Conceptos básicos de fábricas inteligentes y discretas

Por Lisa Eitel | 6 de enero de 2023

Las fábricas inteligentes son instalaciones que digitalizan todos los aspectos de la fabricación o producción que permiten la digitalización. Tales operaciones registran continuamente datos a través de equipos y sistemas conectados, y luego difunden esos datos para permitir que las máquinas ejecuten rutinas de optimización automática. Dichos programas podrían ayudar a la instalación a cronometrar la producción de un producto final dado; prevenir proactivamente problemas mecánicos; y optimizar las tareas de fabricación interconectadas. Los enfoques integrales para construir fábricas inteligentes aprovechan las herramientas en la nube, la IA, el IIoT y el análisis de big data para monitorear los pronósticos de la cadena de suministro y activar líneas de producción (cada vez más adaptables) para responder.

Pasemos ahora a los detalles de la conectividad de fábrica inteligente. Los protocolos industriales que respaldan las funciones de fábrica inteligente generalmente requieren la certificación de componentes físicos; lea más sobre esto en el artículo Consejos de control de movimiento:Tendencias en Ethernet, PoE, IO-Link, HIPERFACE y soluciones de cable único . La conectividad CAT5e y CAT6, así como Power over Ethernet (PoE), es cada vez más común en máquinas automatizadas y robótica. En otros lugares, los cables flexibles CAT5e y CAT6 son compatibles con las redes CC-Link Industrial Ethernet (IE) y vienen en conjuntos de portacables con certificación UL para los mercados de América del Norte.

Considere controladores industriales compatibles con la red industrial CC-Link IE Field y que permitan intercambios de datos a 1 mseg para el control de equipos en tiempo real. Algunos de estos controladores también aprovechan la red para el monitoreo remoto, la computación perimetral, la computación de datos y la integración de hardware y software. Es típico que estos controladores tengan instalado Windows 10 IoT, aunque el sistema operativo VxWorks, así como la plataforma abierta Edgecross, también se pueden usar para procesar y distribuir datos. Algunas de estas computadoras industriales incluso incluyen pantallas táctiles para funcionar como interfaces hombre-máquina (HMI).

Las fábricas inteligentes maximizan el uso de herramientas digitales. Imagen: Phuttaphat Tipsana

El principal beneficio de HIPERFACE DSL es que permite el enrutamiento de la potencia del motor y la retroalimentación de posición a través de un cable, lo que a su vez reduce la complejidad y el costo. Además, los codificadores inteligentes HIPERFACE DSL incluyen una memoria interna para almacenar información del motor... de modo que tras la conexión inicial, un servodrive puede consultar esta información para ayudar a automatizar la puesta en marcha del motor.

De la misma manera, las soluciones de un solo cable basadas en Ethernet o incluso en cables de línea de suscriptor digital (DSL) mejoran la maquinaria que incorpora actuadores lineales, a menudo ofreciendo compatibilidad con amplificadores de varios fabricantes para una integración rápida y sin problemas entre el controlador y el actuador.

IO-Link de un solo cable también está viendo una mayor adopción para la conectividad industrial. Algunos proveedores de motores inteligentes han comenzado a integrar primarios IO-Link en las ofertas principales para admitir sensores conectables para conceptos de automatización descentralizados. Por supuesto, los motores que pueden comunicarse a través de Ethernet industrial o bus CAN no necesitan conectarse a redes IO-Link como secundarios.

IO-Link también puede digitalizar conectores analógicos heredados en componentes para impartir comunicaciones bidireccionales y tiempos de puesta en marcha más rápidos. No es de extrañar que algunos hayan adoptado la conectividad IO-Link en el lado de los controles para soporte multiprotocolo y conexión con interfaces seriales.

Considere los diversos protocolos y comunicaciones aprovechados en la conectividad IIoT, por ejemplo, SCADA, MES y arquitecturas de planificación de recursos empresariales (ERP). Estos son los más involucrados en la convergencia de TI/OT (tecnología operativa), a menudo involucrando tareas de nivel empresarial, puertas de enlace y otra conectividad para permitir la configuración del sistema a través de navegadores web estándar... así como ajustes operativos y acciones gerenciales adicionales.

Las fábricas inteligentes están dominadas por componentes y equipos con conectividad de bus de campo, Ethernet por cable, inalámbrica y en la nube.

Para ser claros, las instalaciones completas de SCADA (a pesar de su complejidad y considerables requisitos de instalación) sobresalen en la captura y el procesamiento de grandes datos; mantenimiento y uso de datos históricos; y ejecución de rutinas de análisis. Sin embargo, las soluciones de fábrica inteligente permiten una configuración más rápida de redes de acceso remoto, sistemas informáticos de borde y control central o en la máquina (HMI) sobre la configuración y los datos pertinentes de la máquina.

En muchas instalaciones de IIoT se emplea el lenguaje de consulta estructurado (SQL), programación que permite la sincronización de datos y registros de eventos con servidores de bases de datos MySQL y MS SQL. El beneficio aquí es el acceso del personal de TI que se implementa de manera más simple que las alternativas que dependen de los controles. Eso es cierto ya sea que los sistemas empleen controles básicos como Raspberry Pis o complejas interfaces de base de datos IoT basadas en PC (que generalmente requieren hardware y software adicionales).

La infraestructura, la plataforma y el software como servicio (IaaS, PaaS y SaaS respectivamente) o los servicios en la nube también están viendo una adopción masiva de cómo admiten enfoques de diseño de IIoT multifacéticos (que involucran software, hardware y conectividad). Estos incluyen Alibaba Cloud, Tencent Cloud, Google Cloud, IBM Cloud y Oracle Cloud. Sin embargo, en los EE. UU., los dos principales proveedores de servicios en la nube públicos (fuera del sitio, no de la empresa o de la red de máquinas) para la automatización de máquinas son:

Dichos servicios en la nube admiten principalmente el uso de bases de datos (a través de productos como el servicio de almacenamiento simple de Amazon o los cubos S3 y los servicios de base de datos administrados de Amazon DynamoDB), aplicaciones en línea y locales, y poder computacional bajo demanda. Relacionados con estos últimos están los servicios de AWS Lambda que permiten que la programación de Python, Node.js, Java y C# se ejecute en los servidores del servicio. Las HMI permiten a los usuarios finales aprovechar al máximo estas funciones de IIoT.

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Por supuesto, los servicios en la nube también cumplen otras funciones. Parte de lo que está impulsando la adopción de AWS y Azure para IIoT es cómo más ingenieros se sienten cómodos construyendo su propia infraestructura en estas plataformas. Después de todo, los servicios de datos basados ​​en la nube liberan a los ingenieros del trabajo de diseño adicional en el hardware y el software subyacentes, porque el proveedor ejecuta las tareas de TI. AWS y Azure también permiten el uso de software que abstrae los flujos de datos y las comunicaciones, lo que simplifica parte del trabajo de diseño con entornos de desarrollo que tienen GUI atractivas para proteger a los ingenieros de lidiar con minucias de programación.

Los servicios en la nube también facilitan la ingeniería avanzada con máquinas virtuales que ejecutan sistemas operativos y aplicaciones... sobre las cuales los ingenieros de diseño mantienen el control. Además, los servicios en la nube pueden acomodar varios servicios de comunicación en protocolos que emplean principios de publicación-suscripción, para ser el servicio maestro para todos ellos. Eso elimina la necesidad de direccionamiento que consume mucho tiempo durante la configuración del sistema.

Todas estas características pueden facilitar capacidades avanzadas, incluido el aprendizaje automático para categorizar y destilar datos... y hacer predicciones para impulsar ajustes de producción y máquinas.

Una tendencia relacionada es un mayor uso de portales en la nube seleccionados previamente por los proveedores. Estos portales (que brindan a los ingenieros una manera simple de comenzar con IIoT) son servicios en línea que se conectan con los controladores de los usuarios y las HMI de pantalla táctil. Luego, los ingenieros pueden personalizar las pantallas y los tableros de la HMI con tendencias... y configurar las notificaciones por correo electrónico de la HMI mediante un motor de reglas administrado desde el portal en la nube. La lista de funciones continúa. Algunos arreglos permiten actualizaciones remotas de software en los componentes y visualización remota de las visualizaciones web de los componentes.

Los controladores y HMI de pantalla táctil certificados para AWS GreenGrass Core esencialmente aprovechan AWS (incluidos AWS Lambda y Things Graph) para permitir que los dispositivos de borde conectados (como sensores y actuadores) actúen localmente sobre los datos que generan, y usen la nube para la administración de datos, almacenamiento y analítica. Con AWS IoT Greengrass, los dispositivos conectados también pueden ejecutar contenedores Docker del servicio de contenedores de Docker Inc.

"Nos enorgullece que MachineMetrics se una al grupo de élite de socios con competencias de la red de socios de AWS para el segmento de software industrial. MachineMetrics utiliza servicios avanzados de AWS, como Lambda y Kinesis, para crear y escalar su arquitectura para respaldar su crecimiento fenomenal. Esto permite que MachineMetrics se concentre en la creación de propiedad intelectual y diseño generativo en lugar de dedicar tiempo a administrar el almacenamiento y las bases de datos, al tiempo que reduce el costo de la informática y les brinda la potencia necesaria para ejecutar y entregar a nuestra base de clientes conjunta ", dijo el Dr. Josef Waltl, Global Segment Lead para software industrial en Amazon Web Services. Lea el artículo sobre esta aplicación aquí.

Recuerde que, en el contexto de la programación industrial, un contenedor es una pieza de software ejecutable que contiene los códigos, las herramientas del sistema, los tiempos de ejecución, las bibliotecas y las configuraciones necesarias para la ejecución independiente de una aplicación. En muchos diseños de máquinas, los contenedores están diseñados para comunicar y sincronizar datos con otros sistemas o ejecutar varias predicciones, incluso cuando están desconectados de Internet. Las ventajas de construir aplicaciones en contenedores incluyen:

Algunas HMI y controladores de montaje en riel DIN aceptan la instalación de Docker... y, de hecho, algunos proveedores lanzan regularmente contenedores prediseñados para extender los servicios a estos productos.

En cualquier lugar en el que una HMI se conecte a la nube, es probable que funcione con cierta capacidad de IIoT para brindar información sobre análisis corporativos y mejoras continuas de las operaciones. Eso es cierto para las instalaciones automatizadas que involucran de una a cientos de máquinas. Los protocolos que admiten funciones de IIoT, incluidas varias formas de comunicaciones de datos y conectividad HMI con dispositivos de borde, incluyen:

MQTT, tan fundamental para muchas estructuras de conectividad de IoT, es un protocolo que admite comunicaciones escalables entre sensores y dispositivos móviles. Cualquier soporte de dispositivo integrado para MQTT es útil porque es aplicable en los servicios de Amazon AWS IoT. Además, MQTT (como AMQP) es simple y estandarizado... y MQTT se puede implementar en HMI de puerta de enlace que manejan datos de dispositivos de campo para sistemas in situ y en la nube. Las HMI que ofrecen la mayor compatibilidad con MQTT están diseñadas para conectarse a servicios de valor agregado para el aprovisionamiento de datos que han sido procesados ​​en el borde en sistemas de terceros y se ejecutan fuera de los servicios en la nube. Dichos HMI pueden conectarse como editores de MQTT (y enviar mensajes a un intermediario) o suscriptores (y solicitar mensajes de un intermediario) o intermediarios (y administrar datos y conexiones con editores o suscriptores).

El estándar de interoperabilidad OPC UA también es indispensable para aprovechar toda la promesa de la tecnología HMI conectada. OPC UA incluye comunicaciones de publicación-suscripción en sus definiciones de especificación, por lo que puede servir como una alternativa a MQTT para el transporte de datos a la nube. Aquellos en el control de movimiento valoran más el protocolo de comunicación estandarizado de OPC UA complementado con redes sensibles al tiempo (TSN) como un bus de campo independiente del proveedor para la automatización descentralizada. OPC UA con TSN puede incluso hacer innecesarios los PLC adicionales, como en las máquinas que emplean servomotores integrados, por ejemplo. Después de todo, ahora más sistemas que nunca se benefician de las arquitecturas distribuidas que incorporan motores inteligentes y otros componentes capaces de procesar comandos y ejecutar tareas (movimiento y otras) mientras se comunican con otros dispositivos en tiempo real. En algunos casos, este último puede incluir HMI que sirven como puertas de enlace de borde para manejar parte de la lógica del proceso de los ejes (así como las conexiones a los sistemas ERP y la nube).

El SQL mencionado anteriormente se emplea en muchas instalaciones de IIoT. Este sistema de administración de bases de datos relacionales es gratuito, de código abierto y ampliamente compatible. También es seguro, por lo que se integra de manera segura en las HMI del controlador y en las PC del panel. Un beneficio de SQL es el acceso del personal de TI que se implementa de manera más simple que las alternativas que dependen de los controles (y que, por lo general, requieren hardware y software adicionales). Eso es cierto para controles de sistema tan simples como Raspberry Pis o tan complejos como PAC con interfaces de base de datos IoT.

El controlador Omron NX1 para aplicaciones IIoT ofrece conectividad OPC UA y SQL.

De hecho, SQL también funciona con algunas HMI de controlador que recopilan y muestran datos de la máquina para facilitar la supervisión y el análisis. Por ejemplo, la conexión de tales HMI a una base de datos MySQL permite la recopilación, organización y almacenamiento de datos en bases de datos flexibles y confiables para facilitar el acceso y optimizar las operaciones comerciales.

Algunos software de diseño de proveedores ayudan a los ingenieros a usar MySQL a través de HMI inteligentes y a poner datos en hojas de cálculo de Excel (y datos tabulares en los archivos de otro software común) para:

Luego, los ingenieros pueden usar MySQL y MS Excel para recopilar, analizar y responder a los datos para tomar decisiones más informadas y optimizar las operaciones.