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IIoT como catalizador del mantenimiento, la reparación y las operaciones en la era de la Industria 4.0

Las iniciativas públicas de automatización industrial como la Industria 4.0 y el enfoque más amplio de Internet de las Cosas Industrial (Industrial Internet of Things, IIoT) tienen profundos efectos sobre la fabricación. Prometen unos procesos y unas organizaciones industriales más eficientes, rentables y ágiles, y se basan en la captura y el análisis de datos, así como en aumentar el rendimiento con los activos de producción disponibles. Para aumentar el rendimiento es necesario mantener unas condiciones óptimas de trabajo y supervisar constantemente los indicios de desgaste y avería potencial. Es preciso gestionar minuciosamente el tiempo de inactividad y mantenerlo en un mínimo absoluto. En este artículo se estudia cómo las tecnologías IIoT permiten transformar el mantenimiento, la reparación y las operaciones (MRO) así como la función clave que desempeñan los sensores para permitir esta transformación.

Industria 4.0 y MRO

La Industria 4.0 se basa en la “fábrica inteligente”, en la cual unos sistemas ciberfísicos supervisan los procesos físicos de la fábrica y toman decisiones de forma descentralizada. Estas son algunas de las características habituales de una fábrica o sistema de la Industria 4.0:

  • Colaboración: máquinas, dispositivos, sensores y personas que se conectan y se comunican entre sí.
  • Transparencia de la información: los sistemas crean una copia virtual del mundo físico a través de los datos de los sensores para contextualizar la información.
  • Asistencia técnica: la capacidad de los sistemas de ayudar a las personas a tomar decisiones y a resolver problemas y la capacidad de ayudas a las personas en tareas demasiado difíciles o peligrosas.
  • Aprendizaje automático/IA: la capacidad de los sistemas ciberfísicos de tomar decisiones sencillas por sí mismos y ser tan autónomos como sea posible. La mayor sofisticación de los procesos de producción impulsada por las tecnologías de la Industria 4.0 aumenta la demanda de MRO; a medida que el entorno se hace más competitivo, aumenta la necesidad de aumentar el valor obtenido de los activos, especialmente en sectores intensivos en capital, como aeroespacial, petróleo y gas, minería, química y procesamiento de metales. Maximizar el rendimiento de los activos exige prolongar su vida útil y mantenerlos en línea tanto como sea posible respetando la normativa, la seguridad y otras reglamentaciones. La importancia de MRO como disciplina empresarial impulsada inicialmente por el sector aéreo, donde MRO constituyen entre del 12 al 15 por ciento de los costes operativos, ha aumentado en línea con la creciente atención que se presta al rendimiento de los activos.

Ámbito y factores que impulsan MRO

Se puede decir que el sector aéreo ha encabezado la evolución de MRO desde principios de la década de 1950 debido a la innovación de los modelos de negocio fomentado por el número de proveedores existentes. Los factores que han impulsado las estrategias de MRO varían en función del sector, pero tienen en común la reducción de los costes operativos y la mejora de la productividad. Otros factores, como seguridad, cumplimiento de la normativa y satisfacción del cliente, pueden tener igual importancia dependiendo del sector. En el sector aéreo, por ejemplo, la seguridad es fundamental, mientras que en una fábrica los tiempos de inactividad no programados pueden provocar una pérdida de producción que se traduzca en un descenso de la facturación y/o en un descenso de los niveles de satisfacción del cliente. Se describe a continuación una situación de mantenimiento prescriptivo.

Un avión moderno en vuelo es capaz de generar terabytes de datos desde los sensores que lleva a bordo ya que tan solo el motor tiene hasta 5.000 elementos que se supervisan en todo momento. Estos datos se pueden analizar constantemente durante el vuelo y se pueden utilizar para identificar cualquier cuestión o requisito de mantenimiento. Se pueden realizar pedidos a los proveedores y programar el trabajo de equipos de mantenimiento en pleno vuelo de manera que, cuando aterriza el avión, todo está preparado: técnicos, documentación, piezas, etc. con el fin de asegurar a una respuesta rápida, es decir, que el avión sea atendido y esté listo para su próximo vuelo tras pasar el mínimo tiempo en tierra. El tiempo de acción en tierra (el Aircraft on Ground o AOG es un factor crucial; cada segundo que un avión civil no está volando representa una pérdida económica para la compañía).

El ejemplo anterior también indica el ámbito de MRO, que incluye adquisición de datos, transmisión, almacenamiento y análisis de datos, procedimientos de mantenimiento y documentación y funcionalidad ERP, como organización de recursos y operaciones en la cadena de suministro. Otras áreas que pueden pertenecer asimismo a este entorno son la gestión inteligente de stock y procesos de cara al cliente como el seguimiento de equipajes. Se pueden entrever otros entornos similares en sectores donde el creciente despliegue de sensores IIoT permite detectar los primeros indicios de fatiga o fallo de un activo antes de que sean críticos. Los métodos tradicionales de MRO basados en mantenimiento preventivo pueden ser costosos por lo que respecta a mano de obra, piezas y las consecuencias del tiempo de inactividad. Por ejemplo, detener una refinería de petróleo puede costar hasta 1 millón de dólares por hora.

El trabajo se realiza tanto si es necesario como si no lo es, las piezas se sustituyen durante la ventana de inactividad y la capacidad de producción se pierde o se ve afectada a lo largo de la duración de la ventana de inactividad. La eclosión de las tecnologías IIoT genera, por tanto, una oportunidad para que las organizaciones transformen sus estrategias de MRO y se acerquen al modelo de mantenimiento prescriptivo antes descrito. Las propias tecnologías constituyen una parte fundamental de esta transformación, así como la capacidad de las organizaciones de integrar estas tecnologías en sus procesos de MRO.

IIoT y MRO

En esta sección examinaremos con más detenimiento cómo permite IIoT transformar las estrategias de MRO y revisaremos algunas tecnologías y aplicaciones de IIoT fundamentales para esta transformación.

Cosas: sensores y actuadores

El crecimiento exponencial del número y la diversidad de “cosas” está impulsando la innovación en el diseño de sensores embebidos y estos dispositivos deben integrar un nivel cada vez mayor de funcionalidad en encapsulados más pequeños. Dado que muchas aplicaciones trabajan en tiempo real, ello exige el procesamiento de más datos “en la periferia” y las aplicaciones remotas necesitan dispositivos de muy bajo consumo. Un sensor típico tendrá las siguientes características:

  • Detección de variables externas: generalmente exige tecnología analógica y posiblemente amplificación
  • Conversión de analógico a digital
  • Capacidades de procesamiento local
  • Funcionalidad de transceptor de RF
  • Bajo consumo y tamaño cada vez menor, por ejemplo, en dispositivos vestibles Estos requisitos, y especialmente las exigencias relacionadas con el tamaño y el consumo, son difíciles de cumplir con componentes discretos, por lo que aumenta el número de instalaciones de sensores basadas en el diseño de silicio a medida, o System on Chips (SoC). Un SoC, cuyo tamaño es un poco mayor que el de una CPU, ofrece una funcionalidad mucho mayor y, debido a su nivel muy alto de integración, ofrece un consumo considerablemente más bajo que una solución basada en componentes discretos, un aspecto fundamental en numerosas aplicaciones de IoT. La producción de SoC es realizada por empresas especializadas en el diseño y las técnicas de fabricación de silicio, como S3 Semiconductors, que tiene su sede en Dublín. A lo largo de sus 20 años de experiencia, S3semi ha desarrollado un catálogo de propiedad intelectual para tecnologías de sensores que puede ofrecer como licencias para diseños personalizados y se puede incorporar en plataformas personalizadas, como su SoC SmartEdge (figura 1).

Red local: protocolos de comunicaciones

Al igual que ocurre con los sensores, la evolución de los protocolos de comunicaciones ha sido un factor fundamental para el impulso de IIoT. Los protocolos de comunicaciones empleados por el sensor embebido dependen del entorno en el que deba funcionar el dispositivo y los requisitos para los sensores de IIoT son tan diversos que existe una sola tecnología de comunicaciones que pueda cumplir todos ellos por lo que se refiere a alcance, consumo, tamaño y coste. Aunque Wi-Fi pueda parecer la elección evidente para algunas aplicaciones, las nuevas tecnolo gías de red permiten desarrollar soluciones de bajo coste y bajo consumo. Estas tecnologías facilitan la creación de redes extensas formadas por dispositivos inteligentes de muy pequeño tamaño. La Figura 2 describe ofrece una descripción general de algunas de estas tecnologías. Existen además numerosas redes inalámbricas especializas para varios sectores, como 6LoWPAN, ANT, Zigbee/Zigbee IP, Wireless M-Bus, ISA100 y otras.

Pasarelas/Internet/servicios back-end: plataformas IIoT

Debido al gran cantidad de datos que manejan los procesos y sistemas industriales, el reto al que se enfrentan las organizaciones es dar sentido a todo ello, así como tomar decisiones y realizar acciones en tiempo real. Este requisito ha provocado la aparición de plataformas IIoT que ofrecen capacidades como la gestión de terminales IIoT y conectividad, análisis de datos, desarrollo de aplicaciones para IIoT y herramientas de integración. En sectores con procesos más maduros de MRO, que disponen de numerosos datos sobre los activos, las compañías están realizando grandes inversiones en software y aplicaciones que procesarán el enorme volumen de datos disponibles (big data) para obtener una mejor comprensión y facilitar la toma de decisiones. En el sector de la aviación, por ejemplo, AFI KLM es una empresa conjunta de Air France y KLM que se ha establecido para proporcionar servicios de subcontratación de MRO a otras líneas aéreas. Los equipos de ingeniería de AFI KLM han desarrollado una plataforma denominada PROGNOSIS, que incorpora una serie de algoritmos que utilizan los datos descargados automáticamente por la Wi-Fi desde el avión durante sus paradas en el aeropuerto de París-CDG.

Los resultados se transfieren en tiempo real al Centro de Control de Mantenimiento, donde los especialistas reciben alertas de componentes que pueden poner en marcha las operaciones de mantenimiento de forma automática. En el sector de control de fábricas/ procesos, dos compañías japonesas, Yokogawa Electric Corporation e Iwaki Co., Ltd., colaboran en el desarrollo de pruebas de concepto para un servicio de supervisión remota de una bomba. Yokogawa está desarrollando un dispositivo de pasarela IIoT que recibirá datos de sensores procedentes de una bomba a través de una red de área amplia de bajo consumo (low power wide area network, LPWAN) u otro enlace inalámbrico o de un interface de comunicaciones analógico/digital. Una vez en la nube, se puede acceder a estos datos mediante una red celular o fija. Con esta prueba de concepto, Yokogawa intenta crear un sistema de mayor aplicación en procesos industriales que simplifica el proceso de conexión a sensores y otros instrumentos, y transferir esos datos a la nube.

Conclusión

Las tecnologías IIoT se basa cada vez más en la efectividad de los procesos empresariales de MRO. La captura precisa y fiable de datos es un requisito fundamental y, dado que los desarrollos en el ámbito de la tecnología embebida han impulsado la proliferación de sensores inteligentes, ha crecido exponencialmente el volumen de datos procedentes de los activos operativos. El desafío para las operaciones de MRO consiste en capturar y comprender qué indican los datos y en tomar las decisiones y las acciones de respuesta. El objetivo final en MRO es el mantenimiento prescriptivo, que puede identificar los problemas antes de que se manifiesten y dar todos los pasos necesarios para realizar el mantenimiento de manera que afecte mínimamente al funcionamiento de los activos. Las principales organizaciones están destinando fuertes inversiones a las capacidades de su plataforma IIoT, como software de aplicaciones, permitirá una transformación de sus MRO. En muchos casos estas organizaciones están constituyendo empresas conjuntas para compartir inversiones, conocimientos y tecnología.  

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