Por: Fernando Martell Chávez / CIO Unidad Aguascalientes / fmartell@cio.mx
El término Industria 4.0 es cada día más ampliamente utilizado, pero ¿a qué se refiere ese concepto? Una definición concisa es la digitalización de los procesos de producción en las fábricas para hacerlos más productivos y eficientes. Una mayor digitalización y conectividad implica un mayor grado de automatización, lo cual permite a los procesos de manufactura orientarse a una demanda variable y cada vez más personalizada de productos. Pero, ¿cómo ha sido el desarrollo de las tecnologías de la automatización industrial?, ¿cuáles tecnologías emergentes posibilitan y potencializan a la industria 4.0?, y, ¿qué retos y oportunidades representa esta tendencia tecnológica para las actividades de desarrollo tecnológico en el Centro de Investigaciones en Óptica (CIO)? A continuación algunas ideas.
Desarrollo de la Revolución Industrial
Para entender mejor el concepto de la industria 4.0 o Cuarta Revolución Industrial es conveniente revisar cuáles han sido las tres revoluciones industriales. La primera revolución industrial se basó en la mecanización de los procesos a partir del impulso mecánico obtenido del vapor de combustión; en esta etapa fue posible la implementación de controles muy rudimentarios conectando sensores y actuadores mecánicos. Posteriormente, con la electrificación y la aplicación de motores eléctricos y de sistemas de control basados en relevadores electromecánicos se posibilitó la producción en serie, lo que se considera como la segunda revolución industrial.
A partir del desarrollo de la electrónica y la informática fue posible la automatización y computarización de los sistemas de manufactura, la denominada tercera revolución industrial se inició con el invento en 1969 del primer controlador programable Modicon 084 (MOdular DIgital CONtroller). Los Controladores Lógicos Programables (PLC’s) en conjunto con sensores y actuadores equipados con acondicionamiento electrónico permitieron implementar sistemas de control más precisos y repetitivos tanto en la industria de manufactura (metalmecánica, automotriz, electrónica, etc.) como en las industrias de procesos (siderúrgica, química, petroquímica, cementera, etc.). En las industrias de procesos también se desarrollaron los Sistemas de Control Distribuido (DCS) que, gracias al uso de tarjetas electrónicas con Convertidores Analógico-Digital (ADC) y Digital-Analógico (DAC), permitieron implementar estrategias avanzadas de control regulatorio, es decir, fue posible el control digital de procesos.
La automatización de los procesos de eventos discretos en las industrias de manufactura se ha basado principalmente en el uso de los PLC’s, a los cuales se suman otras formas y tecnologías de automatización como los robots industriales y las máquinas de Control Numérico Computarizado o CNC’s; estas tecnologías se integran mediante redes de comunicación industrial para automatizar los procesos de manufactura haciéndolos más robustos y flexibles. Para conformar celdas de manufactura se agregan sistemas de transporte de materiales, almacenes automáticos y sistemas de inspección con cámaras de video. Las tecnologías computacionales, por otra parte, permiten desarrollar sistemas de soporte a la manufactura. Los sistemas de diseño y manufactura asistida por computadora (CAD/CAM) y otros sistemas de control de la producción y de control de calidad que han evolucionado hacia los actuales Sistemas de Ejecución de Manufactura (MES) y que se enlazan mediante bases de datos a los Sistemas de Planificación de Recursos Empresariales (ERP).
Hoy en día una planta industrial que tenga cierto grado de automatización se puede conceptualizar como una red de cómputo compuesta por diversas redes de comunicación industrial, que incluye desde buses de campo hasta redes Ethernet industriales. En los niveles de piso de planta están las máquinas y procesos con sus sensores y actuadores, en un nivel intermedio se encuentran los sistemas de control supervisor y de ejecución de manufactura, y en los niveles superiores se encuentran las funciones de gestión de producción y calidad, y los sistemas administrativos y de negocio. Las anteriores tecnologías mencionadas se pueden considerar como parte de la industria 3.0, y si bien hay que reconocer que en el país hay aún mucho por hacer en el sector industrial en cuanto a la automatización y computarización de sus procesos de manufactura, hay que mirar hacia la tendencia tecnológica que representa la Industria 4.0.
La Industria 4.0
El término Industria 4.0 fue acuñado en Alemania a principios de la presente década y en Estados Unidos se le ha conocido con el término de Fábricas Inteligentes (Smart Factories). La industria 4.0 tiene ciertas características o especificaciones de diseño:
- Interoperabilidad,
- Transparencia y disponibilidad de la información,
- Asistencia técnica, y
- Descentralización de tareas y toma de decisiones.
La industria 4.0 se soporta en una serie de tecnologías, algunas de ellas aún emergentes. Las tecnologías posibilitadoras son principalmente el Internet de las Cosas (IoT) y los sistemas ciberfísicos.
El internet de las cosas industrial (IIoT) es posible gracias a la amplia utilización de los protocolos industriales Ethernet (ProfiNET, Ethernet/IP, EtherCAT, etc.) que permiten agregar capacidad de conectividad a los sensores y actuadores e incluirlos en lazos de control en tiempo real. En la actualidad Ethernet Industrial permite la integración horizontal (en el mismo nivel de automatización) y aplicado conjuntamente con otras tecnologías como OPC (Ole for Process Control) con arquitecturas cliente/servidor, posibilitan la integración vertical, es decir, de los niveles de piso de planta a los servidores de los sistemas MES y ERP. El hecho de que un sensor, un actuador o un controlador estén interconectados mediante redes y que puedan ser monitoreados desde internet, le aporta los atributos de interoperabilidad y de transparencia de la información al proceso industrial. Las redes industriales juegan entonces un papel preponderante en la integración de la denominada Tecnología Operacional (OT) del piso de planta con las tecnologías de información (IT) de los sistemas de negocio.
Los Sistemas Ciberfísicos son la otra principal tecnología posibilitadora de la Industria 4.0. Un sistema ciberfísico es todo aquel dispositivo que integra capacidades de computación y comunicación para controlar e interactuar con un proceso físico. Los sistemas ciberfísicos están conectados entre sí y a su vez conectados con el mundo virtual y las redes digitales. Un sistema ciberfísico consiste en que una máquina o proceso tenga su modelo virtual que pueda simular la respuesta dinámica del sistema físico. El sistema ciberfísico es entonces un sistema físico ampliado por tecnologías de información y comunicaciones. Por ejemplo, un robot habilitado para la industria 4.0 tiene su gemelo virtual, en el cual se pueden modificar y probar secuencias de operación, o bien, analizar escenarios de fallas. Los sistemas ciberfísicos aportan características de interoperabilidad, transparencia de la información y de asistencia técnica.
Hay varias tecnologías que también son muy relevantes para la Industria 4.0 y que se les denominan potencializadoras como lo son: la visión artificial; la realidad virtual y aumentada; la manufactura aditiva; la computación en la nube (cloud computing); la analítica de datos (Big Data), y otras que son necesarias y convenientes para su operación como: la ciberseguridad; la integración vertical y horizontal; la simulación y el prototipado. La computación en la nube aporta la característica de descentralización de tareas y de toma de decisiones, ya que posibilita a los usuarios configurar los productos desde internet y que, cuando se realiza una compra, se pueda generar en línea la orden de producción del artículo. Modelos de negocio con estas características ya han sido implementados como en el caso del fabricante de computadoras DELL que desde hace ya varios años comercializa computadoras configurables desde internet.
La revolución industrial que promueve y representa la industria 4.0 implica no solo mayores requerimientos de automatización y conectividad en los procesos de manufactura, se espera que las máquinas, herramientas y tecnologías que se usen difieran de las que se han venido utilizando hasta hoy en día. Máquinas inteligentes coordinarán los procesos de manufactura, los robots colaboraran entre ellos y con los operadores e ingenieros en las líneas de ensamble. Dispositivos inteligentes portátiles con conectividad a las redes de las plantas, como los actuales teléfonos y tablets, serán utilizados para colectar, visualizar y analizar información en tiempo real y de manera continua. Los parámetros de operación serán ajustados con requerimientos de calidad y datos estadísticos o históricos. El mantenimiento predictivo será más relevante que el mantenimiento preventivo o correctivo.
En el caso particular de la visión artificial se considera que será una pieza esencial de los sistemas de automatización en la Industria 4.0. Agregarle a los robots capacidades de visión y técnicas de inteligencia artificial implica reconvertirlos en una tecnología con capacidad de implementar funciones más avanzadas de automatización. Adicionalmente, a medida que progresan los sistemas de procesamiento y análisis de datos que se pueden acceder mediante cámaras de video se ampliarán las capacidades de los equipos de inspección para identificar productos defectuosos y tomar acciones correctivas. Con la aplicación de algoritmos de procesamiento digital de imágenes se pueden desarrollar e implementar soluciones de automatización y de inspección con un mayor grado de inteligencia computacional que requiere la Industria 4.0. Aquí hay grandes oportunidades para que con la información generada y procesada por los sistemas de visión se pueda realizar tanto investigación aplicada como desarrollos tecnológicos para el control y optimización de procesos.
Lo que sigue
Como se puede percibir, con las actuales tecnologías de automatización, robótica y visión e integrándolas a las tecnologías de información y comunicaciones, y a otras tecnologías emergentes, ya es posible implementar la Industria 4.0. Si bien hay que reconocer y enfatizar que en el país todavía hay mucho que hacer en cuanto a implementar la Industria 3.0, se deben de diseñar sistemas de manufactura robotizados y equipados con sistemas avanzados de visión artificial y control inteligente que agreguen las características y funcionalidades requeridas por la Industria 4.0. En este sentido, esta tendencia tecnológica representa grandes oportunidades para los centros de investigación como el CIO, ya que en los proyectos y desarrollos tecnológicos a realizar se debe de considerar el agregar funciones más avanzadas de automatización y de conectividad, es decir, hay que diseñar, especificar e integrar equipos que cumplan con los requerimientos de las fábricas inteligentes y de esta manera aportar más valor al sector industrial.
ACERCA DEL AUTOR
El Dr. Fernando Martell es Ingeniero en Sistemas Electrónicos con Maestría en Ingeniería Energética y Doctorado en Tecnologías de Información y Comunicaciones por el Tecnológico de Monterrey. Cuenta con más de 20 años de experiencia en Automatización Industrial y Uso Eficiente de Energía. Ha realizado proyectos y consultorías para las industrias siderúrgica, cementera, metalmecánica y automotriz, implementando sistemas basados en diversas tecnologías de automatización como controladores programables, manipuladores robóticos y redes industriales.
Correo: fmartell@cio.mx
REFERENCIAS
INDUSTRIA 4.0: Rusia apuesta en alta tecnología para crear las “plantas del futuro”. http://www.hangarx.com.ar/noticias/aviacion-militar/industria-4-0-rusia-apuesta-en-tecnologia-de-ultima-generacion-para-crear-las-plantas-del-futuro/
Industria 4.0: Manufactura flexible, autónoma y adaptable. https://www.revistavirtualpro.com/noticias/industria-4-0-manufactura-flexible-autonoma-y-adaptable
Las plantas virtuales, pieza clave para llegar hasta la Industria 4.0. http://www.elmundo.es/economia/2015/03/16/55069fe1e2704ee1378b456c.html
