Modernizaciones de IIoT para equipos heredados

Si es como la mayoría de los fabricantes, no está operando con los últimos equipos listos para Internet. Pero es probable que se enfrente a muchas iniciativas de digitalización. Lea cómo hacerlo con modificaciones estratégicas de los equipos existentes.

Por James R. Koelsch, editor colaborador

No llore por la leche derramada, la cerveza o cualquier otra cosa. ¿Por qué? Porque ya no hay necesidad de soportar derrames y otras formas de desperdicio solo porque su base de equipo instalada es demasiado vieja. Puede resolver muchos de estos problemas modernizando su equipo heredado para brindarle la conectividad y visibilidad prometidas por la Internet Industrial de las Cosas (IIoT) para reducir el desperdicio.


Pregúntele a Joe Vogelbacher, CEO y cofundador de Sugar Creek Brewing Co., una cervecería artesanal en Charlotte, Carolina del Norte. La modernización de una línea de embotellado allí con tecnología IIoT ha permitido a los operadores controlar la formación de espuma a medida que la cerveza se mueve de un tanque a otro. Incluso las variaciones leves en la presión y la temperatura pueden generar espuma, lo que se traduce en un derrame suficiente para costarle a la cervecería $ 30.000 al mes en ingresos perdidos.Los operadores ahora pueden interactuar con el proceso en tiempo real desde cualquier lugar de la cervecería, gracias a la ayuda de Bosch Rexroth Corp.


“Junto con Sugar Creek, mapeamos el flujo de valor y comenzamos a analizar los puntos débiles específicos”, dijo Armando González, líder empresarial de Industria 4.0 en Bosch Rexroth. "A partir de ahí, pudimos determinar la cantidad de desperdicio y cómo se traducía en términos de valor".


Luego, los ingenieros de Bosch Rexroth ayudaron al personal de la cervecería a comprender cómo la tecnología IIoT podría ayudarlos a lograr un éxito rápido.


El equipo de modernización agregó no solo sensores IIoT a los tanques de cerveza, sino también el IIoT Gateway de Rexroth para informar los niveles de llenado y la temperatura. Una vez analizados, estos puntos de datos están disponibles para los operadores en sus computadoras portátiles, tabletas o teléfonos móviles. Con información de fácil acceso y la capacidad de ajustar puntos de ajuste de forma remota, Sugar Creek Brewing Co. ahorró $ 120.000 solo en 2019.

El más mínimo cambio de temperatura y presión puede causar espuma en la línea de embotellado en Sugar Creek Brewing. Para controlar esta forma de desperdicio, la cervecería recurrió a Bosch Rexroth para modernizar su línea con tecnología IIoT.El más mínimo cambio de temperatura y presión puede causar espuma en la línea de embotellado en Sugar Creek Brewing. Para controlar esta forma de desperdicio, la cervecería recurrió a Bosch Rexroth para modernizar su línea con tecnología IIoT.Foto cortesía de Bosch Rexroth
La planificación es crucial

Como cualquier otra tecnología, la implementación exitosa de IIoT requiere un plan que tenga un buen sentido comercial. El desarrollo de un plan de este tipo ayuda a evitar la sobreadaptación, el error más común que cometen los usuarios, según Manish Chawla, gerente general del sector industrial de IBM Corp. “La consideración principal debe ser identificar claramente cuáles son los objetivos finales y los beneficios comerciales para reacondicionamiento de un equipo determinado ”, aconseja. "Debe haber un propósito comercial para cada sensor que alguien quiera instalar".


Estos propósitos generalmente incluyen algún beneficio en aspectos como costo, seguridad, calidad y rendimiento. “El lugar más impactante para comenzar uno sería mirar dónde están sus mayores problemas”, sugiere Dave Eifert, gerente senior de desarrollo de negocios para IIoT en Phoenix Contact USA. "Mire uno de estos aspectos de una manera muy granular e imagine lo que se necesitaría para eliminar ese problema". Si más datos e información sobre el proceso lo ayudarán a comprender y resolver el problema, entonces podría ser una buena aplicación para IIoT.


Los expertos en automatización advierten a los principiantes que sean selectivos al decidir qué datos recopilar. “La afluencia de demasiados datos puede generar parálisis en el análisis”, explica Trevor Diehl, vicepresidente de investigación y desarrollo de DelmiaWorks, un proveedor de software de planificación de recursos empresariales. Para evitar este problema, sugiere trabajar con profesionales de calidad para identificar de tres a cinco señales para comenzar, y ciertamente no más de ocho.


Una consideración a menudo olvidada en el proceso de planificación es el mantenimiento a largo plazo de cualquier sensor agregado. “Asegurarse de que los sensores estén calibrados adecuadamente es una dificultad a largo plazo que pocas personas planean”, observa Diehl. Además de experimentar alguna deriva que ocurre naturalmente con el tiempo, los sensores también fallan eventualmente en entornos industriales porque se instalan en entornos hostiles, como en maquinaria vibratoria, en campos electromagnéticos y cerca de fuentes de calor.


IIoT con controladores existentes


Una vez que se establecen los objetivos y los beneficios, el siguiente paso para la planificación es compararlos con el valor y el costo de la tecnología disponible para lograrlos. La buena noticia es que agregar dispositivos IIoT generalmente no requiere reemplazar el controlador existente. Una razón es que IIoT ya no se limita a agregar sensores discretos desacoplados de la jerarquía de control tradicional. Ahora puede incluir la distribución de datos ya disponibles a través de PLC.


“El mundo de los controles ha ido asimilando rápidamente más tecnología IIoT”, explica Diehl. Señala la capacidad de tecnología como FactoryTalk View de Rockwell Automation para conectarse a un servidor OPC, que es un agregador de datos IIoT común de un PLC. "Por lo tanto, es muy posible obtener información de IIoT relevante de su equipo existente una vez que esté conectado al agregador correcto".


“Muchos controladores más antiguos tienen alguna forma de comunicar datos valiosos, incluso si es a través de protocolos más antiguos como el serial o DeviceNet”, agrega Daymon Thompson, gerente de productos de software de Estados Unidos en Beckhoff Automation, en consecuencia, IIoT y otras tecnologías de digitalización generalmente pueden leer datos de estos controladores heredados y luego transmitirlos a través de un estándar de comunicación IIoT como MQTT, HTTP y REST. "Sin embargo, hacer esto requiere agregar un dispositivo al sistema como una puerta de enlace de comunicaciones".


Estas puertas funcionan junto con los PLC existentes para enviar datos seleccionados a un sistema local o basado en la nube para la aplicación de análisis. Eifert en Phoenix Contact recomienda comenzar dejando el sistema de control existente en su lugar y aplicando vías de borde en paralelo. "Por lo general, es mejor comenzar con poco y aprender a evitar posibles obstáculos antes de buscar proyectos con perfiles de mayor riesgo y recompensa", dice. 


Luego, puede sopesar los beneficios de reemplazar los PLC, ya que tiene sentido durante los ciclos de actualización posteriores. Para permitir esta opción, Eifert sugiere utilizar tecnología IIoT que se puede aplicar de forma incremental. Un ejemplo es PLCnext de Phoenix Contact, que puede servir tanto como puerta de enlace de borde como como PLC. Se puede aplicar de forma incremental junto con un PLC existente, comunicándose localmente con el PLC a través de protocolos como Modbus TCP, EtherNet / IP o incluso Modbus RTU. Su sistema operativo basado en Linux permite utilizar herramientas de programación de código abierto como Node-Red como enlace al mundo IIoT.


Thompson informa que la mayoría de las actualizaciones de IIoT que involucran los controles basados ​​en PC de Beckhoff Automation han implicado la actualización de software para agregar funcionalidad y comunicaciones en el controlador. “En casos con equipos muy antiguos, es sencillo agregar un pequeño dispositivo de puerta de enlace y usar nuestro software Data Agent para leer los datos del controlador existente y luego asignarlos a los protocolos de comunicaciones de IoT”, dice.


Sin embargo, dicho hardware normalmente puede hacer mucho más que eso. “Una puerta de enlace de IoT local también puede hacer parte de la informática de borde antes de enviar cualquier información al nivel empresarial o a la nube”, dice Thompson. El procesamiento de información en el borde puede reducir el tráfico de la red y minimizar los datos que se envían a sistemas de nivel superior.


Una aplicación que requiera datos de alta velocidad probablemente necesitará computación local o de borde. “Estos conjuntos de datos a menudo también deben integrarse en una visión corporativa o empresarial general para evaluar el impacto holístico”, señala Chawla en IBM. "Por lo tanto, necesita una arquitectura bien definida que especifique dónde se deben procesar los datos".


Aquí, un error común es adoptar un enfoque estrictamente lineal para procesar los datos, ya sea en las instalaciones o en la nube. "Este enfoque puede limitar el valor que puede obtener de los datos", dice Chawla. Para evitar tales limitaciones, insta a los usuarios a considerar una arquitectura híbrida abierta porque ofrece la flexibilidad de procesar datos en las instalaciones para lograr velocidad y agilidad, así como para aprovechar los beneficios del acceso a la nube.


Una historia de dos limitaciones


Dos limitaciones importantes para planificar una modernización de IIoT son si el equipo está instrumentado y diseñado para comunicarse externamente. "Una aplicación que consta de varios sistemas instrumentados conectados que utilizan controladores capaces de comunicarse con protocolos industriales será mucho más sencilla", señala Josh Eastburn, director de marketing técnico de Opto 22. "Básicamente, solo necesita algunas buenas puertas de enlace o un controlador de borde único para unir esas diferentes redes de automatización y luego canalizar esa información a donde quiera que vaya".


Sin embargo, agrega que establecer la conectividad ha sido más difícil para los equipos no instrumentados que no están diseñados para comunicarse externamente. La opción de bajo costo era agregar la instrumentación necesaria, enviar los datos a un registrador de datos y transferir manualmente los datos recopilados a una hoja de cálculo. Una opción más cara era invertir en un registrador continuo, RTU o PLC, que era caro para una sola pieza de equipo y no se adaptaba bien a varias máquinas. Una Raspberry Pi era más barata, pero solía no funcionar bien con señales de E / S industriales y, a menudo, era demasiado frágil para entornos industriales.


Por simplicidad y escalabilidad, Eastburn sugiere un enfoque orientado al borde, como el que se utiliza en un programa de mantenimiento predictivo desarrollado para una fresadora CNC por Enginuity Inc., una empresa de ingeniería en Halifax, Nueva Escocia. Debido a que las máquinas CNC generalmente no están diseñadas para recopilar o publicar toda la información necesaria para el seguimiento de la eficiencia general del equipo (OEE), los ingenieros de Enginuity agregaron sensores para medir la vibración, la temperatura y la corriente. Luego, conectaron las señales a un módulo de E / S groovRIO edge de Opto 22. Con el motor Node-Red IoT integrado del módulo, recopilaron los datos de la señal, crearon un tablero móvil en tiempo real y enviaron datos a OSIsoft PI (sistema de análisis ) utilizando llamadas REST.


Cuando el controlador existente está cerrado o la máquina tiene la edad suficiente para ser controlada a través de la lógica de relé, Thompson en Beckhoff Automation dice que un acoplador de IoT es otra opción para leer los datos del sensor y del motor directamente. En tales casos, considere la posibilidad de extraer el tiempo de actividad y otros datos de OEE. El acoplador de IoT EK9160 de Beckhoff puede escribir datos de sensores o entradas eléctricas en sistemas de nivel superior en la nube o en las instalaciones mediante OPC UA o MQTT.


IIoT en máquina


Aunque los dispositivos IIoT a menudo se agregan al nivel de E / S, otro lugar importante para la actualización es el nivel de la máquina, el mismo nivel que una HMI en la jerarquía de control, según Alexander Bergner, director de gestión de productos IIoT en TTTech Industrial Automation. Aquí es donde se ejecuta la plataforma informática de borde Nerve de TTTec. 


Los técnicos de Sugar Creek Brewing reciben datos del proceso de embotellado a través de sensores IIoT y una puerta de enlace Bosch Rexroth IIoT.Los técnicos de Sugar Creek Brewing reciben datos del proceso de embotellado a través de sensores IIoT y una puerta de enlace Bosch Rexroth IIoT.Foto cortesía de Bosch Rexroth Corp.Al operar justo encima del PLC, la plataforma puede utilizar mucha más potencia informática de la que normalmente está disponible en el nivel de E / S. Y al operar por debajo del nivel SCADA, los algoritmos todavía están lo suficientemente cerca de la operación en sí como para que los datos se reciban en tiempo real y no experimenten pérdida de granularidad. En consecuencia, Nerve puede respaldar el mantenimiento predictivo y otra analítica de borde. 


Debido a que la plataforma tiene una función de virtualización, puede ejecutar nuevas aplicaciones y servicios junto con la infraestructura existente. De hecho, esta capacidad captó la atención del personal de ingeniería de Fill Gesellschaft, un constructor de máquinas herramienta CNC con sede en Gurten, Austria. Nerve ahora aloja el software de fábrica inteligente Cybernetics de la empresa.


Al ejecutarse en dispositivos periféricos integrados en cada una de las máquinas de Fill, Nerve recopila datos de las máquinas y los envía a las aplicaciones Cybernetics sin ninguna pérdida de granularidad. Luego, Fill procesa los datos en su software en el borde antes de enviar la información a la nube.

Fill también está utilizando conjuntos de datos globales para verificar el desgaste de los componentes en toda su flota de máquinas y para ofrecer los resultados a su base de clientes como un servicio. El constructor espera que hasta el 12% de sus ingresos provengan de dichos servicios en unos pocos años.

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