Ingeniería de Mantenimiento Disruptiva 4.0: IoT, Big Data, Realidad Virtual y Fabricación Aditiva
Miguel Ángel Navas
Responsable de Servicio de Ingeniería de Mantenimiento
Metro de Madrid, S.A
1. INTRODUCCIÓN
La implantación progresiva de sistemas e instalaciones con tecnologías habilitantes IoT e Industria 4.0, permiten su monitorización, telemando y diagnóstico remoto y en tiempo real, y suponen un reto evolutivo que debe abordar de forma inmediata la ingeniería de mantenimiento. Estas tecnologías, combinadas con técnicas de análisis Big Data están destinadas a desbancar a corto plazo las tecnologías y técnicas tradicionales de mantenimiento, ya que permitirán mejorar sustancialmente los principales indicadores operativos; seguridad, fiabilidad, disponibilidad y costes. En todo el ciclo de vida de un sistema o instalación debe de tener en cuenta estas nuevas oportunidades. Se plantean las bases de una nueva ingeniería de mantenimiento disruptiva asociada a la irrupción de estas nuevas tecnologías.
La ingeniería de mantenimiento, es tratada habitualmente como una ingeniería “menor”. No dispone de adecuados itinerarios y contenidos formativos en los estudios universitarios que cursan los ingenieros, no goza del prestigio académico de otras disciplinas, y empresarialmente es relegada como un departamento de segundo plano no estratégico. Error mayúsculo, si se tiene en cuenta que en muchas empresas tienen activos de producción u operación con ciclos de vida superiores a 25 años, y en estos sistemas y equipamientos los costes de mantenimiento acumulados durante su operación, pueden llegar a ser equivalentes al coste de la inversión inicial.
La robotización de muchos de los procesos industriales están trasladando los costes de la mano de obra a costes de mantenimiento, y este es un transvase imparable y exponencial que las empresas deben de gestionar adecuadamente, ver Figura 1.
2. LAS BASES DE LA INGENIERÍA DE MANTENIMIENTO
La ingeniería de mantenimiento actual se basa en una serie de tecnologías y técnicas organizativas que en algunos países se han bautizado bajo la denominación de “mantecnologías”, por ejemplo ver Japan Society of Maintenology (JSM). Este conjunto de tecnologías y técnicas estan orientadas a optimizar la vida útil de los activos empresariales, garantizando su seguridad, con los mayores niveles de fiabilidad y disponibilidad, y a unos costes ajustados.
La clasificación de las mantecnologías puede realizarse desde diferentes perspectivas. En la Tabla 1 se ha optado por su clasificación según los procesos en los que impacta dentro del ciclo de vida del producto (PLM).
Tabla 1. Calsificación de las Mantecnologías
En el campo aeronáutico se emplea la terminología Maintenance, Repair and Overhaul (MRO) para agrupar las técnicas y tecnologías de mantenimiento. Existen multitud de publicaciones que adoptan otras nomenclaturas, y esta dispersión no favorece la ordenación y comprensión de los aspectos básicos de la ingeniería de mantenimiento.
Asociada al concepto de industria 4.0, se propone la adopción del concepto homónimo “mantenimiento 4.0” en el campo de la ingeniería de mantenimiento, cuyo desarrollo e implantación podemos datar a finales de esta década, ver Figura 2.
3. FASE DE DISEÑO DEL PRODUCTO PARA UN MANTENIMIENTO 4.0
Gran parte del futuro éxito de la incorporación de las nuevas tecnologías en los procesos de mantenimiento, están asociadas al diseño de productos con especificaciones que contemplen los componentes hardware y software dedicados a tareas de mantenimiento.
Se resumen las especificaciones fundamentales en los productos al objeto de facilitar su futuro mantenimiento 4.0, ver Figura 3;
- Ergonomía constructiva del hardware que minimicen los tiempos de parada de operación por mantenimiento correctivo; desmontaje/montaje de componentes, acceso a los elementos deajuste, etc.
- Ergonomía constructiva del hardware que permita realizar el mantenimiento preventivo, sin necesidad de paralizar la operación (o con una paralización mínima); engrases, limpiezas, inspección visual, etc.
- Sensores de las variables físicas y operacionales clave que permitan monitorizar en tiempo real los valores alcanzados e implementar técnicas de mantenimiento predictivo en tiempo real.
- Puerto de comunicaciones TCP/IP exclusivo para gestión de procesos de mantenimientos; estados, alarmas, variables predictivas, etc.
- Software de auto test y de comprobación funcional desarrollado para tareas de mantenimiento.
- Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA) embebido y preferentemente desarrollado en configuración web server, para facilitar el acceso desde cualquier punto de la World Wide Web (WWW).
Estas especificaciones de diseño, en mayor o menor grado, ya se han adoptado por una parte relevante de la industria y los fabricantes, pero prevalece el problema endémico dela falta de normalización y estandarización, ya que aún se mantiene en muchos sectores la prevalencia de los intereses de protección de su mercado, en contrate con las ventajas que presenta la adopción de desarrollos abiertos y no propietarios.
4. LA FASE DE OPERACIÓN DEL PRODUCTO CON MANTENIMIENTO 4.0
Los responsables de mantenimiento se enfrentan actualmente a unos niveles de servicio de operación de los equipamientos extremadamente exigentes:
- La seguridad debe de tender a infinito. No es aceptable ni un solo incidente.
- La disponibilidad debe de ser del 100%. No es suficiente ningún otro valor.
- La fiabilidad debe de tender a infinito. Cada fallo es un fracaso.
- Los costes deben de serlos mínimos. La competencia es extrema.
4.1. El nuevo Centro de Control de Mantenimiento (MCC)
En MCC debe estar anexado técnica y físicamente al Centro de Control de Operación (OCC). Se deben compartir las plataformas de tecnologías de la información de ambos centros, y la gestión del MCC y del OCC debe de realizarse de forma integrada, ver Figura 4.
El SCADA del MCC tiene que ser lo más parecido posible a las instalaciones reales y se deben desarrollar como gemelos digitales de las instalaciones. La aplicación del gemelo digital es nueva tecnología fundamental para el mantenimiento 4.0 y la industria 4.0.
4.2. La integreación de los equipamientos en el MCC y en la WWW:
Es preocupante la dispersión de protocolos de comunicaciones para el intercambio de información entre los productos y el Centro de Control de Mantenimiento (MCC). A la fecha los equipamientos de tipo industrial suelen disponer de un Programmable Logic Controller (PLC) y el intercambio de información con el MCC se realiza sobre un mapa de memoria de lectura/escritura, como por ejemplo el grupo de protocolos Modbus. En cambio, gran parte de los equipamientos de tecnologías de la información se comunican empleando protocolos de mensajería, como por ejemplo, Simple Network Management Protocol (SNMP) con Management Information Base (MIB) o desarrollos en Java Message Service (JMS).
Se están desarrollando diferentes modelos y conceptos de integración complejos, como el Cyber-physical Systems (CPS), que propone una arquitectura de cinco niveles denominada 5C, que incluye no sólo los niveles físicos y lógicos de conexión de las máquinas, también los de tratamiento de datos, análisis y toma de decisiones experta.
La integración de los equipamientos en el MCC debe realizarse mediante un puerto dedicado TCP/IP, sobre el que se implemente unos protocolos normalizados de intercambio de información para simplificar y abaratar los costes de integración, siendo a la fecha una de las mayores barreras de la implantación de la industria 4.0.
4.3. La estrategia de Mantenimiento
El mantenimiento correctivo es un fracaso y el mantenimiento preventivo es muy costoso. Hay que aprovechar las nuevas tecnologías para implementar siempre como primera opción planes de mantenimiento predictivo, citado por algunos autores como Condition Based Maintenance (CBM).
Es por lo tanto, imprescindible que los equipamientos cuenten con un despliegue sensores de estado y toma de variables de operación que permitan su monitorización en tiempo real. Las máquinas ya han empezado a hablar y los técnicos de mantenimiento deben aprender a escucharlas.
En la Figura 6 se representa el flujo de datos en tiempo real desde los equipamientos, hasta que esta información se convierte en un valor añadido, con la predicción de fallos y la realización de una intervención de mantenimiento que los evite. La estrategia de mantenimiento de los equipamientos debe de ser un mantenimiento predictivo personalizado para cada equipo, basado en un modelo adaptativo en el tiempo. Es imprescindible que el equipo de recursos humanos que analicen los datos y propongan el plan de mantenimiento predictivo sea multidisciplinar; expertos en operación, expertos en mantenimiento y expertos en el análisis de Big Data.
4.4. Los indicadores de mantenimiento y niveles de servicio
Los indicadores de mantenimiento o Key Performance Indicator (KPI) de mantenimiento, han evolucionado y se han diversificado en estas últimas décadas. No obstante, hay cuatro indicadores básicos de mantenimiento cuya medición y control son una obligación por los responsables de mantenimiento; Fiabilidad, Disponibilidad, Seguridad y Costes, ver Figura 8.
Es imprescindible desarrollar herramientas de cálculo y publicación de estos indicadores en tiempo real. No es admisible esperar, siquiera unas horas. En un entorno 4.0 “mañana es muy tarde”. En relación a los niveles de servicio en un mantenimiento 4.0 siempre hay que plantearse los valores máximos. Los equipamientos deben tender asintóticamente a ser perfectos en la operación:
- Disponibilidad: 100% (sin emplear artificios matemáticos)
- Fiabilidad: ∞
- Seguridad: ∞
- Costes: 0.
Con estos valores máximos como objetivo para los indicadores de servicio, los responsables de mantenimiento deben implantar sistemas de medición y publicación en tiempo real, ser muy ágiles en los análisis y toma de decisiones, e implantar procesos de mejora continua, ver Figura 9.
4.5. La organización del personal de mantenimiento
La irrupción de las tecnologías de realidad virtual y realidad aumentada, con la creación de gemelos digitales, permite a los responsables de mantenimiento implementar nuevas estrategias para la mejora de los resultados en la organización del personal de mantenimiento, ver Figura 10.
El personal experto (ingenieros y tecnólogos) se concentrará en el MCC, cubriendo todos las horas y días del año, teniendo como misión principal el análisis de los fallos (ocurridos o potenciales) y sus consecuencias, todo ello en tiempo real, con ayuda para el diagnóstico de las simulaciones que se puedan hacer en el gemelo digital. Una vez realizado el diagnóstico, intentarán solucionar el fallo de forma remota (puesta a cero, activación de redundancia, etc.) y sólo en caso negativo decidirán que personal es el más apropiado para que se atienda el fallo sobre la instalación, y cual o cuales son las tareas a ejecutar, personalizadas para ese modo de fallo.
El personal operario seleccionado se desplazará a la instalación y en conexión en tiempo real e iterativa con el personal experto del MCC abordarán los trabajos de reparación con la ayuda de aplicaciones de realidad virtual y realidad aumentada que les guíen en cada paso del proceso, siendo supervisada la reparación por el personal experto desde el MCC. El mantenimiento preventivo y predictivo también será realizado por personal de oficio con ayuda de aplicaciones de realidad virtual y realidad aumentada desarrolladas a tal efecto, en las franjas horarias que no se produzcan fallos en las instalaciones.
Con esta estrategia se pueden llegar a centralizar a los expertos de mantenimiento de una instalación o vehículo a nivel mundial en un solo MCC, con una organización en cascada, lo que supone un importante ahorro de costes de formación experta de las plantillas de mantenimiento.
4.6. La logística de repuestos
Para obtener los mejores resultados en los indicadores de servicio en el mantenimiento de las instalaciones es imprescindible disponer de una desarrollada estrategia de gestión de los repuestos de mantenimiento, ya que cualquier rotura de stock conlleva la parada de la instalación por largos periodos de tiempo. Para ello, se deben de contar con inventarios detallados de los repuestos de cada instalación, registrar y analizar los consumos, al objeto de garantizar su cobertura de forma adecuada. La aplicación de técnicas de Big Data a la logística de repuestos, puede aportar un mayor conocimiento en la detección de patrones de consumo complejos, al objeto de ajustar la estrategia de compra al consumo estimado mediante estos algoritmos.
Asimismo, la fabricación aditiva permite disponer de repuestos para el mantenimiento en lotes pequeños y a unos costes cada vez más competitivos. En breve todos los departamentos de mantenimiento dispondrán de un servicio a tal efecto. Destacamos la importancia e impacto que va a tener la fabricación aditiva en la solución de suministro de repuestos obsoletos y/o fuera de circuito comercial, ya que a partir de una muestra se puede fabricar su idéntico en muy poco plazo, lo que repercute en una mayor disponibilidad y menores costes, así como un potencial incremento de la vida útil de las instalaciones, al darse solución a múltiples obsolescencias.
5. LA FASE DE RETIRADA DEL PRODUCTO CON MANTENIMIENTO 4.0
La aplicación combinada en el mantenimiento de las nuevas tecnologías analizadas, repercutirán muy probablemente en un aumento del ciclo de vida de las instalaciones, y por consiguiente el retraso de la fecha de retirada y enajenación del activo. Los incrementos en la fiabilidad y disponibilidad de las instalaciones y su sostenimiento en el tiempo, así como las soluciones de fabricación de repuestos obsoletos, pospondrán la fecha de fin de ciclo de los activos. Por otro lado, una esperada rebaja de los costes de mantenimiento, conllevará una mayor lejanía en la fecha más eficiente para abordar la reinversión para el cambio de las instalaciones, ver Figura 11.
La aplicación del mantenimiento 4.0 va a contribuir en el desarrollo y operación de productos, vehículos e instalaciones con una mayor vida útil, pero manteniendo durante la misma unos adecuados niveles de servicio. Esta mayor vida útil con lleva directamente un menor consumo de materias primas, combustibles, emisiones, etc., necesarios para la fabricación, almacenaje, transporte e instalación de los nuevos activos, impactando de forma notable en el desarrollo de productos social y medioambientalmente responsables.
6. DISCUSIÓN
El futuro éxito del mantenimiento 4.0 está asociado al diseño de productos con especificaciones que contemplen componentes normalizados y estandarizados hardware y software dedicados al mantenimiento; sensores, puertos de comunicaciones, etc. y del desarrollo del IoT y la industria 4.0.
En MCC debería estar integrado el OCC y se deben compartir las plataformas de tecnologías de la información de ambos centros. Es necesario que el SCADA se realice como un gemelo digital con realidad aumentada del equipamiento que incluya la representación de variables, alarmas y estados en tiempo real.
El IoT se materializa con la integración de los equipamientos en el MCC debe realizarse mediante un puerto dedicado TCP/IP, sobre el que se implemente protocolos normalizados de intercambio de información de mantenimiento. Asimismo los equipos deben disponer de una aplicación que opere de forma local, para tareas de monitorización, telemando y mantenimiento remoto en configuración Web Server, al objeto de que cualquier cliente de la WWW con la autorización de acceso que le sea otorgada, pueda acceder a este software de gestión, como alternativa al MCC, lo que proporciona una mayor versatilidad y robustez que las arquitecturas de integración tradicionales.
La estrategia de mantenimiento, siempre que sea técnicamente posible, se desarrollará sobre un plan de mantenimiento predictivo que se anticipe a los potenciales fallos funcionales de cada equipo, con la detección de patrones de comportamiento mediante la aplicación de técnicas de big data. El mantenimiento preventivo es muy costoso y el mantenimiento correctivo es un fracaso.
Los KPI de mantenimiento deben publicarse en tiempo real; “mañana es tarde”. Los niveles de servicio en un mantenimiento 4.0 siempre hay que plantearlos en sus valores máximos; “cero fallos”.
Los expertos en mantenimiento deben concentrase en el MCC, realizando labores de diagnóstico predictivo de los equipamientos, resolviendo incidencias de forma remota y asistiendo al personal operario en caso de que sea requerida una intervención física sobre los equipos.
La logística de repuestos debe de mejorar su predicción de consumos con técnicas big data y aprovechar las ventajas de la fabricación aditiva.
El mantenimiento 4.0 va a contribuir en el desarrollo y operación de equipamientos con una mayor vida útil, manteniendo durante la misma unos adecuados niveles de servicio, y contribuyendo a una economía circular y sostenible.
7. CONCLUSIONES
- Las nuevas tecnologías IoT, Big Data, Realidad Aumentada y Fabricación Aditiva, suponen un salto disruptivo en la concepción del nuevo mantenimiento 4.0.
- Se tiene que diseñar un plan de análisis, desarrollo, implantación y control de resultados de estas nuevas tecnologías adaptado y ajustado a las particularidades de mantenimiento de cada actividad y sector.
- La complejidad técnica de estas tecnologías, requieren de la incorporación a los recursos humanos de los departamentos de mantenimiento de profesionales especialistas en estos nuevos campos del conocimiento.
- Estos cambios son a la vez, una oportunidad y una amenaza, y las organizaciones de mantenimiento que no sean capaces de adaptase en plazo y forma, pueden lastrar al conjunto de la empresa hacia su desaparición.
- La implantación inmediata del mantenimiento 4.0 no es una opción, es ya una obligación para un responsable de mantenimiento.
