La introducción de la Industria 4.0 en 2011 vino acompañada de retos específicos. En primer lugar, los equipos patentados utilizados en las instalaciones industriales medias necesitaban una unificación para aplicar estrategias basadas en datos. En segundo lugar, se requería un medio fiable de comunicación y transferencia de datos que permitiera el intercambio de datos y, por último, se necesitaba una red determinista para implementar las transferencias de datos en tiempo real para aplicaciones inteligentes.
Para resolver estos retos se necesitaban avances en la tecnología de la comunicación y un estándar de unificación que los fabricantes de equipos originales y los propietarios de instalaciones pudieran aprovechar para lograr la transformación digital y los modelos de negocio de la Industria 4.0. 5G y OPC UA ofrecen soluciones que resuelven los retos de comunicación y unificación en el sector industrial.
Presentación de los estándares de arquitectura unificada (UA) OPC
Hace una o dos décadas, los activos de una planta de fabricación media consistían en equipos de varios fabricantes de equipos originales que desarrollaron software y herramientas patentados para gestionar los equipos que producían. Estos equipos patentados se utilizaban junto con los equipos heredados, que siguen representando el 40% de los equipos en la planta de fabricación media, y estos activos funcionaban dentro de sus silos individuales. Por tanto, los ciclos de producción consistían en equipos que no podían comunicarse ni funcionar en entornos interrelacionados.
Por ejemplo, las máquinas de corte o rectificado que alimentan a las máquinas CNC con materias primas no podían comunicarse ni compartir datos sobre necesidades de inventario a menos que estas máquinas fueran de un único proveedor. Esto da lugar a situaciones en las que una máquina CNC puede tener menos materias primas de las que necesita para satisfacer la demanda. El resultado son tiempos de inactividad o bajos niveles de satisfacción del cliente debido a pedidos incumplidos. La solución de Industria 4.0 al reto de la comunicación era la comunicación de máquina a máquina, y esto es lo que resuelve OPC UA.
OPC UA proporciona a los fabricantes los estándares para implantar una plataforma independiente orientada a los servicios que da servicio a los equipos propietarios y heredados utilizados en el taller. Desde su creación en 2008, la Fundación OPC ha acogido en su seno a fabricantes de equipos originales como Siemens, Rockwell, Schneider, Bosch, etc. La participación de estas potencias significa que los fabricantes pueden aprovechar un protocolo de comunicación abierto para la comunicación entre equipos propietarios.
La Fundación OPC también proporciona un marco que responde a la cuestión del determinismo. Anteriormente, las transferencias de paquetes de datos se realizaban mediante la emisión masiva de paquetes de datos a los equipos de la planta. Esto significaba que cada equipo recibía varios paquetes de datos hasta que recibía la información exacta que se le había enviado. La técnica de difusión masiva de datos era poco fiable y los fabricantes no podían dar plazos concretos para que cada equipo recibiera paquetes de datos específicos, por lo que era necesario un enfoque determinista.
En situaciones en las que los procesos industriales críticos deben producirse en tiempo real, se requiere una red determinista. OPC UA sobre redes sensibles al tiempo (TSN) se inició para resolver los retos de determinismo a los que se enfrentaba el sector industrial con las redes y las comunicaciones. OPC UA sobre TSN mejora las redes Ethernet cableadas mediante la entrega de información en tiempo predecible. De este modo, los fabricantes pueden dar prioridad a la entrega de paquetes de datos específicos a través de redes abiertas para lograr una comunicación en tiempo real entre los activos en el taller.
La utilización de redes cableadas en la planta de producción conlleva diversas limitaciones. Estas limitaciones incluyen el coste de ampliar las redes cableadas para atender la incorporación de nuevos activos a la planta de fabricación y la utilización de Ethernet para dar soporte a IoT a gran escala, despliegues periféricos o plataformas de transformación digital. Para superar estas limitaciones se necesita una red inalámbrica fiable que pueda ampliarse para satisfacer las crecientes necesidades y que pueda ofrecer una red fiable de baja latencia en el duro entorno de las instalaciones industriales.
La red 5G y las instalaciones industriales inteligentes
Las redes inalámbricas no son nuevas en el sector industrial, pero las iteraciones más antiguas, como las redes 3G y 4G, no proporcionan la latencia de red y el ancho de banda fiables para las transferencias de datos en tiempo real. Por ejemplo, la transferencia de información con gran cantidad de datos en formato de vídeo 4K o el intercambio de datos en tiempo real desde varios dispositivos IoT a un gemelo digital requieren una estabilidad de red de alto rendimiento que 4G no puede proporcionar.
La necesidad de fiabilidad y velocidad de la red se ha convertido en el principal problema que aborda la 5G. Es un hecho que la red 5G es la primera iteración de comunicación inalámbrica construida para el sector industrial. A plena capacidad, las redes 5G serán más de 5 veces más rápidas que las redes 4G y soportarán más de un millón de dispositivos desplegados en un metro cuadrado. El despliegue de 5G también adopta un enfoque modular mediante cajas 5G, a diferencia de la necesidad de acometer grandes actualizaciones cuando se amplían las redes cableadas. Esto significa que las redes 5G proporcionarán la fiabilidad que las 4G no pueden ofrecer y la escalabilidad, así como la asequibilidad, que las redes cableadas no pueden ofrecer.
Las redes 5G también apoyarán la adopción generalizada de soluciones de transformación digital, como hardware inteligente y software analítico en el taller. Aprovechando el 5G, los fabricantes pueden añadir fácilmente nuevos dispositivos IoT al taller, transferir grandes conjuntos de datos a soluciones de gemelos digitales y ampliar los casos de uso de la Industria 4.0 con facilidad.
Las redes 5G también pondrán sobre la mesa redes deterministas mediante el uso de SLA deterministas y el corte inteligente de la red para garantizar que los fabricantes puedan priorizar las transferencias de datos y la comunicación en tiempo real. La adopción de redes 5G proporcionará un amplio soporte para aplicaciones de computación en el borde y en la nube dentro del sector manufacturero. Algunos ejemplos son el uso de aplicaciones de gemelos digitales para la supervisión remota y la habilitación de la comunicación entre dispositivos periféricos y ecosistemas centralizados en la nube.
Conclusión
La comunicación de máquina a máquina y de máquina a nube son aspectos clave para lograr la fábrica inteligente definida por la Industria 4.0. Los progresos realizados por la Fundación OPC y los avances en las tecnologías inalámbricas proporcionarán la red determinista necesaria para automatizar los flujos de trabajo industriales y crear la fábrica «sin luces».