Departamento de Control Automático
Título: Sistema supervisorio basado en IoT para los telares de la empresa SAREX “Luis A. Turcios Lima”
Autor: Laura Tirado Saura
Tutores: Dr. Iván Santana Ching
Ing. Ariel Barreiros Albo
Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas
Facultad de Ingeniería Eléctrica
Departamento de Control Automático
TRABAJO DE DIPLOMA
Sistema supervisorio basado en IoT para los telares de la empresa SAREX “Luis A. Turcios Lima”
Autor: Laura Tirado Saura
[email protected]Tutores: Dr. Iván Santana Ching Ing. Ariel Barreiros Albo
[email protected] [email protected]
https://orcid.org/0000-0001-5089-520X http://orcid.org/0000-0002-6238-069X
Santa Clara 2021
"Año 63 de la Revolución"
Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios.
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PENSAMIENTO
Mientras la ciencia a descubrir no alcance las fuentes de la vida, Y en el mar o en el cielo haya un abismo
que al cálculo resista;
mientras la humanidad siempre avanzando, no sepa a dó camina;
mientras haya un misterio para el hombre,
¡habrá poesía!
Gustavo Adolfo Bécquer
DEDICATORIA
. Le dedico esta tesis a mi familia. En especial, a mis abuelos Lissy y Saura, por aconsejarme siempre y por apoyarme cuando los necesito. A mis padres, por estar siempre pendientes de mí. A mi esposo, por demostrarme su amor cada día, por su apoyo, por comprenderme. A ustedes, que me aman infinitamente.
AGRADECIMIENTOS
A Dios, por encaminarme, cuidarme y haberme permitido llegar hasta este momento. Por tantas bendiciones y tantas oraciones contestadas, no solo durante estos cinco años, sino durante toda mi vida.
A mis abuelos Lissy y Saura, gracias por ese amor que destilan y que me han mostrado toda la vida. Gracias por cada detalle que han tenido conmigo. Gracias por su apoyo y por consentirme, aunque no lo merezca.
A mi mamá y a mi papá, por enseñarme lo que significa sacrificarse por la familia. Gracias por pensar siempre en mí y en mis hermanos. Gracias por sus consejos.
A mi esposo, Angel, por ser siempre atento conmigo, por amarme sin condiciones. Gracias por ser mi compañero ideal, por ayudarme, por entenderme.
A mis hermanos, Daniel, Sandra y Alejandro, por acompañarme, quererme y apoyarme.
A mis suegros, Marilys y Osvaldito, por ayudarme cuando no tenía tiempo para estudiar.
Gracias por recibirme como su hija y por su cariño sincero.
A mis tutores, por estar siempre pendientes de mí y del avance de esta tesis. Gracias por el apoyo que me brindaron y por sus orientaciones para que esta tesis tuviera la calidad requerida.
Al tribunal de esta tesis, por los señalamientos que hicieron en cada una de las revisiones.
Gracias por sus consejos, porque con ellos han llevado esta tesis a mejor término.
A mis compañeros de aula, por mostrarme el valor de la amistad. Gracias por ayudarme cuando los necesité. Gracias por ser atentos y siempre agradables conmigo.
A todos, muchas gracias.
RESUMEN
La Industria 4.0 representa una combinación entre la producción industrial y las tecnologías de la información. La misma integra un conjunto amplio de nuevas tecnologías, entre las que se encuentra la Internet de las Cosas. La IoT se considera como una especie de web para las máquinas, que permite el intercambio de datos entre dispositivos. Su aplicación en el sector industrial se orienta a modernizar los sectores industriales mediante la atribución de transparencia, así como la adquisición de grandes volúmenes de datos, a gran velocidad y competitividad. La presente investigación, pretende diseñar un sistema basado en IoT que monitorice el proceso productivo en los telares de la Empresa SAREX “Luis A. Turcios Lima”. Para ello, se define el contexto en el que se desarrolla la investigación y se establecen los requisitos de diseño deseados por los directivos de la entidad. Luego, se plantean soluciones orientadas a resolver el problema científico y se selecciona una de ellas. Con la solución planteada es posible la monitorización de variables y datos de producción en tiempo real, la configuración de alarmas que notifiquen al usuario vía email, así como guardar la información en una base de datos y la realización de reportes. El diseño se realiza con tecnología actualizada y ofrece un aumento de la eficiencia productiva, así como calidad y robustez.
Palabras clave: Industria 4.0, Internet Industrial de las Cosas, sistema de supervisión, canal de comunicación.
ABSTRACT
Industry 4.0 represents a combination of industrial production and information technologies.
It integrates a broad set of new technologies, among which is the Internet of Things. The IoT is considered as a kind of web for machines, which allows the exchange of data between devices. Its application in the industrial sector is aimed at modernizing industrial sectors through the attribution of transparency, as well as the acquisition of large volumes of data, at high speed and competitiveness. This research aims to design a system based on IoT that monitors the production process in the looms of the SAREX Company “Luis A. Turcios Lima”. To do this, the context in which the research is carried out is defined and the design requirements desired by the entity's managers are met. Then, solutions aimed at solving the scientific problem are proposed and one of them is selected. With the proposed solution, it is possible to monitor variables and production data in real time, configure alarms that notify the user via email, as well as save the information in a database and carry out reports. The design is made with updated technology and offers an increase in production efficiency, as well as quality and robustness.
Key words: Industry 4.0, Industrial Internet of Things, monitoring system, communication channel.
GLOSARIO DE SIGLAS Y TÉRMINOS
CAN: Controlador de Área de Red.
CoAP: Protocolo de Aplicación Restringida.
Ethernet/IP: Ethernet / Protocolo Industrial.
HMI: Interfaz Humano-Máquina.
HTTP: Protocolo de transferencia de hipertexto.
I2C: Circuito interintegrado.
IoT: Internet de las Cosas.
IIoT: Internet Industrial de las Cosas.
M2M: Máquina a Máquina.
MQTT: Transporte de Telemetría de Cola de Mensajes.
MTU: Unidad Terminal Maestra.
OSI: Modelo de Interconexión de Sistemas Abiertos.
PLC: Controlador Lógico Programable.
RTU: Unidad Terminal Remota.
SCADA: Sistema Supervisorio de Control y Adquisición de Datos.
SPI: Interfaz de Periféricos Serie.
TCP/IP: Protocolo de Control de Transmisión / Protocolo de Internet.
TABLA DE CONTENIDOS
PENSAMIENTO ... iv
DEDICATORIA ... v
AGRADECIMIENTOS ... vi
RESUMEN ... vii
ABSTRACT ... viii
GLOSARIO DE SIGLAS Y TÉRMINOS ... ix
INTRODUCCIÓN ... 1
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO ... 7
1.1 La automatización industrial ... 7
1.1.1 Supervisión y sistemas SCADA ... 8
1.1.2 Buses de campo ... 9
1.1.3 Bus CAN ... 11
1.2 Internet de las Cosas (IoT) ... 12
1.2.1 Internet Industrial de las Cosas (IIoT) ... 13
1.2.2 Comparación entre la IoT y la IIoT ... 14
1.2.3 Arquitecturas de referencia de la IIoT ... 15
1.2.4 Plataformas ... 16
1.2.5 Dispositivos ... 18
1.3 Metodología de diseño de sistemas IIoT ... 18
1.4 La IIoT en la supervisión industrial ... 20
1.3.1 La automatización en la industria textil ... 24
1.5 Consideraciones finales del capítulo ... 25
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS ... 27
2.1 Características de los telares de la empresa ... 27
2.2 Requisitos de diseño ... 29
2.3 Propuesta 1 ... 30
2.4 Propuesta 2 ... 33
2.5 Propuesta 3 ... 37
2.6 Consideraciones finales del capítulo ... 38
CAPÍTULO 3. DISEÑO DE LA PROPUESTA ... 39
3.1 Análisis de la propuesta ... 39
3.2 Diseño del canal de comunicación ... 40
3.2.1 Distribución espacial del diseño ... 43
3.2.2 Diseño de la zona desmilitarizada ... 45
3.3 Configuración de la plataforma ThingsBoard ... 46
3.4 Análisis económico y medioambiental ... 48
3.5 Consideraciones finales del capítulo ... 50
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 51
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 53
ANEXOS ... 58
Anexo 1. Código para la obtención de datos de la trama CAN. ... 58
Anexo 2. Estructura del edificio principal de la empresa SAREX. ... 60
Anexo 3. Distribución de los equipos en los talleres de extrusoras y telares. ... 61
INTRODUCCIÓN
En los últimos siglos, la humanidad ha vislumbrado grandes avances tecnológicos definidos durante las cuatro revoluciones industriales. De 1760 a 1840, se desarrolló la primera revolución industrial, que posibilitó la mecanización de los procesos que hasta el momento eran puramente artesanales. Esto permitió la expansión de la industria textil, la metalúrgica, la siderúrgica y la de transporte [1]. La segunda revolución industrial se desarrolló entre 1870 y 1914. En este período se desarrollaron las comunicaciones mediante el teléfono y el telégrafo, el transporte aéreo y marítimo y la industria química. La electrificación de las fábricas impulsó la producción masiva de bienes manufacturados mediante las líneas de montaje, lo que finalizó en la producción en cadena [2]. La tercera revolución industrial estuvo comprendida entre los años 1960 y 1990. En esta época surgieron la electrónica, la bioingeniería, las computadoras, las telecomunicaciones, la robótica y el desarrollo del software. Se modernizó la industria debido a la automatización y robotización de procesos y equipos [1].
La cuarta revolución industrial es la que se desarrolla en el presente, también conocida como Industria 4.0. Este término fue empleado por primera vez en el 2011 en la Feria de Hanover en Alemania para referirse a la fábrica inteligente, la cual representa una combinación entre la producción industrial y las tecnologías de la información. En la Industria 4.0, se habilitan y apoyan nuevos escenarios en la producción donde intervienen el hombre, las máquinas, las líneas de producción, los sistemas de software y los productos en sí mismos. Estos se comunican y cooperan unos con otros en tiempo real. Lo que facilita la toma de decisión descentralizada y una producción auto-organizada [3]. La Industria 4.0 integra un conjunto amplio de nuevas tecnologías, entre las que se encuentra el Internet de las Cosas.
La Internet de las Cosas (del inglés, Internet of Things o IoT) se considera como una especie de web para las máquinas, que permite el intercambio de datos entre dispositivos. Los campos de aplicación son muy diversos, pues los requisitos varían en dependencia de los objetivos propuestos, los usuarios finales, los modelos de negocio y las soluciones tecnológicas adoptadas [4]. Una de las ramas que comprende la IoT es su aplicación en el sector industrial.
La IoT industrial (también conocida como Internet industrial o IIoT) está orientada a modernizar los sectores industriales mediante la atribución de transparencia y la adquisición de grandes volúmenes de datos, a gran velocidad y competitividad [5]. El manejo de los datos recopilados puede proveer soluciones analíticas a problemas detectados y guiar a operaciones industriales óptimas [4]. La IIoT puede aumentar de forma extraordinaria la conectividad, eficacia, versatilidad y ahorrar tiempo y costos para las industrias. Las compañías también se benefician de la IIoT al predecir cuándo es necesario realizar el mantenimiento, aumentar la seguridad, entre otras funciones. Para las empresas pioneras, la IIoT puede darles una perspectiva precisa de cómo progresa la empresa y les permitirá tomar buenas decisiones en el futuro [5].
A nivel internacional, se han desarrollado varios estudios basados en el empleo de la IIoT para beneficiar la industria mediante la supervisión, optimización y predicción de actividades en el proceso productivo. Por ejemplo, Prinsloo et al. [6] proponen un sistema que monitoriza activamente el estado de una red de comunicaciones inalámbricas de área amplia para mejorar la calidad del servicio y garantizar la fiabilidad. En dicho proyecto, se logra un monitoreo exitoso de 80 puntos finales remotos con más de mil componentes industriales individuales y detección inmediata de anomalías o fallas en la comunicación. Para lograr un monitoreo remoto no invasivo del proceso industrial, se presenta en [7] un sistema de monitoreo en tiempo real del consumo de energía en las industrias. El mismo integra la IoT, sistemas supervisorios de control y adquisición de datos (SCADA), una red de comunicación LoRa1, bases de datos guardadas en la nube y servidores web. En [8] se diseña y construye un dispositivo de acoplamiento electrónico para realizar conexiones de IoT en un PLC convencional con el fin de monitorear y controlar el proceso.
En el contexto nacional, al igual que para otros países subdesarrollados, con frecuencia se identifica a la carencia de recursos económicos y tecnológicos, como la principal barrera para impulsar la transformación digital industrial. En Cuba, se consideran alternativas para incrementar el nivel de alistamiento de las organizaciones ante dicha transformación, la cual, vista como un proceso paulatino, debe proyectarse estratégicamente en dependencia de las
1 LoRa es un protocolo inalámbrico que se caracteriza por su largo alcance (del inglés, Long Range).
Posee baja transmisión de datos, bajo consumo y permite la conexión de una gran cantidad de dispositivos.
condiciones particulares de cada organización [3]. Un ejemplo de adaptación es la empresa de Aguas de La Habana, la cual desarrolló un sistema basado en IoT para el control del nivel en los tanques [9]. La solución consistía en un Arduino con SHIELD GSM 2.0 y con transporte de telemetría de cola de mensajes (MQTT, del inglés Message Queuing Telemetry Transport) como protocolo de comunicación. Se desarrolló una aplicación Android para los directivos, donde se visualiza la información del proceso, al igual que en el SCADA del puesto de mando.
En las universidades cubanas también se realizan investigaciones a favor de esta transformación digital. Por ejemplo, en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas se han desarrollado varios estudios basados en IoT con aplicaciones para las casas de cultivo.
Tal es el caso de la tesis desarrollada por Castellón Dorta [10], que realiza el diseño de un sistema de supervisión y configuración local que permite la supervisión de parámetros ambientales medidos por una red de sensores inalámbricos y el levantamiento fenotípico de las cosechas. Estévez Pérez [11], por su parte, diseña una red de sensores inalámbricos que brinda la posibilidad de realizar una aplicación de Internet de las Cosas, en aras de realizar un sistema de monitoreo de los parámetros del ambiente que rigen el crecimiento de las siembras. En la tesis de Cárdenas Rivero [12], se selecciona la plataforma IoT ThingsBoard y se utiliza el protocolo de comunicación MQTT, en función de desplegar una aplicación IoT que permita la visualización de parámetros ambientales como la temperatura, humedad e intensidad luminosa, así como la consulta de los valores históricos almacenados.
Como se había mencionado anteriormente, la evolución tecnológica posibilitó el surgimiento de nuevas industrias y el desarrollo de las ya existentes en cada una de las revoluciones industriales. La industria textil, por su parte, fue una de las manufacturas que se benefició desde la primera revolución industrial y que continuó desarrollándose durante las siguientes revoluciones. Hoy en día, sigue siendo una de las industrias de mayor demanda, lo que implica cierto grado de automatización que permita la rapidez del proceso, la calidad y cantidad de los productos para satisfacer el mercado. Es con este objetivo que se emplean soluciones a nivel mundial. Por ejemplo, en [13], se analiza un sistema de monitorización de los telares de una empresa textil, basado en Procesamiento Digital de Señales (sus siglas en inglés, DSP) y el bus CAN (del inglés, Controller Area Network). Dicho sistema tiene
funciones de alarma y de registro, análisis y monitoreo de datos. En [14], se brinda una solución basada en la web para un sistema SCADA que permite monitorizar en tiempo real los datos del proceso, así como almacenar la información y analizarla.
En Cuba, las empresas textiles son un subconjunto del Grupo Empresarial de la Industria Ligera (GEMPIL) y se dedican a la producción de varios tipos de confecciones, en dependencia del objeto social de la empresa. Una de ellas, es la Empresa Textil “Luis A.
Turcios Lima” SAREX. Esta fábrica se dedica fundamentalmente a la producción de sacos de polipropileno para envases de productos agrícolas, alimenticios e industriales. Cuenta con varias áreas para la elaboración de este producto, como la extrusión, tejido, impresión, corte- costura y reciclado.
Los telares de esta empresa tienen un sistema de control integrado llamado Loom Control System. Este sistema permite la monitorización de varios parámetros de producción, como son la densidad de la trama, la velocidad de la máquina, la velocidad de arrastre. Permite el almacenamiento de datos estadísticos, como el rendimiento, tejido, horas de funcionamiento, rotura de urdimbre, rotura de trama, fin de trama, entre otros. En una primera inversión se adquirieron los controladores con un módulo de comunicación incorporado, pero el módulo presentaba varias averías que dificultaban el buen funcionamiento del equipo. Por lo que, se obtuvieron nuevos controladores que no traían dicho módulo de comunicación. Al perder la comunicación de los dispositivos, no se podía monitorizar la información que ofrecen. No obstante, algunos telares mantuvieron el controlador con el módulo de comunicación, por lo que se podía obtener la información de estos. La comunicación se vio totalmente afectada al dañarse la tarjeta para el bus CAN, la cual permitía la comunicación entre los telares y la computadora de la sala de control. Lo que resultó en la imposibilidad de monitorización del proceso productivo de los telares desde la sala de control. La directiva de la empresa desea seguir monitorizando la producción como en un principio permitían los primeros equipos.
¿De qué forma monitorizar, entonces, el proceso productivo en los telares de la empresa?
Luego, el problema científico es la carencia de un sistema de monitorización centralizado del proceso productivo. El objeto de estudio es la monitorización del proceso y el campo de investigación es el restablecimiento de la comunicación en los telares. La hipótesis de
investigación sería la enunciada a continuación: si se diseñara un sistema basado en IoT, entonces sería posible la monitorización del proceso productivo en los telares.
Con el fin de dar solución a este problema, el objetivo general es diseñar un sistema supervisorio basado en IoT que monitorice el proceso productivo en los telares de la Empresa SAREX “Luis A. Turcios Lima”. El fin que se persigue es reestablecer la comunicación en los telares, de manera que se puedan supervisar en tiempo real las variables del proceso. Los objetivos específicos son los siguientes:
1) Analizar la bibliografía referente a los sistemas de supervisión y el Internet de las Cosas.
2) Establecer los requisitos de diseño del sistema supervisorio.
3) Diseñar el sistema de comunicación entre los telares y el sistema de supervisión.
4) Valorar el sistema diseñado desde el punto de vista económico y medioambiental.
Con el desarrollo de esta investigación se pretende, en primera instancia, resolver el problema real de la pérdida de comunicación en los telares de la empresa. Con la implementación del sistema supervisorio se pueden generar varios beneficios. Por ejemplo, aumentar la efectividad de la producción, facilitar el análisis estadístico, informar cuándo es necesario ejercer reparación o mantenimiento de los equipos y permitir el monitoreo de la información de forma remota, o sea, no se requeriría de personal en el área de producción para realizar labores de lectura de las variables. El hecho de implementar un sistema basado en IoT dentro de la industria cubana constituye un importante logro para el desarrollo industrial del país, así como la base para futuras investigaciones relacionadas con el tema.
Metodología del proyecto
Para el desarrollo de todo proyecto se debe seguir una metodología. Esto es, un conjunto de pasos a seguir para realizar una investigación. En este proyecto se utiliza la norma ISO 13407 [15], la cual establece un modelo de diseño centrado en el usuario. En este modelo se definen cuatro actividades fundamentales:
1) Definir el contexto de uso.
2) Definir los requisitos del usuario.
3) Diseño de las soluciones.
4) Evaluar los diseños con respecto a los requisitos del usuario.
Organización del informe:
El informe se estructura en capitulario, conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y anexos. El capitulario se compone de la siguiente manera:
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO: Se analizan los conceptos de automatización, supervisión, IoT e IIoT. Se exponen las características del bus CAN, así como de algunas arquitecturas de referencia, plataformas y dispositivos IIoT. Al final, se hace un análisis de investigaciones recientes que demuestran la aplicación de la IIoT en la industria.
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS: Se exponen las características de los telares de la empresa, se definen los requisitos de diseño del sistema y se presentan tres propuestas de solución.
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN: Se analiza la propuesta seleccionada, se diseña el canal de comunicación y se configura la plataforma IoT. Por último, se realiza el análisis económico y medioambiental referente al diseño del sistema.
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO
En este capítulo se sientan las bases para la comprensión de este proyecto. El primer epígrafe comprende lo relacionado a la automatización industrial, así como la supervisión y buses de campo, haciendo hincapié en el bus CAN, debido a que los controladores de los telares de la empresa presentan este tipo de comunicación. El segundo epígrafe trata sobre la IoT, y su aplicación industrial, la IIoT. El tercer epígrafe recoge algunas de las investigaciones que se han realizado, tanto a nivel mundial como nacional, sobre los avances y aplicaciones de la IIoT a la industria en general y finaliza con los avances en la industria textil.
1.1 La automatización industrial
El progreso tecnológico ha sido el motor impulsor que ha fomentado el avance en la industria.
Los procesos industriales se van complejizando al integrar nuevas tecnologías, para cumplir nuevas demandas y exigencias. De esta forma, se hace imprescindible la automatización dentro del marco industrial [16].
La automatización de la industria puede acarrear grandes beneficios. Mediante un control adecuado del proceso, puede mejorar la tasa de producción de la empresa, aumentar la calidad del producto y reducir la necesidad de comprobar manualmente los parámetros del proceso.
Aumenta el nivel de seguridad de los empleados, pues en condiciones de trabajo peligrosas pueden ser sustituidos por robots industriales y dispositivos automáticos. La adquisición de datos automática permite recolectar información clave de la producción, lo que incrementa la precisión de los datos y minimiza los costos de adquisición. Esto contribuye a una mejor toma de decisiones a la hora de optimizar los procesos industriales [16], [17].
La automatización en el marco industrial abarca la instrumentación industrial, los sistemas de control y supervisión, los sistemas de transmisión y recolección de datos y las aplicaciones de software en tiempo real para supervisar y controlar las operaciones de plantas o procesos industriales [18]. Estos sistemas se interrelacionan funcionalmente y se estructuran según la pirámide jerárquica de automatización (Figura 1.1). Existen diversas variantes de dicha pirámide, pero generalmente se presenta una arquitectura de sistema industrial basada en cinco niveles tecnológicos diferenciados por funciones y segmentos de red [19].
Figura 1.1. Pirámide jerárquica de automatización.
En el nivel de campo, se incluyen todos los dispositivos y elementos, como sensores, transductores, motores y actuadores, que interactúan directamente con el proceso. En el nivel de control, se agrupan los dispositivos que controlan equipos productivos o industriales. En el nivel de supervisión, se encuentran los sistemas encargados de supervisar o monitorizar la secuencia de producción. En el nivel de planificación, se realizan varias tareas como la programación de la producción, gestión de materiales, gestión de compras, análisis de costos de fabricación y el control de inventarios. Esto permite a la gerencia ver todo lo que sucede en la empresa y tomar decisiones basadas en esa información. Finalmente, en el nivel de gestión, se realizan tareas de marketing, gestión de recursos humanos, ingeniería de producto, gestión de sistemas de información, investigación y desarrollo [19], [20].
1.1.1 Supervisión y sistemas SCADA
Se entiende como supervisión al conjunto de acciones ejecutadas con el propósito de garantizar el correcto funcionamiento del proceso, incluso en situaciones anómalas. En el marco de la automatización industrial, un sistema de supervisión debe cumplir con tres etapas esenciales: la detección de fallos, el diagnóstico y la reconfiguración del sistema. Cuando se cumple solamente la primera etapa, se dice que es un sistema de monitorización. En este caso, el sistema alerta al operario y es responsabilidad de este último decidir sobre la existencia de fallos en el proceso, su origen y las acciones a realizar [21]
El objetivo de la supervisión es extender el conocimiento general del proceso a las tareas de seguimiento y vigilancia del mismo. El sistema de supervisión es el encargado de: 1) registrar la evolución del proceso y detectar separaciones no deseadas en las variables; 2) analizar estas separaciones y deducir el motivo; 3) elaborar un diagnóstico de la situación; 4) resolver la situación en línea en caso de ser posible; y 5) tomar medidas adecuadas para que no vuelva a acontecer.
Los sistemas de supervisión por excelencia son los sistemas SCADA. Un sistema SCADA (del inglés, Supervisory Control And Data Acquisition) consiste en un hardware al que se le integra un software de aplicación, diseñado para ejecutarse sobre computadoras destinadas al control de la producción, de manera que proporciona comunicación con los dispositivos de campo y controla el proceso de forma automática desde la pantalla de la computadora [22]. Las características principales de un SCADA, según [23], son las siguientes:
1) Adquisición y almacenado de datos para recoger, procesar y almacenar la información recibida en forma continua y confiable.
2) Representación gráfica y animada de variables de proceso y su monitorización por medio de alarmas.
3) Ejecución de acciones de control para modificar la evolución del proceso, actuando ya sea sobre los reguladores autónomos básicos (consignas, alarmas, menús, etc.) o directamente sobre el proceso mediante las salidas conectadas.
4) Arquitectura abierta y flexible con capacidad de ampliación y adaptación.
5) Conectividad con otras aplicaciones y bases de datos, locales o distribuidas en redes de comunicación.
6) Supervisión para observar desde un monitor la evolución de las variables de control.
7) Transmisión de información entre dispositivos de campo y computadoras.
8) Explotación de los datos adquiridos para gestión de la calidad, control estadístico, gestión de la producción y gestión administrativa y financiera.
1.1.2 Buses de campo
Las comunicaciones en los entornos industriales constituyen un aspecto básico dentro del marco de la automatización de una fábrica. El nivel más simple y próximo al proceso dentro de la estructura de las comunicaciones industriales lo constituye el bus de campo [22]. Se
trata de un sistema de transmisión de información que simplifica la instalación y operación de máquinas y equipos utilizados en el proceso de producción [24].
Según [25], las ventajas más resaltantes de los buses de campo se pueden identificar por la reducción de costos en la instalación, en el mantenimiento y las mejoras en el funcionamiento de un sistema, gracias a la reducción en su cableado. Son flexibles, por lo que se pueden emplear en varios diseños industriales. Permiten la operación en tiempo real, la calibración remota y la transmisión digital de la información con buena precisión [24]. En [24] y [22], se clasifican los buses de campo en los siguientes grupos:
1) Buses de alta velocidad y baja funcionalidad (Sensor-bus): están diseñados para integrar dispositivos simples como fotocélulas, relés y actuadores simples, funcionando en aplicaciones de tiempo real y agrupados en una pequeña zona de la planta, típicamente una máquina. Básicamente comprenden la capa física y la de enlace del modelo OSI.
Ejemplos de este tipo son los buses CAN, SDS (del inglés, Smart Distributed System, que en español sería sistema inteligente distribuido) y AS-I (del inglés, Actuator Sensor- Interface).
2) Buses de alta velocidad y funcionalidad media (Device-bus): se basan en el diseño de una capa de enlace para el envío eficiente de bloques de datos de tamaño medio. Son buses capaces de controlar dispositivos de campo complejos, de forma eficiente y a bajo costo.
Por lo general, incluyen la especificación completa de la capa de aplicación, por lo que disponen de funciones utilizables desde programas basados en PC para acceder, cambiar y controlar los diversos dispositivos que constituyen el sistema. Algunos buses de este tipo son DeviceNet, BitBus y DIN MessBuss.
3) Buses de altas prestaciones (Field-bus): son capaces de soportar comunicaciones a todos los niveles de la pirámide de producción. Aunque se basan en buses de alta velocidad, algunos presentan problemas debido a la sobrecarga necesaria para alcanzar las características funcionales y de seguridad que se les exigen. Entre sus características incluyen: redes multimaestro con redundancia, comunicación maestro-esclavo según el esquema pregunta-respuesta, capacidad de direccionamiento de única difusión (unicast), múltiple difusión (multicast) y amplia difusión (broadcast), entre otros. Algunos buses de este tipo son Fieldbus Foundation, Profibus FMS y LonWorks.
1.1.3 Bus CAN
El desarrollo de la electrónica automovilística, en los años ochenta, permitió el incremento del número de dispositivos dentro de un vehículo. Lo que aumentó, a su vez, las conexiones y la cantidad de cables dentro del mismo. En 1986, Robert Bosch, presenta el bus CAN (del inglés, Controller Area Network) como solución al problema del cableado en los automóviles [26].
CAN es un protocolo orientado a mensajes, a los cuales se les asigna un identificador y se encapsulan en tramas para su transmisión. Cada mensaje tiene un identificador único dentro de la red, con el cual los nodos deciden aceptar o no dicho mensaje [27]. Algunas de sus características son:
1) Es un bus multimaestro.
2) El protocolo no limita el número de nodos.
3) Los nodos conectados al bus no tienen una dirección específica. El destino de la información está contenido en el identificador del mensaje que se transmite.
4) La comunicación del bus no se ve afectada por nodos defectuosos.
5) Puede operar con multicasting y broadcasting.
6) Ofrece alta inmunidad frente a interferencias electromagnéticas pues implementa la transmisión con señales diferenciales.
7) Ofrece detección de errores por CRC (verificación por redundancia cíclica).
8) La longitud de los mensajes es de un máximo de 8 bytes.
La especificación de los buses CAN está recogida en el conjunto de estándares ISO 11898.
Dicha especificación define las dos primeras capas del modelo OSI de interconexión de sistemas: la capa física y la capa de enlace de datos. Como el protocolo CAN no incluye tareas de capas superiores tales como direccionamiento, control de acceso o transporte de bloques de datos mayores que una trama; han surgido otros protocolos basados en CAN que definen la capa siete del modelo OSI, la capa de aplicación. Algunos de estos protocolos son CANOpen, DeviceNet, SDS, entre otros.
La topología es en bus, con derivaciones en paralelo (drop lines). La señal de voltaje se recibe por dos cables (alto y bajo). Tiene dos estados definidos: dominante (valor lógico cero) y
recesivo (valor lógico uno). En estado recesivo, los dos cables del bus se encuentran al mismo nivel de tensión, mientras que en el estado dominante hay una diferencia de tensión. Cuando un elemento transmite, se escucha a sí mismo para asegurarse de que la transmisión es correcta, detectando así transmisiones simultáneas. Si dos nodos intentan transmitir simultáneamente, un algoritmo especial de arbitraje resuelve el conflicto sin pérdida de datos.
Se decide qué nodo accede al bus, y el resto de nodos esperará a que el bus quede libre.
Cuando se detecta una colisión, sobrevive la trama con mayor prioridad. Este procedimiento se lleva a cabo antes de enviar los datos del mensaje, por lo cual, la información no se destruye. El ganador del arbitraje es aquel con el número de identificador (11 bit) más bajo [26].
En la Figura 1.2 se representa la trama del bus CAN. La trama comienza con el bit de inicio.
Luego, aparecen los bits que intervienen en el campo de arbitraje. Dicho campo lo componen once bits del identificador y un bit de petición de transmisión remota (RTR), el cual será dominante para tramas de datos y recesivo para tramas de transmisiones remotas. A continuación, están los bits de control: el bit de extensión de identificador (IDE), el bit reservado (r0) y cuatro bits que indican el código de longitud de los datos (DLC). Luego, se encuentra el campo de datos, que puede abarcar hasta 64 bits. Al finalizar, están los campos de verificación por redundancia cíclica (CRC) con 15 bits y un bit delimitador, el acuse de recibo (ACK) y su delimitador (dos bits en total) y el fin de la trama (siete bits).
Figura 1.2. Trama del bus CAN.
1.2 Internet de las Cosas (IoT)
La Internet de las Cosas (IoT) es un concepto que se refiere a la interconexión digital de objetos conectados a Internet, que permiten el control y monitoreo remoto, aun sin intervención humana. Una de las características principales de la IoT es la generación de
grandes cantidades de datos. Estos pueden ser coleccionados, procesados, transmitidos, concentrados y analizados. De manera que, se detecten situaciones críticas y se comuniquen para aplicar medidas a tiempo [28], [29].
Muchos investigadores e instituciones han propuesto una definición de IoT. Por ejemplo, la IEEE [30] define un sistema IoT como “un sistema de entidades (incluidos dispositivos ciberfísicos, recursos de información y personas) que intercambian información e interactúan con el mundo físico mediante la medición, el procesamiento de información y la actuación”.
Los campos de aplicación se han diversificado ampliamente, dependiendo de los objetivos deseados por el usuario final, los modelos de negocios subyacentes y las soluciones tecnológicas adoptadas [4]. Según [31], el concepto de IoT se divide en cuatro escenarios, cada uno con diferentes características dependiendo del sector de mercado al que están dirigidos, estos son: IoT empresarial, IoT de consumo, IoT comercial e IoT industrial.
Normalmente, los autores se refieren solo a dos de estos escenarios: la IoT de consumo y la IoT industrial.
1.2.1 Internet Industrial de las Cosas (IIoT)
En la Internet Industrial de las Cosas (en inglés, Industrial Internet of Things, IIoT), los dispositivos de naturaleza industrial, como las máquinas y sistemas de control, se conectan y se comunican unos con otros, de manera que pueden ser controlados y supervisados remotamente [4].
Sultanow y Chircu [5] definen el concepto de IIoT como “un sistema que comprende objetos inteligentes en la red, activos ciberfísicos, tecnologías de información asociadas y plataformas opcionales de cloud computing o edge computing, que permiten el acceso, colección, análisis, comunicación e intercambio de procesos, productos y/o servicios de información en tiempo real, de forma inteligente y autónoma, dentro del entorno industrial con el fin de optimizar el valor de producción global”.
La IIoT mejora la comunicación entre máquinas y ofrece a los directivos de las plantas datos que les dan una imagen más clara de cómo están funcionando. Mediante la recopilación continua de datos detallados, las empresas industriales pueden controlar la energía, el agua y otros recursos que utilicen. Los operarios pueden hacer ajustes manuales o los equipos se
pueden ajustar automáticamente para optimizar su funcionamiento. Mediante esta optimización continua, las empresas pueden ahorrar cantidades significativas de recursos, para mantener o aumentar los niveles de productividad.
1.2.2 Comparación entre la IoT y la IIoT
Varios autores se refieren a dos grandes escenarios de la IoT, la IoT de consumo y la IIoT.
Por pertenecer ambos escenarios a un contexto común, los principios y tecnologías son los mismos. Sin embargo, muchos requisitos de la comunicación son específicos para cada dominio y pueden ser muy diferentes. La Tabla 1.1 muestra una comparación cualitativa entre la IoT de consumo y la IIoT.
Tabla 1.1
Comparación entre la IoT de consumo y la IoT industrial. Adaptado de: [4]
Aspectos IoT de consumo IoT industrial
Impacto Se considera una revolución Se considera una evolución
Modelo de servicio Centrado en el humano Orientado a las máquinas
Dispositivos y estándares Nuevos dispositivos y estándares Dispositivos y estándares existentes
Conectividad Ad Hoc (los nodos pueden ser móviles)
Estructurada (los nodos son fijos, administración de red centralizada)
Criticidad No exigente (excluyendo los servivios médicos)
Muy exigente (tiempo, fiabilidad, seguridad, privacidad)
Volumen de datos Medio – Alto Alto – Muy Alto
La IoT se centra en el diseño y uso de nuevos dispositivos y estándares de comunicación. En contraste, en la IIoT se integran dispositivos y estándares existentes. Por eso, la IoT es considerada como una revolución, mientras que la IIoT se considera una evolución. La IoT es más flexible en cuanto a conectividad, pues permite estructuras de redes móviles y ad
hoc2. Por su parte, la IIoT emplea soluciones bien estructuradas. En cuanto a criticidad, la IoT es menos exigente con los requerimientos de tiempo y fiabilidad. En IIoT, la comunicación es basada en comunicación máquina a máquina (M2M), lo que se traduce en mayor exigencia en los requerimientos de tiempo y fiabilidad [4]. Referido al volumen de datos, se procesa una mayor cantidad de datos en la IIoT que en la IoT. Esto se debe a que, en la IIoT, los datos deben ser lo suficientemente precisos, continuos y sensibles para que no se produzcan errores en la producción. Así como para predecir el mantenimiento de los equipos [5].
1.2.3 Arquitecturas de referencia de la IIoT
Una arquitectura de referencia es un nivel superior de descripción de abstracción que ayuda a identificar problemas y desafíos para diferentes escenarios de aplicación. El diseño de una arquitectura IIoT debe enfocarse en la extensibilidad, escalabilidad, modularidad e interoperabilidad entre dispositivos heterogéneos que utilizan diferentes tecnologías [32].
El enfoque típicamente adoptado es una descripción multicapa organizada en torno a los servicios ofrecidos en cada nivel, según las tecnologías seleccionadas, las necesidades comerciales y los requisitos técnicos. Por ejemplo, la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) introdujo una arquitectura de IoT compuesta de cuatro capas jerárquicas: dispositivo, red, soporte de aplicaciones y servicios, y aplicación. En esta arquitectura, todas las capas presentan capacidades de gestión y seguridad [12].
El modelo de arquitectura de referencia de la Industria 4.0 (en inglés, Reference Architecture Model Industry 4.0, RAMI 4.0) [33] se centra en los sistemas de fabricación industrial de próxima generación. El mismo identifica un modelo 3D cuyos ejes son: 1) el ciclo de vida del producto, desde la etapa en la que se concibe el producto hasta que se recicla o desecha;
2) las cuestiones básicas sobre la idea del negocio, son capas en las que se compone la empresa; y 3) los niveles de jerarquía, basados en el hardware, van desde el producto hasta la empresa.
2 Una red ad hoc es una red inalámbrica descentralizada, que no depende de una infraestructura preexistente.
En [34], el Consorcio de Internet Industrial (en inglés, Industrial Internet Consortium, IIC) publica la Arquitectura de Referencia de Internet Industrial (IIRA), la cual se centra en cuatro capas fundamentales denominadas viewpoints: el viewpoint de negocio, viewpoint de uso, viewpoint funcional y viewpoint de implementación; y proporciona modelos para cada uno.
El viewpoint de negocio se ocupa del establecimiento de un sistema IIoT en el contexto empresarial e identifica cómo el sistema IIoT logra los objetivos establecidos. El viewpoint de uso aborda lo concerniente a la utilización del sistema. El viewpoint funcional se centra en los componentes funcionales de un sistema IIoT, en su estructura, interfaces y la relación del sistema con elementos externos en el entorno, para respaldar los usos y actividades del sistema en general. El viewpoint de implementación se refiere a la representación técnica de un sistema IIoT, así como a los componentes del sistema requeridos para implementar las actividades y funciones prescritas por los viewpoints de uso y funcionales.
1.2.4 Plataformas
Una plataforma de IoT es un software que permite conectar las máquinas y dispositivos para adquirir, procesar, organizar y almacenar los datos del sensor. Lo normal es que se encarguen del procesamiento de datos y de la interfaz de usuario, lo que simplifica la implementación de entornos IoT. Las plataformas IoT facilitan la comunicación, el flujo de datos, la administración de dispositivos y la funcionalidad de las aplicaciones [35].
Existen diversos tipos de plataformas IoT, entre las que se encuentran las de código abierto (Open-Source), que permiten la modificación del programa. En la Tabla 1.2, se resumen las características de algunas plataformas IoT de código abierto, entre las que se encuentran DeviceHive [36], Kaa [37], SiteWhere [38], Thinger.io [39], ThingsBoard [40] y WSO2 IoT [41]. Los aspectos evaluados se refieren a la capacidad de las plataformas de desempeñar varias funciones:
1) Monitoreo de la información.
2) Gestión de dispositivos: permite almacenar los atributos de los dispositivos, así como filtrarlos y rastrearlos durante el proceso.
3) Análisis en tiempo real.
4) Protocolos de la capa de aplicación.
5) Seguridad.
6) Almacenamiento de datos: puede ser en la nube, local o ambos.
7) Alarmas, disparadores y notificaciones.
8) Bases de datos.
9) Servicios REST3 (del inglés, Representational State Transfer).
10) Implementación: puede ser mediante una aplicación, una puerta de enlace (gateway) o ambas.
11) Costo: algunas plataformas son totalmente gratis, otras permiten un período de prueba gratis y otras brindan un plan gratis con algunas limitantes para investigadores y estudiantes.
Tabla 1.2
Características de algunas plataformas IoT de código abierto.
Características DeviceHive Kaa SiteWhere Thinger.io Thingsboard WSO2
1 Sí Sí Sí Sí Sí Sí
2 Sí Sí Sí Sí Sí Sí
3 Sí Sí Sí Sí Sí Sí
4 MQTT
MQTT, HTTP4, CoAP5
MQTT
MQTT, HTTP,
CoAP
MQTT, HTTP, CoAP
MQTT, HTTP
5 Sí Sí Sí Sí Sí Sí
6 Nube Local/Nube Local/Nube Local/Nube Local/Nube Local/Nube
7 Sí (plugin) Sí Sí Sí Sí Sí
8 PostgreSQL
Cassandra, MongoDB, InfluxDB
Cassandra, MongoDB, InfluxDB
MongoDB, InfluxDB, DynamoDB
Híbrida:
PostgreSQL+
Cassandra
Cassandra, MySQL, PostgreSQL
9 Sí Sí Sí Sí Sí Sí
10 Aplicación, Gateway
Aplicación,
Gateway Aplicación Aplicación, Gateway
Aplicación, Gateway
Aplicación, Gateway
11 Gratis De pago Gratis De pago De pago Gratis
3 REST es una arquitectura para aplicaciones basadas en redes.
4 En español se traduce como Protocolo de Transferencia de Hipertexto (del inglés, Hypertext Transfer Protocol).
5 Protocolo de Aplicación Restringida (en inglés, Constrained Application Protocol).
1.2.5 Dispositivos
Los dispositivos de IoT son el primer bloque de construcción de la infraestructura de IoT. El hardware de IoT incluye placas y sistemas integrados como Arduino, Raspberry Pi, Tessel, Espruino, Pinoccio, Beaglebone Black y otros. De igual manera se pueden utilizar dispositivos independientes como Samsung Gear o FitBit. Los sistemas integrados constan de un microcontrolador con uno o más procesadores, memoria, unidad de procesamiento de gráficos, interfaces de entrada/salida de uso general e interfaces específicas como redes inalámbricas, cámara o USB. Así como otras partes, como fuente de alimentación, sensores de luz, calor, movimiento, sonido u otras entradas ambientales, convertidores analógico- digital y digital-analógico, varios actuadores, motores, entre otros [5].
1.3 Metodología de diseño de sistemas IIoT
En [42] se presenta una metodología de diseño para sistemas inalámbricos IIoT. Dicha metodología aborda una compensación entre la potencia, la latencia y la confiabilidad del sistema en dos pasos (Figura 1.3). En un primer instante, el diseño tiene un enfoque de sistema encontrado en el medio (MITM, del inglés Meet In The Middle) para diseñar el sistema inalámbrico global. En el segundo paso, se realiza un análisis de decisión de criterios múltiples (MCDA, del inglés Multiple Criteria Decision Analysis) para elegir los valores adecuados para las variables de diseño del sistema.
Figura 1.3. Metodología de diseño de sistemas IIoT. Tomado de [42].
Como indica la Figura 1.3, primero se especifican los requerimientos del sistema. Para ello, deben tomarse en cuenta varios parámetros relacionados al tiempo y a la amplitud, como el
ancho de banda de coherencia, la tasa de datos, la sensibilidad, entre otros. Luego, se define la composición del hardware. Con los requerimientos del sistema y la composición del hardware, se conforma la arquitectura del sistema, donde se precisa la estructura a implementar en las tres capas inferiores del modelo OSI: la capa física, la capa de enlace de datos y la capa de red. En un segundo momento, se definen las variables y los objetivos del diseño, así como las funciones objetivas. Luego, se realizan análisis de optimización y de costos para finalizar en la toma de decisiones.
Por otra parte, en [43] se describe una metodología de diseño de un sistema IoT que implica varios pasos. Esta comienza con los requisitos de diseño y termina con la validación del sistema, según se muestra en la Figura 1.4. El primer paso es el estudio de los requisitos, se obtienen mediante una serie de preguntas relevantes sobre el problema en cuestión. A partir de los requisitos priorizados, se deriva en la especificación del producto. Una vez que se establecen las especificaciones, es necesario decidir cuál es la arquitectura de IoT más adecuada. Luego, se deciden los componentes de hardware y software, así como las interfaces de para implementar las funciones de capa. Se identifican las necesidades de los sensores y del procesador. Las necesidades de este último se deben clasificar según el acondicionamiento de la señal y el procesamiento de señales digitales.
El siguiente paso es el diseño y desarrollo de una prueba de concepto (PoC, del inglés Proof of Concept). Esto se utiliza en el desarrollo de cualquier aplicación para validar la idea y estudiar la viabilidad. Luego, se valida la prueba de concepto en tres etapas: 1) durante el desarrollo del software, utilizando casos de prueba con las interfaces de programación de aplicaciones (API), 2) mediante plataformas de emulación especiales y 3) en plataformas de emulación en circuito, que necesitan hardware adicional para interconectarse con el sistema PoC para probar el concepto en un escenario de aplicación casi real. Una vez que el sistema se valida como un sistema PoC, el diseño y el desarrollo del producto real se pueden abordar con total confianza. El diseño del producto implica el diseño del paquete para alojar la electrónica y la interfaz de usuario, como teclados y pantallas. Una vez que el producto está ensamblado, debe validarse para los escenarios y casos de uso previstos. Una vez completado con éxito, el producto está listo para su comercialización.
Figura 1.4. Flujo de diseño de un sistema IoT. Tomado de [43].
1.4 La IIoT en la supervisión industrial
Muchas son las aplicaciones dadas a la nueva tecnología de IIoT, la cual ha sido extendida a varios sectores industriales. Mundialmente, se realizan estudios para actualizar y mejorar las industrias con propuestas innovadoras basadas en IoT. Tal es el caso del proyecto realizado en un sistema de telemetría utilizado por múltiples instalaciones industriales en la República de Sudáfrica [6]. En este proyecto se propone un sistema que monitorea activamente el estado de una red de comunicaciones inalámbricas de área amplia. El sistema propuesto consiste en una aplicación de software basada en la nube con la capacidad de monitorear varios parámetros de los enrutadores implementados, como la intensidad de la señal, el uso de datos y el enlace ascendente de la conexión. Con el desarrollo del proyecto, se logró un monitoreo exitoso de 80 puntos finales remotos. Se detectaron inmediatamente los fallos de comunicación y el tiempo medio de enlace ascendente de conexión se incrementó en más de un 25%.
En [44] se presenta una solución basada en IoT para tratar los eventos críticos de aguas residuales de una compañía de acueducto. Anteriormente, se había diseñado una red de área amplia de baja potencia (LPWAN, del inglés Low Power Wide Area Network), lo que permitía incorporar dispositivos capaces de monitorear en tiempo real y alertar ante cualquier falla del sistema. Por lo que se desarrolló un prototipo de un dispositivo sensor de radar de corto alcance integrado e inalámbrico de 80 GHz con conectividad 3G para informar, en tiempo real, los niveles de aguas residuales dentro del sistema de alcantarillado por gravedad.
En [45] se analiza un sistema de monitoreo de energía en tiempo real basado en IoT para controlar y monitorear una subestación eléctrica. Para este sistema se emplea una Raspberry Pi, cuyo módulo Wi-Fi es mediante el cual se realizan todas las comunicaciones del sistema.
Originalmente, se hallaba un medidor de energía multifuncional con puerto de comunicación Modbus RTU conectado al microcontrolador ESP8266. Por lo que se adaptó el protocolo Modbus RTU en señal Wi-Fi. Se utiliza Raspbian como sistema operativo y Node.js como lenguaje de programación para la Raspberry Pi. Se utiliza InfluxDB como base de datos, que proporciona almacenamiento local y en la nube, eligiendo solamente el almacenamiento local. InfluxDB almacena los datos de varios parámetros que son leídos por los medidores de energía con respecto al tiempo. La misma está conectada a Grafana para mostrar los datos gráficamente. Luego, el usuario puede acceder a Grafana para recopilar los datos.
Aghenta y Tariq Iqbal [46] presentan el desarrollo exitoso de un sistema SCADA de código abierto y bajo costo para el monitoreo y control remoto de sistemas solares fotovoltaicos. El sistema SCADA propuesto se basa en la arquitectura SCADA de Internet de las cosas (IoT) que incorpora servicios web con el SCADA convencional para un control y monitoreo robusto. Se compone de sensores analógicos de corriente y voltaje para adquirir los datos deseados del sistema fotovoltaico solar, un microcontrolador Arduino Uno que sirve como una unidad terminal remota para recibir los datos adquiridos por los sensores, una Raspberry Pi con la herramienta de programación Node-RED para analizar los datos. Además, se emplea la plataforma IoT EmonCMS de servidor local para almacenamiento de datos, monitoreo y control remoto.
Mohammad y Shahjahan [47] desarrollan un sistema SCADA basado en IoT donde se presentan datos en tiempo real en un sitio web industrial. Se utiliza TCP/IP para la
transmisión de datos entre dispositivos y páginas web. El protocolo I2C (Inter-Integrated Circuit) se utiliza para la conectividad entre dispositivos. El hardware está preparado con NodeMCU basado en Arduino Mega 2560 y ESP12E. Ambos microcontroladores se codificaron con Arduino 1.6.6 IDE. Las páginas web se desarrollaron con HTML5 (que es la quinta versión del lenguaje de marcas de hipertexto, en inglés HyperText Markup Language), hojas de estilo en cascada (CSS, del inglés Cascading Style Sheets) y PHP (del inglés, HyperText Preprocessor, en español, procesador de hipertexto). La base de datos está diseñada en Microsoft SQL Server 2012 y se vincula con el sitio web mediante scripts PHP.
El sistema fue diseñado y probado, lo que resultó de manera exitosa en la recopilación, monitoreo y visualización de datos a través de Internet.
En [48] desarrollan un dispositivo IoT en lugar de una unidad terminal remota (RTU) y lo integran con un SCADA basado en la nube. Para ello, utilizan una base de datos en la nube en línea llamada DynamoDB. Los datos se almacenan en la base de datos cuando un usuario los publica y otros usuarios que tienen acceso seguro los recuperan. Se configuraron y sincronizaron los dispositivos IoT con Amazon Web Services (AWS). Los dispositivos informan de su estado publicando mensajes, en formato JSON, sobre temas MQTT. Al utilizar los servicios de AWS, se mejora la eficiencia del sistema SCADA.
En Cuba también se ha innovado y se ha aplicado la IIoT a la supervisión de procesos. Tal es el caso del proyecto realizado por la Empresa de Aguas de La Habana. La cual, debido a los elevados costos de los PLC encargados del control de los procesos de producción, purificación y traslado de agua potable, optó por una solución más económica y moderna basada en IoT. Se desarrolló una aplicación que utiliza MQTT como protocolo de comunicación máquina-máquina a través de un servidor Mosquitto, con un Shield GSM 2.0 y tarjeta GPRS, conectados al SCADA de la empresa. Se desarrolló una salida a dispositivos móviles para directivos, a través de una aplicación en Android, la misma información puede visualizarse en el SCADA del puesto de mando [9].
En el Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, se realizó un estudio donde se desarrolló una aplicación informática encargada de supervisar el monitoreo de una red inteligente mediante el uso de software libre. El sistema fue implementado usando el lenguaje de programación Python y una base de datos SQLite. La red de comunicaciones para los
nodos de medición fue desplegada mediante el protocolo ZigBee. Este sistema de supervisión permitió la disminución o eliminación de nodos de comunicaciones gestionados por terceros, brindando independencia y confiabilidad [49].
En la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, se han desarrollado varios estudios basados en IoT. Tal es el caso de los proyectos realizados por Castellón Dorta [10], Estévez Pérez [11] y Cárdenas Rivero [12], todos enfocados a la agricultura de precisión. Castellón Dorta [10] realiza el diseño de un sistema de supervisión y configuración local que permite la supervisión de parámetros ambientales medidos por una red de sensores inalámbricos y el levantamiento fenotípico de las cosechas. La arquitectura del sistema consta de una Raspberry Pi como puerta de enlace y de una aplicación cliente de dispositivos móviles de la plataforma Android. Se utiliza la base de datos MySQL con almacenamiento local y el servidor fue programado enlenguaje Python, usando el protocolo TCP.
Estévez Pérez [11], por su parte, diseña una red de sensores inalámbricos que brinda la posibilidad de realizar una aplicación IoT, en aras de realizar un sistema de monitoreo de los parámetros del ambiente que rigen el crecimiento de las siembras. La arquitectura de hardware propuesta contaba con el dispositivo Zolertia RE-mote comounidad de cómputo y una Raspberry Pi como puerta de enlace de la red. El sistema operativo Contiki, instalado en cada uno de los nodos Zolertia, brindaba la capacidad de procesamiento multihilo y de manejoeficiente de recursos de memoria. Las pruebas realizadas demostraronla efectividad del diseño, almacenando en una base de datos toda la información transmitida desde diferentes lugares dentro de las casas de cultivo.
Finalmente, en la tesis de Cárdenas Rivero [12], se selecciona la plataforma IoT ThingsBoard y se utiliza el protocolo de comunicación MQTT, en función de desplegar una aplicación IoT que permita la visualización de parámetros ambientales como la temperatura, humedad e intensidad luminosa, así como la consulta de los valores históricos almacenados. Se utiliza una Raspberry Pi, un bróker de mensajería RSMB y la base de datos es PostgreSQL. Como resultado, se logró un funcionamiento que cumple con las expectativas de establecer un sistema de supervisión de parámetros ambientales en un servidor local con tecnologías innovadoras.
1.3.1 La automatización en la industria textil
La industria textil comenzó a desarrollarse desde la primera revolución industrial y continuó en su perfeccionamiento durante los años siguientes que abarcaron las demás revoluciones industriales. Hoy en día, sigue siendo una de las industrias de mayor demanda, por lo que es necesaria la automatización de los procesos de manera que sea posible aumentar la rapidez del mismo, así como la calidad y cantidad de los productos para satisfacer el mercado. Es con este objetivo que se emplean soluciones a nivel mundial. Incluso, en países subdesarrollados donde la adquisición de nuevas tecnologías se complejiza.
En Argentina, Zanella [50] propone un sistema SCADA para una industria textil de polipropileno. Su objetivo principal es sustituir el uso de planillas de producción manuales, por un único sistema central y computarizado, capaz de almacenar de manera periódica y automática las variables involucradas con el proceso productivo. Además, se propone centralizar dicha información en una base de datos digital y utilizarla para la toma de decisiones. Para ello, contó con una arquitectura denominada OPLC (PLC y HMI integrados) perteneciente a la firma Unitronics serie UniStream como la MTU del sistema SCADA. Se añadió al sistema un servidor web parar acceder de manera remota y se incorporó una base de datos en SQL Server, a la cual la MTU puede acceder para almacenar los datos del proceso.
En Perú, Navarro Yovera [51] propone un sistema automatizado para solucionar problemas en el área de cortes de una empresa que produce sacos de polipropileno. Para la propuesta, se rediseña una máquina cortadora de la empresa y se diseña un sistema de control de lazo cerrado de tipo PID. Se utilizan, también varios componentes, como un motor trifásico WEG de 1.5 HP, tres variadores de velocidad de Schneider Electric y un PLC Modicom 241, entre otros elementos. Con el desarrollo de este proyecto, mejoró la productividad de la empresa a un 97,80%.
En [14] se presenta un sistema de seguimiento y supervisión en la industria textil, que consta de sistemas SCADA basados en servicios web. Los telares tienen un módulo de Internet por el que comunican, mediante el protocolo TCP/IP, su estado actual y las fallas ocurridas. El servidor SCADA accede a esta información a través de la dirección IP de los telares y la almacena en la base de datos MySQL. El SCADA también actúa como servidor web, pues
proporciona a sus clientes servicios web mediante HTTP. El servidor adoptado es HTTP Apache, con lenguaje PHP. Los clientes, generalmente computadoras, tabletas o teléfonos inteligentes, muestran al operador humano la información deseada, de acuerdo con los permisos del operador. Esta solución permite a los operadores monitorear constantemente el estado operativo y los datos en tiempo real de las maquinarias para evitar fallas o manejarlas lo antes posible. Además, con los datos recopilados se realizan análisis históricos sobre productividad y eficiencia.
En Asia, se emplea una técnica para colorear tejidos denominada batik, que por lo general se realiza manualmente. En [52] se diseña y desarrolla una máquina de producción automatizada de batik que pueda ayudar a las pequeñas y medianas empresas a mejorar la producción. El sistema integrado incorpora el uso de tecnología IoT que tiene la capacidad de monitorear y controlar todo el proceso. La fuente de entrada para el mecanismo que consiste en un interruptor magnético y una aplicación de teléfono móvil. El microcontrolador se integró utilizando el software Arduino IDE, mientras que la fuente de salida es la integración de los mecanismos propios de la máquina.
En [53], se propone una infraestructura de datos para la digitalización de cadenas productivas en la fabricación textil basada en un caso real. La infraestructura sugerida se basa en tecnologías IIoT y computación en la nube. Consiste en la implementación de OPC UA en la maquinaria textil y análisis de datos desplegados como servicios en la nube, lo que permite el mantenimiento predictivo y una buena calidad.
1.5 Consideraciones finales del capítulo
La automatización de la industria puede acarrear grandes beneficios. Mediante un control adecuado del proceso, puede mejorar la tasa de producción de la empresa, aumentar la calidad del producto y reducir la necesidad de comprobar manualmente los parámetros del proceso.
La pirámide de automatización representa una arquitectura de un sistema industrial categorizada en niveles tecnológicos. Uno de estos niveles se centra en la supervisión, la cual se enfoca en la detección de fallos, así como el diagnóstico y reconfiguración del sistema. La Internet de las Cosas (IoT) se refiere a la interconexión digital de objetos conectados a Internet, que permiten el control y monitoreo remoto, aun sin intervención humana. Aunque se trata de un concepto nuevo y que aún está en desarrollo, se han realizado innumerables
investigaciones y proyectos para adaptar la industria a esta nueva tecnología. La industria textil no es una excepción, sino que también ha evolucionado en la automatización de procesos hasta la adopción de la IIoT. En el capítulo siguiente se procederá a diseñar un sistema supervisorio basado en IoT para monitorizar el proceso productivo en los telares de la Empresa SAREX “Luis A. Turcios Lima”.
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS
En este capítulo se sigue la metodología del proyecto basada en la norma ISO 13407. En un primer instante se define el contexto de uso, donde se realiza un acercamiento a los telares de la empresa. Luego, se definen los requisitos de diseño según las entrevistas hechas a los especialistas. En un tercer momento, se presentan tres propuestas orientadas a reestablecer la comunicación entre los telares y la computadora en la sala de control. Se expone, de esta forma, el hardware y software a utilizar para cada una de las propuestas.
2.1 Características de los telares de la empresa
El área de tejido de la empresa SAREX “Luis A. Turcios Lima” está compuesta por telares circulares Stacoloom SL6 (Figura 2.1) de la firma Starlinger. Estos telares están diseñados para producir un tejido tubular de cintas de polipropileno o polietileno de alta densidad. Para realizar el tejido, se dispone de cintas de urdimbre y cintas de trama6. Las cintas de urdimbre son guiadas desde dos filetas de bobinas hasta el telar, lo que asegura una tensión uniforme.
La inserción de la trama se hace por 6 lanzaderas que circulan por un peine circular. El tejido tubular es guiado por un sistema calibrador y tensor a un rodillo de arrastre, posteriormente se enrolla en un bobinador de tela.
Figura 2.1. Telar circular Stacoloom SL6 de Starlinger.
6 La urdimbre es el conjunto de hilos longitudinales que se tensan en el telar, mientras que la trama es el hilo que se entrelaza con la urdimbre. De manera que la trama se inserta por encima y por debajo de la urdimbre para confeccionar el tejido.