Desde el sensor a la nube y volver

Ventajas de la comunicación bidireccional entre sensor y nube en automatización, servicio y mantenimiento.

 

Desde el sensor a la nube y volver

Son muchas las oportunidades que ofrece a los usuarios la comunicación de datos desde el nivel de sensores/actuadores a la nube para optimizar sus procesos.

 

Recolección de datos

El uso de tecnología de sensores en la producción es un requerimiento básico para la implementación de Industria 4.0. Los sensores aportan información importante para casi todas las áreas de la automatización industrial, tales como señales digitales y analógicas correspondientes a posiciones, vibraciones, flujos, caudales, temperaturas, recorridos o ángulos. Además de los datos de usuario, se recolectan cada vez más datos de diagnóstico y estado para monitoreo de condiciones, por ejemplo en monitoreo continuo de estados.

Los datos de los sensores pueden ser convertidos en información útil en sistemas informáticos de mayor nivel, tales como sistemas de control, y luego se los pone a disposición de tareas individuales.

En los sistemas de automatización clásicos, los datos de sensores están conectados en red por medio de periféricos y luego enrutados a través de componentes de E/S a controladores, donde se los procesa.

En definitiva, desde la introducción de Industria 4.0 en manufactura, la pirámide jerárquica de automatización clásica se ha estado desintegrando más y más. Un módulo de fieldbus inteligente, por ejemplo, saltea la secuencia convencional de niveles si se compara la información directamente con un registro de datos en el sistema ERP sin el desvío de procesamiento en un controlador.

El modelo de pirámide rígido tampoco es adecuado para describir la posición y la tarea de un módulo de E/S que realiza funciones simples de control de manera autónoma.

Y con la comunicación bidireccional entre un módulo de E/S con funcionalidad de borde y una nube, el método descendente (arriba se toman las decisiones, abajo se ejecutan) es muy posible que haya perdido por completo su validez.

 

Preprocesamiento de datos

Por varias razones, tiene sentido preprocesar los datos en su origen y enviar sólo los datos realmente relevantes al MES, ERP o nube. Ya es posible evaluar una buena cantidad de datos allí donde se generan, incluso en tiempo real.

Los datos que no necesariamente han de ser procesados directamente en el PLC lo saltean, lo que incluye, por ejemplo, los datos para identificación y monitoreo de estado. Teniendo en cuenta que tales datos no son requeridos de manera determinística y permanente, se los puede recuperar por separado desde el control de la máquina.

Es importante que los usuarios evalúen cuidadosamente de antemano, junto con el proveedor, qué información quieren transferir a la nube y cuál no.

La estructura de niveles del modelo de pirámide se vuelve más permeable. El intercambio de datos entre activos conectados se basa cada vez menos en un concepto descendente.

 

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La pirámide de automatización representa los procesos destinados a recolección y procesamiento de datos a niveles individuales. El modelo se basa en la pirámide CIM de los años ’70 y ’80.

 

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La estructura de niveles del modelo de pirámide se vuelve más permeable. El intercambio de datos entre activos conectados se basa cada vez menos en un concepto descendente.

 

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La nube es más que un lugar de almacenamiento

Normalmente, las soluciones Smart Factory se basan en informática a nivel de nube; una gran variedad de aplicaciones, tales como gestión de clientes, gestión de proyectos, comunicación de equipos, colaboración, gemelo digital, simulación, análisis de datos o inteligencia artificial se suelen enviar a la nube en entornos de Industria 4.0. En primer lugar, por la capacidad informática disponible en una nube, y también por la posibilidad de que una empresa pueda usar los datos en cualquier lugar. A la inversa, los datos pueden ser compilados en la nube desde cualquier lugar.

Por ejemplo, tan pronto la información de estado sea transferida del sensor a IIoT, la interrogación del estado se convierte en un valor digital agregado. Esto también modifica el rol de la nube, que deja de ser un lugar de almacenamiento para ‘Big Data’, sino que ahora también respalda al usuario con ‘Smart Data’, por ejemplo, en una rápida integración de dispositivos recién conectados, alerta acerca de anomalías críticas o permite visualizar los tiempos de operación de distintas herramientas en tableros de control. De esta forma, es posible realizar los ajustes de los componentes en forma remota o ejecutar activamente los mensajes de mantenimiento.

Específicamente, el personal de mantenimiento puede ser informado por e-mail o SMS acerca de una parada de máquina, o mejor aún, ya estar alertado de una posible falla.

De esta manera, los valores de umbral preestablecidos pueden generar mensajes de alarma preprogramados, y también se puede usar una realimentación visual en el sistema de visualización para extraer una conclusión inicial. Se pueden reportar también los reinicios del proceso después de haberse completado el mantenimiento en cualquier momento y en todas las terminales, lo que requiere la provisión de una comunicación continua desde el sensor a la nube.

Esta es la única manera de crear un intercambio inteligente entre nivel de campo, controlador, nube de datos y, si es necesario, personal de servicio.

 

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Utilizando tableros de control individualmente configurables, se pueden visualizarl los estados de una máquina y realizar intervenciones de control en forma remota.

 

Soluciones de nube en automatización

En las soluciones de nube, los datos ya no se almacenan localmente en un dispositivo final, sino de manera remota en la nube. Esto significa que los datos ya no están más disponibles localmente en un controlador de máquina o una HMI en la máquina, sino centralmente en un servidor de nube. Es posible mezclar datos provenientes de distintas máquinas y luego ponerlos a disposición de todo el mundo y con acceso en todo momento.

Hoy en día ya existen servicios de nube para usuarios privados y de negocio, pero los requerimientos especiales de la industria de manufactura difícilmente queden cubiertos por estos servicios.

Sin embargo, los usuarios industriales disponen ahora de soluciones de nube que responden claramente a sus requerimientos y que pueden ser operadas localmente o alojadas externamente. Alojado significa que los usuarios usan la IaaS (Infrastructure as a Service) del proveedor de la nube. La comunicación encriptada maximiza la seguridad de los datos mientras funciones adicionales, tales como análisis de datos o monitoreo de procesos de producción, generan directamente un valor agregado real para el usuario.

Por ejemplo, el usuario puede elegir con qué frecuencia actualizar los valores medidos. También puede configurar que los valores de temperatura no sean transmitidos cada segundo, sino sólo si el valor de temperatura  cambia en un rango definido. De esta manera, se puede reducir efectivamente el volumen de datos y evitar el desperdicio de datos innecesarios.

 

Soluciones de nube adecuadas para ‘sensor a nube’

 

Alojadas por el proveedor

Es posible conseguir una solución rápida sin grandes gastos de tiempo y costo por medio de una nube alojada por el proveedor que responde a los requerimientos de los fabricantes de máquinas y plantas. Los usuarios no necesitan su propio centro de datos y no tienen que preocuparse por mantenimiento y soporte.

 

Alojadas por el usuario

Si el usuario quiere aprovechar todos los beneficios de una nube que responde específicamente a los requerimientos de fábricas y plantas, pero con una solución local, la opción es alojar la nube localmente en el propio centro de datos del usuario. Esto permite a los usuarios decidir por sí mismos dónde guardar sus datos y tenerlos siempre bajo control en sus propios servidores. No hay necesidad de una comunicación externa.

 

Servidores de nube en la máquina

Otra opción son los servidores de nube locales, tanto en IP20 para instalación en el gabinete de control como en IP67 para instalación en el campo, directamente en la máquina, lo que permite a los usuarios disfrutar de los beneficios de una instalación local sin tener que contar con su propio centro de datos.

A la hora de elegir una solución de nube, las fábricas y las plantas deberán decidirse por una solución fácil de usar y flexiblemente escalable. Se trate de una solución de nube ‘alojada’ o ‘local’, el concepto general de hardware y software deberá responder a los requerimientos específicos de la industria e idealmente deberá provenir de una sola fuente.

 

Caminos a la nube Sensor a nube vía PLC

Todos los sensores, estados y cálculos convergen en el PLC y, a su vez, el PLC controla los actuadores. El controlador es la fuente de datos central, donde se concentran todas las funciones de monitoreo y control. Otra ventaja de este modelo es que funciona con la mayoría de las soluciones de automatización, incluso algunas más antiguas.

Pero esta solución también tiene desventajas. Todo el volumen de datos viene junto y se concentra en el PLC donde se lo debe procesar, lo que reduce considerablemente la velocidad y aumenta el riesgo de seguridad.

Por su parte, la informática (IT) y la tecnología operativa (OT) suelen estar estrictamente separadas, pero aquí se encuentran conectadas a través del controlador. Normalmente, IT no incluye tecnologías embebidas, mientras OT es hardware y software en uno y puede detectar o producir cambios en una fábrica inteligente al monitorear y controlar directamente los dispositivos físicos, procesos y eventos de una empresa.

Esta no es la única razón por la que este camino requiere un trabajo de programación muy intenso. Protocolos de transmisión opacos, herramientas de ingeniería muchas veces complicadas y elaborar infraestructuras informáticas pueden convertir rápidamente un pequeño requerimiento en un proyecto costoso.

 

Sensor a nube con dispositivos de E/S como gateway de borde

Cada vez más módulos de E/S para conexión de sensores y actuadores ya vienen equipados con microprocesadores, que se usan, por ejemplo, para controlar displays, ajustar parámetros o guardar datos de configuración, lo que vuelve superfluo el paso por el PLC.

Entonces, ¿qué podría ser más obvio que la necesidad de superar el cuello de botella que significa una interface estándar binaria y conseguir que estas funcionalidades adicionales estén accesibles centralmente para el sistema de automatización?

Además de controlar la producción automatizada y la configuración de dispositivos, estas funcionalidades y datos son cada vez más necesarios para mantenimiento remoto, gestión de activos, mantenimiento predictivo, monitoreo de condiciones y analítica de datos a la hora de optimizar y flexibilizar la producción.

 

Desde el sensor a la nube y volver
Sistema IO-Link.

 

Por esta razón, un buen número de fabricantes conocidos en la industria de automatización han unido fuerzas y desarrollado IO-Link, una interface de comunicación independiente de fieldbus para sensores y actuadores.

El foco estuvo puesto en la compatibilidad con las tecnologías existentes para garantizarle al usuario la mayor seguridad posible de la inversión. De esta forma, los usuarios se podrán comunicar ahora en ambas direcciones, no sólo desde el sensor al controlador, sino también desde el controlador al sensor, lo que permite, por ejemplo, parametrizar el sensor, apuntando al cambio de lote en producción o en caso de reemplazo de un dispositivo.

En consecuencia, un sistema existente no tiene que ser adaptado de una manera compleja. El acceso paralelo a datos, por ejemplo para el monitoreo de condiciones, no representa un problema. Y los datos ya están parcialmente preparados para su posterior procesamiento.

Sin embargo, y ésta es una desventaja decisiva en comparación con la tercera solución, el preprocesamiento sólo es posible en un grado muy limitado.

 

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Sensor a nube con controladores de borde avanzados

Por lo tanto, especialmente en nuevas instalaciones, se recomienda utilizar controladores de borde para lograr una distribución eficiente de los datos. Borde es un término que se refiere al borde de una red informática donde el mundo digital se encuentra con el mundo real, que en el mundo de Industria 4.0 son los sensores y actuadores. Los sensores capturan el mundo real, mientras los actuadores lo manipulan. Los datos de medición analógicos se convierten en parámetros digitales (sensores) y las variables de control digitales se convierten en señales de salida analógicas (actuadores) en el borde.

La computación de borde significa que los datos recolectados no son enviados a un controlador para procesamiento central, sino que son procesados in situ.

De esta manera, un microprocesador en el módulo de E/S puede derivar las acciones apropiadas directamente a partir de los datos adquiridos del sensor y, si es necesario, controlar directamente los actuadores.

Los módulos de E/S inteligentes, denominados gateways de borde, evalúan los valores medidos directamente y sólo envían datos ya filtrados y ‘refinados’ en el formato correcto al entorno de sistema designado (ERP, MES, SCADA, etc.). De esta forma, incluso las secuencias de proceso en intervalos de milisegundos permanecen inalteradas, mientras que sólo se transmiten ciertos datos para su uso posterior.

Esto último ofrece varias ventajas. Si sólo se transfieren los datos que son necesarios para cumplir con la respectiva tarea, aumenta la seguridad de los datos en la empresa. Los datos que no se transfieren no pueden ser mal utilizados para otros fines. Al mismo tiempo, la economía de datos se traduce en un tráfico considerablemente menor en la red, lo que, a su vez, hace bajar la latencia, o sea aumenta la velocidad de procesamiento.

El estándar de interface abierta OPC UA (Open Platform Communi­cations Unified Architecture) facilita la conexión en red de dispositivos de borde, máquinas y sistemas de distintos fabricantes. OPC UA permite la conexión tipo ‘plug & work’ de máquinas y sistemas en la fábrica digital, algo que ha sido común durante mucho tiempo en el entorno de oficina con interfaces estándar, por ejemplo USB.

También se recomienda el uso de estándares para el software en el entorno de Industria 4.0, donde las implementaciones de un software adecuado prometen usabiliad y operación sencillas, además de una interoperabilidad casi perfecta.

Otras ventajas son el alto nivel de seguridad gracias a actualizaciones rápidas y no depender de proveedores de software individuales.

La amplia selección disponible y la posibilidad de realizar fácilmente adaptaciones individuales también son aspectos positivos de los componentes estándar.

Sin embargo, este escenario no es tan adecuado para sistemas existentes, sino más bien para sistemas nuevos. Lo cierto es que se debe repensar el concepto de comunicación completa desde el sensor a interfaces y hasta el sistema.

 

Preparado en base a un documento técnico elaborado por Christian Knoop y Sai Seidel-Sridhavan, de Hans Turck GmbH & Co. KG. En la Argentina: Aumecon S.A.

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