Sensores y procesadores convergen para aplicaciones industriales

Industria 4.0 ha recorrido un largo camino desde que se acuñó la palabra de moda en la Feria de Hannover en 2011. El viaje hacia la fabricación inteligente continúa, pero lo que realmente ha marcado la diferencia en los últimos años es el despegue de Internet de las cosas (IoT) y la llegada de soluciones de inteligencia artificial (IA).

Aquí, vale la pena mencionar que en 2012, General Electric acuñó el término internet industrial para una multitud de dispositivos industriales conectados de manera inteligente para crear sistemas que pudieran monitorear, recopilar, intercambiar, analizar y brindar información valiosa. Finalmente, las nociones de Industria 4.0 e Internet industrial comenzaron a converger, culminando en el IoT industrial o IIoT.

Como se llame, Industria 4.0 o IIoT, el objetivo subyacente es la realización de la cuarta revolución industrial después de la máquina de vapor, la cinta transportadora y la tecnología de la información (TI) con la ayuda de la electrónica de vanguardia. Lleva la fabricación y la automatización de procesos a un nivel completamente nuevo en el que las fábricas del mañana construirán sistemas conectados que comprenden sensores, actuadores y sistemas de control, todos conectados a través de diferentes tipos de redes a través del protocolo de Internet (IP).

Figura 1:Industria 4.0 marca el siguiente nivel de transformación digital. (Imagen:Texas Instruments)

Lo que también está acelerando el movimiento de la Industria 4.0 es la integración de aplicaciones de inteligencia artificial como la detección y clasificación de fallas. La combinación de tecnologías de IoT e IA está cambiando la forma en que los ingenieros pueden administrar datos, difundir información y tomar decisiones en tiempo real en entornos de producción. El uso de algoritmos de aprendizaje automático y el manejo de procesos basado en robots puede optimizar aún más la fabricación moderna con enormes ahorros en costos y horas de trabajo.

Una manifestación práctica de la Industria 4.0 se puede ver en la fábrica de General Electric en Schenectady, Nueva York. La planta de fabricación de baterías de sodio-níquel ha instalado más de 10,000 sensores distribuidos en 180,000 pies cuadrados de espacio de fabricación. Todos estos sensores están conectados a través de Ethernet de alta velocidad.

Eso nos lleva a uno de los pilares fundamentales de los diseños de la Industria 4.0:sensores conectados.

Internet de los sensores

Los sensores conectados a través de enlaces cableados o inalámbricos forman la columna vertebral de un sistema Industry 4.0 o IIoT. Los datos de la máquina que los sensores envían a la nube pueden optimizar la fabricación, predecir fallas, programar el mantenimiento y reponer automáticamente el inventario.

La novedad de los sensores en el ámbito de la Industria 4.0 es la convergencia de la localización y la comunicación para crear sistemas precisos de ubicación en interiores. Eso permite a las fábricas monitorear las herramientas en tiempo real y administrar su uso por parte de los trabajadores para mejorar la eficiencia, la seguridad y el control de calidad en las líneas de ensamblaje.

Estos sistemas de alta precisión y con reconocimiento de ubicación utilizan soluciones de sensores inalámbricos inteligentes. Tomemos el ejemplo de Smart Cab, que el proveedor de sensores Bosch ha desarrollado en colaboración con CAB Concept Cluster (CCC) . Integra cámaras y drones en vehículos agrícolas y los convierte en centros de control conectados en el campo.

Figura 2:más allá de la fabricación inteligente, la iniciativa Industria 4.0 se está expandiendo a otras áreas como la agricultura conectada. (Imagen:Grupo de conceptos CAB)

Esta solución proporciona a los agricultores imágenes detalladas de las condiciones del cultivo tomadas por drones con cámara y luego procesadas en la nube. Los drones con cámara también pueden realizar el reconocimiento de objetos para advertir a los agricultores sobre obstáculos vivos como ciervos. Además, los agricultores pueden realizar funciones específicas, como ajustar la configuración de las boquillas de acuerdo con el clima o las condiciones del suelo.

Bosch también afirma haber mejorado la productividad de la fabricación de su sistema de frenos ABS / ESP en su planta de Blaichach, Alemania, al registrar el movimiento de los cilindros, los tiempos de ciclo de las pinzas y los niveles de temperatura y presión en el proceso de fabricación. Los datos recopilados de las etiquetas RFID se envían a bases de datos masivas que mapean digitalmente el flujo interno de mercancías.

Chips de industria 4.0

Los dispositivos semiconductores son otro ingrediente clave en los diseños de Industria 4.0 e IIoT. Eso incluye procesadores para computación perimetral, memoria para almacenamiento de datos, convertidores de datos y chips de conectividad cableados o inalámbricos para sensores remotos y enlaces de plataformas en la nube.

Un ejemplo es el Sitara AM6x familia de procesadores de Texas Instruments (TI) que habilita subsistemas de comunicaciones industriales gigabit para automatización de fábricas, accionamientos de motores e infraestructura de red. Los procesadores se basan en la convergencia de Ethernet y el tráfico de datos en tiempo real en una sola red. Y admiten varios protocolos, incluidas las redes sensibles al tiempo (TSN), EtherCAT, Ethernet / IP y PROFINET

Figura 3:Un diagrama de bloques del procesador multiprotocolo Sitara AM6548, que ofrece rendimientos de gigabit para estándares de conectividad industrial como TSN. (Imagen:Texas Instruments)

Este procesador habilitado para TSN integra un subsistema de microcontrolador (MCU) basado en Arm Cortex-R5F de doble núcleo que puede funcionar en un modo bloqueado opcional y admite la protección del código de corrección de errores (ECC) tanto para la memoria en el chip como para los datos dobles externos. memoria de velocidad (DDR). Estas características permiten que el procesador aumente la seguridad y reduzca la complejidad a nivel del sistema para aplicaciones como controladores lógicos programables (PLC) y variadores de motor de varios ejes.

Las plataformas de Industria 4.0 exigen cada vez más PLC de alto rendimiento complementados con conectividad segura e interfaces hombre-máquina (HMI). También es imperativo que los PLC se reduzcan en factor de forma y en la cadena de valor del proceso, al tiempo que aumentan el número de canales de E / S, tanto analógicos como digitales. Estos PLC deberán admitir nuevos protocolos de E / S como IO-Link .

Además, la llegada de potentes soluciones de sistema en chip (SoC) está permitiendo la creación de gemelos digitales, que combinan mundos virtuales y físicos y crean grupos de datos que mapean y vinculan todos los pasos de la fabricación industrial. Estos sistemas ciberfísicos crean una copia virtual del mundo físico y, por lo tanto, hacen que el monitoreo de los procesos físicos sea menos costoso y más eficiente.

Fábrica del futuro

Industry 4.0 promete un renacimiento en la planta de fabricación con soluciones y servicios de sensores de extremo a extremo. Facilita decisiones más inteligentes, aumentando la eficiencia operativa, mejorando el rendimiento, impulsando la productividad de la ingeniería e impulsando sustancialmente el rendimiento empresarial.

La realidad de la Industria 4.0 finalmente está comenzando a avanzar con una aceleración en la disponibilidad de sensores de IoT, big data y aplicaciones de inteligencia artificial. Según un informe de Gartner Inc., en 2018, había más de 6 mil millones de dispositivos de IoT en el campo, y se prevé que las cifras aumenten a más de 20 mil millones para 2022.

La fábrica del futuro está tomando forma lenta pero constantemente con nodos de procesamiento más potentes, procesos de producción más automatizados y herramientas de análisis de datos más inteligentes capaces de procesar y analizar cantidades masivas de datos de fábrica casi en tiempo real. Se está convirtiendo en una realidad, una solución de sensor de IoT a la vez.

>> Este artículo se publicó originalmente el nuestro sitio hermano, Electronic Products:"Los sensores de IoT llevan la Industria 4.0 al foco comercial".