REVISTA CUBANA
DE TRANSFORMACIÓN DIGITAL
ARTÍCULO ORIGINAL
RNPS 2487 • ISSN 2708-3411
Vol. 4 • Nro. 3 • julio-septiembre 2023 • e222
1
Propuesta de una arquitectura de monitoreo
industrial orientada a Industria 4.0
Proposal for an Industrial Monitoring Architecture
Oriented to Industry 4.0
Ramón Quiza Sardiñas
ramon.quiza@umcc.cu • https://orcid.org/0000-0003-1293-6044
Onell Hernández Ramírez
onell.hernandez@umcc.cu • https://orcid.org/0000-0002-6252-6564
Yanelys Cuba Arana
yanelys.cuba@umcc.cu • https://orcid.org/0000-0002-9535-8253
Marcelino Rivas Santana
marcelino.rivas@umcc.cu • https://orcid.org/0000-0002-0305-515X
UNIVERSIDAD DE MATANZAS, CUBA
Recibido: 2023-05-21 • Aceptado: 2023-07-16
RESUMEN
Basada en conceptos de la llamada cuarta revolución industrial o Industria
4.0, en este trabajo se propone una arquitectura de monitoreo industrial, la
cual se organizó de manera modular para facilitar su despliegue y garantizar
su escalabilidad. El diseño de la arquitectura tuvo como premisa garantizar los
requisitos de ligereza, apertura de código y uso de herramientas de inteligen-
cia articial. Para lograr lo primero, se utilizó MQTT, por ser un protocolo de
mensajería ligera. Todas las herramientas y librerías de código empleadas son
permisivas y, excepto una, compatibles con las directrices de software libre de
Debian. Por último, la concepción del módulo de modelado garantiza la po-
sibilidad de utilizar diversas herramientas de inteligencia articial (IA), para
realizar clasificaciones y regresiones que permitan el monitoreo indirecto de
variables. Para una validación preliminar del sistema, este se desplegó en un
sistema un sistema para monitorear las dimensiones de las costuras ecuatoria-
les en los cilindros de gas licuado de 10 kg. Esas dimensiones se determinan,
de forma indirecta, a partir del procesamiento digital de las igenes captura-
das a través del uso de una red neuronal convolucional. El sistema desplegado
REVISTA CUBANA
DE TRANSFORMACIÓN DIGITAL
Propuesta de una arquitectura de monitoreo industrial orientada a Industria 4.0
Quiza Sardiñas R., Hernández Ramírez, O., Cuba Arana, Y., Rivas Santana, M.
2
mostró ampliamente su capacidad para cumplir la tarea de monitoreo, según
lo cual fue concebido.
Palabras clave: monitoreo industrial, Industria 4.0, arquitectura, inteli-
gencia articial.
ABSTRACT
In the work, an industrial monitoring architecture is proposed, based on con-
cepts of the so-called fourth industrial revolution or Industry 4.0. It is organized
in a modular way, to facilitate its use and guarantee its scalability. e design
of the architecture had, as a premise, to guarantee the requirements of lightness,
open code and use of artificial intelligence tools. For achieving the first require-
ment, MQTT was chosen, as it is a lightweight message protocol. For their part,
all the tools and code libraries used are permissive and (except one of them)
compatible with the Debian free software guidelines. Finally, the conception of
the modeling module guarantees the possibility of using various artificial inte-
lligence tools to perform classifications and regressions, which allow the indi-
rect monitoring of variables. For a preliminary validation of the system, it has
been deployed in a monitoring system of the equatorial welded joint dimensions
in 10 kg liquefied gas cylinders. ese dimensions are determined, indirectly,
through the digital processing of the captured images, by using a convolutional
neural network. e deployed system widely showed its capability to fulfill the
monitoring task for which it was designed.
Keywords: industrial monitoring, Industry 4.0, architecture, artificial intelli-
gence.
INTRODUCCIÓN
La «Industria 4.0 o cuarta revolución industrial» es un término utilizado para describir la
transformación de los procesos de fabricación, a través de la fusión de un grupo de tecnologías
disruptivas que combinan las esferas física, digital y biológica, lo que permite tomar decisio-
nes en tiempo real y, consecuentemente, una mayor eficiencia en los procesos de fabricación
(Benitez, Ghezzi, & Frank, 2023). El nombre está inspirado en la iniciativa de Alemania para
promover la informatización en la fabricación y se centra, sobre todo, en la interconectividad,
la automatización, el aprendizaje autotico y los datos en tiempo real (Kowalikova, Polak, &
Rakowski, 2020).
REVISTA CUBANA
DE TRANSFORMACIÓN DIGITAL
Propuesta de una arquitectura de monitoreo industrial orientada a Industria 4.0
Quiza Sardiñas R., Hernández Ramírez, O., Cuba Arana, Y., Rivas Santana, M.
3
La Industria 4.0 abarca varias tecnologías de vanguardia que esn disponibles comercial-
mente e interconectadas dentro de la fabricación, lo que permite el acceso en tiempo real a
datos y resultados. Dentro de esas tecnologías se destacan la Internet de las Cosas (Internet of
things, IoT) (Saravanan et al., 2022), los grandes volúmenes de datos (big data), la fabricación
inteligente (smart manufacturing), los sistemas ciberfísicos (cyber physical systems, CPS) (Ja-
vaid, Haleem, Singh, & Suman, 2023) y las cadenas de bloques (blockchain) (Nuttah, Roma,
Lo Nigro, & Perrone, 2023). Estas tecnologías permiten el alisis de datos en tiempo real, la
automatización, el aprendizaje autotico y una mayor eciencia en los procesos de fabrica-
ción. Los robots móviles aunomos, las impresoras 3D y otras tecnologías, también son com-
ponentes cticos de la Industria 4.0, que impulsan a la industria manufacturera con nuevos
medios de eficiencia, precisión y conabilidad.
Las tecnologías de la Industria 4.0 permiten el monitoreo de estados y condiciones en
tiempo real, lo cual constituye un aspecto ctico de los sistemas industriales modernos. El
monitoreo en tiempo real permite a los fabricantes recopilar grandes cantidades de datos de
los sensores en la planta de producción y analizarlos para obtener visibilidad en tiempo real
de los activos de fabricación, detectar posibles problemas antes de que ocurran y optimizar
los procesos de producción (Xiao, Hu, Liu, & Zhou, 2023). A la larga, esto permite mejorar la
eciencia de la producción, reducir el tiempo de inactividad y mejorar la calidad del producto
(Chen, Wong, Park, & Hugo, 2023).
Un sistema de monitoreo basado en Industria 4.0, generalmente incluye una combina-
ción de sensores, software de alisis de datos y plataformas basadas en la nube, que fun-
cionan juntas para brindar información en tiempo real sobre el rendimiento de los procesos
y equipos industriales. El sistema puede recopilar datos sobre una variedad de parámetros,
como temperatura, presión, humedad y vibración, y usarlos para identicar tendencias, pa-
trones y anomalías que pueden indicar problemas potenciales u oportunidades de optimi-
zacn (Bian et al., 2021; Li et al., 2022). El sistema de monitoreo también puede incorporar
inteligencia articial (IA) y algoritmos de aprendizaje autotico, para analizar los datos
e identicar patrones o anomalías que podrían indicar posibles problemas u oportunida-
des de optimización (Adeleke, Nwulu, & Ogbolumani, 2023; omas, Crasta, Kausthubha,
Gowda, & Rao, 2021).
Este artículo tiene como objetivo diseñar una arquitectura de monitoreo basada en las
tecnologías habilitadora de Industria 4.0, para sistemas industriales, así como desplegarla en
un caso de estudio para su validación preliminar.
METODOLOGÍA
Características generales de la arquitectura
La arquitectura propuesta recibe el nombre de LOIA I4.0 (Light Open Intelligent Arquitecture
for Industry 4.0), la cual, como indica su nombre, se ha diseñado para cumplir los siguientes
requisitos:
REVISTA CUBANA
DE TRANSFORMACIÓN DIGITAL
Propuesta de una arquitectura de monitoreo industrial orientada a Industria 4.0
Quiza Sardiñas R., Hernández Ramírez, O., Cuba Arana, Y., Rivas Santana, M.
4
• Ligera: se basa en el uso de Transporte de Telemeta de Cola de Mansajes (Message
Queuing Telemetry Transport, MQTT), el cual es un protocolo de mensajería de publi-
cación-suscripción ligero, diseñado para su uso en entornos restringidos, como disposi-
tivos IoT de bajo consumo y bajo ancho de banda (Domínguez, Campos, Barral, Escude-
ro, & García, 2022; Donta, Srirama, Amgoth, & Annavarapu, 2022).
• Abierta: toda la implementación se realizó en Python 3.11, utilizando bibliotecas libres y de
código abierto. Como servidor de base de datos se utilizará MongoDB, versión 6.1. Todo el
software que conforma la arquitectura se distribuirá bajo Licencia Pública General de GNU
(GNU General Public License, GNU GPL), versión 3 (Free Software Foundation, 2022).
• Inteligente: se utilizan herramientas de inteligencia articial para la modelación, tanto
para el monitoreo indirecto como para la detección de estados, las cuales incluyen diver-
sas técnicas de aprendizaje autotico, como son las redes neuronales articiales (Xu et
al., 2021), los sistemas neuroborrosos (Djeddi, Hafaifa, Iratni, Hadroug, & Chen, 2021) y
el aprendizaje profundo (Srivastava, Avasthi, & R, 2023).
Descripción de la arquitectura y sus componentes
La figura 1 muestra una representación gráca de la arquitectura, la cual tiene un diseño mo-
dular con el prosito de garantizar su escalabilidad y aplicabilidad a diversas situaciones in-
dustriales. Entre los módulos concebidos se encuentran:
• Agente MQTT (MQTT Brocker): es el componente central del sistema. Actúa como in-
termediario o mediador entre editores y suscriptores. Recibe todos los mensajes publica-
dos por los editores y los reenvia a los que se hayan suscrito al tema. Del mismo modo,
el corredor es responsable de recibir mensajes de los suscriptores y reenviarlos a los edi-
tores suscritos. Se puede implementar tanto en un servidor local como en la nube.
• Nodos de captura de datos: actúan como editores. Publica los datos de los dispositivos
de la planta industrial, como pueden ser sensores, controladores lógicos programables
(programmable logic controller, PLC) o sistemas de control de supervisión y adquisición
de datos (supervisory control and data acquisition, SCADA).
Fig. 1
Representación
gráfica de la
arquitectura
LOIA-I4.0.