Familiarícese con los tipos de actuadores en IoT

Nov 25, 2023

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Los actuadores, que son anteriores a la era digital, son componentes de hardware en el corazón de muchas implementaciones de IoT. En el nivel más básico, un actuador es un dispositivo que convierte la energía en movimiento.

"Son solo formas de cambiar una forma de energía en acción o movimiento", dijo Shawn Chandler, miembro sénior de IEEE y director de energía, sustentabilidad e infraestructura de la consultora Guidehouse.

Para que los ingenieros construyan productos efectivos y funcionales, deben saber cómo funciona el hardware del actuador, así como las fuentes de energía y los requisitos de mantenimiento de cada tipo. Con este conocimiento, pueden asegurarse de que no haya sorpresas en el desarrollo de hardware a lo largo del flujo de trabajo de diseño y fabricación del producto.

En IoT, los actuadores permiten una acción física basada en datos que se originan con uno o más sensores.

La conversión de datos del sensor a actividad sigue esta secuencia:

Por ejemplo, una implementación de IoT que regula una unidad de refrigeración tiene sensores para leer la temperatura. Los sensores envían los datos de temperatura al sistema de control según lo programado. El sistema de control compara esas lecturas de temperatura con el rango de temperatura deseado programado. Si la temperatura se mueve fuera de ese rango preprogramado, el sistema de control envía una señal a un actuador para encender o apagar la refrigeración.

En muchas implementaciones de IoT, el sensor, el controlador y el actuador son componentes físicamente diferentes que se comunican a través de redes de comunicación inalámbricas o por cable y un protocolo de Internet. En otras versiones, un solo dispositivo físico alberga los tres componentes. Una válvula inteligente, por ejemplo, generalmente contiene un sensor, un controlador y un actuador.

Algunas implementaciones de IoT se centran en los propios actuadores. En tales casos de uso, los sensores monitorean el rendimiento del actuador, dijo Preston Johnson, gerente senior de soluciones para integridad y confiabilidad de activos en el borde inteligente del integrador experto en dominios CBT.

"En el viejo mundo, tendrías que tener a alguien que inspeccione los actuadores", dijo Johnson. "Pero, con la llegada de IoT, no tenemos que enviar inspectores. Podemos obtener informes sobre el rendimiento de los actuadores o si necesitan mitigación".

Los sensores pueden monitorear, por ejemplo, la velocidad a la que los actuadores abren y cierran las válvulas en las tuberías, con controladores que analizan las mediciones para garantizar que los actuadores funcionen correctamente y enviar una alerta cuando hay un mal funcionamiento.

En el caso de la válvula inteligente que contiene el sensor, el controlador y el actuador en una sola parte, el dispositivo podría tener un protocolo de comunicaciones para enviar datos a un servidor central que analiza el rendimiento de la válvula, dijo Johnson.

Para ejecutar el movimiento, el actuador requiere energía. Los principales tipos de fuentes de energía son los siguientes:

Cada tipo viene con ventajas y posibles inconvenientes.

Los actuadores eléctricos, una opción común para los dispositivos IoT, convierten la energía en par mecánico. La energía eléctrica es menos ruidosa en funcionamiento que otros tipos de actuadores. Estos actuadores no requieren líquido para funcionar. Además, los actuadores eléctricos ofrecen posicionamiento de precisión de alto control debido a la programabilidad. Pero estos actuadores pueden ser costosos. También pueden no ser adecuados para los entornos operativos extremos que se encuentran en algunos casos de uso militar, aeroespacial y de fabricación.

Los actuadores hidráulicos pueden ejercer una gran cantidad de fuerza y ​​moverse a alta velocidad. Estas características se adaptan al uso en equipos de construcción y fabricación. Pero tienen altos requisitos de mantenimiento. Por ejemplo, pueden necesitar mitigación de ruido y las fugas de fluidos pueden reducir su rendimiento.

Los actuadores neumáticos, que utilizan aire comprimido o gas como energía, tienen requisitos de mantenimiento más bajos y una vida útil más larga que otros tipos de actuadores. Son duraderos y capaces de trabajar en temperaturas extremas. Esta categoría también puede iniciar y detener el movimiento rápidamente. Pero aún requieren algo de mantenimiento. Por ejemplo, exigen un suministro de aire constante y su eficiencia se ve afectada por los cambios en la presión del aire y del gas.

Los actuadores térmicos o magnéticos utilizan la energía obtenida al calentar una aleación con memoria de forma. Tienen un factor de forma compacto, son livianos y tienen una alta densidad de potencia. También elimina la necesidad de un sensor de temperatura cuando se usa en una válvula térmica que integra funciones de control de fluidos, activación y detección de temperatura. Debido a que este actuador usa calor para moverse, el pistón del actuador puede cambiar de posición y causar un retraso si el dispositivo se está calentando o enfriando, lo que provoca histéresis. El metal del actuador también puede sufrir fatiga estructural y funcional.

Otra forma de clasificar los actuadores es el tipo de movimiento que producen. Los movimientos mecánicos incluyen rotatorio, lineal y oscilante.

"El tipo de actuador que necesita depende del trabajo que necesita que haga", dijo Johnson.

Un actuador hidráulico con movimiento lineal responde a la necesidad de levantar algo pesado en línea recta hacia arriba y hacia abajo. Los actuadores neumáticos con movimiento giratorio serían la elección probable para un brazo robótico. Los actuadores eléctricos son el tipo más común para las implementaciones de IoT, según Chandler.

Aunque los actuadores son un componente en muchos casos de uso de IoT, los equipos de IoT empresariales no suelen seleccionar directamente el tipo de actuador que implementan. Los proveedores de hardware de automatización a menudo seleccionan los componentes del dispositivo, incluido el actuador, y los venden como una oferta empaquetada, dijo Chandler.

Cuanto más sepan los equipos de diseño de dispositivos IoT sobre los componentes, mejor informados estarán sobre cómo los actuadores pueden afectar los requisitos de mantenimiento, el ruido de funcionamiento y la vida útil del producto. Incluso si los ingenieros de productos de IoT no compran actuadores directamente de un proveedor, deben trabajar con los proveedores para confirmar que obtienen el actuador más adecuado como parte de la oferta tecnológica y que es compatible con el caso de uso deseado.

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