Lo que los OEM y los ingenieros de diseño necesitan saber sobre motores, unidades y controladores.

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

Las máquinas basadas en el movimiento deben diseñarse y construir alrededor de sus funciones centrales. Para una máquina de impresión que se basa en un conjunto específico de aplicaciones de bobinado, por ejemplo, los diseñadores se centrarían en las piezas críticas y desarrollarían el resto de la máquina en apoyo de las funciones centrales.

Esto suena como el diseño de la ingeniería 101, pero con las presiones de tiempo de mercado y los equipos tradicionalmente conectados en departamentos mecánicos, eléctricos y de software, es fácil para el diseño volver a un proceso en gran medida lineal. Sin embargo, el diseño con el control de movimiento en mente requiere un enfoque de mecatrónica que incluye desarrollar los conceptos iniciales, determinar la topología del sistema y el enfoque de la máquina, y seleccionar la interfaz de conexión y la arquitectura de software.

Aquí hay algunos aspectos esenciales de los motores, unidades, controladores y software que los ingenieros deben considerar desde el comienzo de cada proyecto de diseño de máquinas para reducir las ineficiencias, los errores y el costo, al tiempo que hace posible que los OEM resuelvan los problemas de los clientes en menos tiempo.

【El proceso de diseño】

Cómo y dónde se mueven las piezas es típicamente donde los ingenieros pasan la mayor parte de su esfuerzo de ingeniería, especialmente cuando se desarrollan máquinas innovadoras. Aunque las construcciones innovadoras son, con mucho, las más lentas, a menudo ofrecen el ROI más grande, especialmente si los equipos utilizan lo último en ingeniería virtual y diseños modulares.

El primer paso al desarrollar una máquina desde cero es preguntar: ¿Cuáles son las funciones críticas de esta máquina? Podría ser hacer una máquina que sea fácil de limpiar, de bajo mantenimiento o altamente precisa. Identifique la tecnología que entregará la función requerida, el rendimiento o el nivel de mantenimiento.

Cuanto más complejo sea el problema que debe resolverse, más difícil será determinar las funciones más vitales. Considere trabajar con un proveedor de automatización centrado en el movimiento que puede ayudar a definir los detalles críticos y determinar el enfoque correcto.

Luego pregunte: ¿Cuáles son las funciones estándar de la máquina? Al permanecer con el ejemplo anterior de la máquina de impresión, los controles de tensión y sensor utilizados para relajarse el material que se imprime son bastante estándar. De hecho, aproximadamente el 80% de las tareas de una nueva máquina son variaciones en las tareas de las máquinas pasadas.

El uso de hardware modular y programación de código para manejar los requisitos de ingeniería para las funciones estándar reduce significativamente la cantidad de recursos de diseño necesarios para completar el proyecto. También utiliza funciones probadas en el tiempo, lo que aumenta la confiabilidad y le permite concentrarse en partes más complejas del diseño.

Trabajar con un socio de control de movimiento que puede ofrecer funciones estándar con hardware modular y software significa que puede centrarse 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 agregan la electrónica, incluidos unidades, cables y controles; Y luego los ingenieros de software escriben el código. Cada vez que hay un error o problema, el equipo del proyecto tiene que retroceder y corregirlo. Se gastan tanto tiempo y energía en el proceso de diseño rehaciendo el diseño basado en cambios o errores. Afortunadamente, el diseño de la mecánica con software CAD y la planificación y el diseño de los aislados son casi cosas del pasado.

Hoy, la ingeniería virtual permite a los equipos diseñar cómo funcionarán las máquinas utilizando varias rutas paralelas, acortando así drásticamente el ciclo de desarrollo y el tiempo de mercado. Al crear un gemelo digital (una representación virtual de la máquina), cada departamento puede trabajar por su cuenta y desarrollar piezas y controles simultáneamente con el resto del equipo.

Un gemelo digital permite a los ingenieros probar rápidamente varios diseños para una máquina, así como las tecnologías de su máquina. Por ejemplo, tal vez un proceso requiere que el material se alimente a una alimentación de una máquina hasta que se recolecte la cantidad deseada y luego se corta el material; Eso significa que debe encontrar una manera de detener la alimentación siempre que el material necesita ser cortado. Hay varias formas de manejar ese desafío, y todos pueden afectar la forma en que funciona la máquina en general. Probar diferentes remedios o reubicar componentes para ver cómo afecta las operaciones es simple con un gemelo digital y conduce a prototipos más eficientes (y menos).

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

【Selección de la topología】

Los diseños complejos con varias funciones, más de un eje de movimiento y movimiento multidimensional, y la salida y rendimiento más rápidos hacen que la topología del sistema sea igual de complicada. Elegir entre automatización centralizada, basada en el controlador o automatización descentralizada basada en la unidad, depende de la máquina que se está diseñando. Lo que hace la máquina, tanto sus funciones generales como locales, afecta si opta por una topología centralizada o descentralizada. El espacio del gabinete, el tamaño de la máquina, las condiciones ambientales e incluso el tiempo de instalación también afectan esta decisión.

Automatización centralizada. La mejor manera de obtener el control de movimiento coordinado para máquinas complejas es con la automatización basada en el controlador. Los comandos de control de movimiento generalmente se reenvían a servo inversores específicos a través de un bus estandarizado en tiempo real como EtherCAT, y los inversores conducen todos los motores.

Con la automatización basada en el controlador, se pueden coordinar varios ejes de movimiento para realizar una tarea compleja. Es una topología ideal si el movimiento está en el corazón de la máquina y todas las partes deben sincronizarse. Por ejemplo, si es crítico que cada eje de movimiento esté en un lugar específico para colocar correctamente un brazo de robot, es probable que elija la automatización basada en el controlador.

Automatización descentralizada. Con máquinas más compactas y módulos de máquina, el control de movimiento descentralizado reduce o elimina la carga en los controles de la máquina. En cambio, las unidades de inversor más pequeñas asumen responsabilidades de control descentralizadas, 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 manera rápida e independiente, solo informa una vez que su tarea está completa. Debido a que cada dispositivo maneja su propia carga en dicha disposición, la máquina general puede aprovechar una mayor potencia de procesamiento distribuida.

Control centralizado y descentralizado. Aunque la automatización centralizada proporciona coordinación y descentralizado proporciona una potencia de procesamiento distribuido más eficiente, una combinación de ambos es a veces la mejor opción. La decisión final depende de los requisitos generales, incluidos los objetivos relacionados con: costo/valor, rendimiento, eficiencia, confiabilidad a lo largo del tiempo, especificaciones de seguridad.

Cuanto más complejo sea el proyecto, más importante es tener un socio de ingeniería de control de movimiento que pueda dar consejos sobre los diferentes aspectos. Cuando el constructor de máquinas trae la visión y el socio de automatización trae las herramientas, es cuando obtiene la mejor solución.

【Redes de máquina】

Establecer una interconectividad limpia y a prueba de futuro también es un paso clave para el diseño con el control de movimiento en mente. El protocolo de comunicación es tan esencial como donde se encuentran los motores y las unidades porque no se trata solo de lo que hacen los componentes, también es cómo lo conectas todo.

Un buen diseño reduce la cantidad de cables y la distancia que deben ir. Por ejemplo, un conjunto de 10 a 15 cables que van a un terminal remoto podría reemplazarse con un cable Ethernet utilizando un protocolo de comunicación industrial como EtherCat. Ethernet no es la única opción, pero que sea que use, asegúrese de tener las herramientas o autobuses de comunicación correctos, para que pueda usar protocolos comunes. Elegir un buen autobús de comunicación y tener un plan sobre cómo se establecerá todo hace que las expansiones futuras sean mucho más fáciles.

Concéntrese en construir un buen diseño dentro del gabinete desde el principio. Por ejemplo, no ponga fuentes de alimentación cerca de componentes electrónicos que puedan verse afectados por la interferencia magnética. El componente con altas corrientes o frecuencias puede generar ruido eléctrico en los cables. Por lo tanto, mantenga los componentes de alto voltaje lejos de los componentes de bajo voltaje para la mejor operación. Además, averigüe si su red tiene una calificación de seguridad. Si no es así, es probable que necesite conexiones de seguridad redundantes cableadas, por lo que si una parte falla, detecta su propia falla y reacciona.

Como se toma el Internet de las cosas industriales (IIOT), considere agregar funciones avanzadas que usted o sus clientes pueden no estar preparados para usar. Construir las capacidades en la máquina significa que será más fácil actualizar esa máquina más tarde.

【Software】

Según las estimaciones de la industria, no pasará mucho tiempo antes de que los OEM deban gastar el 50-60% del tiempo de desarrollo de su máquina centrado en los requisitos de software. La evolución de un enfoque en la mecánica a un enfoque en la interfaz coloca a los constructores de máquinas más pequeños en una desventaja competitiva, pero también puede nivelar el campo de juego para las compañías dispuestas a adoptar software modular y protocolos estandarizados y abiertos.

Cómo se organiza el software puede expandirse o limitar lo que una máquina puede hacer ahora y 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, digamos que está diseñando una máquina y desea agregar un paso adicional entre dos fases. Si está utilizando un software modular, simplemente puede agregar un componente sin reprogramar ni recodificar. Y, si tiene seis secciones que hacen lo mismo, puede escribir código una vez y usarlo en las seis secciones.

El diseño no solo es más eficiente con el software modular, sino que también permite a los ingenieros ofrecer la flexibilidad que los clientes anhelan. Por ejemplo, digamos que el cliente quiere una máquina que ejecute productos de diferentes tallas, y el tamaño más grande requiere un cambio en cómo funciona una sección. Con software modular, los diseñadores simplemente pueden cambiar la sección sin afectar el resto de las funciones de la máquina. Este cambio podría automatizarse para permitir que el OEM, o incluso el cliente, cambie rápidamente entre las funciones de la máquina. No hay nada que reprogramar porque el módulo ya está en la máquina.

Los constructores de máquinas pueden ofrecer una máquina base estándar con características opcionales para cumplir con los requisitos únicos de cada cliente. El desarrollo de una cartera de módulos mecánicos, eléctricos y de software hace que sea más fácil ensamblar rápidamente máquinas configurables.

Sin embargo, para obtener la mayor eficiencia del software modular, es esencial seguir los estándares de la industria, especialmente si está utilizando más de un proveedor. Si la unidad y el proveedor de sensores no siguen los estándares de la industria, entonces esos componentes no pueden hablar entre sí y todas las eficiencias de modularidad se pierden al descubrir cómo conectar las piezas.

Además, si su cliente planea conectar el flujo de datos a una red en la nube, es esencial que se cree cualquier software utilizando protocolos estándar de la industria, para que la máquina pueda trabajar 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 una comunicación casi real en tiempo real entre máquinas, controladores, la nube y otros dispositivos de TI, y es probablemente la más cercana a una infraestructura de comunicación holística que puede obtener. MQTT es un protocolo más liviano de mensajería IIOT que permite que dos aplicaciones se hablen entre sí. A menudo se usa en un solo producto, por ejemplo, un sensor o una información de extracción de un producto de un producto y enviarla a la nube.

【Conectividad de la nube】

Las máquinas interconectadas de circuito cerrado siguen siendo la mayoría, pero las fábricas totalmente conectadas a la nube están creciendo en popularidad. Esa tendencia podría elevar el nivel de mantenimiento predictivo y la producción basada en datos y es el próximo cambio importante en el software de fábrica; Comienza con conectividad remota.

Las plantas con red de nubes analizan datos de diferentes procesos, diferentes líneas de producción y más para crear representaciones más completas del proceso de producción. Esto les permite comparar la efectividad general del equipo (OEE) de varias instalaciones de producción. Los OEM de vanguardia trabajan con socios de automatización de confianza para ofrecer máquinas listas para la nube con capacidades modulares de la industria 4.0 que pueden enviar la necesidad de los usuarios finales de datos.

Para los constructores de máquinas, el uso de la automatización del control de movimiento y adoptar un enfoque holístico y de proceso total para que las plantas o empresas de los clientes sean más eficientes, seguramente ganará más negocios.