Configure los sensores y actuadores industriales de forma más rápida, segura y fiable con las cajas de sensores y actuadores

Los diseñadores de equipos modernos de automatización industrial (AI) pueden apreciar la rapidez con la que pueden expandirse para abarcar cientos de metros cuadrados dentro de una instalación. El tendido de cables separados entre la computadora de control y los sensores de proximidad y los brazos mecánicos de la zona de proceso puede desordenar la planta de la instalación y ralentizar el tiempo que se tarda en configurar ese equipo. Además, la sustitución o reconfiguración de un sensor o actuador existente puede requerir el tendido de otro cable entre la ubicación del proceso y la computadora de control, lo que ralentiza el mantenimiento. El problema no hace más que ampliarse con el impulso de conectar más sistemas al Internet de las Cosas (IoT) para hacer un seguimiento de los mismos en un tablero remoto a través de la nube.

Para simplificar estos problemas de conectividad, los diseñadores de sistemas industriales pueden utilizar cajas de actuación de sensores (también llamadas cajas de conexión y cajas de distribución). Con estos dispositivos, se pueden conectar muchos sensores y actuadores pasando una línea maestra desde la computadora de control a una caja que termina en muchos conectores en el lugar del proceso, lo que simplifica el cableado del suelo.

En este artículo se analizan brevemente los problemas relacionados con la conectividad IA. A continuación, se presentarán tres ejemplos de cajas de actuadores de sensores del mundo real -una de Molex, otra de Alpha Wire y otra de Phoenix Contact, yse mostrará cómo pueden simplificar el cableado en un entorno industrial y facilitar el mantenimiento y la configuración.

Conexión de computadoras de control a sensores y actuadores

Muchas computadoras de control en entornos de automatización industrial están convenientemente situadas cerca de los equipos que controlan. Los cables que van de la computadora a los sensores y actuadores pueden ser relativamente cortos, a menudo de uno o dos metros. Sin embargo, en algunas instalaciones industriales, las computadoras de control pueden estar situadas a muchos metros de distancia, por lo que es necesario tender varios cables entre ambas ubicaciones. Esto es habitual en los robots de las plantas de montaje, en las instalaciones de cintas transportadoras y también en los grandes vehículos industriales, como camiones y aviones. En algunas situaciones, el área de proceso puede ser peligrosa, con el lugar expuesto a productos químicos nocivos o a temperaturas extremas. Para este tipo de maquinaria, la computadora de control suele situarse a una distancia segura y protegida para maximizar la fiabilidad.

El cableado convencional en estas situaciones implicaría el envío de múltiples cables desde la computadora de control a cada sensor y actuador. No siempre es una operación sencilla. Se deben utilizar los conectores de terminación de cable adecuados en cada extremo del cable del sensor o del actuador. En muchos entornos peligrosos, puede llevar más tiempo del previsto asegurarse de que el cable está colocado de forma segura y correcta. Por último, el tiempo que se tarda en configurar y conectar el cableado de cada sensor y actuador ralentiza la operación de despliegue y añade costos. Si hay que cerrar la instalación para sustituir o configurar más de un sensor o actuador, esto se sumará al tiempo de inactividad, lo que aumentará aún más los costos, a veces drásticamente, dependiendo de la instalación.

Cajas de sensores

Una solución segura y rentable es que las instalaciones de IA utilicen cajas de actuación con sensores. Estas cajas agrupan todos los cables de los sensores y actuadores de la computadora de control en un único cable maestro, a menudo llamado cable de inicio, que se dirige a la zona de proceso. El cable termina cerca de la zona de proceso en una única caja de conexiones resistente que contiene receptáculos para conectores, normalmente ocho o más conectores M12. Las cajas de actuación de los sensores también se denominan a veces cajas de conexión, cajas de distribución y también cajas de E/S o ES. La caja de conexiones con los receptáculos M12 montados es una unidad sellada y precableada con clasificación IP67 o superior.

El cable de la casa para todos los sensores y actuadores tiene que ser colocado una sola vez. Esto es una ventaja cuando se tiende el cable en espacios reducidos, ya que los técnicos no tienen que dedicar más tiempo a enredarse en espacios reducidos.

Con una caja de sensores-actuadores, en lugar de conectar los equipos tendiendo un largo cable entre la computadora de control y el área de proceso para cada sensor y actuador, un técnico conecta un extremo de un cable acortado a la caja de sensores-actuadores cercana y el otro extremo al equipo. Esto puede ser tan rápido como una cuestión de segundos, minimizando el tiempo que el instalador pasa en el área de proceso. Esto simplifica el mantenimiento y mejora la seguridad, a la vez que ahorra tiempo y reduce los errores.

Elección y uso de las cajas de los actuadores de los sensores

Las cajas de los actuadores de los sensores tienen una gran variedad de diseños, pero algunos factores a tener en cuenta son la visibilidad, la resistencia, el tipo de material, el peso, el factor de forma, el número de receptáculos, la capacidad de manejo de la corriente, las opciones de montaje y las clasificaciones IP para el polvo, la humedad y la entrada de gas, por mencionar solo algunos.

Por ejemplo, en entornos especialmente resistentes, como camiones industriales y almacenes en los que los equipos pueden sufrir fuertes impactos, Molex cuenta con la familia de cajas de distribución del sistema de interconexión multipuerto (MPIS) Brad Safety. Estas cajas de alta resistencia están fabricadas con tereftalato de polibutileno (PBT), que es ligero y resistente a la vez, y puede soportar grandes impactos de equipos pesados o incluso el impacto de un vehículo en movimiento.

La caja de distribución de 8 puertos 1202480510 MPIS de Molex soporta hasta 4 amperios (A) por puerto, con un máximo de 12 A para los ocho puertos combinados (Figura 1). Para facilitar la interconexión, cada puerto tiene una zona empotrada para una etiqueta a presión hecha de plástico acrilonitrilo butadieno estireno (ABS). Estas etiquetas son más resistentes y no se rompen en comparación con las de papel.

Figura 1: El MPIS 1202480510 de Molex es una caja del actuador de sensores con ocho receptáculos M12. Para facilitar la interconexión, cada puerto admite una etiqueta a presión hecha de plástico ABS resistente. (Fuente de la imagen: Molex)

El Molex 1202480510 es de color naranja brillante para facilitar la visibilidad y tiene una clasificación IP67, lo que lo hace adecuado para su uso en entornos sucios, polvorientos y húmedos, y a través de temperaturas que van desde -25 °C a +85 °C típicas. El cable de la casa tiene una longitud de 5 metros (m) y admite una terminación de cable personalizada que suele ser un conector M23, pero puede ser cualquier conector necesario para la aplicación. Cada receptáculo M12 empotrado tiene ocho pines en una configuración estándar de la industria. Cada puerto tiene un LED ámbar para indicar que un puerto está alimentado. Esto ayuda a verificar rápidamente que un puerto está activo, lo cual es útil durante la configuración y al diagnosticar problemas de conexión.

La caja del actuador del sensor Molex tiene dos agujeros de ranura para los tornillos de montaje M4. Esto permite que la caja se monte en el equipo o se fije sólidamente a la pared. La caja debe montarse donde los ocho receptáculos M12 sean de fácil acceso y debe ser lo suficientemente segura para que la fuerza de empujar un conector M12 en su receptáculo no lo desplace.

Aplicaciones de la caja actuadora de sensores ligeros

Para las aplicaciones en las que el peso es una preocupación, como un avión o algunos vehículos industriales, Alpha Wire ofrece la familia Alpha Connect de cajas de distribución pasiva, incluida la caja actuadora de sensores Alpha Connect 901-10M NC032 de 8 puertos (Figura 2). Esta caja Alpha Connect está fabricada con una aleación ligera de zinc que es adecuada para aviones, camiones pequeños y vehículos con batería, como carretillas elevadoras y pequeñas máquinas de movimiento de tierras, donde cada gramo cuenta. Dispone de un cable de 10 m de longitud, lo que resulta apropiado para aviones y vehículos en los que la distancia más corta entre dos puntos no suele ser una línea recta, sino un pasaje tortuoso. La caja es pasiva y no tiene LED indicadores de puerto. Su color beige neutro le permite integrarse discretamente en muchos entornos.

La unidad incluye dos cubiertas contra el polvo para mantener los dos receptáculos no utilizados limpios de contaminantes. La caja del actuador del sensor con conectores acoplados está clasificada como IP67. Los receptáculos no acoplados tienen un grado de protección IP65, por lo que deben tener instaladas las tapas antipolvo para garantizar la protección IP67.

Figura 2: La caja del actuador del sensor 901-10M NC032 de Alpha Wire está fabricada con una aleación ligera de zinc. Los ocho receptáculos M12 sobresalen por encima de la carcasa para que el acoplamiento de los conectores sea rápido y sencillo. Las dos cubiertas antipolvo incluidas en el primer plano de la derecha mantienen limpios los receptáculos que no se utilizan. (Fuente de la imagen: Alpha Wire)

Cada receptáculo M12 tiene cinco pines. Para facilitar la instalación durante la configuración inicial, el código de color del cable M12 estándar y las funciones de cada pin están impresos en el lateral de la caja del actuador del sensor. Los ocho receptáculos M12 no están empotrados, sino que sobresalen por encima de la carcasa de aleación de zinc. Esto permite una conexión rápida y sencilla, lo que es importante en un entorno industrial de gran actividad.

La caja del actuador del sensor 901-10M NC032 de Alpha Wire está clasificada para una temperatura de entre -40 °C y +80 °C, lo que la hace apropiada para entornos industriales muy fríos, a los que se enfrentan tanto los aviones como algunos vehículos.

Caja compacta de actuador de sensores

Para las aplicaciones pequeñas y con limitaciones de espacio, Phoenix Contact ha diseñado la caja de actuador de sensores de 4 puertos 1692404 (Figura 3). Esta caja no tiene un cable de conexión y requiere un conjunto de cables M23 separados para conectarse a la computadora de control, lo que permite que la caja sea fácilmente reubicada. También permite un fácil mantenimiento y la sustitución del cable de la casa si se daña.

Figura 3: La caja del actuador del sensor 1692404 de Phoenix Contact tiene cuatro puertos M12 de 4 pines. Requiere un conjunto de cables M23 externos para conectarlo a la computadora de control. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

El 1692404 está hecho de poliamida, que tiene una alta resistencia a la gasolina, los aceites de motor y los disolventes que se encuentran normalmente cerca de los motores. La poliamida también tiene una resistencia a la tracción extremadamente alta y puede manejar la tensión sin impacto y la flexión mejor que la mayoría de los materiales. La unidad cuenta con la clasificación IP67 y tiene una temperatura de funcionamiento de -20 °C a +75 °C, lo que la hace apropiada para un manejo rudo en almacenes, edificios de oficinas y áreas comúnmente ocupadas por personal que trabaja cerca de productos químicos.

Cada uno de los cuatro conectores M12 puede manejar hasta 4 A, con un consumo total de corriente nominal máximo para la unidad de 12 A. Cada uno de los cuatro puertos M12 tiene un LED amarillo para indicar cuando el puerto está correctamente acoplado y funcionando. El puerto M23 tiene un LED verde para indicar que el cable de la casa está correctamente acoplado y alimentando la caja. Esto es útil para el diagnóstico durante la instalación y la configuración. Todos los sensores y actuadores conectados a los cuatro receptáculos M12 pueden desconectarse fácilmente retirando el único conector M23. Esto mejora la seguridad y reduce el tiempo de inactividad durante el mantenimiento y la reconfiguración.

Conclusión:

Las cajas de actuadores de sensores pueden ahorrar tiempo durante el mantenimiento y la configuración, al tiempo que garantizan una conectividad fiable entre las computadoras de control y los sensores/actuadores. Muchos sensores y actuadores pueden conectarse fácilmente de forma local en el área de proceso en lugar de pasar todos los cables individualmente hasta la computadora de control. La selección adecuada de los materiales garantiza que la caja funcione de forma fiable en el entorno industrial de destino.