Ciber conectividad IOT

1. DESCRIPCIÓN GLOBAL DEL ÁREA TECNOLÓGICA

La conexión de dispositivos, máquinas, sensores y procesos, no es algo nuevo en el mundo industrial. La industria moderna depende de multitud de dispositivos de campo y redes de comunicaciones que han permitido un elevado nivel de automatización, desde refinerías de petróleo hasta líneas de manufactura.

La posterior introducción de sistemas M2M (machine-to-machine) ha permitido la conexión directa entre máquinas para realizar operaciones de forma independiente a la interacción humana, en un paso hacia sistemas más autónomos. Históricamente, estas tecnologías de operaciones (TO) han funcionado en redes independientes, con protocolos robustos que proporcionaban una alta fiabilidad y seguridad que no se conseguía con la tecnología de consumo. Sin embargo, los nuevos requisitos emergentes para la factoría del futuro requieren romper con el carácter estricto y cerrado de las arquitecturas industriales clásicas, que suelen presentar fuertes limitaciones de integración, flexibilidad, velocidad y escalabilidad.

En un mundo donde Internet ha revolucionado la forma en la que interactuamos con la información y las personas, el Internet de las Cosas (IoT) se presenta como la solución para aprovechar esta red de redes en nuestros dispositivos y máquinas.

Y es que IoT trata de networking, y Internet es la mayor solución de integración de redes. IoT se presenta como una solución de conectividad universal y ubicua, un nuevo paradigma con diversos puntos de vista y actividades multidisciplinares. IoT introduce la presencia ubicua de los objetos en el entorno digital (Smart Objects), mediante conexiones cableadas e inalámbricas y esquemas de direccionamiento único que permiten la interacción con ellos, así como cooperar con otros objetos para crear nuevas aplicaciones y servicios.

Los dispositivos inteligentes se apoyan en las plataformas IoT para para disponer de conectividad y generar servicios y aplicaciones. Estas plataformas son las responsables de ofrecer todo lo necesario para el correcto funcionamiento del sistema completo, lo que implica clásicamente tres bloques de servicios:

1. Control de dispositivos finales, gestión de operaciones y de las comunicaciones, monitorización y gestión de dispositivos, seguridad y actualización de firmware.
2. Adquisición de datos, tratamiento, persistencia y gestión.
3. Componentes de apoyo al desarrollo de aplicaciones IoT, incluyendo procesado en base a eventos (CEP), analítica, conexión y adaptadores entre distintos sistemas y plataformas, visualización o programación de aplicaciones.

Las aplicaciones IoT se están desplazando gradualmente desde soluciones verticales con un único objetivo, a aplicaciones multipropósito y colaborativas que interactúan entre la industria, las organizaciones, los consumidores y los productos, lo que representa un pilar esencial para la nueva economía digital. Muchas de estas aplicaciones aún no se han identificado, pero IoT ofrece las herramientas para que las empresas de servicios y los propios usuarios se involucren y ofrezcan esta innovación.

La llegada de IoT al mundo de consumo ha supuesto un nuevo paradigma de gran conectividad con mínimas barreras, donde el bajo coste es una de las características más relevantes. Sin embargo, la industria presenta una situación completamente distinta donde la seguridad, la fiabilidad y la latencia siguen estando en el top de la lista, y donde detener los sistemas por fallos o tareas de mantenimiento no es una opción. Esto no es de extrañar puesto que estas características afectan directamente a la calidad y eficiencia de los procesos y productos, lo que repercute directamente en el beneficio final de la empresa. Además, un fallo puede desencadenar consecuencias severas que afecten a la seguridad de los operarios o los bienes de la empresa. Este alto nivel de requisitos técnicos y de negocio actúa como filtro de entrada para estas nuevas tecnologías: aquellas tecnologías IoT capaces de superar este filtro y ofrecer garantías de funcionamiento para entornos críticos de negocio pasan a denominarse Industrial-IoT (IIoT).

IIoT ofrece a las factorías una nueva dimensión de aplicaciones y servicios que giran en torno a la producción, mejorar la eficiencia y calidad de sus procesos productivos, ofreciendo mayor agilidad y flexibilidad, un enorme potencial de integración, un acceso ubicuo a los sistemas, un lenguaje estándar y más inteligente, y una conexión prácticamente natural con soluciones Cloud y Big Data Analytics. IIoT permite que otras instalaciones y empresas colaboradoras puedan acceder en tiempo real a información de producción y logística, creando redes de colaboración que permitan mejorar el rendimiento y reduzcan las paradas de servicio, que mejoren la gestión de stocks y materias primas, la relación con los sistemas de reparto y con el cliente final. Y sobre todo, si las personas no tienen que tomar datos, puesto que disponen de dispositivos y máquinas conectadas, pueden concentrar sus esfuerzos en analizar estos datos, tomar decisiones y mejorar soluciones, y esto es precisamente lo que nos está conduciendo a la siguiente revolución de la información.

2. EVOLUCIÓN

IoT se presenta como el paradigma más relevante en la comunicación de datos entre dispositivos de todo el mundo. Sin embargo, es todavía un paradigma muy joven e inmaduro en el ámbito industrial, la dinámica que rodea a las aplicaciones IoT emergentes son muy complejas y algunos problemas como el establecimiento y conectividad de red, la integración de sistemas, los servicios de valor añadido y otras funciones de gestión, aún tienen que resolverse para conseguir conectar dispositivos inteligentes en aplicaciones IoT complejas.

Aún existe un gap importante entre el nivel de satisfacción del usuario y su valoración sobre la importancia de características clave como la fiabilidad, el coste y la vida de las baterías (ver fig.01).

En las encuestas realizadas sobre qué elementos son los mayores inhibidores a la hora de decantarse por una solución de redes de sensores inalámbricos, se puede comprobar como cada vez la fiabilidad es un problema menor, puesto que los protocolos de comunicación son cada vez más robustos, pero la seguridad, la complejidad y la falta de estándares siguen suponiendo un problema (ver fig.02).

Fig. 01: Valoración y satisfacción de diversas características de WSN para industria.

Fig. 02: Inhibidores: qué echa atrás a los usuarios para la utilización de WSN en industria.

Hay que tener en cuenta que las soluciones IIoT no se implantarán, en general, por expertos en tecnologías de comunicaciones. Las soluciones IIoT deben ser capaces de formar redes de forma autónoma y automatizada, de forma que el instalador pueda dejar la planta con una red estable funcionando.

Durante su operativa, el sistema debe ser capaz de auto-repararse, evaluar conexiones débiles o canales con altas interferencias para re-planificarse, auto-diagnosticarse cuando se interrumpa el servicio o haya problemas con un nodo, etc., de forma que se eviten las visitas de los técnicos a la instalación y los tiempos de parada en planta.

Además, la fase de despliegue suele ser una tarea compleja que requiere planificaciones previas, estudios de cobertura, pruebas de conectividad, y que se complica cuando los nodos se instalan y desinstalan de forma continua, como en tareas de inspección o auditorías. La comunidad científica está volcada en este tipo de soluciones, denominadas “Plug&Play&Forget”, donde ya podemos encontrar algunas tecnologías muy prometedoras, pero sigue siendo un campo de trabajo abierto.

Durante los próximos 5 años, los avances en IIoT estarán enfocados en reducir costes de equipamiento, mejorar las comunicaciones y las soluciones malladas, fomentar la estandarización y la interoperabilidad de los datos, reducir la complejidad de instalación y mantenimiento, aumentar la seguridad, y encontrar mejores soluciones de energy harvesting. Lo que sí es cierto es que las tecnologías IIoT continuarán jugando un rol principal en la automatización industrial, y cada vez podremos ver más dispositivos cableados sustituidos por tecnologías inalámbricas. Además, si las telecos y los gobiernos juegan bien sus cartas, la tecnología 5G podría ser una revolución para el IIoT, y el detonante final que permita explotar todas sus capacidades como habilitador de la digitalización.

3. CASOS DE USO Y APLICACIONES

Un importante área de aplicación consiste en desplegar soluciones para escenarios smart, donde la conectividad y el networking son las tecnologías habilitadoras, y donde el paradigma IoT suministra las herramientas para maximizar la eficacia de estas soluciones. Esto incluye arquitecturas IoT, modelos de referencia y buenas prácticas, así como plataformas cloud para ingerir los datos y generar la lógica de negocio. Los esfuerzos de investigación se centran en analizar y evaluar estándares de comunicaciones y proponer soluciones para mejorar su funcionamiento en distintos escenarios.

Se está desarrollando una pila de comunicaciones muy robusta para entornos industriales, que permite la utilización de sensores inalámbricos con elevadas garantías de servicio y bajo consumo. Existen tecnologías que proporcionan una pila de comunicaciones robusta y una plataforma que asiste al usuario durante el despliegue, configuración y puesta en marcha de los sensores inalámbricos, y que incluyen una inteligencia distribuida para ayudar a auto-gestionar y mantener los nodos de la red, minimizando la necesidad de interacción humana. Esto es muy útil en aplicaciones de sector público e industrial, así como en auditorías, ya que permite que personal no especializado pueda desplegar nodos de medida, tomar datos, y recoger los nodos hasta la siguiente ubicación, ahorrando tiempo y costes.

Otra aplicación son los gemelos digital que son una potente herramienta de diagnóstico, mejora de procesos y simulación de nuevos escenarios productivos en la Industria 4.0. Es un elemento clave en la carrera para aumentar la productividad y la eficiencia en un mundo cada vez más competitivo. Este concepto consiste en un modelo matemático de alta precisión, que replica el comportamiento de un sistema real, y para ello se apoya en una conexión en tiempo real con el sistema físico, que lo realimenta permanentemente. Aquí el concepto de IoT juega un papel fundamental para la integración horizontal y vertical en planta.  Puesto que las factorías no van a convertirse de un día para otro en Industria 4.0, ambos paradigmas (3.0 y 4.0) deberán coexistir durante varias décadas, y es aquí donde este tipo de soluciones minimizan el posible impacto de este periodo transitorio.