Lo que los 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 esencial que comiencen teniendo en mente el control del movimiento. 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. Para una máquina de impresión que depende de un conjunto específico de aplicaciones de bobinado, por ejemplo, los diseñadores se centrarían en las piezas críticas y desarrollarían el resto de la máquina para respaldar las funciones principales.

Esto suena como ingeniería de diseño 101, pero con las presiones del tiempo de comercialización y los equipos tradicionalmente aislados en departamentos mecánicos, eléctricos y de software, es fácil que el diseño vuelva a ser un proceso en gran medida 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 detallan algunos aspectos esenciales de motores, variadores, controladores y software que los ingenieros deben considerar desde el comienzo de cada proyecto de diseño de máquina para reducir ineficiencias, errores y costos y, al mismo tiempo, hacer posible que los OEM resuelvan los problemas de los clientes en menos tiempo.

【El proceso de diseño】

Cómo y dónde se mueven las piezas suele ser donde los ingenieros dedican la mayor parte de su esfuerzo de ingeniería, especialmente cuando desarrollan máquinas innovadoras. Aunque las construcciones innovadoras son, con diferencia, las que consumen más tiempo, a menudo ofrecen el mayor retorno de la inversión, especialmente si los equipos utilizan lo último 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 fabricar una máquina que sea fácil de limpiar, de bajo mantenimiento o muy precisa. Identifique la tecnología que brindará 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 vitales. Considere trabajar con un proveedor de automatización centrada en el movimiento que pueda ayudar a definir los detalles críticos y determinar el enfoque correcto.

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 sensores utilizados para desenrollar el material sobre el que se imprime son bastante estándar. De hecho, alrededor del 80% de las tareas de una máquina nueva son variaciones de tareas de máquinas anteriores.

El uso de hardware modular y programación de códigos para manejar los requisitos de ingeniería para 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 pueda ofrecer funciones estándar con hardware y software modular significa que puede concentrarse en las características de valor agregado 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, incluidos accionamientos, 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 dar marcha atrás y corregirlo. Se dedica mucho tiempo y energía en el proceso de diseño a rehacer el diseño en función de cambios o errores. Afortunadamente, el diseño mecánico con software CAD y la planificación y el diseño aislados son casi cosas del pasado.

Hoy en día, la ingeniería virtual permite a los equipos diseñar cómo funcionarán las máquinas utilizando varios caminos paralelos, acortando así 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 por su cuenta y desarrollar piezas y controles al mismo tiempo que 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 requiera que el material se alimente a una máquina hasta que se recoja la cantidad deseada y luego se corte el material; eso significa que debe encontrar una manera de detener la alimentación cada vez que sea necesario cortar el material. Hay varias formas de afrontar ese desafío y todas ellas pueden afectar el funcionamiento de la máquina en general. Probar diferentes soluciones o reubicar componentes para ver cómo afecta las operaciones es simple con un gemelo digital y conduce a una creación de prototipos más eficiente (y menos).

La ingeniería virtual permite a los equipos de diseño ver cómo la máquina completa y sus conceptos superpuestos trabajan juntos para alcanzar uno o varios objetivos en particular.

【Selección de la topología】

Los diseños complejos con varias funciones, más de un eje de movimiento y movimiento multidimensional, y una salida y un rendimiento más rápidos hacen que la topología del sistema sea igualmente complicada. La elección entre automatización centralizada basada en controladores o automatización descentralizada basada en accionamientos depende de la máquina que se esté diseñando. Lo que hace la máquina, tanto sus funciones generales como locales, afecta si se 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 conseguir un control de movimiento coordinado para máquinas complejas es mediante la automatización basada en controladores. Los comandos de control de movimiento generalmente se envían a servoinversores específicos a través de un bus estandarizado en tiempo real como EtherCAT, y los inversores accionan todos los motores.

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

Automatización descentralizada. Con máquinas y módulos de máquina más compactos, el control de movimiento descentralizado redujo o elimina la carga en los controles de la máquina. En cambio, los inversores más pequeños 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 forma rápida e independiente, y solo informa una vez que se completa su tarea. Debido a que cada dispositivo maneja su propia carga en tal disposición, la máquina en general puede aprovechar una potencia de procesamiento más distribuida.

Control centralizado y descentralizado. Aunque la automatización centralizada proporciona coordinación y la descentralizada proporciona una potencia de procesamiento distribuida más eficiente, a veces una combinación de ambas es la mejor opción. La decisión final depende de los requisitos generales, incluidos los objetivos relacionados con: costo/valor, rendimiento, eficiencia, confiabilidad en el 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 máquina aporta la visión y el socio de automatización aporta las herramientas, es cuando se obtiene la mejor solución.

【Redes de máquinas】

Establecer una interconectividad limpia y preparada para el futuro también es un paso clave en el diseño teniendo en cuenta el control de movimiento. El protocolo de comunicación es tan esencial como la ubicación de los motores y los variadores, porque no se trata sólo de lo que hacen los componentes, sino también de cómo se conecta todo.

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 utilizando un protocolo de comunicación industrial como EtherCAT. Ethernet no es la única opción, pero cualquiera que utilice, asegúrese de tener las herramientas o buses de comunicación adecuados para poder utilizar protocolos comunes. Elegir un buen bus de comunicación y tener un plan sobre cómo se distribuirá todo hace que las futuras expansiones sean mucho más fáciles.

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 corrientes o frecuencias altas pueden generar ruido eléctrico en los cables. Por lo tanto, mantenga los componentes de alto voltaje alejados de los componentes de bajo voltaje para un mejor funcionamiento. Además, averigüe si su red tiene clasificación de seguridad. De lo contrario, probablemente necesitará conexiones de seguridad redundantes cableadas para que, si una pieza falla, detecte su propia falla y reaccione.

A medida que el Internet industrial de las cosas (IIoT) se afianza, considere agregar funciones avanzadas que quizás usted o sus clientes aún no estén listos para usar. Incorporar las capacidades en la máquina significa que será más fácil actualizar esa máquina más adelante.

【Software】

Según estimaciones de la industria, no pasará mucho tiempo antes de que los OEM tengan que dedicar entre el 50% y el 60% del tiempo de desarrollo de sus máquinas a centrarse en los requisitos de software. La evolución de un enfoque en la mecánica a un enfoque en la interfaz coloca a los fabricantes de máquinas más pequeñas en desventaja competitiva, pero también puede nivelar el campo de juego para las empresas que deseen adoptar software modular y protocolos abiertos estandarizados.

La forma en que se organiza el software puede ampliar 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 maquinaria.

Por ejemplo, digamos que está diseñando una máquina y desea agregar un paso adicional entre dos fases. Si está utilizando 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 con software modular no solo es más eficiente, sino que también permite a los ingenieros ofrecer la flexibilidad que los clientes anhelan. Por ejemplo, supongamos que el cliente quiere una máquina que funcione con 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 permitir que el OEM, o incluso el cliente, cambien rápidamente entre funciones de la máquina. No hay nada que reprogramar porque el módulo ya está en la máquina.

Los fabricantes de máquinas pueden ofrecer una máquina base estándar con características opcionales para satisfacer los requisitos únicos de cada cliente. El desarrollo de una cartera de módulos mecánicos, eléctricos y de software facilita el montaje rápido de máquinas configurables.

Sin embargo, para obtener la mayor eficiencia del software modular, es esencial seguir los estándares de la industria, especialmente si utiliza más de un proveedor. Si el proveedor de unidades y sensores no sigue los estándares de la industria, entonces esos componentes no pueden comunicarse entre sí y todas las eficiencias de la 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 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 que pueda obtener. MQTT es un protocolo de mensajería IIoT más liviano que permite que dos aplicaciones se comuniquen entre sí. A menudo se utiliza 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 y de circuito cerrado siguen siendo la mayoría, pero las fábricas completamente conectadas en red a la nube están ganando popularidad. Esa tendencia podría elevar el nivel de mantenimiento predictivo y producción basada en datos y es el próximo cambio importante en el software de fábrica; comienza con la conectividad remota.

Las plantas conectadas en red en la nube 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 confiables para ofrecer máquinas listas para la nube con capacidades modulares de la Industria 4.0 que pueden enviar los datos que los usuarios finales necesitan.

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