La Internet industrial, como modelo de negocio emergente y paradigma de aplicación formado por la profunda integración de la tecnología de la información de próxima-generación con la economía industrial, sirve como base fundamental para que las empresas industriales logren la transformación digital. En los últimos años, han surgido numerosas soluciones integradas a través de la innovación adaptada a las características de producción y los puntos débiles de industrias clave. Los ejemplos incluyen la colaboración en la cadena de suministro en la fabricación de equipos-de alta gama, la operación y el mantenimiento remotos de equipos importantes, la conservación de energía y la reducción de emisiones en la industria del acero y el monitoreo de la seguridad de la producción en el sector petroquímico. Estas soluciones aprovechan plenamente los efectos de agregación y amplificación de la Internet industrial, impulsando la transformación digital de la fabricación y brindando valor fundamental en la mejora de la calidad, la reducción de costos y la ganancia de eficiencia.
Las plataformas de Internet industrial brindan capacidades para agregar, integrar, almacenar, procesar, computar y analizar datos industriales masivos, lo que permite a las empresas crear plataformas de datos de control operativo de ciclo de vida completo-unificadas. Numerosas tecnologías relacionadas-con plataformas están experimentando iteraciones y avances continuos (por ejemplo, componentes de microservicios, contenedores, procesamiento de datos por lotes, procesamiento de flujos). Estas tecnologías nos permiten progresivamente realizar-análisis en profundidad de datos industriales masivos y heterogéneos, al tiempo que aceleran la acumulación de conocimiento industrial, el desacoplamiento de hardware y software y la rápida implementación de aplicaciones innovadoras. Sin embargo, reconocemos que estas tecnologías avanzadas de código abierto-son fundamentalmente herramientas para ayudar a las empresas a lograr una fabricación inteligente-no el objetivo final en sí. Al aprovechar estas plataformas, las grandes empresas pueden optimizar la producción en todo el ámbito de fabricación, mejorar toda la cadena de valor de activos y operaciones y, en última instancia, lograr una optimización del valor en todo el ciclo de vida. Por ejemplo, el Grupo Abu Dhabi National Oil Company (ADNOC) aprovecha su centro de comando digital panorámico para monitorear y optimizar de manera centralizada los activos y el desempeño operativo de 14 compañías operativas desde su sede. A través de soluciones como el mantenimiento predictivo y la optimización de la cadena de valor, ha identificado oportunidades potenciales de optimización de valor por valor de entre 60 y 100 millones de dólares para el grupo (proporcionando soluciones de optimización de la cadena de valor de petróleo y gas, integrando cadenas de valor operativas y de activos, y maximizando la producción y los retornos operativos).
Internet industrial ofrece numerosas soluciones en escenarios como extensión de servicios, colaboración en red y personalización personalizada al conectar empresas, usuarios y productos. Sin embargo, aún se encuentra en una fase de exploración de escenarios de producción inteligentes y las empresas aún enfrentan desafíos importantes en las operaciones de producción.
Desafíos que enfrentan las empresas manufactureras actuales
Desafíos del mercado: las incertidumbres económicas y del mercado global están obligando a los fabricantes a ajustar rápidamente sus estrategias para adaptarse a las demandas del mercado más frecuentes y más rápidas-mientras navegan por las fluctuaciones en los costos de materias primas y energía. Esta tendencia está obligando a las empresas a repensar sus enfoques operativos: deben lanzar continuamente nuevos productos y al mismo tiempo acortar los ciclos de adquisición de equipos, los plazos de desarrollo de nuevos productos y el tiempo-de llegada-al mercado. Necesitan establecer modelos de negocio de optimización coordinados con la cadena de suministro-impulsados por la demanda-y sistemas de producción flexibles, como líneas de producción-mixtas-a gran escala-particularmente críticas para el sector de fabricación discreta.
Desafíos de recursos humanos y retención de conocimientos: a medida que las generaciones mayores de trabajadores se jubilan, se corre el riesgo de perder la experiencia que poseen en sistemas de control, operaciones y mantenimiento. Las empresas industriales enfrentan importantes desafíos debido a las transiciones de la fuerza laboral. La nueva generación de nativos digitales espera que el conocimiento de la automatización industrial esté integrado en los sistemas que utilizan, mientras que el talento tradicional de OT se vuelve cada vez más escaso.
Desafíos en costo total y cumplimiento: cómo optimizar y reducir los costos de nuevos proyectos de construcción y gastos operativos mientras se cumple con leyes y regulaciones nacionales de protección ambiental cada vez más estrictas para permitir el desarrollo sostenible.
Los directivos industriales esperan que la Industria 4.0 y las tecnologías de Internet industrial les ayuden a afrontar estos nuevos desafíos. Los analistas de la industria estiman que tecnologías de producción más flexibles y de próxima-generación podrían aumentar la productividad manufacturera en un 30 %. Sin embargo, las investigaciones también indican que el 60% de las empresas no logran hacer avanzar sus proyectos más allá de la fase piloto. Este resultado surge de diversos factores relacionados con el personal, los procesos y la tecnología. En el frente tecnológico, la mayoría de los fabricantes luchan por lograr mayores retornos de estas innovaciones, principalmente porque sus sistemas operativos de planta siguen siendo configuraciones cerradas y patentadas. Desde la década de 1970, cuando los sistemas DCS y PLC entraron en la automatización industrial, los sistemas propietarios han evolucionado. Hasta la fecha, el mercado se ha desarrollado en torno a modelos de paquetes de hardware-software, en los que cada proveedor de sistemas de información y automatización crea su propio ecosistema de software. Esto obliga a los usuarios a mantener múltiples sistemas de TI y OT, lo que fomenta una alta dependencia de los proveedores de sistemas.
Los cuellos de botella actuales en el borde de la Internet industrial
Arquitectura no-digital-La mayoría de los sistemas de automatización modernos están altamente optimizados para el control en tiempo real-pero no logran aprovechar las tecnologías que avanzan rápidamente y que surgen del dominio de TI. Estas-tecnologías digitales de vanguardia-que incluyen análisis, inteligencia artificial/aprendizaje automático, enfoques-orientados a objetos y arquitecturas-orientadas a servicios-son esenciales para lograr la fabricación inteligente.
Hardware-Modelos de negocio centrados en hardware-Si bien las mejoras de hardware pueden optimizar los entornos de control existentes, no son el aspecto más crítico de la transformación digital. La verdadera clave reside en la innovación-impulsada por el software que aborde de manera inteligente los desafíos tecnológicos operativos. En consecuencia, el valor empresarial está cambiando constantemente de modelos basados en hardware-a modelos basados en software-.
Limitaciones de los sistemas propietarios-Actualmente, las aplicaciones de automatización desarrolladas para un sistema no pueden ejecutarse en otro. Sin embargo, durante las últimas décadas en TI, los sistemas operativos abiertos como Linux han fomentado el desarrollo de aplicaciones de terceros-, permitiendo una rápida expansión del ecosistema y la creación de carteras de software enriquecidas que satisfacen las necesidades comerciales en múltiples industrias y segmentos de mercado. Lamentablemente, los sistemas patentados en el sector industrial crean barreras a la innovación: los usuarios no pueden mejorar razonablemente-los sistemas de producción de forma rentable ni integrar y combinar los mejores-productos-de diferentes proveedores. Su ritmo de innovación está limitado por su dependencia de proveedores de sistemas propietarios. En última instancia, estas barreras aumentan los costos totales de la empresa.
Para los fabricantes de equipos originales (OEM), el desafío radica en equilibrar dos prioridades: aprovechar las capacidades de depuración virtual durante el diseño modular para unir los mundos virtual y físico-reduciendo así los costos, mitigando los riesgos y acelerando el tiempo-de-comercialización-al mismo tiempo que se mejoran los servicios de valor agregado- de las máquinas para expandir los mercados e impulsar el crecimiento empresarial.
Los integradores de sistemas (SI) enfrentan una brecha crítica: los sistemas de automatización carecen de herramientas que conecten los dominios de TI y OT. En última instancia, se ven obligados a invertir importantes recursos humanos en el desarrollo de soluciones personalizadas de gran complejidad. Lo más importante es que estos servicios personalizados son difíciles de replicar ampliamente en el mercado. Buscan bloques funcionales de software que protejan su conocimiento industrial y soluciones-específicas de la industria, reduciendo así el esfuerzo de ingeniería de bajo-valor (al reutilizar objetos y algoritmos de proceso en múltiples proyectos). Esto permite a sus expertos técnicos centrarse más intensamente en resolver los puntos débiles y los desafíos dentro de los procesos de fabricación, operaciones y mantenimiento (MOM), creando en última instancia un mayor valor.
Del lado del usuario final-(UE), abordar estos desafíos requiere urgentemente una gestión integral del sistema para minimizar el tiempo de inactividad no planificado, garantizar la entrega de productos durante las temporadas altas y reducir la dependencia del soporte técnico externo. Existe el deseo de sistemas/líneas de producción flexibles para garantizar la agilidad de fabricación, lo que permite una mayor flexibilidad de producción cuando cambia la demanda o los programas de mantenimiento.
Resolver eficazmente estos problemas y establecer verdaderamente un ecosistema industrial digital "definido por software-definido" requiere abordar los sistemas OT cerrados, los estándares y los desafíos del ecosistema desde su origen. Esto implica adoptar sistemas y estándares de automatización abiertos y al mismo tiempo integrar capacidades técnicas adicionales para acelerar la convergencia de TI-OT.
El futuro de los sistemas de automatización abiertos
Las arquitecturas futuras de los sistemas de automatización inevitablemente evolucionarán hacia la apertura, la implementación distribuida y la seguridad inherente. La tecnología de automatización industrial y la informática de punta forman la base de estos sistemas abiertos. En comparación con los sistemas propietarios tradicionales, las arquitecturas de automatización abiertas exhibirán las siguientes transformaciones:
Es evidente que las arquitecturas de automatización abiertas aceleran el desarrollo de la ingeniería, mejoran la agilidad del sistema, la flexibilidad de la producción y la eficiencia general. Este cambio representa más que una actualización técnica:-redefine fundamentalmente cómo se diseñan los procesos y la maquinaria. La programación a largo plazo-y de bajo-valor para controladores propietarios pasará a sistemas de automatización plug-and-. Estos sistemas aprovecharán bloques de funciones de software extensos y completamente validados desarrollados por un vasto ecosistema. Se ejecutarán en hardware diverso de múltiples proveedores-que abarca desde sistemas de control integrados hasta potentes dispositivos de inteligencia perimetral.
Los estándares abiertos son esenciales para construir sistemas de automatización abiertos, y IEC 61499 es el estándar clave que abre esta nueva frontera. Al definir reglas de modelado orientadas a objetos-, encapsula los modelos de control y algoritmos de los objetos controlados en "cajas negras" (bloques de funciones de software). Estos bloques de funciones verificados se pueden reutilizar en diferentes escenarios, lo que reduce significativamente los esfuerzos de programación repetitivos. Para los usuarios, basta con comprender la funcionalidad proporcionada sin necesidad de conocer los detalles de implementación, protegiendo así la propiedad intelectual de los desarrolladores. A diferencia de los bloques de funciones tradicionales, los definidos por este estándar funcionan basándose en la activación de eventos en lugar de en un escaneo cíclico. Esto se alinea con los conceptos-orientados a objetos y los enfoques de programación en el dominio de TI, lo que la convierte en una tecnología de convergencia natural de TI/OT. Facilita la mejora de la eficiencia de la CPU del controlador y el equilibrio de carga, es especialmente adecuado para sistemas distribuidos y permite una integración perfecta de tecnologías de TI avanzadas en sistemas de automatización. El estándar define además reglas para modelos de aplicaciones, modelos de sistemas y modelos de dispositivos/recursos. Su integración permite a los usuarios diseñar aplicaciones independientemente del hardware de automatización subyacente. Este enfoque de abstracción de hardware acorta los plazos de los proyectos y reduce la dependencia de los fabricantes de equipos. Combinado con el desarrollo de bloques de funciones orientado a objetos-, simplifica significativamente los ajustes en línea para líneas de producción y equipos. Naturalmente, el estándar también proporciona métodos para componer bloques de funciones básicas en bloques compuestos y para conectar rápidamente diferentes bloques de funciones (mediante un simple arrastrar-y-soltar), lo que reduce significativamente la carga de trabajo de depuración de programación de software y las tasas de error del programa. En resumen, sus objetivos principales son lograr la interoperabilidad de los dispositivos, la reconfigurabilidad del sistema y la portabilidad del software. Organizaciones como el Foro Abierto de Automatización de Procesos (OPAF) y la Asociación Internacional de Usuarios de Automatización de la Industria de Procesos (NAMUR), que actualmente están lideradas por la participación de los usuarios finales-, están abogando por un alejamiento de los marcos de sistemas de automatización patentados existentes basados en este estándar-el mejor ejemplo de esta búsqueda.
En los últimos años, la tecnología informática de punta también ha experimentado un rápido desarrollo. La tecnología de contenedores proporciona métodos efectivos para actualizar/actualizar aplicaciones por lotes para el control de borde y garantizar la transmisión y el procesamiento de datos oportunos. Las tecnologías de contenedores, principalmente Docker, y las herramientas de orquestación de contenedores como Kubernetes están ahora madurando. La arquitectura de microservicios mejora continuamente la eficiencia en la utilización de recursos en el borde, promueve el desacoplamiento y la reutilización funcional, acelera el desarrollo de aplicaciones y se ha convertido en una tendencia clave en la tecnología informática de borde. Estándares como OPC UA y Time-Redes Sensibles al Tiempo (TSN) proporcionan marcos internacionales y redes deterministas para la interconectividad de dispositivos de campo, satisfaciendo diversos requisitos de transmisión e intercambio de datos en aplicaciones industriales. La integración de estas tecnologías de información y comunicación de próxima-generación con las tecnologías estándar IEC 61499 acelerará el progreso de la automatización abierta. Esta apertura se extiende no sólo a los estándares sino también a las redes, el hardware, el software y la arquitectura del sistema, sentando una base sólida para lograr la digitalización, las redes y la inteligencia en fábricas y talleres.
La automatización abierta impulsará el rápido desarrollo de la Internet industrial y, en última instancia, abordará los puntos débiles de los usuarios finales, los integradores de sistemas y los fabricantes de equipos originales. Este enfoque logra una producción flexible, acorta el tiempo-de llegada-al mercado, reduce el tiempo y los costos de ingeniería, mejora la eficiencia operativa y de producción y protege la propiedad intelectual. De hecho, un estudio comparativo reciente realizado por una empresa externa-internacional resalta esto de manera efectiva: para completar un típico proyecto de automatización de pequeña-escala (tareas que incluyen la creación de aplicaciones, la importación de bases de datos relevantes, el establecimiento de lógica, la configuración de dispositivos, el desarrollo de HMI y la implementación del proyecto), las herramientas de software de automatización tradicionales requirieron 40 horas. En cambio, utilizar un sistema de automatización abierto redujo este tiempo en un 68%. Para probar la agilidad del sistema, los controladores se intercambiaron manualmente entre dispositivos y se configuraron nuevos controladores para los dispositivos originales. Estas operaciones resultaron engorrosas con los sistemas propietarios tradicionales, mientras que los sistemas de automatización abiertos las ejecutaban entre un 70% y un 80% más rápido.
En resumen, que la futura Internet industrial pueda superar los obstáculos actuales y avanzar aún más en la transformación digital de las empresas industriales en profundidad y amplitud depende del establecimiento de un sistema de automatización abierto basado en nuevos conceptos, arquitecturas y estándares. Los sistemas propietarios tradicionales-céntricos en hardware serán reemplazados por sistemas abiertos-céntricos en software. Se aplicarán más tecnologías de la nube a la informática de punta, lo que permitirá que un gran grupo de talentos de TI se integre profundamente con el conocimiento de las aplicaciones industriales dentro de este marco abierto. Podemos prever que la Internet industrial forjará un camino saludable y sostenible aprovechando este ecosistema abierto.