Programación y Control Automático S.L.

Automatización Industrial - Integración de Sistemas - Industria 4.0

Archivo de Autor: AlfredoSanchez

Acerca de AlfredoSanchez

Ingeniero Superior Industrial y Máster en Ingeniería de Estructuras. Especialista en sistemas de control e integración de equipos, software y redes.

AlfredoSanchez

IDAB en diario Ideal

Recientemente el  Diario Ideal, tanto en versión impresa como en digital, se ha hecho eco del proyecto IDAB, nuestra plataforma  IoT para la industria conectada.
Un equipo para supervisarlo todo

Internet de las Cosas y Mantenimiento Industrial

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Internet de las Cosas, Industria 4.0 y Mantenimiento Industrial.

Un reciente estudio sobre causas del estancamiento del internet de las cosas (IoT) y el avance de la Industria 4.0, citaba entre otras, la falta de aplicación práctica que percibían los directivos de plantas industriales sobre este nuevo cambio de paradigma.

En la mayoría de industrias, el mantenimiento ocupa un lugar preferente en la lista de aspectos clave, las paradas inesperadas por avería, así como la optimización de las programadas, provocan grandes quebraderos de cabeza para los gestores de producción y mantenimiento. Es raro encontrar empresas que no dispongan de alguna herramienta de gestión del mantenimiento (GMAO) y que no tengan implementado, al menos una tipología de mantenimiento por calendario. En algunos casos, hay conjuntos de equipos a los que se aplica una vigilancia especial, recogiendo información sobre su estado, es lo que se conoce como Mantenimiento por Condición, y las actuaciones de mantenimiento se planifican en base al análisis de datos de funcionamiento de los activos vigilados. Esta tipología de mantenimiento presenta ventajas reseñables frente al mantenimiento por calendario, pero se ha encontrado tradicionalmente con los elevados costes de equipos de medida en continuo, o del coste de mano de obra para tomar las medidas en las llamadas ‘rutas‘.

El Internet de las Cosas (IoT) está llamado a liderar el cambio en las estrategias de mantenimiento industrial, proporcionando información ‘online’ de activos con costes asumibles por las empresas.

El Mantenimiento por Condición puede ser la punta de lanza para comenzar la transformación digital en entornos industriales, un punto de partida para una hoja de ruta que debe conducir hacia sistemas inteligentes dentro de un entorno Smart Factory.

Mantenimiento por Condición (Condition Monitoring) y Mantenimiento Predictivo.

  • El monitoreo por condición o Condition monitoring consiste en la monitorización continua de parámetros de funcionamiento de una máquina (temperatura, vibración, consumos, etc.) en busca de cambios significativos en los mismos que indiquen deterioros o desgastes en los activos. Este tipo de mantenimiento permite planificar las acciones con anterioridad al fallo del equipo, y presenta significativas mejoras frente al mantenimiento programado o por calendario, al realizarse cuando el deterioro o fallo se ha detectado.
  • Mantenimiento Predictivo es la aplicación de algoritmos predictivos a datos a tiempo real con el fin de identificar posibles fallos antes de que ocurran y dar recomendaciones a los usuarios para solucionarlos.

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Evolución del Mantenimiento por Condición y Mantenimiento Predictivo.

Hasta el momento actual, el mantenimiento por condición ha venido caracterizado por dos operativas bien diferenciadas:

  • Sistemas de medida aislado. Muy caros y precisos, generalmente usados como protección. En muchos casos interconectados al sistema de control de planta.
  • Recogida de medidas ‘a mano’ con equipos portátiles.

La disrupción de la industria 4.0 y la digitalización van a generar un revulsivo en la monitorización de activos, poniendo al servicio del personal de mantenimiento información ‘online’ de todos los parámetros concernientes al estado de los activos de la instalación. Estos equipos de monitorización tienen un coste mucho más asequible y no necesariamente van a emplearse como medio de protección.

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Sin embargo, esta evolución del mantenimiento por condición puede, en muchos casos, no justificar la inversión en digitalización, y se hace necesario buscar aplicaciones de más alto nivel. La analítica basada en Machine Learning, mediante técnicas de Streaming Analytics es el aliado perfecto en la revolución digital, donde sistemas de software autónomos analizan cantidades ingentes de datos, aprenden del comportamiento de los sistemas monitorizados y ofrecen información sobre el estado de deterioro de los mismos y previsiones de fallo, ayudando al personal a planificar de manera óptima las paradas. Estas técnicos constituyen además una solución al programa de almacenamiento de datos que plantea el Big Data, ya que descartan la información que no es relevante o novedosa en el funcionamiento del proceso en estudio.

Con este tándem de digitalización basada en IoT y analítica Machine Learning estaremos hablando propiamente de Mantenimiento Predictivo. La información disponible es fácilmente integrable en los sistemas OT e IT implantados en la industria, y hay un flujo continuo de datos continuo entre todos los departamentos.

 

Cómo empezar con el Internet de las Cosas Industrial

Cómo empezar con el Internet de las Cosas Industrial.

¿Quién no ha leido en estos últimos tiempos acerca del cambio tecnológico que se avecina en la industria? Supongamos que ya tienes claro que estamos ante un nuevo paradigma industrial, la Industria 4.0, que esta revolución está basada en conceptos como el Internet de las Cosas (IoT), el Big Data o la Realidad Aumentada, y que será la más disruptiva de la historia.

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Supongamos que te has dejado seducir por esta nueva filosofía y que estás decidido a que tu industria sea una “Fábrica Inteligente” o Smart Factory, con una total confluencia entre el mundo de la información (IT) y el mundo físico de las máquinas y la producción (OT), con el objetivo de aprovechar al máximo los beneficios de la conectividad en la fabricación: eficiencia, seguridad, competitividad y flexibilidad.

Pero ante el amasijo de información que prolifera acerca de estos conceptos, seguro que en alguna ocasión te han asaltado las dudas:

  • ¿realmente va a aportar a mi negocio ventajas competitivas que justifiquen la inversión?;
  • ¿está mi empresa preparada para el cambio?;
  • y una última, y no menos importante: ¿por dónde empiezo?.
 

Buscando respuestas.

El Internet de las Cosas Industrial (IIoT) pretende interconectar dispositivos, máquinas y sistemas compartiendo información sensible a tiempo real, con el objetivo de mejorar procesos, ajustar sistemas, predecir fallos en maquinaria, reducir costes, mejorar el OEE e incrementar el beneficio.

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Va a aportar mayor visibilidad sobre nuestros procesos productivos, facilitando el flujo de información entre las distintas áreas, generando conocimiento y valor.

¿Ventajas?: muchas.

¿Preparados?: ¿por qué no?.

¿Por dónde empiezo?.

La respuesta es sencilla, nadie conoce mejor que tu equipo el proceso productivo, sus puntos fuertes y sus carencias. ¿Hay procesos mejorables, poco visibles, poco interconectados?. Vamos a plantear el proceso en tres pasos:  
  • Identificar puntos potenciales de mejora. Busca procesos de recogida manual de información, anotaciones en papel, hojas de Excell con datos rellenados a mano. Identifica información potencialmente útil que actualmente no estás obteniendo por diversas causas y que sería muy valiosa para la toma de decisiones.
  • Colectar datos. Se trata de proponer los sensores adecuados para obtener esa valiosa información que necesitamos. Los precios de la instrumentación empiezan a ser asequibles y hay en el mercado un muy amplio abanico de sensores disponibles. En este punto puedes consultar empresas auxiliares que complementen a tu equipo.
  • Centraliza la información e interconecta. Existe hardware de adquisición de datos, pasarelas y plataformas cloud para realizar la colecta y centralización de información. Una empresa de integración de sistemas es el aliado perfecto.
 

¿Listo para dar el paso?.

El interés hacia el cambio va a radicar en la necesidad que de él tengamos, y en encontrar aplicaciones concretas que mejoren nuestro negocio. El camino adecuado comienza identificando mejoras, definiendo qué información es necesaria para la nueva operativa, eligiendo los sensores que nos van a aportar esa información y dónde estarán ubicados. El resto del camino no es complicado. Hay soluciones en el mercado para todas estas aplicaciones y empresas capaces de implantarlas.

Comenzar no es complicado, solo hay que dar los primeros pasos, localizar el foco, y el propio camino conduce a la tecnología adecuada.

Si quieres conocer acerca de nuestra solución para el Internet de las Cosas Industrial,  prueba IDAB-IIoT (Industrial Data Acquisition Box). Ponte en contacto con nosotros y te ayudaremos a culminar el camino.

   

Consumo eléctrico de un frigorífico.

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Vamos a monitorizar parámetros básicos de funcionamiento de un frigorífico, tales como temperatura interior, temperatura ambiente o estado de la puerta, para ver cómo afectan al consumo de energía eléctrica.

Principio de funcionamiento.

Antes abordar cuál es el consumo eléctrico de un frigorífico, vamos a describir brevemente el principio que rige su funcionamiento. El obetivo de un frigorífico es extraer calor del interior, donde se almacenan los alimentos frescos, y verterlo hacia el exterior. Para lograr este objetivo, se hace circular un fluido refrigerante a través de un circuito cerrado compuesto por 4 elementos fundamentales:
  • Válvula de expansión. El líquido refrigerante se expande pasando a un estado de menor presión y temperatura.
  • Serpentín interior. El líquido refrigerante a baja presión se evapora absorviendo calor en el proceso. El serpentín aumenta la superficie de contacto entre el fluido refrigerante y el aire a enfriar.
  • Compresor. Incrementa la presión del refrigerante, que está en estado gaseoso, mediante aporte de energía.
  • Serpentín exterior. Situado normalmente en la parte trasera del frigorífico, en él, el refrigerante, a alta presión, se condensa (pasa a estado líquido) cediendo calor al medio.
Ciclo de un frigorífico.

Ciclo de un frigorífico.

Este proceso se repite de manera cíclica para lograr el enfriamiento mientras el compresor se encuentra en marcha, lo que se activa por un termostato regulable situado generalmente en el interior. El aporte energético al frigorífico se invierte principalmente en comprimir el fluido en el compresor eléctrico.

El montaje.

Vamos a disponer de un complejo sistema de monitorización a  tiempo real desarrollado con un microprocesador Arduino Uno, al que se han acoplado dos shield: una Adafruit Data logger Shield con reloj a tiempo real y tarjeta SD para archivar datos en formato csv (fácilmente exportable a Excel), y una emonTx Arduino Shield SMT para acondicionar la señal de un medidor de intensidad eléctrica.

Montaje micro, shields y sensor ambiente.

Montaje micro, shields y sensor ambiente.

A su vez se conectan los sensores para adquirir los parámetros de funcionamiento:

  • Temperatura interior. Se instala una sonda de temperatura DS18B20 con rango de medida de -55 a +125ºC.
  • Temperatura exterior y humedad relativa. Se instala un equipo digital DHT22.
  • Consumo eléctrico. La intensidad eléctrica se mide mediante un transformador de intensidad no invasivo tipo pinza conectado a la emonTX Shield. Hay una entrada del blog con información detallada sobre cómo medir consumo eléctrico.
Instalación sensor intensidad.

Instalación sensor intensidad.

  • Puerta abierta. Para conocer el estado abierto o cerrado de la puerta del refrigerador hemos instalado una fotorresistencia que varía según la intensidad luminosa.
Montaje interior sonda de temperatura y fotorresistencia.

Montaje interior sonda de temperatura y fotorresistencia.

La fotorresistencia se instala próxima a la lámpara interna del frigorífico, y la sonda de temperatura en el techo.

Los datos.

Vamos a analizar en un primer momento las temperaturas interior del frigorífico y ambiente, así como el estado abierto de la puerta, en un rango de aproximadamente una hora, en la que la puerta se ha abierto en varias ocasiones. En el eje izquierdo tenemos las temperaturas, y en el derecho el estado de la puerta, representado como 0->cerrado ó 1->abierto.

Medida Temperaturas.

Medida Temperaturas.

Podemos observar como al abrirse la puerta, se produce un rápido ascenso de la temperatura interior. Éste ascenso va a depender del tiempo que se encuentre el frigorífico abierto, y de la temperatura ambiente, pues ambas temperaturas tienden a igualarse. Si extendemos el rango e introducimos el resto de variables, podemos observar la tendencia de funcionamiento del equipo.

Parámetros Principales.

Parámetros Principales.

En el eje izquierdo tenemos representadas la potencia instantánea en W la y humedad relativa en %. En el eje derecho tenemos las temperaturas en ºC y el estado de la puerta en rango 0->cerrada, 10->abierta.

Podemos distinguir dos fases perfectamente diferenciadas, las zonas en las que el compresor está en marcha, donde hay un consumo instantáneo de aproximadamente 120W, y en las que la temperatura desciende de manera brusca en un primer momento, para ascender suavemente a continuación. Por otro lado, tenemos las zonas en las que el compresor no se encuentra en marcha, donde el consumo eléctrico es mínimo, y las temperaturas se van elevando de forma pausada.

En torno a las 03:000 horas se registra un pico de consumo más elevado de lo habitual, al que no sigue un descenso de la temperatura interior, y que se corresponde con un ciclo de refrigeración en el congelador, al que sigue casi de manera inmediata un ciclo más prolongado de refrigeración de la zona interior.

Resulta curioso que la temperatura media del interior disminuye aproximadamente un grado durante la noche, y que los ciclos de arranque del compresor se encuentra muy equiespaciados (aproximadamente 50 minutos), con una duración aproximada de 20 minutos, como si respondiesen a un patrón predeterminado. Por otro, el compresor se mantienen en marcha una vez iniciado el ciclo durante bastante tiempo después de haberse alcanzado la temperatura mínima en el interior.

Consumo eléctrico del frigorífico.

La potencia media instantánea es 62.62W, lo que supone un consumo energético diario de 1.5KWh, con un coste de 0.225€, lo que al final de mes supone aproximadamente un coste de 7€ antes de impuestos. Hay que tener en cuenta que las medidas se han tomado en invierno, con una temperatura ambiente en torno a 17ºC, y con un uso moderado.  

Consumo eléctrico de una lavadora.

Lavadora

¿Cuál es el consumo eléctrico de una lavadora?.

Continuando con la monitorización de electrodomésticos, y aprovechando el monitor de consumo que hemos desarrollado con Arduino, vamos a analizar el consumo eléctrico de una lavadora, estableciendo una comparativa entre dos unidades bien distintas, una con más de 10 años de antigüedad, y una moderna con certificación energética A+++. Seleccionaremos dos programas muy similiares para poder establecer un análisis de consumo energético.

El ciclo de lavado.

Aunque el ciclo de lavado puede presentar variaciones en función del programa seleccionado, de forma somera, podemos identificar tres fases principales en el programa de una lavadora:

  1. Lavado. Hay aporte de agua y calor.
  2. Aclarado. Hay aporte de agua.
  3. Centrifugado.
Ciclo de un programa de lavado.

Ciclo de un programa de lavado.

El mayor consumo de energía se realiza en la fase de lavado al actuar las resistencias eléctricas para calentar el agua mediante el efecto Joule. La cantidad de energía consumida va a depender de la temperatura seleccionada en el programa de lavado, de la temperatura del agua de aporte de red y de la cantidad de agua a calentar.

El montaje.

Emplearemos una placa Arduino Mega conectada a internet a través de la shield oficial Arduino GSM Shield. Para la medida de intensidad eléctrica hemos empleado pinzas no invasivas que colocadas alrededor de una fase, generan una intensidad proporcianal a la que circula por la misma. Esta señal se modifica y adapta para ser interpretada por la placa Arduino mediante una shield desarrollada por la plataforma Open Energy Monitor. Para obtener información más detallada sobre cómo desarrollar el monitor, y sobre cómo funciona, os recomendamos consultar la entrada del blog sobre cómo realizar un monitor de energía eléctrica.

Lavadora con más de diez años de antigüedad.

Comenzamos monitorizando una lavadora antigua, seleccionamos el programa para sintéticos con temperatura a 60ªC, que según la placa del frontal incluye las fases:
  1. Sintético 60ºC.
  2. Sintético delicado 40ºC.
  3. Lana 35ºC.
  4. Rápido 30ºC.
  5. Suavizante.
  6. Centrifugado suave.
  7. Vaciado.
Obtenemos la siguiente curva de consumo:
Curva Consumo Lavadora Antigua Agua Caliente

Curva Consumo Lavadora Antigua Agua Caliente

Se observan dos zonas de elevado consumo energético, que se corresponden con las fases 1, donde el agua se calienta hasta 60ºC, y la fase 2 del programa, donde se calienta hasta 40ºC. La potencia media a lo largo del programa es de 718.6 W, la duración del programa es de 1 hora y treinta minutos, y la energía consumida es de 1077.86 Wh, con un coste aproximado antes de impuestos de 0.162€. Ejecutamos de nuevo el mismo programa, pero esta vez en frío, para tener una comparativa al emplear las resistencias eléctricas para calentar agua, y obtenemos la curva de resultados:  
Curva Consumo Lavadora Antigua Agua Fría

Curva Consumo Lavadora Antigua Agua Fría

La potencia media a lo largo del programa es de 156.6 W, la duración del mismo no varía, es decir es una hora y media, y la energía consumida es  234.87 Wh, con un coste por programa de 3.5 céntimos de euro. Con las medidas de consumo del programa en frío y caliente podemos establecer una comparativa donde las diferencias, como ya se ha comentado con anterioridad son debidas al aporte de calor al agua para alcanzar las temperaturas de las fases del programa.
Curva Consumo Comparativa en Lavadora Antigua

Curva Consumo Comparativa en Lavadora Antigua

El aporte de calor al agua supone un 78% del consumo total de energía del programa en caliente, este valor variará en función de la temperatura del agua de aporte a la lavadora.

Lavadora con calificación energética A+++.

Monitorizamos una moderna lavadora recién adquirida con calificación energética A+++, y una de las más eficientes del mercado, obviaremos marca y modelo para no hacer publicidad. Elegimos un programa de similares características, pero con temperatura a 40ºC en lugar de 60ºC como en el caso anterior, y comenzamos la monitorización de datos.  
Curva Consumo Lavadora Calificacion A+++

Curva Consumo Lavadora Calificacion A+++

La potencia media durante el ciclo es 611.14 W, la duración del programa es una hora y media, y la energía consumida es 916.72 Wh, con un coste aproximado de 13.75 céntimos de euro. El aporte de energía en forma de calor se realiza durante los primeros 20 minutos del programa, con una potencia media de aproximadamente 2 KW, y una energía consumida durante el proceso de 652.68 Wh, lo que implica que el 67% de la energía del programa se invierte en calentamiento del agua por efecto Joule. En el resto del ciclo, la potencia media es 251.73 W, y el consumo energético es de 363.34 Wh, con un coste de 4.9 céntimos de euro.

Comparativa.

Antes de extraer conclusiones del análisis de datos es necesario recordar que en la lavadora antigua el programa tiene establecido por defecto una temperatura de trabajo en la primera fase del programa de 60ºC, temperatura que va dismunyendo en las distintas etapas del ciclo de lavado. En la nueva lavadora es posible seleccionar la temperatura de lavado, que hemos establecido en 40ºC.  
Datos Comparados Lavadoras

Datos Comparados Lavadoras

Observamos que los valores de energía consumida son muy parecidos en ambos casos. A pesar de la diferencia de temperatura en los programas, hay un diferencial de energía de solo un 9%. Sin embargo en una lavadora moderna, la energía consumida en el proceso de lavado excluyendo el calentamiento, es mayor en términos globales, 326.34 Wh frente a 234.87, debido a un mayor consumo del motor eléctrico, hecho que puede observarse en la comparativa gráfica, lo que se traduce en mejor centriguado y mejor lavado. El ratio de energía en el lavado excluyendo el calentamiento es muy superior en una lavadora moderna 33% frente a 21%.
Gráfica Comparativa Lavadoras

Gráfica Comparativa Lavadoras

Aunque los datos de consumo son muy parecidos, el porcentaje de energía aportada en forma de calor es menor en una moderna lavadora, además gracias a la posibilidad de elegir la temperatura de lavado, puede optimizarse este valor.  

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