Control de máquinas y máquinas conectadas para iniciativas DX

Nov 21, 2023

Por Lisa Eitel | 6 de enero de 2023

La pandemia de COVID-19 cambió permanentemente la forma en que operan decenas de miles de empresas en todo el mundo. También cambió la cantidad de personas que ven las iniciativas de automatización y transformación digital (DX). Estos últimos han demostrado ser útiles cuando las empresas tienen como objetivo hacer que el trabajo remoto para el personal de oficina sea permanente; cambie las operaciones de activado a inactivo y viceversa con mayor agilidad; permitir el distanciamiento social en la fábrica de formas más convenientes; y adaptarse continuamente a los problemas persistentes de la cadena de suministro. Los programas DX facilitan hábilmente estos y otros cambios en las prácticas comerciales.

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Las capacidades básicas de DX son máquinas inteligentes que aceptan comandos que se originan en ubicaciones remotas; simplificar (con software e incluso mapeo ambiental impulsado por IA) la reconfiguración según sea necesario; y autodiagnóstico de problemas mecánicos y de programación. De hecho, estas características son las que diferencian a las máquinas inteligentes de las meramente automatizadas. Eso es aplicable ya sea que el equipo sea una máquina tradicional estacionaria, un módulo reconfigurable o un robot industrial. La programación de robots industriales colaborativos (cobots) para satisfacer tales tareas de máquinas inteligentes es especialmente simple.

Las comunicaciones de máquinas inteligentes simplifican la extracción de datos y el análisis posterior, lo que contrasta fuertemente con los sistemas SCADA heredados que exigen una atención significativa del gerente de planta.

El hardware en el que se localizan principalmente las capacidades centrales de las máquinas inteligentes para la automatización discreta incluye controladores industriales, HMI y unidades de motor. Las versiones inteligentes de estos componentes incluyen diagnósticos a bordo y capacidades de manejo de retroalimentación para respaldar los requisitos de datos propios de los sistemas conectados. Caso en cuestión: algunos inversores incorporan sensores para detectar condiciones corrosivas o polvorientas en el entorno de funcionamiento; cableado de retroalimentación del ventilador de enfriamiento para rastrear el estado del ventilador; y puertos de conectividad con circuitos y firmware para facilitar una amplia gama de comunicaciones de IIoT e IA.

Una preocupación legítima que tienen los ingenieros de diseño sobre las máquinas inteligentes es su ciberseguridad. Después de todo, la conectividad puede servir como una vía para la piratería, las plantas de virus, el sabotaje y las filtraciones de datos. Afortunadamente, abundan los estándares y las soluciones para incorporar la seguridad en los componentes de las máquinas inteligentes. En los EE. UU., la División de Ciberseguridad Aplicada del Laboratorio de Tecnología de la Información del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), así como el Centro Nacional de Integración de Comunicaciones y Ciberseguridad del Departamento de Seguridad Nacional y el Equipo de Respuesta a Emergencias Cibernéticas de Sistemas de Control Industrial (ICS-CERT) brindan marcos para reduciendo el riesgo de acceso no autorizado a los sistemas industriales. Luego, los proveedores brindan a los usuarios finales herramientas de monitoreo (y, a menudo, servicios de suscripción) para detectar descargas de datos inesperadas y comportamientos anormales de la máquina causados ​​por actores malintencionados.

Irónicamente, los equipos desconectados y las máquinas inteligentes que tienen una conectividad marginal o incompleta pueden ser los más vulnerables. Esto se debe a que dichas máquinas no ofrecen visibilidad de los problemas emergentes o activos que requieren un aislamiento inmediato. Los equipos más afectados por fallas de ciberseguridad son los que funcionan sin supervisión o carecen de conectividad para recibir actualizaciones periódicas de seguridad.

Debido a que se han vuelto cada vez más rentables, los protocolos y sensores de comunicación inalámbrica ahora son una forma importante de conectividad IIoT de fábrica inteligente, especialmente para el monitoreo de máquinas. Las tecnologías inalámbricas están más justificadas cuando es importante detectar fallas en equipos inaccesibles o ubicados en lugares remotos lo antes posible. Una advertencia es que los equipos de baja velocidad pueden necesitar sensores inalámbricos especiales para cumplir esta función. Las funciones de monitoreo de condición inalámbricas también se justifican cuando el funcionamiento del equipo hasta la falla es inaceptable, como cuando una instalación no tiene un segundo equipo para ejecutar una tarea determinada. La advertencia aquí es que deben existir otros elementos de fábrica inteligente (como sistemas de agregación y análisis) para extraer elementos procesables.

La idoneidad de impartir funciones de fábrica inteligente con sensores inalámbricos depende en parte de la frecuencia con la que se deben recopilar los datos. Debido a la forma en que los sensores inalámbricos funcionan con batería o recolectan energía, solo pueden recopilar y transmitir mediciones de manera intermitente. Eso los hace más adecuados para equipos como bombas que funcionan continuamente en un estado estable. Dicho esto, es posible monitorear motores en ejes de velocidad variable, ya que los análisis simples pueden verificar que la frecuencia y la resolución estén dentro de las especificaciones. Cuando se vaya a usar un sensor inalámbrico para monitorear las fallas de la máquina frente a los cambios en las vibraciones de operación, debe ser capaz de monitorear un rango de frecuencia apropiado.

Las soluciones inalámbricas adecuadamente implementadas ofrecen beneficios más allá del monitoreo de máquinas. Estas funciones incluyen conectividad de fábrica inteligente con sistemas empresariales, así como retroalimentación operativa para cambios sobre la marcha en las funciones de la máquina, incluso la producción de productos personalizables.

Los productos inalámbricos para estas funciones suelen ser compatibles con varios estándares. Considere las memorias USB de red inalámbrica que brindan conectividad remota a las PC industriales. Algunos incluyen opciones para comunicaciones móviles WLAN y 4G/3G/2G. Los sticks funcionan en robots móviles y vehículos guiados automatizados (AGV) y una variedad de otros tipos de equipos que necesitan comunicaciones inalámbricas con un controlador central o un sistema de control de supervisión y adquisición de datos (SCADA). Los usuarios pueden incluso monitorear los diagnósticos basados ​​en unidades para un mejor mantenimiento preventivo basado en datos de aplicaciones del mundo real que contienen información sobre la frecuencia de los eventos.

En los últimos años se ha visto la convergencia de las funciones de HMI, conectividad y controlador para admitir operaciones de nivel empresarial y automatización altamente sofisticadas.

La maquinaria móvil en instalaciones agrícolas, de construcción y de parques de diversiones ha tomado prestadas muchas estructuras de fábricas inteligentes para impartir capacidades autónomas a diseños que alguna vez necesitaron uno o más operadores. Los controladores de automatización listos para usar de hoy en tales entornos pueden impartir las tecnologías inalámbricas y de seguridad necesarias para proteger al personal y comunicarse con los sistemas informáticos existentes.

5G en particular es prometedor para las operaciones de fabricación que podrían beneficiarse de la conectividad en la nube, porque tiene el ancho de banda y la estabilidad necesarios para las redes de producción, especialmente donde se realiza como una red de campus. Pero debido a que generalmente hay conexiones de red disponibles en todas las infraestructuras de las máquinas, algunos no anticipan redes industriales basadas en 5G generalizadas en el corto plazo. Eso no ha impedido que los proveedores de componentes y sistemas se preparen para la eventualidad de 5G en entornos industriales. De hecho, quienes se preparan para la adopción de la tecnología 5G predicen una expansión simultánea de la realidad aumentada, el diseño virtual y la IA. Con el aumento exponencial de la velocidad, muchos esperan tiempos de procesamiento hasta 10 veces más rápidos que lo que es posible actualmente con los sistemas 4G industriales. De hecho, las tecnologías inalámbricas 5G son capaces de admitir el control en tiempo real por parte de un servidor externo sobre procesos complejos, para ejecutar procesos tan complicados como la impresión 3D, por ejemplo.

Los protocolos basados ​​en Ethernet industrial siguen superando a los buses de campo tradicionales para el envío de mensajes de datos en instalaciones automatizadas... y, de hecho, los protocolos basados ​​en Ethernet ahora se emplean en más del 40 % de las redes industriales. Es cierto que algunos buses de campo son más confiables que las ofertas heredadas de Ethernet que no son deterministas, pero las velocidades de Ethernet lideran. Más específicamente, algunos sistemas de bus antiguos solo tienen velocidades de datos de 1 a 20 Mbit sin capacidades en tiempo real, por lo que poco a poco han perdido cuota de mercado frente a opciones basadas en Ethernet que tienen velocidades de al menos 100 Mbit. Por supuesto, los protocolos de bus son suficientes para muchas tareas industriales simples, por lo que seguirán utilizándose en las próximas décadas.

Las velocidades de datos de Ethernet admiten el seguimiento y el procesamiento de datos en tiempo real. Además, a diferencia de las redes de dispositivos y bus de campo que requieren varias capas físicas, Ethernet funciona con una... y ahora, la alimentación a través de Ethernet (PoE) mencionada anteriormente permite a los ingenieros de diseño hacer un mayor uso de esa única capa física. Especialmente en la intersección de IIoT y control de movimiento, las conexiones PoE conducen. Fue difícil obtener la energía suficiente para alimentar un motor a partir de conexiones PoE... pero la rápida adopción de estándares IEEE de mayor potencia en conmutadores Ethernet industriales está respaldando la expansión aquí. El estándar 802.3at, por ejemplo, proporciona 25 W de potencia a los dispositivos conectados, que es suficiente para hacer funcionar un motor paso a paso NEMA-14 a plena potencia. Algunos motores integrados para dichos arreglos aceptan alimentación y comunicaciones a través de uno de los dos cables Ethernet estándar (RJ45 o M12 con código X) y admiten protocolos de red comunes como Modbus TCP y EtherNet/IP. De hecho, la conectividad basada en Ethernet suele adoptar la forma de EtherNet/IP. Este protocolo de capa de aplicación permite la comunicación entre controles y E/S; ciertas adaptaciones permiten un control de movimiento multieje sincronizado y determinista.

Aunque Internet de las cosas es más visible para los legos en los dispositivos de consumo, el IIoT es masivo. La mayoría de las aplicaciones se encuentran en entornos comerciales, de fábrica y de atención médica... y más de un tercio del mercado de IoT de casi $ 6 billones se encuentra en la fabricación.

Aquí se muestra: Los switches ETHERLINE ACCESS PROFINET de LAPP se pueden configurar a través de una interfaz web. Ayudan cuando se requieren altas velocidades de transmisión en largas distancias... y tienen puertos RJ45, así como puertos conectables de factor de forma pequeño (SFP) para cables de fibra óptica y Gigabit Ethernet rápido. Algunos convierten las señales de luz de fibra óptica en señales eléctricas para 100 Mbit/seg o 1 Gbit/seg y transmisión monomodo o multimodo. De lo contrario, un conmutador ETHERLINE ACCESS U04TP01T de esta línea (reforzado para montar dispositivos de campo cercano) tiene cuatro puertos RJ45 con alimentación a través de Ethernet (PoE) y un puerto para Ethernet rápido. Lea más sobre estas ofertas aquí.

También está experimentando una adopción espectacular el Sistema de comunicaciones en tiempo real en serie (SERCOS) III que emplea un cable Ethernet industrial para conectar unidades, controladores de movimiento, sensores, E/S, motores y otros actuadores. Con SERCOS III, la comunicación de control y movimiento determinista bidireccional en tiempo real es posible. Otros protocolos que aprovechan las ventajas de Ethernet incluyen Ethernet para tecnología de automatización de control (EtherCAT), PROFINET y CC-Link.