¿Cuáles son los requisitos de la Industria 4.0?
El desarrollo hacia la Industria 4.0 está teniendo lugar a grandes pasos. La economía y las empresas han reconocido las grandes oportunidades que hay detrás de ella. Pero, ¿qué es necesario para convertir la producción en Industria 4.0?
En 2011, un grupo de trabajo elaboró la visión “Industria 4.0”. Describe el desarrollo ulterior de los procesos de producción modernos con el fin de garantizar que la producción esté interconectada de la mejor manera posible.
En consecuencia, la producción debería controlarse a sí misma en la medida de lo posible y también optimizarse a sí misma. Todos los datos disponibles se utilizarán para la optimización y el control mediante el intercambio entre los participantes en la producción. Esto incluye también los propios productos, que comunican los datos de su ciclo de vida y, por lo tanto, devuelven los resultados al desarrollo del producto.
La canciller alemana Angela Merkel presentó esta visión en su discurso de apertura en el Hannover Messe 2013, garantizando así un amplio apoyo. Desde entonces, los esfuerzos para aplicar Industria 4.0 se han incrementado constantemente debido a las ventajas obvias.
¿Qué es necesario empezar con la Industria 4.0?
La industria 4.0 describe principalmente la visión de una producción industrial óptima. Cada producción sigue flujos de trabajo fijos y repetitivos. Los procesos son controlados y guiados por diversos instrumentos. La atención se centra en los sistemas en los que se gestionan los datos de producción.
Los sistemas más comunes en los entornos de producción son:
- ERP — Planificación de los recursos empesariales
- MES — Sistema de ejecución de la fabricación
- LIMS — Sistema de gestión de la información de laboratorio
- CMMS — Sistema de gestión de mantenimiento informatizado
- EMS — Sistema de administración de la energía
- SCADA — Control de supervisión y adquisición de datos
- HMI — Interfaz humano máquina
- PLC — Controlador lógico programable
Los pedidos de los clientes, las existencias de materiales y la planificación de los recursos se gestionan en el sistema de planificación de los recursos empresariales (ERP). Aquí se define todo lo que se va a producir, con qué insumos materiales y a qué costos. En el ERP, se da la versión final para una orden de producción, después de lo cual se produce realmente.
Idealmente, el nivel de producción es gestionado por un MES. Aquí, los pedidos de producción del ERP se enriquecen con datos específicos de la máquina para que las recetas de la máquina se crean. Además, los datos de la máquina se registran con el fin de calcular la eficiencia, supervisar el consumo y las condiciones y registrar y notificar cualquier situación de error.
En un sistema LIMS, se almacenan y procesan datos relevantes para la calidad de los productos y materiales de fabricación. Muchos procesos de producción dependen de los datos de LIMS y los controlan.
El sistema de gestión de mantenimiento, CMMS, controla las especificaciones de mantenimiento de todas las máquinas y componentes de la planta en una línea de producción y da las instrucciones de mantenimiento adecuadas para evitar averías.
La gestión de la energía, EMS, registra y evalúa el consumo de energía para poder desarrollar y supervisar medidas de ahorro de energía. A continuación se adaptan los métodos de producción y, en caso de duda, incluso se influyen activamente para evitar el consumo máximo.
Se utiliza un sistema SCADA para monitorizar las máquinas de producción. Aquí, todos los datos del proceso pueden ser vistos en tiempo real y, si es necesario, pueden ser intervenidos de una manera controladora.
Directamente en la máquina, el HMI es la interfaz del sistema de control para el operador. El operador puede controlar el funcionamiento de la máquina y establecer parámetros de producción y máquina.
La máquina real está controlada por un módulo inteligente, el PLC. Aquí es donde se lleva a cabo la automatización del proceso de producción.
No todos estos sistemas son necesarios para la implementación de la Industria 4.0, pero sólo la existencia de tales sistemas hace posible el camino hacia la Industria 4.0. En los primeros pasos hacia la Industria 4.0, las comunicaciones para la implementación de los procesos de producción son digitalizadas y automatizadas. Las subáreas que no estén digitalizadas por los sistemas correspondientes deberán estar equipadas con interfaces electrónicas de usuario para integrarlas.
Comunicación entre sistemas
La comunicación predominante entre los sistemas de producción antiguos es el intercambio de papel. Se imprime una orden de producción aprobada, se lleva a la producción y se ejecuta allí.
Durante y después de completar el pedido, los datos se agregan manualmente a los formularios para documentar el consumo de componentes, los parámetros de calidad y las cantidades de productos acabados. Los formularios completados se introducen de nuevo manualmente en el sistema de planificación de los recursos institucionales. Este es el peor acoplamiento del sistema imaginable. Este método:
- Consume mucho tiempo debido a actividades manuales como imprimir y entregar, Rellenar los formularios, lectura de los datos del HMI e introducción en el sistema de planificación de los recursos empresariales
- Es propenso a errores debido a errores tipográficos
- Ineficaz debido al retraso en la disponibilidad de los datos
- Inflexible al cambiar datos para pedidos, parámetros, etc.
Para implementar una visión de industria 4.0, la comunicación entre sistemas existentes debe ser digital. Esto permite intercambiar datos en tiempo real:
- Se eliminan los procesos manuales caros y propensos a errores.
- Surgen nuevas posibilidades si los sistemas pueden solicitar datos en función de la situación y reaccionar así a condiciones especiales.
- Si, por ejemplo, una materia prima no está disponible de forma inesperada, pueden solicitarse órdenes de producción alternativas para evitar una interrupción de la producción.
- Si estos procesos se producen de forma semiautomática o incluso completamente automática, se puede alcanzar el objetivo de autocontrolar la producción.
La comunicación entre sistemas es un requisito básico para la Industria 4.0.
Controles, sensores y actuadores
Los controles con sus sensores y actuadores son los que consiguen que la máquina produzca el producto final. Por lo tanto, los controladores son un sistema importante que debe ser suministrado con datos automáticamente para implementar la Industria 4.0
Sin embargo, el controlador debe cumplir ciertos requisitos para ello. Un controlador de máquina puro para la automatización de un proceso de producción en forma de "Industria 3.0" está diseñado para funcionar de forma autónoma. Los datos para la producción son introducidos por un operador en el HMI y luego procesados.
En cambio para una producción de acuerdo con la Industria 4.0, la programación del PLC debe tener un suministro digital con pedidos de producción y una interfaz correspondiente para la retroalimentación. Si esta no es la configuración predeterminada, el programador del sistema tiene que hacer mejoras.
Esto puede variar dependiendo de la complejidad y el grado de individualización de la máquina. Una máquina de serie puede ser provista de una actualización de software, que el fabricante pone a disposición de todos los clientes. Una máquina de producción individual deberá ser reprogramada por el programador correspondiente de acuerdo con los requisitos especialmente formulados para el acoplamiento del sistema.
Para el protocolo general Industria 4.0 OPC UA, muchos grupos de trabajo ya están ocupados haciendo especificaciones generales para tales interfaces. Estas especificaciones se definen en las denominadas 'Especificaciones de la compañía'.
Además de los sistemas de control, los sensores también son cada vez más capaces de ser tratados como sistemas independientes. Estos proporcionan datos para monitorización, diagnóstico y análisis de estado. Si se integran en los respectivos sistemas, pueden realizarse autooptimizaciones, como el mantenimiento predictivo, en el que se identifica la necesidad de mantenimiento de un componente de la planta a partir de los datos del sensor.
Los sistemas de sensores inteligentes y de red, así como los controles del PLC con sus acoplamientos a la máquina real, se denominan CPS (Sistema ciberfísicos). Tales CPS son un componente importante para la Industria 4.0.
Connectividad
Para la comunicación en la Industria 4.0, las redes deben tener conexiones que permitan el acceso de acuerdo a reglas precisas utilizando mecanismos comunes como cortafuegos.
En el entorno de la TI normal, la creación de redes suele estar ya en marcha. La comunicación entre los sistemas debe crearse mediante normas y configuraciones adecuadas de las interfaces estándar.
En la red de producción, a menudo hay algunas áreas en las que aún no se ha establecido una red. La creación de redes debe entonces ser fundamental y los componentes con los que se va a realizar la comunicación también deben ser compatibles con la red. Las tecnologías para el networking aquí van desde simples cables de red a través de WLAN a las tecnologías RFID y 5G.
Almacenamiento en la nube
¿Es la nube un requisito necesario para la Industria 4.0? No, pero es el siguiente paso lógico.
Los pasos descritos hacia la Industria 4.0 a través de la comunicación entre sistemas no se limitan a la producción. Se pueden crear más conexiones a través de la nube, lo que permite que la producción se controle y optimice.
Una posible aplicación es el propio producto, que puede comunicar sus datos a su propio ciclo de vida si dispone de equipo técnico suficiente. El producto comunica sus datos a la nube y el fabricante puede incorporar los datos obtenidos en el desarrollo ulterior del producto u ofrecer los servicios necesarios para el producto.
Además del producto, los clientes y proveedores también pueden integrarse en el proceso de producción a través de la nube para, por ejemplo, coordinar los procesos de entrega en tiempo real o optimizar el suministro de materias primas.
Con la nube, la idea de Industria 4.0 tiene una esfera de influencia aún más amplia.
Es muy probable que la cuarta revolución industrial gane más impulso y se extienda gradualmente a todas las áreas de la producción industrial.
Socialmente, esto conducirá a cambios importantes, como lo hizo después de las revoluciones industriales anteriores. Para los consumidores, siempre habrá mejores productos en red con un alto grado de individualización. Como resultado, las fábricas necesitarán cada vez menos trabajadores de las fábricas, pero la demanda de servicios y profesiones creativas aumentará bruscamente. Desde un punto de vista técnico, se intercambiarán más y más datos cada vez más rápido para lograr una producción óptima.
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