoy en día. Nuestro técnico cuenta con una tableta robustecida (figura 1) que se comunica a través de la red WiFi de la planta. La orden de trabajo aparece en la pantalla, incluido el número de tag del actuador de válvula correspondiente, junto con información detallada del producto. Leyendo un código de barras en el actuador, puede verificar que es la unidad correcta y enviar un mensaje de regreso a la sala de control advirtiendo a los operadores que el dispositivo está cambiando al modo manual, aun cuando la válvula permanezca en su posición actual. Todas las instrucciones y parámetros necesarios para instalar y configurar el actuador se encuentran accesibles en la tableta.

La comunicación desde la tableta con el actuador se realiza a través de la red, trátese de un actuador cableado o que utiliza WirelessHART. Todos los puntos de configuración pueden ser transferidos a través de la red en lugar de ser ingresados manualmente por el técnico.

Todos los tests de verificación, desde el campo o la sala de control, se pueden realizar desde la tableta, que puede asumir cualquiera de las funciones. Esto evita involucrar a la sala de control, aun cuando los operadores pueden ver lo que está pasando, si es necesario, e incluso verificar la ubicación del técnico desde la sala de control, gracias a las tecnologías de reconocimiento de localización.

Una vez completadas la instalación y las pruebas, el técnico concluye la tarea en la tableta para completar automáticamente la orden de trabajo. Luego, procede a restaurar la vista del actuador en la sala de control, haciendo saber que se encuentra de vuelta online y en el modo automático. El reemplazo del actuador queda finalizado y los operadores apenas se pudieron dar cuenta de la situación, ya que poco tuvieron que ver con el procedimiento, más allá de monitorear la actividad del técnico a un alto nivel.

 

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Figura 2. Encontrar información crítica permite ahorrar mucho tiempo durante las tareas de comisionamiento, resolución de problemas y otras actividades.

 

Las rondas

El técnico también podría estar a cargo de realizar rondas de planta en una o más unidades. En el pasado, esto significaba llevar un portapapeles y verificar la lectura de un manómetro y/o nivel de aceite, anotando luego la información en una hoja y enviándola a la sala de control u oficina de mantenimiento.

Es probable que esas funciones sean realizadas ahora por instrumentos, aunque a muchos gerentes de planta todavía les gusta tener personal que camine por la instalación, usando ojos, oídos e incluso narices para notar cosas que quizás a la instrumentación le resulte imposible detectar. Hay veces que las rondas manuales se deban realizar con mal tiempo o en áreas potencialmente peligrosas de la planta, pero es allí donde los proyectos de digitalización pueden ayudar a mejorar estas tareas de baja tecnología.

El tradicional portapapeles es reemplazado ahora por una tableta robustecida, completa con las instrucciones a tener en cuenta (figura 2). El técnico puede comunicarse de vuelta con la sala de control desde cualquier lugar a través de la tableta y puede tomar fotos o un video de algún componente de los equipos para que los operadores o cualquier otra persona de la empresa puedan visualizarlo a través de la red corporativa. Esto es sencillo ya que, con la autorización correcta, es posible acceder a la información a través de la intranet de la empresa y posiblemente a través de la Internet.

Si el técnico necesita información técnica acerca de un componente de los equipos, es sencillo buscarla en la base de datos de la planta o en la documentación original del fabricante en la web. Si es necesario solicitar ayuda al fabricante, es muy sencillo enviar fotos o un video del problema para su evaluación. La situación quizás no requiera que el fabricante envíe algún técnico de servicio, ahorrando tiempo y costo.

Por su parte, la seguridad siempre ha sido y es un tema importante cuando hay personal que se desplaza por una planta, en especial cuando las rondas requieren ir a áreas particularmente peligrosas. Las redes de planta están preparadas para llamadas de emergencia de ‘trabajador caído’, pero también pueden incorporar funciones de reconocimiento de localización, triangulando una fuente de radio a una posición muy exacta en tres dimensiones.

 

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Una mejor cobertura

Los escenarios mencionados no son nada nuevo, pero no todas las refinerías los implementan.

Se ha hablado durante años acerca de trabajadores móviles, localización de personal y otras capacidades por el estilo. En la actualidad, la diferencia está en una mejor cobertura de red y ancho de banda.

Piense en alguien con un teléfono inteligente 10 años atrás. Ese primer teléfono inteligente estaba habilitado para la web, pero tratar de llegar a un sitio web o descargar un documento en un aeropuerto o en la calle era algo muy aleatorio.

Muchos usuarios simplemente se daban por vencidos más veces que no. ¿Por qué? Querían mucha más prestación de lo que tenían. La cobertura de la red en la mayoría de las áreas era demasiado angosta y el ancho de banda demasiado reducido para cumplir con las expectativas.

Muchas redes WiFi en una planta tenían, y quizás todavía tengan, el mismo problema. Teóricamente, había cobertura, pero mover cualquier cantidad de datos era una propuesta dudosa. Asimismo, muchas empresas que implementan redes también subestimaron el uso que tendrían que cubrir y no incluyeron suficiente infraestructura para tener una cobertura completa o suficiente ancho de banda. Pero en los últimos años, el hardware tanto de redes públicas como de redes privadas ha avanzado enormemente en cuanto a cobertura y capacidad de manejo de ancho de banda.

Veamos las redes de planta. En la actualidad, un router WiFi industrial puede soportar más protocolos y más dispositivos, además de operar en condiciones más exigentes que un router de hace solo unos pocos años (Tabla 1) y con un mayor número de diseños modulares más fáciles de implementar (figura 3). Dichos routers soportan redes WiFi de gran ancho de banda y pueden operar junto con dispositivos de campo WirelessHART usando WiFi como red de retorno.

Un router wireless también puede servir como gateway para dispositivos WirelessHART e ISA100 Wireless, si están instalados. Los instrumentos y actuadores wireless todavía se pueden comunicar utilizando sus protocolos dedicados, pero la comunicación con los sistemas host, tales como un DCS o un sistema de gestión de activos, puede realizarse por cable o vía WiFi – en ambos casos, usando normalmente un protocolo Ethernet.

Esta combinación de WiFi y WirelessHART permite implementar conceptos de IIoT, por lo que IT y OT se pueden integrar como nunca antes. Estas redes abarcan dispositivos de campo wireless, sensores inteligentes, soluciones de gestión de activos y analítica, todos preparados para lograr la transformación digital.

Para que esto sea realidad en toda su extensión, se requieren muchos puntos de acceso wireless (WAPs) WiFi usando una tecnología de gran ancho de banda. A la escala de una refinería típica, podría significar entre 100 y 400 WAPs WiFi para conseguir una cobertura completa y sin problemas. Cuando se lo implementa, el acceso está disponible en cualquier lugar, lo que permite desplegar capacidades de trabajadores móviles y tener una implementación rápida de instrumentación wireless.

Los routers simplifican la planificación de la implementación gracias a su diseño modular. Es fácil agregar un gateway WirelessHART o ISA100 a una determinada unidad. Las antenas inteligentes para instrumentación wireless pueden mejorar el alcance, mientras restringen la cobertura al interior de una zona cercada. La mayoría de los routers tienen clasificación Clase 1/División 2, mientras las antenas son Clase 1/División 1 para su extensión a áreas peligrosas.

Algunos usuarios piensan que las redes wireless quizás signifiquen una mayor superficie de ataque para los ciberdelincuentes. Afortunadamente, las redes y su hardware actual incorporan mecanismos defensivos muy fuertes. Por ejemplo, WirelessHART está protegido por una encriptación AES de 128 bits en la capa de red/transporte y un mecanismo de acople de red con dos factores.

El diseño de las redes WiFi e interfaces con otros sistemas normalmente están a cargo de IT, que puede usar las últimas herramientas y prácticas de seguridad para evitar vulnerabilidades en los puntos de transferencia de datos. Las empresas que actualizan como rutina sus routers y otros equipos de red evitan los problemas derivados de tener que mantener un hardware multigeneracional en el lugar, lo que implica el uso de técnicas de seguridad más antiguas.

 

Implementar redes industriales para IIoT y digitalización
Figura 3. Los routers pueden manejar más dispositivos mientras toleran entornos de planta extremos. Su construcción modular facilita su configuración e implementación.

 

Ventajas para los usuarios

¿Cómo poner en práctica estas tecnologías? Las empresas que han implementado programas de mejora con digitalización muestran una variedad de áreas donde han logrado importantes avances:

  • Una mejor infraestructura WiFi y WirelessHART con mayores tasas de transferencia de datos y niveles de confiabilidad;
  • Mayor seguridad del personal con capacidades de localización y reunión;
  • Datos de consumo de energía más detallados, lo que se traduce en ahorros en conservación y costo al ampliar el monitoreo y el análisis de datos;
  • Mayor confiabilidad y disponibilidad de activos de manufactura;
  • Aumento de la productividad a resultas de respuestas rápidas a condiciones anormales utilizando herramientas de trabajadores móviles;
  • Ejecución más rápida de chequeos de lazos durante comisionamiento y puesta en marcha, lo cual puede generar mucho dinero al conseguir tiempo de operación adicional;
  • Mayor disponibilidad de planta al reducirse el número de paradas inesperadas.

Todos estos son elementos de digitalización, y hay muchas más posibilidades, ya que siempre se descubren nuevas ideas. Cuando una infraestructura wireless pueda desempeñarse de un modo que no se tenga que pensar en ello, ya sea a nivel de red de dispositivos o de empresa, es posible lograr un gran progreso. Y cuando los proveedores y usuarios puedan conformar una base instalada con redes wireless, sensores inteligentes y soluciones de gestión de activos, estaremos ante la concreción de lo que realmente es digitalización.

 

Preparado en base a una presentación de Christopher Logue, de Emerson Automation Solutions.

Sin un monitoreo de salud online, se gasta más tiempo y dinero en mantenimiento.

 

 

Antes que nada, una pregunta: cuando se habla de IIoT, ¿qué imagen le viene a la mente? No es difícil de adivinar: todavía se están usando señales de 4-20 mA y no se vislumbra cambio alguno a corto plazo.

Sin embargo, todos los dispositivos de campo tienen comunicación HART, pero se la usa principalmente para leer mensajes del estado de dispositivos o para cambiar configuraciones. Y no hay que extrañarse que una implementación de IIoT puede hacerse rápidamente en un sistema 4-20 mA/HART sin cambio alguno. Los dispositivos HART tienen el mismo nivel de inteligencia e información que la mayoría de los dispositivos digitales. Además, la adquisición de esta información y su integración en un servicio de nube es mucho más sencilla de lo que uno puede pensar.

Veamos entonces el concepto de IIoT y cuáles son los primeros pasos hacia su implementación en una planta.

 

¿Qué es IIoT?

Pensando en la así llamada tercera revolución industrial, la idea era automatizar máquinas y procesos. Esto simplemente significó implementar un sistema capaz de medir un valor de proceso en particular, aplicarle un algoritmo de control y luego usar el valor de salida resultante para, por ejemplo, actuar una válvula o modificar la velocidad del motor de una bomba.

La automatización ahorró tiempo y mano de obra, además de aumentar la eficiencia y la calidad de producción.

Hoy en día, cuando se habla de la cuarta revolución industrial, IIoT o Industria 4.0, la idea es adquirir de manera eficiente grandes cantidades de datos desde sensores y máquinas inteligentes, para un análisis destinado a optimizar el proceso.

Los resultados podrán estar disponibles en varias aplicaciones, por ejemplo analítica, información de salud o una biblioteca de documentos, cada una con una interface de usuario para mostrar toda la información esencial.

 

¿Cuál es el potencial de IIoT en un entorno industrial?

La mayor parte de la información valiosa se encuentra (latente) en el campo. Esta es información que permite mejorar un proceso y evitar paradas no planificadas en la planta. Cuando alguien piensa en dispositivos inteligentes, probablemente sólo vea los dispositivos que hoy en día emplean una tecnología de comunicación innovadora, ¿no es cierto?

Sin embargo, hay dispositivos de campo HART que también tienen gestión inteligente de dispositivos (IDM – Intelligent Device Management), tal como se encuentra en dispositivos de campo fieldbus Foundation (FF) y PROFIBUS (PB). Pero a diferencia de lo que ocurre con los dispositivos FF y PB, que se comunican digitalmente con el sistema de control, los dispositivos HART probablemente tan sólo envíen señales 4-20 mA ‘inocuas’ al controlador. Al no usar comunicación HART, están guardando lo mejor de su información para sí mismos.

¡Pero no todo está perdido! Hoy en día, las soluciones IIoT pueden recolectar y analizar datos de dispositivos HART independientemente del sistema de control y aportar información relevante para el proceso. Esto se traduce directamente en una mejora del proceso, ya que los análisis de salud hacen disminuir el número de reparaciones no planificadas y paradas no programadas.

 

Red WirelessHART.

 

¿Qué es WirelessHART?

Hay varios tipos de comunicación wireless, quizás los más conocidos sean WirelessHART y Bluetooth. Ambas redes funcionan de manera confiable en un entorno industrial, ofreciendo una conectividad cibersegura y robusta.

En lo que hace a WirelessHART, si bien hay gente que todavía no está familiarizada con WirelessHART, se ha ido consolidando en muchas industrias en todo el mundo. El protocolo se desarrolló en 2004 y tuvo su lanzamiento al mercado en 2007. En 2010 se convirtió en el estándar internacional IEC 62591.

En pocas palabras, WirelessHART trabaja a una frecuencia de 2.4 GHz, usando el mecanismo TDMA (Time Division Multiple Access) para sincronizar todos los dispositivos en la red, donde cada uno se comunica con un gateway.

Además, WirelessHART opera con una red tipo mesh basada en IEEE 802.15.4, combinando dos métodos que garantizan una red confiable y segura: DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) y FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum).

Los dispositivos pueden tener WirelessHART incorporado o pueden estar equipados con adaptadores WirelessHART. Estos últimos actualizan dispositivos 4-20 mA/HART y dispositivos analógicos a instrumentos wireless.

 

¿Cómo se implementa WirelessHART en aplicaciones IIoT?

En una planta que ya tiene dispositivos de campo HART que se conectan al sistema de control utilizando sólo señales 4–20 mA, la respuesta es un adaptador WirelessHART. Es una forma sencilla de recolectar toda su información inteligente y entregarla al gateway. Luego, el gateway puede transmitir la información a un dispositivo de borde, que la integra de manera segura en un servicio de nube.

De acuerdo a la aplicación, una solución WirelessHART normalmente ahorra más tiempo y dinero que usar un multiplexor para recolectar los mismos datos.

El adaptador WirelessHART puede ser alimentado por batería u obtener su energía de la alimentación por lazo del dispositivo. Se lo puede instalar directamente en el dispositivo o remotamente. Los adaptadores se pueden agregar rápida y fácilmente, sin grandes modificaciones en la infraestructura de planta.

Gracias a las características técnicas de la red, es posible extender una red o tener más de una red en la planta. Hay algunas reglas para el dimensionamiento de la red, pero un proveedor confiable de servicios IIoT que trabaje con conectividad HART podrá brindar todo el soporte necesario para la arquitectura de red.

 

Adaptador WirelessHART.

 

¿Cuáles son los beneficios de reconvertir los tags críticos?

Los tags críticos necesitan un monitoreo constante para evitar una parada no programada de un proceso. En la mayoría de los escenarios, la reconversión con soluciones digitales estándar en una infraestructura 4-20 mA existente conlleva altos costos de inversión.

En estos casos, los adaptadores WirelessHART ofrecen una manera sencilla de obtener los beneficios de un monitoreo online con un mínimo esfuerzo e inversión.

Además, sin un monitoreo de salud online, se gasta más tiempo y dinero en mantenimiento. Cuando un dispositivo tiene un problema, se necesita más tiempo para descubrir qué está sucediendo, encontrar el error y solucionarlo en comparación con un servicio de monitoreo de salud IIoT.

Un servicio de monitoreo de salud online de alta performance, por ejemplo Netilion Health de Endress+Hauser, puede seguir continuamente los dispositivos de campo. Al tener la red conectada a la nube a través de un dispositivo de borde, también se tiene acceso a todos los datos críticos desde donde sea.

Esta tecnología se basa en una comunicación wireless robusta y estable ya implementada en muchas aplicaciones que usan el protocolo HART de todo el mundo. Pero cabe señalar que todos estos datos sensibles requieren una protección especial.

 

Netilion con una red WirelessHART.

 

Pasos sencillos para el monitoreo de salud de tags críticos

Está claro que WirelessHART permite que la implementación de IIoT sea más sencilla que nunca, pero ¿cómo opera? A continuación se enumeran los pasos para comenzar el monitoreo online de tags críticos usando Netilion Health:

  • τ Establecer cuáles son los dispositivos críticos en la planta – Para comenzar, es necesario averiguar qué mediciones y dispositivos son críticos en la planta. Luego, dimensionar la red WirelessHART y establecer cuántos adaptadores wireless, repetidores y gateways WirelessHART se necesitan.
  • τ Proveer adaptadores wireless para estos dispositivos – Cada dispositivo crítico requiere su adaptador, que puede ser instalado local o remotamente.
  • τ Conectar con el gateway wireless – Asignar a todos los adaptadores una ID de red y una clave para que que se conecten automáticamente con el gateway wireless, que se encarga de recolectar toda la información de los dispositivos de campo.
  • Conectar el gateway wireless a Field Edge SGC500 – El gateway SWG70 WirelessHART es Netilion Ready, lo que significa que se lo puede conectar con Edge Device SGC500 después de configurar la dirección y el puerto en SWG70 HART según especificaciones. Luego conectar Field Edge a la Internet.
  • τ Configurar el dispositivo de borde y finalizar la conexión con Netilion – Completar la instalación configurando Edge Device SGC500 para su conexión con Netilion.

Una vez realizados estos pasos, todo está listo para comenzar a recolectar datos en Netilion Ecosystem y consumirlos vía Netilion Services. El servicio Netilion Heath, por ejemplo, aporta un conocimiento profundo de los activos utilizando un teléfono inteligente, computadora portátil o tableta, donde sea que se encuentre. Además, se puede seguir toda la información de los activos, tener una visión general gráfica de los eventos y acceder al historial de salud para obtener información detallada.

 

Preparado en base a una presentación de Fabricio Andrade, experto en Netilion de Endress+Hauser.

Por qué wireless?

Enero 11, 2020

Por qué wireless?

 

Las cañerías y la necesidad de medir su caudal (y otros parámetros) plantean importantes desafíos. Es tal la variedad de cañerías instaladas en las más diversas ubicaciones y condiciones ambientales como métodos para medir el caudal que las atraviesa. Aun así, el objetivo final es siempre el mismo: lograr de manera confiable que los datos de medición de caudal estén en una ubicación central para garantizar que se despacha la cantidad correcta de producto en el lugar que corresponde y en el momento exacto. Por lo tanto, ¿cuál es el problema?

Hoy en día, el negocio, la seguridad y las condiciones ambientales requieren que la medición de caudal en una cañería, además de ser confiable y exacta, también debe ser flexible, escalable, de costo económico y disponible para todos los niveles y lugares en la empresa. Sin importar si la cañería transporta líquido, gas o vapor, los datos de medición del caudal en la cañería pasan a ser parte de la analítica del negocio que podría incluirse en la iniciativa IIoT global de la empresa.

Las cañerías suelen emplear varias técnicas de medición que aportan los datos de caudal necesarios para tomar decisiones de negocio informadas. Con este fin, se agregan nuevos puntos de medición por varias razones. Pero, ¿cómo se pueden agregar estos nuevos datos a la base de datos de monitoreo de la medición de caudal de manera rápida y eficaz?

A continuación se examinan las ventajas que se consiguen utilizando tecnología de redes wireless para gestionar mejor el monitoreo de las cañerías.

Puesto que hay mucha información escrita y disponible acerca de los aspectos técnicos de la tecnología wireless, el foco estará en los beneficios prácticos y operacionales que ofrecen las redes wireless.

 

Nunca demasiado cables

El método tradicional de recolección de datos de medición de caudal utiliza un par de cables que recorren la distancia entre el caudalímetro y una ubicación central o un sistema SCADA. La mayoría de las instalaciones no pueden proveer datos más allá del sistema de monitoreo, ya que los datos son básicamente analógicos y no se prestan para la comunicación digital que requiere IIoT o el acceso a la nube. Además, los cables son finitos, no son expandibles y tampoco ofrecen una infraestructura flexible y expandible.

Muchas veces se necesita reunir datos de medición de caudal e información de diagnóstico desde el caudalímetro para mantener la eficiencia de proceso, garantizar una calidad de producto uniforme, prevenir fallas de los equipos y evitar paradas imprevistas. Puesto que muchos caudalímetros son inteligentes, pueden aportar información valiosa al sistema, reduciendo las idas innecesarias al campo sólo para encontrar y reportar ‘sin problemas’.

Hay varios costos asociados con la instalación de un nuevo cable. Están el costo obvio del cable y el costo de la labor para instalarlo. También hay un costo de ingeniería para definir cajas de conexiones, bandejas de canales/cables y, lo más crítico, el tiempo adicional no productivo antes de haberse agregado la medición al sistema de monitoreo. En muchos casos, esta labor e ingeniería adicional significan semanas o incluso meses de demora antes de que los nuevos datos lleguen a la sala de control.

 

Ventajas de la tecnología wireless

La comunicación wireless ya probada en campo está por todas partes. Con varias tecnologías y/o estándares para elegir, las tecnologías wireless se encuentran instaladas prácticamente en todo el mundo en una gran variedad de industrias y miles de aplicaciones, que por supuesto incluye cañerías.

La selección de una determinada tecnología depende de la preferencia del usuario, del proveedor de automatización o de la tecnología de sensores existente. Hay mucha literatura que subraya el valor y los ahorros derivados de la tecnología wireless versus tender más cables, incluyendo herramientas de estimación y cálculo online.

La conclusión es que las empresas no pueden darse el lujo de ignorar la realidad: el monitoreo wireless es una alternativa más que rentable.

Los beneficios que aporta una estrategia de monitoreo wireless tienen que ver con tres aspectos: infraestructura, operaciones y prestación.

 

Infraestructura

  • Cableado nulo o mínimo – Quedan eliminados zanjas, ductos, cajas de conexiones, planos de cableado, etc.
  • Flexibilidad de entorno – No depende de la forma y tipo de terreno, tipo de sensores de medición, uso seguro para aplicaciones urbanas o rurales y otras variables.
  • Integración – La tecnología wireless trabaja junto y se integra con los sistemas existentes de monitoreo del usuario, como así también con los dispositivos existentes de medición, sin afectar el cableado existente y muchas veces frágil.
  • Acceso a áreas remotas – Areas de difícil acceso, tales como grandes distancias, a través del agua, parques de tanques remotos, terreno montañoso, vías de ferrocarril, equipos rotantes, monitoreo de duchas de seguridad, fugas en trampas de vapor, monitoreo del aire ambiental, etc.
  • Infraestructura expandible – Una infraestructura wireless permite agregar dispositivos adicionales según necesidad con el costo sólo del nuevo dispositivo, a diferencia de instalar un nuevo cable que corresponde a un solo dispositivo más, lo que hace que la tecnología wireless sea claramente a prueba del futuro.
  • Habilitado para IIoT – Usar la información wireless de medición y diagnóstico de dispositivos es ahora digital y puede ser integrada en una interface IIoT o de nube para un análisis rápido y accesible en toda la empresa.

 

Operaciones

  • Costo reducido – Una considerable reducción de costos de instalación, ingeniería y reconversión. 
  • Puesta en marcha más rápida – Menos tiempo de ingeniería e instalación del hardware de soporte requerido (cajas de empalme, bandejas de cables, etc.), lo que permite que la operación retorne rápidamente a producción en lugar de paradas prolongadas.
  • Múltiples opciones de alimentación – Incluyen alimentación con batería, alimentación de línea, alimentación por lazo, solar u otras opciones de recolección de energía.
  • Fácil ajuste – Incorpora funciones automáticas, tales como salto de canal, red de autoconfiguración, auto-recuperación, listas negras, ciberseguridad, intervalos seleccionables de transmisión de dispositivos, etc.
  • Seguridad – El monitoreo wireless puede reducir las rondas de operador y las idas innecesarias a ubicaciones remotas y muchas veces peligrosas, lo que en definitiva contribuye a la seguridad de los empleados.
  • Gestión de activos – La conectividad wireless permite al personal de mantenimiento tunelar dentro de un instrumento inteligente para comunicar información de configuración, calibración o diagnóstico proveniente de dispositivos de medición inteligentes.

 

Prestación

  • Transmisión confiable de datos – Al emplear tecnología estándar de redes, la confiabilidad de la transmisión de datos puede superar 99%.
  • Ciberseguridad – Utiliza encriptación estándar AES de 128 bits, la misma que en las redes de transferencias bancarias.
  • Independencia del sensor – La mayoría de los dispositivos no wireless existentes pueden ser convertidos a wireless usando sus salidas 1 – 5 V, 4 – 20 mA, Modbus y otras.
  • Redes y distancia flexibles – La mayoría de las redes wireless pueden soportar de 100 a 240 dispositivos. La red común de 2.4 GHz con antena estándar cubre aproximadamente 225 m. En cambio, la red de 900 MHz ofrece un alcance de 0,800 - 5 km, que depende de posibles obstrucciones (línea de visión) y ubicación de la antena. Esta distancia puede ser extendida con antenas de larga distancia o maximizando la capacidad de múltiples saltos, ya que un dispositivo también puede ser un repetidor que extiende el alcance de la red.

 

Bandas de comunicación wireless

Sin entrar en demasiados detalles técnicos, a continuación va un resumen de las principales bandas de comunicación wireless.

 

900 MHz

La banda de 900 MHz es muy robusta y tiene una baja atenuación, por lo que puede recorrer grandes distancias. Esta red también puede comunicarse a través de obstáculos como paredes y hormigón (si bien lo mejor es con línea de visión). Una desventaja es su velocidad, ya que la banda no es tan ancha (902 – 928 MHz, o sea 26 MHz), limitando la cantidad de información que puede ser enviada en un determinado momento. A menos que sea necesario transmitir una gran cantidad de datos, por ejemplo voz o video, 900 MHz ha probado ser más que suficientemente rápida para la comunicación confiable de mediciones e incluso algunas aplicaciones de control.

 

2.4 GHz

La banda de 2.4 GHz es popular ya que permite mayores tasas de transmisión de datos que la banda de 900 MHz, al tener un mayor ancho de banda (2.400 – 2.483 MHz, o sea 83 MHz). Los componentes suelen ser más baratos que en las otras dos bandas gracias a su popularidad. Al haber tantos dispositivos que usan la banda de 2.4 GHz, tales como otras redes wireless y microondas, es muy congestionada, lo que significa que algunas veces puede resultar difícil tener una red wireless que se comunique de manera confiable a causa de la fuerte interferencia.

 

5 GHz

La red de 5 GHz no tiene un uso tan frecuente, lo que puede ser bueno ya que hay poca o nada de congestión dentro de esta banda. En consecuencia, es fácil tener una red de 5 GHz con poca o ninguna interferencia. Esta banda, igual que la banda de 2.4 GHz, permite mayores velocidades gracias a un gran ancho de banda y también puede transferir grandes cantidades de datos.

La desventaja es que sufre una fuerte atenuación, que no permite que la red llegue tan lejos como en las otras dos bandas. Este inconveniente puede ser compensado utilizando antenas de alta ganancia.

 

Por qué wireless?
Figura 1. Los dispositivos cableados y wireless se comunican con el gateway que envía información a la nube para monitoreo y análisis.

 

Comunicación directa versus mesh

La comunicación wireless puede usar redes de comunicación directa o mesh. La red de 900 MHz ofrece distancias mucho mayores y una buena penetración, facilitando la comunicación directa desde el dispositivo de medición al gateway receptor. Hay distintas técnicas para extender el alcance de comunicación en ciertas aplicaciones de monitoreo de cañerías.

La instalación y el ajuste se simplifican utilizando una red mesh de autoconfiguración automática, que permite a los dispositivos wireless utilizar dispositivos vecinos para retransmitir o repetir la transmisión hasta llegar al gateway.

El gateway puede estar ubicado en el centro, en un extremo o dondequiera en el área cubierta por la red. El nodo extremo determina automáticamente el mejor camino primario de comunicación o el más fuerte para que la transmisión pueda llevar la señal de manera confiable al gateway.

También quedan determinados los caminos alternos o secundarios, que son actualizados continuamente en caso de una obstrucción o interferencia repentina (figura 1).

En el monitoreo externo de activos, tales como cañerías o pozos de petróleo, que se extienden normalmente sobre varios kilómetros cuadrados, es poco probable que todos los dispositivos wireless puedan alcanzar el gateway asignado.

Pero hay maneras de resolver estos problemas de ubicación o aplicación. Por ejemplo, si los dispositivos se encuentran en una ubicación peligrosa, es posible alimentarlos con baterías y lograr la clasificación de seguridad intrínseca, limitando la distancia de comunicación.

El problema también puede ser resuelto colocando dispositivos de alta potencia y largo alcance (por ejemplo, para una parada remota) en ciertos lugares en la red. Estos dispositivos tienen radios de alta potencia cuando no están en el área peligrosa. Los dispositivos de baja potencia que están en el área peligrosa podrán conectarse al gateway, automáticamente sin configuración, a través de dispositivos de largo alcance en la red mesh. Esta configuración de red es muy robusta y es fácil de implementar.

En definitiva, hay varias opciones de red a considerar, cada una con sus ventajas y desventajas. Una vez tomada la decisión de ir a wireless, el tema se reduce a unos pocos ítems: aplicación, distancia de medición, velocidad requerida, cantidad de datos y soporte del proveedor.

 

Mitos

La tecnología wireless ya tiene muchos proveedores en sus más de 25 años de vida. Pero con el tiempo, también se han propagado muchos mitos acerca de esta tecnología. A continuación se describen algunos y cuáles son los hechos reales a tener en cuenta:

  • La tecnología wireless es costosa – No tiene que ser costosa. Las soluciones de hoy en día cubren una amplia gama de opciones que van desde muy costosas hasta muy accesibles, con lo que los usuarios podrán seleccionar la mejor solución para sus necesidades específicas.
  • Si selecciona una cierta solución, el usuario está atado a los productos de un solo proveedor – Muchas soluciones wireless ofrecen opciones que permiten el uso de productos cableados existentes que son independientes del proveedor, tales como 4 – 20 mA, Modbus y otros, para comunicar sus mediciones en una red wireless, lo que tiene un costo económico y les brinda a los usuarios la libertad de elegir el mejor producto para su aplicación.
  • Todos los productos deben usar baterías – ¡No es cierto! Los dispositivos wireless tienen muchas opciones de alimentación, tales como batería, alimentación de línea, alimentación por lazo, solar y otras soluciones de recolección de energía.
  • Las baterías no duran mucho tiempo – Depende de la aplicación y de la tasa de actualización. La mayoría de los dispositivos wireless pueden ser configurados para comunicarse cada segundo o cada hora, extendiendo así la vida de la batería de 1-2 años a 5 -10 años.
  • Wireless no es seguro – El uso de encriptación AES de 128 bits estándar hace que la información comunicada sea segura y cibersegura. Es el mismo estándar de encriptación que se usa en bancos para la transferencia wireless de dinero y transacciones.
  • Las redes wireless son difíciles de configurar – La mayoría de las redes wireless son autoconfigurables y auto-regenerables. Se procede simplemente a configurar e instalar un dispositivo de medición como normal, se selecciona el tiempo de actualización, se aplica alimentación y el nodo encuentra el gateway directamente o a través de un dispositivo vecino.

 

Por qué wireless?
Figura 2. El monitoreo de cañerías cubre grandes distancias, múltiples mediciones y entornos exigentes.

 

Soluciones de telemetría wireless

SignalFire Remote Sensing System es una red wireless robusta de gran alcance diseñada para monitoreo y control remoto en entornos exigentes al aire libre. El sistema trabaja con medidores de nivel, presión, temperatura y caudal, además de ofrecer control de activos críticos, tales como válvulas, transmisores de presión y temperatura, bombas, ventiladores, calentadores y otros dispositivos.

El sistema SignalFire puede aportar tanto comunicaciones como alimentación  a sensores existentes, lo que hace que la aplicación sea realmente wireless. Hay una gran variedad de sensores compatibles, tales como 4 – 20 mA, 1 – 5 V, Modbus, HART, Digital IO, y otras interfaces analógicas y digitales.

 

Conclusión

A la hora de enfrentarse con la necesidad de datos de medición adicionales por distintas razones, tales como nuevas regulaciones, una mejor seguridad, una mayor confiabilidad, una transformación digital o una mejor prestación, en lugar de tratar de justificar la instalación de más cable, piense en los beneficios de negocio que puede aportar una red de monitoreo wireless.

 

Preparado en base a una presentación de Sandro Espósito, de SignalFire. En la Argentina: Esco Argentina S.A.

IO-Link: Cada vez más aplicaciones

 

Desde almacenamiento de parámetros hasta tener diagnósticos detallados, las características avanzadas y la funcionalidad de IO-Link han generado un gran optimismo. Sin embargo, también han dado lugar a un concepto equivocado bastante común de que sus capacidades avanzadas son la única razón para implementar esta tecnología.

El principal objetivo de IO-Link es mejorar las capacidades de comunicación de sensores o dispositivos a nivel de campo por medio de una interface estandarizada. Este objetivo es importante no sólo en instalaciones u operaciones complejas, sino también en aplicaciones más sencillas, que se pueden encontrar en numerosos sistemas automatizados.

Normalmente, IO-Link es implementado para mejorar funciones esenciales, tales como procesamiento de datos, pero también permite alcanzar una mayor densidad de E/Ss, estandarizar la tecnología de interface y mejorar prestaciones en comparación con los sistemas tradicionales de E/Ss.

Si bien ahora es posible implementar esta tecnología en los más modernos sistemas automatizados de control, no todas las aplicaciones son ideales para esta solución, de modo que es importante comprender claramente sus capacidades y también sus limitaciones.

 

IO-Link

IO-Link es un protocolo de comunicación punto a punto entre un dispositivo de campo, por ejemplo sensor, actuador o hub de E/Ss, y un maestro IO-Link. Por lo general, los datos son transmitidos desde el dispositivo maestro IO-Link a través de un protocolo de comunicación fieldbus de mayor nivel (Ethernet industrial o fieldbus serie) a un PLC o computadora industrial.

IO-Link es independiente del fabricante y del fieldbus, lo que facilita su implementación con una gran variedad de protocolos de fieldbus de mayor nivel y plataformas de productos. Esto significa una gran ventaja, ya que permite estandarizar en una sola interface de sensores, facilitando la integración uniforme de un gran número de dispositivos a nivel de campo. IO-Link se convierte en una herramienta unificada para configurar dispositivos sensores complejos y/o simplemente comunicar datos de vuelta al PLC.

IO-Link también permite reducir costos en cableado y conectores especiales, ya que los datos de proceso son transmitidos digitalmente.

En los sistemas analógicos, los componentes de conectividad deben ser robustos para eliminar interferencia. En cambio, IO-Link está estandarizado y utiliza cables M12 de 3 conductores sin blindaje de bajo costo, lo que facilita su integración en un sistema de mayor tamaño, ya que un solo tipo de cordset puede reemplazar varios cables analógicos y propietarios. Su ventaja económica crece con la complejidad de un sistema, especialmente en aplicaciones con una alta densidad de E/Ss.

Otra ventaja importante de IO-Link es el comisionamiento y el reemplazo simplificados de dispositivos complejos de E/S. Los datos de configuración y parámetros de los dispositivos IO-Link pueden ser visualizados, cambiados y almacenados mediante herramientas de configuración de software simples de usar o directamente a través del PLC. Esto reduce la configuración manual, que insume mucho trabajo, y garantiza que, en todo momento, se programan los parámetros correctos en los dispositivos.

Por su parte, la función de almacenamiento de parámetros del maestro IO-link simplifica aún más la configuración de nuevos dispositivos durante un cambio, ya que lleva automáticamente los datos de parámetros almacenados al dispositivo recién conectado.

También se puede recurrir a IO-Link para mejorar la calidad de los datos.

Como interface de comunicación digital universal, IO-Link representa lo que tradicionalmente podría transferirse como datos analógicos o discretos. En los sistemas analógicos, los datos recolectados a nivel de sensor deben atravesar por múltiples conversiones analógico a digital antes de llegar al PLC. IO-Link reduce el número de conversiones a una en el mismo sensor, limitando así las pérdidas de exactitud.

 

IO-Link: Cada vez más aplicaciones
Con su interface IO-Link, los sensores capacitivos serie BCT de Turck ofrecen, además de parámetros, información de diagnóstico.

 

Funciones avanzadas de IO-Link

Las funciones avanzadas incluyen almacenamiento de parámetros, verificación de dispositivos, diagnósticos avanzados de sensores, acceso acíclico a parámetros de lectura/escritura y tags específicos a una aplicación.

Estas funciones ofrecen características únicas y conocimientos adicionales en cuanto al estado y la salud de los dispositivos de campo. Sin embargo, se requiere más tiempo y programación para acceder a estas ventajas; por lo tanto, es importante que una empresa esté en condiciones de soportar la complejidad inherente de estas funciones antes de su implementación.

  • Almacenamiento de parámetros – IO-Link almacena parámetros. Cuando un dispositivo de reemplazo se conecta al sistema, IO-Link carga automáticamente los parámetros correctos, lo que facilita la instalación y la programación.
  • Verificación de dispositivos – Cuando se reemplaza un dispositivo, IO-Link puede verificar que el reemplazo sea el producto correcto. Esto es de gran utilidad cuando hay sensores o hubs físicamente similares pero con distintas capacidades. La verificación puede incluir tipo de dispositivo, fabricante o incluso número de serie.
  • Diagnósticos avanzados de sensores – IO-Link permite leer información adicional sobre historial y salud de un sensor en una aplicación. En el caso de un sensor rotativo sin contacto, por ejemplo, los datos pueden ir más allá de las lecturas de posición para detectar una señal debilitada de modo que se pueda programar un mantenimiento preventivo.
  • Acceso acíclico a parámetros de lectura/escritura – Ya que IO-Link es una interface de comunicación digital, ofrece la posibilidad de leer y escribir parámetros desde dispositivos de fieldbus de mayor nivel, tales como PLCs. Esto le da control total del dispositivo IO-Link al controlador de fieldbus.
  • Tags específicos a la aplicación – IO-Link les brinda a los usuarios la capacidad de leer y escribir una tira de valores a un objeto definido con un ‘tag específico a la aplicación" dentro de un dispositivo IO-Link, lo que mejora la identificación de dispositivos dentro de un sistema. Esto resulta de utilidad, por ejemplo, en una aplicación con cambio de herramientas para identificar y verificar el uso de las herramientas correctas.

 

IO-Link como respuesta a desafíos de aplicación

IO-Link se puede utilizar en una amplia gama de aplicaciones de automatización, donde brinda beneficios incluso en la más simple de las implementaciones. Estos beneficios aumentan con la complejidad del sistema de automatización y el número de nodos IO-Link instalados.

La gran cantidad de aplicaciones de IO-Link hace imposible encontrar una solución única para todos, de modo que las aplicaciones que se describen a continuación sirven para identificar los beneficios que puede aportar IO-Link.

 

DESAFIO

Ante necesidades de E/Ss que cambian, las opciones de actualización del PLC pueden resultar inflexibles o limitadas en densidad de E/Ss.

Los puntos de E/S pueden ser costosos a la hora de actualizar o adquirir un PLC. Al implementar nodos fieldbus con un maestro IO-Link, se pueden combinar sensores, actuadores o hubs compatibles con IO-Link según necesidad para conformar sistemas de E/Ss mixtas o de alta densidad sin tener que modificar las capacidades del PLC.

 

DESAFIO

Se debe actualizar un sistema analógico, pero su actualización es demasiado costosa.

Muchos utilizan IO-Link como interface para reemplazar la tecnología ya existente de sensores analógicos. IO-Link genera una señal universal desde lo que tradicionalmente serían sistemas analógicos, serie o discretos, logrando una mayor flexibilidad y ahorros de costo cuando se instalan sensores y maestros IO-Link. La tecnología de microprocesador ofrece una exactitud digital de 16 bits a través de IO-Link, lo que significa una mayor precisión si se compara con la exactitud de 8 a 16 bits de los dispositivos analógicos tradicionales.

Además de una mejor calidad de la señal, IO-Link también ofrece la posibilidad de transmitir simultáneamente información de estado y diagnóstico sin sacrificar la exactitud de los datos. Esto permite extender los diagnósticos hasta el nivel de dispositivos de campo, lo que no se puede lograr usando señales analógicas estándar.

 

DESAFIO

Los costos del sistema suben a causa de una integración complicada de los dispositivos.

Los productos IO-Link simplifican la integración al consolidar señales de sensor, cables y programación. Los sensores analógicos tradicionales tienen distintos pinouts y requieren un cableado diferente en cada aplicación; en cambio, los sensores IO-Link sólo requieren cables M12 estándar de 3 conductores sin blindaje.

IO-Link también puede reducir en gran medida la complejidad del cableado en una aplicación. Por ejemplo, cuando un producto rota por múltiples estaciones, un sensor en cada estación verifica que se haya realizado la acción previa. Para actualizar la aplicación, el usuario puede desplegar sensores IO-Link con acoplamiento inductivo, conectados a un bloque de E/S.

De esta manera, se pueden enviar 16 señales de sensores digitales al PLC usando un solo cable de señal para comunicación.

 

DESAFIO

Las necesidades tecnológicas crecen, pero no hay espacio en la operación.

IO-Link es una tecnología avanzada que puede revelar datos en aplicaciones sin instalar componentes adicionales. Los sensores con IO-Link, por lo general, son físicamente idénticos a los sensores que no lo tienen, gracias al microprocesador incorporado de los sensores, lo que permite reemplazar dispositivos sin necesidad de espacio adicional.

Los dispositivos maestros IO-Link están disponibles en dos formatos, con opciones y flexibilidad que no dependen de los requerimientos físicos de una instalación. Algunos son sistemas de E/Ss en bloque, por lo general con cuatro u ocho puertos maestros. Otros son sistemas de E/Ss modulares, que permiten incorporar un número considerable de puertos maestros IO-Link en un solo nodo de E/Ss remotas.

 

DESAFIO

IO-Link suena como algo grande pero todavía no se está en condiciones de adoptarlo por completo.

A prueba del futuro es una ventaja clave de IO-Link. Muchos dispositivos IO-Link pueden operar con conmutación estándar o dispositivos analógicos cuando están conectados a dispositivos fieldbus de E/Ss estándar.

La ventaja de los dispositivos IO-Link es que su configuración se simplifica usando herramientas de software para leer, escribir o almacenar configuraciones de sensores. Esto puede facilitar la transición de dispositivos de E/S estándar a IO-Link expandiendo su curva de aprendizaje. Además, estos dispositivos pueden ser conmutados para usar IO-Link simplemente conectándolos a un nodo de fieldbus maestro IO-Link.

 

IO-Link: Cada vez más aplicaciones
Sensor de caudal FS+ compacto de Turck con IO-Link. También puede medir continuamente la temperatura del medio. No importa la forma en que está alineada la sonda en la cañería.

 

Limitaciones de IO-Link

Si bien IO-Link ofrece numerosas ventajas en un gran número de aplicaciones industriales, hay situaciones donde las soluciones que ya existen responden mejor.

Por ejemplo, hay aplicaciones autónomas sencillas que quizás no se beneficien tanto de las características de IO-Link. Si la solución que ya está tiene las capacidades de datos y operacionales que el usuario necesita, es probable que no consiga un gran beneficio pasando a IO-Link.

Las aplicaciones que requieren sensores especiales son otro ejemplo, ya que IO-Link todavía no llega a todos los sectores. La solución existente puede llegar a ser mejor si el usuario obtiene los datos que necesita.

Otras dos limitaciones de IO-Link son el tiempo de actualización y el tamaño de los datos de proceso. Con velocidades de actualización de 2,3 ms o más, IO-Link normalmente no es lo suficientemente rápido para aplicaciones de alta velocidad o control de movimiento. La tecnología tampoco puede procesar grandes cantidades de datos ya que los datos de proceso de entrada y salida disponibles están limitados a 32 bytes. Por ejemplo, el volumen de datos de las aplicaciones de RFID muchas veces superan las capacidades de IO-Link incluso sin múltiples operaciones de lectura/escritura y memoria intermedia.

Implementar funciones IO-Link avanzadas a nivel de fieldbus y PLC aumenta la complejidad del sistema y el tiempo de programación. En este caso, los costos de trabajo y componentes pueden llegar a sobrepasar los beneficios que ofrece este nivel de implementación si hay que realizar costosas actualizaciones de sistema para conseguir tan sólo pequeñas ganancias en cuanto a funcionalidad o datos.

Las empresas deberán examinar costos de hardware, costos de reemplazo de dispositivos y el proceso de instalación a la hora de evaluar la posibilidad de pasar a IO-Link.

 

IO-Link: Cada vez más aplicaciones

 

El futuro de IO-Link

IO-Link es una tecnología probada que permite extraer más información de dispositivos de bajo nivel en los entornos de manufactura. Al comunicar datos digitalmente desde sensores de vuelta al PLC, esta tecnología ahorra en costos de cableado y tiempo de integración, además de aumentar la cantidad de E/Ss disponibles.

Hoy en día, cuando el número de dispositivos IO-Link instalados ha llegado a millones en la última década, las nuevas actualizaciones apuntan a liberar más capacidades. Una de las mayores actualizaciones de IO-Link data de 2017, cuando IO-Link Community presentó su especificación para IO-Link Safety.

El nuevo estándar ha abierto la puerta al futuro de IO-Link en las aplicaciones industriales. Nuevos dispositivos de E/S de seguridad comunicarán señales de seguridad directamente sobre IO-Link, lo que llevará las ventajas de IO-Link a los sistemas de seguridad funcional gracias a la posibilidad de instalar hubs de E/Ss de seguridad de alta densidad, simplificar el cableado y permitir la implementación de sensores de seguridad más complejos.

IO-Link también seguirá siendo importante en el mundo de IIoT. A la hora de conectar todas las áreas de una planta en pos de datos en tiempo real, conocimientos y analítica, IO-Link podrá comunicar de manera confiable exactamente lo que ocurre a nivel de dispositivo. Para las empresas, es una manera de prepararse para IIoT…

 

Preparado en base a un documento de Turck. En la Argentina, Aumecon S.A.

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.

La ejecución de proyectos utilizando un entorno virtual altamente integrado de sistema de control de procesos combina software y redes para desacoplar las aplicaciones de control de los equipos físicos, y los controladores de las E/Ss físicas, lo que reduce el costo de capital, genera estandarización y elimina trabajo sin valor agregado.

 

El mundo está cambiando a un ritmo sin precedentes, lo que explica que las tecnologías de control de procesos hayan respondido adoptando principios de ejecución de proyectos Lean, software y redes para desacoplar las aplicaciones de control de los equipos físicos, y los controladores de las E/Ss físicas.

Los diseños modulares permiten que múltiples controladores puedan formar un controlador virtual. Tales tecnologías, que se usan en una economía global conectada, permiten que las decisiones de negocio sean ágiles y exactas.

Los procesos deben ejecutarse con rapidez y eficiencia, mientras los proyectos deben completarse a tiempo y dentro del presupuesto. Dentro de este contexto, los operadores deben reaccionar a circunstancias cambiantes con una confianza basada en datos disponibles y precisos.

La tecnología debe promover el éxito, no obstaculizarlo. Hay pocos entornos tecnológicos que sean más complejos que los que requieren los sistemas de control industrial. Estos entornos deben incorporar funciones críticas, que incluyen ciberseguridad, redundancia, redes de alta velocidad y operaciones determinístiucas, de modo que los usuarios puedan controlar instalaciones de proceso de seguridad crítica con los más altos niveles de confiabilidad.

Los sistemas de control han estado en las industrias de procesos desde hace más de 30 años. Al día de hoy, estas industrias tienen la oportunidad de reducir el costo de capital pasando de personalización a estandarización y eliminando cantidades considerables de trabajo sin valor agregado. En el caso de sistemas ya instalados, las mejoras en las operaciones permiten convertir datos en conocimiento y transformar el conocimiento en una acción más precisa.

En definitiva, la industria de procesos tiene la oportunidad ahora de ejecutar proyectos en menos tiempo y con un menor riesgo mientras va mejorando la producción, la calidad y la confiabilidad de las operaciones.

Dentro de este contexto, décadas de implementaciones y colaboración con los usuarios han permitido determinar claramente cuáles son los puntos críticos que impiden tener eficiencia en un proyecto y limitan la posibilidad de alcanzar y sostener las mejores en las operaciones. Para superar estos obstáculos, se puede hablar de una nueva manera de implementar y operar sistemas de control integrando un entorno virtual.

 

Vientos de cambio en el diseño de sistemas de control
Ejecución de un proyecto con una nueva generación de sistemas de control: Honeywell Experion PKS HIVE (Honeywell Integrated Virtual Environment). Utiliza principios de ejecución de un proyecto Lean, software y redes para desacoplar las aplicaciones de control de los equipos físicos, y los controladores de los dispositivos de E/S físicos. El diseño modular permite que múltiples controladores puedan formar un solo controlador virtual.

 

Proyectos Lean de automatización

La automatización puede ser implementada aplicando métodos de ejecución Lean en proyectos de automatización. Tal estrategia elimina las dependencias tradicionales que solían forzar que los flujos de un proyecto sean secuenciales combinando dispositivos de E/S universales, virtualización, ingeniería virtual y comisionamiento automatizado.

Procediendo de esta manera, se separa el diseño físico del diseño funcional, quedan eliminadas dependencias de tareas, se utilizan diseños estandarizados y se consigue que la ingeniería pueda estar en cualquier lugar en el mundo, lo que hace bajar claramente el riesgo y el costo.

 

Menos complejidad, diseño modular

Las nuevas generaciones de tecnologías de sistemas de control utilizan principios de ejecución de proyectos Lean, software y redes para desvincular las aplicaciones de control de los equipos físicos y los controladores de las E/Ss físicas. Esto permite implementar los sistemas de control en menos tiempo, con un menor costo y riesgo,y con construcciones modulares más simples, lo que transforma la manera en que se mantienen los sistemas de control. Se pasa de una gestión diaria de servidores a un centro de datos centralizado, donde expertos y protocolos ya establecidos podrán mitigar el riesgo de ciberseguridad, permitiendo que los ingenieros de planta puedan enfocarse más proactivamente en la optimización del sistema de control.

Eliminando la complejidad, desacoplando el control de la plataforma física y reduciendo los costos de informática, se consigue remover los obstáculos que impiden simplificar el diseño, la implementación y la gestión del ciclo de vida de un sistema de control en las operaciones de un proyecto.

 

Diferencias de arquitectura

Mover las E/Ss al campo acerca el control de proceso a las unidades de producción.

En este sentido, hoy en día, los centros de control se ven abarrotados con gabinetes de sistema personalizados conteniendo enormes cantidades de cableado con poca documentación. Distribuir el sistema de control más cerca de los equipos de proceso se traduce en mayores ahorros de proyecto con una menor cantidad de cables y de horas de ingeniería en un espacio más pequeño.

Algunas instalaciones han implementado estrategias de E/Ss remotas para reducir los costos de proyecto, pero también hay otras ventajas inherentes, tales como ejecución de proyectos modular y en paralelo.

Para llegar a una nueva clase de beneficios, piense en una red de E/Ss de campo Ethernet de alta velocidad que conecte controladores a E/Ss universales montadas en las áreas de producción. Dichas comunicaciones deberían ser ciberseguras con un firewall incorporado y mejorado con tecnologías de encriptación donde sea necesario, mientras se utiliza una tecnología capaz de manejar el inevitable aumento en la cantidad de datos sensados.

 

Ventajas de la nueva arquitectura

1.- La capacidad de descubrimiento de las E/Ss universales permite que un controlador pueda acceder a cualquier módulo de E/S y canal conectados. El método tradicional de comunicación del controlador con las E/Ss requiere la conexión física directa uno a uno entre el controlador y el gabinete de E/Ss. La E/S en red elimina una cantidad considerable de planificación y trabajo manual. El diseñador del sistema implementa la estrategia de control y la asigna a un controlador que encontrará su correspondiente E/S, lo que disminuye las tareas de planificación e ingeniería de un proyecto.

2.- La capacidad de control disponible permite usar una opción simple de software para entregar control redundante con un desempeño de alta velocidad. Como subconjunto de un controlador de proceso, estas capacidades aportan control regulatorio, secuencial y lógico, eliminando la necesidad de una complicada integración de subsistemas.

3.- Un punto de acceso wireless universal provee comunicación cableada o inalámbrica a instrumentos de campo y permite que las E/Ss de campo sean un punto de acceso wireless, si es necesario. Esto permite a los operadores de campo ejecutar procedimientos digitales con acceso en vivo a datos del sistema de control durante el comisionamiento  y operaciones.

4- El comisionamiento modular de los gabinetes de E/Ss es independiente del sistema de control. Gracias a esta capacidad, los controladores pueden correr en una laptop, ser instalados en un gabinete remoto y realizar un conjunto de actividades de comisionamiento como si estuviera conectado al resto del sistema de control, lo que equivale a flexibilidad.

Todas estas capacidades combinadas aportan una importante ingeniería, que permite ejecutar un proyecto en menos tiempo y con un menor riesgo. Por ejemplo, el hecho de eliminar el riesgo y el retrabajo inherentes a cambios de último momento, evita que la automatización se convierta en un camino crítico (un cuello de botella hasta su finalización). Agregar una nueva E/S como resultado del cambio extiende la red del sistema de control sin necesidad de cambios complicados en el sistema de control.

 

Distribuir el sistema de control más cerca de los equipos de proceso se traduce en ahorros de proyecto con menos cables y horas de ingeniería en un espacio más reducido.

 

Un solo controlador virtual

La ingeniería de control tradicional durante un proyecto requiere una planificación meticulosa, ya que responde a un concepto jerárquico rígido definido por relaciones físicas entre controladores y E/Ss. Las ineficiencias, el retrabajo y el riesgo se materializan durante los cambios de último momento aparentemente inevitables en lo que hace a E/Ss o controles, lo que requiere la reconfiguración física del sistema.

Al permitir que los múltiples controladores físicos aparezcan como un solo controlador virtual, la arquitectura de control se convierte en un centro de datos del controlador, donde la carga de controles de proceso puede ser balanceada automáticamente entre los recursos informáticos disponibles del controlador. Las ventajas son muy importantes, en especial cuando se aplican al procesamiento de cambios de último momento, lo que evita tener que asignar manualmente estrategias de control a controladores específicos.

 

Recorte de los costos informáticos en control de procesos

La tecnología de virtualización reduce los costos de informática al eliminar la cantidad de nodos IT físicos en hasta un 80%. Sin embargo, aun en estos casos, se puede seguir operando con una infraestructura de IT por razones de confiabilidad. Usando virtualización también disminuyen los costos del ciclo de vida, ya que se pueden replicar archivos de máquinas virtuales externas a nivel local.

Esta arquitectura tolerante a fallas, al desprenderse de la mayor parte de la infraestructura informática de un control de proceso, acepta operaciones centrales, eliminando los costos asociados con una infraestructura informática de sistema de control implementada en cada instalación. Esta arquitectura tiene el mismo nivel de alta confiabilidad esperada en un control de proceso crítico.

Este método de consolidación de múltiples sitios hace posible implementar una estandarización que es un aspecto crítico a la hora de mantener la infraestructura informática de control de procesos. ¿El resultado? Los ingenieros de control de procesos pueden enfocarse en optimización en lugar de realizar tareas administrativas.

 

Comisionamiento más rápido

Una arquitectura distribuida virtual cambia la forma de asignar dispositivos a módulos de E/S, estrategias de control a controladores y recursos informáticos a servidores. Por ejemplo, en lugar de tender físicamente cables de fibra óptica desde una sala de control central a la hora de agregar un gabinete de campo, se puede agregar el gabinete a la nueva arquitectura y aprovechar el descubrimiento de E/Ss universales.

Los procesos tradicionales requieren un rebalanceo del control o mover estrategias de control y módulos de E/S asociados con un recomisionamiento de los dispositivos. Compare las diferencias en estos tres escenarios de cambios de último momento con lo que ofrece la nueva plataforma:

  • Agregar un gabinete a la arquitectura;
  • Agregar otro controlador a la arquitectura;
  • Cargar nuevas estrategias de control.

Menos trabajo acelera la velocidad y la eficiencia del proyecto al desacoplar la asignación de módulos de E/S y estrategias de control desde controladores específicos. Este novedoso concepto se traduce en una nueva generación de beneficios.

 

Preparado en base a una presentación de Jason Urso, vicepresidente y CTO de Honeywell Process Solutions.

Lo aprendido de la radiodifusión FM y AM se puede aplicar a la medición de nivel en tanques para conseguir una mejor prestación en aplicaciones exigentes.

 

La modulación de frecuencia puede mejorar la medición de nivel por radar
Figura 1. Los nuevos instrumentos de nivel FMCW son compactos y pueden operar en un lazo de dos hilos 4-20 mA estándar. También hay modelos con certificación de seguridad.

 

En 1933, el norteamericano Edwin Armstrong demostraba una nueva tecnología que habría de transformar la radiodifusión: transmisiones con modulación de frecuencia (FM) capaces de brindar un sonido de mayor fidelidad y menos interferencia que la modulación de amplitud (AM). Con el tiempo, la radiodifusión FM se convirtió en un estándar para radio y televisión  con un formato que se usa en las comunicaciones wireless digitales de hoy en día. AM sigue estando pero FM es una clara preferencia en la mayoría de las aplicaciones.

Hay distintas manera de incorporar FM en una gran variedad de aplicaciones, lo que incluye radar para medición de nivel en tanques. El radar básico aprovecha la capacidad de una onda electromagnética de rebotar en distintas superficies, incluyendo líquidos. La medición del tiempo que insume una señal para viajar a la superficie de un líquido, reflejarse y regresar al dispositivo instalado en la parte superior del tanque, permite calcular la distancia recorrida y, por lo tanto, el nivel del líquido en el tanque.

Este es el principio de funcionamiento tanto de la medición de nivel por radar sin contacto (NCR) como por radar de onda guiada (GWR). Los instrumentos de nivel por radar ofrecen una medición de arriba hacia abajo, directa, exacta y confiable de la distancia a la superficie de líquidos, suspensiones, lodos e incluso algunos sólidos.

GWR transmite un pulso hacia abajo a través de una sonda de guía de onda (figura 2), que puede extenderse hasta el fondo del tanque. Esto guía el pulso y permite concentrar la reflexión, de modo que no se vea afectada por los objetos que podrían estar dentro del tanque y causar una reflexión no deseada. El inconveniente es la posibilidad de que la sonda interfiera con objetos en movimiento, por ejemplo un agitador.

La tecnología NCR (figura 3) envía una señal a través del espacio abierto de un tanque hacia la superficie del producto almacenado. Al no tocar el contenido, la medición no se ve afectada por condiciones de proceso, tales como densidad, viscosidad, conductividad, recubrimiento y vapor.

También es una alternativa ideal para tanques con objetos en movimiento, productos corrosivos, amplio rango de temperaturas y condiciones difíciles de presión, ya que la exactitud de la medición no se ve afectada en absoluto. Con capacidades de diagnóstico incorporadas, su comisionamiento directo y sin la presencia de partes en movimiento, los instrumentos NCR ofrecen facilidad de uso y requieren poco mantenimiento.

 

La modulación de frecuencia puede mejorar la medición de nivel por radar
Figura 2. GWR envía un pulso hacia abajo a través de una guía de onda para minimizar la disipación de la señal.

 

Llegó la era de FMCW

Dado que la distancia desde un instrumento de radar a la superficie del contenido de un tanque podría ser un poco más de 0,3 – 0,6 metros, el tiempo que requiere el pulso para viajar es virtualmente instantáneo. Obtener una medición exacta de algo tan rápido implica cierta ingeniería inteligente.

NCR utiliza uno de dos métodos: pulsos u onda continua modulada en frecuencia (FMCW). GWR usa pulsos, pero la señal más enfocada que se consigue con la guía de onda se traduce en características operativas diferentes a NCR.

Los sistemas de pulsos utilizan expansión en tiempo para convertir estos intervalos extremadamente cortos a una escala de tiempo más lenta. El eco de una superficie contiene decenas de miles de cortos pulsos de radar transmitidos desde el instrumento en la parte superior del tanque y dirigidos directamente al material de proceso que está abajo. El instrumento mide el retardo de tiempo entre la señal de eco transmitida y recibida, y un microprocesador incorporado calcula luego la distancia a la superficie del material y, en consecuencia, mide el nivel.

FMCW utiliza el mismo concepto de señal reflejada pero lo aplica de manera diferente. En lugar de medir el tiempo de vuelo de un pulso específico, un instrumento FMCW transmite una señal continua desde la antena en la parte superior del tanque, pero con una frecuencia que cambia constantemente (figura 4). Una vez reflejada la señal por la superficie del contenido, el eco es captado por la antena. Puesto que la señal transmitida varía constantemente en frecuencia, el eco tiene una frecuencia levemente diferente a la de la señal que se transmite en ese momento. La diferencia entre estas frecuencias es directamente proporcional al retardo del eco, lo que permite medir exactamente la distancia.

La comparación entre estos dos conceptos es similar a la radiodifusión AM versus FM. Los sistemas de pulsos se parecen más a AM, ya que la señal es más susceptible a interferencia proveniente de distintas fuentes, tales como estructuras internas de un tanque, espuma, altas concentraciones de vapor y turbulencia. Por ejemplo, si la turbulencia es importante, un pulso puede llegar a dispersarse y perderse por completo debido a una pobre reflexión. El instrumento podría asumir incorrectamente que la reflexión del siguiente pulso es el pulso perdido, pero con un tiempo de retorno muy posterior, lo que equivale a leer una distancia mayor que la real. La exactitud de la medición también se ve afectada por cualquier deriva de la frecuencia del pulso e incluso por la temperatura dentro del tanque.

FMCW captura la información de la variable de proceso en el dominio de frecuencia, lo que soporta una conversión de señal más exacta. Su procesamiento de señal puede ignorar las fuentes de interferencia comunes. Además, FMCW ofrece una mayor sensibilidad de recepción y utiliza señales de mayor intensidad que los sistemas de pulsos, lo que le permite desempeñarse mejor en situaciones difíciles con turbulencia y espuma.

 

La modulación de frecuencia puede mejorar la medición de nivel por radar
Figura 3. NCR minimiza su extensión en el tanque y no toca el producto.

 

Todavía se usan ambas tecnologías: pulsos y FMCW

De la misma forma que la radio FM no ha eliminado la AM, todavía hay muchos instrumentos de radar con tecnología de pulsos. ¿Por qué no han sido reemplazados por FMCW?

La tecnología FMCW no es nueva; de hecho, existe desde hace décadas y sus ventajas tecnológicas han sido reconocidas desde el principio. La razón por la que quedan tantos instrumentos de pulsos tiene que ver en gran medida con el consumo de energía. Los instrumentos de pulsos son eficientes y permiten que los instrumentos GWR que usan WirelessHART puedan operar durante años con baterías.

En cuanto a FMCW, por definición, se suponía que eran dispositivos grandes y voluminosos de cuatro cables que consumían, al menos según los estándares de instrumentación, mucha energía. Si una fuente de alimentación no era conveniente, muchos usuarios se quedaban con instrumentos de pulsos a menos que alguna condición del proceso exigiera algo más sofisticado.

Pero esta situación ha cambiado. Al igual que muchos dispositivos electrónicos, los instrumentos FMCW ya son mucho más pequeños y más eficientes con una mejor utilización de la energía. Es por eso que los instrumentos de dos hilos FMCW NCR (figura 1) tienen cada vez más aceptación.

 

La modulación de frecuencia puede mejorar la medición de nivel por radar
Figura 4. La capacidad de FMCW de usar el cambio de frecuencia para determinar la distancia evita los problemas que pueden afectar las mediciones con pulsos.

 

Aplicaciones donde brilla FMCW

 

Espuma

Los líquidos con espuma pueden alterar la reflexión del eco, y es difícil predecir cómo interfiere con una medición exacta, ya que depende en gran medida de las propiedades de la espuma. Hay espumas que pueden amortiguar por completo la señal, mientras otras pueden ser transparentes.

El espesor, la densidad y la constante dieléctrica son factores clave que es necesario analizar. La espuma seca tiende a ser transparente, por lo que el instrumento lee la superficie real del líquido. Si la espuma es húmeda o especialmente densa, las microondas suelen reflejarse desde la superficie de la espuma, en cuyo caso lo que se ve como nivel es la parte superior de la espuma.

Los más recientes instrumentos FMCW incorporan una función de superficie dual, que le permite al usuario seleccionar la superficie de la capa de espuma o la superficie del producto subyacente como salida. Con esta función se puede medir la superficie del producto y no la capa de espuma.

FMCW tiene una mayor sensibilidad de recepción y utiliza señales de mayor intensidad que los sistemas de pulsos, por lo que funciona mejor en situaciones difíciles donde puede haber turbulencia y espuma.

 

Condensación

La tecnología FMCW, por lo general, no se ve afectada por condensación y vapor de baja presión, pero sí por una condensación intensa en la antena. En este caso, conviene purgar el aire para prevenir la obstrucción de la antena.

En aplicaciones de alta temperatura, se recomienda montar el transmisor en un tanque aislado. El aislamiento evita que la boquilla se convierta en un punto frío, provocando condensación y acumulación de líquido en la antena.

 

Tanques de almacenamiento, compensación y mezcla

La tecnología FMCW ofrece mediciones de nivel altamente confiables y exactas cuando se la aplica en recipientes tanto metálicos como no metálicos con cualquier líquido, incluyendo petróleo, gas condensado, agua o productos químicos. Estos transmisores no tienen partes en movimiento y no entran en contacto con el producto, lo que reduce el mantenimiento y mejora la seguridad. Si hay agitadores, se dispone de instrumentos FMCW que usan software para ver ecos falsos pasados para que la exactitud de la medición no se vea afectada.

 

Reactores

Las reacciones químicas pueden generar una variedad de condiciones dentro de los tanques, dando origen muchas veces a vapores, espuma y turbulencia, mientras la densidad puede variar como parte de la reacción y la presión ir desde vacío a presión positiva. Los instrumentos FMCW pueden soportar estos factores y ofrecer una medición exacta y confiable.

 

Vainas

Cuando el contenido de un tanque es turbulento, a causa de agitación, mezcla de productos o salpicaduras, puede quedar interrumpida la señal de retorno. Agregar una vaina reduce este efecto al aislar la superficie y bajar la turbulencia. En estos casos, por lo general, se utiliza GWR, pero los instrumentos FMCW también pueden ofrecer lecturas exactas dentro del espacio confinado de la vaina.

 

Conclusión

Las dos técnicas principales de modulación en instrumentos NCR (pulsos y FMCW) son eficaces pero, por su mayor sensibilidad y exactitud, FMCW resulta adecuada para aplicaciones exigentes. Los instrumentos FMCW de hoy en día son más compactos y ofrecen una alta eficiencia energética, lo que les permite operar con la baja alimentación suministrada por un lazo de dos hilos, lo que elimina la necesidad de una infraestructura de alimentación adicional.

 

Preparado en base a una presentación de Ingemar Serneby, de Rosemount Tank Radar, Emerson Automation Solutions.

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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