El mantenimiento predictivo es un enfoque que utiliza algoritmos de predicción para mantener maquinaria industrial en funcionamiento, tal como motores a reacción, turbinas eólicas y bombas de aceite. Estos algoritmos de predicción utilizan datos de sensores y otro tipo de información relevante para detectar anomalías, supervisar el estado de componentes y estimar la vida útil restante (RUL). Con el mantenimiento predictivo, se puede planificar el mantenimiento en el momento exacto: ni demasiado pronto ni demasiado tarde.
Mantenimiento reactivo y mantenimiento preventivo
En un enfoque de mantenimiento reactivo, solo se realiza mantenimiento cuando la maquinaria ha fallado. Es un enfoque adecuado para una bombilla, pero no para maquinaria industrial, en que los fallos y el tiempo de inactividad no planificados pueden resultar muy costosos y peligrosos.
Por lo tanto, muchos optan por el mantenimiento preventivo y planificar el mantenimiento a intervalos regulares sin tener en cuenta el estado actual de la maquinaria. Si bien este enfoque mitiga el riesgo de fallos en comparación con el mantenimiento reactivo, supone costes de mantenimiento superiores, mayor tiempo de inactividad y el consiguiente aumento de inventario y piezas de repuesto. Tampoco evita fallos inesperados, ya que el estado de la maquinaria solo se comprueba periódicamente, en lugar de supervisarse y analizarse continuamente en tiempo real.
Tres tipos de mantenimiento y sus respectivos enfoques para gestionar fallos.
Mantenimiento predictivo
A diferencia del mantenimiento reactivo y preventivo, el mantenimiento predictivo supervisa continuamente el estado actual de la maquinaria y estima en qué momento fallará. Esto permite planificar el mantenimiento cuando realmente se necesita: ni demasiado pronto ni demasiado tarde.
Realizar el mantenimiento de esta forma tiene muchas las ventajas. El mantenimiento predictivo disminuye el tiempo de inactividad no planificado, reduce los costes operativos y proporciona alertas sobre problemas inesperados. Pero las ventajas van más allá del funcionamiento de la maquinaria. Los fabricantes de soluciones de mantenimiento predictivo pueden generar una nueva fuente de ingresos si ofrecen el mantenimiento predictivo como servicio a sus clientes.
Cómo funciona el mantenimiento predictivo
Una solución de mantenimiento predictivo se centra en un algoritmo que analiza datos de sensores para detectar anomalías, diagnosticar problemas en el equipo o predecir la vida útil restante (RUL) de la maquinaria.
Desarrollar este algoritmo requiere recopilar los datos adecuados, utilizar herramientas tales como MATLAB® para preprocesarlos y extraer características, y emplearlas como entrada para un algoritmo de IA o estadístico. Después, este algoritmo se puede desplegar a escala, ya sea integrado directamente en el dispositivo edge o como parte de sistemas de TI/TO a los que se transmiten datos. Si el despliegue no se completa correctamente, no se materializarán las ventajas de una solución de mantenimiento predictivo.
Flujo de trabajo para desarrollar algoritmos de mantenimiento predictivo.
Captura de datos
Capturar datos es el primer paso para desarrollar un algoritmo de mantenimiento predictivo. Los algoritmos de IA solo son útiles si cuentan con datos de entrenamiento sólidos que representen los tipos de fallos que se desean predecir. Por lo tanto, es importante recopilar datos que representen la maquinaria con y sin fallos.
No obstante, resulta difícil obtener datos de fallos; al fin y al cabo, el objetivo de un programa de mantenimiento es justamente evitarlos. Sin ellos, los equipos de ingeniería no pueden comenzar a desarrollar un algoritmo preciso.
Una solución a este problema consiste en generar datos sintéticos a partir de modelos basados en la física, tales como los creados en Simulink® y Simscape™. Por ejemplo, se puede crear un modelo de una bomba de aceite y simular fallos debidos a una válvula con fugas y una tubería bloqueada. De este modo, se pueden generar datos de fallos de forma segura y rentable que no repercuten en el rendimiento de la bomba de aceite real. Luego, estos modelos basados en la física se pueden desplegar en servicio como gemelos digitales para predecir el rendimiento futuro.
Identificación de indicadores de condición
Una vez que dispone de los datos adecuados, el siguiente paso es reducirlos a un conjunto de características que se puedan utilizar como indicadores de condición para entrenar un algoritmo de predicción. Los indicadores de condición son características que muestran la diferencia entre el funcionamiento correcto y el defectuoso. Normalmente, se extraen empleando una combinación de técnicas estadísticas, de procesamiento de señales y basadas en modelos con herramientas de análisis y diseño tales como MATLAB. La experiencia del equipo de ingeniería es clave, ya que pueden identificar las mejores características porque saben cómo funciona la maquinaria.
Identificar las características adecuadas es esencial para el éxito de un algoritmo de mantenimiento predictivo. Se utilizan para entrenar algoritmos con el fin de detectar tendencias que no se pueden observar fácilmente. Además, la extracción de características reduce el tamaño del conjunto de datos no procesados. Por ejemplo, los aviones comerciales generan cerca de un terabyte de datos por vuelo. Transmitir, almacenar y analizar volúmenes tan grandes de datos puede resultar difícil; por este motivo, la extracción de características es cada vez más importante.
Diseño de características para mantenimiento predictivo
Utilice Diagnostic Feature Designer para extraer, explorar y clasificar características a fin de entrenar algoritmos de mantenimiento predictivo.
Desarrollo de algoritmos
Una vez que haya extraído las mejores características, el siguiente paso es entrenar el algoritmo de predicción. Estos algoritmos pueden clasificarse en tres categorías principales: detección de anomalías, identificación de fallos (diagnóstico) y estimación de la vida útil restante (pronóstico). En última instancia, el objetivo de los algoritmos de mantenimiento predictivo es convertir datos de sensores en decisiones de mantenimiento.
Tipos de algoritmos utilizados en soluciones de mantenimiento predictivo y preguntas a las que responden.
Si los datos están etiquetados con modos de fallo, se pueden utilizar métodos de aprendizaje supervisado para entrenar modelos predictivos y distinguir entre estos modos de fallo. Luego, estos modelos se pueden vincular a sistemas en funcionamiento en la práctica, donde pueden ayudar a determinar la causa raíz de la degradación del rendimiento.
Los métodos de aprendizaje no supervisado son más adecuados para aplicaciones de detección de anomalías, cuyo objetivo es clasificar los valores de indicadores de condición entrantes procedentes de la maquinaria como normales o anómalos. Como los métodos de aprendizaje no supervisado no requieren datos de entrenamiento etiquetados correspondientes a diferentes modos de fallos, son ideales para iniciarse en el desarrollo de algoritmos de mantenimiento predictivo.
Para calcular la vida útil restante (RUL) de maquinaria, se puede utilizar una clase distinta de métodos basados en probabilidad y series temporales. Estos modelos aceptan el valor actual de un indicador de condición y estiman cuándo fallará el equipo dentro de un intervalo de confianza definido. Saber cuándo puede fallar la maquinaria permite planificar el mantenimiento, encargar piezas de repuesto o limitar el funcionamiento para alargar la vida útil.
Charla técnica: Desarrollo de algoritmos de mantenimiento predictivo
Aprenda cómo el mantenimiento predictivo permite identificar el momento óptimo para planificar el mantenimiento mediante la estimación del tiempo hasta el fallo, con el fin de reducir el tiempo de inactividad y aprovechar los equipos al máximo.
Despliegue de algoritmos en servicio
Una solución de mantenimiento predictivo es más que un simple algoritmo. Los algoritmos deben implementarse en servicio para materializar las ventajas de reducción de tiempo de inactividad, costes de mantenimiento inferiores y mejoras en eficiencia operativa.
El entorno operativo debe gestionar los datos de manera segura y escalar los recursos informáticos para garantizar que los algoritmos se puedan ejecutar de forma eficaz en sistemas de TI/TO o integrados. Además, debe integrarse con otros sistemas informáticos para gestionar el inventario, generar vales de servicio y presentar paneles con los resultados del algoritmo al equipo de operaciones.
En muchas aplicaciones operativas, los algoritmos de mantenimiento predictivo no solo se ejecutan en servidores locales sino también en la nube. Algunas partes del algoritmo, a menudo el procesamiento de señales y la extracción de características, se pueden desplegar directamente en dispositivos edge tales como controladores industriales, que pueden procesar rápidamente datos de sensores de alta frecuencia en tiempo real. Esto contribuye a reducir los costes de almacenamiento y transmisión de datos.
Mantenimiento predictivo con MATLAB y Simulink
Los equipos de ingeniería utilizan MATLAB, Simulink y Predictive Maintenance Toolbox™ para diseñar, probar y desplegar algoritmos de supervisión de condiciones y mantenimiento predictivo personalizados.
Con MATLAB y Simulink, puede:
- Acceder a datos de streaming y archivados desde almacenamiento en la nube, bases de datos, historiadores de datos y protocolos industriales.
- Explorar, extraer y clasificar características de manera interactiva con Diagnostic Feature Designer.
- Desarrollar modelos predictivos para detectar anomalías, identificar fallos y predecir la vida útil restante (RUL).
- Crear modelos basados en la física para generar datos de sensores sintéticos y desplegar gemelos digitales.
- Generar código C/C++ para procesamiento edge en tiempo real.
- Escalar algoritmos en la nube en forma de librerías compartidas, paquetes, apps web, contenedores Docker, entre otros, para integrarse con sistemas de TI/TO sin necesidad de recodificar.
Extracción y clasificación de características de manera interactiva sin necesidad de escribir código con la app Diagnostic Feature Designer en MATLAB.
El mantenimiento predictivo aplica análisis de datos y Machine Learning a los datos procedentes de sensores de equipos para detectar anomalías, supervisar el estado de los activos y predecir fallos antes de que ocurran. Esto permite a las organizaciones programar las intervenciones de mantenimiento en el momento más adecuado, reduciendo los tiempos de inactividad y los costes de mantenimiento.
El mantenimiento predictivo reduce las paradas no planificadas, disminuye los costes de mantenimiento y prolonga la vida útil de los activos. Este enfoque es especialmente importante en sectores donde la fiabilidad influye directamente en la seguridad y la productividad.
El mantenimiento predictivo suele requerir datos históricos de series temporales procedentes de sensores de máquinas, como vibración, presión y temperatura, además de las condiciones de operación. Los registros de mantenimiento y de fallos también pueden utilizarse para etiquetar los datos como normales o defectuosos. Estas fuentes de información permiten entrenar algoritmos capaces de identificar patrones y anticipar posibles problemas utilizando datos en tiempo real.
El mantenimiento preventivo sigue un calendario fijo, mientras que el mantenimiento predictivo utiliza datos en tiempo real y modelos para determinar cuándo es realmente necesario realizar una intervención. Este enfoque reduce las tareas de mantenimiento innecesarias y ayuda a prevenir fallos inesperados.
Los algoritmos más habituales incluyen la detección de anomalías, el diagnóstico de fallos y la estimación de la vida útil restante (Remaining Useful Life, RUL). Estos modelos pueden apoyarse en Machine Learning, Deep Learning y métodos estadísticos para analizar los datos de sensores y predecir fallos.
La estimación de la RUL consiste en predecir patrones de degradación utilizando datos históricos de fallos y mediciones procedentes de sensores. Este proceso incluye el diseño de indicadores de salud y la aplicación de modelos especializados de RUL (modelos de supervivencia, similitud o degradación), técnicas de predicción de series temporales, métodos de regresión o Deep Learning para estimar cuándo podría fallar un componente.
Entre los principales desafíos se encuentran el acceso a los datos de sensores, el procesamiento de datos ruidosos y de alta dimensionalidad, la extracción de características relevantes y la creación de modelos capaces de generalizar entre distintas máquinas y condiciones de operación. Además, garantizar predicciones precisas con pocos datos de fallo y mantener el rendimiento de los modelos a lo largo del tiempo son retos importantes.
MATLAB ofrece herramientas especializadas para el procesamiento de datos y señales, la extracción de características, Machine Learning y mantenimiento predictivo. Simulink permite simular sistemas o componentes y generar datos sintéticos realistas. MATLAB también se integra con dispositivos IoT y admite el despliegue en sistemas embebidos, lo que lo hace especialmente adecuado para aplicaciones de mantenimiento predictivo en tiempo real.
La detección de anomalías permite identificar comportamientos inusuales en los datos de sensores mediante la caracterización de las condiciones normales de funcionamiento y la detección de desviaciones respecto a ellas. Estos patrones pueden revelar posibles fallos antes de que se vuelvan críticos. La detección de anomalías suele constituir el primer paso de un workflow de mantenimiento predictivo.
