Qué es una fábrica inteligente y por qué deberías considerarla para tu manufactura
La fábrica inteligente —o manufactura inteligente— es un concepto relativamente nuevo en la manufactura, y una parte fundamental de la tendencia de la ideología «Industria 4.0».
En pocas palabras, la fábrica inteligente se puede definir como un sistema dentro de una planta/fábrica de manufactura que está completamente integrado para permitir una respuesta en tiempo real.
La implementación de una fábrica inteligente permite al negocio ser más rápido y flexible al responder a las demandas de los clientes y a la situación del mercado en constante cambio. Puede beneficiar a una fábrica en prácticamente todos los aspectos, desde la planeación, la velocidad de manufactura, la calidad del producto final y el desarrollo de productos.
Aprendamos más sobre la fábrica inteligente y cómo puede beneficiar a tu planta de manufactura.
Qué es una fábrica inteligente
No podemos comprender adecuadamente el concepto y la definición de la fábrica inteligente sin antes analizar la Industria 4.0.
En pocas palabras, «Industria 4.0» es un término usado para describir la cuarta revolución industrial, que ya está ocurriendo ahora.
En el núcleo de esta cuarta revolución industrial está la automatización de máquinas/equipos (máquinas inteligentes) e incluso la automatización de fábricas enteras (las fábricas inteligentes).
Por lo tanto, podemos decir que una fábrica inteligente es una fábrica automatizada: una planta de manufactura que puede operar por sí misma sin ninguna intervención humana. Sin embargo, la automatización no es la única característica que hace inteligente a una fábrica inteligente.
Más bien, una fábrica se puede categorizar como inteligente cuando muestra las siguientes características:
- Recopilación y análisis de datos
Una fábrica inteligente debería poder recopilar y analizar datos automáticamente mediante la instalación de sensores y dispositivos IoT interconectados.
Con esta analítica de datos, la fábrica puede analizar tendencias históricas, identificar patrones y usar la información para tomar mejores decisiones.
Las decisiones se pueden tomar manualmente —por ejemplo, por los operadores— o el resultado de la analítica de datos se puede alimentar a dispositivos y máquinas IIoT (IoT Industrial) para permitir la automatización.
- Personalización de productos
Otra característica clave de una fábrica inteligente es su capacidad de producir bienes personalizados para satisfacer los requisitos individuales de los clientes, en lugar de unidades producidas en masa.
Con la ayuda de tecnologías avanzadas, como el software de simulación, la impresión 3D y otras, ahora es viable fabricar productos personalizados en pequeñas cantidades. Antes de las fábricas inteligentes y la Industria 4.0, la producción en masa era la única forma rentable de fabricar productos, pero ese ya no es el caso.
- Interconectividad
Las fábricas inteligentes (y las máquinas inteligentes) se tratan de interconectividad y de un intercambio de datos de alta velocidad entre sensores, dispositivos y máquinas industriales.
Esto crea un fenómeno que llamamos convergencia TI/TO: la fusión entre TI (tecnología de la información) y TO (tecnología operativa), lo que permite que las máquinas de TO del mundo real se comuniquen con una red digital.
La aplicación de esta convergencia TI/TO es prácticamente ilimitada. Para una empresa con varias plantas, por ejemplo, una máquina en la planta A puede ser utilizada por la planta B mediante comunicaciones en la nube en tiempo real, aumentando eficazmente el rendimiento de cada planta.
- Cadena de suministro basada en datos
Las fábricas inteligentes pueden enviar sus datos de producción a los proveedores en tiempo real para facilitar un programa de entrega más eficiente. Por ejemplo, el proveedor puede saber de inmediato si la fábrica está consumiendo materiales más rápido de lo habitual (es decir, debido a una mayor demanda) y puede decidir enviar el material con un día de anticipación. Por otro lado, cuando una planta experimenta interrupciones, el proveedor puede redirigir la entrega para evitar la pérdida de tiempo.
En el otro extremo de la cadena de suministro, la fábrica también puede usar la analítica de datos —por ejemplo, datos de tráfico y clima— para planear el momento más óptimo para enviar los productos terminados, permitiéndoles ahorrar dinero y tiempo.
Por el momento, también se están desarrollando varias tecnologías basadas en blockchain para mejorar aún más la transparencia de la cadena de suministro en las fábricas inteligentes.
¿Qué tecnologías impulsan las fábricas inteligentes?
Para lograr las características «inteligentes» comentadas anteriormente, una fábrica inteligente debería aprovechar el uso de varias tecnologías:
1. Internet Industrial de las Cosas (IIoT)
El IoT Industrial, o IIoT, es la implementación del IoT en la manufactura, incluidas las fábricas.
El Internet de las Cosas, o IoT, se trata esencialmente de conectar dispositivos que tradicionalmente no están conectados a internet, incluidas las máquinas en la planta de la fábrica.
La implementación básica del IIoT en las fábricas inteligentes es equipar las máquinas con sensores que están conectados a la nube, lo que permite que el sensor alimente los datos de desempeño de la máquina a la red.
El IIoT hace posible que las fábricas recopilen y analicen una gran cantidad de datos de producción en tiempo real, además de facilitar la automatización.
2. Inteligencia artificial
La IA y sus extensiones, el aprendizaje automático y el aprendizaje profundo, permiten a las plantas de manufactura aprovechar la gran cantidad de datos recopilados por los sensores IoT.
Por ejemplo, la IA puede usar los datos recopilados de las máquinas para analizar cuál es el momento más óptimo para que los proveedores entreguen los materiales o para realizar mantenimiento preventivo con el fin de evitar averías.
La IA puede facilitar la automatización y mejorar la visibilidad de las operaciones, lo que en última instancia resulta en una mayor eficiencia y productividad en el proceso de manufactura.
3. Cómputo en la nube
El cómputo en la nube se trata de conectividad, y simplemente no hay fábrica inteligente sin conectividad e integración.
Para ser más exactos, una fábrica inteligente requiere del cómputo en la nube para facilitar la integración de la ingeniería, el proceso de manufactura, la cadena de suministro, la distribución y el soporte al cliente.
Una fábrica inteligente plenamente desarrollada implica una gran cantidad de datos que se almacenan, transportan y analizan, y el cómputo en la nube puede ayudar a facilitar el procesamiento de estos datos de una forma más rápida y rentable.
Para las fábricas con capital limitado, el cómputo en la nube también puede ayudar a reducir los costos que de otro modo se gastarían en inversión de hardware y otros gastos.
4. Gemelo digital
El término «gemelo digital» se refiere a una réplica virtual (un «gemelo») de los procesos de manufactura, las líneas de producción y las cadenas de suministro.
Un gemelo digital se crea a partir de los datos recopilados de sensores IoT, dispositivos y otros objetos conectados con la ayuda de la IA.
La implementación real de los gemelos digitales puede variar según las necesidades únicas de la fábrica inteligente. Por ejemplo, las fábricas pueden crear un gemelo exacto de sus líneas de producción y usar este gemelo para probar nuevas aplicaciones e identificar cuellos de botella.
5. Ciberseguridad
Los ciberdelincuentes están prácticamente en todas partes hoy en día, e implementar a ciegas una fábrica inteligente sin antes establecer una práctica sólida de ciberseguridad es simplemente suicida.
Como se ha comentado, una característica clave de una fábrica inteligente es conectar el equipo operativo a la nube. Sin embargo, si bien la conectividad permite la automatización y operaciones más eficientes, también abre nuevas vulnerabilidades a los ciberataques y el malware.
Al diseñar e implementar una fábrica inteligente, es fundamental considerar un enfoque holístico de ciberseguridad para proteger tanto los aspectos de TI como los de TO de la fábrica inteligente.
6. Realidad virtual y aumentada
No todas las fábricas inteligentes han implementado RA y RV, pero la adopción de la tecnología ha aumentado rápidamente en los últimos años.
La RV (realidad virtual) es una tecnología digital que permite a sus usuarios experimentar un mundo virtual inmersivo mediante el uso de lentes especiales. La RA (realidad aumentada), por otro lado, es la superposición de información digital sobre la realidad a través de una cámara digital (comúnmente mediante la cámara de un smartphone).
Las fábricas inteligentes pueden integrar la RA y la RV para proporcionar señalización (fábrica visual), organizar productos y ayudar en el mantenimiento y la reparación de equipos, entre otras aplicaciones.
Diseñar una fábrica inteligente: 5 principios clave
Las fábricas inteligentes se pueden diseñar en diversos tamaños y formas en muchas industrias diferentes.
Sin embargo, todas las implementaciones de fábrica inteligente deberían seguir estos principios:
1. Modularidad
El término «modularidad» se refiere a la capacidad de los componentes de un sistema (en este caso, máquinas, herramientas y soluciones en una fábrica inteligente) para separarse, recombinarse y reconfigurarse según sea necesario, de forma rápida y accesible, mediante un método plug-and-play.
Una fábrica inteligente debe poseer un nivel adecuado de modularidad para facilitar la integración entre componentes y una reconfiguración rápida siempre que sea necesario. En la práctica, la modularidad permite que la fábrica inteligente cambie rápidamente su proceso de manufactura para responder a las demandas de los clientes que cambian rápidamente.
La implementación de la modularidad en una fábrica inteligente también debe tener en cuenta la redundancia. Es decir, la modularidad no debería ser proporcionada por un solo proveedor, sino por varios otros proveedores para prevenir la dependencia.
Por ejemplo,
2. Interoperabilidad
La interoperabilidad en el contexto de la manufactura inteligente se refiere a la capacidad de un sistema para compartir información entre componentes. En un contexto más amplio, también puede referirse a la capacidad de compartir información de negocio entre una planta de manufactura y sus clientes.
En el núcleo de la interoperabilidad en las fábricas inteligentes está la estandarización, especialmente en los sistemas mecánicos, eléctricos y de información. Los sistemas estandarizados pueden conectarse y comunicarse entre sí sin problemas para facilitar la interoperabilidad.
Un ejemplo de interoperabilidad en una fábrica inteligente es cómo una máquina se conecta mediante la nube a dos fábricas diferentes y puede realizar distintas tareas según lo solicitado por las dos plantas. Esto es posible gracias a tecnologías como la Arquitectura Unificada OPC (Comunicaciones de Plataforma Abierta), una plataforma desarrollada por la fundación OPC que facilita comunicaciones abiertas y estandarizadas entre máquinas, así como entre una computadora y una máquina.
3. Descentralización
La descentralización se refiere a cómo los distintos elementos y componentes de la fábrica inteligente (es decir, módulos, software, etc.) pueden tomar decisiones por sí mismos de forma automatizada con base en los datos recopilados de los sensores y las entradas del usuario, sin requerir el control de usuarios humanos ni de hardware/software de control.
En un sistema de fábrica inteligente verdaderamente descentralizado, una máquina puede tomar decisiones independientes en tiempo real, pero si es necesario, los operadores humanos pueden intervenir para tomar una decisión (y acción) diferente según las necesidades estratégicas o tácticas.
Un ejemplo de descentralización en las fábricas inteligentes es el uso de sensores y actuadores que están conectados a un Sistema Ciberfísico (CPS). Un CPS es una plataforma computacional autónoma que puede tomar decisiones y enviar salidas con base en los datos recopilados de los sensores conectados a él. Un sistema de piloto automático en un avión es un ejemplo de CPS, y con las tecnologías actuales, podemos
implementar un sistema de piloto automático similar en una planta de manufactura.
4. Virtualización
La virtualización en un contexto de manufactura inteligente es la práctica de crear un entorno virtual con la ayuda de un CPS para monitorear y simular los procesos físicos de un proceso de manufactura.
Como se ha comentado, en un sistema CPS, los sensores recopilan los datos de desempeño de una máquina. La virtualización puede entonces usar estos datos para crear un entorno virtual. Cuanto más integrales sean los datos recopilados, más cerca estará el proceso virtual del proceso de manufactura real virtualizado.
En la práctica, los sistemas virtuales se pueden implementar para monitorear y controlar los equipos físicos dentro del entorno de la fábrica inteligente. La fábrica también puede usar la virtualización para crear prototipos digitales del proceso de manufactura, permitiéndoles verificar y modificar el modelo de proceso sin interrumpir el proceso real. Esto puede ayudar a la empresa a diagnosticar el proceso de producción para predecir y prevenir errores.
Las fábricas también pueden aprovechar la virtualización para capacitar a los empleados y operadores, permitiendo a los operadores recién contratados aprender el proceso de manufactura de la planta estudiando y experimentando el modelo virtual.
5. Orientación a servicios
Una fábrica inteligente debe cambiar su paradigma de la industria de manufactura tradicional, enfocada únicamente en fabricar y vender productos, a una que venda y proporcione servicios.
De hecho, hay una tendencia en curso de que las empresas de manufactura inteligente vendan sus productos con márgenes cero o incluso con pérdidas, para ganar dinero vendiendo servicios de suscripción, capacitación, mantenimiento y otras estrategias orientadas a servicios.
La implementación de prácticas de fábrica inteligente, especialmente la manufactura en la nube, es muy significativa para facilitar esta transformación del modelo de negocio.
6. Respuesta en tiempo real
La capacidad de la fábrica para responder a los cambios —ya sean cambios en las demandas de los clientes o cambios debido a fallas o averías del sistema— de forma rápida y oportuna.
Para poder responder a las demandas de los clientes, el flujo de información de la fábrica inteligente debe ser accesible y estar disponible para su análisis en tiempo real. Luego, el sistema de la fábrica inteligente puede decidir automáticamente si es posible responder a esta demanda en el momento, tras considerar la disponibilidad de recursos y otros factores.
Para facilitar la respuesta en tiempo real, la fábrica inteligente también debe tener un alto nivel de modularidad para que se pueda lograr una reconfiguración rápida cuando sea necesario para responder a las demandas únicas de un cliente. La fábrica debe poder detectar y corregir cualquier falla y error del sistema lo más rápido posible, para poder recuperarse rápidamente de cualquier paro.
Estructura de datos y fábrica inteligente: niveles de implementación
Ahora que hemos aprendido sobre los principios clave del diseño de fábrica inteligente, podemos ver que la accesibilidad de los datos es el factor más crítico en la implementación de la fábrica inteligente.
En el núcleo de la transformación de una fábrica tradicional en una fábrica inteligente está automatizar la recopilación de datos de máquinas, líneas de producción y aplicaciones, y aprovechar estos datos para obtener conocimientos valiosos. Esto es posible gracias a la adopción de tecnologías de IoT Industrial (IIoT) como el software de Fábrica Inteligente de LineView.
Una fábrica que aún no ha implementado tecnologías IIoT para la recopilación de datos y la analítica típicamente tiene sus datos encerrados en un sistema aislado —o, peor aún, no tiene ningún dato disponible en absoluto—, lo cual es muy difícil de analizar y aprovechar para obtener conocimientos.
Por lo general, requiere un trabajo manual y difícil traducir e integrar cualquier dato disponible en información útil, a menudo de múltiples aplicaciones o sistemas desconectados. Podemos llamar a esta condición nivel cero, y si una empresa se queda en este nivel, resultará en un desperdicio significativo de tiempo, recursos y dinero.
A continuación, analizaremos los cuatro niveles de transformación de la estructura de datos en una implementación de fábrica inteligente. Conocer estos niveles puede ayudarte a evaluar dónde te encuentras en este momento y qué necesitarás hacer para llegar al siguiente nivel.
Nivel 1: datos conectados y accesibles
El primer nivel de transformación de fábrica inteligente es conectar todos los datos útiles integrando distintas fuentes de datos (actualmente desconectadas) en un sistema centralizado que recopila datos continuamente y da seguimiento a la producción de datos.
En este nivel, los datos comienzan a organizarse estructuralmente en una ubicación que siempre está disponible, permitiendo el monitoreo en tiempo real y el monitoreo remoto de la planta de la fábrica. Con un fácil acceso a datos valiosos, tanto la fábrica como sus operadores pueden obtener una mayor productividad y agilidad que puede responder mejor a las demandas cambiantes.
Sin embargo, en esta etapa, todavía tomará a la fábrica una cantidad significativa de tiempo y trabajo manual antes de poder realizar un análisis predictivo, un enfoque proactivo para analizar datos y convertirlos en conocimientos valiosos que permitan a la empresa predecir y prevenir problemas antes de que ocurran.
Es decir, si bien el análisis de datos está disponible en cierta medida, en la mayoría de los casos, la fábrica todavía depende de la resolución reactiva de problemas.
Para avanzar de este nivel al siguiente, la fábrica debe comenzar a integrar tecnologías de IA y aprendizaje automático que permitan un análisis predictivo más rápido y preciso.
Nivel 2: datos activos y analítica predictiva
En este segundo nivel, la fábrica inteligente ha integrado la IA y el aprendizaje automático para realizar analítica predictiva, permitiendo a los operadores realizar mantenimiento preventivo o tomar otras acciones proactivas para evitar fallas de calidad o paros.
El principal beneficio de la analítica predictiva es la eliminación del análisis de datos manual que consume mucho tiempo, para que los operadores puedan concentrar su tiempo y esfuerzos en otras cosas productivas. Los sistemas automatizados pueden detectar anomalías y posibles problemas para predecir con precisión fallas futuras y tomar las acciones necesarias para prevenirlas.
Combinado con una estructura de datos conectada que centraliza todos los datos de producción de tu fábrica, con el aprendizaje automático, ahora tienes un sistema inteligente que puede detectar y prevenir problemas de forma más rápida y precisa.
Para avanzar al siguiente nivel, necesitarás que la tecnología de aprendizaje automático madure «consumiendo» más datos (al menos 3-6 meses de datos) para permitir una analítica prescriptiva precisa.
Nivel 3: analítica prescriptiva orientada a la acción
La analítica prescriptiva lleva la optimización un paso más allá al sugerir recomendaciones sobre cómo optimizar tu proceso de manufactura e incluso automatizar algunos de tus procesos con base en:
- Las corridas más eficientes de tu fábrica, la IA intentará replicarlas para lograr más consistencia
- El análisis de datos históricos de otras fábricas, lo que te permite usar sus configuraciones de optimización
En la práctica, la analítica prescriptiva identifica las variables y configuraciones que contribuyen a tus corridas más y menos eficientes, y enviará recomendaciones a tus operadores e ingenieros. Los ingenieros pueden entonces revisar los conocimientos y realizar los cambios que consideren apropiados.
Seguir las recomendaciones de los resultados de la analítica prescriptiva permite a las fábricas eliminar ineficiencias, mejorar la productividad y, en última instancia, mejorar la rentabilidad de la empresa.
Nivel 4: automatización
En este nivel más avanzado, la tecnología de aprendizaje automático implementa automáticamente la recomendación de la analítica prescriptiva analizando los resultados de manufactura.
Un modelo de aprendizaje automático identificará la posibilidad de optimización y luego enviará la configuración recomendada en tiempo real a la máquina para que se optimice. La máquina ejecutará automáticamente esta configuración recomendada, y el resultado de esta instancia de producción se enviará automáticamente de vuelta al modelo de aprendizaje automático para un análisis posterior.
Para lograr esta automatización de nivel cuatro, el modelo de aprendizaje automático requiere un conjunto de datos lo suficientemente grande con resultados validados adecuados para permitir una automatización precisa y confiable. La cantidad de tiempo necesaria para que una fábrica inteligente pase del nivel 3 al nivel 4 variará según el tiempo requerido para reunir estos conjuntos de datos.
Beneficios de la implementación de fábrica inteligente en la Industria 4.0
¿Cuáles son los beneficios de implementar la manufactura inteligente para las empresas?
- Proceso de manufactura más rápido y menores costos operativos
Con la descentralización y la modularidad, una implementación de fábrica inteligente permite que sus componentes tengan múltiples funciones (y a veces, múltiples formas).
Con una solución o máquina de manufactura inteligente que tiene dos o más funciones, el proceso operativo se puede ejecutar de una forma mucho más rápida y eficiente. En las fábricas más grandes que fabrican miles de unidades cada día, este aumento incremental en la productividad puede sumar de forma significativa.
Además de permitir operaciones más rápidas, el aprovechamiento de las tecnologías inteligentes también puede ayudar a minimizar los errores, lo que a su vez resultará en una mejor eficiencia y menores costos operativos.
- Mantenimiento automatizado y más eficiente
Sin importar qué tan costosa y aparentemente perfecta sea una máquina, siempre requerirá mantenimiento tarde o temprano.
Las implementaciones de manufactura inteligente permiten a las fábricas pasar de un mantenimiento manual y que consume mucho tiempo a un mantenimiento automatizado, preventivo y más eficiente. El mantenimiento se puede realizar antes de la falla de la máquina para prevenir paros, pero al mismo tiempo no realizarse con demasiada frecuencia para que no resulte en pérdidas de eficiencia.
- Capacitación más efectiva y mejores recursos humanos
Aunque uno de los pilares clave de la fábrica inteligente es la automatización, los recursos humanos seguirán siendo una parte integral de la mayoría de las fábricas, al menos en un futuro cercano.
La virtualización permite programas de capacitación avanzados con la ayuda de la simulación, lo cual también es más rentable que la capacitación en el mundo real. Además del ahorro de costos, la capacitación virtual también puede ofrecer otros beneficios como un horario más flexible, menores riesgos de accidentes y peligros, resultados de capacitación más precisos y rápidos, etc.
Conclusión
Si bien las fábricas inteligentes o la manufactura inteligente siguen siendo un concepto relativamente nuevo en la manufactura, los beneficios de implementar una fábrica inteligente ya son muy evidentes.
La fábrica inteligente no solo permitirá que los procesos de manufactura sean más productivos y eficientes, sino que también puede ayudar a las empresas de manufactura a cambiar su modelo de negocio de uno orientado únicamente al producto a modelos orientados a servicios más rentables y sostenibles.
Sin embargo, la implementación real de una fábrica inteligente puede ser más fácil de decir que de hacer. Aun así, necesitarás una evaluación cuidadosa de tu proceso actual y una planeación meticulosa. No obstante, a pesar de la implementación potencialmente desafiante, los beneficios que traerá valdrán la pena a largo plazo.
