La transformación digital hacia entornos de producción en red en términos de Industry 4.0 (I4.0) y / o Internet de las Cosas (IoT) está ganando impulso. Numerosas aplicaciones de las áreas de monitoreo de productos y procesos, tecnología de etiquetado, embalaje, logística, mantenimiento y reparación muestran hoy el potencial de optimización que tiene esta transformación a la Internet de las Cosas.
Estas "cosas" son sensores, chips RFID (identificación por radiofrecuencia), dispositivos, máquinas y plantas. En el futuro, estas "cosas" no solo se espera que entreguen información sobre todas las condiciones importantes del proceso y del sistema de forma independiente y continua, sino que también se espera que se comuniquen entre sí a través de Internet e intervengan en procesos de fabricación para corregirlas y optimizarlas sin intervención humana .
La base de esta comunicación basada en la web es el Protocolo de Internet (IP) con sus direcciones IP de identificador único. Sin embargo, el antiguo Protocolo de Internet IPv4 sólo era capaz de ofrecer un espacio de direcciones de poco menos de 4,3 mil millones de direcciones IP, que ya se habían asignado en 2012, a PC, notebooks, tabletas y teléfonos móviles. Es por eso que se desarrolló el nuevo estándar IPv6 que tiene un espacio de direcciones de 3,4 x 1038 direcciones IP.
Así que la falta de direcciones ya no es una preocupación. El cambio a IPv6 sigue en pleno apogeo. Por lo tanto, los retos no son tanto las cosas como tales y sus direcciones, sino más bien la inundación de datos que causan cuando un día cualquiera, millones de sensores estarán transmitiendo miles de datos por segundo a los servidores. Estos datos deben ser evaluados para visualizaciones y simulaciones y ser guardados para fines de documentación (trazabilidad).
Así que Internet de las cosas se basa principalmente en datos; acerca de la información recuperada de estos datos - para ser precisos. Y este es el dominio del software y los algoritmos. Lo que se puede lograr con esto por sí solo debe ser razón suficiente para impulsar activamente esta transformación. Los siguientes ejemplos muestran aplicaciones que pagan a corto plazo.
Cambio de paradigma en el mantenimiento
Los cojinetes, las transmisiones, las bombas o los sistemas de llenado y dosificación dañados no salen de la nada, sino que "dan aviso" mucho antes de que el daño realmente ocurra por desviaciones inusuales de vibración y temperatura o por cambio de consumo de energía, pérdida de presión y similares. Estas desviaciones detectadas por los sensores como parte de la supervisión de condiciones pueden ser evaluadas y visualizadas hoy dia en tiempo real gracias a programas de análisis y simulación altamente complejos y por lo tanto ser vistas en el contexto de la ingeniería de procesos.
Sobre la base de esta información, los operadores de máquinas y plantas pueden intervenir en el sistema mediante control remoto de forma selectiva y, sobre todo, independientemente de la ubicación, con el fin de ejecutar siempre los sistemas en el modo óptimo, introduciendo cambios en el programa o instalando nuevas aplicaciones y software de control. Más aun, los resultados de la simulación permiten pronósticos precisos sobre la vida útil restante de las piezas críticas de la máquina, lo que abre perspectivas completamente nuevas para el mantenimiento.
Esto significa que nos estamos alejando del mantenimiento tanto reactivo como preventivo con sus intervalos de sustitución de componentes basados en ciclos y hacia medidas de mantenimiento precisamente planificado predecibles, hasta el denominado "mantenimiento predictivo". Los beneficios son una mayor disponibilidad de máquinas y plantas, una reducción sustancial de los riesgos de tiempo inactivo, una mayor seguridad operativa y de producción, así como unos costos de mantenimiento considerablemente más bajos.
Más allá de esto, el mantenimiento predictivo es un elemento clave en la sostenibilidad. Es cierto que los operadores siempre jugaron a lo seguro al reemplazar los componentes a intervalos fijos, pero también desperdiciaron la valiosa vida útil restante de los componentes costosos porque carecían de datos fiables sobre el comportamiento de las piezas. Hoy en día, el conocimiento sobre el comportamiento del material, el esfuerzo continuo bajo cargas alternas y similares es mucho más avanzado que hace 10 o incluso 20 años.
Otro aspecto es el significativamente más alto desempeño computacional disponible hoy en día, así como un análisis más inteligente, Método de Elementos Finitos (Finite Element Method, FEM) y software de simulación. Ellos permiten determinar la vida útil remanente y predecir con un alto grado de precisión - y este conocimiento beneficia el mantenimiento predictivo.
Chateando con las máquinas
El aumento de desempeño, flexibilidad e inteligencia de las máquinas y plantas, resulta en sistemas cada vez más complejos que plantean los mayores retos para los desarrolladores de conceptos para el funcionamiento de interfaces hombre-máquina (HMI). Por hardware HMI nos referimos a los dispositivos terminales con funcionalidades de pantalla táctil que la mayoría de la gente conoce de sus teléfonos inteligentes o tabletas. Esto significa que pueden basarse en los conocimientos existentes para aprender a manejar estas máquinas y plantas - esto motiva y definitivamente acorta el tiempo de familiarización.
Por lo tanto, los operadores de la máquina ven diferentes interfaces gráficas de usuario para cambiar gerentes, el personal de mantenimiento o los gerentes de producción. Esto significa que cada usuario sólo ve los datos que corresponden a su área de responsabilidad y es relevante para su situación específica. Además, los datos se limitan a lo esencial; Esto asegura una visualización fácil de comprender y una presentación instantánea de los parámetros clave de la máquina y los datos de producción.
Otras características de las modernas HMI son la movilidad y la consistencia. Existe una tendencia hacia los dispositivos móviles con los que el usuario puede controlar máquinas y equipos de forma remota dependiendo de su nivel de autoridad. Esto ahorra tiempo y gastos de viaje, especialmente en el campo de servicio y mantenimiento.
Cuando se trata de la Internet de las Cosas, difícilmente hay un tema que actualmente provoque tanto revuelo como los gemelos virtuales, o más bien digitales. La base técnica de los gemelos virtuales son los programas CAD 3D de alto desempeño, programas de software de simulación y análisis, así como copias virtuales 1: 1 de software real de control de máquinas y equipos. Basándose en estas herramientas de software, los gemelos digitales mapean el proceso completo de fabricación incluyendo componentes, máquinas, plantas y sus controles como un modelo virtual - completo con todos los datos físicos requeridos para la simulación. Además de esto, los gemelos digitales permiten la programación fuera de línea. Todo esto hace que los gemelos virtuales sean herramientas universales para desarrolladores, operadores y personal de mantenimiento.
Gracias a estas simulaciones de realidad cercana, los errores de diseño y/o puntos débiles ya pueden ser detectados y eliminados en la etapa de desarrollo sin haber fabricado una sola pieza real de antemano. Esto también se aplica a la programación y optimización de los controles.
Una de las aplicaciones más importantes, sin embargo, es la puesta en marcha o arranque virtual. Esto no es sólo una corrida de prueba virtual, sino que también sirve para familiarizar al operador a cargo de la máquina con las propiedades y posibilidades del sistema de una manera específica. En otras palabras: el gemelo digital es el "simulador de vuelo" para procesos, maquinaria y equipos industriales. El pre-arranque virtual antes de la puesta en marcha real vale la pena en más de una forma. En caso de que todavía existan errores en el sistema o concepto de control, se pueden remediar sin causar daños a los componentes del sistema real. La programación fuera de línea, a su vez, permite a los planificadores de producción prácticamente probar varios modos de operación. El aspecto más importante, sin embargo, es que el gemelo virtual reúne la experiencia de muchos especialistas, los cuales posteriormente pueden ser utilizados para otros proyectos.
En pocas palabras: gracias a las simulaciones sofisticadas, los fabricantes y usuarios de la planta pueden alcanzar plazos de ejecución del proyecto significativamente más cortos, arranques más rápidos y eficiencias marcadas para el desarrollo de plantas y procesos similares. Esto ahorra tiempo, pero sobre todo recursos, energía y mano de obra.
La estandarización sigue siendo un desafío importante porque la mayoría de los productores de maquinaria todavía confían en sus propias interfaces. Sin embargo, la integración es la característica decisiva en la Internet de las cosas. Esta integración requiere un intercambio de datos e información especialmente consistente entre máquinas, tanto vertical como horizontalmente. Y esto hace que los protocolos estándares abiertos sean necesarios. Por lo tanto, existe una tendencia hacia las soluciones de código abierto, ya que ofrecen alta seguridad de la inversión y la independencia siendo sistemas no patentados. Un ejemplo es la Arquitectura Unificada (Unified Architecture, UA) OPC, un paquete de especificaciones para conectar máquinas de varios fabricantes. OPC UA garantiza la seguridad mediante autentificación y autorización, encriptación e integridad de datos.
Esto significa que OPC UA es ideal para un transporte seguro, fiable y no patentado de datos en bruto e información preprocesada desde el nivel de fabricación hasta la planificación superior de producción o sistemas ERP.
Incluso los sistemas antiguos pueden manejar 4.0
Muchas máquinas, líneas, motores y compresores antiguos no están equipados con los sensores y la tecnología de comunicación para Industria 4.0, a veces ni siquiera para operar como parte de sistemas en red. Esto no significa que estos sistemas sean obsoletos en vista de la transformación digital. Aquí - como una solución de principiante para Industria 4.0 - se pueden incorporar los sensores inteligentes. Ellos regularmente miden parámetros importantes de condición de las máquinas y sistemas y transmiten los datos a través de interfaces de comunicación incorporadas de forma inalámbrica a las HMI y/o a los teléfonos inteligentes o tablet PC de los empleados para su evaluación. Con estos y otros métodos sencillos, las empresas pueden entrar en el mundo de la Industria 4.0 de manera barata y seguir beneficiándose de tiempos de inactividad reducidos, tiempos de funcionamiento más largos de la máquina, así como un menor consumo de energía y similares.
En Interpack 2017, la Asociación de Maquinaria de Procesamiento de Alimentos y Embalaje (VDMA, en alemán), está organizando una exposición especial sobre el tema de la Industria 4.0. Tomará la forma de un Salón de Tecnología en el stand de VDMA, con ejemplos de soluciones en maquinaria de embalaje e ingeniería de procesos y abriendo nuevas oportunidades para aplicaciones en seguridad, trazabilidad, copiado y protección contra falsificaciones, así como en embalajes personalizados.
Mayor informacion en http://nuv.vdma.org/interpack.
Autor: Hans Peter Fritsche, freelance trade journalist,
Redaktionsbüro H. Fritsche
Interpack 2017
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