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Soluciones de medición y control

Requisitos de los sistemas de automatización modernos

Michael Guckes, director de producto, responsable de Amplificadores industriales y software en HBM

28/02/2019

Los conceptos innovadores sobre automatización requieren una reflexión radical. El foco de atención ya no es el sistema o el componente, sino el usuario y cómo ofrecerle un soporte eficiente durante las tareas de automatización. La tecnología de medición y automatización debe adaptarse a las personas, y no al revés. En este artículo se explica qué requisitos deben cumplir este tipo de conceptos.

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Figura 1. La cadena de medida moderna abarca desde el sensor al valor medido, pasando por la electrónica. Fuente: Hottinger Baldwin Messtechnik.

Existe demanda de nuevos conceptos

En el pasado, la interacción entre los componentes individuales de un sistema, como los sensores de medida y las unidades de almacenamiento, solo era posible en muchos casos a través de complicados canales de transferencia e interfaces de conversión. Con el paso de los años, los sistemas se han ido volviendo cada vez más complejos y se ha producido una migración sistemática hacia interfaces y componentes más uniformes, estructurados como un sistema modular.

Los desarrolladores de productos y los responsables de producción buscan esencialmente las mismas cosas: sistemas flexibles que permitan integrar con facilidad nuevas tecnologías basadas en la web y que requieran un tiempo de formación mínimo de los nuevos usuarios. Existen algunas diferencias fundamentales entre las tareas de automatización y las de desarrollo de productos. El desarrollo de productos requiere una adquisición precisa de valores medidos, con altas velocidades de registro. En cambio, en las aplicaciones de automatización, las secuencias deben llevarse a cabo en un tiempo real determinista, con el objetivo de mantener las máquinas en un estado de funcionamiento óptimo. En la automatización, los datos de medición tienen muy poca relevancia; en cambio, los datos de diagnóstico son de alta prioridad. En los sistemas mecatrónicos, esta dicotomía no existe desde hace tiempo e, idealmente, los componentes ofrecen la flexibilidad suficiente como para utilizarlos en ambas áreas.

La convergencia de la tecnología de control (OT) y la tecnología de la información (IT)

Lo mismo se puede decir del software de pruebas y de control. Las magnitudes que se miden durante las pruebas deben almacenarse y analizarse con un software adecuado. Debido a los grandes volúmenes de datos implicados, este software está instalado en un PC de medición, al cual se transfieren los datos a través de una interfaz Ethernet. El paso siguiente consiste en reutilizar algunos elementos y métodos del software de evaluación en el entorno de producción, en combinación con elementos de tecnología de control. Por otro lado, con frecuencia los sistemas mecatrónicos deben ofrecer un alto grado de comportamiento en tiempo real en los entornos de producción, con el fin de asegurar una interacción fluida entre todos los componentes, sin errores.

Hottinger Baldwin Messtechnik (HBM) ofrece un amplio espectro de conceptos de sensores y sistemas de adquisición, dirigido tanto al desarrollo de productos como a la producción en sí. Además de ofrecer sensores adecuados, la electrónica de medición avanzada constituye el núcleo de la cadena de medida para la producción.

Con frecuencia, los sistemas existentes no pueden seguir el ritmo ni adaptarse a los volúmenes de datos de las líneas de producción modernas, que son altamente dinámicas. Entre los criterios más importantes para utilizar adecuadamente este tipo de sistemas de medición se encuentran la transferencia de datos en tiempo real y la alta capacidad de memoria; pero también es importante que la parametrización y visualización de los datos de medición resulten sencillas para los distintos grupos de empleados y operarios (ver Figura 1).

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Figura 2. ClipX, de HBM, es un acondicionador de señal de alta precisión, con conectividad conforme al estándar OPC UA concebido para enviar datos a una nube. Fuente: Hottinger Baldwin Messtechnik.

Conceptos de automatización integrada

El tiempo es dinero; ahorrar tiempo es sinónimo de ahorrar dinero. Esta visión es algo así como un mantra para los fabricantes de sistemas y máquinas. Un dispositivo de automatización tiene que ser capaz de gestionar tantas tareas y procesos como sea posible, de forma rápida, sencilla y sin errores. Pero también es importante no olvidarse del componente humano. Dicho de otro modo: para trabajar eficazmente, ahorrar costes y evitar que la formación de los usuarios resulte cara, es indispensable que el funcionamiento, la visualización y el diagnóstico resulten sencillos.

Los componentes de tecnología de medición utilizados como herramientas de adquisición de datos de medida permiten obtener datos de manera rápida, precisa y sin ruido. La identificación de los sensores mediante chips Teds simplifica la configuración de los amplificadores y el modo de medición. Con ello no solo es posible una configuración más rápida, sino que también resulta más sencilla la puesta en marcha a través de red. Las herramientas tradicionales para este tipo de tareas se quedan, por tanto, obsoletas. El estado de los valores medidos se puede utilizar para efectuar diagnosis adaptada a los canales y para acceder de manera selectiva en caso de problemas, in situ o de forma remota.

Por otro lado el uso de componentes de tecnología de medición con canales internos de cálculo contribuye a que los sistemas de automatización funcionen de manera estable, sin que los canales de transferencia lleguen a “sobrecargarse”. El objetivo es preprocesar de forma descentralizada la mayor cantidad posible de datos de medida. Eso exige que el componente disponga de canales de cálculo internos. Estos canales realizan funciones de monitorización y control en tiempo real. Las señales pueden seguir procesándose de forma interna y también exportarse al sistema de automatización, empleando salidas analógicas o un bus de campo basado en Ethernet, que es más rápido. De esta forma, el controlador del sistema o de la máquina no se sobrecarga y puede ejecutar ciclos de control más cortos y rápidos. Los amplificadores industriales con funciones inteligentes integradas (como, por ejemplo, los canales de cálculo inteligentes) resultan económicos para muchos fabricantes de maquinaria porque eliminan la necesidad de un desarrollador interno de software que, en otras circunstancias, tendría que escribir un código extenso. Cualquier ingeniero mecatrónico es capaz de utilizar estas funciones inteligentes de manera intuitiva.

La Industria 4.0 necesita métodos y procesos sencillos

La Industria 4.0 hace hincapié en la inteligencia en la fabricación de productos, los métodos y los procesos. Los componentes interconectados en red a través de Internet proporcionan un soporte activo al proceso de producción. Los componentes de Internet Industrial de las Cosas (IIoT) ya incorporan esas funciones inteligentes en sus canales internos de cálculo. Por ello, se trata de sistemas “ciberfísicos” que se pueden utilizar para configurar una fábrica o infraestructuras inteligentes. Las operaciones de mantenimiento se pueden controlar mediante opciones de diagnóstico integradas. Eso significa, por ejemplo, que las paradas de mantenimiento se pueden planificar de manera estructurada, evitando que se produzcan en momentos que afectan negativamente al trabajo.

Todo ello se basa en la disponibilidad en tiempo real de toda la información relevante a través de una red, que es uno de los requisitos de la Industria 4.0. La interconexión de las personas y los sistemas crea redes dinámicas que se optimizan y autoorganizan en tiempo real. Aportan valor añadido y se pueden utilizar en toda la empresa. La optimización puede llevarse a cabo en función de diferentes criterios, como coste, disponibilidad o consumo de recursos.

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Figura 3. El control de la producción a través de una red aporta ventajas decisivas al conjunto de la producción. Fuente: Hottinger Baldwin Messtechnik.

El bus de campo en los entornos de automatización

Estas interfaces garantizan la sincronización de los ciclos. En otras palabras, los datos de medición y de diagnóstico se transfieren siempre dentro del mismo marco temporal. Para ello, se reserva en todo momento un rango fijo para estos datos en tiempo real dentro de la estructura de datos, durante la transmisión. En el pasado, el tamaño de esta estructura de datos era muy limitado. Por un lado, los volúmenes de datos eran relativamente más pequeños. Por otro, solo era posible construir redes con una estructura centralizada (cables cortos). Todo esto cambió radicalmente con la llegada de la tecnología de Ethernet como medio de transmisión para la transferencia de datos en entornos de fabricación, ya que permitió crear redes más grandes con velocidades de transferencia de datos más altas (hasta del orden de gigabits). La topología varía desde las conexiones 1:1 de las redes de sistemas y fábricas hasta las redes globales que conectan diferentes centros y sistemas por todo el mundo. Un aspecto esencial de la tecnología de Ethernet es la alta disponibilidad de los componentes de red.

El sistema en la nube

Cuando los datos del sistema se almacenan y utilizan de forma centralizada, se abre la puerta a nuevas posibilidades. Las soluciones en la nube —un fenómeno con el que muchos ya estamos familiarizados gracias, por ejemplo, a Google Maps— están ganando adeptos en las aplicaciones de producción. Estas soluciones permiten atender requisitos de manera selectiva; por ejemplo, controlar la producción teniendo en cuenta los tamaños de lote y el acopio de materiales. Los fallos de funcionamiento también se detectan y señalan, lo cual permite rectificarlos más rápidamente. De manera demostrable, la producción resulta más eficiente, rentable y automatizada. Todo ello, a su vez, reduce las operaciones manuales y garantiza un control de los servicios orientado a la demanda.

Se necesitan nuevos protocolos de interfaz

Para transferir de manera eficiente los datos de planificación y diagnóstico a la nube para tareas de fabricación se necesitan nuevos formatos de datos. OPC Unified Architecture, abreviado OPC UA, es un protocolo de comunicaciones industriales M2M, que se desarrolló especialmente para esta función (ver Figura 2). El formato anterior a este, denominado OPC, se normalizó y adquirió categoría de estándar mundial.

OPC UA es la especificación más avanzada de OPC Foundation y difiere considerablemente de otras anteriores. Su característica más llamativa es que no solo es capaz de mover datos de las máquinas (como variables de control, valores medidos, parámetros, etc.), sino también de describirlos semánticamente en un formato legible para las máquinas. Esta tecnología también se basa en Ethernet y, por tanto, ofrece un gran potencial de ahorro y seguridad de las inversiones. En este caso, los datos adquiridos también se transfieren a través de Ethernet, pero no con la rapidez de ciclo de los sistemas de bus de campo.

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Figura 4. Los sistemas de medición como ClipX con precisión en procesos optimizados en la nube. Fuente: Hottinger Baldwin Messtechnik.

Ventajas para el usuario

Con las nuevas tecnologías de redes y comunicaciones, los procesos pueden ser más ágiles y transparentes. El control de la producción es más sencillo, porque está automatizado en gran medida y se puede controlar de forma remota (ver Figura 3). Las necesidades de personal son menos intensivas y no es necesario formar a los usuarios. Los sistemas informan sobre su “estado de salud”, lo cual permite optimizar el mantenimiento.

La nube ofrece nuevas posibilidades a la automatización y tiene un potencial muy prometedor El futuro de la tecnología de medición en la nube radica en que los datos no se mueven de un punto de almacenamiento a otro. Gracias a la inteligencia artificial y al aprendizaje automático, en muchos casos, los datos resultan utilizables inmediatamente. Ya existen ejemplos de ello en la comunicación, el control de máquinas y el mantenimiento preventivo.

El uso de tecnología de medición en la nube ya está consolidado en campos como la monitorización de la producción y el control de máquinas. Requiere capacidad no solo para mover datos de máquinas (variables de control, valores medidos, parámetros, etc.), sino también para describirlos semánticamente, de modo que puedan ser leídos por las máquinas (como ocurre con OPC UA). El uso de sistemas de medición como ClipX y PMX, de HBM, resulta fundamental en sistemas para máquinas y producción, en los que existen máquinas conectadas a una red que se comunican entre sí (ver Figura 4).

El uso de sistemas de medición modernos en el contexto de Internet industrial de las cosas (IIoT) permite a los fabricantes reducir sus costes de producción, aumentando al mismo tiempo la calidad y la velocidad de los procesos de fabricación y pruebas. HBM está llevando a cabo un esfuerzo sostenido de desarrollo de estas tecnologías, y ya las ha incorporado a sus sistemas de medición y control ClipX y PMX.

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Michael Guckes es ingeniero, director de producto y responsable de Amplificadores industriales y software en Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, Darmstadt (Alemania).

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