Recibido: 14-06-2021 / Revisado: 23-06-202=
1 /
Aceptado: 12-07-2021 / Publicado: 05-08-2021
Automatización de procesos industriales mediante Indus= tria 4.0
DOI:
Automation of industrial processes through
Industry 4.0
Gustavo Barona López. [1] &=
amp;
Luis Efraín Velasteguí. [2]
Abstract
The paper aims to present the automa=
tion
of industrial processes through Industry 4.0, to establish hierarchical lev=
els
of automation from the automation pyramid. For this, a theory about Industry 4.0 was structur=
ed
in relation to the automation pyramid. Subsequently, the automation of
industrial processes about beverage packaging, flow measurement, wireless
network technology, total integration of levels and oil refining is present=
ed,
in each one its automation architecture is shown to perform the evaluation =
of
its reference levels to the automation pyramid concept. In the evaluation, =
the
field instruments, control and SCADA system were described, in relation to =
the
automation pyramid. Subsequently, the automation of industrial processes of
beverage packaging, flow measurement, wireless network technology, total
integration of levels and oil refining is presented, in each one its automa=
tion
architecture is shown to carry out the evaluation of its levels in referenc=
e to
the concept of the automation pyramid. In the evaluation, the field
instruments, control and SCADA system were described in relation to the
automation pyramid. Concluding that the Industrial Ethernet communication
network, due to its high capacity to transmit data between company levels, =
long
cabling, ease of communication between controllers and ideal for local area
networks (LAN), is used at Level 2, Level 3 and Level 4, while PROFIBUS,
PROFINET, HART, IO-Link and AS-Interface communication networks, for their
real-time data transfer between field instruments and controllers, work in
explosive environments, data traffic handling , data recovery on the networ=
k, etc.,
is used in Level 0 and Level 1 in the automation of industrial processes.
Keywords: Industrial
automation 4.0, Industry 4.0, automation of industrial processes, automation
pyramid, industrial communication networks.
Resumen
El
articulo tiene por objetivo presentar la automatización de procesos
industriales mediante Industria 4.0, para establecer los niveles jerárquico=
s de
automatización a partir de la pirámide de automatización. Para esto, se est=
ructuró
una teoría acerca de Industria 4.0 con relación a la pirámide de
automatización. Posteriormente se presenta la automatización de procesos industriales relacionados a
envasado de bebidas, medición de flujo, tecnología de red Wireless, integra=
ción
total de niveles y refinación de petróleo, en cada uno se muestra su
arquitectura de automatización para realizar la evaluación de sus niveles en
referencia al concepto de pirámide de automatización. En la evaluación se d=
escribieron
los instrumentos de campo, control y sistema SCADA, en relación a la pirámi=
de
de automatización. Se concluye que la red
de comunicación Ethernet industrial por su alta capacidad de transmitir dat=
os
entre los niveles de empresa, cableado de gran extensión, facilidad de
comunicación entre controladores e ideal para redes de área local (LAN), es
utilizada en el Nivel 2, Nivel 3 y Nivel 4, mientras que las redes de
comunicación PROFIBUS, PROFINET, HART, IO-Link y AS-Interface, por su
transferencia de datos en tiempo real entre instrumentos de campo y
controladores, trabajo en ambientes explosivos, manejo de tráfico de datos,
recuperación de datos en la red, entre otras, es utilizada en el Nivel 0 y
Nivel 1 en la automatización de procesos industriales.
Palabras claves: Automatización industrial 4.0, Industria 4.0, automatización de procesos industriales, pirámide de automatización, redes de comunicación industrial.=
La transformación de materias primas en productos manufacturados tiene un ritm= o acelerado debido al crecimiento y la demanda de la población mundial, lo que ha origi= nado una nueva revolución industrial denominada Industria 4.0 que tuvo su nacimi= ento en el ańo 2011 en el país de Alemania. Este nuevo modelo de industria requi= ere que la instrumentación, control, supervisión, fábrica y empresa, estén interconectados mediante una jerarquización de niveles que proporcionen procesos de automatización eficientes y de bajo costo de instalación, con el fin de satisfacer la demanda de productos para que las empresas puedan comp= etir en el sector industrial. Esta jerarquización se representa en la denominada pirámide de automatización que consta de cinco niveles de automatización en= la empresa.
El f= lujo de información entre los niveles de la pirámide de automatización se lo realiza mediante r= edes de comunicación industrial que utilizan un simple cable común para los dispositivos a ser conectados lo que permite tener una periferia descentralizada en cada nivel de la pirámide, lo cual representa una soluci= ón respecto al extenso cableado punto a punto que es de tipo centralizado y que aún en = la industria ecuatoriana se lo utiliza en la automatización de sus procesos industriales.
En la presente investigación se ha realizado para varios procesos industriales la evaluación de los cinco niveles jerárquicos de la pirámide de automatizació= n en un entorno de Industria 4.0. La evaluación muestra que el desarrollo de las redes de comunicación industrial son la tecnología que permite la integraci= ón de los instrumentos industriales de forma estructurada y jerárquica en los niveles de la pirámide.
A continuación, se presentan
conceptos de la Industria 4.0 con referencia a la pirámide de automatizació=
n,
la cual consta de cinco niveles jerárquicos, esto con el fin de desarrollar=
una
teoría que permita describir los niveles de la pirámide de automatización en
los casos de automatización de procesos industriales que serán presentados.=
Industria
4.0 es la cuarta revolución industrial que logra la interconexión de los
sistemas productivos industriales con la sociedad digital para satisfacer l=
as
demandas de consumo de las personas, a un nivel acelerado de extracción y
procesamiento de las materias primas de la tierra, utilizando tecnologías <=
span
style=3D'mso-spacerun:yes'> como big data, comunicación de la nube,
robótica avanzada, inteligencia artificial, blockchain, internet de las cos=
as, internet
del todo, computación cuántica y en la nube, impresión 3D, sistemas ciberfí=
sicos,
ciberseguridad, automatización industrial Wireless, redes industriales, red=
es
cognitivas, virtualización de redes, 6G,
comunicación molecular, comunicaciones verdes, realidad aumentada,
nanotecnología, TICs, entre otras, todo esto mediante estrategias innovador=
as,
creativas y eficientes que logren
minimizar el impacto ambiental en beneficio de la sostenibilidad eco=
nómica
y ambiental del planeta.
Toda empresa industrial bus=
ca la
eficiencia económica y productiva para ser sostenible en el mundo actual, lo
que ha originado que los procesos de manufactura evolucionen a la denominada
cuarta revolución industrial, llamada Industria 4.0. Esta Industria 4.0
requiere la conexión de la instrumentación industrial con las áreas de la
empresa mediante niveles jerárquicos que permiten su automatización, para e=
sto,
la Industria 4.0 ha establecido el concepto de pirámide de automatización <=
/span>(Witorg,
2019) (ARC Advisory Group, 2015).
En
la actualidad, la automatización de las compańías, empresas,
transnacionales, entre otras, para fabricar un producto manufacturado, se e=
stá
realizando bajo el sistema de arquitectura denominado Industria 4.0. En este
sistema el proceso de automatización industrial se basa en la
pirámide de automatización que generalmente consta de 5 niveles, o en otros
casos más debido a que la Industria 4.0 va evolucionando al ritmo de la ráp=
ida
transformación de materias primas en productos de ingeniería. Una de las di=
ferencias
de la tradicional automatización con la pirámide, es que, en esta última la
conexión de sensores, actuadores, controladores, SCADA y todo el nivel
corporativo, es mediante redes de comunicación industriales.
La p= irámide de automatización es una representación gráfica jerarquizada de los niveles= de automatización industrial que requiere la industria para su funcionamiento, acorde a las nuevas tecnologías de la comunicación en un entorno de Arquitectura Industrial 4.0. Esta tendencia que se viene dando ańos atrás garantiza la efectividad productiva, administrativa y económica de las compańías, empresas, transnacionales, entre otras.
Si b= ien es cierto que el concepto de pirámide de automatización tuvo sus comienzos en = el ańo de 1973, con la publicación del libro Computer Integrated Manufacturing= por parte de Joseph Harrington, no fue hasta el ańo de 1984 que las industrias = comenzaron a ver su potencial beneficio. El termino Computer Integrated Manufacturing (CIM), que en espańol significa Manufactura Integrada por Computador, es un concepto muy amplio puesto que reúne un gran número de tecnologías y concep= tos como la informática, redes industriales, diseńo asistido por computador, pi= rámide de automatización, entre otras. Esta pirámide de automatización también es = conocida como pirámide CIM y en la actualidad es incorporada a los conceptos de Industria 4.0 para mejorar la automatización de procesos industriales. (Sal= vendy, 2001) (Higuera y Castillo, 2007).
La p= irámide de automatización generalmente tiene 5 niveles estructurados estratégicamen= te para su intercomunicación en el proceso productivo. Esta pirámide sirve par= a la correcta estructuración del proceso de automatización en la planta industri= al, por tal motivo, para tener un conocimiento a nivel de gerencia se debe tener presente el objetivo de cada nivel (Barrientos= y Gambao, 2014) (García, 2001).
La F= igura 1 muestra la pirámide de automatización con sus respectivos niveles jerárquic= os. La jerarquización hace posible determinar la clase de instrumentos o herramientas tecnológicas que se usan en cada piso de la pirámide. El Nivel= 0 contiene sensores, actuadores y todo dispositivo de campo. En el Nivel 1 se encuentran controladores lógicos programables (PLC), sistemas de control distribuido (DCS), sistemas de control numérico, tarjetas basadas en microprocesadores o microcontroladores, computadores industriales, entre ot= ros. El Nivel 2 lo conforma el sistema de Supervisión, Control y Adquisición de Datos (SCADA). En el Nivel 3 está instalado el Sistemas de ejecución de fabricación (MES). En el Nivel 4 se tiene el sistema de Planificación de Recursos Empresariales ERP (Witorg, 2019) (Barrientos= y Gambao, 2014) (García, 2001).
Fi= gura 1. Pirámide de automatización (Lozano y Zamora, 2008)
Los = sistemas de producción evolucionan al ritmo de los nuevos problemas de sostenibilidad del mundo, con lo cual, la Industria 4.0 definió un nuevo concepto de arquitectura RAMI 4.0 (Reference Architectural Model Industry 4.0) y lo int= egró con los 5 niveles de la pirámide de automatización, haciendo que la misma t= enga 7 niveles, como se muestra en la Figura 2, de esta forma se logró adaptar producto-industria al mundo conectado (Tecnológico Monterrey, 2015). Este n= uevo concepto contiene:
Los cinco niveles de la
pirámide de la automatización, pero agrega dos niveles más: el Producto e=
n la
parte inferior de la pirámide, y el Mundo Conectado en la parte superior =
de
la pirámide como se muestra en la Figura 2. Integra y adopta todas las
definiciones y modelos de referencia de las normas IEC 62264 y IEC 61512.
(Tecnológico Monterrey, 2015, pág. 4)
Figura 2. Concepto RAMI ańadido a los 5 niveles de la pirámide de automatización (Tecnológico Monterrey, 2015)
Para estructurar los niveles de automatización en empresas se utilizada la pirám= ide de automatización que consta de 5 niveles jerárquicos que son detallados a continuación.
Es e= l nivel más bajo en la jerarquía de la pirámide de automatización, donde se encuent= ran sensores, actuadores y todo dispositivo de campo. El Nivel 0 se podría decir que son las piezas que conforman una máquina. Realizando una analogía con el cuerpo humano se puede decir que los sensores son los nervios y los actuado= res son los músculos. Los sensores y actuadores que interactúan directamente co= n el proceso productivo suelen recibir el nombre de dispositivos de campo (field devices) (Barrientos y Gambao, 2014) (García, 2001).
De f=
orma
general, los sensores son dispositivos que captan las seńales analógicas y/o
digitales del proceso industrial y envían esta información a un controlador
(cerebro electrónico). El controlador evalúa, compara y procesa la informac=
ión,
con el fin de emitir una seńal de salida que llegan a los actuadores, los
mismos que accionan los mecanismos de la maquinaria para cumplir el proceso
industrial (Barrientos y Gambao, 2014) (García,
2001).
En e= l Nivel 1 se controlan las máquinas que intervienen en el proceso de producción. El control de movimientos de las máquinas se lo realiza mediante un cerebro inteligente programable, el mismo que emite seńales que son ejecutadas por = los actuadores. El cerebro inteligente se lo denomina controlador y son del tipo controladores lógicos programables (PLC), controladores de automatización programable (PAC), sistemas de control distribuido (DCS), sistemas de contr= ol numérico, tarjetas basadas en microprocesador o microcontroladores, computadores industriales, entre otros (Barrientos= y Gambao, 2014) (García, 2001).
Este= nivel recibe información del Nivel 0 y envía órdenes para que los elementos industriales ejecuten sus funciones. También este nivel se comuni= ca con el nivel 2 que es el de supervisión del proceso industrial (Wito= rg,2019).
En e= l Nivel 2 se encuentra el sistema de Supervisión, Control y Adquisición de Datos (SCADA) que está integrado por hardware, software y red de comunicación. En este nivel se observa el proceso productivo en forma gráfica y animada, a través de la interfaz hombre maquina (HMI). Por medio de la HMI se permite la gestión y control de cualquier sistema local o remoto gracias a una interfaz gráfica = que comunica al usuario con el sistema (Witorg, 2019) (Pérez, 2015).
El h= ardware es la unidad terminal maestra (MTU) que puede ser una unidad central de pro= cesamiento (CPU) o un PLC maestro, su objetivo es la de supervisar y evaluar la información, además de, recibir y emitir seńales para su funcionamiento y control. Esta MTU recopila informa= ción del Nivel 0 como del Nivel 1 donde se encuentran subestaciones conocidas co= mo unidades terminales remotas (RTU) que son del tipo PLC (conexión esclavo o servidor), microprocesadores, tarjetas electrónicas, etc. (Pérez, 2015).
El s= oftware permite la interacción hombre-máquina, a través de su instalación en la MTU= que está conectada a un monitor, en el cual, se observan las variables físicas = del proceso productivo como presión, temperatura, caudal, entre otras. Esta interacción da como resultado que el jefe de producción pueda interpretar de forma numérica, gráfica y animada, la información que se tiene el Nivel 0, = con el fin poder ejecutar comandos hacia las unidades terminales remotas del Ni= vel 1, y estos a su vez controlar sensores, actuadores y otros dispositivos de cam= po, para el control de las máquinas (Witorg, 2019) (Pérez, 2015).
El N= ivel de fábrica es denominado nivel de planificación o nivel de sistemas de ejecución de fabricación (MES) y tiene que ver con las operaciones realizadas y monitorización de la planta industrial. En este sistema se realizan las tar= eas de programación de la producción, gestión de materiales, gestión de compras, análisis de costos de fabricación, control de inventarios, gestión de recur= sos de fabricación, gestión de calidad, gestión de mantenimiento, esto permite = a la gerencia ver lo que está sucediendo y tomar decisiones basadas en esa información (Witorg, 2019) (Barrientos y Gambao, 2= 014) (García, 2001)
El N= ivel de fábrica emite los programas hacia el nivel 2 y recibe de este las incidenci= as de la planta en minutos, horas, turnos o incluso días, por tal motivo su capacidad de almacenamiento es menos exigente. Este nivel suele utilizar un sistema de gestión informática por eso es conocido como MES (Witorg, 2019) = (García, 2001).
El N= ivel de empresa (nivel corporativo o nivel administrativo) es el nivel más alto de = la pirámide de automatización, por lo tanto, gestiona e integra todos los nive= les anteriores. Para su gestión utiliza un sistema de Planificación de Recursos Empresariales ERP (Enterprise Resource Planning). El Nivel 4 y el Nivel 3 en algunas organizaciones están englobados como un mismo sistema (Witorg, 2019= ) (Barrientos y Gambao, 2014).
En e=
l Nivel
de empresa se realizan las tareas de gestión comercial y marketing,
planificación estratégica, planificación financiera y administrativa, gesti=
ón
de recursos humanos, ingeniería de producto, ingeniería de proceso, gestión=
de
tecnología, gestión de sistemas de información, investigación y desarrollo =
(García,
2001).
Las
redes de comunicación industrial permiten la transferencia de datos entre l=
os
diferentes niveles de la pirámide de automatización las cuales pueden ser
divididas en redes de datos o información que están ligada a la parte super=
ior
de la pirámide y las redes de control o buses de campo (field bus) que están
ligadas a la parte inferior de la pirámide (Prado, 2010) (Caler, 2015). En =
la
Figura 3 se muestra el posicionamiento de las redes de comunicación industr=
ial
en la pirámide de automatización.
Fi=
gura 3. Posicionamiento de=
las
redes de comunicación industrial en la pirámide de automatización
Fuente: Elaboración propia
La transmis=
ión
de datos entre los niveles de la pirámide automatización se transfiere medi=
ante
redes de comunicación y su selección para ser instaladas en cada nivel va d=
e acuerdo
al tipo, volumen y velocidad de transferencia de datos; el ambiente de trab=
ajo,
interconectividad entre instrumentos industriales; conexión de dispositivos=
de
fabricación como robots, máquinas de control numérico; manejo de tráfico de
datos, entre otras. En la Figura 4 se muestra los algunos tipos de redes de
comunicación industrial que son utilizados para la conexión entre los nivel=
es
jerárquicos de la automatización.
Figura 4. Tipos de redes de
comunicación industrial (Caler, 2015)
Actualmente
el bus de campo está reemplazando a las conexiones punto a punto que son si=
stemas
de control aislados y centralizados con un funcionamiento de bucle de corri=
ente
de 4 a 20 mA, la tecnología de bus de campo es la red de comunicación más
sofisticada, ya que facilita el control distribuido entre dispositivos de c=
ampo
y controladores. (Salazar y Correa, 2011) (Universidad de Valencia, 2009). =
El
objetivo de los buses de campo es reemplazar los sistemas de control
centralizados que utilizan un extenso cableado convencional punto a punto p=
or
redes de control distribuido que están constituidos generalmente de fibra
óptica. Estos buses de campo que poseen control distribuido reducen costos =
y mejoran
la transmisión de datos ya que es digital (Prado, 2010) (Hurtado, 2015). En=
la
Figura 5 se muestra la diferencia entre el tradicional sistema de cableado
convencional versus la red de comunicación mediante bus de campo.
<=
/span>
Fi= gura 5. Sistema de cableado versus bus de campo (Hurtado, 2015)
Se presenta la automatizació=
n de
procesos industriales relacionados a envasado de bebidas, medición de flujo,
tecnología de red Wireless, integración total de niveles y refinación de
petróleo, en cada uno se muestra su arquitectura de automatización para eva=
luar
en referencia al concepto de pirámide de automatización sus niveles
jerárquicos. Como parte de un análisis se presentan resultados obtenidos.
La F= igura 6 es la arquitectura de automatización de un proceso de envasado y embotellad= o de bebidas, en donde se muestra el Nivel 0 y Nivel 1 de la pirámide de automat= ización. En toda la planta se utiliza la red de comunicación PROFINET, permitiendo u= na red troncal óptima y flexible que está conectada al Nivel 3 por medio de un= switch de gestión (managed switch), su alto ancho de banda permite soluciones de control de movimiento eficientes y flexibles, además, por las característic= as de esta red, se conectan motores, bombas y medidores de flujo de alta tecno= logía. En cambio, la red de comunicación PROFIBUS PA se acopla a la red PROFINET mediante un acoplador de segmentos SK3 Power Hub con tecnología Proxy. Medi= ante la red PROFIBUS PA se conectan sensores, transmisores de presión, nivel, temperatura y posición, en zonas con atmosferas explosivas. (Profibus, 2019= ).
Fi= gura 6. Arquitectura de automatización de un proceso de envasado y embotellado de bebidas (Profibus, 2019)
La F= igura 6 muestra el Nivel 2 que es el nivel de Supervisión, Control y Adquisición de Datos (SCADA) que consta de la estación de trabajo de ingeniería (Engineeri= ng Work Station), la estación de trabajo del operador (Operator Wor Station) y= la dirección de la configuración de dispositivos (Device Configuration Management), en los cuales están instalados los programas Step 7 Tia Portal, WonderWare y FieldCare respectivamente. En el monitor de cada estación se d= a la interfaz HMI que permite el control del proceso productivo (Profibus, 2019)= .
La F= igura 7 muestra la arquitectura de automatización de un proceso de medición dinámica de flu= jo, el cual puede ser utilizado para la medición del caudal de lácteos o bebida= s en la industria alimenticia, lodos y residuos en la industria minera, hidrocar= buros en la industria petrolera, entre otras. Las redes industriales que se ven e= n la Figura 7 delimitan el Nivel 0, Nivel 1 y Nivel 2 de la pirámide de automatización.
Fi= gura 7. Arquitectura de automatización de un proceso industrial para la medición dinámica de flujo (Siemens, 2016)
En e= l Nivel 0 se encuentran instrumentos de campo como un transmisor de presión SITRANS= P, válvula de control SIPART PS2 y medidor de flujo SITRANS FUS, que utilizan = una red de comunicación HART; válvula de control SIPART PS2, medidor de flujo S= ITRANS FM, medidor de nivel por radar SITRANS LR, transmisor de temperatura SITRANS TH400, transmisor de presión SITRANS P y un analizador de gases, que utiliz= an una red de comunicación PROFIBUS PA. Como parte del Nivel 0 se tiene un adaptador de campo Wireless SITRANS AW200 que se acopla a los aparatos de c= ampo y un transmisor de temperatura Wireless SITRANS TF280 para la entrada y sal= ida de datos vía inalámbrica, los mismos que utilizan una red de comunicación W= ireless HART.
En e= l Nivel 1 se encentra el PLC S7-400 que se conecta con el Nivel 0 mediante acoplado= res DP/PA Link, ET 200 M, ET 200iS y Multiplexor HART. En el Nivel 1 también se tienen controladores que son controlados por el PLC S7-400, estos son el controlador de procesos SIMOCODE para control de motores y SIPART DR para control de procesos. Como parte del Nivel 1 se tiene una pasarela IE/WSN-PA Link que conecta la red Wireless HART con la red Ethernet. La red de comunicación de datos PROFIBUS DP permite establecer la conectividad del Ni= vel 1 con el Nivel 0.
En e= l nivel 2 se encuentra el sistema de Supervisión, Control y Adquisición de Datos (SCADA), que está integrado por hardware, software y red de comunicación. El hardware es una estación de ingeniería SIMATIC PCS 7 y un ordenador monopue= sto, en los cuales se ha instalado el software SIMATIC PDM. La red de comunicaci= ón de datos Ethernet industrial permite al sistema SCADA establecer conectivid= ad directa con los controladores del Nivel 1 y conectividad indirecta con los instrumentos de campo del Nivel 0.
La F= igura 8 muestra la arquitectura de automatización de un proceso industrial con tecnología de red Wireless (inalámbrica). A pesar que, esta tecnología tien= e un suministro continuo de energía debido a la utilización de baterías internas= puede existir momentánea perdida de seńal e interferencias a causas de otras seńa= les, su implementación como complemento en procesos industriales ofrece ciertas ventajas en comparación a las redes de comunicación mediante cableado. A pa= rtir de la Figura 8 se puede establecer el Nivel 0, Nivel 1 y Nivel 2 de la pirá= mide de automatización.
Fi= gura 8. Arquitectura de automatización de un proceso con tecnología Wireless (Siemens, 2021)
En e= l Nivel 0 se encuentran los instrumentos de campo como la válvula de control y medi= dor de flujo que utilizan una red de comunicación PROFIBUS; transmisor de temperatura Wireless SITRANS TF280, transmisor de presión Wireless SITRANS TF280 y dos adaptadores de campo Wireless SITRANS AW200 que utilizan una re= d de comunicación WirelessHART.
En e= l Nivel 1 se encentra el controlador SIMATIC sistema que se conecta con el Nivel 0 mediante los acopladores SIMATIC ET 200 y Gateway. Las redes de comunicació= n de datos WirelessHART y PROFIBUS permiten la conexión del Nivel 1 con el Nivel= 0.
En e= l nivel 2 se encuentra el sistema de Supervisión, Control y Adquisición de Datos (SCADA), que está integrado por hardware, software y red de comunicación. El hardware está integrado por tres unidades de procesamiento que son la estac= ión de ingeniería (ES), la estación de operación (OS) y la estación de mantenimiento (MS), en los cuales es instalado generalmente el software SIM= ATIC PDM. La red de comunicación de datos Ethernet industrial permite al sistema SCADA establecer conectividad directa con los controladores del Nivel 1 y conectividad indirecta con los instrumentos de campo del Nivel 0.
La F= igura 9 muestra la arquitectura de automatización de un proceso industrial mediante= los cinco niveles jerárquicos de la pirámide de automatización, bajo un entorno= de Arquitectura Industrial 4.0, ya que se gestiona la instrumentación industrial, los siste= mas de ejecución para manufactura y la administración corporativa de la empresa= . En la Figura 9 se puede ver como los instrumentos de campo interactúan con los instrumentos de control, y estos su vez interactúan con las diversas unidad= es terminales maestras, y todo integrado con el sistema de ejecución de fabricación (MES) y con la Planificación de Recursos Empresariales (ERP), además se observa las redes de comunicación en los diferentes niveles de au= tomatización.
Fi= gura 9. Arquitectura de au= tomatización de un proceso industrial mediante los cinco niveles de la pirámide de autom= atización (Siemens, 2016)
En l= a Figura 9 se muestran todos los niveles de la pirámide de automatización, los mismos que se especificaron sus funciones en el ítem 2. A continuación se realizara una breve enumeración de los mismos.
El Nivel de campo corresp= onde al Nivel 0.
El Nivel de control es el= Nivel 1.
El Nivel de operaciones o= de supervisión (SCADA) pertenece al Nivel 2.
El Nivel de gestión llama= do nivel de fábrica o nivel de MES corresponde al nivel 3.
El Nivel ERP o denominado= Nivel de empresa pertenece al Nivel 4.
La F= igura 10 muestra la arquitectura de automatización de un proceso de refinación de petróleo mediante los 5 niveles jerárquicos de la pirámide de automatización bajo un entorno de Industria 4.0. En la Figura 10 se observa los 5 niveles = de la pirámide, cada uno con sus respectivos elementos, además, en los diferen= tes niveles se muestran las tecnologías que integran la Industria 4.0 como por ejemplo CyberVision (visión cibernética), Cisco ISE (Cisco motor de servici= os de identidad), Google Cloud (plataforma en la nube de google), Remote Access (acceso remoto), Wireless Sensor Network (red de sensores inalámbricos), Ap= ps (aplicación móvil); redes de comunicación Ethernet, ProfiNET, entre otras.
Figura 10. Arquitectura de automatización de un proceso de refinación de petróleo con tecnología de Industria 4.0 (CISCO, 2020)
En la evaluación de la arquitectura de automatización de los procesos industriale= s se describieron los instrumentos de campo, control y sistema SCADA, en relació= n a la pirámide de automatización.
La t= eoría de Industria 4.0 que fue estructurada en relación a la pirámide de automatizac= ión establece una relación con la arquitectura de automatización de los procesos industri= ales presentados.
La a= utomatización de los procesos industriales muestra que en la actualidad se está combinand= o la tecnología de buses de campo con la tecnología de redes Wireless para la ma= nufactura de productos.
A pa= rtir de la pirámide de automatización fueron descritos los niveles de automatizació= n de varios procesos industriales, los cuales realizan su función mediante la transferencia de datos por redes de comunicación industrial como PROFIBUS, PROFINET, Ethernet, HART, WirelessHART, redes que son utilizadas en la actualidad por la Industria 4.0.
ˇ
La red de comunicación Ethernet p=
or
su alta capacidad de transmitir datos entre los niveles de empresa, cablead=
o de
gran extensión, facilidad de comunicación entre controladores e ideal para
redes de área local (LAN), es utilizada en el Nivel 2, Nivel 3 y Nivel 4,
mientras que las redes de comunicación PROFIBUS, PROFINET, HART, IO-Link y
AS-Interface, por su transferencia de datos en tiempo real entre instrument=
os
de campo y controladores, trabajo en ambientes explosivos, manejo de tráfic=
o de
datos, recuperación de datos en la red, entre otras, es utilizada en el Niv=
el 0
y Nivel 1 en la automatización de procesos industriales.
ˇ
La industria 4.0 marca una gran
diferencia con los sistemas de automatización centralizados, ya que al util=
izar
tecnología de buses de campo y/o tecnología de redes Wireless, se crean
sistemas de automatización descentralizados.
ˇ
La automatización industrial medi=
ante
tecnología de red Wireless va a ser implementada en gran parte de los proce=
sos
de manufactura ya que es parte de los conceptos de fábrica flexible en la
industria 4.0.
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PARA
CITAR EL ARTÍCULO INDEXADO.
Barona López, G., & Luis Efraín Velasteguí. (2021).
Automatización de procesos industriales mediante Industria 4.0 .
AlfaPublicaciones, 3(3.1), 84101. https://doi.org/10.33262/ap.=
v3i3.1.80
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ad
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El artículo qu=
eda
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=
[1] Escuela
Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Mecánica. Quito, Ecuador,
barona_gustavo@hotmail.com
[2] Editorial Ciencia Digital. Amb=
ato,
Ecuador, luisefrainvelastegui@cienciadigital.org
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