A partir de los datos obtenidos mediante las entrevistas a los expertos en IIoT y con la revisión de la literatura sobre IIoT, surgieron tres categorías principales con sus temas que se utilizaron para compilar el marco de IIoT según la Fig: El marco de IIoT. Estas categorías y temas son
La arquitectura IIoT: La arquitectura de la IIoT como categoría tenía cuatro temas, a saber, los componentes de hardware y software, los aspectos de seguridad de la IIoT y la comunicación dentro de la IIoT.
Categoría de implementación: La categoría de implementación consideró los temas de pre-implementación, implementación y post-implementación.
La categoría de conocimiento de la IIoT: La categoría de conocimiento de la IIoT consistió en las ventajas, las desventajas y la formación y concienciación.
A continuación se analizan las categorías y los temas que conforman el marco de la IIoT.
1.1 Arquitectura de la IIoT
La arquitectura de la IIoT, tal y como se describe en el marco de la IIoT, es un conjunto integrado de los componentes necesarios para el éxito de la IIoT Sin la arquitectura, que consta de hardware, software, seguridad y comunicaciones, no habría medios para obtener los beneficios de la IIoT. La figura 2 se construyó a partir de la arquitectura de la literatura descrita por Pena, Boyes y Holdowsky. Estas opiniones se tuvieron en cuenta junto con las respuestas de los entrevistados para construir la arquitectura necesaria, tal y como se muestra en la figura 2. La Arquitectura IIoT construida no tuvo en cuenta las sugerencias de añadir una capa de validación de datos como se describe en los trabajos de Kristofferson. Esta visión adicional podría complementar la Arquitectura IIoT propuesta en la Fig. 2.
Fig. 2. Arquitectura IIoT descubierta a partir de la literatura y las entrevistas
Con respecto a la Fig. 2, la capa de generación de datos contiene los dispositivos de medición, también llamados cosas en el ámbito del IIoT, que miden diferentes parámetros. Estos dispositivos constan de componentes de hardware y software. Dentro del nivel de dispositivos podría haber comunicación de máquina a máquina, y los distintos protocolos de comunicación son relevantes. La automatización también podría estar dentro de este nivel de IIoT. La seguridad en este nivel es necesaria para garantizar la integridad de los datos y evitar paradas en el entorno de producción. Los dispositivos de medición podrían comunicarse de forma inalámbrica con la capa de recogida y almacenamiento de datos, y se necesita un alto nivel de solidez para el funcionamiento continuo del hardware. El flujo de datos desde este nivel inferior hasta la capa de recogida y almacenamiento de datos.
La capa de recogida y almacenamiento de datos identificada a partir de las conclusiones también consta de un componente de hardware y otro de software. El hardware podría estar localmente en las instalaciones o hacer uso de servicios en la nube fuera de las instalaciones. El hardware se utiliza junto con el software para recoger y almacenar datos. También se necesita un alto nivel de seguridad en esta capa. Los datos pueden consistir en datos estructurados o no estructurados y pueden utilizar fuentes de big data.
Por último, la capa de contextualización de los datos -ya sea in situ, fuera de las instalaciones o en la nube- presenta los datos de forma que la empresa pueda darles sentido. Los datos se convierten en información dentro de esta capa y pueden presentarse visualmente en forma de informe o de pantalla de control y adquisición de datos (SCADA). La analítica también podría realizarse dentro de esta capa, así como el aprendizaje automático y el reconocimiento de patrones. Conboy menciona los mecanismos de generación de valor. Estos mecanismos, en lo que respecta a la analítica, podrían complementar la capa de contextualización de datos en la arquitectura IIoT propuesta.
Hardware.
Una consideración crítica en la selección del equipo en un entorno industrial es el hardware que puede soportar las duras condiciones de producción. En un entorno minero, los factores ambientales de la zona minera podrían ser el calor extremo, el polvo, las fuerzas mecánicas y la lluvia. Para que cualquier hardware siga funcionando, debe ser capaz de soportar estos elementos. También es crucial que el dispositivo mantenga su funcionamiento dentro de un entorno industrial. Si el hardware fallara, podría significar incidentes de seguridad o pérdidas de producción. Los equipos deben ser muy fiables, robustos, poseer una gran resistencia a los fallos y estar disponibles siempre que el proceso necesite su funcionamiento. En algunos ámbitos, la redundancia de hardware se realiza para garantizar que el hardware de un determinado proceso esté respaldado por un conjunto de equipos de reserva en caso de fallo. Para que cualquier implementación de la IIoT tenga éxito, es necesario contar con el siguiente hardware mínimo:
Dispositivos IIoT.
También se citó la posibilidad de escalar los dispositivos de la IIoT cuando lleguen a ser miles como una consideración previa a la aplicación de los dispositivos de hardware de la IIoT. Los encuestados mencionaron que las preguntas durante una consideración de implementación: ¿Habrá suficientes recursos técnicos para instalar la magnitud de los sensores requeridos en la instalación que va a los miles de sensores? Además, ¿el hardware de apoyo que aloja las plataformas es capaz de procesar la cantidad de datos?
Redes y cobertura de red para la comunicación entre las diferentes capas.
Una plataforma de hardware anfitriona puede estar en la nube o en las instalaciones. Esta plataforma de hardware alberga el almacenamiento de datos, la recogida y la contextualización de los mismos. A partir de las conclusiones, cabe señalar que si no se dispone de una conectividad fiable con la nube, el almacenamiento, la recopilación y la contextualización de los datos deben realizarse in situ. Esto es para no exponer a la empresa al riesgo si hay interrupciones de comunicación con la nube que puedan afectar a un proceso crítico. Un ejemplo podría ser cuando un proceso de fabricación que moldea plástico pierde la conectividad con la nube y el proceso se detiene. Hay que tener en cuenta si hay suficiente espacio de hardware asignado para el almacenamiento de la información y el alojamiento de los servicios.
Dispositivos de puerta de enlace que ayudan a las soluciones de seguridad.
Software.
Deben considerarse las plataformas de software necesarias para la solución IIoT y si estas plataformas podrían integrarse fácilmente con las plataformas existentes.
Dentro de la IIoT, la inteligencia podría descender hasta el nivel de los instrumentos. Si este es el caso, se necesitará inteligencia en el nivel de los dispositivos de medición y la capacidad de manejar la automatización en el nivel inferior. Los sistemas industriales deben ser fácil y frecuentemente reprogramables para apoyar los procesos cambiantes. Dentro de los procesos industriales complejos, se intenta regularmente mejorar los procesos. Por lo tanto, los sistemas que apoyan estos procesos deben ser fácilmente adaptables.
Es necesario tener en cuenta las plataformas necesarias para la solución de la IIoT y si se integrará fácilmente con las plataformas existentes. Las plataformas son relevantes cuando la implementación de la IIoT se realiza en un sitio existente.
El software debe ser altamente fiable, robusto, poseer una gran resistencia a los fallos y estar disponible siempre que el proceso necesite su funcionamiento. El tiempo de funcionamiento del sistema es crítico en los procesos industriales.
Es necesario un protocolo de comunicaciones seguro y la seguridad de los datos dentro de cualquier solución IIoT. La seguridad es especialmente relevante en el entorno de la IIoT, que confía en la seguridad, la protección y la fiabilidad de sus operaciones. La IIoT tiene un mayor nivel de seguridad debido a la naturaleza crítica de una interrupción de un proceso de fabricación de gran volumen o la caída de la red eléctrica que podría tener un impacto económico . Raynor y Cotteleer opinan que hay que tener en cuenta los retos de seguridad de los sensores antes de comenzar cualquier implementación. Holdowsky también señala los requisitos de seguridad en el protocolo de comunicaciones que podrían tener un impacto en la seguridad, la protección y la fiabilidad dentro de una implementación de la IIoT. Soldatos también está de acuerdo en que una de las preocupaciones críticas es el aspecto de la seguridad en torno a la transmisión de información dentro de la IIoT.
Comunicación.
Raynor y Cotteleer definen la comunicación como un estado para la transmisión de información de un lugar a otro y luego la agregación o recopilación de los datos de las diferentes fuentes y tiempos. Los encuestados mencionaron que se debe tener en cuenta la disponibilidad de las redes y si es posible utilizarlas, y que los protocolos de comunicación industrial se ajusten a la tecnología de red de área extensa de bajo consumo. Las plataformas de comunicación de hardware y software de la IIoT existentes no deberían obstaculizar la implantación de una solución de IIoT. Las redes existentes deberían tenerse en cuenta para la implantación de la IIoT. Uno de los encuestados recomendó que la legislación sudafricana se adapte a las comunicaciones entre dispositivos. La legislación fue señalada como un reto y «los reguladores de las comunicaciones necesitan alinear sus reglamentos relativos a las comunicaciones IIoT». Sin una comunicación fiable entre los diferentes niveles de la IIoT, no se podría llevar a cabo una implementación satisfactoria.
En las implementaciones de la IIoT, las comunicaciones deben ser altamente fiables, robustas, poseer una alta resiliencia a los fallos y estar disponibles siempre que el proceso necesite su funcionamiento. El tiempo de actividad de las comunicaciones es crítico en los procesos industriales, y la solución debe tener una baja latencia debido a los sistemas de producción de alta velocidad que se utilizan.
1.2 Implementación de la IIoT
Pre-implementación.
Antes de la implementación de cualquier solución IIoT, debe haber una necesidad o un problema que resolver. Es imprescindible comprender claramente los requisitos y la información del negocio/usuario. La necesidad de negocio debe estar respaldada por un caso de negocio claro que justifique la implementación de la tecnología y garantice que hay un retorno de la inversión en la tecnología. Esta necesidad empresarial debe documentarse para garantizar que la solución de la IIoT respalde la necesidad.
A continuación, debe crearse un documento de diseño detallado, basado en los requisitos del usuario, antes de cualquier implementación de la IIoT. Este intrincado diseño podría dirigir la implementación de la solución IIoT. Este diseño debe tener en cuenta los indicadores clave de rendimiento que deben alcanzarse, así como la tecnología disponible. El diseño detallado también debe determinar si la implementación es una instalación nueva (greenfields) o una instalación existente (brownfields). Debe determinarse si la infraestructura y la arquitectura existentes son compatibles con la infraestructura existente. Se debe tomar una decisión sobre la tecnología. Esta selección de la tecnología debería tener en cuenta la facilidad de servicio y mantenimiento de la tecnología y los caminos deberían actualizarse durante el ciclo de vida. La empresa debe tener una visión clara de cómo funcionará la aplicación después de la implantación y qué se espera de ella. En cuanto al personal, debe planificarse la contratación de personal cualificado después de la instalación para mantener la implantación de la IIoT. Hay que tener en cuenta si la implantación de la solución es un éxito. Si las ventajas de la implementación de la IIoT se materializan con un aumento de la producción, ¿el producto adicional producido a partir de una implementación exitosa de la IIoT sería vendible y existe un mercado para él? ¿Puede la logística de la organización acomodar el aumento del producto?
Blanchette hizo hincapié en la importancia de una planificación exhaustiva antes de iniciar cualquier implantación de la IIoT. La planificación también se citó como un factor esencial antes de comenzar cualquier implantación de la IIoT, ya que no se han identificado directrices formales sobre la misma.
En este sentido, Lueth afirma que los proyectos de IIoT tardan más de 18 meses de lo que se había previsto inicialmente. En la base de una planificación exhaustiva, Blanchette insiste en la creación de una situación de referencia (tal como está) de la organización. Los encuestados mencionaron que la línea de base debe considerar:
Si se utilizan servicios en la nube, la presencia de analítica de datos, los informes necesarios relevantes para la toma de decisiones y el nivel de automatización.
La demografía del negocio.
La escalabilidad de los dispositivos de la IIoT cuando crecen hasta los miles.
La compatibilidad de los equipos y sistemas más nuevos dentro de la IIoT para funcionar con los sistemas existentes o heredados.
La consolidación de los diferentes datos de origen, antes de la implementación.
Una visión clara de dónde quiere posicionarse la empresa en el futuro.
Una comprensión clara de la tecnología necesaria para su implementación.
El mapeo del flujo de datos desde donde se originan los datos hasta donde se necesitan.
Implantación:
La arquitectura detallada es necesaria cuando se inicia la implantación de soluciones de IIoT y debe contener decisiones sobre la tecnología seleccionada. La gestión del cambio durante la ejecución es fundamental para garantizar la adopción de la solución y la obtención de beneficios. Durante la ejecución de la implementación de la IIoT, es vital utilizar un equipo de implementación capacitado. Las recomendaciones de los encuestados durante la implantación de soluciones de IIoT fueron que se planifiquen y se persigan pequeños hitos del proyecto alcanzables para garantizar el éxito de la implantación de la IIoT. Hay que tener en cuenta el tiempo necesario para una implantación de la IIoT a gran escala.
Después de la implantación:
Debe realizarse una revisión de los entregables de la IIoT y comprobar si se han cumplido. Deben introducirse los procedimientos pertinentes y la gobernanza necesaria para gestionar la infraestructura y el entorno de la IIoT.
1.3 Conocimiento de la IIoT
Formación y concienciación.
Puede haber una falta de competencias internas para la implantación de la IIoT y su mantenimiento posterior. La falta de competencias internas para la implantación de la IIoT supone un reto para la organización, por lo que debe considerarse si se dispone de las competencias personales necesarias durante la implantación y el mantenimiento posterior. También podría existir una falta de competencias adecuadas en los diferentes niveles de la arquitectura de la IIoT. De la investigación se desprende que hay margen de mejora en la formación de las empresas en cuanto a las posibilidades de la Industria 4.0.
Es necesario crear conciencia dentro de la organización sobre la gestión de los cambios culturales y organizativos necesarios con la implantación de la IIoT. Estos cambios culturales y organizativos serían un factor determinante para la escasa adopción de las soluciones implantadas si no se produce una adecuada gestión del cambio.
La concienciación y la formación deberían cubrir cualquier falta de competencias internas para las implantaciones de la IIoT y su mantenimiento después de la implantación. Un mantenimiento adecuado significaría que se necesita personal competente después de la instalación para mantener la implementación. En este sentido, la organización debe educar a la empresa en cuanto a las posibilidades de la Industria 4.0 para que se dé cuenta de los posibles casos empresariales de valor añadido.
Desafíos.
Se necesita personal con la experiencia adecuada en la entrega de soluciones IIoT en la industria específica para la implementación y el mantenimiento de las soluciones implementadas. Otros retos son:
Gestión de los cambios culturales y organizativos.
Los representantes de las empresas son reacios a apoyar las soluciones implantadas si no se ha realizado una gestión adecuada del cambio antes de la implantación de la IIoT.
Introducción de nuevas tecnologías en la infraestructura y el entorno existentes en términos de conectividad, seguridad y plataformas.
La infraestructura y las plataformas existentes existen cuando se implementa la IIoT.
Las organizaciones de nueva creación no tienen problemas con los sistemas heredados.
Habilidades de las personas en términos de IIoT.
Protocolos de comunicación existentes en uso.
Sistemas y hardware existentes en uso.
Retos de conectividad de red.
Ventajas.
Las ventajas descritas son que la IIoT tiene el potencial de beneficiar a las organizaciones industriales y puede complementar las inversiones tecnológicas existentes. Las ventajas incluyen la obtención de cuota de mercado, el aumento de la eficiencia, el conocimiento de las operaciones empresariales y la visión de los diferentes aspectos de la organización.
Aplicación del marco IIoT
El marco de la IIoT, tal como se describe en la Secc. 4, informaría las decisiones a nivel de producto, técnico y empresarial en términos de la IIoT para desbloquear los beneficios que la IIoT podría tener para las organizaciones industriales. Al aplicar el marco descubierto para descubrir las necesidades necesarias en términos de decisiones técnicas y empresariales en las diferentes capas de la IIoT, se podrían seguir los siguientes pasos.
1. El usuario se aseguraría de que existe un caso de negocio claro o una necesidad de las ventajas que la IIoT podría ofrecer a las operaciones industriales.
2. Tras el negocio, el caso es una evaluación de la infraestructura necesaria (hardware y software) para cualquier implementación de IIoT.
3. Después de una evaluación y comprensión de los requisitos técnicos necesarios para una solución IIoT, el usuario se referiría a la consideración antes, durante y después de la implementación de una iniciativa IIoT dentro de los entornos industriales.
Conclusión
Este documento presenta un marco descubierto para la IIoT que podría utilizarse como base para las decisiones específicas de implementación de la IIoT. Este marco ayudaría a los representantes de la minería a implementar soluciones de IIoT. En 2017, solo el 12% de los representantes de la minería habían implementado soluciones de IIoT en cierto grado o en su totalidad. El Foro Económico Mundial predice que el impacto esperado de la transformación digital en la industria minera está en la región de 428 mil millones de dólares y 784 mil millones de dólares.
Este marco incluía la arquitectura IIoT necesaria, al tiempo que se consideraban los aspectos específicos de hardware, software, seguridad y comunicación. Dentro de este marco, también se consideró en términos de aspectos previos, durante y posteriores a la implementación y se exploraron las ventajas, desventajas y capacitación en términos de la IIoT. El uso de este marco ayudaría a las organizaciones industriales y a las partes interesadas en las soluciones de la IIoT a comprender las consideraciones específicas relativas a la IIoT.
Referencias :
Un marco de trabajo para el Internet de las cosas industrial
Desarrollando su marco de trabajo de IoT – DZone IoT
La guía de marcos de desarrollo de IoT y mejores prácticas | Muy
