La transformación digital hacia entornos de producción en red en términos de Industry 4.0 (I4.0) y / o Internet de Cosas (IoT) está ganando impulso. Numerosas aplicaciones de las áreas de monitoreo de productos y procesos, tecnología de etiquetado, embalaje, logística, mantenimiento y mantenimiento, muestran hoy el potencial de optimización que esta transformación a la Internet de las Cosas puede llegar a lograr.
Autor: Hans Peter Fritsche, periodista profesional freelance, Redaktionsbüro H. Fritsche
Beneficios concretos para cadenas de valor industriales
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 el 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 causaran un día, cuando fino millones de sensores estén transmitiendo miles de datos por segundo a las computadoras host. 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; Sobre la información obtenida 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 a corto plazo.
Cambio de paradigma en el mantenimiento
Los cojinetes, las transmisiones, las bombas o los sistemas de llenado y dosificación dañados no se producen de improviso, sino que «dan aviso» mucho antes de que el daño se produzca por desviaciones inusuales de vibraciones y temperatura o por cambio de consumo de energía, pérdida de presión y similares. Estas desviaciones detectadas por los sensores como parte de la monitorización de la condición pueden ser evaluadas y visualizadas 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, introducir cambios en el programa o instalar nuevas aplicaciones y Software de control. Además, los resultados de la simulación permiten pronósticos precisos sobre la vida útil restante de las partes críticas de la máquina.
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 previsibles y planificables, hasta el denominado «mantenimiento predictivo». Los beneficios son una mayor disponibilidad de máquinas y plantas, una reducción sustancial de los riesgos de tiempo de inactividad, una mayor seguridad operativa y de producción, así como unos costes de mantenimiento considerablemente más bajos.
Realidad mixta en conceptos operativos inteligentes. Foto: OPTIMA packaging group GmbH
Más allá de esto, el mantenimiento predictivo es un elemento clave en la sostenibilidad. Es cierto que los operadores siempre jugaron a salvo 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 material, el estrés continuo bajo cargas alternas y similares es mucho más avanzado que 10 o incluso hace 20 años. Otro aspecto es el rendimiento computacional significativamente más alto disponible hoy en día, así como un análisis más inteligente, FEM (Finite Element Method) y software de simulación. Permiten determinar la vida útil restante y predecir con un alto grado de precisión, y este conocimiento beneficia el mantenimiento predictivo.
Charlando con las máquinas
El aumento de rendimiento, flexibilidad e inteligencia de las máquinas y plantas resulta en sistemas cada vez más complejos que plantean los mayores desafíos 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 sabe de sus teléfonos inteligentes o Tablet PCs. Esto significa que pueden basarse en los conocimientos existentes para aprender a manejar estas máquinas y plantas – esto motiva y acorta definitivamente el tiempo de familiarización.
El monitoreo de la condición proporciona información sobre las máquinas individuales o líneas completas en tiempo real. Basándose en los límites predefinidos de alarma y fallo, se pueden detectar y eliminar las desviaciones tempranamente. Foto: Tecnología de empaquetado de Bosch
Un aspecto central en el desarrollo de las interfaces gráficas de usuario es asegurar que estas máquinas también pueden ser operadas con seguridad por personas sin formación profesional específica y, a menudo, también sin suficientes conocimientos lingüísticos. Para evitar errores de operación, los desarrolladores de GUI se basan en elementos gráficos intuitivos en lugar de en lenguaje. También están presentes las pantallas foto-realistas 3D CAD de máquinas, plantas y componentes. Además, las HMI tienen que estar a la altura de las necesidades de varios usuarios, de acuerdo con sus habilidades y autoridades. Por lo tanto, los operadores de la máquina ven diferentes interfaces gráficas de usuario para cambiar los 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.
Trabajando en mundos virtuales
Cuando se trata de la Internet de las cosas, apenas hay un tema que actualmente provoca tanto revuelo como los gemelos virtuales, o más bien digitales. La base técnica de los gemelos virtuales son los programas CAD 3D de alto rendimiento, 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, 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 puesta en marcha virtual. Esto no es sólo una 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 industriales, maquinaria y equipos. 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, que 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.
Interfaces estandarizadas
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 son los sistemas no propietarios. Un ejemplo es la OPC Unified Architecture (OPC UA), un paquete de especificaciones para conectar máquinas de varios fabricantes. OPC UA garantiza la seguridad mediante autenticación y autorización, encriptación e integridad de datos.
Esto significa que OPC UA es ideal para un transporte seguro, fiable y no propietario de datos en bruto e información preprocesada desde el nivel de fabricación hasta la planificación de producción superior 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 Industry 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 nivel de entrada para Industry 4.0 – los sensores inteligentes pueden ser adaptados. Regularmente miden parámetros de condición importantes de las máquinas y sistemas y transmiten los datos a través de interfaces de comunicación incorporadas de forma inalámbrica a las HMI y / oa 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 económica 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 la Interpack 2017, la Asociación de Maquinaria de Procesamiento de Alimentos y Embalaje de VDMA tiene 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 envasado e ingeniería de procesos y abriendo nuevas oportunidades para aplicaciones en seguridad, trazabilidad, prevención de copia y falsificación, así como en embalajes personalizados.
Mayor información: http://nuv.vdma.org/interpack.