Automatización abierta: una nueva era para la fábrica inteligente

La automatización abierta es un enfoque que facilita la digitalización de las fábricas con la ayuda de una plataforma en la nube que puede ampliarse libremente. Se basa en el uso de interfaces de programación abiertas orientadas a la fabricación inteligente. Estas interfaces permiten integrar con facilidad aplicaciones de terceros para tecnologías de pesaje y producción; por ejemplo, básculas de control y funciones de regulación y control de calidad.

Para implantar la automatización abierta es indispensable disponer de sensores, células de carga y amplificadores de medida inteligentes. Igualmente, se necesitan otros componentes intrínsecamente inteligentes, como "interfaces abiertas" o "edge computing", para procesar los datos de manera eficiente y específica. Este artículo analiza los requisitos de este tipo de sistemas, con especial énfasis en la integración del software.

Optimizar los procesos, reducir los costes y, como resultado... mejorar la rentabilidad

La aparición de la Industria 4.0 —el internet industrial de las cosas—, ha abierto nuevas posibilidades de enorme calado para los entornos de producción. La mejora del control de los procesos eleva el rendimiento y la calidad de los productos que se fabrican. La posibilidad de detectar y resolver problemas de calidad de forma precoz evita rechazos de producción costosos. Por otro lado, es posible identificar más fácilmente mejoras potenciales en la calidad mediante una monitorización más eficiente de la producción. Eso, a su vez, permitiría mejorar más rápidamente la calidad de los productos. En las aplicaciones de pesaje y envasado, se pueden acortar los tiempos de producción, monitorizando y documentando al mismo tiempo los requisitos legales de exactitud.

Las cadenas de medida inteligentes aportan información sobre el estado de las máquinas individuales y permiten predecir el desgaste crítico de sus componentes. Así, se pueden pedir los repuestos necesarios con antelación, se pueden planificar paradas de mantenimiento más cortas y se pueden evitar tiempos de inactividad prolongados de las máquinas.

En los entornos de producción actuales, los PLC se están sustituyendo cada vez más por aplicaciones de software o —incluso— por aplicaciones en la nube. Del mismo modo que plataformas como Amazon, eBay, Facebook, Google, Instagram, LinkedIn, Spotify, Twitter o WhatsApp lideran el internet de las cosas, esa misma tendencia hacia el desarrollo de plataformas está ganando adeptos en el campo del internet industrial de las cosas, o IIoT.

Control por voz, integración con programas de correo electrónico, aplicaciones y otros ejemplos de soluciones innovadoras autónomas

Esta nueva apertura se traduce en soluciones innovadoras y fáciles de usar, como el control por voz y chat o la integración en programas de correo electrónico. En una plataforma IIoT abierta, los asistentes por voz y chat, como Alexa o Cortana, pueden proporcionar a petición información sobre el estado de las máquinas de una línea de producción. Igualmente, es posible integrar ventanas de información en Outlook y en otros programas de correo electrónico, en las que se muestre el estado de la producción o desde las que se pueda acceder directamente a los informes. O enviar notificaciones de alarma si se sobrepasan valores límite almacenados, o si se produce algún error o parada. Del mismo modo, la aplicación de una fábrica puede enviar mensajes push en tiempo real cada vez que se produce un suceso importante, como una pieza defectuosa o una parada de una máquina.

Fig. 1: Control de máquinas y de la producción en una fábrica inteligente

Equipos inteligentes: edge computing

Un aspecto fundamental de los equipos modernos de pruebas y medición y, en general, de la fábrica inteligente de la Industria 4.0 es que los componentes de medida, como los sensores o los amplificadores de medida tienen inteligencia incorporada. O, dicho de otro modo, son capaces de preprocesar los datos.

Este aspecto es muy importante, por más que los conceptos “Industria 4.0” e “IIoT” suelan asociarse a las soluciones en la nube. Las soluciones modernas se centran en la facilidad de uso. Por ejemplo, en los dispositivos modernos no hace falta tener grandes conocimientos de programación para crear tareas: todo es más fácil. Esta evolución es comparable a la de los teléfonos móviles: inicialmente eran objetos puramente utilitarios, sin funciones especiales y con posibilidades de uso limitadas, pero ahora se han convertido en aparatos muy versátiles que se manejan de una forma sencilla e intuitiva. Y se está produciendo otra transformación interesante: estamos dejando de programar tareas; ahora nos limitamos a parametrizarlas. Un ejemplo de ello son los canales de cálculo internos ("edge computing") de los amplificadores de medida inteligentes ClipX, DSE-HIE, PMX y WTX, todos de HBK. Todos ellos ofrecen un amplio espectro de funciones preprogramadas que el usuario solo tiene que configurar. Con ello se reducen los tiempos y se minimizan las posibles fuentes de error durante las implantaciones.

Procesamiento de datos adaptado a la aplicación

El principio básico es: Los datos deben procesarse allí donde tenga más sentido hacerlo. Debe utilizarse una solución en la nube cuando se requiere tanto capacidad de almacenamiento como potencia de cálculo; por ejemplo, para los datos históricos de un sistema o los que solo se analizan a largo plazo.

Pero eso no quiere decir que la nube sea la solución ideal para todo, a pesar sus ventajas innegables. Por ejemplo, es mejor procesar de forma local los datos con criticidad temporal que dependen de la baja latencia de un sistema, de modo que puedan emplearse para iniciar respuestas rápidas como, por ejemplo, detener una máquina. Este tipo de soluciones se denominan “edge computing” o “computación en la periferia” y contrastan claramente con la computación en la nube.

Garantizar la interoperabilidad entre protocolos adecuados

Para crear sistemas eficientes que, en el futuro, puedan expandirse fácilmente, es importante utilizar un protocolo adecuado. Una solución que nos proponga un fabricante con un protocolo propio o poco generalizado puede ser inicialmente más barata, pero no compensa a largo plazo. Precisamente por eso, OPC Foundation ha desarrollado el estándar de intercambio de datos OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture). Es independiente de cualquier plataforma y facilita el intercambio de datos en las comunicaciones industriales, sea cual sea el fabricante, el lenguaje de programación del dispositivo o el sistema operativo. Este protocolo hace posible igualmente el intercambio en formatos semánticos legibles para las máquinas.

Los grupos de trabajo de OPC Foundation también trabajan en la definición de perfiles especiales para aplicaciones en las industrias manufacturera y de procesos. Por ejemplo, se ha desarrollado un perfil para aplicaciones de pesaje que recoge los requisitos especiales, los métodos de trabajo y las especificaciones legales de este sector. De esta manera, el software se comporta como un sistema modular que puede integrarse de forma óptima en el conjunto de una aplicación, ahorrando una cantidad de tiempo enorme.

Se pueden definir distintos niveles de usuarios, de forma combinada con mecanismos de autenticación y encriptación, para garantizar un alto grado de seguridad y protección de los datos que se transmiten. El protocolo OPC UA ofrece un modelo cliente-servidor basado en TCP o HTTPS, y también un modelo de publicación-suscripción para distintos campos de aplicación, utilizando UDP, AMQP o MQTT. Los fabricantes solo tienen que preocuparse de transmitir de forma segura los datos que suministra el dispositivo.

Interfaces abiertas para una solución global: API y drivers

Otra tendencia en el internet de la cosas es la que promueve la iniciativa Open API en Estados Unidos: facilitar el libre intercambio de datos entre aplicaciones de diferentes fabricantes, mediante interfaces de programación de usuario abiertas (API).

En ese sentido, los amplificadores de medida industriales de HBK llevan integrado un directorio de objetos. Utilizando una clave o una lista de comandos, todos los objetos del amplificador se pueden leer o modificar empleando, por ejemplo, una conexión socket TCP/IP o comunicaciones a través de bus de campo. Eso ofrece una base robusta para la parametrización y el control remoto completo del amplificador, sin necesidad de utilizar el servidor web integrado.

Fig. 2: Interfaces de software de un amplificador de medida inteligente (en la imagen, ClipX)

API para integración de dispositivos con C/C++ y C#

Con el fin de facilitar también la integración con aplicaciones de software más pequeñas o específicas de clientes, se ha desarrollado una API para el amplificador de medida ClipX, basándose en su directorio de objetos. Esta API consiste en un archivo .dll y utiliza una sólida estructura de funciones que permite integrar fácilmente el amplificador en nuevos entornos, como por ejemplo aplicaciones en C, C++ y C#. La API está disponible sin coste en la página web de HBM, para Windows (archivo .dll) y para Linux (compilada en un archivo .so). Como los archivos .dll/.so se han desarrollado en el lenguaje de programación C++, para integrarlos en un proyecto programado en C se requiere una interfaz para C, que también se incluye. Así, incluso en los programas de desarrollo propio, se puede acceder a los dispositivos sin ningún esfuerzo y controlarlos según las necesidades. Todos los parámetros del amplificador pueden leerse o modificarse.

Ejemplo de aplicación: células de carga en una aplicación web de control de calidad

¿Cómo podemos conectar máquinas heterogéneas a las nuevas plataformas IIoT de la manera más sencilla posible? Esa es una pregunta crucial para los responsables de las plantas; evidentemente, los proveedores de plataformas deben ofrecer soluciones sencillas. Por ejemplo, la conexión de las máquinas de pilotaje no debe durar más de tres días, incluida la conexión en red con el nivel de planificación (ERP) a través de un adaptador. Si después queremos convertir los volúmenes de datos masivos de estas máquinas en datos inteligentes utilizables en tiempo real, necesitaremos un procesamiento de datos de alto rendimiento tipo “edge” o tipo nube. El objetivo es crear imágenes digitales en espejo en varios ordenadores de la planta, de modo que los responsables de producción y los trabajadores puedan analizar virtualmente y optimizar las condiciones de funcionamiento.

En HBK estamos automatizando cada vez más pasos de trabajo dentro de nuestros propios procesos de producción. Un ejemplo de la transformación inteligente del trabajo manual lo encontramos en el control de calidad: para fabricar células de carga de torsión anular (RTN) se debe asegurar que se alcanza la temperatura correcta en unos hornos especiales.

Fig. 3: Registro antes de la automatización

Antes de automatizar el proceso, se registraba una curva de temperatura en papel, utilizando un polígrafo analógico, y un empleado la ajustaba manualmente al valor de referencia con ayuda de una plantilla. Para automatizar este paso del proceso y evitar errores humanos de ajuste, los hornos se equiparon con cinco sensores de temperatura Pt100, cada uno de ellos conectado a un amplificador ClipX. Todos los amplificadores ClipX se conectaron entre sí a través de un bus interno para ClipX, que garantiza la sincronización de la señal.

Fig. 5: Visualización del proceso en la nube

A efectos de evaluación, los datos se envían al Nexeed Production Performance Manager (PPM) de Bosch mediante el protocolo REST y se comparan automáticamente con una curva objetivo. Si las desviaciones superan un valor delta predefinido, se activa una señal de alarma y se puede corregir al instante un posible error.

Fig. 6: Evaluación de un proceso individual (evolución de la temperatura) en el PPM

Conclusión: Los datos generan valor añadido

Bien utilizado, el internet industrial de las cosas ayuda a las empresas a sacar el máximo partido de sus datos. Para ello, las empresas necesitan una infraestructura de red, una gestión eficiente de los datos y el apoyo de aplicaciones en la nube. En la industria de la automatización, la influencia de las aplicaciones de software es cada vez mayor. La automatización abierta y las interfaces abiertas aportan una gran libertad, ya que permiten a los programadores integrar su infraestructura de TI ya existente con aplicaciones de gestión de datos de herramientas, aseguramiento de la calidad o mantenimiento predictivo.

Fig. 7: Sensores y cadenas de medida inteligentes de HBK adaptados a la automatización abierta

Las empresas que utilizan estas interfaces abiertas integradas pueden, a su vez, construirse una arquitectura de TI individualizada. El software de conectividad en red, control, análisis y procesamiento de datos puede dejar obsoletos numerosos componentes. Lógicamente, el hardware que se utiliza debe ser perfectamente compatible e interoperable con las herramientas de software. Con estas implantaciones de Industria 4.0, los procesos de producción y calibración son más seguros y —lo que es más— pueden conectarse en red con otras fábricas y a escala mundial, a través de una intranet o de internet.

HBK ofrece un amplio catálogo de opciones para integrar sus equipos con multitud de aplicaciones de software bien contrastadas. Directamente con aplicaciones de adquisición o mediante interfaces abiertas para integración individualizada con muchísimas aplicaciones en la nube. Disponemos de sensores, células de carga y electrónica de medición con interfaces abiertas para integración individualizada en distintas aplicaciones en la nube. Los amplificadores de HBK son compatibles con multitud de protocolos y, por tanto, son fáciles de integrar tanto en redes existentes como en nuevas aplicaciones y redes.