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La Internet De Las Cosas y La Industria 4.0

Cuando todo esté conectado a todo lo demás, la fabricación tendrá una cara muy diferente.

La Internet de las cosas (IoT) y la Industria 4.0 son nombres para conceptos relacionados. Estos conceptos no tienen definiciones precisas. Bryce Barnes, gerente sénior del segmento de máquinas y robots de Cisco Systems, ofreció una definición muy útil del IoT. Hablando en la conferencia de MC2 en abril pasado, el Sr. Barnes describió la IoT como la conectividad inteligente de los dispositivos inteligentes mediante la cual los objetos pueden detectarse y comunicarse, cambiando así cómo y quién toma las decisiones sobre nuestro mundo físico. Las empresas de fabricación están implementando actualmente esta “conectividad inteligente de dispositivos inteligentes” en sus fábricas y en el taller. Para distinguir estas aplicaciones de la IoT de aquellas entre los consumidores y otros ámbitos, a menudo se utiliza el término Industrial Internet of Things.

El IoT industrial emergente da lugar a lo que se prevé será un cambio radical que reconfigurará fundamentalmente la industria. Se está llamando la próxima revolución industrial. Esta revolución sigue a las tres revoluciones industriales anteriores, que generalmente se identifican como mecanización (con motores de vapor en la década de 1800), producción en masa (con electricidad y la línea de montaje a principios de 1900) y automatización (con computadoras a finales de 1900). ). Como la cuarta revolución industrial, ha tomado el nombre de Industria 4.0, en consonancia con la forma en que normalmente se designan las nuevas versiones o versiones de software. Esto es apropiado, teniendo en cuenta que la última revolución industrial está impulsada por Internet y las aplicaciones de software habilitadas para la Web capaces de procesar flujos de datos de fabricación.

Sin embargo, Industria 4.0 es también el término adoptado por una coalición de universidades, empresas, sindicatos y organismos gubernamentales en Alemania. Esta iniciativa “Industrie 4.0” representa la visión de ese país para el futuro de la fabricación, no solo en Alemania, sino también en todo el mundo. El objetivo de esta iniciativa conjunta es mantener a ese país a la cabeza, tanto como usuario como desarrollador de tecnología de “fábrica inteligente”. Esta iniciativa abarca un marco conceptual detallado, una estrategia explícita con objetivos e hitos específicos, y un financiamiento sustancial de fuentes privadas y públicas. Es un modelo de política pública y privada que converge para promover la fabricación avanzada.

Bernd Heuchemer, vicepresidente de control de movimiento en Siemens en Alemania, señala que el objetivo de Industria 4.0 es “impulsar activamente la remodelación de la industria, ya que combina aspectos de los mundos físico, virtual, de TI y de cibersistema para ayudar a crear un nuevo El ambiente de trabajo de productividad integrada entre el trabajador y la máquina “. El impacto de esta iniciativa, dice, es amplio:” Representa un punto de logro altamente dinámico, donde todas las compañías, ya sean grandes fabricantes de equipos originales (OEM), proveedores importantes o pequeños talleres, pueden Benefíciese de las tecnologías y las plataformas de comunicación que están surgiendo en el mercado actual, algunas a la velocidad de la luz “.

Para los fines de la discusión aquí, sin embargo, usaremos Industry 4.0 como la referencia más amplia y general a los cambios que se avecinan. Es útil decir que Industrial IoT e Industry 4.0 tienen esencialmente una relación de causa y efecto. Es decir, el IoT industrial es la base de la cuarta revolución industrial y resultará en ella.

Sin embargo, como cuestión práctica, esta revolución pendiente se producirá de manera evolutiva. Las empresas lo implementarán paso a paso, paso a paso. El primer paso, por supuesto, es obtener una comprensión de lo que implica. El resto de este artículo está destinado a ayudar a las tiendas a introducirse en este primer paso crítico. Los siete puntos seleccionados aquí parecen ser los más útiles en este momento. Estos puntos proporcionan una introducción y antecedentes de Industrial IoT e Industry 4.0 para empresas de metalurgia y talleres mecánicos.

1. Los estándares clave están creando el camino

La capacidad de conectar equipos de fabricación a una red basada en la Web y obtener un valor sustancial de estas conexiones es más práctica y convincente que nunca. Aunque estamos en las primeras etapas de este desarrollo, muchas de las bases están en su lugar. Por ejemplo, estándares bien desarrollados como MTConnect promueven la interoperabilidad necesaria para hacer posible la conexión de la amplia gama de equipos de fabricación en el taller típico.

En pocas palabras, MTConnect proporciona un vocabulario, un conjunto definido de palabras, mediante el cual las máquinas herramientas pueden “expresarse” en un lenguaje común interpretable por las aplicaciones de software. Asimismo, este estándar se basa en la tecnología de Internet estándar (HTTP, TCP / IP, XML y Ethernet) que son inherentemente compatibles con la red. MTConnect también es importante porque habilita las características principales que son críticas para los sistemas compatibles con Industrial IoT. Estos sistemas deben incorporar arquitectura de software abierta, protocolos abiertos y modelos de datos abiertos. De lo contrario, los elementos propietarios crearán barreras para los usuarios y desarrolladores de aplicaciones que operan en el IoT Industrial.

Si bien MTConnect facilita específicamente la conexión de máquinas-herramienta y otros equipos de fabricación relacionados a una red de recolección de datos, estándares como OPC-UA abordan la interoperabilidad requerida para la comunicación de datos en toda la planta. En su totalidad, OPC-UA significa “vinculación e incrustación de objetos para la arquitectura unida de control de procesos”. Sin embargo, es más fácil de entender como un conjunto de especificaciones abierto y no propietario que garantiza que los sistemas de automatización sean compatibles entre sí.

OPC-UA proporciona una solución al problema de las “islas de automatización” en una gran fábrica. Debido a que las fábricas a menudo tienen una variedad de procesos de fabricación automatizados, estos sistemas deben poder comunicarse con un sistema de control de nivel superior en toda la planta. OPC-UA proporciona la arquitectura para los puentes que conectan estos diversos sistemas automatizados a la autopista de datos que conecta al resto de la fábrica, por así decirlo. Y debido a que esta carretera se puede conectar a Internet, es uno de los enlaces que conforman colectivamente el IoT industrial.

Significativamente, las organizaciones que supervisan MTConnect y OPC-UA han trabajado juntas para hacer que estos estándares sean compatibles. A medida que el IoT industrial toma forma, ninguna máquina o sistema automatizado debe ser dejado atrás.

2. Mejor, las decisiones más rápidas están llegando a la tienda

La recompensa para los fabricantes que implementan soluciones de IoT industrial reside en una mejor toma de decisiones. Cuando los dispositivos están conectados, los datos que generan pueden fluir a las aplicaciones de software que crean la información que las personas pueden usar para tomar decisiones oportunas y efectivas. Al comprender mejor los resultados de estas elecciones, los responsables de la toma de decisiones pueden lograr objetivos estratégicos o evaluar el desempeño. Las decisiones se basarán en el conocimiento y la sabiduría, no en la teoría o las conjeturas. Mejores decisiones significan menos errores y menos desperdicio.

En una fábrica tan inteligente, será posible que los gerentes sepan que cada elemento de un sistema de fabricación está operando a un nivel óptimo. Por ejemplo, los parámetros de mecanizado, como las velocidades de corte y los avances, reflejarán los ajustes más efectivos, como lo demuestra la experiencia del operador, el fabricante de herramientas de corte, el fabricante de máquinas y la comunidad en línea de usuarios finales. Las actualizaciones en tiempo real de estas configuraciones se aplicarán de forma inmediata y automática para maximizar la productividad, minimizar el consumo de energía y promover la seguridad. Las bibliotecas de herramientas y las opciones de la trayectoria para programadores también se actualizarán en consecuencia. (Sabiamente, los fabricantes de herramientas de corte se han preparado para este escenario mediante la adopción de normas como la ISO 13399 para que los sistemas digitales puedan interpretar la terminología de las herramientas de manera uniforme).

Cada paso en la implementación de Industrial IoT / Industry 4.0 tiene que ser evaluado en términos de las decisiones que influye. Vincular cada paso con el valor de las mejores decisiones que resultan debe ser la base para priorizarlos y justificarlos económicamente.

El mayor desafío para los gerentes de planta será determinar:

– Qué datos recopilar.

– Quién obtendrá la información derivada de los datos.

– Cómo se utilizará esta información.

– Que se tomaron las decisiones correctas.

3. El empoderamiento de las personas es esencial

Quizás el aspecto más positivo y alentador de Industrial IoT e Industry 4.0 es el reconocimiento explícito de que el ser humano individual continuará desempeñando un papel activo y atractivo en la fabricación. De hecho, este papel crecerá en importancia e influencia. Las implicaciones para la capacitación y el desarrollo de la fuerza laboral son amplias y sustanciales, ya que se verán afectados los deberes y responsabilidades de casi todas las ocupaciones en la empresa manufacturera. El trabajo de todos cambiará, porque el flujo de trabajo cambiará.

Athulan Vijayaragahavan, director de tecnología de System Insights (el desarrollador de las plataformas de análisis de datos Vimana para implementaciones de IoT industrial) pone este desarrollo en perspectiva. “Aunque Industrial IoT se basa en un software para recopilar, analizar y administrar datos de dispositivos y sensores en el taller, las fuentes y los consumidores de datos más importantes en un sistema de fabricación son las personas. Mantener al ser humano en el bucle de datos, información, decisión, acción es esencial ”. Los consumidores de datos de la planta incluyen operadores, programadores, ingenieros de mantenimiento, supervisores de producción y gerentes de negocios de la oficina.

El Dr. Vijayaragahavan señala que la información hacia y desde las personas debe ser pertinente (enfocada en la tarea en cuestión), ubicua (disponible en múltiples plataformas e interfaces de computadora a través de una red robusta) y contextual (el significado de la información es aparente y “accionable”) es decir, apuntando a las decisiones que deben tomarse).

4. La ciberseguridad es un problema importante

Según los expertos en seguridad, las amenazas cibernéticas al IoT industrial son reales, globales y en crecimiento. Las amenazas incluyen el robo de secretos comerciales y propiedad intelectual, alteraciones hostiles a los datos e interrupciones o denegación del control del proceso.

Los talleres deben considerar cómo proteger sus datos, sus sistemas y sus redes en cada paso para convertirse en parte de Industrial IoT. La conexión de las máquinas herramientas a una red o aplicación basada en la nube crea una serie de vulnerabilidades, que a menudo se pasan por alto. Por ejemplo, las conexiones de red instaladas en un CNC pueden requerir un firewall para bloquear el acceso no autorizado y permitir la comunicación externa. Los datos de la máquina herramienta son especialmente sensibles porque involucran información crítica sobre el diseño del producto. Las trayectorias de herramientas de CNC y las rutinas de inspección para sondas de medición, por ejemplo, representan las dimensiones y los atributos del componente deseado, y por lo tanto son un objetivo tentador para los piratas informáticos.

Hay una serie de recursos disponibles para guiar a las empresas de fabricación a construir la protección necesaria para minimizar estas amenazas a medida que implementan la fábrica conectada inteligente. Una buena primera lectura es la “Guía de seguridad de los sistemas de control industrial (ICS)” (NIST Publicación especial 800-82) del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). Se puede descargar desde el Centro de recursos de seguridad informática de NIST en: short.mmsonline.com/cyber.

5. Se acerca una nueva generación de sensores

Los sensores detectan y miden las características físicas o las condiciones de un dispositivo. Los estados de encendido / apagado, el amperaje, la temperatura, la presión, los niveles de vibración y las cantidades de suministros son ejemplos de los “síntomas” que los sensores pueden detectar. Los “sensores inteligentes” realizan otras funciones. Pueden convertir lecturas analógicas en un formato digital; pueden procesar o analizar estos datos (y quizás estar programados para reaccionar de alguna manera calculada); y pueden transmitir estos datos o ponerlos a disposición para su recopilación a través de una red para su uso en una aplicación de software.

La ubicación y función de la inteligencia del sensor puede variar. Para algunas instalaciones, será mejor que el sensor “piense por sí mismo”. Otros sensores formarán parte de un enfoque de “pensamiento grupal” en el que los sensores y un analizador de datos central trabajan juntos. Un híbrido de estos dos también es concebible.

Los sensores proporcionan información sobre cambios significativos. Una de las principales prioridades es colocar sensores donde puedan detectar e informar automáticamente los cambios que inciden en la viabilidad de los componentes. Esta información proporcionará advertencias de fallas inminentes y hará que el tiempo de inactividad inesperado sea muy raro. Los sensores son la clave para la detección, intervención y prevención.

La capacidad de conectividad de datos inalámbrica (Wi-Fi) simplifica enormemente el despliegue de sensores en el taller. El costo y la dificultad de conectar los cables a estos dispositivos se minimizan o eliminan. La instalación de sensores puede requerir una conexión a una fuente de alimentación y / o una interfaz a los sistemas de control de máquinas existentes. La instalación de sensores en equipos heredados (máquinas y dispositivos más antiguos pero utilizables que tienen poca o ninguna característica electrónica) permitirá conectarlos a los sistemas de recolección de datos y, en última instancia, al IoT industrial.

Las preguntas más importantes relacionadas con sensores que impone Industrial IoT son:

– ¿Qué cambios merecen atención o requieren una reacción?

– ¿Qué decisiones influyen en los datos del sensor?

– ¿Qué valor se puede derivar de estas decisiones?

Vale la pena señalar que los pequeños sensores de bajo costo con una notable capacidad de procesamiento y características programables están proliferando, impulsados ​​en parte por el interés de aficionados, inventores, retorcedores y desarrolladores de aparatos de consumo y productos de cuidado personal. La familia Arduino de componentes de hardware y software en red basados ​​en una plataforma electrónica de código abierto es un ejemplo destacado. La tecnología inteligente de “baja energía” de Bluetooth es otro ejemplo de los avances en la comunicación de dispositivo a dispositivo que promoverán la conectividad inalámbrica de los sensores de planta.

6. Las máquinas herramientas serán consideradas como sistemas cibernéticos

El término “sistema físico cibernético” se encuentra con frecuencia en las discusiones del IoT. La definición común de un sistema físico cibernético lo describe como un sistema en el que las computadoras integradas monitorean y controlan los procesos físicos a través de un circuito de retroalimentación en un entorno de red.

Los sistemas de maquinado flexibles y las máquinas herramientas con medición en proceso y maquinado en circuito cerrado parecen calificar como sistemas cibernéticos. Sin embargo, en el contexto de una fábrica inteligente, muchos dispositivos que no han sido equipados con sensores integrados o procesadores capaces de conectarlos a un sistema automático de monitoreo y control pueden estar tan equipados. Los enfriadores de refrigerante, las líneas de aire comprimido, los transportadores de viruta, los sistemas hidráulicos y otros equipos auxiliares o de soporte son candidatos para esta integración.

Una aplicación muy importante que exige el soporte de los sistemas cibernéticos es la gestión integral de la energía en una fábrica. La potencia consumida por cada dispositivo, máquina y sistema será medible en un nivel discreto, por lo que será monitoreable y manejable. Este desarrollo obligará a las fábricas a favorecer las máquinas con subsistemas a bordo diseñados para operar con poca energía y que puedan descansar en modo de espera (es decir, solo se energizan cuando es necesario para la operación). Los procesos se optimizarán al equilibrar el consumo de energía con la velocidad de producción. Del mismo modo, siempre que sea posible, las operaciones de maquinado de uso intensivo de energía se programarán para períodos durante el día en que las tarifas de servicios públicos sean bajas.

Por ahora, el aspecto más útil del concepto subyacente a los sistemas cibernéticos es el bucle de control. La creación de bucles de control en múltiples niveles (desde el nivel del dispositivo hasta el nivel de la empresa) en una fábrica formará parte de la implementación de Industrial IoT. El personal de Shopfloor en todos los niveles será “conectado” a través de múltiples puntos de acceso y salidas de datos en la red.

7. La computación en la nube y el Big Data jugarán un papel vital

La computación en la nube simplemente significa que una aplicación (un programa de software desarrollado para un propósito específico) se ejecuta en procesadores de computadora ubicados de forma remota en lugar de en las computadoras de un usuario en el sitio. Los usuarios interactúan con la aplicación en la nube a través de una red, generalmente Internet. Debido a que los diagramas de las configuraciones de red de tecnología de la información a menudo representan recursos de computación compartidos remotamente como rodeados por un contorno en forma de nube, la “nube” se ha convertido en un apodo práctico para este enfoque. El almacenamiento remoto de datos también puede estar basado en la nube. La capacidad de la nube para almacenar y procesar datos es prácticamente ilimitada. El almacenamiento y procesamiento de datos de forma remota es generalmente más económico, flexible y seguro que las alternativas en el sitio. La nube también es más fácilmente escalable, es decir,

La conectividad prevista por Industrial IoT implica que los flujos de datos fluirán hacia y desde los sistemas conectados. Estos flujos de datos pueden ser masivos. Big Data se ha convertido en el término para la capacidad de encontrar tendencias significativas o patrones emergentes detectables solo al escanear rápidamente muchos millones de elementos de datos no estructurados en diferentes formatos de una multitud de fuentes diversas. La capacidad de recopilar y acceder a la enorme masa de datos generados por la fábrica conectada (y luego darle sentido a estos datos) es lo que Big Data aporta a la IoT industrial.

Este escenario será suficiente para capturar el poder del análisis de Big Data para los fabricantes. Considere una compañía manufacturera cuyos productos finales consisten en componentes que han cruzado numerosas máquinas CNC en sus propias fábricas, y en las de sus subcontratistas más pequeños y proveedores de talleres. Esos mismos componentes pueden haber sido tocados por miles de herramientas de corte en el camino. Cada una de estas máquinas CNC está siendo monitoreada para crear flujos de datos sobre el tiempo de actividad, alarmas internas, señales de estado operacional, uso de energía y miles de otras características y parámetros de rendimiento. Del mismo modo, cada una de las herramientas de corte está siendo monitoreada para saber cuándo, dónde y cómo se usó, con detalles sobre las velocidades, avances, recorridos de herramientas, Las condiciones de refrigerante y una serie de otros registros de rendimiento se añadieron a la combinación de transmisión de datos en bases de datos masivas en línea en la nube. Todos estos datos de máquina y herramienta de corte están asociados.
con todos y cada uno de los componentes que llegan a los clientes de la empresa en un ensamblaje completo y funcional.

Si falla un componente crítico, será posible rastrear ese fallo hasta la causa, que puede ser tan sutil como una ligera desviación en la respuesta servo de un determinado mecanismo de eje de máquina-herramienta. Las pistas para evitar este problema en el futuro también serán discernibles. Del mismo modo, rastrear todas las partes similares que podrían estar sujetas al mismo modo de falla es una posibilidad.

Muchos otros hallazgos estarán disponibles. Por ejemplo, podemos aprender que un cierto algoritmo de programación CAM ayuda a que un estilo particular de fresa final elimine la mayor cantidad de material con la menor energía. Los programadores serán notificados instantáneamente de esta opción cuando utilicen recursos de programación basados ​​en la nube.

Comenzando en el camino de IoT

Entonces, ¿cómo un taller mecánico comienza a generar el poder del IoT industrial? Una opción práctica para muchas empresas será instalar un sistema completo de monitoreo de máquinas. Dave Edstrom, el director de tecnología de Memex, recomienda este enfoque porque el monitoreo de la máquina introduce elementos clave necesarios para conexiones más amplias de Industrial IoT. Por ejemplo, incluso la monitorización básica de la máquina puede requerir que las máquinas estén equipadas con las interfaces necesarias para la recopilación de datos y el informe; establecer el marco para una red de tiendas; conseguir que la fuerza laboral del taller se acostumbre a un entorno de fabricación basado en datos; capacitar a los gerentes para que reconozcan y traten los problemas de administración de datos (quién obtiene qué informe y qué hace con la información); y así.

“La mayoría de las tiendas que implementan un sistema de monitoreo como MERLIN comienzan con una pequeña cantidad de máquinas para facilitar la curva de aprendizaje y hacer que todos participen”, dice Edstrom. MERLIN (Manufacturing Execution Real-time Lean Information Network) es el sistema de ejecución de manufactura de Memex y la plataforma de comunicaciones de máquina a máquina que cumple con MTConnect. “Los supervisores y operadores deben participar en la evaluación del software de monitoreo de la máquina, deben ser alentados a proporcionar información y se les debe dar una idea clara de la dirección que toma la compañía con esta implementación”, agrega. También señala que, desde el principio, los datos de la máquina deben traducirse en información procesable que ayude tanto a los operadores como a los gerentes. Los operadores deben sentir que esta es una herramienta para ellos y no Big Brother mirando por encima de sus hombros.

La instalación de pantallas de visualización grandes para mostrar informes, como la utilización de la máquina, generalmente forma parte del proyecto piloto de un taller. Según el Sr. Edstrom, el conocimiento visual crea resultados rápidos (y significativos), porque el personal de la planta de producción enfoca instintivamente sus pensamientos y prácticas en las mejoras que impulsan la utilización.

Una vez que se instale un sistema de monitoreo en el taller, el taller puede implementar sensores adicionales para aumentar sus tableros e informes para mejorar el rendimiento y reducir los costos. “El software de monitoreo que puede hablar con una amplia gama de dispositivos y proporcionar paneles de control en tiempo real con activadores de notificación e informes para reducir los costos y aumentar la productividad de manera segura y predecible será el corazón de la IoT industrial”, dijo el Sr. Edstrom. concluye.

Tres imperativos industriales

La IoT industrial y la cuarta revolución industrial que aparentemente marca el comienzo son desarrollos muy fluidos y de gran alcance. Esto significa que los planificadores e implementadores deben ser flexibles, alertas y audaces. Los siete puntos que se presentan aquí pronto pueden ser suplantados por nuevos problemas, preocupaciones y oportunidades.

Simplemente terminemos con un resumen que incluya al menos tres imperativos principales:

– Tenga cuidado, el IoT industrial es real y está tomando forma aquí y ahora. También está ocurriendo “allí y entonces” en el sentido de que sus competidores globales también lo están implementando, y pueden estar a la vanguardia con implementaciones anteriores.

– Mantenga sus ojos en el objetivo. Una mejor toma de decisiones es el principal beneficio de crear una fábrica conectada en la que las máquinas y las personas son más inteligentes.

– Comience pequeño, pero planee en grande. Ya sea que se trate de monitoreo de máquinas o de programación CAM basada en la nube, los pasos iniciales deben ser manejables, transparentes y respetuosos para el individuo.

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