Internet industrial de las cosas

El Internet industrial de las cosas ( IIoT ) se refiere a sensores, instrumentos y otros dispositivos interconectados en red con aplicaciones industriales de computadoras, incluidas la fabricación y la gestión de la energía. Esta conectividad permite la recopilación, el intercambio y el análisis de datos, lo que potencialmente facilita mejoras en la productividad y la eficiencia, así como otros beneficios económicos. ^{[1] [2]} El IIoT es una evolución de un sistema de control distribuido (DCS) que permite un mayor grado de automatización mediante el uso de la computación en la nube para refinar y optimizar los controles de procesos.

El IIoT está habilitado por tecnologías como la ciberseguridad , la computación en la nube , la computación de borde , las tecnologías móviles , la comunicación de máquina a máquina , la impresión 3D , la robótica avanzada , el big data , la Internet de las cosas , la tecnología RFID y la computación cognitiva . ^{[3] [4]} A continuación se describen cinco de las más importantes:

• Sistemas ciberfísicos (CPS): plataforma tecnológica básica para IoT e IIoT y, por lo tanto, el principal facilitador para conectar máquinas físicas que antes estaban desconectadas. Los CPS integran la dinámica del proceso físico con las del software y la comunicación, proporcionando abstracciones y técnicas de modelado, diseño y análisis. ^[1]
• Computación en la nube : con la computación en la nube, los servicios y recursos de TI se pueden cargar y recuperar a través de Internet, en lugar de hacerlo mediante una conexión directa a un servidor. Los archivos se pueden guardar en sistemas de almacenamiento basados ​​en la nube en lugar de en dispositivos de almacenamiento locales. ^[5]
• Computación de borde : Un paradigma de computación distribuida que acerca el almacenamiento de datos informáticos al lugar donde se los necesita. ^[6] A diferencia de la computación en la nube , la computación de borde se refiere al procesamiento de datos descentralizado en el borde de la red. ^[7] La ​​Internet industrial requiere más una arquitectura de borde más nube en lugar de una basada en una nube puramente centralizada; con el fin de transformar la productividad, los productos y los servicios en el mundo industrial. ^[4]
• Análisis de big data : el análisis de big data es el proceso de examinar conjuntos de datos grandes y variados, o big data. ^[8]
• Inteligencia artificial y aprendizaje automático : La inteligencia artificial (IA) es un campo dentro de la informática en el que se crean máquinas inteligentes que funcionan y reaccionan como los humanos. ^[9] El aprendizaje automático es una parte fundamental de la IA, que permite que el software prediga resultados con mayor precisión sin estar programado explícitamente. ^[10] También es posible combinar la inteligencia artificial con la informática de borde para proporcionar soluciones de inteligencia de borde industrial. ^[11] Hay muchos casos de uso que utilizan IA con IIoT, por nombrar algunos: monitoreo de condiciones y mantenimiento predictivo , ^[12] optimización de procesos, ^[13] aprendizaje federado ^[14] ...

Los sistemas IIoT suelen concebirse como una arquitectura modular en capas de tecnología digital. ^[15] La capa de dispositivo se refiere a los componentes físicos: CPS, sensores o máquinas. La capa de red consta de buses de red físicos, computación en la nube y protocolos de comunicación que agregan y transportan los datos a la capa de servicio , que consta de aplicaciones que manipulan y combinan datos para convertirlos en información que se puede mostrar en el panel del conductor. El estrato superior de la pila es la capa de contenido o la interfaz de usuario. ^[16]

La historia del IIoT comienza con la invención del controlador lógico programable (PLC) por Richard E. Morley en 1968, que fue utilizado por General Motors en su división de fabricación de transmisiones automáticas. ^[17] Estos PLC permitieron un control preciso de elementos individuales en la cadena de fabricación. En 1975, Honeywell y Yokogawa introdujeron los primeros DCS del mundo, el TDC 2000 y el sistema CENTUM, respectivamente. ^{[18] [19]} Estos DCS fueron el siguiente paso para permitir un control flexible de procesos en toda una planta, con el beneficio adicional de redundancias de respaldo al distribuir el control en todo el sistema, eliminando un punto singular de falla en una sala de control central.

Con la introducción de Ethernet en 1980, la gente comenzó a explorar el concepto de una red de dispositivos inteligentes ya en 1982, cuando una máquina de Coca-Cola modificada en la Universidad Carnegie Mellon se convirtió en el primer aparato conectado a Internet, ^[20] capaz de informar su inventario y si las bebidas recién cargadas estaban frías. ^[21] Ya en 1994, se imaginaron mayores aplicaciones industriales, como Reza Raji describió el concepto en IEEE Spectrum como "[mover] pequeños paquetes de datos a un gran conjunto de nodos, para integrar y automatizar todo, desde electrodomésticos hasta fábricas enteras". ^[22]

El concepto de Internet de las cosas se hizo popular por primera vez en 1999, a través del Auto-ID Center del MIT y publicaciones de análisis de mercado relacionadas. ^[23] Kevin Ashton (uno de los fundadores del Auto-ID Center original) consideró que la identificación por radiofrecuencia ( RFID ) era un requisito previo para la Internet de las cosas en ese momento. ^[24] Si todos los objetos y personas de la vida diaria estuvieran equipados con identificadores, las computadoras podrían administrarlos e inventariarlos. ^{[25] [26] [27]} Además de usar RFID, el etiquetado de cosas se puede lograr a través de tecnologías como la comunicación de campo cercano , los códigos de barras , los códigos QR y la marca de agua digital . ^{[28] [29]}

La concepción actual del IIoT surgió tras el surgimiento de la tecnología de la nube en 2002, que permite el almacenamiento de datos para examinar tendencias históricas, y el desarrollo del protocolo de Arquitectura Unificada OPC en 2006, que permitió comunicaciones remotas seguras entre dispositivos, programas y fuentes de datos sin necesidad de intervención humana o interfaces.

Una de las primeras consecuencias de implementar el Internet industrial de las cosas (al equipar los objetos con minúsculos dispositivos de identificación o identificadores legibles por máquinas) sería crear un control de inventario instantáneo e incesante. ^{[30] [31]} Otro beneficio de implementar un sistema IIoT es la capacidad de crear un gemelo digital del sistema. El uso de este gemelo digital permite una mayor optimización del sistema al permitir la experimentación con nuevos datos de la nube sin tener que detener la producción o sacrificar la seguridad, ya que los nuevos procesos se pueden refinar virtualmente hasta que estén listos para ser implementados. Un gemelo digital también puede servir como un campo de entrenamiento para nuevos empleados que no tendrán que preocuparse por los impactos reales en el sistema en vivo. ^[32]

Los marcos de IoT ayudan a respaldar la interacción entre "cosas" y permiten estructuras más complejas como la computación distribuida y el desarrollo de aplicaciones distribuidas .

• IBM ha anunciado ^{[ ¿cuándo? ]} la IoT cognitiva, que combina la IoT tradicional con inteligencia y aprendizaje de máquinas, información contextual, modelos específicos de la industria y procesamiento del lenguaje natural. ^[33]
• La XMPP Standards Foundation (XSF) está creando ^{[ ¿cuándo? ]} un marco de trabajo llamado Chatty Things, que es un estándar totalmente abierto e independiente del proveedor que utiliza XMPP para proporcionar una infraestructura distribuida, escalable y segura. ^[34]
• REST es una arquitectura escalable que permite que las cosas se comuniquen a través del Protocolo de Transferencia de Hipertexto y se adopta fácilmente para que las aplicaciones de IoT proporcionen comunicación desde una cosa a un servidor web central. ^[35]
• MQTT es una arquitectura de publicación-suscripción sobre TCP/IP que permite la comunicación bidireccional entre una cosa y un agente MQTT. ^[36]
• Node-RED es un software de código abierto diseñado por IBM para conectar API, hardware y servicios en línea. ^[37]
• OPC es una serie de estándares diseñados por la Fundación OPC para conectar sistemas informáticos a dispositivos automatizados. ^[37]
• Servicio de distribución de datos (DDS) de OMG : es un estándar de middleware internacional abierto que aborda directamente las comunicaciones de publicación y suscripción para sistemas integrados y en tiempo real . ^{[38] [39]}
• La Arquitectura de Referencia de Internet Industrial (IIRA) del Consorcio de Internet Industrial (IIC) y la Industria 4.0 alemana son esfuerzos independientes para crear un estándar definido para las instalaciones habilitadas para IIoT. ^[37]

El término Internet industrial de las cosas se utiliza a menudo en las industrias manufactureras y hace referencia al subconjunto industrial de la IoT. Los posibles beneficios de la Internet industrial de las cosas incluyen una mayor productividad, análisis y transformación del lugar de trabajo. ^[40] Se prevé que el potencial de crecimiento mediante la implementación de la IIoT genere 15 billones de dólares de PIB mundial para 2030. ^{[40] [41]}

Si bien la conectividad y la adquisición de datos son imperativas para el IIoT, no son los objetivos finales, sino más bien la base y el camino hacia algo más grande. De todas las tecnologías, el mantenimiento predictivo es una aplicación "más fácil", ya que es aplicable a los activos y sistemas de gestión existentes. Los sistemas de mantenimiento inteligente pueden reducir el tiempo de inactividad inesperado y aumentar la productividad, lo que se proyecta que ahorrará hasta un 12% en reparaciones programadas, reducirá los costos generales de mantenimiento hasta un 30% y eliminará las averías hasta un 70%, según algunos estudios. ^{[40] [42]} Los sistemas ciberfísicos (CPS) son la tecnología central del big data industrial y serán una interfaz entre el mundo humano y el cibernético.

La integración de sistemas de detección y actuación conectados a Internet puede optimizar el consumo de energía en su conjunto. ^[43] Se espera que los dispositivos IoT se integren en todas las formas de dispositivos consumidores de energía (interruptores, tomas de corriente, bombillas, televisores, etc.) y puedan comunicarse con la empresa de suministro de servicios públicos para equilibrar eficazmente la generación y el uso de energía. ^[44] Además de la gestión de energía en el hogar, el IIoT es especialmente relevante para la red inteligente , ya que proporciona sistemas para recopilar y actuar sobre la energía y la información relacionada con la energía de manera automatizada con el objetivo de mejorar la eficiencia, la confiabilidad, la economía y la sostenibilidad de la producción y distribución de electricidad. ^[44] Al utilizar dispositivos de infraestructura de medición avanzada (AMI) conectados a la red troncal de Internet, las empresas de servicios eléctricos no solo pueden recopilar datos de las conexiones de los usuarios finales, sino también administrar otros dispositivos de automatización de la distribución como transformadores y reconectadores. ^[43]

A partir de 2016, otras aplicaciones en el mundo real incluyen la incorporación de LED inteligentes para dirigir a los compradores a espacios de estacionamiento vacíos o resaltar patrones de tráfico cambiantes, el uso de sensores en purificadores de agua para alertar a los gerentes a través de una computadora o un teléfono inteligente cuándo reemplazar piezas, la colocación de etiquetas RFID en equipos de seguridad para rastrear al personal y garantizar su seguridad, la incorporación de computadoras en herramientas eléctricas para registrar y rastrear el nivel de torsión de los ajustes individuales y la recopilación de datos de múltiples sistemas para permitir la simulación de nuevos procesos. ^[41]

El uso de IIoT en la fabricación de automóviles implica la digitalización de todos los elementos de producción. El software, las máquinas y los humanos están interconectados, lo que permite a los proveedores y fabricantes responder rápidamente a los estándares cambiantes. ^[45] IIoT permite una producción eficiente y rentable al mover datos de los clientes a los sistemas de la empresa y luego a secciones individuales del proceso de producción. Con IIoT, se pueden incluir nuevas herramientas y funcionalidades en el proceso de fabricación. Por ejemplo, las impresoras 3D simplifican la forma de dar forma a las herramientas de prensado al imprimir la forma directamente a partir de granulado de acero. ^[46] Estas herramientas permiten nuevas posibilidades de diseño (con alta precisión). La personalización de vehículos también es posible gracias a IIoT debido a la modularidad y conectividad de esta tecnología. ^[45] Mientras que en el pasado trabajaban por separado, IIoT ahora permite que humanos y robots cooperen. ^[46] Los robots asumen actividades pesadas y repetitivas, por lo que los ciclos de fabricación son más rápidos y el vehículo llega al mercado más rápidamente. Las fábricas pueden identificar rápidamente posibles problemas de mantenimiento antes de que provoquen tiempos de inactividad y muchas de ellas están pasando a una planta de producción de 24 horas, debido a una mayor seguridad y eficiencia. ^[45] La mayoría de las empresas fabricantes de automóviles tienen plantas de producción en diferentes países, donde se construyen diferentes componentes del mismo vehículo. El IIoT permite conectar estas plantas de producción entre sí, creando la posibilidad de moverse dentro de las instalaciones. Los macrodatos se pueden monitorear visualmente, lo que permite a las empresas responder más rápidamente a las fluctuaciones en la producción y la demanda.

Con el apoyo de IIOT, se pueden almacenar y enviar grandes cantidades de datos sin procesar desde los equipos de perforación y las estaciones de investigación para su almacenamiento y análisis en la nube. ^[47] Con las tecnologías IIOT, la industria del petróleo y el gas tiene la capacidad de conectar máquinas, dispositivos, sensores y personas a través de la interconectividad, lo que puede ayudar a las empresas a abordar mejor las fluctuaciones en la demanda y los precios, abordar la ciberseguridad y minimizar el impacto ambiental. ^[48]

En toda la cadena de suministro, la IIOT puede mejorar el proceso de mantenimiento, la seguridad general y la conectividad. ^[49] Los drones se pueden utilizar para detectar posibles fugas de petróleo y gas en una etapa temprana y en lugares de difícil acceso (por ejemplo, en alta mar). También se pueden utilizar para identificar puntos débiles en redes complejas de tuberías con sistemas de imágenes térmicas integrados. Una mayor conectividad (integración de datos y comunicación) puede ayudar a las empresas a ajustar los niveles de producción en función de datos en tiempo real de inventario, almacenamiento, ritmo de distribución y demanda prevista. Por ejemplo, un informe de Deloitte afirma que al implementar una solución IIOT que integre datos de múltiples fuentes internas y externas (como el sistema de gestión del trabajo, el centro de control, los atributos de las tuberías, las puntuaciones de riesgo, los hallazgos de la inspección en línea, las evaluaciones planificadas y el historial de fugas), se pueden monitorear miles de kilómetros de tuberías en tiempo real. Esto permite monitorear las amenazas de las tuberías, mejorar la gestión de riesgos y proporcionar conocimiento de la situación. ^[50]

Los beneficios también se aplican a procesos específicos de la industria del petróleo y el gas. ^[49] El proceso de exploración de petróleo y gas se puede realizar con mayor precisión con modelos 4D construidos por imágenes sísmicas. Estos modelos mapean las fluctuaciones en las reservas de petróleo y los niveles de gas, buscan señalar la cantidad exacta de recursos necesarios y pronostican la vida útil de los pozos. La aplicación de sensores inteligentes y perforadores automatizados brinda a las empresas la oportunidad de monitorear y producir de manera más eficiente. Además, el proceso de almacenamiento también se puede mejorar con la implementación de IIOT mediante la recopilación y el análisis de datos en tiempo real para monitorear los niveles de inventario y el control de temperatura. IIOT puede mejorar el proceso de transporte de petróleo y gas mediante la implementación de sensores inteligentes y detectores térmicos para brindar datos de geolocalización en tiempo real y monitorear los productos por razones de seguridad. Estos sensores inteligentes pueden monitorear los procesos de refinería y mejorar la seguridad. La demanda de productos se puede pronosticar con mayor precisión y comunicarse automáticamente a las refinerías y plantas de producción para ajustar los niveles de producción.

En el sector agrícola, la IIoT ayuda a los agricultores a tomar decisiones sobre cuándo cosechar. Los sensores recogen datos sobre las condiciones del suelo y del clima y proponen programas de fertilización y riego. ^[51] Algunas granjas ganaderas implantan microchips en los animales. Esto permite a los agricultores no solo rastrear a sus animales, sino también obtener información sobre el linaje, el peso o la salud. ^[52]

La integración de datos IIoT en la industria fotovoltaica (PV) puede mejorar significativamente la eficiencia, la confiabilidad y el rendimiento de los sistemas de energía solar. ^[53] El IIoT con datos de IA se puede utilizar para monitoreo en tiempo real, optimización del rendimiento, detección de fallas y diagnósticos. ^[54]

A medida que el IIoT se expande, surgen nuevas preocupaciones de seguridad. Cada nuevo dispositivo o componente que se conecta al IIoT ^[55] puede convertirse en un potencial riesgo. Gartner estima que para 2020, más del 25% de los ataques reconocidos a las empresas involucrarán sistemas conectados a IoT, a pesar de representar menos del 10% de los presupuestos de seguridad de TI. ^[56] Las medidas de ciberseguridad existentes son muy inferiores para los dispositivos conectados a Internet en comparación con sus contrapartes informáticas tradicionales, ^[57] lo que puede permitir que sean secuestrados para ataques basados ​​en DDoS por botnets como Mirai . Otra posibilidad es la infección de controladores industriales conectados a Internet, como en el caso de Stuxnet , sin la necesidad de acceso físico al sistema para propagar el gusano. ^[58]

Además, los dispositivos habilitados para IIoT pueden permitir formas más "tradicionales" de ciberdelito, como en el caso de la violación de datos de Target en 2013, donde la información fue robada después de que los piratas informáticos obtuvieran acceso a las redes de Target a través de credenciales robadas de un proveedor externo de HVAC. ^[59] La industria de fabricación farmacéutica ha sido lenta en adoptar los avances de IIoT debido a preocupaciones de seguridad como estas. ^[60] Una de las dificultades para proporcionar soluciones de seguridad en aplicaciones IIoT es la naturaleza fragmentada del hardware. ^[61] En consecuencia, las arquitecturas de seguridad están girando hacia diseños que se basan en software o son independientes del dispositivo. ^[62]

Los enfoques basados ​​en hardware, como el uso de diodos de datos , se utilizan a menudo para conectar infraestructura crítica. ^[63]

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