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Modularidad en la industria de procesos con I4.0 (Parte 1)


Un documento publicado por la ZVEI, asociación alemana de fabricantes de componentes eléctricos y electrónicos, refleja un creciente interés por la modularización en la automatización de procesos.

Modularidad en la industria de procesos con I4.0 (Parte 1)

El documento titulado "Producción basada en módulos en la industria de procesos. Efectos en la automatización en entornos de Industria 4.0", publicado por la ZVEI, asociación alemana de fabricantes de componentes eléctricos y electrónicos, refleja un creciente interés por la modularización en la automatización de procesos. Unidades de producción del tamaño de un container estándar, que mediante una ágil combinación entre ellas pueden dar lugar a pequeñas factorías, es hoy una realidad.

Situemos el marco de la Industria 4.0. La 'Reference Architecture Model for Industrie 4.0', más conocida como RAMI 4.0, define los conceptos fundamentales y los bloques constructivos de la Industria 4.0, y está especificada en la norma IEC/PAS 63088. Se trata de un estándar impulsado por la Plattform Industrie 4.0 alemana –organización que agrupa empresas, academia, asociaciones profesionales, sindicatos y administración pública– responsable de impulsar la formalización y la estandarización de la Industria 4.0.

Este paradigma está orientado a la flexibilidad y agilidad basada en la organización conectada e inteligente de los sistemas industriales. Pare ello se fundamenta en la noción de Componente i4.0. tal y como muestra la Figura 1.

Figura 1. Componente I4.0 según la IEC/PAS 63088

La propuesta metodológica para digitalizar activos del mundo físico consiste en recubrirlos con un 'caparazón digital', el cual se denomina Administration Shell. El resultado es un Componente i4.0, el cual corresponde a la definición de 'Application Component' de los Component-based Software Engineering (CBSE), basados en la orientación a objetos y utilizados en las arquitecturas Service Oriented Architecture (SOA). Un activo físico puede ir desde una válvula, una máquina, una célula robotizada hasta una fábrica entera, y en el límite, una organización en su totalidad.

En el ámbito académico los principios de la 'Holonic Manufacturing' y la computación basada en agentes desarrollados en los años noventa, encuentran en la Industria 4.0 los instrumentos y condiciones para poder ser aplicados en la realidad industrial, así como la conexión con el ámbito de la Inteligencia Artificial, potenciada por el Big Data y las infraestructuras cloud e Internet. El Industrial Internet Consortium es junto con la Platform 4.0 la otra organización que formaliza y desarrolla estándares para la Internet Industrial como la arquitectura IIRA, Industrial Internet Reference Architecture. El modelo la IIoT (Internet Industrial de las Cosas) se complementa con el modelo de los componentes i4.0 de RAMI 4.0.

Figura 2. Estructura del ‘manifest’ y funciones de la ‘Administration Shell’ 

Una 'Administration Shell' contiene dos elementos esenciales. Por una parte está el 'Component Manager' que se define como los elementos necesarios de hardware y software para ejecutar programas (Máquina de Turing) y para comunicarse. Por otra parte está el ‘Manifest’, que corresponde a una estructura de datos con todas las referencias a la documentación y modelos digitales (CAD, simulación, etc.) que definen al componente.
RAMI 4.0 establece que el ‘Manifest’ debe tener una estructura de cabecera/detalle, e identifica ámbitos funcionales de los servicios ofrecidos por las APIs de la ‘Administration Shell’. RAMI 4.0 es 'agnóstico' en cuanto a la tecnología y, desde el punto de vista metodológico, prevé una fase denominada 'Technology Mapping' en la que el diseño basado en la arquitectura se mapea a tecnologías específicas (Figura 2). Asimismo, Los componentes se pueden combinar dando lugar a estructuras anidadas (Figura 3).

Figura 3. La capacidad de anidarse (‘nestability’) es un requerimiento de los Componentes I4.0 

La ingeniería consistente es un requerimiento de la Industria 4.0. El modelo presentado por RAMI 4.0 consiste en un repositorio común de componentes i4.0 compartidos por todas las ingenierías que participan a lo largo del ciclo de vida, desde ingeniería de producto a ingeniería de fabricación (Figura 4).


Figura 4. Ingeniería consistente según RAMI 4.0

Uno de los objetivos de la Industria 4.0 es facilitar el ‘virtual commissioning’, esto es, la puesta en marcha virtual. RAMI 4.0 identifica etapas en diversos ciclos de vida en las que hay potencial de ‘virtual commissioning’.

Figura 5. RAMI 4.0 identifica etapas de virtual commissioning en diversos ciclos de vida (Fuente VDI)

La idea es reducir los tiempos de puesta en marcha mediante sistemas de simulación gracias a la ingeniería basada en modelos (MBE), lo que permite incrementar al mismo tiempo el paralelismo en el desarrollo de componentes así como la velocidad de los mismos. Los Componentes i4.0 pueden operar en modo real o en modo simulado. Cuando todos operan en modo simulado se tiene una ‘virtual factory’ con ciclos de desarrollo diversos a una fábrica tradicional (Figura 6).

Figura 6. Ciclo de Virtual Factory versus ciclo tradicional (Fuente:www.visualcomponents.com)

Module Type Definition de Namur

El documento titulado "Producción basada en módulos en la industria de procesos. Efectos en la automatización en entornos de Industria 4.0", publicado por la ZVEI sobre la creciente tendencia hacia la modularización en la automatización de procesos incorpora las recomendaciones de NAMUR NE 148.

ZVEI es una asociación de empresas alemana para la industria eléctrica y la automatización que cuenta con más de 1.600 miembros. Por su parte NAMUR (Asociación de Usuarios de la Tecnología de Automatización en Industrias de Procesos) es un grupo formado exclusivamente por usuarios finales e integradores de sistemas en las industrias europeas de procesos. NAMUR representa aproximadamente 15.000 expertos en control de procesos, de los cuales aproximadamente 300 están activos en 33 grupos de trabajo. La Asociación agrupa su experiencia para crear documentos de buenas prácticas que ayuden a las empresas miembros a cumplir con sus requisitos funcionales. El propósito de los documentos de recomendación de la organización es dar al usuario algunas pautas y mejores prácticas y guiar a los proveedores a medida que desarrollan nuevos productos y aplicaciones.

Las tecnologías de la Industria 4.0 son cada vez más importantes para las industrias de ingeniería de procesos, así como para los fabricantes de equipos de medición y aquellos de tecnología de automatización de procesos, comenta Gunther Koschnick, director de la ZVEI. "Las plantas y los equipos diseñados para la producción basada en módulos requieren una tecnología de automatización inteligente y modular, lo que conduce a un nuevo conjunto de requisitos para los fabricantes de tecnología de automatización", tal y como apuntó en la presentación del panel titulado "Producción Modular" de la Feria de Hannover de 2017 en el que participaban ABB, Emerson, Endress + Hauser, Festo, HIMA, R.Stahl, Samson, Siemens, Wago, Yokogawa y Spiratec. En la ocasión se presentaron los resultados obtenidos por el grupo de estudio NAMUR "Automating Modular Plants".

Este colectivo, juntamente con el grupo de estudio ZVEI Modular Automation han estado trabajando juntos desde 2015, partiendo de proyectos como DIMA, en especificaciones multivendedor para módulos independientes del fabricante. La propuesta presentada fue la especificación MTP (Paquete de Tipo de Módulo). El documento propone el mapeo hacia NE 148 de modelos basados en la ISA 88 para procesos batch y modelos basados en ISA 106 para procesos continuos, proponiendo así un marco conceptual genérico de modularización para la industria del proceso.

Axel Haller, presidente del comité de Automatización Modular de ZVEI, afirma que "la producción modular es posible y tenemos los conceptos y soluciones necesarios para que esto suceda". La capacidad de sustituir módulos individuales brinda a las empresas mayor velocidad y flexibilidad para que puedan hacer ajustes a medida del producto.

(En los próximos días, la segunda parte de este artículo).