Sistemas Ciberfísicos: La fuerza impulsora detrás de la Industria 4.0

La idea principal detrás de la implementación de soluciones de Industria 4.0 es empoderar a las empresas manufactureras para mejorar la colaboración entre varios departamentos, poniendo la información correcta a disposición de las personas correctas en tiempo real. El objetivo es facilitar la toma de decisiones apropiada en el momento adecuado, aumentando así la eficiencia y productividad.

Sistemas Ciberfísicos

El elemento clave en la implementación de los conceptos de Industria 4.0 es la idea de sistemas ciberfísicos (CPS). El término «sistemas ciberfísicos» fue acuñado por Helen Gill en la National Science Foundation en Estados Unidos.

Según la Publicación Especial NIST 1500-201 Marco para Sistemas Ciberfísicos: Volumen 1, Visión General, los sistemas ciberfísicos son sistemas inteligentes que incluyen redes interactivas diseñadas de componentes físicos y computacionales. La publicación destaca que estos sistemas altamente interconectados e integrados proporcionan nuevas funcionalidades para mejorar la calidad de vida y permitir avances tecnológicos en áreas críticas, como atención sanitaria personalizada, respuesta a emergencias, gestión de flujo de tráfico, fabricación inteligente, defensa y seguridad nacional, y suministro y uso de energía. Así, los CPS tienen gran potencial para permitir aplicaciones innovadoras e impactar múltiples sectores económicos en la economía mundial.

Acatech (Academia Nacional de Ciencia e Ingeniería, Alemania), en su informe Sistemas Ciberfísicos, describe los CPS como sigue: los sistemas ciberfísicos son sistemas con software embebido (como parte de dispositivos, edificios, medios de transporte, rutas de transporte, sistemas de producción, procesos médicos, procesos logísticos, procesos de coordinación y procesos de gestión). Los sistemas ciberfísicos:

• Registran directamente datos físicos usando sensores y afectan procesos físicos usando actuadores

• Evalúan y guardan datos registrados e interactúan activa o reactivamente tanto con el mundo físico como digital

• Están conectados entre sí y en redes globales vía instalaciones de comunicación digital

• Usan datos y servicios disponibles globalmente

• Tienen una serie de interfaces hombre-máquina multimodales dedicadas

El resultado es una riqueza de soluciones y aplicaciones de gran alcance para todas las áreas de nuestra vida cotidiana.

Fabricación y Sistemas Ciberfísicos

Desde una perspectiva de la industria manufacturera, un sistema ciberfísico es una entidad física habilitada para Internet, como una bomba o compresor, embebida con computadoras y componentes de control consistentes en sensores y actuadores. Tal entidad, a la que se asigna una dirección IP, es capaz de auto-monitorización, generar información sobre su propio funcionamiento y comunicarse con otras entidades asociadas o incluso externas. Es una operación auto-regulada y autónoma.

En los años venideros, a medida que evolucione la Cuarta Revolución Industrial, las empresas industriales comenzarán a aprovechar cada vez más los principios de CPS para ayudar a lograr excelencia operacional a través de mejoras de productividad, despliegue eficiente de todos los recursos (incluyendo material y humano), cumplimiento del cliente y mejora del valor para el accionista. Imaginando este desarrollo, Klaus Schwab, fundador y presidente ejecutivo del Foro Económico Mundial, usó el término «Cuarta Revolución Industrial» para describir la tendencia.

La base para la Industria 4.0 se sentó durante la Tercera Revolución Industrial, caracterizada por la aplicación extensiva de electrónica y computadoras para automatizar procesos de producción industrial. El uso expansivo de electrónica y computadoras contribuyó a la caída de sus precios, la miniaturización y robustez de las computadoras, y un aumento masivo en potencia de computación y procesamiento. Las tecnologías digitales y de comunicación comenzaron a converger. Presenciamos las primeras etapas de desarrollo de edge/cloud computing, Internet Industrial de las Cosas (IIoT), inteligencia artificial (IA), robots autónomos y otros. La integración de tecnologías digitales con tecnologías industriales está destinada a transformar la fabricación y ayudar a realizar la visión de la Industria 4.0.

El principio de la Industria 4.0 es que una empresa manufacturera podrá lograr mayor eficiencia, productividad y operación autónoma de procesos de producción asegurando que máquinas/equipos de planta, sistemas logísticos, componentes en proceso y otros elementos (incluyendo personas) se comuniquen directamente entre sí para lograr colaboración. Una empresa manufacturera que quiera alinear su visión con la de la Industria 4.0 debe tomar medidas para convertir entidades físicas existentes en sistemas ciberfísicos.

Basándose en su propia evaluación, cada empresa tiene que identificar maquinarias, equipos u otros sistemas físicos de su planta industrial que tengan el potencial de entregar máximo valor. La empresa debe proceder a integrarlos con sistemas cibernéticos y evolucionar en una red de sistemas ciberfísicos. Un complejo de refinería, por ejemplo, puede tener granjas de tanques on-site y off-site con tuberías, válvulas de control y estaciones de bombeo conectándolas a la planta principal. Respecto al mantenimiento de granjas de tanques, la práctica actual típicamente es inspección manual y mantenimiento periódico, que es costoso y no eficiente. Al convertir estos activos en CPS y apoyarlos con software de analítica adecuado, la refinería podrá cambiar a monitorización remota, y el mantenimiento predictivo podrá beneficiarse.