Evolución de los sistemas de control industrial en el marco de la Industria 4.0

Desde la aparición de las tecnologías de la información y las comunicaciones (véase ordenadores y redes de ordenadores) a principios de los años setenta, el modelo de referencia CIM (en inglés, Computer-Integrated Manufacturing) se ha utilizado para el desarrollo e integración de estas tecnologías en el ámbito industrial con el objetivo de automatizar y mejorar los procesos productivos (aumento de la capacidad productiva, disminución de los costes, personalización de los productos y mejora de la calidad, entre otros).

Para aquellos no familiarizados con el tema, el modelo de referencia CIM plantea una arquitectura piramidal donde cada subnivel de la pirámide se encarga de prestar servicios al nivel inmediatamente superior, ya sea proporcionar datos o ejecutar una acción. A su vez, el nivel superior se encarga de procesar los datos y de realizar peticiones de acción del nivel inmediatamente inferior, así como de proporcionar datos y atender las peticiones del nivel inmediatamente superior.

Así pues, en la capa inferior del modelo de referencia CIM nos encontramos el nivel de sensado y control, donde un conjunto de dispositivos PLC (en inglés, Programmable Logic Controller) se encarga de monitorizar y controlar en tiempo real las diferentes partes del proceso productivo a través de sensores y actuadores. En la capa inmediatamente superior nos encontramos el nivel de supervisión, formado por un sistema SCADA (en inglés, Supervisory Control And Data Acquisition) que se encarga de controlar los diferentes elementos para dar sentido al proceso productivo. Finalmente, en el nivel de gestión nos encontramos los sistemas de control y planificación MES (en inglés, Manufacturing Execution System) y ERP (en inglés, Enterprise Resource Planning), que se encargan de generar y gestionar las ordenes de trabajo para dar respuesta a los pedidos de los clientes.

Como vemos, este modelo piramidal es parecido a las arquitecturas utilizadas en sistemas y protocolos de telecomunicación (ver modelo de referencia OSI) y, a la vista de los resultados en ambos ámbitos, se puede considerar un éxito de la ingeniería gracias a que permite la separación de intereses de los diferentes niveles y los beneficios que de ello se derivan. Por ejemplo, la separación de intereses de cada nivel de la jerarquía, juntamente con la aparición de estándares, permite que equipos de diferentes fabricantes puedan interoperar, permitiendo una fácil integración y reduciendo el tiempo y los costes asociados.

Pero hoy en día el modelo de referencia CIM se enfrenta a un reto para dar respuesta a los nuevos requerimientos de acceso a la información que supone la llegada de la Industria 4.0, con la introducción de conceptos como el mantenimiento predictivo para reducir el tiempo de parada inesperada de las máquinas que conforman un proceso productivo y los costes asociados a estos. En concreto, para la implantación de estos conceptos se requiere de tecnologías de comunicación que permitan el acceso a la información en tiempo real, de protocolos de comunicación que permitan el acceso a la información de manera distribuida, y, finalmente, de mecanismos que faciliten el despliegue y el mantenimiento de estas tecnologías en el ámbito productivo.

En esta dirección, durante el último año hemos visto como TSN (en inglés, Time Sensitive Networking) y OPC-UA (en inglés, Open Platform Communications – Unified Architecture) han tomado protagonismo en las diferentes ferias del sector industrial (IoT Solutions World Congress en Barcelona y Hannover Messe en Alemania). Por un lado, TSN es una tecnología de red basada en Ethernet que permite (entre otros) garantizar el determinismo del tráfico de red (ancho de banda, latencia y jitter) y la sincronización entre los dispositivos que la forman para asegurar un correcto funcionamiento de los procesos industriales que la utilizan para intercambiar datos. Por otro lado, OPC-UA es un protocolo de comunicación que facilita la integración de los procesos industriales, incluyendo la estructura y el formato utilizados para el intercambio de los datos, así como aspectos de seguridad de la información.

Figura 1 – A la izquierda, testbed Cisco compuesto por un circuito Scalextric donde los diferentes elementos están sincronizados a tiempo real mediante una red TSN. A la derecha, maqueta de un proceso industrial donde los diferentes elementos que lo conforman se comunican mediante el protocolo OPC-UA. En ambos casos los testbed están formados por dispositivos de diferentes fabricantes con el objetivo de mostrar la interoperabilidad de los diferentes estándares, un aspecto fundamental a la hora de llevar a cabo la integración de estas tecnologías. (Fuente: propia)

En la misma dirección, este año Intel ha presentado el concepto SDIC (en inglés, Software-Defined Industrial Control), que se fundamenta en el concepto SDN (en inglés, Software-Defined Networking) desarrollado en los últimos años en el ámbito del cloud computing (del inglés, computación en la nube) y te las telecomunicaciones con el objetivo de facilitar el despliegue de servicios y redes de manera determinista, dinámica y escalable. Este concepto rompe con el modelo de referencia CIM y propone una arquitectura distribuida que permita la flexibilidad de los sistemas productivos a la vez que mantiene las garantías de seguridad necesarias en el ámbito industrial.

Figura 2 – A la izquierda, sistema de control industrial distribuido formado por diferentes unidades de cómputo y un coordinador que se encarga de la gestión de las diferentes tareas. A la derecha, conjunto de tanques de agua, con sus respectivos sensores y actuadores, controlados a tiempo real por el sistema de control industrial. En caso de fallo de una de las unidades de cómputo, el coordinador central es capaz de reasignar la tarea a otra de las unidades de cómputo a tiempo real, de modo que el funcionamiento del proceso no se interrumpa. (Fuente: propia)

A la vista de lo expuesto, parece claro que la combinación de todas estas tecnologías en el ámbito industrial es clave para habilitar los conceptos de la Industria 4.0 mencionados anteriormente. Por suerte, la madurez de estas tecnologías y la relación entre los beneficios y los costes que supone su implantación están cada vez más claros gracias a los testbeds y las pruebas piloto que han realizado los diferentes fabricantes de estos equipos. Por tanto, este es un buen momento para empezar a pensar en la realización de las primeras implantaciones en el campo para validar aspectos clave tales como la integración con los equipos que ya se encuentran desplegados, y también la interacción entre los técnicos del ámbito de los sistemas de información y del ámbito de los sistemas de control, pues su cooperación es clave para la implantación de estas tecnologías en las diferentes fases del proceso (diseño, despliegue y mantenimiento).