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Industria 4.0: Definición, Principios de Diseño, Desafíos y el Futuro del Empleo

Industria 4.0 es un término que se usa a menudo para referirse al proceso de desarrollo en la gestión de la fabricación y la producción en cadena. El término también se refiere a la cuarta revolución industrial.

El término Industria 4.0 se introdujo públicamente por primera vez en 2011 como “Industrie 4.0” por un grupo de representantes de diferentes campos (como negocios, política y academia) bajo una iniciativa para mejorar la competitividad alemana en la industria manufacturera. El gobierno federal alemán adoptó la idea en su Estrategia de Alta Tecnología para 2020. Posteriormente, se formó un Grupo de Trabajo para asesorar sobre la implementación de la Industria 4.0.

En 2003, desarrollaron y publicaron su primer conjunto de recomendaciones. Su visión implicaba que…

“Estos sistemas cibernéticos comprenden máquinas inteligentes, sistemas de almacenamiento e instalaciones de producción capaces de intercambiar información de manera autónoma, desencadenar acciones y controlarse de forma independiente. Esto facilita mejoras fundamentales en los procesos industriales involucrados en la fabricación, ingeniería, uso de materiales y cadena de suministro y gestión del ciclo de vida.”

La Industria 4.0 es un término bien conocido en las zonas de habla alemana. En consecuencia, este artículo intentará definir el término, explorar los principios de diseño, las ventajas y los desafíos que enfrenta este enfoque, y tratar de cuantificar el potencial que se encuentra debajo.

LA HISTORIA DE LA INDUSTRIA 4.0

Para poder entender cómo Industria 4.0 se convirtió en la palabra de moda de hoy, una mirada a sus predecesores podría darnos una perspectiva de cómo esta revolución en particular es diferente. Los siguientes puntos muestran una línea de tiempo de la evolución de la manufactura y del sector industrial en general (Fuente: Deloitte).

La Primera Revolución Industrial

La Revolución Industrial en Gran Bretaña partió introduciendo máquinas para producción a finales del siglo XVIII (1760-1840). Esto incluía pasar de la producción manual al uso de motores a vapor y al agua como fuente de energía. Esto ayudó mucho a la agricultura y el término “fábrica” ​​se volvió más popular. Una de las industrias que se benefició de tales cambios fue la industria textil, siendo la primera en adoptar tales métodos. También constituía una gran parte de la economía británica en ese momento.

La Segunda Revolución Industrial

La segunda revolución data de 1870 a 1914 (aunque algunas de sus características se remontan a la década de 1850) e introdujo sistemas preexistentes como telégrafos y ferrocarriles en las industrias. Quizás la característica definitoria de ese período fue la introducción de la producción en masa como un medio primario para la producción en general.

La electrificación de las fábricas contribuyó enormemente a las tasas de producción. La producción en masa de acero ayudó a introducir los ferrocarriles en el sistema, lo que, en consecuencia, contribuyó a la producción en masa. Las innovaciones en química, como la invención del tinte sintético, también marcan el período, ya que la química se encontraba en un estado bastante primitivo.

Sin embargo, tales enfoques revolucionarios de la industria terminaron al comenzar la Primera Guerra Mundial. La producción en masa, por supuesto, no acabó ahí.

La Tercera Revolución Industrial

Quizás la tercera revolución sea mucho más familiar para nosotros, ya que la mayoría de las personas que viven hoy están familiarizadas con las industrias que se apoyan en las tecnologías digitales en producción. La tercera revolución industrial inicia entre 1950 y 1970.

A menudo se le conoce como la Revolución Digital, y aquí se produjo el cambio desde los sistemas analógicos y mecánicos a los digitales. Otros la llaman la Era de la Información. La tercera revolución fue, y sigue siendo, un resultado directo del enorme desarrollo de las computadoras y la tecnología de la información y la comunicación.

LA DEFINICIÓN DE LA CUARTA REVOLUCIÓN INDUSTRIAL Y CÓMO ES DIFERENTE A LA TERCERA

La cuarta revolución industrial lleva la automatización de los procesos de fabricación a un nuevo nivel mediante la introducción de tecnologías de producción en masa flexibles y personalizadas.

Esto significa que las máquinas operarán de forma independiente o cooperarán con los humanos para crear un campo de producción orientado al cliente que trabaja constantemente para mantenerse. La máquina se convierte, más bien, en una entidad independiente que puede recopilar datos, analizarlos y gestionarlos.

Esto se hace posible mediante la introducción de la auto-optimización, la auto-cognición y la auto-personalización en la industria. Los fabricantes podrán comunicarse con las computadoras, en lugar de operarlas.

¿Cómo se comunicarán las máquinas?

Los rápidos cambios en las tecnologías de la información y la comunicación (TIC) han roto los límites entre la realidad virtual y el mundo real. La idea detrás de la Industria 4.0 es crear una red social donde las máquinas puedan comunicarse entre sí, llamada Internet de las cosas (IoT), y con personas, llamada Internet de las personas (IoP).

De esta manera, las máquinas podrán comunicarse entre sí y con los fabricantes para crear lo que ahora llamamos un Sistema de Producción Ciberfísico (CPS). Todo esto ayudará a las industrias a integrar el mundo real con lo virtual y permitirá a las máquinas recopilar datos en vivo, analizarlos e incluso tomar decisiones basadas en ellos.

COMPONENTES DE LA INDUSTRIA 4.0

Aunque Industria 4.0 es el término común que se refiere a la cuarta revolución industrial, los académicos aún luchan por definir adecuadamente el enfoque. Esto hace que sea aún más difícil distinguir los componentes principales de tal enfoque. En su Revisión de literatura, los autores Hermann, Pentek y Otto se encargan de descubrir los principales componentes de la industria.

Dado el hecho de que el término se originó en un área de habla alemana, se propusieron averiguar los términos y definiciones más frecuentemente relacionados con la industria.

En su investigación, por supuesto, se utilizó el equivalente alemán de cada término (o su equivalente en inglés). Los resultados fueron los siguientes (Fuente: “Principios de diseño para el principio de la industria 4.0” por Hermann, Pentek y Otto):

Término de búsqueda (Grupo)Número de publicaciones en que aparece el término (grupo)
Sistemas Ciberfísicos, Sistemas Cibernéticos y Físicos, CPS46
Internet de las cosas36
Fábrica inteligente24
Internet de Servicios19
Producto Inteligente, Productos Inteligentes10
M2M, Máquina a Máquina8
Big Data7
Nube5

Los sistemas cibernéticos, Internet de las cosas, Smart Factory e Internet de los servicios son los cuatro términos más comunes citados en las publicaciones de investigación académica relacionadas con la industria. En consecuencia, y dada su etapa inicial, estos son los cuatro componentes principales de la industria.

Sistemas Ciberfísicos

Un sistema cibernético apunta a la integración de procesos de computación y físicos. Esto significa que las computadoras y las redes pueden monitorear el proceso físico de fabricación en un proceso determinado. El desarrollo de tal sistema consta de tres fases:

  • Identificación: La identificación única es esencial en la fabricación. Este es el lenguaje muy básico por el cual una máquina puede comunicarse. La RFID (identificación por radiofrecuencia) es un gran ejemplo de eso. RFID utiliza un campo electromagnético para identificar una determinada etiqueta que a menudo se adjunta a un objeto. Aunque dicha tecnología ha existido desde 1999, todavía sirve como un gran ejemplo de cómo funcionó la Industria 4.0 inicialmente.
  • La integración de sensores y actuadores: Esto es esencial para que una máquina funcione. La integración de sensores y actuadores simplemente significa que el movimiento de una determinada máquina puede controlarse y que puede detectar cambios en el entorno. Sin embargo, incluso con la integración de sensores y actuadores, su uso fue limitado y no les permite comunicarse entre sí.
  • El desarrollo de sensores y actuadores: Este desarrollo permite a las máquinas almacenar y analizar datos. Un CPS ahora está equipado con múltiples sensores y actuadores que pueden conectarse en red para el intercambio de información.

El Internet de las cosas (IoT)

Un sistema ciberfísico aun no nos suena familiar hoy. Las máquinas pueden intercambiar datos y, en muchas aplicaciones, pueden sentir los cambios en el entorno que los rodea. Las alarmas de incendio son un buen ejemplo de eso. Sin embargo, se piensa que el Internet de las cosas es lo que verdaderamente ha iniciado la Industria 4.0.

El Internet de las cosas es lo que permite que los objetos y las máquinas, como los teléfonos móviles y los sensores, se “comuniquen” entre sí, así como a los seres humanos para encontrar soluciones. La integración de dicha tecnología permite que los objetos trabajen y resuelvan problemas de forma independiente. Por supuesto, esto no es del todo cierto ya que a los seres humanos también se les permite intervenir.

Sin embargo, en caso de objetivos conflictivos, el caso generalmente se eleva a posiciones más altas. Según Hermann, Pentek y Otto, se pueden entender como CPS “cosas” y “objetos”. Por lo tanto, la IoT se puede definir como una red en la que las CPS cooperan entre sí a través de esquemas de direccionamiento únicos.

El Internet de los Servicios (IoS)

Es fácil ver que, en el mundo actual, es más probable que todos y cada uno de los dispositivos electrónicos estén conectados a otro dispositivo en Internet. Con el enorme desarrollo y la diversidad en dispositivos electrónicos e inteligentes, obtener cada vez más de ellos crea complejidades y socava la utilidad de cada dispositivo agregado.

Los teléfonos inteligentes, tablets, computadoras portátiles, televisores e incluso relojes se están interconectando cada vez más, pero cuanto más de ellos compre, el valor agregado del último dispositivo se volverá irreconocible. Internet of Services tiene como objetivo crear una envoltura que simplifique todos los dispositivos conectados para aprovecharlos al máximo simplificando el proceso. Es la puerta de entrada del cliente al fabricante.

La Fábrica Inteligente

Fábricas inteligentes son una característica clave de la Industria 4.0. Una fábrica inteligente adopta un llamado Soft System. Un Soft System es un sistema que puede manejar tanto el mundo físico como el virtual. Tales sistemas se denominan “sistemas de fondo” y de alguna manera operan detrás de la escena. Un Soft System es consciente del entorno circundante y de los objetos que lo rodean.

También se puede alimentar con información suave sobre el objeto que se está fabricando, como dibujos y modelos. Según Hermann, Pentek y Otto

“La fábrica inteligente se puede definir como una fábrica en la que los CPS se comunican a través de la IoT y ayudan a las personas y las máquinas en la ejecución de sus tareas”.

PRINCIPIOS DE DISEÑO DE LA INDUSTRIA 4.0

Los principios de diseño permiten a los fabricantes investigar una posible transformación a las tecnologías de la Industria 4.0. Basado en los componentes anteriores, los siguientes son los principios de diseño:

  • Interoperabilidad: Los objetos, las máquinas y las personas necesitan poder comunicarse a través de la Internet de las Cosas y la Internet de las Personas. Este es el principio más esencial que verdaderamente hace que una fábrica sea inteligente.
  • Virtualización: Los CPS deben poder simular y crear una copia virtual del mundo real. Los CPS también deben poder monitorear los objetos existentes en el entorno circundante. En pocas palabras, debe haber una copia virtual de todo.
  • Descentralización: La capacidad de los CPS para trabajar de forma independiente. Esto da lugar a productos personalizados y resolución de problemas. Esto también crea un entorno más flexible para la producción. En caso de fracaso o tener objetivos en conflicto, el problema se delega a un nivel superior. Sin embargo, incluso con dichas tecnologías implementadas, la necesidad de garantizar la calidad sigue siendo una necesidad en todo el proceso.
  • Capacidad en tiempo real: Una fábrica inteligente debe poder recopilar datos en tiempo real, almacenarlos o analizarlos y tomar decisiones de acuerdo con los nuevos hallazgos. Esto no solo se limita a la investigación de mercado, sino también a procesos internos como el fallo de una máquina en la línea de producción. Los objetos inteligentes deben poder identificar el defecto y volver a delegar tareas en otras máquinas operativas. Esto también contribuye en gran medida a la flexibilidad y la optimización de la producción.
  • Orientación al servicio: La producción debe estar orientada al cliente. Las personas y los objetos / dispositivos inteligentes deben poder conectarse de manera eficiente a través de Internet de Servicios para crear productos basados ​​en las especificaciones del cliente. Aquí es donde el Internet de los servicios se vuelve esencial.
  • Modularidad: En un mercado dinámico, la capacidad de una Smart Factory para adaptarse a un nuevo mercado es esencial. En un caso típico, probablemente tomaría una semana para que una empresa promedio estudie el mercado y modifique su producción en consecuencia. Por otro lado, las fábricas inteligentes deben poder adaptarse de manera rápida y sin problemas a los cambios estacionales y las tendencias del mercado.

LOS BENEFICIOS Y LOS DESAFÍOS DE LA INDUSTRIA 4.0

La industria 4.0 realmente revolucionará la forma en que funcionan los procesos de fabricación. Sin embargo, es importante sopesar las ventajas y los desafíos que las empresas pueden enfrentar.

Ventajas de la Industria 4.0

  • Optimización: La optimización de la producción es una ventaja clave para Industria 4.0. Una fábrica inteligente que contiene cientos o incluso miles de dispositivos inteligentes que pueden auto-optimizar la producción dará lugar a un tiempo de inactividad casi nulo en la producción. Esto es extremadamente importante para las industrias que utilizan equipos de fabricación costosos y de alto nivel, como la industria de los semiconductores. Ser capaz de utilizar la producción de forma constante beneficiará a la empresa. Según un estudio publicado por PwC,
    “Los productos y servicios digitalizados generarán aproximadamente 110.000 millones de euros de ingresos adicionales por año para la industria europea”.
  • Personalización: La creación de un mercado flexible orientado al cliente ayudará a satisfacer las necesidades de la población de manera rápida y sin complicaciones. También destruirá la brecha entre el fabricante y el cliente. La comunicación se llevará a cabo entre ambos directamente. Los fabricantes no tendrán que comunicarse internamente (en empresas y fábricas) y externamente (a los clientes). Esto acelerará los procesos de producción y entrega.
  • Impulsar la investigación: La adopción de tecnologías de la Industria 4.0 impulsará la investigación en diversos campos, como la seguridad de TI, y tendrá su efecto en la educación en particular. Una nueva industria requerirá un nuevo conjunto de habilidades. En consecuencia, la educación y la capacitación tomarán una nueva forma que proporcione tal industria será la mano de obra calificada requerida.

Desafíos que enfrenta la industria 4.0

  • Seguridad: Quizás el aspecto más desafiante de la implementación de técnicas de la Industria 4.0 es el riesgo de seguridad de TI. Esta integración en línea dará espacio a las brechas de seguridad y fugas de datos. El robo cibernético también debe ser tenido en cuenta. En este caso, el problema no es individual, pero puede, y probablemente lo hará, costarle dinero a los productores y hasta puede dañar su reputación. Por lo tanto, la investigación en seguridad es crucial.
  • Capital: Tal transformación requerirá una gran inversión en una nueva tecnología que no suena barata. La decisión de hacer tal transformación tendrá que ser a nivel de CEO. Incluso entonces, los riesgos deben ser calculados y tomados en serio. Además, tal transformación requerirá un capital enorme, que enajena a las empresas más pequeñas y podría costarles su participación de mercado en el futuro.
  • Empleo: aunque todavía es pronto para especular sobre las condiciones de empleo con la adopción de la Industria 4.0 a nivel mundial, es seguro decir que los trabajadores deberán adquirir habilidades diferentes o un conjunto de habilidades completamente nuevo. Esto puede ayudar a que aumenten las tasas de empleo, pero también alienará a los trabajadores de un gran sector. El sector de trabajadores cuyo trabajo es quizás repetitivo enfrentará un desafío para mantenerse al día con la industria. Se deben introducir diferentes formas de educación, pero aún así no resuelve el problema para la parte mayor de los trabajadores. Este es un problema que puede tardar más en resolverse y se analizará más adelante en este informe.
  • Privacidad: Esta no solo es la preocupación del cliente, sino también de los fabricantes. En una industria tan interconectada, los fabricantes necesitan recopilar y analizar datos. Para el cliente, esto podría parecer una amenaza para su privacidad. Esto no solo es exclusivo de los consumidores. Las empresas pequeñas o grandes que no han compartido sus datos en el pasado tendrán que trabajar para lograr un entorno más transparente. Cerrar la brecha entre el consumidor y el fabricante será un gran desafío para ambas partes.

La fuerza de trabajo del futuro

La industria 4.0 tiene mucho que prometer cuando se trata de ingresos, inversiones y avances tecnológicos, pero el empleo sigue siendo uno de los aspectos más misteriosos de la nueva revolución industrial. Es incluso más difícil cuantificar o estimar las tasas potenciales de empleo.

¿Qué tipo de nuevos trabajos introducirá? ¿Qué necesita un trabajador de Smart Factory para poder competir en un entorno en constante cambio como este? ¿Tales cambios despedirán a muchos trabajadores? Todas estas son preguntas válidas para el trabajador promedio.

La industria 4.0 podría ser la cúspide del avance tecnológico en la fabricación, pero aún así suena como si las máquinas estuvieran tomando el control de la industria. En consecuencia, es importante seguir analizando este enfoque para poder sacar conclusiones sobre la demografía del trabajo en el futuro. Esto ayudará a los trabajadores de hoy a prepararse para un futuro no muy lejano.

Dada la naturaleza de la industria, introducirá nuevos trabajos en el análisis de grandes datos, expertos en robots y una gran parte de ingenieros mecánicos. En un intento por determinar el tipo de trabajos en los que la Industria 4.0 introducirá o necesitará más trabajo, BCG ha publicado un informe basado en entrevistas con 20 de los expertos de la industria para mostrar cómo 10 de los casos de uso más esenciales para la fundación de la industria será afectado.

Los siguientes son algunos de los cambios importantes que afectarán la demografía del empleo:

  • Control de calidad basado en Big Data: En términos de ingeniería, el control de calidad tiene como objetivo reducir la inevitable variación entre productos. El control de calidad depende en gran medida de los métodos estadísticos para mostrar si una característica específica de un producto (como el tamaño o el peso) está cambiando de una manera que puede considerarse un patrón. Por supuesto, dicho proceso depende en gran medida de la recopilación de datos históricos o en tiempo real con respecto al producto. Sin embargo, dado que la Industria 4.0 se basará en big data para eso, la necesidad de trabajadores de control de calidad disminuirá. Por otro lado, la demanda de científicos de big data aumentará.
  • Producción asistida por robot: La base completa de la nueva industria se basa en que los dispositivos inteligentes pueden interactuar con el entorno circundante. Esto significa que los trabajadores que asisten en la producción (como el empaque) serán despedidos y reemplazados por dispositivos inteligentes equipados con cámaras, sensores y actuadores que pueden identificar el producto y luego entregar los cambios necesarios para ello. En consecuencia, la demanda de dichos trabajadores se reducirá y será reemplazada por “coordinadores de robots”.
  • Vehículos logísticos autocontrolados: Uno de los enfoques más importantes de la optimización es el transporte. Los ingenieros utilizan métodos de programación lineal (como el modelo de transporte) para utilizar el uso del transporte. Sin embargo, con los vehículos autopropulsados ​​y con la asistencia de big data, muchos conductores serán despedidos. Además, tener vehículos autopropulsados ​​permite horas de trabajo sin restricciones y una mayor utilidad.
  • Simulación de la línea de producción: Si bien la necesidad de optimización para el transporte disminuye, la necesidad de que los ingenieros industriales (que normalmente trabajan en la optimización y simulación) para simular las líneas de producción aumentará. Tener la tecnología para simular líneas de producción antes del establecimiento abrirá puestos de trabajo para ingenieros mecánicos especializados en el campo industrial.
  • Mantenimiento predictivo: Tener dispositivos inteligentes permitirá a los fabricantes predecir fallas. Las máquinas inteligentes también podrán mantenerse independientemente. En consecuencia, la cantidad de técnicos de mantenimiento tradicionales disminuirá y serán reemplazados por técnicos más informados.
  • Máquinas como servicio: La nueva industria también permitirá a los fabricantes vender una máquina como servicio. Esto significa que, en lugar de vender la máquina completa al cliente, la máquina será configurada y mantenida por el fabricante mientras el cliente aprovecha los servicios que brinda. Esto abrirá puestos de trabajo en mantenimiento y requerirá una expansión en las ventas.

PENSAMIENTOS FINALES

La Industria 4.0 es definitivamente un enfoque revolucionario para las técnicas de fabricación. El concepto llevará a los fabricantes globales a un nuevo nivel de optimización y productividad. No solo eso, sino que los clientes también disfrutarán de un nuevo nivel de productos personalizados personalmente que nunca han estado disponibles antes. Como se mencionó anteriormente, las recompensas económicas son inmensas.

Sin embargo, todavía hay muchos desafíos que deben abordarse sistemáticamente para garantizar una transición sin problemas. Este debe ser el foco de grandes corporaciones y gobiernos por igual. Empujar la investigación y la experimentación en tales campos son esenciales.

Si bien las especulaciones sobre privacidad, seguridad y empleo necesitan más estudio, el panorama general es prometedor. Tal acercamiento a las industrias manufactureras es verdaderamente revolucionario.

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