La Industria 4.0, imposible sin sensores inteligentes

Consuelo Roldán, Product Manager AutoIdent en Sick Optic-Electronic11/03/2016

La era de la información en el sector industrial se encuentra aún en sus primeros estadios. El intercambio ilimitado de datos de fabricación, productos y logística significa que ahora es posible tomar mejores decisiones y experimentar una transparencia completa en todos los niveles de la cadena de valor. Al inicio de la cadena de proceso, esta mayor eficiencia de los recursos depende en gran medida del equipamiento que suministra estos datos: los sensores inteligentes. Es absolutamente esencial que la tecnología de sensores sea inteligente, robusta y fiable a la hora de abordar retos como la interacción segura entre personas y máquinas, los altos niveles de diversidad y el control de las fluctuaciones de la demanda con poca antelación.

Los sensores hacen las veces de órganos sensoriales de las máquinas, y la información que proporcionan es el primer factor que hace posibles las máquinas inteligentes. La inteligencia de sensores se centra en un aspecto de la tecnología de sensores: proporcionar a las máquinas la capacidad de ver, detectar y comunicar de forma inteligente. Los sensores inteligentes contribuyen a la capacidad de clasificar e interpretar la información. Este aspecto se caracteriza por el procesamiento inteligente de señales, que separa la información verdaderamente relevante de los grandes volúmenes de datos y la pone a disposición de distintos recursos. Por este motivo —además del sistema de control primario de máquinas y sistemas— se proporciona información para supervisar los sistemas de producción y permitir la detección de fallos. La transparencia de los flujos de materiales y procesos genera un potencial adicional para la optimización. Así, los procesos se vuelven más eficientes y rentables, además de aumentar su competitividad.

Las plantas de fabricación deben ser flexibles y adaptarse a los deseos de cada cliente.

Al examinar los cuatro retos existentes en los niveles de producción —‘Control de calidad’ en el nivel de sensores y accionamientos, ‘Automatización flexible’ en el nivel de máquinas, ‘Seguridad’ en el nivel de producción y ‘Seguimiento y localización’ en el nivel corporativo— queda patente que, en la calidad de proveedores de tecnología para la Industria 4.0, ya se es capaz de presentar e implementar soluciones.

La automatización flexible requiere unas condiciones básicas variables. Las plantas de fabricación deben ser flexibles y adaptarse a los deseos de cada cliente. Debido a la gran diversidad de productos, incluso cuando los tamaños de los lotes siguen reduciéndose, los componentes inteligentes (sensores inteligentes) deben ser capaces de ajustarse y controlarse por sí solos.

La principal motivación en la seguridad es la interacción entre personas y máquinas teniendo en cuenta la seguridad y la ergonomía del lugar de trabajo. A este respecto, las cuestiones esenciales se refieren a la función que deben desempeñar las personas en la producción futura y la forma en que los sensores pueden ayudarles y ofrecerles seguridad en esa tarea.

‘Integración vertical’, un término clave para el seguimiento y la localización. La trazabilidad de los productos en los procesos complejos de fabricación y logística es prioritaria para esta integración. La logística para la producción y para el transporte van unidas hasta la entrega al cliente; por tanto, el flujo de materiales ha de ser transparente para tomar decisiones con mayor rapidez.

Los crecientes requisitos de calidad y el deseo de eficiencia en los recursos requieren una detección de fallos autónoma a través de datos completos sobre los productos y la producción. En el ámbito del control de calidad, los materiales del proceso de producción y de la cadena de suministro deben identificarse de forma fiable e inequívoca para permitir un control automatizado eficiente.

Automatización flexible: personalización de materiales en el proceso de embalaje

Si tomamos como ejemplo una máquina de embalaje, podemos ver cómo un cambio automático de lote sin intervención manual, mediante el uso de componentes inteligentes con control automatizado, genera una mayor diversidad de productos con un aumento general de la productividad. Lograr la máxima productividad con una variación de productos hasta un tamaño de lote 1 es uno de los objetivos centrales del concepto de Industria 4.0. Las plantas de fabricación deben ser flexibles y adaptarse a los deseos de cada cliente. Debido a la gran diversidad de productos, incluso cuando los tamaños de los lotes siguen reduciéndose, los componentes inteligentes (sensores inteligentes) deben ser capaces de ajustarse y controlarse por sí solos.

Lograr la máxima productividad con una variación de productos hasta un tamaño de lote 1 es uno de los objetivos centrales del concepto de Industria 4.0.

Un ejemplo podría ser el embalaje final de lotes embalados previamente con tamaños de botella de 0,5 y 1,5 litros, con capacidad de embalaje en un mismo sistema mediante la detección por parte de sensores inteligentes con un cambio automático de formato. Los sensores detectan el cambio de producto y comunican al sistema de control que debe reajustarse para configurar la caja adecuada, introducir las botellas y etiquetar la caja para su transporte. Los pasos del cambio se muestran en un monitor a medida que se ajusta la máquina. El sistema sigue funcionando automáticamente y no necesita volver a ponerse en funcionamiento de forma manual. Si los sensores detectan una colocación incorrecta al medir la longitud del producto, se lo notifican al sistema de control. El producto se clasifica sin que el sistema se detenga. Además, los sensores proporcionan datos para el mantenimiento proactivo, por ejemplo, mediante la supervisión del sistema en busca de partículas finas, para implementar automáticamente medidas que salvaguarden el proceso de embalaje.

Los sensores inteligentes y con capacidad de comunicación son el elemento principal que hace posible la Industria 4.0. Las soluciones de sensores inteligentes (el uso de las tecnologías de sensores más recientes, en combinación con la integración completa en el nivel de control) se centran en gran medida en la descentralización de ciertas funciones de automatización para dirigirlas al sensor. Esto elimina parte de la carga del sistema de control y aumenta la productividad de las máquinas.

Seguridad: protección de robots mediante escáneres láser

La inteligencia de sensores es un requisito previo para la interacción segura entre personas y máquinas en la era de la Industria 4.0. Los escáneres láser seguros monitorizan de forma fiable la zona de peligro de máquinas o sistemas móviles o estacionarios, como los robots de soldadura o los sistemas de transporte sin conductor. En este ámbito, la protección de las personas es la máxima prioridad. Si una persona entra en esta área, el movimiento peligroso debe detenerse con seguridad. En los sistemas convencionales se protege a las personas, pero la producción se detiene.

En el futuro, los sensores inteligentes de la Industria 4.0 se usarán no sólo para garantizar la seguridad de las personas sino también para implementar las especificaciones de producción en continuo crecimiento. Actualmente, Sick ya proporciona hasta cuatro campos de protección simultáneos, lo que aumenta considerablemente la ergonomía y la eficiencia de máquinas complejas como las prensas calentadoras de neumáticos. Los campos de protección con conmutación digital que se utilizan actualmente se están sustituyendo por otros flexibles. Los campos de protección flexibles se calculan automáticamente durante movimientos altamente dinámicos y se ajustan en consonancia con las zonas de peligro del robot. La puesta en servicio también se simplifica y agiliza considerablemente gracias a los sensores inteligentes. La interacción óptima entre los sensores inteligentes y los diseños de máquinas más recientes aumenta la productividad de la máquina y garantiza en todo momento la seguridad de los empleados. Los sistemas compactos utilizan un espejo oscilante integrado que actúa como radar óptico para explorar las inmediaciones en dos dimensiones y medir las distancias según el principio de medición del tiempo de vuelo. Ello permite disponer de zonas de seguridad que pueden definirse libremente.

‘Track and trace’: las cadenas de producción y logística crecen al unísono

Un ejemplo de la industria automovilística: la adquisición de datos completos directamente en el vehículo permite identificar un vehículo personalizado concreto durante todo el proceso de producción hasta su entrega. Este ejemplo de seguimiento y localización deja patente cómo puede implementarse la creciente personalización de productos en el contexto de la Industria 4.0. Los sensores detectan, directamente en la carrocería del vehículo, los pasos de montaje que deben aplicarse, por lo que resulta imposible confundir o mezclar pasos. Gracias a estos sensores, se garantiza una transparencia completa hasta la entrega. Los pasos de procesamiento en el objeto se actualizan mediante etiquetas RFID con capacidad de reescritura. Para ello, la lectura debe ser totalmente fiable, puesto que cualquier error podría provocar errores de dirección, confusiones o tiempos de inactividad. Es en este ámbito donde las tarjetas de datos RFID, que pueden incorporarse a los componentes o incluso integrarse en ellos de forma invisible, se utilizan cada vez más. En la práctica, ofrecen el máximo grado posible de disponibilidad. Por ejemplo, resisten altas temperaturas en una línea de pintura y pueden identificarse con fiabilidad incluso estando cubiertas de pintura.

El concepto básico de un tamaño de lote 1

Aspectos tales como la transparencia y la trazabilidad desempeñan un papel cada vez más importante para los fabricantes, debido a que el nivel de diversidad en las líneas de producción de grandes plantas de fabricación de automóviles crece constantemente, y las líneas de montaje procesan cada vez más variantes de forma paralela. Integración vertical: un término clave para el seguimiento y la localización. La trazabilidad de los productos en los procesos complejos de fabricación y logística es prioritaria para esta integración. La producción y la logística requieren flujos de materiales transparentes para poder tomar decisiones de producción con mayor rapidez.

La adquisición de datos completos mediante RFID permite identificar el producto durante todo el proceso de producción hasta su entrega.

Entrega

La transparencia del flujo de materiales basado en RFID también desempeña un papel esencial en la entrega. Hasta que los vehículos acabados estén listos para su recogida y transporte al concesionario, permanecen almacenados en una extensa superficie de aparcamiento. El problema es cómo encontrar el vehículo que debe cargarse en el camión, pues cada uno de estos automóviles se fabrica personalizado por pedido y no existen dos iguales. Gracias a la información almacenada en una etiqueta RFID, el automóvil personalizado del cliente se localiza rápidamente y puede cargarse para su transporte sin perder ni un segundo. Transparencia y monitorización del seguimiento hasta la entrega al cliente.

Control de calidad: fiabilidad en la adquisición de datos y el seguimiento

En el futuro, la velocidad con la que se transportan los paquetes no hará más que aumentar, y las distancias entre ellos se reducen cada vez más. Por tanto, comprobar la calidad de los productos se vuelve todavía más importante. Para lograrlo, los datos del paquete se leen en la cinta transportadora y se transfieren al software, que identifica y compara cada uno de estos paquetes. ¿Existen daños en el paquete? ¿El código está completo? ¿El peso y el volumen son idénticos? ¿Se apilan los paquetes o faltan algunos? La detección automática de errores es posible gracias a los datos completos de productos y producción. Los datos se sincronizan completamente en cuestión de segundos. Los defectos pueden seguirse en todos los centros y es posible detectar la ubicación de los puntos débiles. Además, los defectos de calidad pueden identificarse y solucionarse durante el proceso. Puesto que se incrementa aún más la velocidad de las cintas transportadoras, queda garantizada la máxima productividad, no solo en cada ubicación, sino también globalmente.

Este ejemplo de un proceso intralogístico muestra cómo pueden implementarse los crecientes requisitos de calidad y el deseo de una mayor eficiencia de los recursos en el contexto de la Industria 4.0. Los sensores detectan cambios en el objeto y permiten una adquisición de datos perfecta. El software analiza los datos de proceso e implementa medidas. La combinación de una variedad de datos y el software de análisis es un requisito previo importante para la Industria 4.0 y el problema de la sostenibilidad. Los materiales del proceso de producción y de la cadena de suministro deben identificarse de forma fiable e inequívoca para permitir un control automatizado eficiente. Desde un paquete individual sobre una cinta transportadora hasta una visión general completa de millones de paquetes transportados a diario, debe existir un método cómodo de consultar y analizar el estado de todos los datos adquiridos.

Los sensores inteligentes se encargan de adquirir y transmitir estos datos. Sin embargo, los usuarios no perciben el valor añadido real hasta que estos datos puedan usarse para mejorar los procesos empresariales. Estos datos ofrecen grandes oportunidades, pero también implican el importante reto de prepararlos de forma que permitan a las empresas tomar las decisiones correctas. Esta es la piedra angular de la Industria 4.0: el flujo perfecto de datos e información del sensor al sistema de control y viceversa.

De los sensores convencionales a los sensores inteligentes

Sick siempre ha desarrollado y fabricado sensores inteligentes. El hecho de que la empresa haya estado a la cabeza del sector durante diez años centrando sus esfuerzos en la inteligencia de los sensores pone de manifiesto el continuo desarrollo de su estrategia corporativa, literalmente personificada en su eslogan, ‘Sensor intelligence’. Como resultado, Sick ya concibió el futuro de la automatización en 2004; una visión que actualmente se identifica con términos como Industria 4.0.

El desarrollo continuo de los sensores inteligentes no significa que el futuro y el pasado sean independientes, sino que, más bien, forman una unidad indisoluble de desarrollos tecnológicos que dependen unos de otros. El fundador de la empresa, Erwin Sick, concibió esta visión de los sensores con precisión óptica y mecánica. A partir de la década de 1950, utilizó su visión para crear soluciones inteligentes pioneras, por ejemplo, para proteger las máquinas y monitorizar las emisiones. Poco tiempo después, los avances en la electrónica permitieron miniaturizar los dispositivos y se convirtieron en la fuerza impulsora para la ingeniería de automatización. El éxito de la microelectrónica persiste aún hoy en día. Un elocuente ejemplo de ello puede apreciarse en los ASIC (circuitos integrados de aplicación específica) que Sick desarrolló y utiliza en dispositivos como sensores ópticos e inductivos. La creciente velocidad de la potencia de cálculo de los chips modernos hace posible el procesamiento remoto de volúmenes de datos significativamente mayores y capacidades como el uso asociado de métodos matemáticos complejos. Esto abre dimensiones completamente nuevas en términos de alcance, precisión y solidez de las mediciones. Las soluciones de sensores capaces de medir en varias dimensiones, como los sistemas de cámaras y escáneres láser, tampoco serían posibles sin este desarrollo, debido a su gran volumen de datos.

La potencia de cálculo permite tener sensores aún más inteligentes, pero esta inteligencia no sirve de nada hasta que se combina con el software y los conocimientos de aplicación adecuados. La combinación inteligente de los conocimientos de aplicación y la flexibilidad de arquitecturas de software modernas permite alcanzar la siguiente etapa en el desarrollo de los sensores. Esta etapa se caracteriza por la existencia de sensores capaces de llevar a cabo análisis más exhaustivos, de adaptarse automáticamente a los cambios, de comunicarse en red y de solucionar de forma remota tareas complejas en una red de fabricación de mayor tamaño. En otras palabras, el sensor se conecta a la máquina, el sistema, la fábrica y toda la cadena de creación de valor, y proporciona transparencia en la producción. Como resultado, se convierte en el punto de acceso al mundo de la Industria 4.0. Sin embargo, en todos los mundos virtuales, la inteligencia de los sensores no deja de ser una parte del todo: del sensor. Incluso los servicios en la nube y las aplicaciones de software necesitan apoyarse en una base física del entorno industrial, es decir, en un componente de hardware robusto y fiable. Y para poder fabricar este hardware hay un único requisito esencial: décadas de experiencia.