Lo que los fabricantes de equipos originales y los ingenieros de diseño deben 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 teniendo en cuenta el control del movimiento. De esta manera, podrán desarrollar el diseño en torno a la mejor forma de lograr una automatización eficaz y eficiente.

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

Esto suena a conceptos básicos de ingeniería de diseño, pero con la presión de los plazos de comercialización y los equipos tradicionalmente aislados en departamentos de mecánica, electricidad y software, es fácil que el diseño vuelva a un proceso mayormente lineal. Sin embargo, diseñar teniendo en cuenta el control de movimiento requiere un enfoque mecatrónico que incluya 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 los motores, variadores, controladores y software que los ingenieros deben considerar desde el inicio de cada proyecto de diseño de maquinaria para reducir las ineficiencias, los errores y los costos, al tiempo que se permite a los fabricantes de equipos originales (OEM) resolver los problemas de los clientes en menos tiempo.

【El proceso de diseño】

La forma y el lugar donde se mueven las piezas es donde los ingenieros suelen concentrar la mayor parte de su esfuerzo, especialmente al desarrollar máquinas innovadoras. Si bien los diseños innovadores son, con diferencia, los que más tiempo consumen, suelen ofrecer el mayor retorno de la inversión, 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 las funciones críticas de esta máquina? Podría ser crear una máquina fácil de limpiar, de bajo mantenimiento o de alta precisión. Identifique la tecnología que proporcionará la función, el rendimiento o el nivel de mantenimiento requeridos.

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

A continuación, pregúntese: ¿Cuáles son las funciones estándar de la máquina? Siguiendo con el ejemplo de la impresora, los controles de tensión y sensores que se utilizan para desenrollar el material impreso son bastante estándar. De hecho, aproximadamente el 80 % de las tareas de una máquina nueva son variaciones de las tareas 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 probada, 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 centrarse en las características de valor añadido 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, cableado y controles; y, finalmente, los ingenieros de software escriben el código. Cada vez que surge un error o problema, el equipo del proyecto debe retroceder y corregirlo. Se invierte muchísimo tiempo y energía en el proceso de diseño rehaciendo el diseño en función de cambios o errores. Por suerte, el diseño mecánico 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 mediante varios enfoques paralelos, lo que reduce drásticamente el ciclo de desarrollo y el tiempo 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 sus tecnologías. Por ejemplo, un proceso puede requerir que se alimente material a la máquina hasta alcanzar la cantidad deseada para luego cortarlo; esto implica encontrar una manera de detener la alimentación cuando sea necesario cortar el material. Existen varias formas de abordar este desafío, y todas ellas pueden afectar el funcionamiento general de la máquina. Probar diferentes soluciones o reubicar componentes para observar su impacto en las operaciones es sencillo con un gemelo digital y permite una creación de prototipos más eficiente (y menos).

La ingeniería virtual permite que los equipos de diseño vean cómo toda la máquina y sus conceptos interrelacionados funcionan juntos para alcanzar un objetivo o varios objetivos concretos.

【Selección de la topología】

Los diseños complejos con múltiples funciones, más de un eje de movimiento y movimiento multidimensional, así como una mayor velocidad de salida y procesamiento, hacen que la topología del sistema sea igualmente compleja. La elección entre automatización centralizada, basada en controladores, o automatización descentralizada, basada en variadores, depende de la máquina que se esté diseñando. Las funciones de la máquina, tanto generales como locales, influyen en la decisión de optar por una topología centralizada o descentralizada. El espacio disponible en el armario, el tamaño de la máquina, las condiciones ambientales e incluso el tiempo de instalación también afectan a esta decisión.

Automatización centralizada. La mejor manera de lograr un control de movimiento coordinado para máquinas complejas es mediante la automatización basada en controladores. Los comandos de control de movimiento se suelen enviar a servoinversores específicos a través de un bus estandarizado en tiempo real, como EtherCAT, y los inversores controlan 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 para la máquina y todas las piezas deben estar sincronizadas. Por ejemplo, si es crucial que cada eje de movimiento se encuentre en una posición específica para posicionar correctamente un brazo robótico, probablemente optará por la automatización basada en controladores.

Automatización descentralizada. Gracias a máquinas y módulos más compactos, el control de movimiento descentralizado reduce o elimina la carga sobre los sistemas de control de la máquina. En su lugar, variadores de frecuencia más pequeños asumen las funciones de control descentralizado, un sistema de E/S evalúa las señales de control y un bus de comunicación como EtherCAT conforma una red integral.

La automatización descentralizada es ideal cuando una parte de la máquina puede encargarse de completar una tarea sin tener que informar constantemente al control central. En cambio, cada parte de la máquina funciona de forma rápida e independiente, informando únicamente cuando su tarea está terminada. Gracias a que cada dispositivo gestiona su propia carga en esta configuración, la máquina en su conjunto puede aprovechar una mayor capacidad de procesamiento distribuido.

Control centralizado y descentralizado. Si bien la automatización centralizada proporciona coordinación y la descentralizada ofrece una mayor eficiencia en el procesamiento distribuido, a veces la mejor opción es una combinación de ambas. La decisión final depende de los requisitos generales, incluidos los 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 será 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 aporta las herramientas, se obtiene la mejor solución.

【Conexión en red de máquinas】

Establecer una interconectividad limpia y preparada para el futuro es un paso clave en el diseño con el 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 lo que hacen los componentes, sino también de cómo se conectan.

Un buen diseño reduce la cantidad de cables y la distancia que deben recorrer. Por ejemplo, un conjunto de 10 a 15 cables que van a una terminal remota podría reemplazarse con un cable Ethernet que utilice un protocolo de comunicación industrial como EtherCAT. Ethernet no es la única opción, pero sea cual sea la que elija, 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 para la distribución de todo facilita enormemente las futuras ampliaciones.

Céntrese en diseñar correctamente el interior del gabinete desde el principio. Por ejemplo, no coloque las 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 no ser así, probablemente necesitará conexiones de seguridad redundantes cableadas para que, si un componente falla, detecte su propia falla y reaccione.

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

【Software】

Según estimaciones del sector, pronto los fabricantes de equipos originales (OEM) deberán dedicar entre el 50 % y el 60 % de su tiempo de desarrollo de maquinaria a los requisitos de software. Esta evolución, que pasa de centrarse en la mecánica a centrarse en la interfaz, supone una desventaja competitiva para los fabricantes de maquinaria más pequeños, pero también puede igualar las condiciones para las empresas dispuestas a adoptar software modular y protocolos abiertos y estandarizados.

La forma en que se organiza el 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 en la fabricación de máquinas.

Por ejemplo, imagina que estás diseñando una máquina y quieres añadir un paso adicional entre dos fases. Si utilizas software modular, puedes añadir un componente sin necesidad de reprogramar ni recodificar. Además, si tienes seis secciones que realizan la misma función, puedes escribir el código una sola vez y usarlo en todas ellas.

El diseño con software modular no solo es más eficiente, sino que también permite a los ingenieros ofrecer la flexibilidad que los clientes demandan. Por ejemplo, supongamos que el cliente necesita una máquina que procese productos de diferentes tamaños, y que el tamaño mayor requiere modificar el funcionamiento de una sección. Con el software modular, los diseñadores pueden simplemente reemplazar la sección sin afectar el resto de las funciones de la máquina. Este cambio podría automatizarse para que el fabricante, o incluso el cliente, pueda alternar rápidamente entre las funciones de la máquina. No es necesario 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 un catálogo de módulos mecánicos, eléctricos y de software facilita el ensamblaje rápido de máquinas configurables.

Para obtener la máxima eficiencia del software modular, es fundamental seguir los estándares de la industria, especialmente si se utilizan varios proveedores. Si el proveedor de variadores y sensores no cumple con dichos estándares, los componentes no podrán comunicarse entre sí y se perderán todas las ventajas 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 fundamental 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 probablemente sea la infraestructura de comunicación más completa que existe. MQTT es un protocolo de mensajería IIoT más ligero que permite la comunicación entre dos aplicaciones. Se suele utilizar en un mismo producto, permitiendo, por ejemplo, que un sensor o un variador extraiga información del producto y la envíe a la nube.

【Conectividad en la nube】

Las máquinas interconectadas de circuito cerrado siguen siendo mayoritarias, pero las fábricas totalmente conectadas a la nube están ganando popularidad. Esta tendencia podría elevar el nivel de mantenimiento predictivo y producción basada en datos, y representa el próximo gran cambio en el software de fábrica; todo 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 productivo. Esto les permite comparar la eficiencia general de los equipos (OEE) de diversas instalaciones de producción. Los fabricantes de equipos originales (OEM) de vanguardia colaboran 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 integral del proceso para hacer que las plantas o empresas de sus clientes sean más eficientes les garantizará obtener más negocios.