INDUSTRIA 4.0 y los Profesionales de la Ingeniería

Madrid, diciembre 2016

Miguel Obradors Melcior

Comité de Ingeniería y Sociedad de la Información

En el último año cuando se debate sobre la situación y futuro de la industria el tema que siempre se lleva la mayor parte de la discusión es en qué modo la digitalización transforma o transformará los procesos industriales, las relaciones con proveedores y clientes o cómo el producto final evolucionará o se convertirá en un servicio.

Esta transformación es una constante en el desarrollo histórico de cualquier empresa industrial sometida al entorno competitivo con un mayor ámbito global, pero ahora la aceleración del cambio que se anuncia, es fruto de la convergencia de la Tecnología de la Operación (Operation Technology – OT) y la Tecnología de la Información (Information Technology- IT) en el entorno industrial.

Estos cambios vienen siendo expuestos por lo que en Europa, liderado por Alemania, se ha definido como Industrie 4.0 (Feria de Hannover 2011), y se les asocia la entrada en la cuarta revolución industrial, después de las que provocó la introducción de la máquina de vapor, seguida por la producida por la aplicación de la energía eléctrica y la producción masiva y, posteriormente, la introducción del microprocesador, la electrónica y la informática. Ahora esta cuarta revolución viene impulsada por los sistemas ciber-físicos – maridaje entre el mundo físico y el digital a través de los sistemas computacionales y de las redes de comunicación.

Se representan en el siguiente esquema

La robótica fue pionera en el entorno ciber-físico en la tercera revolución industrial y ahora los sistemas de robots al estar conectados entre ellos permitirán la colaboración en esta cuarta revolución.

Hay líderes de opinión, Jeremy Rifkin entre ellos, que sostienen que no estamos entrando en la cuarta revolución industrial, sino en la tercera pues aún las energías renovables no son dominantes.

También es verdad que en el mundo industrial el término revolución es objeto de debate, pues las denominadas revoluciones industriales se producen de forma incremental, aprovechando el conocimiento científico y la tecnología de etapas anteriores, y además no todos los procesos industriales están presionados a pasar a la nueva etapa, pues pueden estar totalmente automatizados con gran productividad y sin necesidad de mayor flexibilidad.

Se ha explicitado que la base de la cuarta revolución – industria conectada – son los sistemas ciber-físicos (Cyber-physical Systems – CPS) y con el llamado Internet de las Cosas (Internet of Things – IoT).

Los CPS integran los proceso de fabricación y el comportamiento de los materiales con la dimensión digital (cíber) mediante la incorporación de “embedded systems “(electrónica empotrada) y el intercambio de datos mediante las comunicaciones. La relación entre estos dos mundos se produce en tres ámbitos: el problema del identificador único, la simulación y la automatización.

En cuanto a la identificación, los estándares tradicionales como el ISO-29002 se han visto complementados con estándares abiertos provenientes del mundo del Internet gestionados por el IETF (Internet Engineering Task Force) tal como el caso de las URI (Uniform Resource Indentifier).

La relación entre el mundo físico y el ciber-físico es un dúo automatización / simulación. La automatización la definimos como el control de los objetos físicos a través de objetos de Software, y la simulación es el traslado de objetos reales al mundo virtual, donde se puede experimentar con ellos alterando las reglas de funcionamiento sin ningún riesgo físico. Estas definiciones que van en sentido contrario hacen que ellas formen un círculo virtuoso que se retroalimenta. Finalmente, la emulación va más allá que la simulación, ya que añade los elementos necesarios para poder sustituir físicamente el elemento emulado. Se podría decir que la emulación es una simulación ciber-física.

Posicionamientos institucionales

Europa

Si bien el término Industrie 4.0 se comenzó a utilizar en Alemania en el año 2011 en relación con la cuarta revolución industrial, fue en abril del 2013, durante la Feria de Hannover, cuando los representantes de la Acatech (Academia Ciencias Alemania ) y de la empresa Bosch presentaron el documento fundacional de la iniciativa gubernamental llamado “ Recommendations for implementing the strtegic initiative INDUSTRIE 4.0 “, en el que colaboró el DFKI (Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz – Centro de investigación alemán para la Inteligencia Artificial ) y también se presentó la “Platform Industrie 4.0 “. Posteriormente, en Hannover 2016, se ha presentado el “Standarization Council i4.0 “(https://sci40.com), que es un organismo que tiene como finalidad el impulso de estándares a nivel internacional.

En 2015 se presentó en Francia la alianza “ Industrie du Futur” formada por instituciones académicas, centros de investigación y asociaciones empresariales, entre las que se encuentra la empresa Gimélec – de equipos eléctricos y de control – que anteriormente ya había publicado un documento titulado “ Industrie 4.0. L´usine conectée “. Dicha alianza ha establecido un preacuerdo con la i4.0 para utilizar su arquitectura de referencia llamada RAMI 4.0, que está descrita en el documento “Status Report: Reference Architecture Model Industrie 4.0 – RAMI 4.0 “y parte del mundo de las operaciones industriales (Operation – Technology – OT).

En España, en julio del 2015 se presentó el documento “Industria conectada 4.0 La transformación digital de la industria española”, que adopta los conceptos teóricos planteados en el documento alemán.

Estados Unidos

En EEUU se ha seguido un proceso diferente, pues en el año 2014 las empresas General Electric (GE), IBM, Intel, Cisco y ATT, junto con una organización sin ánimo de lucro llamada OMG (Object Mangement Group), dedicada a la estandarización en el campo del software, fundaron el “Industrial Internet Consortium – IIC”. Se basaron en el documento titulado “Industrial Internet: Pushing de Boundaries of Minds and Machines “desarrollado por GE en el 2012. El documento contempla tres oleadas: la primera corresponde al mundo físico y la denominan “Revolución Industrial “que se produce durante la que se ha denominado segunda revolución industrial del modelo i4.0. La segunda corresponde al mundo digital, y la denominan “Revolución de Internet “que se desarrolla al final de la tercera revolución del modelo i4.0. La tercera oleada, resultado de la combinación de las dos anteriores y que corresponde al mundo ciber-físico, la denominan Industrial Internet y se produce durante la cuarta revolución del modelo i4.0.

La arquitectura propuesta IIRA (Industrial Internet Reference Architecture) se describe en el documento que se publicó en el año 2015 y tiene como origen el mundo de la Tecnología de la información (IT), a diferencia del modelo alemán surgido del sector industrial.

Asia

En el año 2015 en Japón se presentaron dos iniciativas relacionadas con la Industria 4.0: la IVI (Industrial Value Chain Initiative – www.iv-i.org ) y la Robot Revolution Initiative. La primera está liderada por empresas como Mitsubishi, Fujitsu, Nissan o Panasonic al estilo del IIC americano, pero está limitada al ámbito puramente japonés, adoptando los fundamentos teóricos de la Industrie 4.0 y haciendo énfasis en al industria conectada. La segunda iniciativa es de carácter gubernamental y está orientada a respaldar la competitividad de la robótica japonesa.

También en el 2015 se presentó la iniciativa china MIC2025 (Made in China 2025) que igualmente se basa en el modelo de la Industrie 4.0.

Arquitecturas RAMI 4.0 e IIRA

Como hemos descrito hoy día hay dos arquitecturas de referencia para la Industria 4.0, y cada una de ellas está respaldada por sus respectivas organizaciones.

La organización i4.0 Platform, originada en el ámbito alemán, propone la arquitectura RAMI 4.0. En el pasado mes de abril en la Feria de Hannover se presentó la norma DIN 91345 que convierte a RAMI en estándar, y recientemente se ha anunciado su extensión a la norma internacional IEC / PAS 63088.

Uno de los conceptos fundamentales de RAMI 4.0 es el i4.0 Component. En él se dispone de una capa de software que envuelve a los objetos físicos, desde una válvula hasta cualquier máquina o conjunto de ellas, que se denomina Administration Shell, mediante la cual el componente expone públicamente los servicios ofrecidos, por ejemplo, vía servicios web. Los i4.0 Components pueden trabajar en modo real o en modo simulado (virtualizado). Con ellos se formalizan los sistemas ciber-físicos.

Un “i4.0 Component“consta de dos elementos:un objeto físico (o más de uno) y un Administration Shell

Los objetos físicos, mediante sensores y actuadores conectados /integrados con Embedded Systems, disponen de una representación digital de ellos mismos, por lo que toda interacción con los objetos físicos de un i4.0 Component se hace a través de la Administration Shell.

La parte de software que se denomina Administration Shell, internamente está formada por dos elementos: el Resource Manager y el Manifest. El Resource Manager se define como el conjunto de recursos necesarios que permitan: Ejecutar programas y Comunicarse con otros componentes. El Manifest es un enlace a la descripción de la información del componente tanto de la parte física como de la digital (metadatos). La descripción puede ir desde una documentación técnica hasta un modelo, o conjunto de modelos, digitales que permitan su simulación, es decir, su virtualización.

Un i4.0 Component puede ser una válvula, un robot, una máquina o una planta industrial entera. Los i4.0 Components se comunican entre sí utilizando las tecnologías de las telecomunicaciones haciendo servir protocolos de bajo o alto nivel, sean del campo industrial o del Internet como el TCP/IP. Los estándares sin hilos robustos como WirelessHART o TSCH tendrán un fuerte protagonismo en la evolución del IoT industrial.

Con esta arquitectura RAMI 4.0 se obtiene gran flexibilidad en base a la modularidad. Si los componentes operan en modo real, la flexibilidad permite activar unos y desactivar otros. Si todos los componentes actúan en modo simulado estamos en un caso de Virtual Factory, muy apropiado para las tareas de formación. Finalmente si sólo una parte de los componentes operan en modo real se permite hacer pruebas de simulaciones totales o parciales antes de pasar al modo real.

La IIRA (Industrial Internet Architecture) es la arquitectura de referencia del Industrial Internet Consortium (IIC) y tiene como origen el mundo de las TIC.

Se define una arquitectura por dominios funcionales con capas, estando en la parte superior la capa de Negocio, la cual descansa en tres pilares: las Operaciones, la Información y las Aplicaciones. La capa de la Información se orienta al Análisis de los Datos (Data Analytics) y al Big Data, uno de los campos con más potencial y vinculado al campo de la Inteligencia Artificial. En la capa de las Aplicaciones se encuentran los elementos que pueden llevar a las organizaciones a un proceso de “servitización “gracias a las TIC.

En la parte inferior está la capa de Control que interactúa con el mundo físico utilizando sensores y actuadores, terminología que también se utiliza en el campo de las Smart Cities. La capa de las Operaciones y de Control es la responsable de las acciones con el mundo físico, asumiendo la parte de la seguridad funcional del sistema, que incluye a la seguridad física de las personas y de los activos.

Armonización de RAMI e IIRA

A finales del 2015 se ha iniciado un proceso de aproximación entre los comités de ambas arquitecturas, el cual se ha evidenciado de forma pública en la pasada Feria de Hannover 2016 con una presentación conjunta de la canciller Angela Merkel y el presidente Barak Obama, comunicando la voluntad de armonizar los estándares.

RAMI 4.0, también ha definido un esquema de capas, que ha sido “mapeado” con las correspondientes a las del IIRA.

La organización ZVEI (asociación alemana de empresas de electrotecnia/electrónica) estima que el despliegue de la Industria 4.0 se producirá en tres etapas: una primera llamada Basic, donde se desarrollan “testbeds” de demostración; una segunda denominada Ready, donde se dispondrá de una masa inicial de mercado (proveedores y clientes), y una tercera denominada Full, que se estima alcanzar en el año 2020.

OPC-UA (Open Platform Communications Unified Architecture) se perfila como el estándar con más proyección pera soportar la implantación de la Administration Shell (o Management Shells). Su diseño está orientado a objetos y propone una extensión del UML (IEC 19505) como lenguaje de modelaje. Otra de sus características es que incorpora el protocolo de seguridad por diseño, permitiendo conexiones seguras entre equipos no seguros.

La armonización de las dos arquitecturas ya hemos comentado que se debatió en la Feria de Hannover 2016 donde la i4.0 Platform era el anfitrión, y el debate ha continuado en el mes pasado durante la celebración del IoT Solutions World Congress en Barcelona, donde el Industrial Internet Consortium ejerció de anfitrión.

Como avance de un tema que comentaré después (Comisión Industria 4.0 promovida por los Ingenieros de Cataluña), dicha Comisión ha propuesto un modelo que integra orgánicamente las dos arquitecturas RAMI e IIRA, que se basa en la definición de un álgebra recursiva. Se trata de una estructura de composición, donde el IT incluye el OT y el OT incluye la IT. La transversalidad es uno de los valores que deben preservar la propuesta de integración. En el contexto ciber-físico cada una de las áreas definidas requiere la participación de todas las ramas de la ingeniería.

Comisión Industria 4.0 – Ingenieros de Cataluña

En el párrafo anterior ya hemos citado a dicha comisión (Comisión Industria 4.0) que se ha iniciado y liderado desde el Colegio/Asociación Ingenieros Industriales de Cataluña en el segundo trimestre de éste año, en la cual se han integrado el Colegio de Ingenieros en Informática y la Asociación Ingenieros de Telecomunicaciones de Cataluña, lo cual favorece la colaboración entre los conocimientos multidisciplinares que aportan los profesionales involucrados.

Como se ha expuesto a lo largo del artículo, la complejidad del tema a desarrollar, los diferentes enfoques y situaciones del mercado, los liderazgos públicos y empresariales privados, los puntos de vista de la Academia y otros actores, nos han movido a las asociaciones profesionales de la ingeniería a participar en el debate para la difusión profesional y el networking con la industria local para la construcción de un discurso formal sobre Industrie 4.0.

Dicha Comisión se estructura en Grupos de Trabajo que tienen como punto de partida las mismas áreas de futuro identificadas por el Instituto de Investigación alemán (Fraunhofer Institute):

. GT Robótica

. GT Embedded Systems & IoT

. GT Impresión 3D y Manufactura avanzada

. GT Intralogística

. GT Software e Integración.

La evolución de los Grupos de Trabajo es un proceso dinámico, abierto a nuevos ámbitos como a Realidad Aumentada u otros campos emergentes. Por lo que se refiere a los participantes, además de los profesionales de las asociaciones de ingeniería mencionadas, se espera la colaboración de otros grupos de interés tanto internos como externos a dichas asociaciones.

La Comisión Industria 4.0 ha elaborado un documento de trabajo titulado “STATUS REPORT INDUSTRIA 4.0 “, que tiene voluntad de continuar desarrollando, a medida de las conclusiones que extraigan los diferentes Grupos de Trabajo.