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

Tanto si los diseñadores mejoran una máquina centrada en el movimiento como si construyen una nueva, es fundamental que partan de la base de que el control del movimiento es fundamental. De este modo, podrán desarrollar el diseño en torno a la mejor manera de lograr una automatización eficaz y eficiente.

Las máquinas basadas en 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 en función de dichas funciones principales.

Esto suena a conceptos básicos de ingeniería de diseño, pero con la presión de los plazos de comercialización y la tradicional compartimentación de los equipos 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 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 de software.

Aquí se presentan algunos aspectos esenciales de motores, accionamientos, controladores y software que los ingenieros deben considerar desde el inicio de cada proyecto de diseño de máquinas para reducir las ineficiencias, los errores y los costos, al tiempo que permiten a los fabricantes de equipos originales (OEM) resolver los problemas de los clientes en menos tiempo.

【El proceso de diseño】

El cómo y dónde se mueven las piezas suele ser donde los ingenieros invierten la mayor parte de su esfuerzo, sobre todo al desarrollar máquinas innovadoras. Si bien las construcciones innovadoras son, con diferencia, las que más tiempo consumen, a menudo ofrecen el mayor retorno de la inversión, especialmente si los equipos utilizan las últimas tecnologías en ingeniería virtual y diseños modulares.

El primer paso para desarrollar una máquina desde cero es preguntarse: ¿Cuáles son las funciones críticas de esta máquina? Podría tratarse de 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 colaborar con un proveedor de automatización centrado en el movimiento que pueda ayudarle a definir los detalles críticos y a determinar el enfoque adecuado.

Luego, pregúntese: ¿Cuáles son las funciones estándar de la máquina? Siguiendo con el ejemplo anterior de la imprenta, los controles de tensión y los sensores utilizados para desenrollar el material sobre el que se imprime 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 usted puede centrarse en las características de valor añadido que distinguen su producto del 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 los cambios o errores. Por suerte, el diseño de sistemas mecánicos 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 procesos 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 para una máquina, así como sus tecnologías. Por ejemplo, si un proceso requiere alimentar material a la máquina hasta alcanzar la cantidad deseada y luego cortarlo, es necesario encontrar la manera de detener la alimentación cuando sea preciso cortar el material. Existen varias formas de abordar este desafío, y todas ellas pueden afectar al 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 un prototipado más eficiente (y menos laborioso).

La ingeniería virtual permite a los equipos de diseño ver cómo toda la máquina y sus conceptos interrelacionados funcionan conjuntamente para alcanzar un objetivo o unos objetivos determinados.

【Selección de la topología】

Los diseños complejos con múltiples funciones, más de un eje de movimiento y desplazamiento multidimensional, así como una mayor velocidad de producción y rendimiento, hacen que la topología del sistema sea igualmente compleja. La elección entre automatización centralizada basada en controlador o descentralizada basada en accionamiento depende de la máquina diseñada. Las funciones de la máquina, tanto generales como específicas, influyen en la decisión entre una topología centralizada o descentralizada. El espacio disponible en el armario eléctrico, 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 envían 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 partes 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 en los controles 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 necesidad de informar constantemente al control central. En cambio, cada parte de la máquina funciona de forma rápida e independiente, informando solo una vez finalizada su tarea. Dado que cada dispositivo gestiona su propia carga en esta configuración, la máquina en su conjunto puede aprovechar una mayor capacidad de procesamiento distribuida.

Control centralizado y descentralizado. Si bien la automatización centralizada facilita la coordinación y la descentralizada proporciona una mayor eficiencia en el procesamiento distribuido, en ocasiones 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 es contar con un socio de ingeniería de control de movimiento que pueda asesorar sobre los distintos aspectos. Cuando el fabricante de la máquina aporta la visión y el socio de automatización las herramientas, se obtiene la mejor solución.

【Conexiones en red de máquinas】

Establecer una interconectividad limpia y preparada para el futuro es un paso clave en el diseño de sistemas de control de movimiento. El protocolo de comunicación es tan esencial como la ubicación de los motores y accionamientos, 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 la distancia que deben recorrer. 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 cualquiera que sea 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 cómo se implementará todo facilita enormemente las futuras ampliaciones.

Desde el principio, céntrese en un buen diseño dentro del armario. 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, averigüe si su red cuenta con certificación de seguridad. De no ser así, probablemente necesitará conexiones de seguridad redundantes cableadas para que, si falla un componente, este detecte su propia falla y reaccione.

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

【Software】

Según estimaciones del sector, en breve los fabricantes de equipos originales (OEM) deberán dedicar entre el 50 % y el 60 % del tiempo de desarrollo de sus máquinas 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 pequeños fabricantes de maquinaria, pero también puede igualar las condiciones para las empresas dispuestas a adoptar software modular y protocolos abiertos y estandarizados.

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 en la construcción de máquinas.

Por ejemplo, supongamos que está diseñando una máquina y desea añadir un paso adicional entre dos fases. Si utiliza software modular, puede añadir un componente sin necesidad de reprogramar ni volver a codificar. Además, si tiene seis secciones que realizan la misma función, puede escribir el código una sola vez y utilizarlo 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 los clientes buscan. Por ejemplo, supongamos que un cliente necesita una máquina que procese productos de distintos tamaños, y el tamaño más grande requiere modificar el funcionamiento de una sección. Con 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, 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.

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, sobre todo si se trabaja con más de un proveedor. Si el proveedor de variadores y sensores no cumple con estos estándares, los componentes no podrán comunicarse entre sí y se perderán todas las ventajas de la modularidad al tener que buscar la forma de 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 probablemente sea la infraestructura de comunicación más cercana a una solución integral. MQTT es un protocolo de mensajería IIoT más ligero que permite la comunicación entre dos aplicaciones. Se suele utilizar en un solo producto, permitiendo, por ejemplo, que un sensor o un variador obtenga información del producto y la envíe a la nube.

【Conectividad en la nube】

Las máquinas interconectadas en 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 las fábricas; 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 eficacia global 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 holístico de proceso completo para hacer que las plantas o empresas de sus clientes sean más eficientes les asegurará más negocios.