Autonomía industrial: El amanecer de una nueva era en las industrias de procesos

Teóricamente, las nuevas tecnologías permitirán que dispositivos, equipos, negocios y sistemas de producción, o incluso toda la planta, operen de manera autónoma.

 

Autonomía industrial:  El amanecer de una nueva era en las industrias de procesos

Las industrias de procesos necesitan operaciones estables y rentables frente a un entorno de negocio que se caracteriza por un alto grado de volatilidad, incertidumbre, complejidad y ambigüedad.

Para responder a estos desafíos, las empresas están incorporando una multitud de tecnologías digitales ya establecidas y emergentes para transformar las operaciones, controlar los costos, reducir las paradas y mejorar las ganancias.

La digitalización no sólo mejora la eficiencia, sino que también permite a las empresas desarrollar nuevas capacidades de producción, operaciones y distribución.

Desde una perspectiva organizacional, la aplicación de inteligencia avanzada y tecnologías cognitivas se traduce en iniciativas de transformación digital para soportar respuestas adaptativas y dinámicas a cambios en demanda, personalización de productos, alta calidad de producto y auto-optimización en tiempo real de los procesos de producción.

Teóricamente, estas tecnologías permitirán que dispositivos, equipos, negocios y sistemas de producción, o incluso una planta completa, operen de manera autónoma.

 

Operaciones autónomas

En los últimos años, los sectores industrial y comercial se han movido hacia sistemas autónomos. Esto queda evidente por el progreso logrado en áreas como robótica, manufactura discreta, coches sin conductor, vehículos autónomos en minería y operaciones offshore/submarinas, asistentes personales y otras aplicaciones.

Los coches autónomos se caracterizan por cinco niveles de autonomía. El Nivel 0 se refiere a coches convencionales donde un conductor tiene la responsabilidad completa de conducir el vehículo.

En los Niveles 1 y 2, el coche asiste al conductor en algunas tareas, pero sigue siendo el operador principal y debe tomar control total de todas las funciones relacionadas con seguridad.

En el Nivel 3, el vehículo se monitorea y controla a sí mismo mediante sensores avanzados que detectan condiciones externas dinámicas, y utiliza algoritmos predictivos para control adaptativo y seguridad. Sin embargo, todavía es necesario que el conductor humano tome el control en caso de una emergencia.

En el Nivel 4, el coche es capaz de conducirse por sí solo y le informa al conductor cuándo es seguro operar de este modo.

El Nivel 5 es completamente autónomo y no requiere intervención humana durante la conducción.

 

Autonomía industrial:  El amanecer de una nueva era en las industrias de procesos
Sala de control del futuro.

 

De automatización a autonomía

Las industrias de procesos se han visto muy beneficiadas de la automatización industrial y lo serán aún más con la autonomía industrial. El cambio se está produciendo lentamente, pero su ritmo se acelerará con el avance de tecnologías como inteligencia artificial, machine learning, aprendizaje profundo, computación en la nube y de borde, sensores wireless y mejores comunicaciones y redes.

Los activos y las operaciones tendrán capacidades de adaptación y aprendizaje similares a las de los humanos, ofreciendo respuestas a distintas situaciones sin interacción del operador dentro de un entorno seguro y acotado.

La autonomía se diferencia de la automatización en muchos aspectos bastante sutiles. La automatización realiza una secuencia de tareas preprogramadas altamente estructuradas, cada una de las cuales requiere supervisión e intervención humanas. La secuencia de tareas podría tardar minutos, horas o incluso más tiempo, como en el caso de operaciones continuas estacionarias. Sin embargo, en el medio de estas tareas, los humanos también deben realizar otras tareas y, en última instancia, son responsables de completar la operación de manera segura, rentable y en tiempo.

La autonomía va más allá de la automatización al agregar capas de sensado inteligente y cognición de máquina para anticiparse y adaptarse a circunstancias imprevistas, eliminando la necesidad de intervención humana. En una operación completamente autónoma, el sistema es responsable de todos los aspectos de la operación, desde puesta en marcha hasta finalización, incluida la seguridad.

En un futuro cercano, van a haber varios estados mixtos o niveles de autonomía y el personal de planta tendrá que ser parte de las operaciones para interactuar con sistemas de automatización y autónomos. Sus roles cambiarán a medida que asuman actividades de mayor valor agregado.

 

Niveles de autonomía

Al igual que en los coches sin conductor, se pueden definir niveles de autonomía para una planta industrial. En los Niveles 0 a 2 de autonomía, los operadores son los principales actores responsables del control y son asistidos por sistemas autónomos. En los Niveles 3 y 4 de autonomía, el sistema autónomo juega un papel más protagónico y es asistido por humanos, mientras que el Nivel 5 no requiere intervención humana.

La autonomía impregnará las plantas de proceso en una gran variedad de  actividades funcionales, lo que incluye operaciones de proceso, planificación y programación, ingeniería, operaciones de campo, mantenimiento e ingeniería. En las operaciones de campo, esto significa pasar de bajos niveles de autonomía, donde las operaciones de campo son realizadas por humanos, a una autonomía de nivel medio, donde el sistema identifica y guía a los operadores acerca de qué hacer y provee instrucciones acerca de cómo realizar la tarea. Una mayor autonomía requiere convertir las tareas manuales en tareas completamente automatizadas, donde la acción humana sólo se requiere por excepción.

La autonomía de Nivel 5 en las operaciones de campo no requiere interacción humana. En operaciones de campo y mantenimiento, los robots desempeñarán un rol clave al hacerse cargo de las rondas de rutina del operador y la recolección de muestras, como así también de las tareas de monitoreo, inspección y vigilancia.

 

Autonomía industrial:  El amanecer de una nueva era en las industrias de procesos

 

El camino hacia autonomía

Las industrias de procesos se están acercando cada vez más a autonomía. Muchos intentan tener operaciones remotas sin atención humana, lo cual es particularmente razonable en instalaciones muy complejas, remotas y peligrosas. Las razones son simples: reducir costos, mejorar los efectos potencialmente adversos en áreas ambientalmente sensibles, aliviar la dificultad de conseguir personas que operen instalaciones in situ, sacar gente de ubicaciones remotas o inseguras y mejorar la gestión de activos dispersos con recursos centralizados y remotos o escasos.

Muchos de los pasos que necesarios para implementar operaciones remotas también se requieren para conseguir autonomía, lo que incluye:

  • Convertir los equipos operados manualmente en totalmente automatizados;
  • Implementar automatización de procedimientos en las operaciones manuales, incluyendo operaciones complejas como puestas en marcha y paradas;
  • Usar comunicaciones, controladores y equipos críticos resilientes y redundantes;
  • Incorporar sensores inteligentes para mejorar el monitoreo de condiciones tanto de equipos como del proceso;
  • Implementar monitoreo, vigilancia e inspección a distancia mediante robots;
  • Usar robótica para mantenimiento de rutina;
  • Aplicar mantenimiento predictivo y prescriptivo usando analítica, machine learning y otros técnicas de inteligencia artificial;
  • Aplicar inteligencia artificial y otras técnicas de analítica para monitorear procesos en cuanto a condiciones anormales inminentes y aplicar automáticamente acciones correctivas;
  • Usar técnicas de modelado rigurosas para crear gemelos digitales.

Hay otros caminos más para llegar a autonomía industrial. Un camino es construir plantas autónomas totalmente nuevas y otro es implementar tecnologías autónomas en plantas existentes para lograr que las unidades o áreas enteras operen de manera autónoma. Esto podría ser en forma de un algoritmo de inteligencia artificial que aprenda a manipular y controlar variables de proceso abriendo o cerrando válvulas, por ejemplo, o podría implicar la combinación de automatización de procedimientos e inteligencia artificial para realizar tareas aún más complejas.

Además de procesos de producción autónomos, también se pueden lograr funciones autónomas de nivel superior. La autonomía podría expandirse más allá de los controles tradicionales y el concepto de eficiencia para incluir seguridad, confiabilidad, optimización de márgenes, cumplimiento, gestión de cadena de suministro y otras operaciones y funciones de manufactura.

 

Autonomía industrial:  El amanecer de una nueva era en las industrias de procesos
Objetivos de negocio de la autonomía industrial según una encuesta de Yokogawa.

 

Consideraciones finales

Todos reconocen que se necesita autonomía industrial, y más temprano que tarde. Estas demandas están impulsadas por los beneficios anticipados y hacen pensar que la autonomía será inevitable a largo plazo.

Hay muchos beneficios a lograr con un cierto nivel de autonomía en las industrias de procesos. Una mayor integración de las aplicaciones de automatización ofrecerá mayores niveles de productividad, flexibilidad, eficiencia, confiabilidad y rentabilidad.

También se podrá reducir o eliminar el error humano, lograr operaciones ininterrumpidas y sacar gente de los entornos remotos o peligrosos.

Gran parte de la tecnología y datos para lograr autonomía ya existe. Una parte importante de los datos proviene de los sensores instalados en la red de control o se puede obtener con sensores wireless.

Al mismo tiempo hay disponibles varias tecnologías, por ejemplo inteligencia artificial, para procesar los datos y agregar inteligencia. Si bien la inteligencia artificial es clave para alcanzar altos niveles de autonomía, quizás no se la requiera en bajos niveles de autonomía.

Para los mayores niveles, es necesario desarrollar una arquitectura que lo abarque todo.

En el corto y mediano plazo, es poco probable que podamos ver plantas totalmente autónomas. Sin embargo, es razonable esperar que ciertas funciones sean autónomas hasta un determinado nivel según aplicación, necesidades y relación costo/beneficio. Los requerimientos para implementar estos menores niveles de autonomía incluyen sensores, actuadores y redes de comunicación apropiados, junto con las correspondientes tecnologías para conseguir inteligencia.

Otros requerimientos incluyen integración de datos provenientes de una multitud de plantas y sistemas de negocio, e incluso participantes de la cadena de valor. 

Una planta autónoma necesita realizar control en tiempo real, detectar y reaccionar ante condiciones anormales, detectar y corregir fallas potenciales y realizar autodiagnóstico. También necesita alertar, indicar y guiar a los humanos cuando sea apropiado.

La mayoría de las empresas en las industrias de procesos operan con un Nivel 2 de autonomía o inferior. Las empresas en el Nivel 3 de autonomía podrán quedarse en este estado durante mucho tiempo mientras avanzan la tecnología, la confianza y la dinámica de la fuerza laboral. En estos casos, la intervención humana y la toma de decisiones seguirán siendo importantes mientras el personal de la planta va aprendiendo a trabajar junto con los sistemas autónomos.

 

Preparado en base a una presentación de Tom Fiske, de Yokogawa.

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