Industria 4.0 e Internet of Things

De la Industria de los años 70 en Alemania a la Industria 4.0 de 2020 hay algunas diferencias significativas. La cuarta revolución industrial viene después de las tres primeras, mecanización, electricidad y tecnologías de la información, y viene de la mano de Internet of Things y de Internet de los Servicios integrados en la fábrica y en la cadena de suministro.

La visión alemana de Industria 4.0 es un sector industrial implementado por redes globales de máquinas, fábricas y almacenes físicos, en forma de sistema cibérfísico que se autocontrola, y lo hace compartiendo información, tomando decisiones y lanzando procesos automáticamente. Esta inteligencia está no solo en las máquinas inteligentes o en los inventarios de almacenamiento inteligentes, se trata de un supply chain inteligente y de productos finales inteligentes. Por ejemplo, mediante etiquetas RFID en miniatura, los productos saben lo que son, cuándo fueros producidos y en qué paso están en su camino.

Otro elemento crítico es la integración  de los procesos de manufactura verticales en la cadena de valor, es decir las ventas, la logística y las finanzas, entre otros. Esto significa incluir al cliente en el proceso y manejar la cadena de valor, los servicios y la gestión del ciclo de vida  ahora.

Por qué ahora? Las tres primeras revoluciones habían permitido al entorno industrial integrarse con los robots. Ahora tenemos grandes volúmenes de datos, almacenamiento en la nube, alta capacidad de procesamiento y conectividad fácil. Además podemos analizar y entender los datos. También hemos revolucionado la interacción hombre máquina con sistemas de realidad aumentada, interfaces táctiles y sistemas operativos sin manos.

Los tres principios básicos son interoperabilidad, virtualización y tiempo real. La interoperabilidad asegura que personas, fábricas inteligentes y el resto de las tecnologías hablan un idioma común y se conectan, comunican y operan entre sí a través de Internet of Things. La virtualización asegura que los procesos pueden simularse y virtualizarse. Así es posible hacer cambios, probar y mejorar sin influir en los entornos físicos. Las capacidades de tiempo real permiten que los datos sean recogidos y procesados, y que la monitorización y la decisión se tome en tiempo real.  

 En términos prácticos, Industrial Internet of Things (IIoT) integra sensores en las máquinas, middleware, software y sistemas de almacenamiento y computación en la nube. Si esta integración consigue un 1% de eficiencias, éste es un número masivo en la industria que consigue retornos de inversión duplicados. Por ejemplo, un 1% de ahorro en queroseno de avión puede ahorrar 30.000 millones de euros anualmente.

En el sector petróleo y gas, IIoT es un gran cambio. Este sector es muy sensible a la búsqueda y encuentro de nuevas reservas. Sensores, datos y analítica predictiva son capaces de investigar espacios y posibilidades sin intervenir físicamente en el entorno más de lo mínimo.

El sector logística también está incorporando IIoT. Por ejemplo, la tecnología de códigos de barras se usa para el empaquetado, los pallets y los contenedores para monitorizar la entrega inbound y las salidas de almacenamiento. Las etiquetas RFID almacenan información electrónica en la etiqueta e incluyen capacidad de comunicación sin cables via campos electromagnéticos. Permiten disminuir más la mano de obra y aumentar el grado de fiabilidad. El lector RFID lee la identificación de la orden, el producto, la cantidad etc…, incluso temperatura y humedad, y lo manda directamente al sistema ERP. Esto permite una gestión de inventario de gran precisión. De igual forma estas etiquetas ayudan monitorizar máquinas, camiones y otros vehículos.

Asimismo, se usan sensores telemétricos para el mantenimiento preventivo de las máquinas. Y personas, porque estos sensores telemétricos pueden usarse como predictores de fatiga para evitar accidentes provocados por las largas horas que deben trabajar los operadores. Algunos como el popular que usa Caterpillar incluye un sensor infrarrojo y cámaras para monitorizar los ojos del conductor, calcular el ratio de parpadeo y el tamaño de las pupilas. Cuando se producen síntomas de soñolencia, se activan vibraciones en el asiento.

En el sector retail también se está implantando. La web permite la comunicación con el cliente final de promociones, videos y realidad aumentada. Aparece una experiencia de usuario muy avanzada. IKEA por ejemplo ha desarrollado una app móvil para simular un determinado ítem de mobiliario en su entorno real, una vez definidas dimensiones, esquemas de color y otras opciones.

Uno de los factores que permite estos usos es la miniaturización de los sensores. Ahora los sensores son más pequeños que un grano de arroz y pueden colocarse fácilmente. Además estos sensores pueden incluir capacidad de proceso y comunicaciones. El desarrollo de plataformas como Raspberry Pi y Arduino permiten dispositivos multisensor  que pueden percibir e influenciar su entorno analógico. Así el proceso de diseño se hace mucho más flexible y eficaz, ya que estos dispositivos permiten la producción de modelos prueba (PoC proof of concept).

Otro factor es la comunicación inalámbrica. Wifi hoy en su versión 802.In permite mover 90 Mbps (bits por segundo) con protocolos de seguridad como WPA2. Pronto veremos wifi 802.Iad con ratios de 6Gbps. Además, empieza a usarse Bluetooth y otras tecnologías como Thread, Digimesh, WirelessHart, LowPower, LoHoWAN, HaLow, ZigBeeIP NAN, DASH7 y otras.

NFC (Near Field Communication) es una evolución de RFID muy usada en pagos sin contacto físico. Un chip embebido en una tarjeta de crédito se activa ante la presencia de otro chip NFC. Como resultado, se traspasan pequeñas cantidades de datos entre ambos chips. No es necesario el más complejo empareamiento y su rango es de unos pocos centímetros. La tendencia es convertir el Smartphone con NFC en un medio de pago.

La interconexión de redes y protocolos se realiza a nivel transporte OSI. El más común es Ethernet (LAN). Esta complejidad de protocolos, redes e interconexiones viene en la práctica solucionada por una capa de Middleware, normalmente adquirible en el mercado y que permite al usuario conectar cualquier dispositivo con cualquier ERP y sistema de control de forma transparente. 

Una vez los dispositivos instalados y conectados a través de un middleware, la fontanería está lista. La innovación de verdad viene con Internet de los Servicios (IoS), es decir, diseñar un modelo de negocio que convierta al producto en un servicio con una línea de ingresos sostenible.

Por ejemplo, Tesla produce coches con sensores instalados. A través de distintas piezas de software instables por Internet, el usuario paga por los servicios que necesita. Otis comercializa ascensores con sensores. Los datos suben a la nube y Otis cobra por un sistema de análisis de esos datos para un mantenimiento preventivo de las instalaciones.