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MANUFACTURA DIGITAL Entendiendo la Industria 4.0

La carrera de la Industria 4.0 lleva unos cuantos años de haber arrancado y es inevitable que las empresas se rezaguen si no entienden su significado y cuáles son sus posibles aplicaciones.

Explicar un concepto cuando todavía se encuentra en debate y en construcción puede resultar confuso. En las conversaciones entre colegas tanto de academia como de empresas, en donde compartimos información respecto a este tema, hemos coincidido que el entendimiento de los conceptos de la Industria 4.0 y la Fábrica del Futuro es difícil de lograr con claridad. Incluso, para los que nos hemos dedicado a estudiar este tema, cualquier intento de sintetizarlo resulta complejo.

La carrera de la Industria 4.0 lleva unos cuantos años de haber arrancado y es inevitable que las empresas se rezaguen si no entienden su significado y cuáles son sus posibles aplicaciones.  ¿Cómo exponer de manera simplificada este fenómeno industrial conocido como Industria 4.0 y la Fábrica del Futuro?

¿Por dónde iniciar?
Es conveniente abordar los términos de La Fábrica del Futuro y La Industria 4.0 los cuales son mencionados por la mayoría de los países industrializados (España, USA, Francia, Alemania, China, Japón, entre otros), como por ejemplo: Industria Conectada, Industria Inteligente, Fábricas Inteligentes, Manufactura Inteligente, Manufactura Avanzada, etcétera.

La Fábrica del Futuro como término, viene desarrollándose en los congresos de manufactura de la Comunidad Europea, en donde se han planteado desde el año 2001 elaborar un mapa de ruta hacia el año 2020 – ahora extendido al año 2030- con el objetivo de afrontar la competencia global y no perder su posicionamiento a nivel mundial como potencia de manufactura.

De aquí nace la iniciativa "The Factory of the Future" como proyecto de consorcio para establecer un mapa de ruta así como importantes proyectos.

Por otro lado, la Industria 4.0 es anunciada en el Hannover Messe en el 2013 como una iniciativa Alemana, para que éste país tome el liderazgo tanto en la generación de tecnologías como sus aplicaciones en empresas.

Pudiera decirse que la iniciativa “Industria 4.0” toma las experiencias del programa de la Fábrica del Futuro ya que ambas iniciativas presentan características similares. Ambas describen grandes oportunidades que ofrece este nuevo modelo tecnológico industrial, que de ser aplicado en la fábrica, habría una mejora en ciertos indicadores de la operación. Estas mejoras representan un impacto positivo en costos, calidad, servicio entre otros, tal como se presentan en el reporte del grupo de trabajo Industrie 4.0 de Acatech [1].

¿Qué es la Industria 4.0?
Como lo propone Pereira [2] , Industria 4.0 es un nuevo modelo industrial, en donde se definen ciertas características como virtualización y digitalización, que solo pueden ser alcanzadas mediante el uso de tecnologías en un nuevo esquema integrativo.

¿Acaso los sistemas actuales no ofrecen ya virtualización y digitalización como lo son el ERP, CRM, PLM, MRP, SCM, MES, CAM, CAD, CAE, etc.?

De acuerdo a una fuente del área de desarrollo de nuevos productos en una empresa global, me explica cómo los sistemas que son usados cubren muchas de las necesidades: “Los sistemas de la empresa abarcan todas las áreas de una organización: tecnología, abastecimiento, programación, producción, calidad, almacenes, costos, contabilidad. Todas las áreas están relacionadas entre sí por medio de los sistemas que además sirven tanto para trabajar con el desarrollo de nuevos productos, como para administrar la operación del día a día; por ejemplo, el área de programación alimenta los modelos que se fabrican en un periodo determinado. Con esta información, se generan requerimientos para abastecer en tiempo y forma la producción de los productos programados, que considera también los valores de inventarios, tiempos de entrega de proveedores. También se pueden obtener los costos actuales de cada producto fabricado, indicadores de calidad, etcétera.

En lo que a proveedores respecta, reciben sus requerimientos de manera automática y ellos de manera automática notifican cuando un embarque ya va en camino.

Al llegar el material se debe dar entrada en almacenes para alimentar inventarios, con el fin de que el sistema MRP trabaje correctamente y con esto hacer la gestión del pago del material ingresado. Algún rechazo por mala calidad en el material, también será registrado en el sistema, para mover el lote completo al área de cuarentena y tomar acción al respecto, así como obtener indicadores de calidad.”

Definitivamente los sistemas que las empresas utilizan para administrar la operación, cumplen con parte de la digitalización de la fábrica. En el documento The Factories of the Future [3], se describe que todos estos sistemas informáticos presentan necesidades de cambio, pero no solo los sistemas de Información (IT), también los sistemas de la operación (OT). Los cambios se requieren debido a que la actual arquitectura de software tiene una integración estática, predefinida por catálogos y procesos lineales, que no favorecen las nuevas necesidades de flujo de la información.

Haddara [4] reporta que las empresas que han diseñado los sistemas actuales han emprendido también el camino hacia la Industria 4.0, modificando e implementando nuevos módulos en sus sistemas. Sin embargo, el gran reto de los sistemas actuales, es el re-diseño de su arquitectura de software, que permita este flujo de información con mucha mayor velocidad.

Un mejor entendimiento se puede lograr si se conocen mejor las características deseables de la Industria 4.0. En este sentido, habrá que empezar por entender cuál de estas características es más relevante. Como Yuan[5] y otros autores han propuesto, se presenta a continuación la principal característica de la Industria 4.0.

Conectividad
La conectividad es la característica más relevante de la Industria 4.0 y Fábrica del Futuro. Basta mirar hacia la historia reciente para asombrarnos del impacto que ha tenido la adopción de los teléfonos inteligentes en la sociedad y como influyó en la manera en que las personas se comunican.

Ahora se vive en todas las generaciones, desde los abuelos hasta los nietos: la comunicación, la información y los datos nos llegan en minutos. Más aún, disponemos del acceso a la información literalmente en la palma de la mano.

¿Puede ocurrir lo mismo en la fábrica? Por supuesto. Algunos autores como Rojko [6] y Fogal [7] precisan que esta conectividad o interconectividad detonan la integración de los distintos niveles de la fábrica de manera vertical y horizontal, es decir, conectar el piso de producción con los distintos departamentos de la empresa, así como conectar con tus proveedores y clientes.

¿Qué implica esta “nueva” característica de la conectividad? Se puedan quitar las barreras de comunicación entre los distintos equipos, máquinas, sistemas informáticos de la planta, personas, etc., para poder transportar la información de las diversas fuentes hacia donde se requiera su análisis y procesamiento.

Sin embargo esta integración de alto nivel entre distintas plataformas no está considerada originalmente por algún sistema moderno, por lo que es necesaria una solución tecnológica bajo estándares que pueda lograr este objetivo.

Un ejemplo de cómo se ha planteado este proceso de integración para la conectividad es discutido por Lee [8], quien explica las fases que debe seguir una empresa para interconectar sus sistemas. Lee propone comenzar por los sensores y las máquinas, para ir escalando a distintos niveles de la operación para que queden conectados los sistemas de control, los sistemas de analítica de datos y se llegue a niveles de toma de decisiones. Esto implica hacer la conexión con niveles superiores de la operación donde los sistemas informáticos son usados. En otras palabras, el objetivo será unir las tecnologías operativas (OT) con las tecnologías de información (IT).

Esto no es tan simple como se describe. Hadara[4] expone un caso donde una empresa global de ERPs ha puesto a disposición de sus clientes un módulo con aplicación en mantenimiento predictivo basado en Internet de las cosas (IoT). Sin embargo, ¿Qué pasaría si la empresa no utiliza los sistemas de este fabricante?

¿Están listos los fabricantes para permitir integración de la competencia? Hasta este punto, se ha presentado a la conectividad como la principal característica. Ahora es el momento de presentar a la segunda característica más relevante: la interoperabilidad.

Romper barreras
La interoperabilidad que en conjunto con la conectividad detonan la capacidad de los sistemas de interactuar unos con otros sin la aplicación de un esfuerzo de integración especial (IEC)[3]. No importará cual fabricante propone la tecnología ya que mientras cumpla con las características de la Industria 4.0, podrá interconectarse con otros sistemas sin necesidad de equipos adicionales.

Para lograr esta característica, una de las opciones que se ha propuesto internacionalmente es el uso del protocolo de comunicación OPC-UA, que de acuerdo a Chen [9] hace posible la interacción entre equipos y máquinas. Bartodziej [10] ahonda más en el alcance que tiene el uso de este protocolo y precisa que no tiene capacidad para permitir operaciones en tiempo real por lo que se entenderá que la información que se genere no sea crítica para tomar decisiones de control.

Hasta este punto, el reto tecnológico empieza a descubrirse. Por un lado la necesidad de establecer la conectividad de las cosas y por el otro que estas cosas puedan realmente intercambiar información, es decir permitir la interoperabilidad. Es ahora donde conviene abordar un elemento indispensable en el modelo de Industria 4.0.

Dos mundos convergen
Los sistemas ciber-físicos son estos bloques elementales para desarrollar el modelo del Industria 4.0, ya que toman la función de la tecnología integradora, es decir, un sistema de sistemas en donde son conectadas las cosas de la fábrica. Lee hace referencia a una definición simple: “una tecnología transformadora para administrar los sistemas interconectados entre sus entidades físicas y capacidades computacionales” [8].

Los sistemas ciber-físicos integran capacidades de cómputo, comunicación, almacenamiento de datos con el monitoreo y control de equipos del mundo físico (incluidas las personas) garantizando el rendimiento en un entorno de seguridad crítica [11].

Como ha descrito Kagerman[1], se espera que las fábricas inteligentes estén conformadas por sistemas ciber-físicos, por lo que no significa que la fábrica sea un sistema ciber-físico, sino que habrá varios de estos sistemas que integran las tecnologías de producción, así como las tecnologías de procesamiento de información (OT y IT) en un nuevo esquema integrativo. Esto detonará que los objetos físicos de la fábrica podrán tener nuevas capacidades como cognición, percepción y actuación, intercomunicación y autonomía [12].

El mayor reto para la implementación del modelo de la Industria 4.0 y de la Fábrica del Futuro lo encontramos en este elemento. Este elemento define el tamaño de la inversión, la rapidez de implementar los prototipos, la escalabilidad y los resultados exitosos.

¿Cómo está conformado un sistema ciber-físico? Oks [13] nos presenta una arquitectura en donde enlista los componentes que un sistema ciber-físico debe considerar: la interfaz con el usuario, los sensores, las máquinas, dispositivos, personas, entre otros; en el umbral del mundo físico y el mundo cibernético están las redes de comunicación; finalmente, los sistemas y aplicaciones, bases de datos y algoritmos de analítica forman parte del mundo cibernético.Por lo tanto, los sistemas ciber-físicos estarán coordinando de acuerdo a un modelo de conectividad, todo el flujo de datos e información, provenientes de los sistemas informáticos, las máquinas, los IIoTs, las personas, dispositivos móviles y cualquier otro elemento dentro de la fábrica.

El rol de las personas

No puede estar completa la síntesis sobre Industria 4.0 y la Fábrica del Futuro sin considerar el rol de las personas en este nuevo modelo. Cabe hacer notar, que las personas son un elemento clave en todo el nuevo modelo industrial. Es el trabajador parte vital del sistema integrado, para lograr una interacción entre todos los elementos con la naturalidad de una red social como lo describe Bartodziej [10].

El modelo Industria 4.0 o Fábrica del Futuro no promueve desplazar al trabajador de las funciones de la operación, más bien promueve modificar las funciones de los trabajadores en donde generen mayor valor. Se espera que la relación de la persona-fábrica sea más flexible gracias a sistemas informáticos que promuevan nuevas formas de trabajo, de compartir experiencias y de fomentar el desarrollo y aprendizaje.[7]

La comunidad europea ha definido dentro de sus prioridades de investigación al 2030 [14] la manufactura centrada en el humano. Se busca reemplazar los trabajos repetitivos, peligrosos y extenuantes para que con la ayuda de las nuevas tecnologías, se empodere a las personas en términos de creatividad y poder de decisión. El propósito es aumentar las capacidades del trabajador mediante interfaces entre las personas y las máquinas en un nuevo esquema de colaboración.

Se ha presentado una síntesis de argumentos introductoria que pretende establecer una ruta lógica para el entendimiento de esta gran tendencia, de este nuevo modelo industrial que ha causado muchas interrogantes en los ámbitos empresariales. Se considera que el presente documento podrá facilitar futuras lecturas relacionadas a estos temas. Es necesario avanzar en el entendimiento de conceptos por parte de las empresas, para que éstas puedan definir la ruta que necesitan seguir en su evolución y transición hacia el modelo de la fábrica del futuro y de la Industria 4.0.

Referencias

  1. Kagermann, H.; Wahlster, W.; Helbig, J.: Recommendations for implementing the strategic initiative INDUSTRIE 4.0. Final report of the Industrie 4.0 Working Group 2013.
  2. Pereira Carvalho, N. G.; Walmir Cazarini, E.: Industry 4.0 - What Is It?
  3. COMMISSION, E.: Factories of the Future.
  4. Haddara, M.; Elragal, A.: The Readiness of ERP Systems for the Factory of the Future. In: Procedia Computer Science 64 (2015), S. 721–28.
  5. YUAN, Q.-y.; WEN, D.-l.; CHEN, Z.-x. (Hrsg.): The Framework of Intelligent Factory 2020.
  6. Rojko, A.: Industry 4.0 Concept: Background and Overview. In: International Journal of Interactive Mobile Technologies (iJIM) 11 (2017) 5, S. 77.
  7. Fogal, D.: Factory of the future. Geneva 2015.
  8. Lee, J.; Bagheri, B.; Kao, H.-A.: A Cyber-Physical Systems architecture for Industry 4.0-based manufacturing systems. In: Manufacturing Letters 3 (2015), S. 18–23.
  9. Chen, B.; Wan, J.; Shu, L.; Li, P.; Mukherjee, M.; Yin, B.: Smart Factory of Industry 4.0: Key Technologies, Application Case, and Challenges. In: IEEE Access 6 (2018), S. 6505–19.
  10. Bartodziej, C. J.: The Concept Industry 4.0. Wiesbaden 2017.
  11. Greer, C.; Burns, M.; Wollman, D.; Griffor, E.: Cyber-physical systems and internet of things. Gaithersburg, MD 2019.
  12. Rojas, R. A.; Rauch, E.; Vidoni, R.; Matt, D. T.: Enabling Connectivity of Cyber-physical Production Systems: A Conceptual Framework. In: Procedia Manufacturing 11 (2017), S. 822–29.
  13. Oks, S. J.; Jalowski, M.; Fritzsche, A.; Möslein, K. M.: Cyber-physical modeling and simulation: A reference architecture for designing demonstrators for industrial cyber-physical systems. In: Procedia CIRP 84 (2019), S. 257–64.
  14. Manufuture High-Level Group (Hrsg.): Manufuture Vision 2030: Competitive, Sustainable And Resilient European Manufacturing 2018.

 

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