Calidad 4.0:cómo las redes inalámbricas de sensores IoT están remodelando la fabricación

El control de calidad es fundamental en todas las industrias, pero en la fabricación es hipercrítico. La demanda volátil del mercado, los altos costos de materiales y producción, junto con la naturaleza de misión crítica de los productos finales, impulsan a los fabricantes a buscar nada más que calidad de primer nivel y una tasa mínima de rechazo. Con el Internet de las cosas (IoT) avanzando gradualmente en la industria manufacturera, la gestión de calidad es un área con oportunidades de transformación.

El desafío de la gestión de calidad de un vistazo

La gestión eficaz de la calidad se basa en la capacidad de monitorear y controlar constantemente una gran cantidad de parámetros de máquinas y procesos que afectan la calidad del producto. Para garantizar que las propiedades del producto sean consistentes y estén a la altura, la recalibración del equipo se realiza constantemente a medida que surgen desviaciones del proceso y otros cambios en la línea de producción. Sin embargo, con la creciente complejidad de los sistemas de herramientas y los procesos de fabricación, muchas variables del proceso quedan desatendidas debido a los límites de las voluminosas redes cableadas.

Si bien son ideales para tareas de automatización sensibles al tiempo y de alto rendimiento, las comunicaciones por cable carecen de la flexibilidad y la asequibilidad necesarias para capturar datos de telemetría a escala y más allá del nivel de la máquina. Por lo general, factores como las condiciones ambientales, a pesar de su gran influencia en la variabilidad de la calidad, a menudo no se estudian ni controlan. Por ejemplo, en la fabricación de automóviles, una temperatura ambiente desfavorablemente baja puede reducir la calidad de los componentes impresos en 3D al hacer que se enfríen demasiado rápido.

Además, diseñados en el siglo pasado, la mayoría de los sistemas industriales cableados no están destinados al intercambio de datos más allá de la planta de producción. Esto crea islas de datos desconectados que no están disponibles para mejorar la eficiencia y el rendimiento de la producción. En cambio, la optimización de procesos y la gestión de la calidad a menudo dependen de una inspección posproducción manual y reactiva. Además de la costosa intervención humana, esto introduce una variabilidad de calidad significativa y los costos asociados, al tiempo que dificulta rastrear la causa raíz de los problemas de calidad.

Ingrese a la Industria 4.0:Gestión proactiva de la calidad

La búsqueda apremiante de mejorar la visibilidad de los procesos habla del tremendo potencial de IoT y su contraparte, Industry 4.0, para la gestión proactiva de la calidad.

Las redes IoT inalámbricas capturan una gran cantidad de puntos de datos críticos granulares a lo largo de la línea de producción. Por ejemplo, presión, vibración, temperatura y humedad. Con potencialmente miles de sensores instalados en el sitio, los datos se recopilan con una frecuencia de 10 a 20 segundos y se envían a través de una estación base al sistema back-end preferido del usuario, ya sea en las instalaciones o en la nube. Al usar una plataforma IoT remota, todos los datos de los sensores se consolidan para el monitoreo en tiempo real, los conocimientos procesables y la automatización de procesos. Las alertas se pueden activar inmediatamente cuando surge cualquier condición fuera de especificación entre los equipos y procesos en funcionamiento. Esto ofrece a los fabricantes un control sin precedentes sobre sus operaciones y productos. Más allá de la inspección de calidad reactiva al final de la ejecución, los datos de IoT permiten un enfoque de control de calidad proactivo para diagnosticar y prevenir defectos mucho antes en el proceso para lograr un rendimiento máximo de producción y repetibilidad. Esto también conduce a la reducción de costes y residuos. Al mismo tiempo, proporciona información valiosa para lograr y mantener las mejores prácticas.

Cinco aplicaciones líderes para la gestión proactiva de la calidad:

1. Monitoreo de condición y mantenimiento predictivo

Los sensores de IoT capturan y comunican métricas operativas y de salud clave, como presión, vibración, temperatura, humedad y voltaje de numerosas máquinas y equipos en todo el complejo industrial (monitoreo de condición). Además de generar una imagen perspicaz de los procesos de producción actuales y el rendimiento de los activos, estos flujos de datos masivos potencian los modelos analíticos para predecir de manera proactiva un problema inminente y programar una inspección y reparación basadas en la demanda (mantenimiento predictivo). Por ejemplo, la alta humedad en la caja de engranajes disminuye el rendimiento de los componentes rotativos, lo que provoca corrosión, deterioro de la calidad del producto o incluso averías en la máquina. La vibración excesiva de los motores y las bombas sugiere posibles defectos de montaje, desalineación del eje y desgaste de los cojinetes. Con el mantenimiento predictivo, las fallas se pueden prevenir antes de tiempo, lo que maximiza la utilización de los activos y reduce las pérdidas costosas debido al tiempo de inactividad.

2. Monitoreo Ambiental

Las condiciones ambientales pueden desempeñar un papel importante en la producción y la gestión de la calidad. Con la ayuda de sensores ambientales que miden la temperatura, la humedad y la calidad del aire, los operadores de la planta pueden monitorear y controlar remotamente los entornos óptimos para varios procesos de toda la fábrica desde su centro de comando. Por ejemplo, mantener un diferencial de presión de aire ideal evita la infiltración de polvo en el área de fabricación, lo que garantiza la calidad del producto en las industrias farmacéutica y microelectrónica. Los procesos de pegado y pintura en la producción de automóviles se pueden mejorar con un nivel de humedad óptimo. Asimismo, el control preciso de la temperatura de las instalaciones de procesamiento y almacenamiento puede garantizar la seguridad del producto en la industria alimentaria.

3. Gestión y seguimiento de activos

Los sensores de IoT conectados a activos individuales, como herramientas, maquinaria y vehículos, capturan e informan información detallada sobre las condiciones actuales, así como sobre dónde y cómo se utilizan. Al tener una imagen holística y en tiempo real de los activos entre sitios, los operadores pueden identificar rápidamente equipos infrautilizados, diagnosticar problemas inminentes y cuellos de botella, y movilizar fácilmente herramientas y piezas. En última instancia, la aplicación de IoT para la gestión de activos permite a las organizaciones optimizar las actividades de mantenimiento y la vida útil de los activos, al mismo tiempo que elimina los registros manuales propensos a errores y los pedidos excesivos.

4. Monitoreo remoto de tuberías y tanques

Los tanques y las tuberías son activos críticos en muchas industrias de procesos. Los desbordamientos o fugas de productos químicos y gases no solo provocan pérdidas de producción, sino que también provocan graves daños al medio ambiente y amenazan la seguridad pública. Al implementar sensores de nivel, vibración, caudal y presión, las empresas pueden vigilar la salud estructural de sus tanques y tuberías ampliamente distribuidos durante todo el día, al tiempo que reducen las revisiones manuales. Se emiten alertas sobre posibles derrames, fugas o rupturas que podrían provocar desastres. También se pueden emitir alertas sobre bajos niveles de material en los tanques para recargar oportunamente y mejorar la productividad.

5. Gestión de instalaciones

IoT permite la gestión digitalizada y la protección de las instalaciones críticas de la planta. Los ascensores, detectores de humo, alarmas contra incendios y otros recursos de las instalaciones habilitados para IoT en toda la fábrica pueden enviar periódicamente datos sobre el estado de la batería o el estado "vivo". Esto ayuda a los fabricantes a reducir la inspección manual que requiere mucho tiempo, al mismo tiempo que puede responder rápidamente a cualquier problema que pueda interrumpir la línea de producción.

Conectividad inalámbrica preparada para el futuro para calidad 4.0

Dado que la adquisición de datos es un desafío inherente en la mayoría de los entornos industriales, las implementaciones de IoT a menudo pueden parecer abrumadoramente complejas, costosas e intimidantes. Se prevé que habrá 36 800 millones de dispositivos IIoT activos para 2025, frente a los 17 700 millones actuales. A medida que más empresas buscan capitalizar las nuevas aplicaciones de IoT, es importante considerar la confiabilidad, la integrabilidad y la capacidad de administración a largo plazo de la red de comunicación a medida que se amplía para adaptarse a miles de puntos finales conectados. La realidad es que todo se reduce a elegir la conectividad de IoT correcta para el caso de negocios correcto.

La instrumentación inalámbrica no es necesariamente nueva en la fabricación, pero los requisitos cruciales en términos de alcance, potencia y facilidad de integración limitan las opciones viables. Por ejemplo, las aplicaciones de monitoreo industrial podrían requerir el envío de millones de mensajes al día desde miles de sensores. Esto exige una solución altamente escalable y de bajo consumo de energía para evitar el reemplazo y la eliminación frecuentes de la batería que pueden inflar rápidamente el costo total de propiedad. Del mismo modo, las instalaciones industriales extensas y estructuralmente densas requieren una comunicación inalámbrica confiable que pueda viajar largas distancias y sortear obstrucciones físicas. El diseño tradicional de las instalaciones de fabricación también crea desafíos. Las soluciones inalámbricas deben poder integrarse con equipos heredados, como los PLC, para romper los silos de datos y proporcionar acceso a información que antes era inaccesible.

Las tecnologías inalámbricas heredadas no pueden mantenerse al día con los requisitos de alcance, potencia y costo en las redes de sensores de IoT. La conectividad celular tradicional (p. ej., 3G, LTE, etc.) y las redes de área local inalámbricas (Wi-Fi) son demasiado caras y consumen mucha energía para transmitir pequeñas cantidades de datos desde una gran cantidad de dispositivos sensores. Otras soluciones como Bluetooth, Zigbee y Z-Wave tienen un alcance físico muy limitado; y aunque muchos de ellos emplean una topología de malla para ampliar su cobertura, la retransmisión de múltiples saltos consume energía, al tiempo que implica una planificación y gestión de red complejas. Como tal, las redes de malla son adecuadas para aplicaciones de rango medio en el mejor de los casos.

Las redes de área amplia de baja potencia (LPWAN) son únicas porque superan estos obstáculos y ofrecen una solución eficiente, asequible y fácil de implementar para redes IoT a gran escala. El atractivo de LPWAN se deriva de sus dos características distintivas:largo alcance y bajo consumo de energía. Si bien Wi-Fi y Bluetooth solo pueden comunicarse a una distancia de decenas o cien metros en el mejor de los casos, una LPWAN puede transmitir señales hasta 15 km en áreas rurales y hasta 5 km en áreas urbanas estructuralmente densas. Además de eso, los protocolos livianos y de energía optimizada reducen los costos del transceptor al tiempo que permiten una vida útil muy larga de la batería para los nodos sensores.

Sin embargo, es importante tener en cuenta que la calidad del servicio varía según las tecnologías LPWAN. Esto se debe principalmente a dos razones:sus operaciones en el espectro sin licencia y el uso de comunicación asíncrona simple, típicamente ALOHA puro (un nodo accede al canal y envía un mensaje cada vez que hay datos para enviar). Si bien brinda importantes beneficios de energía, las transmisiones no coordinadas en redes asíncronas aumentan en gran medida la posibilidad de colisiones de paquetes y pérdida de datos. A medida que crecen rápidamente las implementaciones inalámbricas de IoT y el tráfico de radio en las bandas sub-GHz sin licencia, las LPWAN heredadas potencialmente presentan serios desafíos de calidad de servicio (QoS) y escalabilidad causados ​​por la interferencia cocanal. Del mismo modo, la estandarización y el soporte de movilidad confiable son otros factores críticos que no deben pasarse por alto.

Conclusión

La capacidad de identificar patrones ocultos, predecir problemas futuros, pronosticar el uso y los costos y obtener información de los datos de los sensores de IoT cambiará el proceso industrial para siempre. Si bien el sector ha estado adoptando tecnología de comunicación durante algún tiempo, la nueva conectividad inalámbrica como LPWAN está ayudando a traer muchos más puntos de datos en línea a un precio mucho más bajo. En medio de los crecientes desafíos de la industria, la implementación de IoT puede ser un punto de inflexión para llevar la gestión de calidad y la eficiencia operativa al siguiente nivel y mantenerse por encima de la competencia.

Este artículo fue escrito por Wolfgang Thieme, director de productos, BehrTech (North York, ON, Canadá). Para obtener más información, comuníquese con el Sr. Thieme en [email protected] o visite aquí .