¿Qué es la automatización industrial?
La automatización industrial es el uso de controladores (autómatas, ordenadores) que procesan los datos (lógica programable, software) obtenidos de la comunicación con sensores para controlar actuadores y finalmente automatizar máquinas y procesos de producción.
El objetivo principal es obtener rentabilidad a través de la inversión en estos sistemas, reduciendo el personal, mejorando tiempos de ciclo o reduciendo fallos de calidad en la producción. También son usados para ayudar o evitar complemente los trabajos repetitivos, tediosos o no ergonómicos, permitiendo destinar a los humanos a actividades más constructivas y abstractas.
2. ¿Cómo funciona la automatización en la industria?
Automatizar procesos de fabricación implica el uso de multitud de tecnologías para el desarrollo de funciones repetitivas de un modo robusto y eficaz.
Por ello es necesario, un controlador que contenga el programa que gestione los distintos dispositivos. Así como sensores que recopilen la información del entorno, actuadores de movimiento como los servos, elementos mecánicos, neumáticos, hidráulicos para ejecutar esos movimientos. Así mismo, se incorporan elementos de inspección y monitorización. Y todo ello enlazado con dispositivos de comunicación.
A través de la pirámide descrita en el apartado siguiente, se puede entender mejor cual es la estructura de un sistema automático.
3. Niveles del procesos de automatización. Sistemas de control distribuido.
La siguiente pirámide jerárquica muestra los niveles de un sistema de automatización desde la parte industrial de campo, pasando por la de gestión de la producción (software MES) hasta la parte superior, donde se enlaza con la gestión empresarial (software ERP – SAP).
Nivel 1: Red de proceso (dispositivos de campo – sensores – actuadores – hardware)
En este nivel encontraríamos los dispositivos directamente relacionados con la producción.
Por una parte encontraríamos los sensores responsables de entregar datos al PLC (nivel 2). Entre estos datos encontraríamos (temperatura, distancias, medidas, caudal, presión…)
Y por otro aquellos dispositivos encargados de recibir datos del PLC para ejecutarlos. Entre medias puede haber algún dispositivo encargado de trasformar las señales y comunicar.
La comunicación entre nivel 1 y nivel 2, La frecuencia de transmisión de datos puede ser en milisegundos si el control del proceso.
Nivel 2: Red de control (PLC-HMI)
Como ya hemos adelantado, aquí encontraríamos dispositivos controladores, como los PLC. Pero también podrían ser pequeños PC industriales (PCI) o PAC (Programmable Automation Controller).
Reciben información del nivel 1 y envían órdenes para que los elementos del equipo productivo ejecuten sus funciones. Las velocidades de transmisión de la información puede ser de milisegundos. El nivel 2 transmite información tanto hacia el nivel 1 como al nivel 3. Del nivel 2 hacia el nivel 3 la frecuencia de transmisión puede ser alta también.
La comunicación entre los niveles 2 y 3 resulta muy interesante para la recopilación de información y tratamiento de datos. Los PLC no pueden almacenar datos o no una gran cantidad, por ello se envían al nivel superior donde se gestionan para transmitirlos hacia arriba y almacenarlos en el lugar oportuno. Por tanto es un punto clave para el control de la producción y la industria 4.0.
El PLC se puede obtener variables de salida cada pocos segundos. Estas variables serán transmitidas hacia el nivel 3. Aquí entran en juego las bases de datos SQL o NoSQL, dependiendo de la naturaleza de la información y la cantidad de datos a almacenar.
HMI (Interfaz hombre-máquina) es uno de los pasos intermedios antes de pasar al punto 3, ya que al ser interfaz del PLC permite interactuar con la máquina y el proceso de fabricación. Recopilando algún dato y exportándolo a una memoria o visualizando distintos datos en una pantalla. El HMI incluye la electrónica necesaria para señalar y controlar el estado de los equipos de automatización industrial. A su vez, ayuda a controlar los equipos de automatización industrial. Sin embargo, estos productos de interfaz pueden variar desde un indicador de estado LED básico hasta un panel TFT de 2 pulgadas con interfaz de pantalla táctil.
Nivel 3: Red de supervisión – SCADA
El Control de Supervisión y Adquisición de Datos (SCADA) es un tipo de aplicación que obtiene datos operativos del sistema para controlar y optimizar dicho sistema. Un SCADA puede monitorizar en tiempo real el nivel 2. Desde un SCADA se pueden enviar órdenes a uno o varios PLC y coordinarlos entre sí. Por tanto, en un sistema SCADA se pueden coordinar más de dos PLC y permite capacidades de almacenamiento importantes a través de bases de datos SQL o NoSQL. Por tanto, la cantidad de datos enviados por muchos PLC en cuestión de milisegundos hace que en este apartado se pueda empezar hablar de big data.
Nivel 4: Red de operación – MES (Manufacturing Execution System)
Si en los niveles anteriores se encargaban del control de los procesos y el hardware, aquí pasaremos al control de la producción mediante la organización y gestión de datos obtenidos aguas abajo.
Para ello se utiliza un MES (Manufacturing Execution System) que es un software específico desarrollado para la monitorización y gestión de la planta/fabrica. Tiene que ver con las operaciones realizadas en plantas industriales. Engloba información de operaciones productivas, logísticas, mantenimiento, calidad y seguridad. También podría mostrar información de los productos y de los procesos.
En este caso la recopilación de datos no necesariamente debe ser en tiempo real como en niveles anteriores. Ya que pasaran a ser analizadas posteriormente en grandes bloques o agrupaciones procesadas.
A su vez hay datos que igualmente pueden recopilarse a tiempo real. Dotando a la empresa y supervisores a tomar decisiones rápidas o estar informados de posibles incidencias críticas.
Nivel 5: Red de información – ERP
En este último nivel se centraliza la información de todos los departamentos de la empresa, no solo los productivos. Utilizando un software especializado, ERP, como centro neurálgico para el tratamiento de información. En este nivel se incluye información sobre clientes, proveedores, ofertas, contratos, activos, consolidación informativa de varias plantas productivas, contabilidades, costes, gestión proyectos, etc.
4. Tipos de automatización industrial
Automatización fija
Se sirve de sistemas automáticos fijos para realizar la producción de una referencia estable en al largo plazo. Se emplea en la fabricación de un producto que va durar mucho tiempo y por tanto el sistema automático no va a necesitar cambios en su hardware ni en su programación.
Si se necesita fabricar durante mucho tiempo una grandísima cantidad de piezas idénticas, se suele optar por un sistema fijo. La instalación es más económica y el proceso muy efectivo, pero no permite cambios ni reprogramaciones tras la implementación inicial. Suele ser la elección en procesos de producción estables en el tiempo y de muy altos volúmenes.
Automatización programable
Sistemas implementados para automatizar la fabricación de varias referencias de producto que traen diferencias entre sí. Con ciertos cambios en el hardware o partes mecánicas de la instalación y cambios de parámetros seleccionables mediante HMI a nivel de programa.
Con el uso de sistemas programables podemos fabricar lotes de un producto con idénticas características. La instalación se adapta completamente a las necesidades de proceso. Este tipo de instalaciones permiten la fabricación de piezas según la temporada
Automatización flexible
Sistemas parecidos a los anteriores con mayor autonomía y flexibilidad para procesar distintas piezas y realizar los cambios oportunos de manera automática y rápida.
Este sistema de automatización permite a la industria la producción de elementos de gran variedad y características distintas desde una única máquina. La inserción en las líneas de sistemas Industria 4.0 y robots aporta gran flexibilidad pudiendo variar casi inmediatamente los recursos necesarios para la realización de los productos.
5. Para que sirve
La automatización a nivel de campo tiene muchas funciones. De todas ellas podríamos destacar las siguientes:
- Homogeneidad en la ejecución de los procesos y por tanto en la calidad resultante del producto.
- Disminuir errores gracias a una producción con alta repetitividad, constante y sin interrupciones
- Reducción de los costes debido a la reducción de la mano de obra y reducción de tiempos muertos.
- Aunque la automatización parece a priori una amenaza a los trabajadores industriales, mejora la situación laboral haciendo los trabajos más ergonómicos o eliminando los más penosos, tediosos o peligrosos.
6. Ventajas y desventajas
Ventajas de la automatización industrial de los procesos
Aunque en el apartado anterior ya hemos mencionado ciertas funcionalidad que en si mismas son ventajas las recopilamos a continuación con algún añadido.
- Una automatización flexible mejora la eficiencia de los procesos productivos a la hora de desarrollar las tareas. La automatización permite adaptar el producto a las características y requerimientos específicos de cada empresa.
- Mejora la calidad del producto al reducir el índice de errores, aumentar la precisión y homogenizar el proceso controlado por computarización. La automatización permite ejecutar los procesos con un nivel de precisión mucho más elevado que en un proceso manual. Las medidas, pesos o mezclas se calculan con la mínima unidad. Además, los movimiento programados son siempre iguales y con alta repetitividad. Y no se producen irregularidades en el producto por errores o cambios en el proceso.
- Posibilidad de automatizar la trazabilidad y recopilación de datos. Mejora la gestión y el control de los materiales, del stock y de los diferentes elementos del proceso productivo. Se produce una mejor integración en las redes de comunicación de datos, lo que permite reducir el tiempo de reacción ante cambios o alteraciones en la producción, así como tomar decisiones más precisas.
- Aumento de la productividad de la empresa al ahorrar tiempo en la ejecución y eliminar tiempos de parada o cambios de turno. Dada la eficiencia y precisión del proceso automatizado, se reduce significativamente el tiempo de producción. Un proceso automatizado repite las operaciones de forma idéntica continuamente y una vez bien ajustadas, las maquinas pueden trabajar noche y día.
- Reducción de costes de producción al reducir el personal humano.
- Seguridad laboral. Reduce el estrés, la fatiga y los accidentes al sustituir las máquinas a las personas en los trabajos más peligrosos o perjudiciales para la salud. Se incrementa la seguridad del personal, especialmente en procesos que incluyen grandes pesos, temperaturas elevadas o entornos peligrosos (con productos químicos nocivos, radioactivos…).
- Todo lo expuesto aumenta la competitividad en el mercado, ya que se puede dar una mejor respuesta a las necesidades de este, ofrecer productos de mejor calidad en menor tiempo, reaccionar de forma más rápida y flexible a los cambios.
La manufactura automatizada favorece la competitividad de la empresa. Llegan a rentabilizar la inversión en un tiempo récord y conseguir un retorno de la inversión más rápido. Una vez automatizado un proceso, se necesita menos personal de base en la cadena de producción y menos paradas. Por otra parte, la automatización aumenta la eficiencia energética y de uso de materias primas. Así, se reducen los costes asociados a suministros y stock.nos peligrosos (con productos químicos nocivos, radioactivos…).
Desventajas de la automatización industrial
Si la definición de automatización invita a pensar que se trata de una adaptación tecnológica sencilla y rápida sobre los diferentes elementos de la producción. Por desgracia la realidad dista mucho de ser así:
Un sistema automatizado requiere de altas inversiones iniciales. Para algunas empresas, el coste inicial de la inversión puede percibirse como elevado, si no tienen en cuenta el ROI.
En función del proceso en el que se aplique, dificulta la flexibilidad de adaptación a diferentes trabajos. Necesitan de ajustes, cambios de utillajes o de herramientas. Aunque se pueden diseñar y desarrollar para que el cambio sea lo más rápido posible.
Requiere de un estricto control de mantenimiento de los automatismos industriales y prevención del desgaste de las piezas y de los equipos automatizados. El personal necesario para gestionar procesos automatizados es más especializado, por lo que puede ser más difícil de encontrar y más caro de contratar.
En el aspecto social se genera una pérdida del empleo que en función del sector puede ser más pronunciada.
7. Tipos y ejemplos de procesos automatizados
Hay muchos procesos que propicios para la automatización dada su repetitividad y su baja complejidad para replicar los movimientos de humanos por dispositivos mecánicos, mecatrónicos o robóticos. Así mismo hay otros que deben ser estudiados con detenimiento para encontrar una solución eficaz y robusta.
Principalmente los procesos que más se automatizan son:
Manipulación
La automatización del picking de productos o componentes es uno de los sistemas más comunes de automatización. Se puede llevar a cabo por manipuladores cartesianos o por brazos robóticos de 4 a 6 ejes. Uniéndolo con vibradores de piezas lo hace un sistema muy autónomo. Además añadiendo visión se le otorga a estos sistemas de flexibilidad, pudiendo recoger piezas de situaciones complejas y dejándolas en posiciones cambiantes. Para saber más de estas aplicaciones puedes leer nuestra publicación sobre bin picking.
También es muy útil para el movimiento de grandes cargas, como por ejemplo en el politizado de lotes o producto final.
También es muy útil para el movimiento de grandes cargas, como por ejemplo en el politizado de lotes o producto final.
Ensamblaje
La automatización del montaje es la parte que más estudio necesita ya que viene determinada por los distintos procesos de ensamblaje, las características del producto y la forma de trabajar de cada empresa. Aquí podemos encontrar sistemas automáticos de atornillado, remachado, clipaje, adhesivado, soldadura. Así como procesos previos para preparar partes de las piezas corte, rebarbado, mecanizado, fresado.
Verificación
La inspección de calidad es una operación muy valiosa para el control de producción, tanto para encontrar procesos inadecuados o fallos en los equipos de producción, como en ratificar que el producto enviado al cliente es adecuado, ahorrando costes futuros por reclamación.
Mediante sensores y cámaras de visión se pueden automatizar los procesos de verificación que realizaría un operador. De esta manera se pueden hacer controles dimensionales de piezas, verificación de la presencia de componentes.
Integrando otros equipos específicos como microfugómetros, células de carga, medidores de rigidez dieléctrica, se pueden recopilar datos de fallas especificas mediante pruebas no destructivas.
Así mismo se pueden hacer bancos o sistemas automáticos de ensayo que realicen las mismas operaciones que haría el usuario final para probar que el producto funciona correctamente, o si se realizan en un periodo de tiempo estipulado, se puede saber si se llega a la vida útil requerida. Así mismo se pueden hacer estas pruebas en un ambiente controlado para probar en situaciones especiales por ejemplo de temperatura. Un ejemplo es la apertura y cierre de cajones de manera repetida, movimiento de la palanca de cambios de un coche, apriete o accionamiento de botones en productos electrónicos….
Codificación
Otra operación muy requerida es el marcaje de piezas. Ya sea para trazabilidad como introducción elementos visuales como el logo de la marca.
En el caso de la trazabilidad se puede grabar un código (1D, 2D) a cada pieza producida. Este código sería como una matrícula a la que se le asocian todos los datos de producción y verificación. Esto permite un mayor control de la producción. Pues se hace seguimiento de cada pieza no solo por lotes. Dando muchos más datos exactos a las partes altas de gestión de la pirámide antes descrita.
Transporte
Aquí podríamos hablar de dos partes, primero la que atañe a la gestión de las piezas y los productos en el sistema de producción automático. Y por otro la parte de logística y almacén con los productos terminados en sus embalajes.
En el caso de la automatización de la fabricación el uso de transportadoras es muy común para enlazar máquina y distintos procesos. En algunos casos estas trasportadoras actúan como séptimo eje de robots antropomórficos. También se utilizan sistemas de indexado de piezas con alta precisión en líneas totalmente automáticas y flexibles. Donde un correcto posicionamiento es clave, así como una velocidad de movimiento alta. Estos sistemas de trasferencia pueden ser lineales o rotativos en mesa circular.
Por otro lado, la automatización en logística se caracteriza por la gestión de grandes volúmenes y cajas con lotes de producto. Mediante transportadoras, elevadores y robots AGV o AMR (visita nuestro blog para saber más sobre estos robots) se obtiene un almacenaje automático y centros de distribución automáticos. Aquí la unión con un ERP tiene mucho sentido para gestionar de manera automática los pedidos, el almacén y los envíos. Esta es una tendencia en expansión y cada vez más compañías apuestan por la automatización de su logística.
Nuevas tendencias y futuro en la automatización
En la automatización industrial, siempre hay muchos avances dentro de cada tecnología específica dotando a los equipos de mejoras para adaptarse a los procesos de fabricación o hacer su integración más sencilla. Pero con el avance de la industria 4.0, el desarrollo en comunicaciones y el IoT, los principales avances vienen de la mano de la IA y la conectividad. Hoy, la cuarta revolución está impulsada por la transformación digital y la automatización inteligente.
El avance en la industria viene de la mano de la implementación de las fábricas inteligentes. Crear una producción que interconexione la parte física con la comunicación y la informática. A través del uso de las últimas tecnologías en IA “inteligencia artificial”, el IoT “internet de las cosas”, tratar de conectar todos los sensores de la fábrica y máquinas con los software de gestión.
Fabricas inteligentes y sensores IOT
Las instalaciones productivas incorporan sensores para obtener distintos datos ambientales, funcionamiento de la maquina o control productivo. Estos sensores son controlados por PLC o SCADA. Si se comunican todos estos controladores a una red y se provee de información a un sistema informático o software de gestión con inteligencia artificial, se consigue una “fabrica inteligente”. Es decir, un sistema ciberfísico que utiliza tecnologías avanzadas como inteligencia artificial (IA) y machine learning para analizar datos, impulsar procesos automatizados y aprender sobre la marcha. De esta manera se pueden hacer análisis y predicciones para el mantenimiento predictivo.
Gemelos digitales
Consiste en la recreación digital de una entidad física real. Mediante programas informáticos se analizan datos recopilados de la realidad para poder generar su gemelo digital, permitiendo posteriormente ejecutar simulaciones o predicciones. LA recopilación de datos se efectúa mediante multitud de sensores por ejemplo en fábricas o en instalaciones industriales.
Esto permite que la versión digital imite y simule lo que está sucediendo con la versión original en tiempo real. Una vez que se han recopilado todos los datos, se usan para crear modelos analíticos con los que predecir los efectos y comportamientos de ese objeto ante unos posibles cambios.
De este modo se pueden hacer pruebas con resultados reales de producto o mejoras en los sistemas productivos sin realizar inversión en su construcción o fabricación de prototipo. Así mismo puede ayudar al mantenimiento predictivo y a adelantar información sobre averías futuras.
Blockchain
Según IBM “Blockchain es un libro mayor compartido e inmutable que facilita el proceso de registro de transacciones y de seguimiento de activos en una red de negocios. Un activo puede ser tangible (una casa, un auto, dinero en efectivo, terrenos) o intangible (propiedad intelectual, patentes, derechos de autor, marcas). Prácticamente cualquier cosa de valor puede ser rastreada y comercializada en una red de blockchain, reduciendo el riesgo y los costos para todos los involucrados”.
Esto permite a los negocios obtener información de manera más ágil y exacta. El blockchain transmite datos en tiempo real, son datos compartidos y todos los movimientos son visibles, por tanto no permite alteraciones irregulares o fraudes. Además solo permite acceso a miembros autorizaros.
Machine learning
Permite a las máquinas aprendan sin haber sido expresamente para realizar esa tarea. A través de ejemplos previos y análisis matemáticos y estadísticos de datos son capaces de reconocer patrones y hacer predicciones.
“En definitiva, el ‘machine learning’ es un maestro del reconocimiento de patrones, y es capaz de convertir una muestra de datos en un programa informático capaz de extraer inferencias de nuevos conjuntos de datos para los que no ha sido entrenado previamente”, explica José Luis Espinoza, científico de datos de BBVA México. Esta capacidad de aprendizaje se emplea también para la mejora de motores de búsqueda, la robótica, el diagnóstico médico o incluso la detección del fraude en el uso de tarjetas de crédito, las recomendaciones de Netflix o Spotify, las respuestas inteligentes de Gmail o el habla de Siri y Alexa.
Un ejemplo de aplicación industrial se presenta en la visión artificial para la detección de defectos en la fabricación o en el producto. Al dotar de IA a los procesadores de imágenes son capaces de aprender a base de una programación inicial y el paso de muestras. De esta manera se pueden reconocer defectos no lógicos o no determinables previamente.
