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Sistemas Ciberfísicos

• El estudio corresponde a la primavera de 2025
• Los sistemas ciberfísicos integran capacidades de computación, almacenamiento y comunicación para controlar e interactuar con un proceso físico
• Normalmente están conectados entre sí, al mundo virtual y a las redes digitales globales
• Se centran en la comunicación, informática y control, trabajando generalmente en lazo cerrado

De la industria 1.0 a la industria 4.0

• Primera Revolución Industrial:
  • Se basa en la introducción de equipos de producción mecánicos impulsados por agua y vapor
  • El primer telar mecánico fue creado en 1784
• Segunda Revolución Industrial:
  • Se basa en la producción en masa, alcanzada gracias a la división de tareas y el uso de energía eléctrica
  • La primera cinta transportadora fue en el matadero de Cincinnati en 1870
• Tercera Revolución Industrial:
  • Se basa en el uso de la electrónica e informática (IT) para promover la producción automatizada
• Cuarta Revolución Industrial:
  • Se basa en el uso de sistemas físicos cibernéticos (CPS)
• El grado de complejidad aumenta desde la primera hasta la cuarta revolución industrial

Mapa de Conceptos de Sistemas Ciberfísicos

• Los sistemas ciberfísicos posiblemente involucran:
  • Humanos en el bucle
  • Redes distribuidas
  • Sensores inalámbricos y activación
• Los sistemas ciberfísicos son:
  • Sistemas de retroalimentación
  • Adaptables y predictivos
  • Inteligentes
  • En tiempo real
  • Resilientes
• Los sistemas ciberfísicos requieren:
  • Seguridad cibernética, incluyendo privacidad, protección contra ataques maliciosos y detección de intrusiones
  • Herramientas de diseño mejoradas y metodologías de diseño
  • Especificación, modelado y análisis
  • Escalabilidad y gestión de la complejidad
• Tienen aplicaciones en:
  • Comunicación
  • Consumo
  • Energía
  • Infraestructura
  • Cuidado de la salud
  • Manufactura
  • Militar
  • Robótica
  • Transporte
• Los sistemas ciberfísicos admiten:
  • Modelos híbridos y heterogéneos, modelos de computación continuos y discretos, redes e interoperabilidad, sincronización en tiempo real y modularidad y composabilidad
  • Síntesis
  • Interfaz con sistemas heredados
  • Aseguramiento, certificación, verificación, simulación y modelos estocásticos

Big Data y CPS

• Los CPS son cada vez más comunes y controlan operaciones básicas como la presión, el nivel y el flujo
• El Big Data es necesario para gestionar la información recogida por los sensores inteligentes
• Los sistemas ciberfísicos combinan:
  • Ingeniería de modelos y métodos de la mecánica con ingeniería ambiental, civil, eléctrica, biomédica, química, aeronáutica e industrial, junto con modelos y métodos de la ciencia de la computación
• Los 8 componentes vitales del Big Data:
  • Volumen
  • Valor
  • Veracidad
  • Velocidad
  • Variedad
  • Visualización
  • Viscosidad
  • Viralidad

Redes Alámbricas

• Las redes alámbricas conectan equipos galvánicamente a través de cables, como Ethernet, que transportan datos, comparten información y recursos
• Aumentan la eficiencia y productividad de la organización, moviendo grandes cantidades de datos a altas velocidades para multimedia profesional
• Los niveles de la Jerarquía de Automatización son (de mayor a menor nivel):
  • Nivel de planificación de recursos empresariales
  • Nivel de gestión de planta
  • Nivel de control de procesos
  • Nivel de control (PLC)
  • Nivel de campo
• Una jerarquía de automatización basada en CPS se basa en el internet

Ventajas de una red Alambrica

• Costos relativamente bajos de operación

• Ofrecen el máximo rendimiento posible

• Mayor velocidad con cables Ethernet estándar de hasta 100 Mbps

• Mayor rendimiento de voz sobre IP (VoIP)

• El RJ45 proporciona energía a muchos equipos de cómputo como laptops, PCs, cámaras y PDAs

• Mejores estándares Ethernet en la industria

• Mayor capacidad de ancho de banda por cables

• Aplicaciones que utilizan un ancho de banda continuo

• Retorno de inversión (ROI) cada vez más alto debido a la continua reducción de costos de los equipos

• Ofrece buena seguridad y transporta grandes cantidades de datos rápidamente

• Es conveniente usar las redes alámbricas cuando se requiere alta seguridad para equipos que manejan datos importantes y que no necesitan una gran movilidad

Desventajas de una Red Alambrica

• El costo de instalación es un problema debido a los altos costos de estudio, canaletas, conectores y cables
• El acceso físico puede ser problemático en redes alámbricas debido a la dificultad de pasar cables a través de paredes de concreto u otros obstáculos
• Las dificultades y expectativas de expansión son comunes porque las necesidades de nuevos nodos pueden exceder el espacio disponible en los interruptores instalados

Redes Inalámbricas

• Se utilizan para designar la interconexión de nodos por medio de ondas electromagnéticas
• Una ventaja es la eliminación de conexiones físicas reduciendo los costos
• Una desventaja considerable es la necesidad de una seguridad más exigente y robusta contra el robo de información

Estándares Inalámbricos Comunes

• Los estándares 802.11b y 802.11g son comunes en la mayoría de los equipos, transmitiendo a 2.4 GHz con velocidades de hasta 11 Mbps y 54 Mbps, respectivamente
• 802.12: Define el acceso con prioridad por demanda (Demand Priority Access) a una LAN, 100BaseVG-AnyLAN
• 802.14: Define los estándares de módem por cable
• 802.15: Define las redes de área personal sin cable (WPAN, Wireless Personal Area Networks)
• 802.16: Define los estándares sin cable de banda ancha
• Variedades de redes LAN inalambricas:
  • WPAN (wireless personal area network)
  • WLAN (wireless local area network)
  • WMAN (wireless metropolitan area network)
  • WWAN (wireless wide area network)

La conexión de los Dispositivos

• Los dispositivos de conexión son elementos de hardware que son utilizados para lograr una transferencia de información instantánea
• Se clasifican en dos tipos: Activos y Pasivos

Clasificación de los Dispositivos pasivos o Activos

• Activos:
• Dispositivo electrónico que distribuye señales de banda ancha a una cantidad determinada de equipos en una red
• Switch-router: Dispositivo que se encarga de distribuir en forma activa la información a través de la red
• Pasivos:
• Elemento que se utiliza para interconectar los enlaces de una red de datos; su utilización se define en las normativas internacionales
• Armarios, tomas, paneles, canalizaciones

Dispositivos Activos en detalle

• HUB: Un simple dispositivo que se añade para reforzar una señal del cable que puede verse reducida por el tipo de cable
• Repetidor: Regenera las señales de la red para que puedan transmitirse a una distancia mayor
• Se utiliza en sistemas lineales de cable como Ethernet
• Opera en el nivel físico inferior de un protocolo
• Dos segmentos conectados por un repetidor utilizan el mismo método de acceso a la comunicación
• Los segmentos conectados por un repetidor forman parte de la misma red, y tienen la misma dirección de red

Otros dispositivos Activos

• Bridge:
• Interconecta redes y proporciona un camino de comunicación entre dos o más segmentos de red o subredes
• Permite extender el dominio de transmisión, limitando el dominio de colisión
• Se usa para ampliar la extensión de la red o el número de nodos que la constituyen
• Se utiliza para reducir el cuello de botella del tráfico causado por nodos de usuarios
• Se usa para unir redes distintas y enviar paquetes entre ellas, siempre que ejecuten el mismo protocolo de red
• Gateway:
• Es una computadora u otro dispositivo que actúa como traductor entre los sistemas que no utilizan los mismos protocolos de comunicación, formatos de datos, lenguajes y/o arquitecturas
• Modifica el empaquetamiento de la información o su sintaxis para acomodarse al sistema destino
• Su trabajo está dirigido al nivel más alto de la referencia, el de aplicación
• Router:
• Son conmutadores de paquetes que operan al nivel de red del modelo de protocolo de Interconexión de sistemas abiertos
• Conectan redes tanto en las áreas locales como globales, y cuando existen más de una ruta entre dos puntos finales de red, proporcionan control de tráfico y filtrado de funciones
• Dirigen los paquetes a través de las rutas más eficientes o económicas
• Uno de los equipos más importantes dentro una red
• Es el núcleo del enrutamiento de Internet
• Han sufrido muchos adelantos tecnológicos, adaptándose a los avances en los protocolos y a los nuevos servicios
• Pueden transportar datos así como transportar aplicaciones no consideradas cómo la voz
• Switch:
• Son dispositivos utilizados para entregar todo el ancho de banda a un segmento de red en una fracción de tiempo
• Permite utilizar toda la velocidad
• Es parecido al HUB, sólo difiere en su función lógica y en la adición de unos puertos para funciones adicionales
• Realiza transferencia de tráfico de transmisión y de multi-transmisión, pero disminuye el dominio de colisión al mínimo
• Pueden venir con 12 o 24 puertos, tener puertos para conectar un equipo a mayor velocidad, o para unirlo a otro switch
• Se le puede conectar opcionalmente módulos de interconexión por fibra óptica
• Modem:
• Es un dispositivo que transmite información digital a través de señales analógicas
• Tarjeta de Red:
• Es un dispositivo que permite conectar la estación de trabajo con el medio físico de transmisión

Dispositivos Pasivos en detalle

• El conector BNC es un tipo de conector para uso con cable coaxial
• El conector RJ45 (Registered Jack) es uno de los conectores principales utilizados con tarjetas de red Ethernet, que transmite información a través de cables de par trenzado
• Cubre Conector:
• Se usa Para la protección del conector macho en cables de hasta 6.5mm de diámetro
• Se adapta al conector
• Es de PVC
• Doblador de Puntos:
• Construido en policarbonato
• Ofrecen una solución económica para ampliar las señales que se transmitirán a través de cable

Tipos de cables en detalle

• Cable de par trenzado
• Consta de dos hilos de cobre aislados y entrelazados
• UTP y STP son los cables trenzados más empleados
• El STP utiliza una envoltura con cobre trenzado que da más protección
• El STP también tiene una lámina rodeando cada uno de los pares de hilos dando aun mas apantallamiento

Tipos de cables en detalle parte 2

• Cable UTP: Cable para montaje de red, características: Conductor de cobre desnudo, aislamiento del conductor de polietileno de alta densidad de 0.08mm de diámetro
• Cable coaxial:
• Consta de un núcleo de hilo de cobre rodeado por un aislante, un apantallamiento de metal trenzado y una cubierta externa
• Cable de fibra óptica
• Las señales que se transportan son señales digitales de datos en la forma de pulsos modulados de luz
• Forma relativamente segura de transmitir datos, ya que, a diferencia de los cables de cobre que llevan los datos en forma de señales electrónicas, los cables de fibra óptica transportan impulsos no eléctricos
• Es apropiado para transmitir datos a velocidades muy altas y con grandes capacidades debido a la carencia de atenuación de la señal y a su pureza

Piezas de un conector de fibra óptica

• Tubo de crimpar
• Cuerpo del conector
• Tapón protector
• Manguito
• Espaciador
• Férula

Tipos de conectores para fibra óptica

• FC, que se usa en la transmisión de datos y en las telecomunicaciones
• FDDI, se utiliza para redes de fibra óptica
• LC y MT-Array, utilizados en transmisiones de alta densidad de datos
• SC y SC-Dúplex, se utilizan para la transmisión de datos
• BT o BFOC, se utiliza en redes de edificios y en sistemas de seguridad

Diagrama de una red de área local (LAN)

• Los objetos más comunes se combinan:
  • Internet
  • Servidor de la Impresora
  • Router
  • Computadoras

Internet de las Cosas (IoT)

• El Internet de las Cosas (IoT) es un término común y una actual tendencia importante en marketing
• Se ha convertido en una importante tecnología útil en muchos campos
• Incluye:
• Dispositivos físicos habilitados para Internet
• Redes de sensores con sistemas embebidos, y
• Redes dinámicas de varios dispositivos y sistemas embebidos

Instrumentación inteligente

• Los procesos industriales exigen el control de la producción de diversos objetivos
• Para todos estos procesos es absolutamente necesario mantener constantes algunas magnitudes
• Procesos muy variados y abarcan muchos tipos de productos
• Los instrumentos permiten medir, convertir, transmitir, controlar y registrar variables de un proceso productivo
• En la fábrica de 1950, los sistemas se adaptaban a una tarea de análisis específica
• En la fábrica de 1980, la instrumentación virtual se desarrolla con software y instrumentación modular
• Actualmente, hay sistemas de instrumentación basados en software, instrumentación embebida

Industria 4.0

• Es como se llama ahora fabrica que usa producción automatizada con elementos personalizatized
• Incluye un Internet de las cosas

Industria 1.0

• Automatización por vapor

Industria 2.0

• automatización por linea de montaje

Industria 3.0

• Computadoras y electirca

Industria 4.0

• Inteligencia con el internet

Detalle de las Etapas de Automatización

"La primera revolución industrial se basó en la producción con equipos impulsados por vapor. "La segunda se basó en la división del trabajo y la producción en serie mediante energía eléctrica. "La tercera, más moderna, está ligada a los sistemas de información digital. "La Fábrica inteligente se basa en la introducción de la Internet de las Cosas y sistemas ciberfísicos. "La Industria 4.0 responde a una rápida transformación, que fusiona el mundo virtual de las tecnología de la información y el mundo físico de las máquinas e Internet "La Industria 4.0 permite la producción a pequeña escala, personalizada, de lotes individuales junto a la producción en masa, mediante procesos optimizados y reducción de inventarios "Dentro de la Industria 4.0, las máquinas y productos manufacturados pueden interactuar entre sí dentro de la planta y permitir una logística más flexible "La fábrica del futuro se basa en el Internet Industrial de las Cosas (IIoT, en sus siglas en inglés) "Por ello se considera a la lloT una fuente de oportunidades "El Internet Industrial de las Cosas se basa en la inteligencia distribuida y es imperativo que los diferentes fabricantes tengan compatibilida entre los diferentes devices "La Industria 4.0 utiliza maquinas virtuales y protipos La instrumentación permite medir variables para optimizar los recursos de un proceso productivo Los instrumentos de control y medición permiten el mantenimiento y la regulación variables de un proceso

Arquitectura de red

• El aspecto fundamental de los sistemas IoT es el muestreo aperiódica
• Las serie con el elemento de tiempo utilizan demasiada energia que consume el ancho de bata
• La baja restricción de potencia ayuda a los dispositivos relativamente pequeños a realizar una computación útil en el flujo de datos.
• El reconocimiento de eventos reduce la amplitud de banda
• Los cálculos en la nube dan una mejor opción para aquellos eventos extraídos

Sistemas Dirigidos por Eventos

• El evento es un tipo fundamental de datos en los sistemas IoT ya que los sistemas dirigidos por eventos son un sistema de metodología importante
• Es un sistema de tratamiento en primer plano

Componentes de la arquitectura

• La planta o el entorno es el sistema físico con el que interactúa el sistema de IoT.
• Un conjunto de dispositivos forman los layers de la red
• nodo tiene una interfaz de red y puede ejecutar el protocolo de Internet.
• Los concentradores se conectan entre los nodos
• El procesador niebla procesadores de la niebla y se vinculan mas rapido
• Los sistemas de nube conectan a través de IoT

" Dado que varias aplicaciones y sistemas pueden ser compatibles con IoT, se han propuesto varios protocolos tales sistemas

• Hay un protocolo llamado HTTP, este tipo de software utiliza el patrón de diseño de solicitud/respuesta
• La gente puede subscribirse a los protocolos de redes a temas organizados para recibir informacion
• Se debe usar una serie de para la selección de calidad

Los tipos de protocols son:

• El HTTP
• Puentes (Bridge)
• DDS
• RTPS
• Una amplia gama de protocolos diferentes que eligen el protocolo que necesitan y usan

Protocolos Orientados a la función

• Los protocolos en el sector del internet loT tienen dos capas especificas y protocolos independientes en IP

Bluetooth

• un tipo de red con tecnología inalámbricas
• El estándar de datos es el protocolo BIE
• No está diseñado para archivos de gran formato

Wi-Fi

• Para la integración de loT, WiFI es la opción preferida debido a su infraestructura.
• Tiene velocidades de transferencia de datos rápidas junto con su capacidad de controlar una gran cantidad de datos.
• Tiene un rango de aproximadamente 50 m.
• Su frecuencia es de 2.4 GHz a 5GHz

ZigBee

• Es más industrial pero tienen una gran base de usurarios con menos recursos de consumo.
• Su protocolo trabaja a una frecuencia de2.4

MQTT IoT

• Los sistemas y protocolo MQTT ayuda a crear una completa herramienta de mensaje
• MQTT es la principal tarea

CoAP

• Puede funcionar con el protocolo de red de CoAP IoT
• Usa poco datos
• El protocolo ayuda a deshacerse de mucha anbiguedad con sus estraegias

Tareas para tener en cuenta a la hora de elegir sistema de conexión a la red

• Ancho de bata
• Rango
• cantidad de nodos
• Seguridad
• Cuidado
• El valor de la cantidad de energía