IoT toma el Elevator World Hacia la Industria 5.0

Ha llegado una nueva era de PLM y sostenibilidad. 

por Christian-Erik Thhoeny

Este artículo se presentó en Elevcon 2023 en Praga, República Checa.

KEY WORDS: IoT, Industria 5.0, monitoreo de condición, mantenimiento preventivo, gemelo digital, tiempo de actividad del ascensor, gestión del ciclo de vida del producto (PLM)

Resumen

El Internet de las cosas (IoT) ha sido posible en los últimos años gracias a potentes sistemas en la nube. Los anchos de banda y las velocidades de transferencia de datos casi ilimitados ahora permiten el monitoreo y control de condiciones en “tiempo real”. La salud, la seguridad y el rendimiento de, por ejemplo, un sistema de transporte vertical (VT) de un hotel o una simple aplicación de ascensor único difieren significativamente de los de las soluciones anteriores al IoT. La maquinaria conectada permanentemente genera datos de vida en “tiempo real” que garantizan continuamente los ciclos de apertura y cierre de puerta más cortos, detecta rápidamente tendencias incorrectas de un subsistema, advierte sobre situaciones potencialmente peligrosas y ayuda a optimizar el consumo de energía. De este modo, la IA distingue entre subsistemas y componentes que causan problemas. Esto representa una contribución decisiva a una nueva era de PLM (gestión del ciclo de vida del producto) y, en última instancia, a la sostenibilidad: la Industria 5.0. El origen de todos estos análisis y conclusiones inteligentes es la fusión de sensores; el micro (eco)sistema, la WSN (red de sensores inalámbricos), el macro (eco)sistema y, finalmente, la red total de todo: el IoT COP (imagen operativa común) o el sistema operativo común de IoT. 

"El desarrollo ubicuo de las tecnologías de IoT está alterando inevitablemente el mundo de los ascensores, un salto cuántico para la utilización y el rendimiento del sistema".

1. Introducción

Los ascensores independientes están en proceso de ser reemplazados por sistemas VT en red, que forman parte de un COP más grande, ejemplo de referencia (CSIRO, 2023). En la actualidad, Singapur es la ciudad más avanzada (*) que ha establecido todo un ecosistema de sistemas conectados: que van desde el transporte horizontal y los sistemas de FP hasta instalaciones deportivas y sanitarias, organizaciones y actividades sociales, etc., que impregnan prácticamente todos los aspectos. de la vida moderna. Todo está conectado y cada dato se recopila en una plataforma de datos como servicio (DaaS) (Figura 1) y, lo más importante, se hace accesible a todas las partes interesadas en el país. Los ascensores son un elemento esencial de la FP. 

(*) Varias publicaciones respaldan esta percepción (BCG Singapore, 2019; Singapore Government EDB, 2023).

Por ejemplo, los ascensores son monitoreados por sistemas de sensores independientes mantenidos por el gobierno. Como tal, las empresas de ascensores dudan un poco a la hora de permitir que el gobierno acceda a sus datos, por lo que instalan sistemas de sensores independientes. En el futuro, no será posible impedir que se proporcionen datos operativos a las plataformas de datos de IoT circundantes. Pero esta no es la única razón para establecer un sistema de sensores IoT totalmente conectado. El primer beneficio inmediato de una granja de sensores conectados a IoT, ya sea en un edificio o en varios interconectados, es aumentar la eficiencia de un ascensor (o también de una escalera mecánica) y reducir el coste general de propiedad gracias al estado de Mantenimiento preventivo de última generación.

¿Qué otra razón podría haber para implementar “IoT” en el ascensor? El PLM (TECHNIA ADDNODE Group, 2023) de estas máquinas es cada vez más imprescindible por las exigencias de sostenibilidad o simplemente por el altísimo grado de estandarización y el relativamente elevado número de unidades vendidas. La economía de escala permite una reducción de los costos de todos los componentes, y solo un PLM avanzado (Figura 2) con un enfoque pragmático de optimización de costos para cada aspecto del ciclo de vida mantendrá competitivo al proveedor.

Es fácil reconocer que la mayoría de las etapas del PLM se ven directamente afectadas por una solución de IoT, lo que mejora la disponibilidad de los datos sobre el estado del ascensor.

Un aspecto sorprendentemente interesante del PLM es el gemelo digital (A4 SYSTEMS™, 2023), que es cada vez más decisivo para un diseño líder en términos de funcionalidad, seguridad y costes. ¿Por qué? Una vez más, es bastante simple, en realidad. En el pasado, el gemelo digital era simplemente una copia del diseño, pero ya no. Debido a los datos de la vida en “tiempo real” de un ascensor (y no sólo los datos de los sistemas sino también del entorno de la vida real), el gemelo digital (Figura 3), o mejor los gemelos digitales (cuanto más, mejor), cuenta con un gemelo digital real y no sólo con un gemelo digital de diseño, ya sea un avión o un ascensor. ¿Comprendido?

Todos los datos de la vida real se introducen en el gemelo de diseño, actualizándolo a un gemelo digital de la vida real. Esto sirve como base ideal para simular todas las situaciones posibles de la vida real, así como para realizar cálculos de costes y optimizaciones funcionales. Además, cuando interviene la IA, también se pueden detectar situaciones peligrosas. 

En última instancia, la recientemente proclamada Industria 5.0 (Figura 4) se basa ampliamente en IoT, es decir, ofrece la disponibilidad de una base de datos completa de todas las condiciones ambientales y de las máquinas de la vida real. Los tres pilares anunciados por la publicación de la UE (Comisión Europea, 2021) (centrados en el ser humano, sostenibles y resilientes) se basan en datos de IoT, analizados científicamente por IA. Evidentemente, sin sensores no habría datos y, por tanto, la tecnología de sensores juega un papel decisivo en todo ello.

El siguiente capítulo muestra cómo un ascensor cumple y se beneficia de la Industria 5.0.

2. Conexión (de un ascensor) a un sistema de nube IoT

Singapur es la vanguardia de la vida conectada (Figura 5), ​​con todas sus ventajas y desventajas. Hoy en día, la interconexión con plataformas y servicios de datos es imparable, ya que ofrece demasiadas ventajas como para ignorarlas: ayudar a salvar vidas, aumentar el confort, mejorar la eficiencia, ahorrar costes, mejorar los servicios y, básicamente, hacernos la vida mucho más fácil a todos. (Plataforma inteligente hiperconectada EDB IoT/DaaS del gobierno de Singapur, consultada en 2023). Por lo tanto, cada vez más comunidades seguirán esta tendencia. Se establecerán nuevos modelos de negocio para reemplazar los antiguos, lo que permitirá a los OEM tener un mejor desempeño y adaptarse.

En el pasado, el único obstáculo era el ancho de banda o la velocidad de transferencia de datos a plataformas de datos subordinadas o nubes. Pero ya no más. La interconexión de sistemas de cable de fibra de vidrio con 5G proporciona ahora velocidades de 10 Gbit/s y superiores, incluso en la cadena más débil. La combinación de fibra de vidrio óptica, para las redes troncales de sistemas subordinados, con redes Ethernet, PON, WLAN, LAN, etc., hace que la recopilación de datos (y, en última instancia, la informática) sea extremadamente potente. Por último, el sistema de comunicación 5G, ya ampliamente implementado, garantiza una recopilación y retroalimentación de datos independientes de la ubicación a un ritmo suficiente.

Se podría decir que se ha desbloqueado la última milla y, por ejemplo, una comunidad ahora puede conectar todos los dispositivos (Figura 6), independientemente de si se encuentra en una zona remota o de difícil acceso, haciendo así su datos disponibles. Los datos se envían a la nube y todo el preprocesamiento, el análisis científico (IA) necesario y la provisión de funciones en la plataforma de datos se pueden realizar, si es necesario, en tiempo real.

2.1 Cortina de luz inteligente y sensores de próxima generación para IoT

¿Es posible reinventar el antiguo concepto de cortina de luz? Sí, lo es. El “valor de combate” de una cortina de luz (Figura 7) se puede aumentar si la condición, el rendimiento y la anomalía del sistema se miden, monitorean y se ponen a disposición en todas las situaciones: 

• Movimiento de puerta 
• Objeto entre las puertas 
• Viaje en coche
• Posición del coche en el hueco.
• Condiciones ambientales

Por lo tanto, no hay duda de que la fusión de sensores (Figura 8) es un requisito previo. Una gran ventaja es la facilidad del servicio, es decir, el sistema predice qué componente se necesita y qué hacer, lo que significa que se necesitan menos trabajadores cualificados.

Se requieren sensores multifunción (Grupo CEDES, 2017-2022) para obtener todos los datos de condición necesarios; Se pueden proporcionar funciones adicionales mediante la misma fusión de sensores (varios tipos de sensores diferentes en uno).

Las funciones adicionales sólo tienen valor si los datos adquiridos se transmiten a nubes subordinadas. Por lo tanto, los sensores o la fusión de sensores deben poder comunicarse a una velocidad de datos suficiente. El objetivo, por supuesto, es transmitir datos en una velocidad de cuadros que se considere adecuada para la situación en cuestión y que sea lo más cercana posible al "tiempo real". No hace falta decir que transmitir todos los datos sin procesar no es realista, y que el preprocesamiento eficiente y la extracción adecuada de características en el sensor (fusión) son inevitables, incluso con la informática basada en IA.

Los sensores 3D acabarán sustituyendo a las cortinas de luz inteligentes, que ya están parcialmente mejoradas con funcionalidades 3D. El código de seguridad de EE. UU. A17.1 para ascensores y escaleras mecánicas estipula varias características, por ejemplo, monitoreo previo al área, que no se puede lograr sin una verdadera funcionalidad 3D (CEDES Group, 2017-2022).

Pero también hay sensores 3D completos y reales que pueden salvaguardar todas las hojas de la puerta, asegurando que todas las partes móviles estén cubiertas/protegidas. Los mismos sensores también pueden contar con precisión los pasajeros que suben y bajan y, mediante la monitorización de la zona de entrada, ayudan a las personas discapacitadas o mayores a entrar de forma segura en un ascensor en espera. Las características adicionales incluyen ayudar a prevenir el movimiento involuntario del automóvil (UCM) o detectar cuando las partes móviles de la cabina y los pisos (por ejemplo, las puertas) comienzan a deslizarse y, por lo tanto, solicitar mantenimiento preventivo cuando sea necesario. El compacto y disruptivo sensor multieje ToF (tiempo de vuelo) de CEDES podrá alcanzar y ofrecer este nivel de inteligencia.  

Como fusión de sensores y/o dentro de una red de sensores, estos sensores 3D (Figura 9) son inmejorables recolectores de datos y proveedores de funciones de IoT (Grupo CEDES, 2017-2022).

2.2 Sistemas de sensores y redes hasta un COP

No se trata solo de la fusión de sensores (Figura 10), ya que los sistemas de sensores también están conectados en redes y sistemas subordinados para crear una COP (ejemplo de referencia de la investigación sobre ciberseguridad de CSIRO, consultada en 2023), o imagen operativa común. La fusión de sensores ya es común en entornos automotrices.

• Sensores mejorados o nubes de puntos 3D dinámicas en evolución; dando como resultado un salto cuántico en inteligencia superior
• Fusión de sensores; el micro (eco)sistema
• Red de sensores inalámbricos (WSN); el macro (eco)sistema
• IoT; red total de “todo” – COP 

3. Gemelo digital, la base del PLM y la Industria 5.0

Un gemelo digital es una representación digital de un producto único activo o un sistema de producto-servicio único que comprende sus características, propiedades, condiciones y comportamientos seleccionados mediante modelos, información y datos dentro de una sola o incluso a través de múltiples fases del ciclo de vida (Enciclopedia CIRP de Ingeniería de Producción).

El profesor Grieves del Instituto de Tecnología de Florida fue entrevistado por la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos. Cuando se le preguntó: "¿Sería justo decir que el papel del ingeniero en un gemelo digital avanzado impulsado por IA es el de decidir los conjuntos de datos?" Grieves respondió:

“Recuerde, como seres humanos, nuestro enfoque es la orientación a objetivos, pero no siempre minimizamos los recursos. La IA puede ayudarnos a reducir recursos avisándonos sobre lo que no funcionará o si se ha probado antes. Servirá como un aumento para los humanos. Francamente, todos los datos que se recopilan son abrumadores para los humanos. Con esos datos, la IA puede organizar y optimizar nuestro proceso de decisión proporcionando a los humanos los caminos de ingeniería más razonables. Los humanos somos demasiado optimistas y tendemos a mirar sólo datos que confirman lo que estábamos pensando. Creo que la IA puede ayudarnos en ese ámbito”. 

Hay áreas técnicas muy avanzadas en los gemelos digitales; Los aviones, por ejemplo, están predestinados para estas aplicaciones (Grieves M., 2022).

Lockheed Martin Aeronautics Common Analysis Toolset Data Manager (CATDM) es una herramienta que genera el gemelo digital estructural de una aeronave (Figura 11). Se utiliza un gemelo digital estructural para visualizar todos los datos conocidos de un activo físico en una ventanilla única digital. Es una réplica digital que incluye información del material, datos de prueba, configuración y resultados de gestión de fuerza basados ​​en entornos operativos. 

La herramienta recopila datos de configuración del avión F-35, análisis y sus resultados y documentos históricos de diversas fuentes para cada número de cola a nivel de número de pieza. Esto incluye aspectos como la efectividad de la versión del tipo, ubicaciones de los puntos de control, análisis de tensión, fotografías de daños y reparaciones existentes, detalles de inspección y más. Como resultado, los clientes de Lockheed Martin se benefician de hasta un 75% de ahorro de costos en el servicio del F-35. 

Durante las misiones del F-35 se recopila una gran cantidad de datos, no solo de un avión sino principalmente de todos los aviones en servicio (Lockheed Martin CATDM, 2023). El avión de combate está equipado con una cantidad "innumerable" de sistemas de sensores que envían datos continuamente al sistema y a la nube de IoT. Esto da como resultado un COP perfecto que representa la aeronave en todas las condiciones ambientales. Como conclusión, el gemelo digital tiene literalmente más información que cada producto que contribuye al gemelo digital. 

3.1 PLM de un Producto

No es sólo el usuario quien se beneficia del gemelo digital aumentado. El fabricante dispone de un valioso flujo de información para sus actividades de innovación y desarrollo. Las versiones posteriores y sucesoras se basan enteramente en la enorme cantidad de datos analizados científicamente por la IA. Imagínese cuántos errores se pueden evitar y cuántas mejoras innovadoras se considerarán. Esta información ayuda en cada etapa del PLM. Comienza con la innovación y el desarrollo; Los tiempos del ciclo de desarrollo se reducirán significativamente y los nuevos giros de ingeniería se reducirán al mínimo. Con toda probabilidad, se evitará por completo el defecto cero por diseño. Muy interesante es la información sobre la sostenibilidad, ya sea la reutilización de los elementos, el uso de los mejores materiales para la producción o el menor consumo de energía durante el funcionamiento: todo esto tiene un impacto medioambiental positivo.  

3.2 Papel del PLM en ascensores

Los mismos métodos que se aplican a los aviones también se pueden aplicar a los ascensores, pero obviamente son mucho menos complejos. Aparte de todos los aspectos positivos, como ahorro de costes, mantenimiento preventivo y mayor eficiencia, hay un aspecto sobresaliente: cuando los ascensores en servicio proporcionan información a través de sistemas de sensores IoT (Figura 12), la seguridad de los ascensores se puede aumentar significativamente. . Los análisis basados ​​en IA descubren todas las fuentes de peligros en el diseño y los materiales aplicados.

ESG (Medio Ambiente, Social, Gobernanza) está en lo más alto de nuestra agenda. Por ello, la protección del medio ambiente y, en general, la sostenibilidad juega un papel clave. Hoy en día, hay millones de ascensores en servicio y el ahorro puede suponer una gran suma.  

La interpretación del ciclo de vida muestra que la mayoría de los impactos ambientales de un ascensor ocurren durante su período de uso, siendo la generación de electricidad uno de los principales impactos ambientales durante este período. La cantidad de CO₂Las emisiones generadas durante la vida útil de un ascensor ascienden aproximadamente a 35 t. Aproximadamente el 80% del CO₂ Las emisiones se generan durante el uso de los ascensores, al igual que aproximadamente el 71% de las emisiones de óxido de nitrógeno y alrededor del 82% de las emisiones de óxido de azufre. En comparación, CO₂ Las emisiones durante la producción de materiales son el 15% y durante la fabricación de componentes el 3% del total. 

Los valores de ACV del tratamiento de fin de vida provienen del proceso de reciclaje de chatarra multimetálica. Algunos componentes no necesitan un proceso de separación de múltiples metales, ya que pueden fundirse en una fundición sin preprocesamiento. La cantidad supuesta de material que requiere separación multimetal es el 45% del peso del material del ascensor. Cuando los metales se reciclan, hay una clara reducción en los impactos ambientales del ciclo de vida, principalmente porque el reciclaje de metales reduce la demanda de metales primarios como materia prima. En promedio, se utiliza un 70% de chatarra en la producción de hierro fundido y un 20% en la producción de chapa de acero (Consejo Sueco de Gestión Ambiental, 1999).

3.3 Industria 5.0

Los elementos clave de la actual Industria 4.0 incluyen la automatización, la robotización, el análisis de big data, los sistemas inteligentes basados ​​en sensores, la virtualización, la inteligencia artificial, el aprendizaje automático y el IoT.

No todas las empresas han considerado todos los aspectos de la Industria 4.0. Afortunadamente, no hay de qué preocuparse ya que el concepto de Industria 5.0 (Figura 13) es todavía bastante nuevo. 

La Industria 5.0 de la Unión Europea “ofrece una visión de la industria que va más allá de la eficiencia y la productividad como objetivos únicos y refuerza el papel y la contribución de la industria a la sociedad”. Y “coloca el bienestar del trabajador en el centro del proceso de producción y utiliza nuevas tecnologías para brindar prosperidad más allá del empleo y el crecimiento, respetando al mismo tiempo los límites de producción del planeta”. Complementa el enfoque de Industria 4.0 al “poner específicamente la investigación y la innovación al servicio de la transición hacia una industria europea sostenible, centrada en las personas y resiliente” (Comisión Europea, 2021).

La Industria 5.0 cambia el enfoque del valor económico al valor social y del bienestar al bienestar. Esto es notable, ya que vuelve a colocar a la fuerza laboral en el centro del desarrollo, la fabricación y el uso del producto (Forbes, 2022):

“La idea de Industria 5.0 no se limita a la 'industria'. Se aplica a todos los sectores y organizaciones que uno pueda imaginar. Esto significa que su aplicabilidad es significativamente más amplia que la de la Industria 4.0. Por lo tanto, al discutir las implicaciones de la Industria 5.0 para la estrategia, debemos adoptar una perspectiva amplia y general que se aplique a todas las industrias. Como explica la Comisión Europea en esta infografía, la Industria 5.0 tiene tres pilares clave: centrada en las personas, resiliente y sostenible. Los tres tienen implicaciones importantes para la estrategia empresarial”. 

Como cadena habilitadora (Figura 14), toda la gama de productos y sistemas de sensores, dispositivos conectados a IoT, estrategias científicas de análisis basadas en IA en la nube, plataformas de datos, SaaS (software como servicio) y DaaS que suministran servicios digitales. Los PLM basados ​​en gemelos respaldan la revolución industrial más reciente (o mejor evolución) llamada Industria 5.0.

4. Resumen y confusión

Muchos elementos que se fusionan en uno solo actúan como una cadena habilitadora. El enorme aumento de las tasas de transferencia de datos finalmente permite que los sistemas reaccionen en "tiempo real". La fusión de sensores inteligentes basada en la extracción de características precalculadas por IA inherente sirve para monitorear y controlar todo el producto y permite un salto cuántico a un mayor nivel de rendimiento. Las funciones están disponibles en la nube, mejoradas mediante análisis científicos adicionales, ya sea para el sistema real o para soportar gemelos digitales, que son una fuente importante de información PLM. En última instancia, toda la cadena ayuda a transformar la Industria 4.0 en Industria 5.0.

La “cadena habilitante” ayuda a lograr enormes ahorros en todos los aspectos del uso diario de productos, máquinas y sistemas tanto en comunidades como en instalaciones. Los ahorros de costes directos son evidentes de inmediato, es posible aumentar la eficiencia y el confort y, lo más importante, se pueden lograr importantes ahorros de energía, protegiendo así el medio ambiente. Además, se pueden anticipar situaciones peligrosas en todos los elementos, distinguirlas mediante la IA y, por tanto, evitar accidentes, mejorando notablemente la seguridad.

Agradecimientos

Incluso después de 10 años en CEDES, sigue siendo un placer trabajar cada día con grandes colegas del equipo directivo en un entorno apasionante de alta tecnología. Esta es una experiencia excepcional y uno de los elementos esenciales de la vida. Muchas gracias a mi esposa Luzia y a mis hijos Lola, Sina y Julie, cuya paciencia sustenta mi pasión; a todos los empleados de CEDES y, en particular, a todos los clientes que nos han ayudado a lograr continuamente resultados sobresalientes. Nuestros estimados proveedores nos han ayudado a superar tiempos difíciles e inciertos recientemente. Muchas gracias también a todos los interesados.

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Referencias 

[1] SISTEMAS A4 (2023). Da un paso hacia el futuro con un gemelo digital. Consultado en 2023. a4.systems/fr/blog-step-into-the-future-with-a-digital-twin/

[2] Informe de mercado de BCG Singapur (2023). Consultado en 2023. bcg.com/publications/2019

[3] Grupo CEDES (2017-2022), Documentos y folletos técnicos diversos

[4] CSIRO (2023). Imagen operativa común cibernética (CCOP). Consultado en 2023. research.csiro.au/cybersecurity-quantum-systems/cyber-common-operating-picture-ccop/

[5] Comisión Europea (2021). Hacia una industria más sostenible, resiliente y centrada en las personas. Comisión Europea I+i 7.1.21. Consultado en 2023. research-and-innovation.ec.europa.eu/news/all-research-and-innovation-news/industry-50-towards-more-sustainable-resilient-and-human-centric-industry-2021-01 -07_es

[6]Forbes (2022). ¿Qué es la Industria 5.0 y cómo cambiará radicalmente su estrategia empresarial? Consultado el 24.5.2022. forbes.com/sites/jeroenkraaijenbrink/2022/05/24/what-is-industry-50-and-how-it-will-radically-change-your-business-strategy/?sh=251e488320bd

[7] Grieves, M. (2022). Gemelos digitales inteligentes y desarrollo y gestión de sistemas complejos. Gemelo digital 2022, 2(8). 

[8] Lockheed Martin (2023). Administrador de datos del conjunto de herramientas de análisis común (CATDM), consultado en 2023 lockheedmartin.com/f35/news-and-features/delivering-digitally-for-f35-force-management-solution.html

[9] EDB del Gobierno de Singapur (2023). Plataforma inteligente hiperconectada IoT/DaaS. Consultado en 2023: edb.gov.sg/en/business-insights/insights/to-build-a-smart-nation-singapore-must-be-hyperconnected.html

[10] Consejo Sueco de Gestión Ambiental (1999).

[11] Grupo TECHNIA ADDNODE (2023). Imagen de ejemplo de PLM, consultada en 2023 technia.com/finland/