La fábrica digital, cuyas operaciones se basan en datos, representa un sistema de elementos componentes que trabajan en armonía para optimizar la eficiencia operativa en toda la planta de producción. En cierto modo, podría compararse con el cuerpo humano. Los sensores actúan como los ojos y los oídos que permiten a un controlador central, o cerebro, ser consciente de su entorno. Los actuadores actúan como los músculos para realizar los ajustes necesarios. La red de conectividad de la fábrica puede equipararse al sistema nervioso desplegado por todo el cuerpo, mientras que la piel representa la tecnología de ciberseguridad crucial para proteger los datos.
Ventajas de la fábrica digital
Antes de explorar los componentes de la fábrica digital, esbozaremos primero sus ventajas. Las ventajas de la fábrica digital se centran en permitir una mayor productividad, lo que está transformando el panorama de la fabricación. Los nuevos conocimientos del ecosistema de la fábrica digital ayudan a tomar decisiones en tiempo real. Esto se traduce en una mejora de la calidad de los productos y un aumento de la eficiencia operativa general, lo que culmina en procesos de producción más sostenibles. Dado que el sector industrial consume aproximadamente el 50 % de la energía total del mundo,1 para los fabricantes con un objetivo de cero emisiones netas, la fábrica digital conectada está en el centro de esta transformación. Además de los beneficios de sostenibilidad, las fábricas digitales proporcionan la flexibilidad y la configurabilidad en tiempo real para responder rápidamente a los cambios en la demanda de los consumidores. Por ejemplo, en el sector sanitario, existe una demanda creciente de dispositivos médicos personalizados, como implantes articulares impresos en 3D adaptados a la anatomía de cada paciente. A medida que los diseños de las fábricas se vuelven más modulares y las células de producción se hacen más pequeñas y adaptables, los flujos de trabajo pueden programarse y modificarse en tiempo real, lo que aumenta la velocidad de fabricación y favorece la viabilidad de los esfuerzos de deslocalización competitiva en Europa y Norteamérica.
Figura 1. La anatomía de la fábrica digital.
Figura 2. Beneficios de la fábrica digital.
Datos: el alma de la fábrica digital
Tanto los datos en tiempo real como los que no lo son, procedentes de múltiples fuentes de toda la fábrica, deben analizarse de forma rápida y fiable, en el Intelligent Edge (el lugar donde nacen los datos), y agregarse a nivel central para revelar una imagen holística del funcionamiento completo de la fábrica. Los conocimientos operativos derivados de estos datos son esenciales para aprovechar todo el potencial de eficiencia operativa de la fábrica.
Sensores: los ojos y los oídos de la fábrica digital
Es necesario desplegar más sensores y más modalidades de detección, como temperatura, presión, caudal, proximidad y vibración, para adquirir los datos necesarios. Se requiere tecnología de medición y detección de precisión para detectar, medir e interpretar continuamente los activos de la fábrica. La tecnología IO-Link® permite que los sensores se vuelvan inteligentes. Un sensor de presión decide localmente si la presión excede el umbral requerido y, por lo tanto, solo necesita proporcionar al controlador una única variable de bit booleano (sí o no), que representa un bit de datos en lugar de un valor digital completo que representa la medición de presión real. La toma de decisiones localizada ahorra tiempo de comunicación y procesamiento, lo que permite un control distribuido eficiente.
Actuadores: el músculo de la fábrica digital
Los actuadores, a menudo los héroes olvidados de la fábrica digital, actúan como el músculo, fundamental para realizar el trabajo. Estos actuadores se utilizan para controlar válvulas, pistones y otros dispositivos mecánicos. Esto permite controlar con precisión el flujo de fluidos, asegurando que se suministre la cantidad correcta de material a cada parte del proceso.
Tanto los sensores como los actuadores deben ser tolerantes a las condiciones que se encuentran en su espacio de aplicación. Los entornos industriales hostiles incluyen altas temperaturas y exposición a emisiones de compatibilidad electromagnética (CEM), así como picos transitorios de tensión de alimentación y vibraciones mecánicas. Para estos sistemas de detección de bordes y accionamiento, el suministro de energía es otra consideración clave. Los requisitos de rendimiento del suministro de energía aumentan a medida que los sensores y los accionadores se hacen más pequeños, al tiempo que aumenta la precisión y la calidad de la adquisición de la señal. Esto exige soluciones de gestión de energía altamente eficientes y de bajo ruido con un tamaño reducido, algo fundamental en diseños que a menudo tienen limitaciones de espacio. Sin la tecnología de alimentación adecuada para los requisitos de detección específicos, no se pueden aprovechar las ventajas de la configurabilidad en tiempo real de la fábrica digital.
Figura 3. Bloques de construcción de la fábrica digital moderna.
Inteligencia periférica y central: el cerebro de la fábrica digital
Dado que la fábrica digital requiere que los dispositivos periféricos tengan mayores niveles de funcionalidad e inteligencia, deben realizarse más cálculos y análisis dentro del propio dispositivo para permitir la toma de decisiones localizadas. Para permitir dicha autonomía periférica, se requieren motores locales de inteligencia artificial (IA)/aprendizaje automático (AA), aceleradores de baja potencia, mayor memoria y potencia de procesamiento. La fusión de sensores es otro tipo de inteligencia periférica en la que los datos de múltiples tipos diferentes de sensores pueden combinarse simultáneamente para revelar una medición más precisa, algo que sería imposible utilizando sensores de forma individual. Con los nuevos ADC de alta precisión y gran ancho de banda, se puede utilizar un único sensor frontal para monitorizar múltiples elementos sensores, ahorrando espacio y energía. La tecnología de microcontroladores de IA permite que las redes neuronales se ejecuten con un consumo de energía ultrabajo, mientras que los transmisores de bajo consumo ofrecen mejores capacidades de diagnóstico incluso en plantas de procesamiento remotas, que a menudo son una extensión de la fábrica inteligente.
Figura 4. Habilitar la autonomía periférica con sensores inteligentes.
Conectividad: el sistema nervioso de la fábrica digital
A pesar de la autonomía de estos dispositivos periféricos, para que los fabricantes puedan extraer información valiosa y mejorar la productividad a partir de la abundancia de datos disponibles, es fundamental la capacidad de transportar, analizar y fusionar estos datos con los flujos de información existentes en la fábrica. Esto requiere una tecnología de conectividad industrial robusta, de baja latencia, con límite de tiempo y bajo consumo. 10BASE-T1L es un estándar de capa física Ethernet (IEEE 802.3cg-2019) que cambiará drásticamente la industria de la automatización de procesos al mejorar significativamente la eficiencia operativa de la planta a través de una conectividad Ethernet perfecta a los dispositivos de campo (sensores y actuadores).2
Figura 5. Convergencia de TI/TO dentro de la fábrica digital.
En las fábricas actuales, se despliega una red de tecnología de la información (TI) a nivel de oficina/empresa. La red de TI se ocupa tradicionalmente de cuestiones como el almacenamiento de datos, el análisis de datos y las aplicaciones empresariales. Aunque son importantes, no suelen ser tan urgentes como el intercambio de datos en la planta de producción. La red que gestiona las líneas de producción en la planta de producción se denomina red de control de tecnología operativa (TO). Dentro de esa red de control, puede haber múltiples celdas o máquinas de producción diferentes que a menudo tienen una capacidad limitada para comunicarse entre sí. El concepto de red convergente de TI/TO dentro de la fábrica digital cambia todo esto. Ofrece una red de fábrica unificada, donde todos los dispositivos, máquinas y robots están conectados e interconectados, y hablan el mismo idioma. Cada dispositivo direccionable por IP puede comunicarse en tiempo real o casi real y configurarse independientemente de otros dispositivos en la red. Las tecnologías clave que hacen posible una red de fábrica digital tan convergente son Ethernet industrial, redes sensibles al tiempo (TSN), Ethernet-APL (capa física avanzada) e IO-Link. Con todos los dispositivos hablando el mismo lenguaje de Capa 2, ahora es posible controlar tanto las partes de TI como las de TO de la red con el mismo sistema de control y gestión de red, respetando al mismo tiempo el tráfico sensible al tiempo de la red operativa. El gran volumen de tráfico, tanto urgente como no urgente, exige actualizaciones de la red para aumentar el ancho de banda y garantizar la entrega de datos sin latencia, lo cual es fundamental para la alta calidad de los productos y la eficiencia operativa de la planta de fabricación. La convergencia de OT y TI hace que las oportunidades de escalabilidad sean prácticamente ilimitadas.
Ciberseguridad: la capa de piel que protege los datos digitales de confianza de la fábrica
Con el aumento de la interconectividad surge la necesidad de una mayor seguridad de los datos, ya que los entornos de fábricas inteligentes exponen a las personas, la tecnología, los procesos y la propiedad intelectual a las ciberamenazas. Esto está impulsando la necesidad de funciones como el arranque seguro, la actualización segura de software, la autenticación de transmisión segura y la raíz de confianza del hardware. Un aspecto fundamental para asegurar una red es la autenticación de cada nuevo dispositivo que intenta conectarse a la red. Consiste en comprobar que el dispositivo es auténtico antes de autorizar cualquier transacción de red con él. Al igual que la autenticación de dispositivos, el arranque seguro es imprescindible, ya que garantiza que los equipos de campo ejecuten únicamente software procedente de una fuente de confianza con criptografía de clave pública empleada para verificar la firma digital del firmware.
¿Qué soluciones tecnológicas están disponibles en la actualidad?
Analog Devices siempre ha sido valorada por su innovadora tecnología de precisión utilizada para detectar, medir y controlar con precisión los dispositivos en toda la fábrica. Combinando esto con una amplia cartera de conectividad y energía industrial, y capacidades digitales adicionales, incluida la experiencia en IA, ADI tiene la tecnología y la experiencia en el dominio para hacer realidad las capacidades avanzadas de la fábrica digital.
- Los ADC sigma-delta multicanal de bajo ancho de banda, como la familia AD4130, integran todos los circuitos frontales analógicos para una fácil interconexión con múltiples tipos de sensores. Esto permite la fusión de sensores con diagnósticos avanzados para apoyar la detección de fallos localizados y la rápida toma de decisiones.
- El MAC-PHY ADIN1110 10BASE-T1L de menor consumo de la industria y el PHY ADIN1100 que lo acompaña permiten la transición a dispositivos de campo conectados a la perfección, llevando Ethernet-APL hasta el borde del proceso, a lo largo de 1,7 km de cables Ethernet de un solo par.
- En cuanto a la ciberseguridad, las soluciones llave en mano basadas en hardware permiten a los clientes integrar fácilmente la seguridad de los datos en sus productos. El DS28S60 y el MAXQ1065 son circuitos integrados (CI) seguros de consumo ultrabajo que permiten la criptografía de clave pública incluso en los diseños con más limitaciones de potencia y recursos computacionales.
- El microcontrolador de IA MAX78000 permite que las redes neuronales se ejecuten con un consumo ultrabajo, proporcionando información procesable de la IA en el extremo.
El camino hacia el despliegue generalizado de la fábrica digital
Las encuestas del sector sugieren que el 85 % de las empresas han acelerado la transformación digital en sus plantas de fabricación en los últimos 2 o 3 años.3 Sin embargo, las implementaciones completas de fábricas digitales aún no son la norma. La red global de fabricantes líderes del Foro Económico Mundial está demostrando cómo las estrategias de digitalización y las operaciones con infusión digital aportan beneficios más allá de las ganancias de productividad para crear una base para un crecimiento sostenible y rentable. Estos fabricantes están aprovechando las mejoras de productividad al liberar capacidad mediante el despliegue de tecnologías innovadoras. Estas tecnologías aceleran la eficiencia y, a su vez, producen resultados favorables para el medio ambiente. Esto se traduce en un doble beneficio de aumento de la productividad con mayor sostenibilidad, es decir, ecoeficiencia efectiva.
Conclusión: Haga realidad su fábrica digital
A medida que la transformación digital continúa acelerándose, las fábricas se enfrentan tanto a oportunidades como a desafíos. Las nuevas tecnologías son clave para aumentar la eficiencia, pero su implementación puede ser compleja y requiere una ejecución cuidadosa. Aprovechar socios con una profunda experiencia en el sector es primordial para mejorar las operaciones y desbloquear estas eficiencias. Esta colaboración se encuentra en el corazón de las fábricas digitales más robustas y adaptables del mañana.
Referencias
1 «Industrial Sector Energy Consumption». Administración de Información Energética de EE. UU., 2016.
2 Maurice O'Brien y Volker Goller. "Enabling Seamless Ethernet to the Field with 10BASE-T1L-connectivity". Analog Devices, Inc.
3 Janet Foutty. «How Digital Transformation and A Challenging Environment Are Building Agility and ResilienceDeloitte Insights, abril de 2021.
Sobre los autores
Tracey Johnson es directora sénior de marketing en Analog Devices, donde dirige un equipo de comercialización digital centrado en el mercado de la automatización industrial. En 2003, Tracey se graduó en Ingeniería Electrónica en la Universidad de Limerick (Irlanda). Se incorporó a ADI como ingeniera de evaluación de diseño y, desde entonces, ha desempeñado funciones en aplicaciones y marketing.
Margaret Naughton es ingeniera de marketing en Analog Devices, donde trabaja como parte de un equipo de comercialización digital, centrado en el espacio del mercado de la automatización industrial. Desde que se incorporó a ADI en 2007 como desarrolladora de software, Margaret ha desempeñado funciones en CAD, habilitación de ingeniería y marketing. Es licenciada en ingeniería informática y tiene un máster de la Universidad de Limerick.
