Industria 4.0 Una aproximación al desarrollo de máquinas más inteligentes – Larraioz Elektronika

Industria 4.0 Una aproximación al desarrollo de máquinas más inteligentes

El presente texto no pretende ser una detallada exposición sobre los fundamentos y conceptos que han llevado a que el término “INDUSTRIA 4.0” este en boca de muchos y en el futuro de tantos. Existe una extensa gama de definiciones en la red de esta idea que pretende erigirse en la cuarta revolución de nuestra era industrial. Y también numerosos acuerdos para definir paradigmas con sonados acrónimos (Futurprod; Smart-Industries; Advanced Manufacturing; Intelligent Manufacturing System; ….) que tratan de expresar la misma idea, una idea de cambio en el proceso productivo que adapte el producto al cliente y a sus especiales requerimientos. En definitiva un nuevo concepto de producción de pequeñas series o productos singularizados que aporten nuevas reglas de juego en esta sociedad de consumo desbocado.Industria 4.0

Casi todos estos paradigmas de “revolución” enfatizan los siguientes puntos como objetivo:

  • Producción flexible y personalizada
  • Aprovechamiento de energía y recursos naturales
  • Gestión de residuos y reciclaje
  • Comunicaciones del proceso productivo en tiempo real

Esquema industria 4.0

La mal llamada era “Digital” (debería ser binaria, de estados o discreta) marca sus reglas y, a cambio, nos ofrece sistemas que manejan algoritmos eficientes, de comportamiento predecible, fácilmente simulables y posibles de ser trazados para un posterior análisis de causas y efectos.

Pero el objeto de este artículo, es familiarizar a los fabricantes de máquinas con sencillos conceptos y reglas que les permitan acercarse a ser compatibles con estos paradigmas. Veamos algunos conceptos y ejemplos de aplicación para los cuatro puntos clave citados anteriormente:

Producción flexible y personalizada

Y es claro, a la hora de fabricar una máquina o definir un proceso, ponemos límites a la funcionalidad, y estos límites se basan en el conocimiento o especificaciones del producto a fabricar. Para él se diseña la máquina, cuanto más abierta sea nuestra mentalidad de diseño, más versátil será la máquina y más fácil será que se adapte a nuevos productos, formas tamaños etc.

Esquema movimiento

Como simple posicionado en un mecanismo que debe sujetar una pieza es habitual poner un tope mecánico, si además tenemos que fabricar dos modelos de pieza se nos ocurre desplazar el tope con un cilindro neumático, y en ese caso hacemos complicados mecanismos de ajustes de posición final, con sus correspondientes gastos de puesta en marcha que muchas veces no se tienen en cuenta. No digamos que inventos se hacen si ya tenemos más de dos modelos. Ni tampoco pensemos en lo que acarrea el tener que adaptar esta máquina a un nuevo modelo. Aún estando el mecanismo adaptado a ese modelo, ¿que significa un cambio de modelo? ¿se puede hacer sin detener la producción? ¿está preparada para una fabricación cuasi-unitaria?

La solución inteligente y flexible es utilizar un cilindro eléctrico como tope, no sólo permitimos a nuestra máquina adaptarse a infinitas medidas-modelos, sino que su cambio se puede hacer sin detener la producción, No se necesita un control después de un cambio de formato, ya que estos cilindros disponen de dispositivos de seguridad que garantizan tanto el posicionado correcto como la presencia o no de la pieza sin necesidad de equipamiento extra.

Supongamos que en el mismo mecanismo, una vez sujeta y posicionada la pieza debemos colocar un inserto o remache. Lo habitual es pensar en un pequeño (o no tanto) cilindro hidráulico, calibrado para ejercer determinados Knewton, los adecuados por cierto para sujetar el inserto de 20mm a una chapa de 2mm, por supuesto con sus correspondientes finales de carrera que nos hemos asegurado de diseñar con sus correspondientes topes regulables.

Aplicación Bearing Pusher

De más está decir que si en el proceso debemos ser capaces de utilizar insertos de distinto tamaño la cosa se complica, pero aún más, si una pieza ha de llevar insertos de una medida y la siguiente de otra y de otra rosca que implique otra fuerza olvidémoslo.

La opción flexible: Montar un actuador eléctrico, con el que podemos programar la posición y magnitud para ejercer la fuerza, definir la curva de carga y por supuesto hacerlo distinto para una pieza o la siguiente. Además el propio cilindro realizará una verificación de calidad en el proceso de inserción/remachado y otra vez sin elemento externos que deban ajustarse.

Extrapolando esta funcionalidad a los distintos dispositivos y dotando a nuestra máquina de un apropiado sistema de comunicación en tiempo real, hacemos de nuestro invento una máquina de ejecutar recetas, algo versátil, con agilidad de cambio y dispuesto para una fabricación flexible y personalizada.

Resumiendo: Incrementar el uso de actuadores eléctricos, requerir de ellos control de posición velocidad y fuerza, que estén bien interconectados y que además nos den datos de calidad y desarrollo del proceso.
Referencias: Recursos actuales para automatizar movimientos

Aprovechamiento de energía y recursos naturales

En 1847 James Joule enunció “la energía no se crea ni se destruye… se transforma”. Creo que si ahora existiera diría “En la industria la energía no se crea ni se destruye… se despilfarra”. Siento la ironía pero es totalmente cierto. La despreocupación actual de los fabricantes por la eficiencia energética de sus máquinas es realmente alarmante. Pocos se preocupan en limitar consumos de aire, en reducir fugas de instalaciones, en condicionar sistemas en movimiento que generan calor inútilmente o en implantar sistemas que aprovechen la energía de desaceleraciones para otra cosa que dispar calor.

Green Automation

Estudios que analizan el uso de la energía eléctrica en los dispositivos neumáticos nos dicen que del 100% de la energía consumida, un 50% de la potencia se pierde en el propio compresor de aire, un 16% de pérdida de energía en las diferentes válvulas de reducción y adaptación de presión, un 5% de pérdida de energía en el tratamiento del aire, filtro, y un 15% de pérdida en el propio actuador neumático. Con lo que un sistema neumático tiene una eficiencia promedio del 14%.
Un sistema hidráulico no es mejor, y los valores de eficiencia raras veces superan el 12%.

Veamos un ejemplo: Queremos desplazar la masa de 15 kg una distancia de 400 mm en 500 ms y 30 veces al segundo, debemos alcanzar velocidades mayores de 1 m/s, y la solución neumática requeriría como mínimo un cilindro de 50 mm de diámetro interior. Cada ciclo movería un volumen de aire de 10 litros, y suponiendo 8000 horas de funcionamiento año, tendremos 24000 m3 de aire a 6 bares anuales, unos 25.600 kWh de energía consumida. Una solución con motor eléctrico LinMot requeriría una potencia de motor de 100 W, y el citado ciclo usaría una energía anual de 800 kWh….. O sea el sistema neumático de nuestro caso consumiría lo mismo que 32 cilindros LinMot realizando el mismo trabajo.

La energía eléctrica es la más limpia, la que más fácil se transporta y distribuye, la que puede venir de recursos naturales como eólicos, hidráulicos, etc… Usémosla con moderación.

Comparativa de costes entre sistemas hidráulicos y eléctricos

Resumiendo: Evitar el uso de cilindros neumáticos o hidráulicos. Exigir de los sistemas eléctricos valores de eficiencia del 9x%, primar los sistemas que se auto-desconectan en caso de no operación y que aprovechan las energías de frenado.
Referencias: Ahorro energético: Técnicas para limitar el consumo en máquinas

Gestión de residuos y reciclaje

Recuerdo que hace ya más de quince años abriendo un paquete que provenía de Austria mi perro comenzó a comerse los rellenos del embalaje, parecían palomitas de maíz e investigando, encontré para mi sorpresa que eran realmente embalajes orgánicos producidos con salvado de cereales.
Felizmente hay países en los que la conciencia de sostenibilidad de la cadena productiva lleva años instaurada y deberíamos tomarlos de ejemplo en ese particular.

Comparativa de emisiones de CO2 en EuropaPero más allá de ello y yendo al propio concepto de fabricación seriada y desmedida, todos nos hemos encontrado con herramientas o equipos – generalmente de procedencia asiática -, de precio extremadamente bajo que se rompen al primer uso. ¿Cuál es el impacto en el medio ambiente de esa fabricación? ¿ Con ese extremado bajo coste se cubren realmente los costes de reciclaje? Y de ser así… ¿quién lo hace?.
No es un tema exclusivo de fabricación China, también los países “industrializados” han aprendido y asumido las malas prácticas de los primeros y de esta forma encontramos máquinas y sistemas que se diseñan y producen con “fecha de caducidad”. Sí, hablamos de obsolescencia programada.

Veamos un ejemplo: Un conocido fabricante de sistemas PLC saca almercado una nueva gama de sistemas basados en una nueva versión de sistema de programación, casualmente los programas de la serie vieja no son directamente transportables al nuevo lenguaje y la competencia de funcionalidad, como poco; dudosa. De todas formas el programa no puede ser extraído directamente del sistema y de cara al usuario la única opción es la solución que le ofrece el OEM que casualmente es la compra de una máquina nueva con un PLC de la nueva gama. Esto genera realmente una cadena de cambios de series y modelos de controles que la mayor parte de veces tienen pocas argumentaciones técnicas y muchas comerciales.

Una solución inteligente: Un afamado fabricante de máquinas que entiende esta problemática y que la ha sufrido, encarga el desarrollo de un control propietario, el control es basado en sistemas operativos de aplicación industrial y de código abierto, el sistema está diseñado para ofrecer una larga vida de compatibilidad hardware y software. De esta forma aunque una CPU – por ejemplo – quede obsoleta y sea en un momento determinado imposible repararla, siempre se puede recompilar la aplicación sobre la CPU más moderna y alargar de esta forma la vida del equipo, de la máquina y de la instalación

Resumiendo: Evitar el uso de sistemas o equipos que no garanticen una continuidad y compatibilidad hacia abajo. En sistemas de control decidirse por sistemas que trabajen con sistemas operativos universales, no propietarios. Por último: ofrecer un adecuado sistema de retrofiting de máquinas e instalaciones. Este sistema no debe ser el objeto del negocio en sí, debe ser una obligación para mantener la fabricación original.
Referencias: Gestión de residuos sostenible: fabricación o retrofiting

Comunicaciones del proceso productivo en tiempo real

HIPC: Hygienic Industrial Panel Controller de A&RTodo esto no funcionaría sin unas adecuadas comunicaciones. Tanto los distintos elementos que forman parte de la máquina, deben poder dialogar con la o las CPU de forma bidireccional. Y, de las CPU hacia sistemas de gestion ERP, etc..
Vemos que en base se tratan de dos sistemas de comunicaciones: el de nivel máquina y el de fábrica e instalación. En ambos se utiliza el concepto de “tiempo real” por muchos mal entendido, recordemos que con tiempo real queremos significar un algoritmo de comunicación predecible en su respuesta, o sea de un tiempo de respuesta que pueda definirse en todo momento (determinismo) y que a la vez sea tolerante a fallos. El sistema de comunicación intra-máquina normalmente es realizado por buses de campo. Pensemos que un factor importante a la hora de elegir uno es su implantación, puede ser muy robusto y rápido pero perder la batalla ante otros de uso difundido tal como ModBus o CAN bus. Otra vez la importancia resulta la no dependencia.

Realmente donde existen las mayores complicaciones es en la comunicación fuera de las máquinas. El soporte en casi todas estas comunicaciones es de redes Ethernet y existen numerosas asociaciones que trabajan en aportar estándares y formas de hacer las cosas, tal como el famoso IOT (internet de las cosas). Pero el real handicap es la falta de seguridad, y este sea posiblemente el mayor freno en toda esta idea de INDUSTRIA 4.0. ¿Cómo limitar con seguridad los accesos no deseados a máquinas e instalaciones? ¿Como cortar un posible “Sabotaje” a nuestro proceso productivo?
A diversos niveles una falta de seguridad puede hacer que intencionadamente se produzcan piezas inservibles o cantidades incorrectas. Actualmente solo el control de las personas permite paliar estos peligros, pero claro está eso va en contra del objetivo de INDUSTRIA 4.0

Linux Inside

Resumiendo: Utilizar elementos de máquinas con conexión bus de campo. Que el bus de campo sea de los más usados y no sea propietario. Usar sistemas de comunicación inter – maquinas o proceso, basados en Linux, a fecha actual,LinuX parece ser un sistema más seguro frente a intrusiones no deseadas, y aún así siempre se pueden implantar rutinas propietarias que por ello mismo son singulares y se hacen más robustas a los hacker.

Referencias: Sistemas de control para máquinas A&R

Por BLA – Larraioz Elektronika

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