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Informe “Desarrollar el Futuro” (Power the Future): De qué modo la Internet de las cosas revolucionará la producción industrial

2015 febrero 04, 08:50 CEST

AUTORES: Profesor Detlef Zühlke, Dr. Dominic Gorecky y Stefanie Fischer, Departamento de Sistemas Fabriles Innovadores del Centro Alemán de Investigación

Presionada por la globalización, nuestra industria experimentará a un período con importantes desafíos, entre los que se incluyen los ciclos de vida más cortos de los productos, los productos altamente personalizados y la dura competencia en varios mercados de todo el mundo. Estos desafíos ya son evidentes en el mercado actual de la telefonía móvil. El ciclo de vida de los productos ha disminuido a unos 6 a 9 meses, mientras que las funcionalidades y la complejidad de los productos no han dejado de aumentar.

Actualmente está teniendo lugar un desarrollo comparable en otros sectores, como la industria automotriz Con productos cada vez más complejos y con un ciclo de vida más limitado de los productos, las tecnologías asistidas por computadora (CAX) continúan creciendo en importancia durante el período de aumento, optimización y aceleración de la producción. Aunque el progreso de las CAX en los últimos diez años ha mejorado la flexibilidad en las fases de diseño y planificación, aún se prevé un avance similar en la fase real de fabricación. Una alta variabilidad de productos combinada con un menor ciclo de vida de los productos necesita una estructura de producción ágil y flexible, que pueda reconfigurarse rápidamente en función de las nuevas exigencias del producto. Este grado de flexibilidad no se puede alcanzar mediante la automatización tradicional. En su lugar, las estructuras modulares de fabricación compuestas por dispositivos inteligentes, los denominados “sistemas ciberfísicos” (Cyber-Physical Systems, CPS), que forman parte de la red de la “Internet de las cosas”, son elementos fundamentales para hacer posibles escenarios de producción adaptables, que pueden tanto abordar como superar los desafíos actuales.

En los últimos diez años, hemos asistido a una transformación fundamental de nuestra vida cotidiana con el surgimiento y el crecimiento de las tecnologías de la información y las comunicaciones (TIC). Las computadoras son cada vez más pequeñas, hasta el punto que parecen desaparecer dentro de casi todos nuestros dispositivos técnicos. Más allá de todo esto, las cosas se comunican en una red mundial: La Internet.


Cuando contemplamos lo que nos depara el futuro, encontramos que casi todos los objetos cotidianos se convertirán en nodos inteligentes dentro de una red global. Este fenómeno se denomina la “Internet de las cosas” (Internet of Things, IoT); una tendencia que, seguramente, encontrará su camino en la producción industrial. La fuerte tendencia del mundo electrotécnico y jerárquico de la automatización fabril hará la transición a las redes de fábrica inteligentes, que cada vez obtienen más beneficios de los avances en las TIC y las ciencias informáticas. En Alemania, ya se ha instalado un gran debate sobre la cuarta revolución industrial o, de forma abreviada, la “Industria 4.0”.

Desde la introducción de este término en abril de 2011 por Kagermann/Lukas/Wahlster (2011 – Referencia 1), el interés no ha dejado de crecer. Con el impulso de un grupo de trabajo formado por expertos de las comunidades científica y empresarial, se ha desarrollado una visión de la industria alemana y se ha presentado ante el gobierno federal en forma de recomendaciones. Como resultado, se ha establecido un programa de investigación, con fondos que ascienden a los 200 millones de euros para los próximos años. Además, las tres asociaciones más importantes de la industria alemana (VDMA, ZVEI y BitKom) se han asociado para crear una plataforma común que facilite la coordinación de todas las actividades de la Industria 4.0.

Estas acciones han contribuido a un despliegue publicitario general, promovido principalmente a través de los canales de los medios de comunicación. Sin embargo, las industrias manufactureras también tienen un interés genuino por lograr un éxito sostenible de esta visión. Alemania es un país de alta tecnología, que genera una gran parte de su producto bruto interno (PBI) a través de la fabricación de bienes, además de los equipos de producción necesarios. La siguiente sección presenta los desafíos fundamentales y los cambios previstos en la visión de la Industria 4.0.

La visión de la Industria 4.0

Una característica distintiva del nuevo entorno tecnológico es la transición a sistemas mecatrónicos. La electrónica será un componente fundamental de los productos del futuro, mientras que el hardware estará cada vez más estandarizado. Las características principales que determinen las funcionalidades se crearán por medio del software. De este modo, los elementos de las máquinas tradicionales se transforman en sistemas mecatrónicos. Una función se puede implementar a través de la mecánica, la electrónica o el software. Por consiguiente, la producción y el diseño, así como el servicio, requieren un equipo interdisciplinario, que combine las competencias de la ingeniería mecánica, eléctrica y de software en un ingeniero universal.

Objetos inteligentes 

El principal impulsor para la visión de la Industria 4.0 es la “Internet de las cosas” (IoT). En esta visión, todos los “objetos” de la fábrica tendrán una dirección IP única y estarán integrados en las redes. El término técnico para referirse a dicho objeto es “sistema ciberfísico” (Cyber-Physical-System, CPS) (2012 – referencia 2). En las fábricas del futuro, la jerarquía tradicional de producción será sustituida por una autoorganización descentralizada, posible a través de un CPS. Las secciones de las plantas y los procesos de producción serán tan independientes y flexibles que incluso el tamaño de lote más pequeño se podrá producir en condiciones de rápida conmutación de productos y con cualquier número de opciones.

La comunicación de una máquina a otra permite que las máquinas individuales emitan comandos, por ejemplo, para transportar una materia prima o utilizar un servicio de fabricación específico. La memoria semántica del producto controla de manera dinámica su proceso de fabricación y, por lo tanto, permite la producción masiva descentralizada en el tamaño de lote '1'.

Muchos de estos elementos inteligentes serán móviles y estarán vinculados entre sí sobre redes inalámbricas, lo que implica perder los vitales datos de posicionamiento que recibíamos de manera implícita mediante el “extremo del cable” en los antiguos sistemas cableados (comparar la figura 1). Esto es especialmente decisivo en el área de las operaciones de planta. Un empleado que utiliza un dispositivo de control móvil, como un teléfono inteligente, ya no puede ser localizado en una posición específica. El usuario puede estar en algún sitio de la planta de fabricación, aunque también podría estar en la cafetería. La aplicación debe tener en cuenta la posición actual del empleado para determinar si una funcionalidad es compatible o no en ese momento. Para solucionar este dilema, no solo serán necesarios sistemas de localización interior con características comparables al GPS, sino que deben encontrarse nuevas reglas y métodos de diseño de las interfaces hombre-máquina sensibles al contexto, que permitan desvincular el hardware y el software operativo que se esté utilizando en cada momento.

Figura 1: Objetos inteligentes: móviles, modulares y descentralizados.

Nuevas arquitecturas de comunicación

Las fábricas actuales se rigen por una estricta estructura jerárquica de información. En las capas superiores, encontramos el sistema de planificación de recursos empresariales (enterprise resource planning, ERP), que está instalado por encima de los sistemas de control de la planta (MES y NC/PLC) y, en la capa inferior, los denominados dispositivos de campo, es decir, los sistemas de sensores y actuadores de la planta. Aunque en los últimos años estas capas se han ido integrando cada vez más entre sí, la principal integración del sistema ha tenido lugar en sentido horizontal, no vertical. Una red de CPS necesariamente requerirá un nuevo enfoque de las arquitecturas. Las estructuras piramidales habituales, caracterizadas por sólidas redes horizontales y por una débil comunicación vertical, serán sustituidas por una estructura de red orientada a dominios que, en principio, permite todos los caminos a través de todas las capas de información de la fábrica.

Los sistemas de plantas construidos en función de los principios de IoT y CPS harán que los sistemas de control de planta (PLC) actuales resulten innecesarios, porque cada dispositivo final será capaz de comunicarse con todos los demás, aunque estén situados en capas diferentes. La especificación de la lógica de procesos (también conocida como orquestación) tendrá lugar en la red, y no en un elemento de control específico.

Nuevos paradigmas de programación

En la actualidad, los controles de programas activan básicamente estructuras de hardware que, por lo general, se basan en reglas y estándares que tienen una antigüedad de 20 años o más. En el futuro, con los CPS conectados en red y con capacidad de autoorganización, el hardware y la lógica de control tendrán que estar completamente separados. Al respecto, ya existen varios paradigmas. Por ejemplo, las arquitecturas orientadas a servicios (service-oriented architectures, SoA) o las arquitecturas de múltiples agentes (multi-agent architectures, MAS).

Ambos enfoques encapsulan y separan la funcionalidad del hardware y contienen mecanismos para los sistemas con capacidad de autoorganización. Además, ya existe una serie de modelos de programación que permiten la especificación de la lógica de control u orquestación. Sin embargo, estos enfoques requieren un elevado nivel de conocimientos en ciencias de la computación, lo que dificulta su implementación a nivel de la planta de fabricación por parte de personal no capacitado en esta área de especialización. Al respecto, el camino más prometedor es la migración de estos paradigmas de la arquitectura desde la capa superior de la fábrica, donde ya se implementan parcialmente, a través de los sistemas de las capas intermedias (sistemas de ejecución de manufactura [Manufacturing execution systems, MES]), ya que también tiene en cuenta los antecedentes técnicos del personal involucrado.

En los actuales procesos de control y planificación de la producción, el diseño del sistema de control se realiza al final de la fase de planificación, ya que se basa en los resultados de los diseños mecánicos y eléctricos. La programación de los controles de lógica no comienza hasta que se hayan seleccionado los terminales de control y decidido la manera en que deben estar conectados. Los conceptos de abstracción como SoA pueden ser útiles para desvincular el hardware inicial de implementación y para crear componentes de software reutilizables.

Para proporcionar un enfoque de planificación de arriba hacia abajo, independiente del hardware y funcional, es necesario establecer un nuevo flujo de trabajo de ingeniería. Los dominios de planificación tradicionales tienen que integrarse más estrechamente, en especial en las fases tempranas de planificación, con el fin de proporcionar la alineación posterior, en el proceso de planificación. Los enfoques de la ingeniería de sistemas pueden ayudar a apoyar las tareas interdisciplinarias, como se ha demostrado con éxito en el sector de la tecnología aeroespacial.

Por consiguiente, crear una presentación clara es un desafío, debido a la complejidad de los resultados de la planificación y a las interrelaciones entre las disciplinas asociadas. Para ello, será necesario contar con procedimientos prácticos que permitan alcanzar una estrategia de ingeniería progresiva, basada en modelos, además de los adecuados lenguajes de modelado, formatos de datos y cadenas de herramientas.

El objetivo de las futuras fábricas inteligentes debe ser la eliminación de las pérdidas por cambio de soporte entre los entornos CAX/PLM y la planta real en funcionamiento. La herramienta de gestión del ciclo de vida del producto (Product lifecycle management, PLM) debe tener la capacidad de generar descripciones completas del sistema, que puedan convertirse directamente en servicios de control ejecutables. El código debe permitir entonces la simulación de una planta virtual y también la programación y operación de la planta real.

Estándares

Como se describe para el modelo básico, la estricta separación entre el hardware y la funcionalidad solo puede tener éxito si se basa en estándares. Un elemento del CPS debe construirse de manera similar, al menos, en términos de tecnología de la información, a un bloque modular LEGO. En otras palabras, el elemento debe comunicarse en función de los estándares en todas las capas del modelo de 7 capas ISO/OSI. Al menos las capas de transporte 1 a 4 ya dependen de muchos estándares establecidos, como los diversos IEEE 802.xx o los estándares de Protocolo de Internet IP; los estándares correspondientes a las capas 5 a 7 basados en aplicaciones solo aparecerán con una presión masiva del mercado. Evidentemente, a ningún fabricante le atrae la idea de convertir sus productos en bloques intercambiables LEGO. El debate actual sobre un proceso estándar en el área de las redes inalámbricas industriales (p. ej., ISA100) o del lenguaje de especificación de descripción de dispositivos (p. ej., FDT) pone en evidencia que existe resistencia y un conflicto de intereses. Al menos, parece haber un enfoque prometedor para la implementación con OPC UA para las capas 5 y 6, que cada vez más fabricantes y usuarios están dispuestos a aceptar.

Seguridad

Una característica distintiva de los sistemas de control de las fábricas del futuro es el uso de redes basadas en IP en todas las capas. Esto simplifica la importación sin problemas de datos desde un dispositivo de campo hasta el sistema ERP de un nivel más alto. Sin embargo, esto puede suponer un riesgo para la fábrica frente a los cada vez más poderosos ataques cibernéticos a través del uso de protocolos abiertos. STUXNET y otros software maliciosos (malware) dejan en claro que se trata de una amenaza real. En última instancia, para que un entorno de producción basado en CPS pueda implementarse con éxito, es necesario que el nivel de seguridad elevado y la confianza en esta tecnología provengan de la misma empresa. Esto no solo exige soluciones tecnológicas, sino también lo que tal vez sea aún más importante, medidas organizativas. Uno de los puntos fundamentales será lograr una respuesta definitiva al tema de la seguridad, lo que requiere propuestas de la industria, la investigación y el gobierno.

¿Cómo será el futuro inmediato?

Se estima que esta versión de la visión de la Industria 4.0 encontrará su rumbo en los futuros entornos de producción en unos 10 a 15 años. Con respecto a todas las preguntas que se deben responder y a todo el trabajo de investigación que queda por hacer, aún llevará tiempo lograr que dichos escenarios integrales de fabricación sean implementados y aceptados en nuestras industrias en todo el mundo.

En consecuencia, los primeros elementos y los primeros objetos acordes con la visión transitarán un camino evolutivo antes de encontrar su rumbo en la práctica. La disponibilidad de información de alta resolución y la reducción de las pérdidas por cambio de soporte constituyen el fundamento para habilitar entornos de producción versátiles y transparentes. Las tecnologías de autoidentificación, que ya están disponibles, pueden ayudar a rastrear los elementos y a representarlos en el mundo digital. Los dispositivos móviles, como las computadoras portátiles, tabletas o SmartGlasses ofrecen acceso inmediato al conocimiento de la empresa desde prácticamente cualquier sitio, dentro y fuera de la empresa. Por consiguiente, las decisiones y acciones pueden basarse en información integral y precisa, y el tiempo de reacción será más rápido, apoyado por los sistemas inteligentes de asistencia, como se muestra en la figura 2.

Figura 2: Los dispositivos móviles y sistemas inteligentes de asistencia en el futuro inmediato de la producción.

La iniciativa tecnológica SmartFactoryKL, como una plataforma de investigación y demostración independiente del fabricante, ya ha dado un paso enorme hacia la visión de la Industria 4.0 al desarrollar e implementar soluciones que permiten obtener estructuras flexibles de producción, abordando los actuales desafíos de la industria. Con una red de más de 30 socios industriales, la SmartFactoryKL prueba y desarrolla innovadoras tecnologías de la información y las comunicaciones, y su aplicación en un entorno realista de producción industrial. Dentro de su más reciente proyecto, se desarrolló una línea de producción innovadora en un esfuerzo conjunto con socios industriales clave (véase la figura 3). La línea de producción es totalmente modular y permite una integración de conexión inmediata (“plug-and-play”) de los nuevos módulos de fabricación. La funcionalidad “plug-and-play” se logra en función de un conjunto de normas mecánicas, electrónicas y técnicas de la información definidas por la plataforma SmartFactoryKL y sus socios.

Figura 3: Planta de demostración para la producción del futuro en la SmartFactoryKL .

Visión general

El inicio de una revolución tecnológica nunca ha sido precipitado. Más a menudo, las reacciones tuvieron lugar respectivamente durante un período de varias décadas, con una transición evolutiva impulsada por los avances en varias áreas técnicas (“technology-push”), pero también como resultado de las nuevas demandas del mercado (“market-pull”). Es muy probable que el actual movimiento hacia la Industria 4.0 presente un aspecto evolutivo similar durante varias décadas. Un aspecto positivo es que la Industria 4.0 ofrece una visión clara, a la que tanto el fabricante como el usuario final pueden adaptarse con éxito. Los conocimientos científicos sobre el entorno de la TI se están vinculando estrechamente a las exigencias del entorno de producción. Esto exige la cooperación interdisciplinaria de disciplinas tradicionalmente separadas.

Los seres humanos, sin embargo, serán el factor más importante en este proceso de transición. Si se analizan las tres revoluciones anteriores, resulta evidente que los principales impulsores detrás de los cambios han sido las necesidades del ser humano y los estándares de vida. Cuando estos requisitos encuentran las condiciones correctas del entorno tecnológico, empiezan a aparecer los campos propicios para los cambios innovadores. Desde la tercera revolución industrial, conocida más comúnmente como la revolución digital, muchas tecnologías innovadoras así como cambios políticos han influido en el modo en que viven y se relacionan las personas entre sí. Los ejemplos característicos incluyen el fin de la guerra fría, la apertura de los mercados mundiales (en especial el de China), junto con los avances tecnológicos (por ejemplo, la Internet y los muchos dispositivos inteligentes).

Los seres humanos no solo tienen la importante función de impulsar la tecnología, sino también de utilizarla. Las TIC modernas generan una gran aceleración en todos los procesos empresariales, y lo hacen en un contexto mundial. Las ofertas para suministrar plantas de producción y servicios pueden enviarse a todo el mundo en cuestión de segundos. Al mismo tiempo, y de manera instantánea, se pueden formar corporaciones internacionales para suministrar las soluciones. Los sistemas integrados de logística, más eficientes, pueden entregar mercancías a sus clientes en muy poco tiempo, por tierra, mar y aire. Para tener éxito en la competencia internacional, los sistemas de producción tienen que ser ágiles y capaces de cambiar rápidamente. Esto puede convertirse en realidad con el progreso de las TIC. Las personas tendrán que planificar, implementar y operar cada vez más rápido en este nuevo entorno de sistemas. Solo las naciones del mundo que sepan gestionar la formación y educación de sus ciudadanos de manera oportuna frente a las nuevas realidades tendrán éxito en el mercado internacional.

Al respecto, Europa se encuentra en una buena posición. La UE está entre los líderes mundiales en investigación en materia de sistemas embebidos en red, tecnologías semánticas y diseño de sistemas ciberfísicos complejos. Esta es una gran oportunidad para las industrias europeas de dar un salto tecnológico cuantitativo y de dominar los desafíos del mercado global.

Referencias

1. Kagermann, H., Lukas, W., Wahlster, W. (2011). Industrie 4.0: Mit dem Internet der Dinge auf dem Weg zur 4. industriellen Revolution, VDI-Nachrichten.
2. Geisberger, E., Broy, M. (2012). Integrierte Forschungsagenda Cyber-Physical Systems, Acatech Studie, Berlín.
3. Zuehlke, D. (2010). SmartFactory – Towards a Factory-of-Things, en: IFAC Annual Reviews in Control, volumen 34, número 1, ISSN 1367-5788


[FIN]


Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Detlef Zühlke

Detlef Zühlke es director del Departamento de Sistemas Fabriles Innovadores del Centro Alemán de Investigación (DFKI-IFS) para la inteligencia artificial en Kaiserslautern. También es el iniciador y presidente de la Junta Directiva de SmartFactoryKL y ocupa la presidencia para la automatización de la producción en la Universidad de Kaiserslautern.

Dr.-Ing. Dominic Gorecky
Dominic Gorecky es investigador sénior y director adjunto del DFKI-IFS. En su cargo, es responsable de la gestión científica y coordinación estratégica del departamento.

M. Sc. Stefanie Fischer
Stefanie Fischer es investigadora y directora de comunicaciones de SmartFactory. En este cargo, trabaja en diferentes proyectos y es responsable de marketing y comunicaciones.

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