Estudio de caso: Primeros pasos hacia la IIoT en el entorno de una pyme

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La IIoT y la Industria 4.0 son temas omnipresentes en las ferias industriales y en los blogs de hoy en día. Muchos productos prometen ayudar a conseguir la integración vertical del flujo de producción y los datos y el software empresarial como el ERP. Pero, por lo general, también hay una trampa: o bien se obtienen productos muy complejos con un precio igualmente impactante, o bien, a pesar de la promesa de IIoT de interoperabilidad total entre proveedores, se quedará bloqueado por el proveedor, especialmente si considera las soluciones de software que venden los proveedores de máquinas de producción junto con sus equipos.

Para las empresas más pequeñas con recursos limitados y departamentos de TI pequeños o de una sola persona, esto es un dilema. Mientras que esas empresas dependen de la flexibilidad para competir con empresas más grandes y por lo tanto necesitan adoptar paradigmas como el de la Industria 4.0, normalmente viene con una enorme inversión y un muro de complejidad técnica aparentemente insuperable.

En este caso práctico, en primer lugar, mostraré cómo una plataforma de integración de software con conectores preconstruidos para la comunicación de datos de máquinas puede ayudar a superar estas limitaciones. Y, en segundo lugar, cuáles pueden ser las primeras aplicaciones prácticas para los datos de máquinas en tiempo real en una pequeña fábrica que inicia su camino hacia el Internet Industrial de las Cosas.

Sobre el cliente y sus necesidades

El cliente es un pequeño proveedor industrial que suministra principalmente productos de chapa de acero inoxidable con tamaños de lote pequeños y una cartera de productos compleja.

Para poder competir con otros fabricantes en este ámbito, la fábrica necesita avances tecnológicos y una evolución constante del proceso de producción. Por ello, el cliente ha comenzado a introducir la soldadura láser robotizada de última generación en el proceso de producción.

Aparte del proceso en sí, la integración de una solución de soldadura robotizada de este tipo en la planificación de la producción, la obtención de los datos necesarios para el cálculo de costes, el control de calidad, etc., es otro reto.

El entorno informático del cliente

El paisaje de la TI de los clientes es un paisaje natural y por lo tanto inherentemente complejo. En su base, utiliza un sistema ERP heredado que se amplía con aplicaciones PHP personalizadas basadas en la web e interfaces con otros productos de software (por ejemplo, CAD, CAM como software de anidamiento de láser, ...) y sistemas de clientes para el intercambio directo de datos. Todo esto dentro de un entorno mixto de servidor Windows/Linux y un grupo de clientes casi exclusivamente basado en Windows en un Directorio Activo. Los servicios de archivos se basan predominantemente en acciones de Windows y (en menor medida) en Dropbox.

En general, la estrategia de los clientes es reducir la complejidad de su infraestructura informática tratando de disminuir la cantidad de las diferentes tecnologías utilizadas (pilas LAMP, AD, Windows, O365, sistemas heredados, etc.), aumentando así la manejabilidad y reduciendo los costos de mantenimiento de todo el ecosistema.

El entorno de producción

La maquinaria de producción suele tener un periodo de uso inherentemente largo. Por lo tanto, no todas las máquinas están equipadas para las aplicaciones de la Industria 4.0 o proporcionan una funcionalidad muy limitada en este ámbito. Por lo tanto, este artículo se centra únicamente en la aplicación de soldadura robótica y sus necesidades de integración.

El sistema de soldadura es una solución "llave en mano" de un conocido fabricante que consta de una fuente láser de estado sólido, un robot con mesa giratoria-inclinable, un cabezal de mecanizado con un sistema de cámaras, la célula de protección necesaria para las aplicaciones láser de alta potencia, sistemas de control y sistemas auxiliares (aspiración, recogida de polvo, refrigeración).

Los componentes de este sistema se comunican a través de diversas interconexiones industriales estándar (IOs digitales, Profinet, EtherCat, ethernet estándar). Según las especificaciones del proveedor, sólo se expone una interfaz ethernet estándar hacia la infraestructura de red del cliente. Esta interfaz está conectada al sistema general de PLC del proveedor de la máquina y sólo ofrece un acceso muy limitado a los datos de la máquina y al sistema de control. Ofrece una interfaz OPC UA con menos de 10 puntos de datos que sólo se rellenan si la fábrica utiliza el software de planificación de la producción del proveedor de máquinas que se ejecuta en el PLC de la máquina. Por lo tanto, esta interfaz no resultó ser demasiado útil para mi cliente ahora, aunque la situación podría cambiar.

Los primeros pasos

Como primer paso, el objetivo era adquirir datos directamente de los componentes de la máquina.

El cliente eligió el protocolo de comunicación OPC UA, cada vez más común en los PLC y las máquinas actuales. Aunque este estándar puede utilizarse para establecer una comunicación en tiempo real y, por lo tanto, sustituir las funciones implementadas actualmente por los sistemas de bus de campo industriales, en nuestro caso, las capacidades en tiempo real no son necesarias. Aunque hay SDKs disponibles para la integración directa de la pila OPC UA en la aplicación de mi cliente, suelen ser intrincados y, por tanto, contradicen el objetivo de reducir la complejidad.

Así pues, en lugar de la codificación personalizada, el cliente opta por una plataforma de integración que tiene un conector OPC UA preconfigurado con una interfaz fácil de usar y la posibilidad de conectarse a sistemas de back-office como ERP, CRM, varios sistemas de gestión de documentos o bases de datos - locales y basados en la nube, y un precio razonable.

El control directo de estos sistemas a través de la plataforma de integración no es un objetivo, ya que podría violar el principio de punto único de control necesario para la seguridad de las máquinas.

Frecuencia de la encuesta de datos

En esta fábrica, la nueva tecnología está pasando por el proceso de adaptación, por lo que el sistema de soldadura robotizada sólo funciona en un único turno y la máquina no está funcionando constantemente ni siquiera durante las horas de trabajo. Por lo tanto, los datos adquiridos en este momento pueden ser útiles, pero también podrían resultar poco fiables para su uso futuro o con fines predictivos. Esto se basa en la experiencia del cliente con los datos recogidos de otras máquinas de producción, por ejemplo, máquinas de corte por láser. Ciertos factores -si el operario de la máquina estaba presente cuando terminó un ciclo de producción, cuando se activó la adquisición de datos- demostraron que incluso los datos aparentemente muy precisos podían pintar una imagen equivocada, y que la granularidad fina no siempre es necesaria para juzgar la eficiencia del proceso de producción.

Por ello, actualmente se utiliza una frecuencia de sondeo bastante baja, de 30 segundos, para la adquisición de datos.

En este primer paso, el cliente quiere sondear los datos de estos 3 componentes principales:

la fuente de láser,

el PLC del robot,

el sistema de cámaras.

Sin embargo, en este momento sólo se puede conectar la fuente láser. No es posible integrar otros componentes: el PLC del robot sólo tiene la interfaz OPC Classic, y la transición a la Arquitectura Unificada es un reto por el momento; y el sistema de cámaras está vinculado a todo el PLC de la máquina y parece que no es accesible por clientes externos.

OPC UA para la fuente de láser

Queda la fuente láser. Afortunadamente, este sistema está equipado con un controlador de última generación que incorpora una sofisticada interfaz OPC UA con varios niveles de acceso: acceso anónimo con capacidad de lectura limitada, sólo lectura, lectura y escritura. Como ya se ha mencionado, el acceso de lectura y escritura estaba descartado por razones de seguridad de la máquina. Por lo tanto, se eligió el acceso de sólo lectura.

Esta interfaz ofrece una gran cantidad de datos:

El estado general del sistema de láser

Los períodos de operación, la energía utilizada, ...

Mensajes de error y mantenimiento

Con la plataforma de integración, el cliente desarrolló un servicio de Windows en C# para sondear periódicamente los datos y recopilarlos en varias tablas de bases de datos SQL para su uso futuro. Las tablas pueden proporcionar información como datos generales, uso del equipo, tablas de mensajes de mantenimiento/error producidos por la fuente láser.

Una gran pregunta: ¿cómo utilizar estos datos de las máquinas?

El primer dato valioso es la recopilación de los mensajes de registro de la máquina. La experiencia de mi cliente en el pasado fue que no todas las máquinas conservan sus archivos de registro durante los reinicios. Además, los operarios de las máquinas no siempre informan con precisión de las averías y los errores a sus supervisores. Esto puede dar lugar a tiempos de inactividad de la máquina más largos de lo necesario cuando se produce una avería grave. Si la máquina estuvo en funcionamiento ese día, es una cuestión importante.

Para facilitar el acceso de la dirección técnica de la empresa, esos informes diarios se generan como archivos PDF y se almacenan en un buzón compartido, en caso de que sea necesario abrir una llamada de asistencia al proveedor de la máquina.

Por supuesto, esto es actualmente sólo una aplicación muy limitada de la inmensa capacidad del conector OPC UA. Los siguientes pasos que el cliente está desarrollando son:

Conexión al PLC del robot (a través de IOs digitales si no es posible de otra manera) para obtener un tiempo preciso de arranque y parada de los ciclos de producción.

Junto con el sistema de hoja de horas de la empresa, esto permitirá comprender mejor cuánto tiempo está realmente la máquina en producción y cuánto tiempo se utiliza para la enseñanza (programación del robot) y/o la carga/descarga/mantenimiento;

Acceso al sistema de cámaras: como la soldadura láser es un proceso de soldadura diferente, los clientes de mi cliente deben certificar este método de producción antes de que se entreguen los productos reales. Estos procesos se lograrán mucho más fácilmente si se puede entregar una documentación completa del proceso de soldadura de forma constante y automática.

Además, con la reducción prevista de la complejidad y los servicios utilizados, es inminente el paso de Dropbox-Shared a OneDrive, una vez que se haya implantado en todos los clientes interesados. El cliente también está interesado en el posible análisis de datos para el mantenimiento predictivo.

Conclusión

Como se ha escrito anteriormente, este proyecto está en su fase inicial y todavía está muy lejos de ser una solución IIoT completamente funcional. El hecho de optar por una plataforma de integración con conectores preconstruidos en lugar de programar toda la integración me ayudó a evitar la necesidad de entrar en los detalles de otra pila de conexiones (como OPC UA o la API de Dropbox). Y a mi cliente le proporcionó una pila de comunicación centralizada para futuras aplicaciones.

Sobre Richard Majer

Richard Majer, fundador de flupo Systemtechnik e.U., especializada en tecnología informática y de automatización industrial para PYMES. Antes de fundar su propia empresa, Richard trabajó en un instituto de I+D para aplicaciones láser de alta potencia (adquiriendo experiencia en tecnología láser, simulaciones FEM, robótica industrial, programación de PLC, sistemas de bus de campo industriales), y tiene más de 10 años de experiencia en TI general con un enfoque en el desarrollo de software en entornos de PYMES (principalmente interfaces entre diferentes productos de software y aplicaciones de planificación de la producción). Tiene un máster en Matemáticas por la Universidad de Viena.