Lo que los fabricantes de equipos originales (OEM) y los ingenieros de diseño necesitan saber sobre motores, variadores y controladores.

Ya sea que los diseñadores estén mejorando una máquina centrada en el movimiento o construyendo una nueva, es fundamental que comiencen con el control de movimiento en mente. Luego, pueden desarrollar el diseño en torno a la mejor manera de lograr una automatización efectiva y eficiente.

Las máquinas basadas en movimiento deben diseñarse y construirse en torno a sus funciones principales. Por ejemplo, para una máquina de impresión que depende de un conjunto específico de aplicaciones de bobinado, los diseñadores se centrarían en las piezas críticas y desarrollarían el resto de la máquina para apoyar las funciones principales.

Esto suena a ingeniería de diseño básica, pero con la presión del tiempo de comercialización y los equipos tradicionalmente divididos en departamentos mecánicos, eléctricos y de software, es fácil que el diseño vuelva a ser un proceso principalmente lineal. Sin embargo, diseñar con control de movimiento en mente requiere un enfoque mecatrónico que incluye el desarrollo de los conceptos iniciales, la determinación de la topología del sistema y el enfoque de la máquina, y la selección de la interfaz de conexión y la arquitectura del software.

A continuación se presentan algunos aspectos esenciales de motores, unidades, controladores y software que los ingenieros deben considerar desde el comienzo de cada proyecto de diseño de máquinas para reducir ineficiencias, errores y costos, al tiempo que permiten a los OEM resolver los problemas de los clientes en menos tiempo.

【El proceso de diseño】

Los ingenieros suelen dedicar la mayor parte de su esfuerzo a cómo y dónde se mueven las piezas, especialmente al desarrollar máquinas innovadoras. Si bien las construcciones innovadoras son, con diferencia, las que consumen más tiempo, suelen ofrecer el mayor retorno de la inversión (ROI), sobre todo si los equipos utilizan las últimas tecnologías en ingeniería virtual y diseños modulares.

El primer paso al desarrollar una máquina desde cero es preguntarse: ¿Cuáles son sus funciones críticas? Podría ser fácil de limpiar, de bajo mantenimiento o muy precisa. Identifique la tecnología que proporcionará la función, el rendimiento y el nivel de mantenimiento requeridos.

Cuanto más complejo sea el problema a resolver, más difícil será determinar las funciones más importantes. Considere trabajar con un proveedor de automatización centrada en el movimiento que pueda ayudarle a definir los detalles críticos y a determinar el enfoque adecuado.

Luego pregunte: ¿Cuáles son las funciones estándar de la máquina? Siguiendo con el ejemplo anterior de la máquina de impresión, los controles de tensión y sensor utilizados para desenrollar el material impreso son bastante estándar. De hecho, aproximadamente el 80 % de las funciones de una máquina nueva son variaciones de las funciones de máquinas anteriores.

El uso de hardware modular y programación de código para gestionar los requisitos de ingeniería de las funciones estándar reduce significativamente la cantidad de recursos de diseño necesarios para completar el proyecto. Además, utiliza funciones de eficacia comprobada, lo que aumenta la fiabilidad y permite centrarse en las partes más complejas del diseño.

Trabajar con un socio de control de movimiento que pueda ofrecer funciones estándar con hardware y software modulares significa que puede concentrarse en las características de valor agregado que distinguen su producto de la competencia.

En un proyecto de diseño típico, los ingenieros mecánicos construyen la estructura de la máquina y sus componentes mecánicos; los ingenieros eléctricos añaden la electrónica, incluyendo accionamientos, cables y controles; y, finalmente, los ingenieros de software escriben el código. Cada vez que surge un error o un problema, el equipo del proyecto debe corregirlo. Se invierte mucho tiempo y energía en el proceso de diseño rehaciéndolo según los cambios o errores. Afortunadamente, diseñar mecánica con software CAD y la planificación y el diseño aislados son prácticamente cosa del pasado.

Hoy en día, la ingeniería virtual permite a los equipos diseñar el funcionamiento de las máquinas utilizando varias rutas paralelas, acortando drásticamente el ciclo de desarrollo y el plazo de comercialización. Al crear un gemelo digital (una representación virtual de la máquina), cada departamento puede trabajar de forma independiente y desarrollar piezas y controles simultáneamente con el resto del equipo.

Un gemelo digital permite a los ingenieros probar rápidamente diversos diseños de una máquina, así como las tecnologías de la máquina. Por ejemplo, un proceso requiere que se alimente material en un alimentador de la máquina hasta obtener la cantidad deseada y luego se corta; esto significa que es necesario encontrar la manera de detener el avance cuando sea necesario cortar el material. Hay varias maneras de abordar este desafío, y todas ellas pueden afectar el funcionamiento general de la máquina. Probar diferentes soluciones o reubicar componentes para ver cómo afecta a las operaciones es sencillo con un gemelo digital y permite una creación de prototipos más eficiente (y con menos).

La ingeniería virtual permite que todos los equipos de diseño vean cómo toda la máquina y sus conceptos superpuestos trabajan juntos para alcanzar un objetivo o unos objetivos particulares.

【Selección de la topología】

Los diseños complejos con varias funciones, más de un eje de movimiento y movimiento multidimensional, así como una mayor velocidad de salida y rendimiento, hacen que la topología del sistema sea igual de compleja. La elección entre automatización centralizada basada en controladores o automatización descentralizada basada en variadores depende de la máquina que se diseñe. La función de la máquina, tanto general como local, influye en la elección de la topología centralizada o descentralizada. El espacio del armario, el tamaño de la máquina, las condiciones ambientales e incluso el tiempo de instalación también influyen en esta decisión.

Automatización centralizada. La mejor manera de obtener un control de movimiento coordinado para máquinas complejas es mediante la automatización basada en controladores. Los comandos de control de movimiento suelen enviarse a servoinversores específicos mediante un bus estandarizado en tiempo real, como EtherCAT, y los inversores accionan todos los motores.

Con la automatización basada en controladores, se pueden coordinar varios ejes de movimiento para realizar una tarea compleja. Es la topología ideal si el movimiento es fundamental en la máquina y todas las piezas deben estar sincronizadas. Por ejemplo, si es fundamental que cada eje de movimiento esté en una posición específica para posicionar correctamente un brazo robótico, probablemente se opte por la automatización basada en controladores.

Automatización descentralizada. Con máquinas y módulos de máquina más compactos, el control de movimiento descentralizado reduce o elimina la carga de los controles de la máquina. En su lugar, variadores de frecuencia más pequeños asumen las responsabilidades de control descentralizado, un sistema de E/S evalúa las señales de control y un bus de comunicación como EtherCAT forma una red de extremo a extremo.

La automatización descentralizada es ideal cuando una parte de la máquina puede asumir la responsabilidad de completar una tarea y no tiene que informar constantemente al control central. En cambio, cada parte de la máquina funciona de forma rápida e independiente, informando solo una vez completada su tarea. Dado que cada dispositivo gestiona su propia carga en esta configuración, la máquina en su conjunto puede aprovechar una mayor potencia de procesamiento distribuida.

Control centralizado y descentralizado. Si bien la automatización centralizada proporciona coordinación y la descentralizada proporciona una capacidad de procesamiento distribuida más eficiente, a veces la mejor opción es combinar ambas. La decisión final depende de los requisitos generales, incluyendo objetivos relacionados con: costo/valor, rendimiento, eficiencia, confiabilidad a lo largo del tiempo y especificaciones de seguridad.

Cuanto más complejo sea el proyecto, más importante es contar con un socio de ingeniería de control de movimiento que pueda asesorar sobre los diferentes aspectos. Cuando el fabricante de la maquinaria aporta la visión y el socio de automatización las herramientas, se obtiene la mejor solución.

【Redes de máquinas】

Establecer una interconectividad limpia y a prueba de futuro también es un paso clave en el diseño con control de movimiento en mente. El protocolo de comunicación es tan esencial como la ubicación de los motores y variadores, ya que no se trata solo de la función de los componentes, sino también de cómo se conectan.

Un buen diseño reduce la cantidad de cables y su distancia. Por ejemplo, un conjunto de 10 a 15 cables que van a un terminal remoto podría reemplazarse con un cable Ethernet que utilice un protocolo de comunicación industrial como EtherCAT. Ethernet no es la única opción, pero independientemente de la que utilice, asegúrese de contar con las herramientas o buses de comunicación adecuados para poder usar protocolos comunes. Elegir un buen bus de comunicación y tener un plan de distribución de todo facilita enormemente las futuras ampliaciones.

Concéntrese en crear un buen diseño dentro del gabinete desde el principio. Por ejemplo, no coloque fuentes de alimentación cerca de componentes electrónicos que puedan verse afectados por interferencias magnéticas. Los componentes con altas corrientes o frecuencias pueden generar ruido eléctrico en los cables. Por lo tanto, mantenga los componentes de alto voltaje alejados de los de bajo voltaje para un funcionamiento óptimo. Además, verifique si su red cuenta con certificación de seguridad. De lo contrario, probablemente necesitará conexiones de seguridad redundantes cableadas para que, si un componente falla, detecte su propio fallo y reaccione.

A medida que el Internet Industrial de las Cosas (IIoT) se consolida, considere agregar funciones avanzadas que usted o sus clientes quizás no estén listos para usar. Integrar estas capacidades en la máquina facilitará su actualización posterior.

【Software】

Según estimaciones de la industria, no pasará mucho tiempo antes de que los fabricantes de equipos originales (OEM) tengan que dedicar entre el 50 % y el 60 % de su tiempo de desarrollo de máquinas a los requisitos de software. La evolución de un enfoque en la mecánica a uno en la interfaz pone a los fabricantes de máquinas más pequeños en desventaja competitiva, pero también puede allanar el camino para las empresas dispuestas a adoptar software modular y protocolos estandarizados y abiertos.

La organización del software puede ampliar o limitar las capacidades de una máquina, tanto ahora como en el futuro. Al igual que el hardware modular, el software modular mejora la velocidad y la eficiencia de la construcción de máquinas.

Por ejemplo, supongamos que estás diseñando una máquina y quieres añadir un paso adicional entre dos fases. Si usas software modular, puedes simplemente añadir un componente sin reprogramar ni recodificar. Y, si tienes seis secciones que hacen lo mismo, puedes escribir código una vez y usarlo en las seis secciones.

El diseño con software modular no solo es más eficiente, sino que también permite a los ingenieros ofrecer la flexibilidad que buscan los clientes. Por ejemplo, supongamos que el cliente desea una máquina que procese productos de diferentes tamaños, y el tamaño más grande requiere un cambio en el funcionamiento de una sección. Con el software modular, los diseñadores pueden simplemente cambiar la sección sin afectar el resto de las funciones de la máquina. Este cambio podría automatizarse para que el fabricante de equipos originales (OEM), o incluso el cliente, puedan cambiar rápidamente entre las funciones de la máquina. No hay que reprogramar nada, ya que el módulo ya está integrado en la máquina.

Los fabricantes de maquinaria pueden ofrecer una máquina base estándar con características opcionales para satisfacer las necesidades específicas de cada cliente. El desarrollo de una cartera de módulos mecánicos, eléctricos y de software facilita el rápido ensamblaje de máquinas configurables.

Sin embargo, para maximizar la eficiencia del software modular, es fundamental cumplir con los estándares de la industria, especialmente si se trabaja con más de un proveedor. Si el proveedor del variador y del sensor no los cumple, estos componentes no podrán comunicarse entre sí y se perderá toda la eficiencia de la modularidad al intentar conectar las piezas.

Además, si su cliente planea conectar el flujo de datos a una red en la nube, es esencial que cualquier software se cree utilizando protocolos estándar de la industria, para que la máquina pueda funcionar con otras máquinas e interactuar con los servicios en la nube.

OPC UA y MQTT son las arquitecturas de software estándar más comunes. OPC UA permite la comunicación casi en tiempo real entre máquinas, controladores, la nube y otros dispositivos de TI, y es probablemente lo más cercano a una infraestructura de comunicación integral disponible. MQTT es un protocolo de mensajería IIoT más ligero que permite que dos aplicaciones se comuniquen entre sí. Se utiliza a menudo en un solo producto, permitiendo, por ejemplo, que un sensor o una unidad extraiga información de un producto y la envíe a la nube.

【Conectividad en la nube】

Las máquinas interconectadas de circuito cerrado siguen siendo la mayoría, pero las fábricas totalmente conectadas a la nube son cada vez más populares. Esta tendencia podría impulsar el nivel de mantenimiento predictivo y la producción basada en datos, y constituye el próximo gran cambio en el software de fábrica; comienza con la conectividad remota.

Las plantas conectadas a la nube analizan datos de diferentes procesos, líneas de producción y más para crear representaciones más completas del proceso de producción. Esto les permite comparar la eficiencia general del equipo (OEE) de varias instalaciones de producción. Los fabricantes de equipos originales (OEM) de vanguardia trabajan con socios de automatización de confianza para ofrecer máquinas preparadas para la nube con capacidades modulares de la Industria 4.0 que pueden enviar los datos que necesitan los usuarios finales.

Para los fabricantes de maquinaria, utilizar la automatización del control de movimiento y adoptar un enfoque holístico de proceso total para hacer que las plantas o empresas de los clientes sean más eficientes seguramente les permitirá ganar más negocios.