Automatización Industrial: Evolución, Ventajas, Tipos y Estructura Tecnológica.

¿Cuáles son los objetivos de la automatización industrial?

• Reducir los costos de producción, ya que se obtendrá un gran retorno de la inversión.
• Aumentar la rentabilidad de la inversión. Esto se debe a que solo requiere un costo inicial que se irá amortizando en el tiempo.
• Aumentar la tasa de producción y efectividad.
• Optimizar los tiempos de ciclo de producción
• Reducir el inventario en los procesos productivos
• Implementar de manera eficiente la energía en el proceso de producción
• Incrementar la seguridad para los trabajadores al librarlos de operaciones peligrosas para su integridad física y ergonomía.
• Eliminar tareas repetitivas y, por tanto, aumento de la motivación de los empleados en el trabajo.
• Innovar al incorporar nuevas tecnología para tareas "irrealizables manualmente"
• Mejorar la calidad del producto final al controlar, uniformar, y reducir el factor humano en el proceso.
• Mejorar la distribución y organización (“layout”) de los elementos involucrados en el desarrollo del producto final durante la fabricación.

Figura 3: Automatización industrial 4.0

¿Cuáles son las ventajas y desventajas de la automatización?

Ventajas de la automatización industrial

Incremento de la productividad y calidad del producto:

La automatización aumenta la velocidad y la precisión del proceso de producción, lo que genera mayor cantidad de productos fabricados, adicionalmente reduce la tasa de fracción de unidades defectuosas y la calidad del producto final, debido a que las operaciones son de mayor conformidad y uniformidad a las especificaciones de calidad.

Reducción de la mano de obra y costo de producción

La automatización ahorra y reduce los costes unitarios de producción a largo plazo al sustituir la mano de obra por maquinaria automatizada, adicionalmente los procesos automatizados funcionan 24-7, lo que aumenta la productividad y da excelente retorno de la inversión al ahorrar salarios, costes de mano de obra, y absentismo de los empleados.

Reducción de las tareas manuales de rutina

En muchas aplicaciones industriales, las variables de proceso como temperatura, nivel de líquido, presión, etc. deben ser monitorizadas periódicamente como una tarea rutinaria para mantener los niveles establecidos. De este modo, un sistema de automatización crea la condición de trabajo automático mediante el empleo de sistemas de control de bucle cerrado.

Reducción de actividades de alto riesgo y seguridad en el proceso

La automatización industrial permite que el trabajo se haga más seguro al transferir al trabajador de un lugar de participación activa en el proceso a la función de supervisión evitando los accidentes y lesiones. Las máquinas automatizadas son capaces de trabajar en entornos peligrosos (condiciones químicas y de alta temperatura) y otros entornos extremos.

Desventajas de la automatización industrial

Pérdida de empleos y mano de obra más calificada

Dado que la mayor parte del trabajo se realiza con máquinas, la necesidad de mano de obra es muy inferior, adicionalmente debido a que se utilizan tecnologías y maquinarias modernas, requerirá mano de obra calificada para las operaciones y mantenimiento.

Menos flexibilidad en las líneas de producción

Al tener una máquina que puede realizar una determinada tarea, se limita la flexibilidad y variedad de tareas que un empleado puede realizar.

Todas las tareas deseadas no pueden automatizarse con la tecnología actual. Por ejemplo, es mejor dejar los productos con formas y tamaños irregulares para el montaje manual. (Esta tendencia parece estar cambiando con computadoras y algoritmos avanzados).

La automatización no se puede aplicar en todos los casos sino en ciertos procesos, es decir, producción de alto volumen, productos repetibles y consistentes.

Inversión inicial elevada

El coste inicial de implantación de un sistema de automatización es muy elevado. Los costes de investigación y desarrollo de la automatización de un proceso, los mantenimiento preventivo y los de capacitación de los empleados para operar máquinas automatizadas, es un añadido adicional que se ha de tener en cuenta y sumar al coste inicial. Así como, para el mantenimiento y el servicio de los mismos.

Dependencia y Obsolescencia tecnológica

Cuando se implementan sistemas de automatización industrial en las líneas de producción, dependiendo del diseño y la tecnología utilizada, hay casos donde puede ocurrir que el sistema dependa exclusivamente de un tipo de hardware o software (Marca de fabricante) del momento, por lo que cambiarlo o realizar mantenimientos pudiera llevar a costos iguales o superiores al inicialmente.

Adicionalmente si el sistema fue diseñado con poca versatilidad al cambio o interacción con otras tecnologías, con el tiempo la tecnología implementada quedará obsoleta debido a que continuamente se hacen avances tecnológicos, llevando a que el sistema automatizado se estanque y con el tiempo se tenga que volver a realizar una inversión inicial elevada.

Tipos de automatización industrial y sus aplicaciones

Automatización fija

Este tipo de automatización industrial los sistemas están diseñados para que las operaciones se realicen con una configuración y secuencia fija, enfocada a la fabricación de piezas idénticas en grandes volúmenes durante un largo periodo de tiempo sostenible, ya que este tipo de automatización de procesos impide reajustar la producción para crear productos diferenciados o personalizados.

Ejemplos: Industria cervecera, Industria Automotriz, transportadoras, talleres de pintura entre otras.

Figura 4: Automatización industrial fija

Automatización programable

Este tipo de automatización permite la fabricación de piezas con modelos adaptables personalizados en función de las necesidades requeridas en cada proceso, su producción es de volúmenes por lotes específicos de productos y es uno de los tipos de automatización más rentables a largo plazo debida a la variabilidad del ciclo de vida del producto.

Ejemplo: Industria Alimentaria, máquinas y herramientas de control numérico, fábricas de papel, laminadores de acero, robots industriales, etc.

Figura 5: Automatización industrial programable

Automatización flexible

Este tipo de automatización se puede considerar como la fusión de los elementos de la automatización fija y la programable, o más específicamente una mejora considerable de la automatización programable, ya que permite realizar cambios en la configuración de los equipos de forma automática y mucho más rápida, logrando que la producción obtenga volúmenes de mediana intensidad.

Adicionalmente este tipo de automatización suele estar constituidas por diferentes estaciones de trabajos interconectadas entre sí, lo que permite a los fabricantes producir múltiples productos a través de un proceso combinado en lugar de separados.

Ejemplo: Industria metalmecánica.

Figura 6: Automatización flexible

Automatización integrada

En este tipo de sistemas de automatización el conjunto de máquinas, procesos y datos trabajan de forma sincrónica bajo el ordenamiento de un único sistema de control de proceso de producción como son los sistemas: CAD (Computer Aided Design), CAM (Computer Aided Manufacturing) o CNC (Computer numerical control), todo el proceso de fabricación y envío se maneja con robots.

Figura 7: Automatización industrial integrada

Pirámide de la automatización: ¿cómo se estructuran las tecnologías de la automatización industrial

Las tecnologías utilizadas y las formas como estas se integran e interactúan entre sí para ejecutar un proceso productivo de fabricación, se puede representar jerárquicamente en lo que se conoce como la pirámide de la automatización (Estándar ANSI/ISA-95), la cual consta de 5 niveles, donde cada escalón representa una tecnología y una acción lógica en el proceso.

En los niveles que van del 0 al 2 son todas aquellas tecnologías involucradas en la operación de un proceso, y los niveles que van del 3 al 4 son todas aquellas tecnologías de información donde se integran los sistemas de gestión de la producción y la administración de los recursos empresariales (cadena de valor) .

Figura 8: Pirámide de la automatización industrial

Tecnologías de operación

Nivel 0: Red de campo

En este nivel se encuentran los dispositivos físicos principales presentes en el proceso de fabricación, como son:

• Instrumentos de medición:

  Son los dispositivos que generan una señal eléctrica a partir de la medición de una variable física temperatura, presión, posición, nivel, velocidad etc.. En resumen, cualquier cosa que proporcione entrada midiendo variables en la planta de producción.


Figura 9: Instrumentos de medición industrial

• Actuadores

  Son dispositivos mecánicos,hidráulicos,neumáticos o eléctricos que modifican el estado físico de un sistema ( Esta acción física puede ser un movimiento lineal o un movimiento circular según sea el caso), manteniendo variables como flujo, calor,presión etc, dentro de los parámetros permitidos de un proceso. Ejemplo: válvulas, motores, interruptores, cilindros,bombas,servomotores entre otros.


Figura 10: Actuadores y mecanismos

• Protocolos de comunicación:

  Son los que permiten que el nivel de red de campo se comunique con el siguiente nivel red de control (Nivel 1). Las velocidades de transmisión de los datos y respuesta suelen ser muy rápidos entre m/s y u/s ya que se requieren tomar mediciones y acciones a las variables en tiempo real. Los protocolos más comunes utilizados en esta capa son Modbus y HART.



Figura 11: Principales protocolos de comunicación

Nivel 1: Red de control

En este nivel se encuentran los controladores (cerebro del proceso), los cuales analizan, procesan y controlan mediante entradas y salidas digitales o analógicas, diversos tipos de máquinas o procesos del “Nivel 0” (sensores, actuadores y mecanismos).

Los controladores monitorean las variables del proceso y si estas no coinciden con los puntos de ajuste, el controlador envía salidas a los elementos finales de control para cambiar los valores del proceso hasta que vuelvan a cumplir con los valores esperados. En este nivel están los distintos dispositivos de control y monitoreo, tales como PLCs, PACs, DCS, PIDs HMI, variadores de frecuencia, servo drive entre otros.

Figura 12: Controladores industriales

En este nivel se transmite información tanto hacia el nivel 0 como al nivel 2, donde la velocidad suele estar entre unos m/s o segundos dependiendo de la necesidad y ejecución del proceso.

Nivel 2: Red de Supervisión

En este nivel se encuentran los sistemas de control de supervisión y adquisición de datos conocido como los SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) así como las interfaces hombre-máquina HMI (human-machine interface).

La función de estos sistemas es la adquisición y almacenamiento de datos entregados por los controladores del Nivel 1 y realizar una representación gráfica y animada de las variables de proceso y la monitorización de estas por medio de alarmas.

Figura 13: Interfaz industrial SCADA

Los SCADA y las HMI facilitan la interacción y supervisión del proceso en tiempo real o histórico hacia los usuarios. Los SCADA se encuentran instalados en cuartos de control centralizados donde llegan todas las señales de los controladores, mientras que las HMI se encuentran en áreas locales de una parte del proceso.

Figura 14: Cuarto de control SCADA

Figura 15: Estación local conl HMI

Adicionalmente estos sistemas presentan una arquitectura abierta y flexible con capacidad de ampliación y adaptación para comunicarse con diferentes marcas y tipos de controladores (comúnmente utilizan un servidor de comunicaciones OPC -Ole for Process Control-).

Actualmente los SCADA permiten capacidades de almacenamiento a través de bases de datos SQL o NoSQL y también pueden venir integrados con aplicaciones de gestión tipo MES (Representados en el nivel 3 de la pirámide de automatización).

Tecnologías de Información

Nivel 3: Red de Operación

En este nivel de la automatización industrial se encuentran los sistemas para la ejecución de la manufactura MES (Manufacturing Execution Systems) los cuales brindan información en tiempo real de la situación de producción de la planta, lo que permite la optimización de las actividades de producción desde el lanzamiento del pedido hasta los productos terminados, así apoyar la gestión de la cadena de suministro y las actividades de ventas.

Figura 16: Sistema de ejecución de manufactura MES

Funciones de los MES

• Planificar y programar la producción y ajustarla cuando sea necesario.
• Asignar los recursos tanto humanos como materiales a cada etapa de la producción.
• Proporciona a los empleados planes detallados sobre las tareas que deben realizar durante el ciclo de producción.
• Proporcionar representaciones visuales del taller y ubicaciones físicas de las estaciones de trabajo y los equipos.
• Permitir a los gerentes o jefes de planta monitorear los movimientos de materiales y personal en el área de producción en tiempo real.
• Capturar datos de los sistemas SCADA y analizarlos para realizar un seguimiento del rendimiento de los equipos.
• Identificar problemas potenciales de producción y a tomar medidas cuando sea necesario.
• Emitir informes, cuadros de mando y capacidades analíticas para realizar un seguimiento de la producción, la utilización de recursos o el rendimiento de los equipos.

Nivel 4: Red de información

En este nivel de la automatización se encuentran los sistemas para la administración de recursos empresariales ERP (Enterprise Resource Management). Estos son módulos de software relacionados con la recolección, almacenamiento y disposición centralizada de la información para la toma de decisiones del negocio en tiempo real.

Los ERP gestionan de forma global la producción dentro de una empresa, además de otros aspectos como la distribución, logística, inventario, facturación, RRHH. etc.

Figura 17: Sistema ERP

Conclusiones, soluciones, Advance

Comentarios del autor

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Enlaces de interés

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• https://www.advancemtr.com/