Cuando comenzó la era de la automatización, los fabricantes querían utilizar la robótica en cada paso imaginable del proceso. Esto mejoró la productividad y la producción, pero los procesos de producción aún no arrojaban resultados consistentes. Mientras los ingenieros se preguntaban por qué la automatización no había logrado cero defectos, los gerentes de producción estaban ocupados administrando y planificando cronogramas, inventario, mantenimiento y costos de energía, generalmente con datos estadísticos codificados a mano en recursos informáticos.
La Internet industrial de las cosas (IIoT) ofreció soluciones al introducir la Industria 4.0 para optimizar las operaciones mediante información digital en red, procesamiento de información en red y control en red. Las "cosas" en IIoT suelen ser los sensores integrados en el equipo o agregados en varios puntos del flujo del proceso. Son uno de los cuatro pilares fundamentales que permiten el funcionamiento optimizado asociado con la Industria 4.0.
Beneficios del conocimiento obtenido a partir de los sensores
Implementados a escala, los sensores envían la información al poder de cálculo de las computadoras, de modo que se pueden usar nuevos conocimientos prácticos para mejorar muchas áreas de operación. Estos desempeñan una función clave en lo siguiente:
Aumento de la flexibilidad y la capacidad de respuesta: la información de los sensores genera el conocimiento inmediato necesario para optimizar el uso de los procesos Justo a tiempo, mientras garantiza que la fuerza laboral esté bien informada sobre los cambios y requerimientos en todos los puntos de operación.
Reducción del tiempo de inactividad de los equipos: los sensores pueden permitir que los equipos se autocontrolen para predecir los requisitos de mantenimiento y se autocalibren para reducir los costos de instalación, configuración y mantenimiento.
Aumento del rendimiento: los sensores pueden "examinar" los productos no solo al final de la operación de fabricación para colaborar con la garantía de calidad, sino durante todo el flujo del proceso para permitir el control de calidad. También pueden garantizar que solo se use la cantidad de material necesaria para varios procesos, lo que minimiza el desperdicio.
Demostración del cumplimiento: los datos de los sensores crean un rastro auditable que se puede usar para demostrar el cumplimiento de varias reglamentaciones relacionadas con las buenas prácticas de fabricación (GMP), así como con diferentes estándares.
Desarrollo de nuevos procesos y estructuras de costos: el análisis de datos históricos de sensores puede ayudar a comprender cómo se pueden optimizar aún más los procesos. También puede suministrar información sobre los costos a nivel de procesos y materiales, lo que permitiría desarrollar procesos más eficientes o ajustar los costos por unidad en otros lugares.
Tipos de sensores
Hay muchos tipos de sensores que permiten contar con los beneficios descritos anteriormente. Algunos de los sensores más comunes en la industria de fabricación incluyen los siguientes:
- • Los sensores de flujo miden la tasa de flujo de un fluido que se suministra a través de un conducto hacia una cámara de proceso, como una máquina de soldadura por reflujo.
- • Los sensores de fuerza o las celdas de carga miden la fuerza aplicada en uno o más ejes para aplicaciones tales como garantizar un agarre seguro por parte de los brazos robóticos y medir cuándo es necesario rellenar los contenedores de material.
- • Los sensores de humedad se utilizan cuando se necesitan niveles de humedad controlados; por ejemplo, en salas limpias o almacenamiento de inventario.
- • Los sensores de imágenes como parte de los sistemas de cámaras industriales se utilizan en aplicaciones de inspección, control de procesos, gestión de flujos de trabajo, sistemas guía de robots o seguimiento y localización.
- • Los sensores de nivel brindan mediciones en tiempo real de la cantidad de material en tanques, depósitos y contenedores.
- • Los sensores de posición, angulares o lineales, detectan la distancia recorrida y se utilizan en robótica y transportadores para ayudar en la colocación, inspección, empaquetado y clasificación de componentes.
- • Los sensores de proximidad miden la proximidad de objetos para su manipulación mediante robots o incluso, miden la proximidad de los trabajadores al equipo por razones de seguridad.
- • Los sensores de temperatura, incluidos los sensores IR, ayudan a detectar las temperaturas críticas del proceso y el estado de la máquina.
Sensores adicionales, como acelerómetros, contadores de partículas, medidores de corriente o medidores de potencia, sensores de vibración y micrófonos ultrasónicos pueden usarse para monitorear o predecir el estado del equipo. Por lo tanto, la fábrica inteligente está repleta de dispositivos que mejoran el conocimiento y generan datos, a menudo, en intervalos de milisegundos.
Inteligencia distribuida con sensores inteligentes
La generación constante de datos en las operaciones optimizadas impulsadas por sensores requiere que la información se diferencie y priorice para que los parámetros de control de procesos y las mediciones críticas de seguridad se analicen casi en tiempo real, mientras que el resto de la información se analiza en un período de tiempo más largo. Además, mover todos los datos a través de una red 5G o Ethernet industrial hacia el centro de datos, donde una sola estación de procesamiento puede arrojar de 10 a 30 puntos de datos cada unos milisegundos, a menudo, es inviable.
Los sensores inteligentes solucionan este problema incorporando recursos informáticos, algoritmos de aprendizaje automático (ML) e inteligencia artificial (IA). La información que requiere una acción inmediata se puede procesar rápidamente en el nodo del sensor y los datos que se benefician de un análisis más profundo en combinación con las condiciones ascendentes y descendentes se pueden manejar en el centro de datos o en una nube híbrida. Además, la IA integrada puede ofrecerles a los sensores datos sobre su propio rendimiento, lo que reduciría las instancias de datos corruptos y alertaría sobre daños antes de que ocurra una falla en el sensor.
Implementación de bucles de retroalimentación
La combinación de sensores avanzados y módulos de sensores con recursos informáticos integrados significa que los datos sin procesar se pueden transformar en decisiones y acciones inteligentes en tiempo real. Esto permite un control mucho mayor sobre los procesos al comparar los conocimientos adquiridos sobre la variación del proceso con las inconsistencias de fabricación mencionadas más arriba.
La retroalimentación del proceso descendente y la información ascendente del equipo para efectuar cambios oportunos en la fabricación puede mejorar de forma significativa el rendimiento (Figura 1).
Figura 1: Diagrama de bloques que representa el potencial de los bucles de retroalimentación automatizados entre la litografía ascendente y los procesos de grabado descendentes para reducir la variación en las dimensiones críticas (CD).
Los bucles de retroalimentación que se muestran en la Figura 1 se pueden adaptar a casi cualquier proceso de fabricación. Por ejemplo, al rellenar placas de circuito impreso (PCB), los fabricantes colocarían cámaras industriales en los sistemas de inspección óptica automatizados (AOI) antes y después del proceso de soldadura por reflujo. Antes del reflujo, el sistema de AOI detecta la colocación de la pasta de soldadura y los errores de posicionamiento del dispositivo, mientras que después del horno de reflujo, AOI valida que las correcciones hayan sido exitosas.
Dichos bucles de retroalimentación, cuando se automatizan, eliminan las incertidumbres producto de ligeras variaciones en las condiciones de fabricación, como la temperatura y la humedad, o en las condiciones del proceso debido a ligeros cambios en el material, los gases del proceso o la presión. El resultado no es solo la uniformidad en la producción, sino también la capacidad de mejorar la optimización del proceso y realizar mejores ajustes y más rápidos en las recetas de producción cambiantes.
De cara al futuro con la Calidad 4.0
Las verificaciones de calidad y el control de calidad (QC) siempre han sido parte de la fabricación, pero nunca antes la fabricación inteligente habilitada por IA y sensores hizo que las empresas esperaran cero defectos. Aunque haya sido un término de moda en la gestión de la calidad que se desvaneció en el tiempo y se introdujo a mediados de la década de 1960, el concepto está experimentando un rejuvenecimiento gracias a la Iniciativa Zero-Defect debido, en parte, al conocimiento digitalizado creado por los sensores inteligentes.
Y lo que es más, la Calidad 4.0 está llevando a cabo estos primeros intentos impulsados por tarjetas de puntuación para eliminar defectos al expandir los sistemas de bucle de retroalimentación más allá de la planta de fabricación inmediata al inventario y la administración del sitio, e incluso a los sitios de fabricación asociados, rastreando materiales y productos a lo largo de sus ciclos de vida del proceso.
"Cero defectos" es un objetivo aspiracional, pero parece cada vez más alcanzable gracias a la Calidad 4.0. Su marco está surgiendo sobre las bases de sensores inteligentes de la Industria 4.0.
Consulte hoy mismo con su representante de Arrow más cercano sobre cómo puede utilizar los sensores para optimizar sus operaciones.
