Informe de tendencias

Las soluciones de Industria 4.0 y transformación digital son prioritarias para muchos fabricantes de bombas, equipamiento de vacío y compresores. La carrera hacia el desarrollo de nuevos modelos de negocio acaba de empezar. La impresión en 3D desempeña un papel fundamental y revolucionará el mercado de recambios, según explica en este artículo la feria internacional Achema.

¿Cómo puede la industria de transformación aumentar su flexibilidad y velocidad de producción a la vez que personaliza aún más sus productos? Los sistemas convencionales de salida única no son realmente adecuados, aunque siguen reinando la producción de productos básicos. Pero para cumplir las necesidades de mayor velocidad, agilidad y personalización, se requieren diseños modulares. El objetivo es la ejecución repetitiva de funciones básicas de los sistemas, minimizando así los tiempos de proceso e instalación. Básicamente se trata de estandarizar una solución comprobada y utilizarla repetidamente, es decir, crear un escenario tipo ‘copia-pega’ para después enchufar, ¡y listo! Esto, además, facilitará el trabajo de documentación para validación.

Los proveedores que suministran equipamiento para subsistemas clave (por ejemplo, columnas, bombas y compresores) están trabajando en diseños modulares (skids) tanto para sistemas nuevos como para actualizaciones. En el futuro, los ingenieros pensarán en términos de funciones, o en otras palabras, en soluciones modulares y de sistemas; con la ventaja que conlleva el no tener que estar siempre pendientes de cada uno de los detalles de los componentes, tales como la bomba o los sistemas de vacío y de compresor. E incluso lo que es más importante: los subsistemas modularizados facilitarán la reutilización de soluciones comprobadas y prediseñadas para nuevos proyectos. Basándose en el principio de Lego, se pueden diseñar nuevos sistemas en módulos, con diferentes funciones para una amplia gama de tecnologías de producción.

Una de las características de la modularidad es su capacidad para ofrecer la misma funcionalidad en diferentes modelos dentro de una línea de producción diseñada para diferentes parámetros de funcionamiento. Este es el caso, por ejemplo, de una familia de bombas en diferentes versiones para gestionar diferentes flujos de volumen y rangos de presión. Para materializar esta idea se requiere la estadarización de componentes técnicos, lo que facilita también la cualificación y validación en los sectores regulados.

KSB ofrece corte virtual por rotor, permitiendo al usuario cambiar la velocidad de giro directamente desde su smartphone. A diferencia de la modificación mecánica en el rotor, no se requiere ningún tipo de intervención en el proceso. Por lo tanto, es posible optimizar la eficiencia energética si el flujo/punto frontal real se desvía del valor esperado o reacciona a un cambio del punto de funcionamiento en relación con el sistema. Además, la bomba puede personalizarse a posteriori, en una fase mucho más avanzada del proceso de adquisición. El número de versiones también puede verse reducido, hecho que influirá de forma notable en la selección de las bombas. Gracias a que se personaliza la velocidad de giro, se requerirán menos tamaños y formatos para cubrir todo el rango de parámetros, manteniendo prácticamente la misma eficiencia y la misma NPSH. Por su parte, como la complejidad del sistema hidráulico se reduce en más de 50%, se ahorra tiempo y dinero en la ingeniería.

Las bombas de alta presión multietapa son, por tanto, una buena opción para bloques de funciones modulares (p. ej. Grundfos, Rheinhütte, Flowserve, Xylem). Entre otras ventajas, los operarios pueden elegir diferentes combinaciones de tamaños de bomba, materiales, conexiones y características. Al variar el número de etapas de bombeo, se obtiene más flexibilidad para adaptar la capacidad de la bomba al tamaño de módulo elegido. El fabricante del sistema puede manejar el motor en un rango supersíncrono para alterar las dimensiones de la bomba, es decir, para conseguir un diseño más compacto.

Además de aumentar la estandarización, gracias a la modularización es posible configurar soluciones de bomba sencillas en la propia página web del fabricante. Asemejándose al configurador que utilizan los ingenieros para diseñar las bombas, los usuarios tienen acceso a herramientas virtuales que inician el proceso de producción real (bomba a la carta).

En respuesta al creciente y veloz incremento de los costes energéticos, cada vez se instalan más componentes electrónicos y sensores en el equipamiento giratorio. No obstante, esto en sí no es suficiente para hacer que los componentes estén preparados para la Industria 4.0. La generación de datos (big data) debe estar acompañada del análisis y la interpretación de los mismos (smart data). Los sensores proporcionan los datos, los microchips con software integrado los interpretan y, finalmente, los actuadores se encargan de dar la respuesta adecuada.

Poner en la práctica la Industria 4.0 significa que los sistemas dejen de funcionar exclusivamente bajo la supervisión de un sistema central que controla el proceso. Se trata de que la inteligencia migre a nivel de campo. Los dispositivos inteligentes de campo ejecutan funcionalidades específicas y, opcionalmente, monitorizan y controlan otros equipos técnicos.

El siguiente paso es extrapolar estos dispositivos a la nube. Así, el gemelo digital puede acceder a otras fuentes de datos o comunicarse a través de la red con otros gemelos digitales, tales como elementos activos en sistemas ciberfísicos.

La conectividad y la interactividad son fundamentales para estar perfectamente preparados para la Industria 4.0. Entre las ventajas que han convencido a los operarios en planta destacan el aumento de la transparencia, la mayor disponibilidad del sistema y unos procesos mucho más productivos.

Veamos tres ejemplos: KSB ofrece una App para comprobar el funcionamiento de las bombas. Se trata de un servicio que permite al usuario generar perfiles de carga utilizando el monitor PumpMeter, así como obtener diferentes recomendaciones para aumentar la eficiencia y la disponibilidad (se ejecuta con el sistema de velocidad variable PumpDrive).

Grundfos, por su parte, ha desarrollado una App sobre sustancias químicas para dar respuesta a los problemas que tenían sus clientes en sectores como el tratamiento de aguas y la distribución de sustancias químicas. En ocasiones, al conectar los envases a las bombas dosificadoras, se mezclaban las sustancias. Pero gracias a esta aplicación sobre sustancias químicas, los usuarios pueden estar seguros de que la bomba dosificadora aceptará exclusivamente los envases que han sido habilitados para ello desde la nube. Y no solo eso, sino que la App también monitoriza el nivel de llenado del envase y puede controlar si es necesario sustituirlo por uno nuevo.

Boge Kompressoren y Aventics han desarrollado una rejilla neumática inteligente (Smart Pneumatic Grid) para avanzar en el camino hacia la digitalización. Gracias a la inteligente conexión en red de compresores de aire y consumidores de aire comprimido, basándose el protocolo de comunicación OPC UA es posible monitorizar, controlar y optimizar toda la topología del sistema. La The Smart Pneumatic Grid captura los datos de demanda energética hasta nivel de consumidor individual y visualiza los resultados con absoluta transparencia, según Aventics. A partir de esta información, pueden obtenerse los parámetros de regulación a demanda para los compresores Boge; todo ello con un esfuerzo mínimo. Este dispositivo también envía una notificación si aumenta el consumo de aire (fuga).

Los smart data o datos inteligentes permiten crear modelos empresariales que antes eran inviables. Los fabricantes han estado vendiendo hardware, pero realmente lo que vendían era la transmisión del medio. Y es que los clientes posiblemente puedan pagar por transmitir un medio de A a B sin tener realmente que invertir en hardware. Está en manos del fabricante diseñar un proceso de flujo de materiales lo más eficiente posible. Este enfoque genera valor añadido para las soluciones convencionales.

En el futuro, los proveedores de equipamiento giratorio ofrecerán productos con un ratio de servicio más alto. En su Business Innovation Lab, KSB ha creado un grupo de trabajo dedicado a explorar diferentes oportunidades. Así, los 15-20 empleados internos y externos se han organizado en cuatro grupos con el objetivo de desarrollar servicios basados en datos técnicos de los clientes, además de identificar y expandir los servicios disponibles en plataformas web, tales como la fabricación aditiva (impresión en 3D) para recambios.

La industria de automoción está dando mucho bombo a las tecnologías híbridas. La combinación de motores eléctricos y motores de combustión interna parece ser una buena tecnología de transición. Pero en la industria de bombas también se habla mucho de las soluciones híbridas. Las bombas de etapa individual de la serie TPS fabricadas por GEA Hilge, por ejemplo, combinan el rotor convencional de una bomba centrífuga sin autocebado con una etapa de rotor de tornillo aguas arriba (inductor). Gracias a esta tecnología híbrida, se obtiene una bomba de autocebado que resulta muy adecuada como bomba de retorno CIP y para transportar medios que contienen gas. Además, es una alternativa económica a las bombas de canal lateral.

La bomba Egger TEO vortex con rotor híbrido combina las ventajas de un rotor semiabierto con las de un rotor Turo vortex. Esta bomba es ideal para transportar medios con alto contenido de gas (hasta el 10%) y sólidos de gran diámetro.

Asimismo, las temperaturas deben ser lo más altas posibile para maximizar la eficiencia de almacenamiento de calor. Hasta ahora, ninguna tecnología ha sido capaz de conseguirlo, pero investigadores han desarrollado recientemente una bomba basada en materiales cerámicos. Sus juntas, fabricadas en grafito, son resistentes a altas temperaturas. Durante 72 horas, este prototipo de bomba trabajó con estaño fundido y temperaturas de hasta 1.400 °C. La agencia de investigación del departamento de energía de EE UU (ARPA-E) ha destinado 3,6 millones de dólares a este ambicioso proyecto. En declaraciones realizadas a la revista Nature, estos investigadores indicaron que la bomba podría utilizarse para desarrollar sistemas eficaces de almacenamiento para la red eléctrica, de forma que la energía procedente de renovables, como la energía eólica o la solar, fuera tan barata y estuviera disponible con la misma facilidad que en las centrales de gas natural.

Sin duda alguna, la producción de bombas para aplicaciones de alta temperatura requiere coordinar muy bien la selección de materiales, el diseño de productos y la tecnología inteligente de los sistemas. Sin embargo, el esfuerzo merece la pena. “La energía fotovoltaica es una fuente de energía renovable con enorme potencial”, afirma el fabricante de bombas Sulzer. La demanda energética mundial sigue creciendo, pero las fuentes energéticas convencionales se están agotando, y su impacto medioambiental preocupa cada vez más a la población.

Este material, (casi) tan duro como el diamante, no es susceptible a la corrosión, es antimagnético y extremadamente resistente a la abrasión, a temperaturas y a descargas. Las piezas se moldean en un proceso de fundición mineral y luego se endurecen mediante calor para conseguir su resistencia y dureza. Las incorporaciones se mecanizan posteriormente utilizando herramientas de diamante.

Teniendo en cuenta su perfil característico, el material fundido de alta resistencia es adecuado para todo tipo de piezas húmedas de la bomba (cajas, rotores, placas de desgaste, cubiertas de las cajas) que están expuestas a estrés extremo debido a medios corrosivos y abrasivos.

Por tanto, ¿por qué no utilizar esta técnica, por ejemplo, para revitalizar el rotor en una bomba centrífuga o boquillas de bomba de pistón? El concepto de ‘producción en la nube’ desarrollado por Caterpillar y John Deere, fabricantes de maquinaria agrícola y de construcción, indica el posible rumbo que tomará la tecnología en 3D en el futuro. La idea es almacenar los datos de los recambios en una base de datos, a la que puede acceder cualquier usuario autorizado desde cualquier lugar mundo. Si un centro de servicio técnico en cualquier parte del mundo necesita un recambio, puede descargarse los datos e imprimir la pieza a nivel local.

A pesar de la euforia que genera la transformación digital, no debemos pasar por alto la seguridad. Hace poco un hacker accedió al sistema que controla las bombas de agua residual en una ciudad importante de Alemania. Por suerte, el sistema de control lo bloqueó.

La compañía BASF se muestra convencida de que el riesgo que entrañan los cibercriminales se puede controlar, ya que el controlador del sistema no está conectado a Internet. En 2015, junto con Bayer, VW y Allianz, BASF fundó la DCSO (organización alemana de ciberseguridad) en Berlín, como protección frente a los delitos cometidos en Internet. La organización actúa como repositorio de información, conocimientos, mejores prácticas y efectividad operativa para las principales empresas alemanas y pone su experiencia a disposición de sus miembros.

Namur, por su parte, ha introducido el concepto NOA (Namur Open Architecture) con el objetivo de que las soluciones de monitorización puedan acceder de forma segura a los datos, sin poner en riesgo la disponibilidad de los equipos ni su seguridad. La idea es exportar los datos desde el mundo actual de la automatización central mediante interfaces abiertas como OPC UA, hasta el mundo de los sistemas para tareas de monitorización y optimización, prácticamente sin cambiar la automatización central. Como alternativa, existen dispositivos de campo a los que se puede acceder directamente utilizando un segundo canal de comunicaciones.

La necesidad de flexibilidad, un mayor grado de personalización y una comercialización más rápida del producto sigue creciendo en la industria de transformación. Los fabricantes de bombas y equipamiento de vacío siguen teniendo que conciliar por su cuenta todas estas demandas, al menos por el momento. Además, probablemente las soluciones exóticas no sean la mejor opción. Los usuarios de la industria química y, en particular, los de industria farmacéutica, tienden a tomar decisiones conservadoras cuando seleccionan el equipamiento principal del proceso, tales como bombas y compresores. Pero contar con un historial probado es mucho más seguro que realizar afirmaciones abstractas.

El futuro de las bombas industriales a simple vista:

• Los productos sin sensores ni conectividad no serán relevantes para la Industria 4.0 del futuro.

• Los productos convencionales serán sustituidos por productos con sensores y capacidad de monitorización integrada. El estándar vendrá marcado por los sistemas ciberfísicos (CPS).

• Los fabricantes y proveedores de servicios configurarán plataformas (nube) para comunicarse con los CPS a través de puertas de enlace.

• Aquí el reto radica en filtrar las corrientes de datos relevantes y desarrollar módulos que generen un beneficio real para el cliente.

• Los CPS, la nube y el análisis de datos serán la base para los servicios personalizados.

Los informes de tendencias han sido recopilados por periodistas especializados en comercio internacional. Dechema no asume ninguna responsabilidad si la información facilitada es incompleta o incorrecta. Estos informes de tendencias pueden utilizarse gratuitamente para fines editoriales, siempre y cuando se cite la fuente. (Véase también www.achema.de)