Nuevas direcciones en el ámbito de la automatización industrial

(Trobareu la versió en català més avall)

Esta semana (del 22 al 27 de Abril) se ha celebrado en Alemania la feria Hannover Messe. Para aquellos que no lo sepáis, esta feria se empezó a realizar en el año 1947 y actualmente se considera la feria de referencia a nivel mundial en el ámbito de la industria, incluyendo tanto sectores tecnológicos (sistemas de automatización, robótica colaborativa e impresión aditiva) como sectores de aplicación (agricultura, logística y energía). A nivel de datos, este año la feria ha contado con más de 5.000 expositores provenientes de 75 países diferentes. Estos expositores se han repartido en más de 25 pabellones que suman un total de 300.000m2 de superficie de exposición y se ha registrado una asistencia de más de 250.000 personas.

A pesar de la gran diversidad de temáticas y de expositores (robots que van en bicicleta o tocan el piano incluidos!, tal como se ve en las imágenes siguientes), desde hace cuatro años el eje vertebrador de la Hannover Messe es la Industria 4.0 que, como ya hemos tratado en otras entradas, se basa en la aplicación de las tecnologías digitales a fin de mejorar los procesos productivos en el ámbito industrial. Así pues, gracias a la visita que hemos realizado con una delegación de la Comisión Industria 4.0, un grupo de trabajo formado por miembros de los diferentes colegios profesionales del colectivo de Ingenieros de Cataluña (Agrónomos, Caminos, Industriales, Informáticos y Telecomunicaciones), este año hemos podido corroborar la evolución de dos tendencias ya detectadas en años anteriores (tecnologías de red determinista, protocolos de comunicación unificados) y el surgimiento de una nueva tendencia (sistemas de control distribuidos basados en software).

Antes de entrar en los detalles, queremos recordaros que el próximo viernes 1 de junio ​​de 2018 se celebrará en el espacio Endesa de Barcelona (Calle de Roger de Flor, 48, 08018 Barcelona) el 3r Foro Industria 4.0. Para los que no hayáis asistido anteriormente, el objetivo de este foro es acercar las oportunidades de las tecnologías actuales y futuras en el mundo de la producción. Como en los años anterior el evento contará, entre otros, con presentaciones vinculadas a los ámbitos tecnológicos y de aplicación que hemos mencionado anteriormente. Además, la jornada también contará con la entrega del II Premio Industria 4.0, que busca reconocer la contribución de las empresas catalanas que, de forma pionera, están llevando a cabo iniciativas y proyectos innovadores en este ámbito. Si desea asistir podrá inscribirse de manera gratuita a través de este enlace web: http://www.forumindustria40.cat.

Bien, dicho esto, pasamos a resumir las tres tendencias vinculadas al ámbito de las tecnologías de la información y las comunicaciones que hemos detectado durante nuestra visita a la Hannover Messe y que pueden tener un impacto significativo en el ámbito de la industria de cara el futuro.

En primer lugar encontramos las tecnologías de red determinista. Hasta ahora las comunicaciones entre los elementos de sensorización/actuación y los elementos de control de una máquina se han basado en buses de campo, por ejemplo Fieldbus, mientras que las comunicaciones entre los elementos de control y los elementos de supervisión se han basado en tecnología Ethernet. En cambio, la tendencia actual es utilizar sistemas de comunicación basados ​​en Ethernet a todos los niveles, pero adaptados a los requerimientos de determinismo y seguridad que requiere la industria. Algunos ejemplos de estas tecnologías son EtherCAT, Profinet, Powerlink, Sercos o Ethernet/IP, que han sido desarrollados por los propios fabricantes de dispositivos de control. Pero la tendencia de futuro es adoptar la tecnología TSN (Time Sensitive Networking), que además de proveer las características de determinismo y seguridad de las anteriores, se basa en estándares abiertos desarrollados por grupos de trabajo el IEEE y de la IETF. A la larga, esto permitirá garantizar la interoperabilidad de las comunicaciones, lo que facilitará la integración de dispositivos de diferentes fabricantes.

En segundo lugar encontramos los protocolos de comunicación unificados. Hasta ahora las comunicaciones industriales entre los elementos de sensorización/actuación y los elementos de control de una máquina, así como la comunicación de los elementos de control con los elementos de supervisión, se han realizado con diferentes protocolos teniendo en cuenta la capacidad de computación los dispositivos y los requerimientos de tiempo real en las comunicaciones. Por ejemplo, la comunicación entre elementos de sensorización/actuación y los elementos de control se han utilizado históricamente protocolos como Modbus o Profibus basados ​​en tecnologías como la RS-485, mientras que para la comunicación entre los elementos de control y los elementos de supervisión se han utilizado protocolos propietarios como OPC Classic. Hoy día, gracias al aumento de capacidad de los sistemas de control y de las redes de comunicación, con la incorporación de la tecnología Ethernet en sustitución del RS-485, la tendencia es utilizar el mismo protocolo de comunicación de manera unificada. En este sentido el protocolo que está cogiendo tracción por parte de los fabricantes de dispositivos de control es OPC-UA (Unified Architecture), que además de ofrecer comunicaciones unificadas también integra capacidad de modelización de la información para facilitar su acceso, siendo un protocolo abierto y no propietario.

Finalmente, este año Intel ha presentado el concepto software-defined industrial control, que se fundamenta en el concepto software-defined networking desarrollado en los últimos años en el ámbito de las redes de ordenadores con el objetivo de facilitar el despliegue de redes y servicios de manera determinista, dinámica y escalable. Este concepto rompe con la arquitectura piramidal que se ha utilizado para desplegar sistemas de automatización desde los años ochenta, y propone una arquitectura distribuida que permita la flexibilidad de los sistemas productivos a la vez que mantiene las garantías de seguridad necesarias en el ámbito industrial.

Así pues, si en los sistemas de automatización clásicos los dispositivos de control son cercanos a los sensores/actuadores y se programan de manera independiente unos de otros utilizando un lenguaje compatible con la norma IEC 61131 (ladder, bloques funcionales, texto estructurado, lista de instrucciones o grafcet), en un sistema de automatización basado en el paradigma de software-defined industrial control la funcionalidad de computación del sistema está centralizada (al estilo de un data center) y está desacoplada de la sensorización/actuación gracias al uso de tecnologías y protocolos de comunicación estándar (al estilo de Internet).

Es decir, por un lado los sensores y actuadores (imagen izquierda) disponen de capacidad de comunicación en red y de un protocolo de comunicación que permite intercambiar datos (por ejemplo, TSN y OPC/UA como hemos visto anteriormente). Por otra parte, los nodos de computación (imagen derecha) son genéricos, por lo que pueden ejecutar cualquier programa desarrollado con un lenguaje de programación de alto nivel (por ejemplo, Java o Python). Además, los nodos también tienen capacidad de comunicación en red e implementan el mismo protocolo de comunicación, por lo que pueden interaccionar con los sensores y actuadores. Por último, existen unos nodos llamados controladores, que se encargan de asignar las tareas (programas) a cada uno de los nodos de computación y, por tanto, son los encargados de integrar el sistema y hacer que funcione correctamente. Además, los controladores se encargan de monitorizar el estado de los nodos en tiempo real, por lo que pueden sustituirlos en caso de fallo.

 

Si bien estas tres tendencias en el ámbito de las tecnologías de la información y las comunicaciones aplicadas a la industria tienen mucho potencial y enlazan perfectamente con otras corrientes de fondo de la Industria 4.0, como lo es el concepto de gemelo digital -ampliamente presente en la feria-, la realidad es que la historia se repite. La guerra de estándares de los buses de campo de finales de los años noventa se ha convertido ahora en una guerra de la tecnología Ethernet con capacidades de tiempo real; los fabricantes están impulsando sus estándares propietarios y al mismo tiempo están proclamando las bondades de un estándar abierto y universal, tal y como ha pasado en el mundo de Internet con Ethernet y TCP/IP.

Lógicamente esto está ralentizando momentáneamente la intensidad de la cuarta revolución industrial, pero el proceso de estandarización no se detiene y la lógica de una conectividad sin barreras (incluyendo la tecnología 5G aplicada a la industria, de la que hablaremos en una futura entrada) apunta a una culminación del mismo en un plazo de pocos años. Parece evidente, pues, que el proceso de digitalización de la industria es un camino que no tiene retorno y que permitirá la unión definitiva entre átomos y bits (mundo físico y el mundo digital) a través de los electrones/fotones (mundo de las telecomunicaciones) con el objetivo último de facilitar el diseño y la fabricación de productos personalizados a través de la flexibilización de los medios productivos.

Por lo tanto, habrá que seguir atentos a los desarrollos tecnológicos en el ámbito de las tecnologías de la información y las comunicaciones y su potencial aplicación en la industria con el fin de garantizar una correcta transición que asegure que las empresas de nuestro territorio no pierdan el tren de la cuarta revolución. En esta dirección, esperamos veros el 3er Foro Industria 4.0 donde os explicaremos estas y otras tendencias vinculadas a la Industria 4.0.

PS: Podéis encontrar un vídeo resumen de las tendencias presentadas en la Hannover Messe en este enlace de YouTube.

Pere Tuset-Peiró es doctor en Tecnologías de la Información y las Comunicaciones por la Universitat Oberta de Catalunya. Es profesor lector de los Estudios de Informática, Multimedia y Telecomunicación, e investigador del Grupo Wine (Wireless Networks) en el Internet Inter-disciplinary Institute, ambos de la Universitat Oberta de Catalunya. Su actividad docente e investigadora se centra en el ámbito de los sistemas ciberfísicos aplicados a la industria, incluyendo los sistemas empotrados, las redes de comunicaciones y el procesamiento de la señal.

Xavier Pi es Ingeniero Industrial por la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) y consultor de la UOC.

Noves direccions en l’àmbit de l’automatització industrial

Aquesta setmana (del 22 al 27 d’abril) s’ha celebrat a Alemanya la fira Hannover Messe. Per  aquells que no ho sabeu, aquesta fira es va començar a realitzar l’any 1947 i actualment es considera la fira de referència a nivell mundial en l’àmbit de la indústria, incloent tant sectors tecnològics (sistemes d’automatització, robòtica col·laborativa i impressió additiva) com sectors d’aplicació (agricultura, logística i energia). A nivell de dades, enguany la fira ha comptat amb més de 5.000 expositors provinents de 75 països diferents. Aquests expositors han estat repartits en més de 25 pavellons que sumen un total de 300.000m2 de superfície d’exposició i s’ha registrat una assistència de més de 250.000 persones.

Malgrat la gran diversitat de temàtiques i d’expositors (robots que van en bicicleta o toquen el piano inclosos! tal com es veu a les imatges següents), des de fa quatre anys l’eix vertebrador de la Hannover Messe és la Indústria 4.0 que, com ja hem tractat en altres entrades, es basa en l’aplicació de les tecnologies digitals a fi de millorar els processos productius en l’àmbit industrial. Així doncs, gràcies a la visita que hem realitzat amb una delegació de la Comissió Indústria 4.0, un grup de treball format per membres dels diferents col·legis professionals del col·lectiu d’Enginyers de Catalunya (Agrònoms, Camins, Industrials, Informàtics i Telecomunicacions), aquest aquest any hem pogut corroborar l’evolució de dues tendències ja detectades en anys anteriors (tecnologies de xarxa determinista, protocols de comunicació unificats) i el sorgiment d’una nova tendència (sistemes de control distribuït basats en software).

Abans, però, d’entrar en els detalls, volem recordar-vos que el proper divendres 1 de juny de 2018 es celebrarà a l’espai Endesa de Barcelona (Carrer de Roger de Flor, 48, 08018 Barcelona) el 3r Fòrum Indústria 4.0. Pels que no hi hagueu assistit anteriorment, l’objectiu d’aquest fòrum és acostar les oportunitats de les tecnologies actuals i futures en el món de la producció. Com en els anys anteriors, l’event comptarà, entre d’altres, amb presentacions vinculades als àmbits tecnològics i d’aplicació que he mencionat anteriorment. A més, la jornada també comptarà amb l’entrega del II Premi Indústria 4.0, que busca reconèixer la contribució de les empreses catalanes que, de forma pionera, estan duent a terme iniciatives i projectes innovadors en aquest àmbit. Si hi voleu assistir, us podeu inscriure de manera gratuïta a través d’aquest enllaç web: http://www.forumindustria40.cat.

Bé, dit això, passem a resumir les tres tendències vinculades a l’àmbit de les tecnologies de la informació i les comunicacions que hem detectat durant la nostra visita a la Hannover Messe i que poden tenir un impacte significatiu en l’àmbit de la indústria de cara el futur.

En primer lloc trobem les tecnologies de xarxa determinista. Fins ara les comunicacions entre els elements de sensorització/actuació i els elements de control d’una màquina s’han basat en busos de camp, per exemple Fieldbus, mentre que les comunicacons entre els elements de control i els elements de supervisió s’han basat en tecnologia Ethernet. En canvi, la tendència actual és utilitzar sistemes de comunicació basats en Ethernet a tots els nivells, però adaptats als requeriments de determinisme i seguretat que requereix la indústria. Alguns exemples d’aquestes tecnologies són EtherCAT, Profinet, Powerlink, Sercos o Ethernet/IP, que han estat desenvolupats pels propis fabricants de dispositius de control. La tendència de futur, però, és adoptar la tecnologia TSN (Time Sensitive Networking), que a més de proveïr les característiques de determinisme i seguretat de les anteriors, es basa en estàndards oberts desenvolupats per grups de treball el IEEE i de la IETF. A la llarga, això permetrà garantir la interoperabilitat de les comunicacions, cosa que facilitarà la integració de dispositius de diferents fabricants.

En segon lloc, trobem els protocols de comunicació unificats. Fins ara les comunicacions industrials entre els elements de sensorització/actuació i els elements de control d’una màquina, així com la comunicació dels elements de control amb els elements de supervisió, s’han realitzat amb diferents protocols tenint en compte la capacitat de computació dels dispositius i els requeriments de temps real en les comunicacions. Per exemple, la comunicació entre elements de sensorització/actuació i els elements de control han utilitzat històricament protocols com Modbus o Profibus basats en tecnologies com la RS-485, mentre que per la comunicació entre els elements de control i els elements de supervisió s’han utilitzat protocols propietaris com OPC Classic. Avui dia, gràcies a l’augment de capacitat dels sistemes de control i de les xarxes de comunicació, amb la incorporació de la tecnologia Ethernet en substitució del RS-485, la tendència és utilitzar el mateix protocol de comunicació de manera unificada. En aquest sentit, el protocol que està agafant tracció per part dels fabricants de dispositius de control és OPC-UA (Unified Architecture), que a més d’oferir comunicacions unificades també integra capacitat de modelització de la informació per tal de facilitar-ne l’accés, essent un protocol obert i no propietari.

Finalment, enguany Intel ha presentat el concepte software-defined industrial control, que es fonamenta en el concepte software-defined networking desenvolupat en els darrers anys en l’àmbit de les xarxes d’ordinadors amb l’objectiu de facilitar el desplegament de xarxes i serveis de manera determinista, dinàmica i escalable. Aquest concepte trenca amb l’arquitectura piramidal que s’ha utilitzat per desplegar sistemes d’automatització des dels anys vuitanta, i proposa una arquitectura distribuïda que permeti la flexibilitat dels sistemes productius alhora que manté les garanties de seguretat necessàries en l’àmbit industrial.

Així doncs, si en els sistemes d’automatització clàssics els dispositius de control són propers als sensors/actuadors i es programen de manera independent uns dels altres utilitzant un llenguatge compatible amb la norma IEC 61131 (ladder, blocs funcionals, text estructurat, llista d’instruccions o grafcet), en un sistema d’automatització basat en el paradigma de software-defined industrial control la funcionalitat de computació del sistema està centralitzada (a l’estil d’un data center) i està desacoblada de la sensorització/actuació gràcies a l’us de tecnologies i protocols de comunicació estàndard (a l’estil d’Internet).

És a dir, d’una banda, els sensors i actuadors (imatge esquerre) disposen de capacitat de comunicació en xarxa i d’un protocol de comunicació que permet intercanviar dades (per exemple, TSN i OPC/UA com hem vist anteriorment). D’altra banda, els nodes de computació (imatge dreta) són genèrics, de manera que poden executar qualsevol programa desenvolupat amb un llenguatge de programació d’alt nivell (per exemple, Java o Python). A més, els nodes també tenen capacitat de comunicació en xarxa i implementen el mateix protocol de comunicació, de manera que poden interaccionar amb els sensors i actuadors. Per últim, existeixen uns nodes anomenats controladors, que s’encarreguen d’assignar les tasques (programes) a cadascun dels nodes de computació i, per tant, són els encarregats d’integrar el sistema i fer que funcioni correctament. A més, els controladors s’encarreguen de monitoritzar l’estat dels nodes a temps real, de manera que poden substituir-los en cas de fallada.

 

Si bé aquestes tres tendències en l’àmbit de les tecnologies de la informació i les comunicacions aplicades a la indústria tenen molt potencial i enllacen perfectament amb altres corrents de fons de la Indústria 4.0, com ho és el concepte de bessó digital —àmpliament present a la fira—, la realitat és que la història es repeteix. La guerra d’estàndards dels busos de camp de finals dels anys noranta s’ha convertit ara en una guerra de la tecnologia Ethernet amb capacitats de temps real; els fabricants estan impulsant els seus estàndards propietaris i al mateix temps estan proclamant les bondats d’un estàndard obert i universal, tal i com ha passat al món d’Internet amb Ethernet i TCP/IP.

Lògicament això està alentint momentàniament la intensitat de la quarta revolució industrial, però el procés d’estandarització no s’atura i la lògica d’una connectivitat sense barreres (incloent-hi la tecnologia 5G aplicada a la indústria, de la qual parlarem en una futura entrada) apunta a una culminació del mateix en un termini de pocs anys. Sembla palès, doncs, que el procés de digitalització de la indústria és un camí que no té retorn i que permetrà la unió definitiva entre àtoms i bits (món físic i món digital) a través dels electrons/fotons (món de les telecomunicacions) amb l’objectiu últim de facilitar el disseny i la fabricació de productes personalitzats a través de la flexibilització dels mitjans productius.

Per tant, caldrà seguir amatents als desenvolupaments tecnològics en l’àmbit de les tecnologies de la informació i les comunicacions i la seva potencial aplicació a la indústria a fi de garantir una correcta transició que asseguri que les empreses del nostre territori no perdin el tren de la quarta revolució. En aquesta direcció, esperem veure-us al 3r Fòrum Indústria 4.0 on us explicarem aquestes i altres tendències vinculades a la Indústria 4.0.

PS: Podeu trobar un vídeo resum de les tendències presentades a la Hannover Messe en aquest enllaç de YouTube.

Pere Tuset-Peiró és doctor en Tecnologies de la Informació i les Comunicacions per la Universitat Oberta de Catalunya. És professor lector dels Estudis d’Informàtica, Multimèdia i Telecomunicació, i investigador del Grup Wine (Wireless Networks) a l’Internet Interdisciplinary Institute, ambdós de la Universitat Oberta de Catalunya. La seva activitat docent i investigadora se centra en l’àmbit dels sistemes ciberfísics aplicats a la indústria, incloent els sistemes empotrats, les xarxes de comunicacions i el processament del senyal.

Xavier Pi és Enginyer Industrial per la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) i consultor de la UOC.

Comentar

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

Leer entrada anterior
Los informáticos, multimedia y telecos también leen

(Trobareu la versió en català més avall) Esta semana se ha celebrado en Cataluña el día de Sant Jordi, un día especial...

Cerrar