Calidad 4.0: Aprovechando los sensores IoT inalámbricos para revolucionar la excelencia manufacturera

El control de calidad es fundamental en todas las industrias, pero en la manufactura es hipercrítico. La demanda volátil del mercado, los altos costos de materiales y producción, junto con la naturaleza crítica de los productos finales, obligan a los fabricantes a buscar nada menos que calidad de primera y tasas de rechazo mínimas. Con el Internet de las Cosas (IoT) ganando terreno gradualmente en la industria manufacturera, la gestión de calidad es un área con oportunidades transformacionales.

El desafío de la gestión de calidad de un vistazo

La gestión de calidad efectiva depende de la capacidad de monitorear y controlar constantemente una serie 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 de equipos se realiza constantemente a medida que surgen desviaciones de proceso y otros cambios en la línea de producción. Sin embargo, con la creciente complejidad de los sistemas de herramientas y procesos de manufactura, muchas variables de proceso quedan sin atender debido a los límites de las redes cableadas voluminosas.

Si bien son ideales para tareas de automatización de alto rendimiento y sensibles al tiempo, las comunicaciones cableadas carecen de la flexibilidad y asequibilidad necesarias para capturar datos de telemetría a escala y más allá del nivel de máquina. Típicamente, 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 manufactura automotriz, 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 basados en cableado no están destinados al intercambio de datos más allá de la planta de producción. Esto crea islas de datos desconectadas que no están disponibles para mejorar la eficiencia y el rendimiento de la producción. En su lugar, la optimización de procesos y la gestión de calidad a menudo dependen de inspecciones manuales reactivas posteriores a la producción. Además de la costosa intervención humana, esto introduce una variabilidad significativa en la calidad y costos asociados, al tiempo que dificulta rastrear la causa raíz de los problemas de calidad.

Llega la Industria 4.0: Gestión de calidad proactiva

La apremiante búsqueda de una mejor visibilidad del proceso habla del tremendo potencial del IoT y su contraparte, la Industria 4.0, para la gestión de calidad proactiva.

Las redes IoT inalámbricas capturan una gran cantidad de puntos de datos granulares y críticos a lo largo de la línea de producción. Por ejemplo, presión, vibración, temperatura y humedad. Con potencialmente miles de sensores instalados in situ, los datos se recopilan con una frecuencia de cada 10-20 segundos y se envían a través de una estación base al sistema backend preferido del usuario, ya sea on-premise o en la nube. Usando una plataforma IoT remota, todos los datos de los sensores se consolidan para monitoreo en tiempo real, insights accionables y automatización de procesos. Se pueden activar alertas inmediatamente cuando surgen condiciones 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 corrida, los datos de IoT permiten un enfoque proactivo de aseguramiento de calidad para diagnosticar y prevenir defectos mucho antes en el proceso, para un rendimiento y repetibilidad de producción máximos. Esto también conduce a reducción de costos y desperdicios. Concurrentemente, proporciona información valiosa para lograr y mantener las mejores prácticas.

Cinco aplicaciones líderes para la gestión de calidad proactiva:

1. Monitoreo de condición y mantenimiento predictivo

Los sensores IoT capturan y comunican métricas clave de salud y operativas 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 reveladora de los procesos de producción actuales y el rendimiento de los activos, estos flujos masivos de datos alimentan modelos analíticos para predecir proactivamente un problema inminente y programar inspección y reparación basadas en la demanda (mantenimiento predictivo). Por ejemplo, la alta humedad en la caja de cambios disminuye el rendimiento de los componentes rotativos, resultando en corrosión, calidad del producto deteriorada o incluso falla de la máquina. La vibración excesiva de motores y bombas sugiere posibles defectos de montaje, desalineación de ejes y desgaste de rodamientos. Con el mantenimiento predictivo, las fallas pueden prevenirse con antelación, maximizando así la utilización de activos y reduciendo pérdidas costosas por tiempo de inactividad.

2. Monitoreo ambiental

Las condiciones ambientales pueden jugar un papel significativo en la producción y gestión de calidad. Con la ayuda de sensores ambientales que miden temperatura, humedad y calidad del aire, los operadores de planta pueden monitorear y controlar remotamente entornos óptimos para diversos procesos en toda la fábrica desde su centro de mando. Por ejemplo, mantener una presión diferencial de aire ideal previene la infiltración de polvo en el área de manufactura, asegurando así la calidad del producto en las industrias farmacéutica y microelectrónica. Los procesos de pegado y pintura en la producción automotriz pueden mejorarse con un nivel óptimo de humedad. Del mismo modo, el monitoreo preciso de temperatura de instalaciones de procesamiento y almacenamiento puede garantizar la seguridad del producto en la industria alimentaria.

3. Rastreo y gestión de activos

Los sensores IoT adjuntos a activos individuales como herramientas, maquinaria y vehículos capturan y reportan información detallada sobre condiciones actuales, así como dónde y cómo se están utilizando. Al tener una visión holística y en tiempo real de los activos entre sitios, los operadores pueden identificar rápidamente equipos subutilizados, 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 actividades de mantenimiento y vida útil de los activos, eliminando registros manuales propensos a errores y pedidos excesivos.

4. Monitoreo remoto de tuberías y tanques

Los tanques y tuberías son activos críticos en muchas industrias de proceso. El desbordamiento o fuga de productos químicos y gases no solo conduce a pérdidas de producción sino que también causa daños graves al medio ambiente y amenaza la seguridad pública. Implementando sensores de nivel, vibración, caudal y presión, las empresas pueden vigilar la salud estructural de sus tanques y tuberías ampliamente distribuidos las 24 horas, reduciendo simultáneamente las inspecciones manuales. Se emiten alertas sobre posibles derrames, fugas o rupturas que podrían llevar a desastres. También se pueden emitir alertas sobre niveles bajos de material en tanques para recarga oportuna y mejora de la productividad.

5. Gestión de instalaciones

El IoT permite la gestión y protección digitalizada de instalaciones críticas de planta. Ascensores, detectores de humo, alarmas de incendio y otros recursos de instalaciones habilitados para IoT en toda la fábrica pueden enviar periódicamente datos sobre la salud de sus baterías o estado "vivo". Esto ayuda a los fabricantes a reducir las inspecciones manuales que consumen tiempo, mientras pueden responder rápidamente a cualquier problema que pueda interrumpir la línea de producción.

Conectividad inalámbrica a prueba de futuro para Calidad 4.0

Con la adquisición de datos como un desafío inherente en la mayoría de los entornos industriales, las implementaciones de IoT a menudo pueden parecer abrumadoramente complejas, costosas e intimidantes. Se predice que habrá 36.800 millones de dispositivos IIoT activos para 2025, frente a 17.700 millones actuales. A medida que más empresas buscan capitalizar nuevas aplicaciones de IoT, es importante considerar la fiabilidad a largo plazo, integrabilidad y manejabilidad de la red de comunicaciones a medida que escala para acomodar miles de endpoints conectados. La realidad es que todo se reduce a elegir la conectividad IoT adecuada para el caso de negocio correcto.

La instrumentación inalámbrica no es necesariamente nueva en la manufactura, pero requisitos cruciales en términos de alcance, potencia y facilidad de integración limitan las opciones viables. Por ejemplo, las aplicaciones de monitoreo industrial podrían requerir millones de mensajes al día enviados desde miles de sensores. Esto demanda una solución altamente escalable y eficiente en energía para evitar el reemplazo y eliminación frecuente de baterías que pueden inflar rápidamente el costo total de propiedad. Asimismo, las vastas instalaciones industriales estructuralmente densas requieren comunicación inalámbrica confiable que pueda viajar largas distancias y sortear obstrucciones físicas. El diseño tradicional de instalaciones de manufactura también crea desafíos. Las soluciones inalámbricas deben poder integrarse con equipos heredados como PLCs para romper silos de datos y proporcionar acceso a información previamente inaccesible.

Las tecnologías inalámbricas heredadas no pueden seguir el ritmo de los requisitos de alcance, potencia y costo en redes de sensores IoT. La conectividad celular tradicional (ej. 3G, LTE, etc.) y las redes de área local inalámbricas (Wi-Fi) son demasiado costosas y consumen mucha energía para transmitir pequeñas cantidades de datos desde un gran número de dispositivos sensores. Otras soluciones como Bluetooth, Zigbee y Z-Wave tienen un rango físico altamente limitado; y aunque muchas emplean una topología de malla para extender su cobertura, el reenvío multi-salto consume energía, mientras implica planificación y gestión de red complejas. Como tal, las redes de malla son adecuadas para aplicaciones de rango medio como máximo.

Las redes de área amplia de baja potencia (LPWAN) son únicas en que superan estos obstáculos y ofrecen una solución eficiente, asequible y fácil de implementar para redes IoT a gran escala. El atractivo de LPWAN deriva de sus dos características distintivas: largo alcance y bajo consumo de energía. Mientras que Wi-Fi y Bluetooth solo pueden comunicarse a decenas o cien metros como máximo, una LPWAN puede transmitir señales hasta 15 km en áreas rurales y hasta 5 km en áreas urbanas estructuralmente densas. Además, protocolos ligeros y optimizados en energía reducen los costos de transceptores mientras permiten una vida de batería muy larga para los nodos sensores.

Es importante notar, sin embargo, que la calidad de servicio varía entre tecnologías LPWAN. Esto se debe principalmente a dos razones: sus operaciones en espectro libre de licencias y el uso de comunicación asíncrona simple, típicamente ALOHA puro (un nodo accede al canal y envía un mensaje cuando tiene datos para enviar). Si bien aportan beneficios significativos de potencia, las transmisiones no coordinadas en redes asíncronas aumentan enormemente la posibilidad de colisiones de paquetes y pérdida de datos. A medida que los despliegues de IoT inalámbrico y el tráfico de radio en las bandas sub-GHz libres de licencias crecen rápidamente, las LPWAN heredadas potencialmente vienen con serios desafíos de calidad de servicio (QoS) y escalabilidad causados por interferencia de canal compartido. En el mismo sentido, la estandarización y el soporte confiable de movilidad son otros factores críticos que no deben pasarse por alto.

Conclusión

La capacidad de identificar patrones ocultos, predecir problemas futuros, pronosticar uso y costos, y derivar insights de datos de sensores IoT remodelará el proceso industrial para siempre. Si bien el sector ha estado adoptando tecnología de comunicaciones por algún tiempo, nueva conectividad inalámbrica como LPWAN está ayudando a poner en línea muchos más puntos de datos a un precio mucho menor. En medio de desafíos industriales compuestos, 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 delante de la competencia.

Este artículo fue escrito por Wolfgang Thieme, Director de Producto, BehrTech (North York, ON, Canadá). Para más información, contacte al Sr. Thieme en wthieme@behrtech.com o visite .