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Conceptos de la Industria 4.0

Conceptos de la Industria 4.0

He tenido que abandonar durante un tiempo el desarrollo de la web y del blog debido a temas de trabajo, lo cual siempre es de agradecer, pero deja descuidado la posibilidad de tratar temas de interés y relacionados con la tecnología. Retomaremos de nuevo las publicaciones con este nuevo post centrado en la Industria 4.0.

Hace unos meses, había tratado un tema muy específico centrado en el Asset Administration Shell, y ahora he preferido, antes de seguir hablando de diferentes temas relacionados con la Industria 4.0, hacer una pequeña introducción.

Realmente ya hay mucho escrito en la web y mucha información acerca de este término y qué se esconde detrás de él. Por lo tanto, con este post pretendo dar algún dato más y centrarme en enfoques o conceptos que no se suelen mostrar habitualmente y que puede que no se tenga claro, además de mostrar las tecnologías que no solamente serán importantes dentro de la Industria en los próximos años, sino también en otros sectores.

Origen de la Industria 4.0

Como en muchos temas, me gusta mostrar algo de historia, para saber de dónde venimos, y entender mejor hacia donde vamos.

El término Industria 4.0 se nombró por primera vez en el 2011 en una feria de Hannover. En el 2013 fue acuñado oficialmente en Alemania como una respuesta necesaria frente a los bajos costes en mano de obra existente en países no europeos, usando para ello la tecnología y el I+D.

Además, en un movimiento por cambiar problemas actuales, con sucesos como la actual escasez de microchips o de materias primas, se está intentando volver a la relocalización, en contraposición con la deslocalización de los últimos años, de modo que no se dependa de zonas muy alejadas geográficamente hablando, minimizando los problemas logísticos.

Desde el punto de vista tecnológico, el principal motor o causa de la Industria 4.0 es el uso y el despliegue de sistemas ciberfísicos (CPS), y el llamado Internet of Things o Industrial Internet of Things (IoT, IIoT) que fomentaron y evolucionaron 3 importantes puntos:

  • Digitalización.
  • Automatización avanzada.
  • Inteligencia en los procesos industriales.

Information Technologies y Operational Technologies

Por otro lado, hasta hace relativamente poco, los mundos IT (Information Technologies) y OT (Operational Technologies) estaban claramente diferenciados y separados uno de otro, sin apenas comunicación entre ellos. Recordemos:
  • El mundo de la producción (OT) está formado por los PLCs, los SCADAs, las máquinas, el control de los procesos.
  • El mundo IT tendía más a moverse hacia la nube, las bases de datos, el MES, el ERP…
     

Sin embargo, en los últimos años esa barrera o límite se ha difuminado y el flujo de datos entre los dos mundos se ha incrementado notablemente, gracias al desarrollo de los CPS, haciendo necesaria una infraestructura que aguante dicha comunicación.

Esto también es debido sobre todo a la, cada vez mayor, cuantía de datos que se comunican entre ambos mundos, por existir una gran cantidad de sensores instalados en las líneas industriales o debido a todos los datos proporcionados por smartphones, wearables…, generándose petabytes de información.

Relación entre CPS e IIoT

CPS e IoT

Veamos ambos conceptos:

CPS: Sistemas Ciber-Físicos, son sistemas que integran dispositivos de cálculo y sensores conectados al mundo que les rodea, con la capacidad de aprovechar toda la inteligencia distribuida al poder conectarse entre sí. Además, también tienen la capacidad de proveer servicios y comunicar los datos existentes y disponibles a la red.

IoT-IioT: El concepto es más abstracto e involucra una infraestructura global y la conexión de dispositivos físicos y virtuales (Things/personas) a Internet y eventualmente entre sí mismos, habilitando servicios avanzados en cualquier lugar y tiempo.

En la siguiente imagen podemos observar una representación clara de las relaciones existentes entre ambos conceptos y la Industria 4.0. No todo lo que es IoT o CPS es Industria 4.0, pero sin el avance existente en los últimos años en ambas tecnologías no se hubiera podido llegar al estado en el que nos encontramos hoy en día.

Subconjuntos

Arquitecturas de referencia

Se trata de un concepto poco conocido, pero siempre se hace necesaria la creación de un modelo de referencia, que se pueda usar en diferentes casos y que además se utilice como base de otro tipo de modelos. El objetivo principal es el de ofrecer a las empresas un marco común para el desarrollo de futuros productos y nuevos modelos de negocio, al tener clara la función de cada elemento o las comunicaciones entre los mismos. En tecnología se puede mencionar el modelo OSI o el estándar ISA 95.

Precisamente este último estándar, que es la clásica pirámide de automatización, se ha quedado obsoleta, sobre todo a raíz de esa unión entre los mundos IT y OT, por lo que se hace necesario el establecimiento de un estándar mundial dentro de las arquitecturas que se están empleando en la Industria 4.0.

Ya no podemos ceñirnos a una serie de niveles en vertical con pocas conexiones entre sí… ahora está todo conectado, no solo en nivel vertical si no también horizontal.

Actualmente podemos mencionar 2 arquitecturas principales: RAMI 4.0 (Reference Architectural Model Industrie 4.0) e IIRA (Industrial Internet Reference Architecture). Hace años había una tercera en discordia, OpenFog, pero actualmente esta arquitectura se ha unido con la Industrial Internet Consortium (que apoya al IIRA).

No nos pararemos en cada arquitectura debido a la complejidad que entraña. Es historia para otro post más específico.

RAMI 4.0

El marco RAMI define como los componentes I4.0 se comunican e interactúan entre sí y como pueden coordinarse para alcanzar los objetivos especificados por las compañías. Podemos decir que proviene del mundo OT.

RAMI 4.0

Industrial Internet Reference Architecture

En este caso, la base proviene más del mundo IT.

Internet Industrial RA

Tecnologías

La Industria 4.0 engloba una serie de tecnologías que vemos representadas en la siguiente figura. Quizás no estén todas, o la nomenclatura difiera de otras figuras parecidas, pero creo que es un buen resumen. Podemos añadir además el Blockchain y el concepto de Hyperautomation como dos grandes tendencias en los últimos años, y que incluyo como dos elementos centrales.

Si hacemos el ejercicio de intersecar este subconjunto con otros entornos o sectores tan dispares como pueden ser los videojuegos o las aplicaciones móviles, nos podemos quedar con las tecnologías más importantes entre las mencionadas, pero que tienen en común su gran importancia, tanto actual como venidera.

En la intersección que queda, encuentro 6 tecnologías que van a ser predominantes en los próximos años:

  • IoT.
  • 5G.
  • Ciberseguridad.
  • Realidad virtual y aumentada.
  • Inteligencia artificial.
  • Blockchain.

 

Tecnologies of Industry 4.0

Conceptos en la Industria 4.0

Como hemos visto en el anterior apartado, el mundo de la Industria 4.0 abarca una gran cantidad de tecnologías, algunas de ellas más extendidas y habituales, otras no tanto. Pero también incluye una serie de conceptos que puede que no queden suficientemente claros si los leemos de forma aislada en algún artículo general o porque no están tan extendidos en el día a día. Comentemos de forma resumida algunos de los que se pueden encontrar:

Edge computing

Se trata de adquirir, procesar y analizar datos lo más cerca posible de donde fueron creados. ¿Por qué se quiere hacer así? Cada vez hay una mayor cantidad de datos enviados desde una línea de producción, debido a que cada vez hay más sensores instalados. Los datos crudos, tal cual se generan, son excesivos si se quieren enviar todos ellos por el mismo medio, necesitando de una red de comunicación con unos requisitos inasumibles. Las ventajas del uso del Edge Computing incluyen:

  • Menos latencia.
  • Menos gasto de ancho de banda.
  • Mayor velocidad.
  • Control en tiempo real.
  • Trabajar sin conexión.
  • Mayor seguridad. En este caso hay cierta polémica ya que realmente hay más dispositivos conectados a la red.

En la siguiente imagen comprobamos claramente en qué lugar se encontrarían dichos elementos, que por otro lado, no sustituirían a la nube, pero sí mejoraría la transmisión de datos a ella.

Esquema

Fábrica inteligente

También llamada Smart Factory o Fábrica Conectada, es una consecuencia de la Industria 4.0, siendo un entorno altamente digitalizado en el cual todos los sistemas están conectados entre sí y cuyo principal objetivo es la conexión entre el mundo real físico y la fábrica digital.

Además, estas plantas industriales serían colaborativas e interactuarían entre sí generando un flujo de información en tiempo real que es procesada y analizada para la toma de decisiones inmediatas o incluso con carácter predictivo. Esta es precisamente una de las razones por las que el uso del Edge Computing es necesario actualmente.

Este tipo de fábricas se adaptan dinámicamente y responden en tiempo real en muchos y diferentes aspectos: identificación de la demanda, cambios de configuración en las fábricas, cadena de suministros o mantenimiento. Ojo, este tipo de fábricas solo existirá si realmente hay una comunicación a todos los niveles, desde la planta hasta la cadena de proveedores.

End-to-End engineering

Básicamente de trata de desarrollar sistemas, productos o servicios complejos, pero incluyendo desde el principio todas las fases, desde el diseño inicial a su reciclaje o desmantelaje.

End-To-End Engineering

Digital thread

Un hilo digital es un entorno de comunicación que permite un flujo de datos conectado y un sistema de visualización integrado de los datos a lo largo de todo el ciclo de vida de un producto, permitiendo su digitalización. Esta unión entre cada fase es la base del llamado gemelo digital.

En muchas ocasiones, se incluye una fase de simulación entre las diferentes etapas, lo que permite testear modifiicaciones o nuevos diseños, sin tener realmente el producto fabricado. Las pruebas simuladas y los resultados se incluirían igualmente dentro del hilo digital que comunica todos los puntos.

Digital Thread

3D modelling and Simulation: Digital Twins

En este caso se trata de una representación virtual que sirve como contrapartida digital de un producto o proceso físico. Inicialmente la definición de gemelo digital no incluía la simulación, pero actualmente es algo que generalmente está incluido, de modo que se puedan realizar simulaciones de la planta con datos reales y que puedan proporcionar unos KPIs. Estos resultados darán información acerca del posible comportamiento real del sistema, de modo que las decisiones a tomar acerca de posibles modificaciones reales, tengan una base sobre las se puedan sustentar.

Interoperabilidad

Este concepto tiene como base la facilidad o capacidad para intercambiar datos entre dos o más sistemas o componentes y además utilizar la información demandada sin un esfuerzo por parte del usuario. Normalmente implica tener un conjunto de estándares y especificaciones que permitan asegurar la integración y el flujo de datos tanto hacia dentro o hacia fuera de la propia empresa o el sector.

Un ejemplo claro lo encontramos en la situación actual propiciada por la pandemia. Cada uno de los actores existentes en el sector sanitario debe poder comunicarse fluidamente y tener el mismo lenguaje para llegar a una solución rápida y fiable. Si los hospitales, las farmacias, urgencias, usuarios, laboratorios… no pueden intercambiar información se pierde un tiempo precioso que cuesta tiempo y lo más importante en este caso, vidas.

Interoperabilidad

Asset Administration Shell

Os remito a un post en el que traté este tema más profundamente y que os puede servir de ayuda para entender correctamente el concepto.

Asset Administration Shell

AutomationML y OPC-UA

AutomationML describe la estructura de los datos y la información que se envía y recibe, mientras que OPC-UA determina como este intercambio de información se lleva a cabo.

A estos dos conceptos les dedicaré un post específico debido a su importancia en la Industria 4.0.

AML-OPCUA

Conclusión

El mundo de la la Industria 4.0, la digitalización y la comunicación a todos los niveles (industrial o no) es una realidad y ha venido para quedarse. Las empresas que no se suban a este tren, van a quedar desfasadas y posiblemente desaparezcan en un corto período de tiempo. Ahora más que nunca es necesario aquello de “Renovarse o morir”, o más modernamente “Digitalizarse o morir”.

Si estáis interesados en algún post más específico de cada uno de los temas tratados, no dudéis en ponerlo en los comentarios y trabajaré sobre ello para ofrecer mayor información.

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