La fábrica inteligente -o fabricación inteligente- es un concepto relativamente nuevo en la fabricación, y una parte fundamental de la ideología de tendencia «Industria 4.0».
En pocas palabras, la fábrica inteligente puede definirse como un sistema dentro de una planta de fabricación/fábrica que está completamente integrado para permitir una respuesta en tiempo real.
La implantación de una fábrica inteligente permite a la empresa ser más rápida y flexible a la hora de responder a las demandas de los clientes y a la siempre cambiante situación del mercado. Puede beneficiar a una fábrica en prácticamente todos los aspectos, desde la planificación, la velocidad de fabricación, la calidad del producto final y el desarrollo del producto.
Conozcamos más sobre la fábrica inteligente y cómo puede beneficiar a tu planta de fabricación.
Qué es una fábrica inteligente
No podemos entender correctamente el concepto y la definición de fábrica inteligente sin hablar primero de Industria 4.0.
En pocas palabras, «Industria 4.0» es una jerga utilizada para describir la cuarta revolución industrial, que ya está ocurriendo ahora.
El núcleo de esta cuarta revolución industrial es la automatización de máquinas/equipos (máquinas inteligentes) e incluso la automatización de fábricas enteras (las fábricas inteligentes ).
Así, podemos decir que una fábrica inteligente es una fábrica automatizada: una planta de fabricación que puede funcionar por sí sola sin intervención humana. Sin embargo, la automatización no es la única característica que hace inteligente a una fábrica inteligente.
En cambio, una fábrica puede calificarse de inteligente cuando presenta las siguientes características:
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Recogida y análisis de datos
Una fábrica inteligente debe ser capaz de recoger y analizar datos automáticamente mediante la instalación de sensores y dispositivos IoT interconectados.
Con este análisis de datos, la fábrica puede analizar tendencias históricas, identificar patrones y utilizar la información para tomar mejores decisiones.
Las decisiones pueden tomarse manualmente -por ejemplo, por los operarios- o el resultado del análisis de datos puede introducirse en los dispositivos y máquinas IIoT (IoT Industrial) para permitir la automatización.
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Customización y personalización de productos
Otra característica clave de una fábrica inteligente es su capacidad de producir bienes personalizados para satisfacer las necesidades de cada cliente, en lugar de unidades producidas en serie.
Con la ayuda de tecnologías avanzadas, como el software de simulación, la impresión 3D y otras, ahora es viable fabricar productos personalizados en pequeñas cantidades. Antes de las fábricas inteligentes y la industria 4.0, la producción en masa era la única forma rentable de fabricar productos, pero ya no es así.
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Interconectividad
Las fábricas inteligentes (y las máquinas inteligentes) tienen que ver con la interconectividad y el intercambio de datos a alta velocidad entre sensores, dispositivos y máquinas industriales.
Esto crea un fenómeno que llamamos convergencia TI/OT: la fusión entre TI (Tecnología de la Información) y OT (Tecnología Operativa), que permite que las máquinas OT del mundo real se comuniquen con una red digital.
La aplicación de esta convergencia TI/OT es prácticamente ilimitada. Para una empresa con varias plantas, por ejemplo, una máquina de la planta A puede ser utilizada por la planta B mediante comunicaciones en la nube en tiempo real, aumentando eficazmente el rendimiento de cada planta.
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Cadena de suministro basada en datos
Las fábricas inteligentes pueden enviar sus datos de producción a los proveedores en tiempo real para facilitar un programa de entregas más eficiente. Por ejemplo, el proveedor puede saber inmediatamente si la fábrica está consumiendo materiales más rápido de lo habitual (por ejemplo, debido a un aumento de la demanda) y puede decidir enviar el material con un día de antelación. Por otra parte, cuando una fábrica está experimentando interrupciones, el proveedor puede redirigir la entrega para evitar pérdidas de tiempo.
Al otro lado de la cadena de suministro, la fábrica también puede utilizar el análisis de datos -por ejemplo, datos sobre el tráfico y el tiempo- para planificar el momento más óptimo para enviar los productos acabados, lo que le permite ahorrar dinero y tiempo.
Por el momento, también se están desarrollando diversas tecnologías basadas en Blockchain para mejorar aún más la transparencia de la cadena de suministro en las fábricas inteligentes.
¿Qué tecnologías impulsan las fábricas inteligentes?
Para conseguir las características «inteligentes» comentadas anteriormente, una fábrica inteligente debe aprovechar el uso de varias tecnologías:
1. Internet Industrial de las Cosas (IIoT)
El IoT industrial, o IIoT, es la implantación del IoT en la fabricación, incluidas las fábricas.
El Internet de las Cosas, o IoT, consiste esencialmente en conectar dispositivos que tradicionalmente no están conectados a Internet, incluidas las máquinas de las fábricas.
La implementación básica de la IIoT en las fábricas inteligentes consiste en equipar las máquinas con sensores conectados a la nube, lo que permite al sensor transmitir a la red los datos de rendimiento de la máquina.
La IIoT hace posible que las fábricas recojan y analicen una cantidad masiva de datos de producción en tiempo real, además de facilitar la automatización.
2. Inteligencia Artificial
La IA y sus extensiones, el aprendizaje automático y el aprendizaje profundo, permiten a las plantas de fabricación aprovechar la gran cantidad de datos recogidos por los sensores del IoT.
Por ejemplo, la IA puede utilizar los datos recogidos de las máquinas para analizar cuándo es el momento más óptimo para que los proveedores entreguen los materiales o para realizar un mantenimiento preventivo que evite averías.
La IA puede facilitar la automatización y mejorar la visibilidad de las operaciones, lo que en última instancia se traduce en una mayor eficacia y productividad en el proceso de fabricación.
3. Computación en la nube
La computación en nube es conectividad, y no hay fábrica inteligente sin conectividad e integración.
Para ser más exactos, una fábrica inteligente requiere la computación en nube para facilitar la integración de la ingeniería, el proceso de fabricación, la cadena de suministro, la distribución y la atención al cliente.
Una fábrica inteligente en toda regla implica almacenar, transportar y analizar una gran cantidad de datos, y la computación en nube puede ayudar a facilitar el procesamiento de estos datos de una forma más rápida y rentable.
Para las fábricas con capital limitado, la computación en nube también puede ayudar a reducir los costes que de otro modo se gastarían en inversión en hardware y otros gastos.
4. Gemelo digital
El término «gemelo digital» se refiere a una réplica virtual («gemela») de procesos de fabricación, líneas de producción y cadenas de suministro.
Un gemelo digital se crea a partir de los datos recogidos de sensores IoT, dispositivos y otros objetos conectados con la ayuda de la IA.
La implementación real de los gemelos digitales puede variar en función de las necesidades únicas de la fábrica inteligente. Por ejemplo, las fábricas pueden crear un gemelo exacto de sus líneas de producción y utilizarlo para probar nuevas aplicaciones e identificar cuellos de botella.
5. Ciberseguridad
Los ciberdelincuentes están prácticamente en todas partes hoy en día, e implantar a ciegas una fábrica inteligente sin establecer primero una sólida práctica de ciberseguridad es sencillamente suicida.
Como ya se ha comentado, una característica clave de una fábrica inteligente es conectar los equipos operativos a la nube. Sin embargo, aunque la conectividad permite la automatización y unas operaciones más eficientes, también abre nuevas vulnerabilidades para los ciberataques y el malware.
Al diseñar e implantar una fábrica inteligente, es crucial tener en cuenta un enfoque holístico de ciberseguridad para proteger tanto los aspectos de TI como de OT de la fábrica inteligente.
6. Realidad virtual y aumentada
No todas las fábricas inteligentes han implantado la RA y la RV, pero la adopción de la tecnología ha aumentado rápidamente en los últimos años.
La RV (Realidad Virtual) es una tecnología digital que permite a sus usuarios experimentar un mundo virtual inmersivo mediante el uso de gafas especiales. La RA (Realidad Aumentada), por otro lado, es la superposición de información digital a través de la realidad mediante una cámara digital (normalmente a través de la cámara de un smartphone).
Las fábricas inteligentes pueden integrar la RA y la RV para proporcionar señalización (fábrica visual), organizar productos y ayudar en el mantenimiento y reparación de equipos, entre otras aplicaciones.
Diseñar una fábrica inteligente: 5 principios clave
Las fábricas inteligentes pueden diseñarse con distintos tamaños y formas en muchas industrias diferentes.
Sin embargo, todas las implantaciones de fábricas inteligentes deben seguir estos principios:
1. Modularidad
El término «modularidad» se refiere a la capacidad de los componentes de un sistema (en este caso, máquinas, herramientas y soluciones en una fábrica inteligente) para separarse, recombinarse y reconfigurarse según sea necesario en un método «plug-and-play» rápido y accesible.
Una fábrica inteligente debe poseer un nivel adecuado de modularidad para facilitar la integración entre componentes y una rápida reconfiguración siempre que sea necesario. En la práctica, la modularidad permite a la fábrica inteligente cambiar rápidamente su proceso de fabricación para responder a las demandas rápidamente cambiantes de los clientes.
La implementación de la modularidad en una fábrica inteligente también debe tener en cuenta la redundancia. Es decir, la modularidad no debe ser proporcionada por un único proveedor, sino por varios proveedores para evitar la dependencia.
Por ejemplo,
2. Interoperabilidad
La interoperabilidad en el contexto de la fabricación inteligente se refiere a la capacidad de un sistema para compartir información entre componentes. En un contexto más amplio, también puede referirse a la capacidad de compartir información empresarial entre una planta de fabricación y sus clientes.
El núcleo de la interoperabilidad en las fábricas inteligentes es la normalización, especialmente en los sistemas mecánicos, eléctricos y de información. Los sistemas normalizados pueden conectarse y comunicarse entre sí sin problemas para facilitar la interoperabilidad
Un ejemplo de interoperabilidad en una fábrica inteligente es cómo una máquina está conectada a través de la nube a dos fábricas distintas y puede realizar diferentes tareas según lo soliciten las dos plantas. Esto es posible gracias a tecnologías como la Arquitectura Unificada OPC (Open Platform Communications), una plataforma desarrollada por la fundación OPC que facilita las comunicaciones abiertas y estandarizadas entre máquinas, así como entre un ordenador y una máquina.
3. Descentralización
La descentralización se refiere a cómo los distintos elementos y componentes de la fábrica inteligente (es decir, módulos, software, etc.) pueden tomar decisiones por sí mismos de forma automatizada basándose en los datos recogidos de los sensores y las entradas de los usuarios , sin requerir el control de usuarios humanos ni el control del hardware/software.
En un sistema de fábrica inteligente verdaderamente descentralizado, una máquina puede tomar decisiones independientes en tiempo real, pero si es necesario, los operadores humanos pueden intervenir para tomar una decisión (y una acción) diferente en función de las necesidades estratégicas o tácticas.
Un ejemplo de descentralización en las fábricas inteligentes es el uso de sensores y actuadores conectados a un Sistema Ciberfísico (SCF). Un CPS es una plataforma computacional autónoma que puede tomar decisiones y enviar salidas basándose en los datos recogidos de los sensores conectados a ella. Un sistema de piloto automático en un avión es un ejemplo de CPS, y con las tecnologías actuales, podemos
implantar un sistema de piloto automático similar en una planta de fabricación.
4. Virtualización
La virtualización en un contexto de fabricación inteligente es la práctica de crear un entorno virtual con la ayuda de un CPS para supervisar y simular los procesos físicos de un proceso de fabricación.
Como ya se ha dicho, en un sistema CPS, los sensores recogen los datos de rendimiento de una máquina. A continuación, la virtualización puede utilizar estos datos para crear un entorno virtual. Cuanto más exhaustivos sean los datos recogidos, más se acercará el proceso virtual al proceso de fabricación real virtualizado.
En la práctica, se pueden implantar sistemas virtuales para supervisar y controlar el equipo físico dentro del entorno de la fábrica inteligente. La fábrica también puede utilizar la virtualización para crear prototipos digitales del proceso de fabricación, lo que les permite comprobar y modificar el modelo del proceso sin interrumpir el proceso real. Esto puede ayudar a la empresa en el diagnóstico del proceso de producción para predecir y prevenir errores.
Las fábricas también pueden aprovechar la virtualización para formar a empleados y operarios, permitiendo que los operarios recién contratados aprendan el proceso de fabricación de la planta estudiando y experimentando el modelo virtual.
5. Orientación al servicio
Una fábrica inteligente debe cambiar su paradigma de la industria manufacturera tradicional, centrada únicamente en fabricar y vender productos, a una que venda y preste servicios.
De hecho, hay una tendencia actual a que las empresas de fabricación inteligentes vendan sus productos con márgenes cero o incluso con pérdidas para ganar dinero vendiendo servicios de suscripción, formación, mantenimiento y otras estrategias orientadas a los servicios.
La implantación de prácticas de fábrica inteligente, especialmente la fabricación en la nube, es muy significativa para facilitar esta transformación del modelo empresarial.
6. Respuesta en tiempo real
La capacidad de la fábrica para responder a los cambios -ya sean cambios en las demandas de los clientes o cambios debidos a averías o fallos del sistema- de forma rápida y oportuna.
Para poder responder a las demandas de los clientes, el flujo de información de la fábrica inteligente debe ser accesible y estar disponible para su análisis en tiempo real. Entonces, el sistema de la fábrica inteligente puede decidir automáticamente si es posible responder a esa demanda en ese momento tras considerar la disponibilidad de recursos y otros factores.
Para facilitar la respuesta en tiempo real, la fábrica inteligente también debe tener un alto nivel de modularidad, de modo que pueda reconfigurarse rápidamente cuando sea necesario para responder a las demandas de un cliente único. La fábrica debe ser capaz de detectar y solucionar cualquier fallo o error del sistema lo antes posible, para poder recuperarse rápidamente de cualquier tiempo de inactividad.
Estructura de datos y fábrica inteligente: niveles de implementación
Ahora que conocemos los principios clave del diseño de una fábrica inteligente, podemos ver que la accesibilidad a los datos es el factor más crítico en la implantación de una fábrica inteligente.
El núcleo de la transformación de una fábrica tradicional en una fábrica inteligente es la automatización de la recopilación de datos de máquinas, líneas de producción y aplicaciones, y el aprovechamiento de estos datos para obtener información valiosa. Esto es posible adoptando tecnologías de IoT Industrial (IIoT) como el software LineView Fábrica Inteligente.
Una fábrica que aún no ha implementado las tecnologías IIoT para la recopilación y el análisis de datos suele tener sus datos bloqueados en un sistema aislado -o peor aún, no dispone de ningún dato- que es muy difícil de analizar y aprovechar para obtener información.
Normalmente requiere un trabajo manual y difícil traducir e integrar cualquier dato disponible en información útil, a menudo procedente de múltiples aplicaciones o sistemas desconectados. Podemos llamar a esta condición nivel cero, y si una empresa se mantiene en este nivel, supondrá una importante pérdida de tiempo, recursos y dinero.
A continuación, hablaremos de los cuatro niveles de transformación de la estructura de datos en la implantación de una fábrica inteligente. Conocer estos niveles puede ayudarte a evaluar dónde te encuentras en este momento y qué tendrás que hacer para pasar al siguiente nivel.
Nivel 1: Datos conectados y accesibles
El primer nivel de la transformación de la fábrica inteligente es conectar todos los datos útiles integrando diferentes fuentes de datos (actualmente desconectadas) en un sistema centralizado que recopile datos continuamente y realice un seguimiento de su producción.
A este nivel, los datos empiezan a organizarse estructuralmente en una ubicación siempre disponible, lo que permite la supervisión en tiempo real y el control remoto de la fábrica. Con un acceso fácil a datos valiosos, tanto la fábrica como sus operarios pueden ganar en productividad y agilidad para responder mejor a las demandas cambiantes.
Sin embargo, en esta fase, a la fábrica aún le llevará mucho tiempo y trabajo manual antes de poder realizar un análisis predictivo, un enfoque proactivo para analizar los datos y convertirlos en información valiosa que permita a la empresa predecir y prevenir los problemas antes de que se produzcan.
Es decir, aunque el análisis de datos está disponible hasta cierto punto, en la mayoría de los casos, la fábrica sigue confiando en la resolución reactiva de los problemas.
Para pasar de este nivel al siguiente, la fábrica debe empezar a integrar tecnologías de IA y aprendizaje automático que permitan un análisis predictivo más rápido y preciso.
Nivel 2: Datos activos y análisis predictivo
En este segundo nivel, la fábrica inteligente ha integrado la IA y el aprendizaje automático para realizar análisis predictivos, lo que permite a los operarios realizar un mantenimiento preventivo o tomar otras medidas proactivas para evitar fallos de calidad o tiempos de inactividad.
La principal ventaja del análisis predictivo es la eliminación del laborioso análisis manual de datos, para que los operarios puedan dedicar su tiempo y esfuerzos a otras cosas productivas. Los sistemas automatizados pueden detectar anomalías y problemas potenciales para predecir con exactitud futuros fallos y tomar las medidas necesarias para evitarlos.
Combinado con una estructura de datos conectada que centraliza todos los datos de producción de tu fábrica, con el aprendizaje automático, ahora tienes un sistema inteligente que puede detectar rápidamente y prevenir los problemas con mayor precisión.
Para pasar al siguiente nivel, necesitarás que la tecnología de aprendizaje automático madure por sí misma «consumiendo» más datos (al menos de 3 a 6 meses de datos) para permitir un análisis prescriptivo preciso.
Nivel 3: Análisis prescriptivo orientado a la acción
El análisis prescriptivo lleva la optimización un paso más allá, sugiriendo recomendaciones sobre cómo optimizar tu proceso de fabricación e incluso automatizar algunos de tus procesos basándote en ellas:
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Los funcionamientos más eficientes de tu fábrica, la IA intentará replicarlos para conseguir más consistencia
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Analizar los datos históricos de otras fábricas, permitiéndote utilizar sus ajustes de optimización
En la práctica, el análisis prescriptivo identifica las variables y configuraciones que contribuyen a tus funcionamientos más eficientes y menos eficientes, y enviará recomendaciones a tus operarios e ingenieros. A continuación, los ingenieros pueden revisar las ideas y realizar los cambios que consideren oportunos.
Seguir las recomendaciones de los resultados del análisis prescriptivo permite a las fábricas eliminar ineficiencias, mejorar la productividad y, en última instancia, mejorar la rentabilidad de la empresa.
Nivel 4: Automatización
En este nivel más avanzado, la tecnología de aprendizaje automático despliega automáticamente la recomendación del análisis prescriptivo analizando los resultados de fabricación.
Un modelo de aprendizaje automático identificará la posibilidad de optimización y, a continuación, enviará la configuración recomendada en tiempo real a la máquina que se va a optimizar. La máquina ejecutará automáticamente esta configuración recomendada, y el resultado de esta instancia de producción se enviará automáticamente de vuelta al modelo de aprendizaje automático para su posterior análisis.
Para alcanzar este nivel cuatro de automatización, el modelo de aprendizaje automático requiere un conjunto de datos lo suficientemente grande con resultados validados adecuados para permitir una automatización precisa y fiable. El tiempo necesario para que una fábrica inteligente pase del nivel 3 al nivel 4 variará en función del tiempo necesario para reunir estos conjuntos de datos.
Ventajas de la implantación de la fábrica inteligente en la industria 4.0
¿Cuáles son las ventajas de implantar la fabricación inteligente para las empresas?
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Proceso de fabricación más rápido y costes operativos reducidos
Con la descentralización y la modularidad, la implantación de una fábrica inteligente permite que sus componentes tengan múltiples funciones (y a veces, múltiples formas).
Con una solución de fabricación inteligente o una máquina que tenga dos o más funciones, el proceso operativo puede ejecutarse de forma mucho más rápida y eficaz. En las grandes fábricas que fabrican miles de unidades cada día, este aumento incremental de la productividad puede llegar a ser significativo.
Además de permitir operaciones más rápidas, la utilización de tecnologías inteligentes también puede ayudar a minimizar los errores, lo que a su vez redundará en una mejora de la eficacia y una reducción de los costes operativos.
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Mantenimiento automatizado y más eficaz
Por muy cara y aparentemente perfecta que sea una máquina, tarde o temprano siempre necesitará mantenimiento.
Las implementaciones de fabricación inteligente permiten a las fábricas pasar de un mantenimiento manual, que consume mucho tiempo, a un mantenimiento automatizado, preventivo y más eficiente. El mantenimiento puede realizarse antes de que falle la máquina para evitar el tiempo de inactividadpero, al mismo tiempo, no realizarse con demasiada frecuencia para que provoque pérdidas de eficiencia.
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Formación más eficaz y mejora de los recursos humanos
Aunque uno de los pilares clave de la fábrica inteligente es la automatización, los recursos humanos seguirán siendo parte integrante de la mayoría de las fábricas, al menos en un futuro próximo.
La virtualización permite programas avanzados de formación con la ayuda de la simulación, que además es más rentable que la formación en el mundo real. Además del ahorro de costes, la formación virtual también puede ofrecer otras ventajas, como un horario más flexible, menores riesgos de accidentes y peligros, resultados de formación más precisos y rápidos, etc.
Conclusión
Aunque las fábricas inteligentes o la fabricación inteligente es todavía un concepto relativamente nuevo en la fabricación, los beneficios de la implantación de fábricas inteligentes son ya muy evidentes.
Las fábricas inteligentes no sólo permitirán que los procesos de fabricación sean más productivos y eficientes, sino que también pueden ayudar a las empresas manufactureras a cambiar su modelo de negocio, pasando de un modelo orientado exclusivamente al producto a modelos más rentables y sostenibles orientados al servicio.
Sin embargo, la implantación real de una fábrica inteligente puede ser más fácil de decir que de hacer. Seguirás necesitando una evaluación cuidadosa de tu proceso actual y una planificación meticulosa. Sin embargo, a pesar de la posible dificultad de la implantación, los beneficios que aportará merecerán la pena a largo plazo.
