Cómo diseñar e implantar rápidamente máquinas preparadas para la IIoT

Diseñar y desplegar rápidamente máquinas listas para su integración en el Internet de las cosas industrial (IIoT) es todo un reto. Las máquinas habilitadas para IIoT deben permitir una rápida puesta en marcha de la comunicación y coordinación entre máquinas, entre máquinas y plantas y entre máquinas y la nube.

Eso exige una solución integral. Debe incluir una completa matriz de módulos de control, interfaz y comunicación. La escalabilidad es imprescindible. Debe permitir una instalación simplificada para un despliegue rápido. Por último, debe integrarse fácilmente en un entorno multiproveedor para admitir equipos heredados.

La recompensa es una mayor eficacia operativa en todos los niveles de la organización y durante todo el ciclo de vida de las máquinas.

Este artículo analiza cómo las opciones de control de motores de Schneider Electric proporcionan a los diseñadores soluciones de automatización integrales. Presenta las Características y ventajas de los arrancadores suaves Altistart, los variadores Altivar, los interruptores Ethernet y controladores lógicos programables (PLC) Modicon, los relés de control Harmony y los disyuntores PowerPacT.

A continuación, se detalla cómo los elementos del sistema de islas TeSys admiten soluciones integrales y se integran fácilmente con los entornos Rockwell Studio 5000 y Siemens TIA Portal para admitir máquinas heredadas, y se cierra analizando cómo el software EcoStruxure Machine Expert de Schneider Electric acelera el desarrollo, la configuración y la puesta en marcha de máquinas preparadas para IIoT.

El movimiento es una característica básica de las máquinas industriales. Se aplica de diversas formas, desde perfiles de movimiento sencillos en sistemas como bombas, cintas transportadoras y grúas hasta perfiles de movimiento complejos en operaciones de proceso y ensamblaje y robótica.

Las máquinas con perfiles de movimiento sencillos pueden beneficiarse de las Características de arrancadores suaves como la familia de arrancadores suaves Altistart. Los arrancadores suaves Altistart admiten lo siguiente:

• Aceleración controlada que reduce los choques mecánicos que pueden aumentar el desgaste y provocar mayores necesidades de mantenimiento y tiempos de inactividad de la máquina.
• Límite de corrientes de irrupción para reducir el consumo de energía
• Protege los motores de las sobretensiones que pueden producirse durante el arranque, lo que aumenta su vida útil.
• Mayor fiabilidad al detectar fallos como un motor bloqueado, una subcarga o una toma de tierra incorrecta y enviar una alerta a los operarios de la máquina.

Las máquinas básicas que no necesitan un par de torsión de arranque elevado pueden recurrir a los arrancadores suaves de la Serie ATS01. La activación de la entrada lógica BOOST permite la aplicación de un refuerzo de tensión igual al 100% de la tensión nominal del motor durante 200 milisegundos (ms) para superar la fricción mecánica inicial del sistema. La rampa de voltaje programada comienza después del elevador.

El modelo ATS01N232RT sirve para arrancar y parar suavemente motores asíncronos trifásicos de hasta 15 Kilovatios (kW) (20 caballos de potencia (CV)) con tiempos de aceleración y deceleración de 1 a 10 segundos. Está optimizado para aplicaciones sencillas accionadas por correa, como bombas, compresores y ventiladores que funcionan entre 440 _VCA y 480 _VCA. Los controles se encuentran en el panel frontal para ajustar la hora de arranque, el voltaje inicial y la hora de parada para la instalación y puesta en marcha.

Los diseñadores de máquinas de procesos e infraestructuras más exigentes, como mezcladoras, trituradoras y cintas transportadoras, pueden recurrir a la serie de arrancadores suaves Altivar ATS480. Mientras que los arrancadores suaves más sencillos emplean rampas de voltaje, los arrancadores suaves ATS480 utilizan una rampa de torsión más suave y pueden implementar una función de frenado.

El modelo ATS480C11Y funciona con voltajes de 208 _VCA a 690 _VCA (Figura 1). Dependiendo del voltaje del motor, puede utilizarse con motores de 22 a 90 kW (25 a 100 CV). Dispone de un puerto de comunicación serie Modbus con un conector RJ45. Existen tarjetas de comunicación opcionales para Profibus, PROFINET, Modbus TCP/EtherNet/IP y CANopen.

Figura 1: Este Arrancador Suave Altivar está diseñado para su uso con motores asíncronos de 22 a 90 kW. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Conducción de máquinas más avanzadas

Las unidades de frecuencia variable (VFD) como la familia Altivar 320, con potencias nominales de 0,18 a 15 kW (0,25 a 20 CV) para aplicaciones como manipulación de materiales, envasado, textiles, elevación, actuadores mecánicos y trabajo con materiales, admiten perfiles de movimiento complejos en máquinas avanzadas. El ATV320U75M3C tiene una potencia nominal de 7,5 kW y funciona con una tensión de alimentación de 200 _VCA a 240 _VCA.

Para agilizar la configuración y la puesta en servicio, estos accionamientos disponen de 150 funciones y configuraciones estándar y personalizables. Existen funciones específicas para aplicaciones como la manipulación de materiales, el sector textil, la elevación y los actuadores mecánicos.

Los variadores de frecuencia Altivar 320 pueden proporcionar un control de alto rendimiento de motores asíncronos y de imanes permanentes, incluida precisión de par y velocidad a velocidades muy bajas y movimiento dinámico con control vectorial de flujo sin sensor. Cuando se utilizan con motores síncronos y asíncronos trifásicos, estos VFD presentan:

• Soporte de motores de alta velocidad
• Precisión de la velocidad estática en motores síncronos de bucle abierto
• Opciones flexibles de integración de sistemas, como Ethernet, CANopen, Profibus, EtherCAT, DeviceNet, etc.
• Funciones de seguridad integradas que cumplen las normas de seguridad funcional
• Formatos como las unidades compactas y de libro con grados de protección de IP20 a IP66 admiten la integración en distintos tipos de armarios (Figura 2).

Figura 2: Los variadores de frecuencia Altivar 320 están disponibles en varios factores de forma para simplificar la instalación y aprovechar al máximo el espacio en los armarios de los equipos. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Máquinas multieje de alto rendimiento

Los interruptores Ethernet y los controladores lógicos programables (PLC) de Modicon pueden admitir diseños de alto rendimiento, desde un solo eje independiente hasta máquinas multieje sincronizadas de alto rendimiento que requieren movimientos y posicionamiento precisos y de alta velocidad, como la robótica.

Estos controladores de borde nativos de IIoT pueden conectarse directamente a la nube mediante Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), servidor y cliente de Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) y cifrado Transport Layer Security (TLS), y cuentan con funciones de seguridad y ciberseguridad integradas. El puerto Ethernet doble admite los protocolos Ethernet/IP y Modbus TCP. También hay puertos RS232 y RS485, un puerto USB y una ranura para una tarjeta SD.

Los controladores TM262L son para el control lógico de múltiples disposiciones de entrada/salida, incluidas cuatro entradas digitales rápidas y cuatro salidas digitales rápidas. El modelo TM262L10MESE8T tiene una velocidad de ejecución de 5 nanosegundos (ns) por instrucción. El procesador de doble núcleo gestiona eficazmente las aplicaciones paralelas y la comunicación (Figura 3).

Figura 3: Este PLC Modicon M262 proporciona conectividad Ethernet de máquina a nube y de máquina a planta preparada para IIoT. (Fuente de la imagen: DigiKey)

El bus TM4 de la familia Modicon M262 admite hasta 3 módulos de expansión de comunicación. Los módulos de expansión Profibus DP(TM4PDPS1) y Ethernet(TM4ES4) pueden utilizarse en varias combinaciones hasta un máximo de tres módulos.

Eliminar anomalías

En ocasiones, las máquinas, incluidas las preparadas para IIoT, deben protegerse de condiciones anómalas. Ahí es donde entran en juego los relés de control Harmony. Pueden supervisar las condiciones eléctricas y mecánicas e identificar anomalías relacionadas con la corriente, el voltaje, la fase, la frecuencia, la velocidad, la temperatura, el control de bombas e incluso el nivel de líquido.

La identificación rápida y precisa de anomalías puede aumentar el tiempo de actividad y reducir la necesidad de mantenimiento no programado en aplicaciones como bombeo, procesamiento de agua, polipastos y ascensores, sistemas de envasado y máquinas textiles. Los relés de control Harmony están disponibles con un amplio rango de/una amplia gama de funciones para adaptarse a las necesidades específicas de cada aplicación.

El modelo RMNF22TB30 es un relé trifásico con comunicaciones de campo cercano (NFC) integradas. Puede controlar siete parámetros: pérdida de fase, secuencia de fase, asimetría, subtensión, sobretensión, subfrecuencia y sobrefrecuencia. Mediante la aplicación NFC, los diseñadores pueden utilizar la lógica AND, OR y NOT para formar combinaciones de supervisión personalizadas para las dos salidas de relé configurables individualmente.

Para máquinas más sencillas que sólo necesitan supervisión de sobretensión, los diseñadores pueden recurrir al RM22UA21MR (Figura 4). Este relé de control monofásico incluye una función de memoria seleccionable y un LED integrado que indica el estado del control. Los condensadores ajustables permiten un ajuste sencillo y preciso de los umbrales, y proporcionan gestión de apagado automático e información sobre fallos para una rápida identificación y localización de averías.

Figura 4: Relé monofásico de control de sobretensión con una capacidad de conmutación de 2 kVA. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Protección básica

Aplicaciones que pueden beneficiarse de una protección más básica pueden recurrir a los interruptores automáticos PowerPacT de 15 a 125 A y disponibles con uno, dos, tres y cuatro polos. Estos disyuntores termomagnéticos tienen indicación de contacto positivo y proporcionan aislamiento conforme a las normas IEC/EN60947-1 e IEC/EN60947-2 para "aparamenta de baja tensión".

El modelo BDF16020 es una unidad unipolar de 20 A con un voltaje operativo nominal de 240 _VCA 50/60 Hz según UL 489. Su valor nominal de corriente continua es el 80% del valor nominal máximo, y está clasificado como "corte de servicio" según la norma IEC 60947-2 (figura 5). El indicador LED VisiTrip facilita la visualización del disyuntor que se ha disparado en el gabinete/recinto. También dispone de un código QR para acceder a la información, incluido el manual de instrucciones, los números de pieza y los planos CAD.

Figura 5: Los disyuntores de este tipo ofrecen indicación de contacto positivo y cumplen los requisitos de aislamiento de la norma IEC/EN60947. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Nodos de bus de campo integrados

TeSys es una solución digitalizada de gestión de cargas conectada a IIoT que actúa como nodo integrado en una red de bus de campo e incluye los módulos necesarios para implementar una máquina preparada para IIoT. Se basa en dispositivos multifuncionales y avatares para aplicaciones industriales con cargas de hasta 80 amperios y puede acelerar los tiempos de diseño, cableado y puesta en servicio.

Un acoplador de bus como el TPRBCEIP es el módulo central que proporciona comunicación interna con los módulos de isla TeSys a través de cables planos. También es el punto de conexión entre una isla TI y un sistema de automatización externo mediante comunicación EtherNet/IP o Modbus TCP. Un servidor web integrado facilita el diagnóstico y el mantenimiento. Incluye un puerto de servicio RJ45 sobre Ethernet, un puerto para tarjeta micro SD y un puerto para el bus interno que interconecta los módulos de la isla. Una configuración típica incluye (Figura 6):

1. Acoplador de bus
2. Módulo de entrada/salida analógica
3. Módulo de entrada/salida digital
4. Módulo de interfaz de voltaje
5. Arrancadores estándar
6. Arrancador de nivel de integridad de seguridad (SIL)
7. Módulo de interfaz SIL
8. Módulo de interfaz de alimentación

Figura 6: Las unidades combinadas de la isla TeSys actúan como un único nodo en una red de bus de campo. (Fuente de la imagen: Schneider Electric)

Algunos ejemplos de módulos insulares de TeSys son:

• LC1DT406BL Contactor TeSys Deca de 40 A, 4 polos, normalmente abierto, conforme a IEC60335-1 para sistemas industriales y HVAC
• LC1G115EHEN Contactor TeSys Giga de 150 A (75 kW a 440 _VCA), tripolar, normalmente abierto, diseñado para su uso en aplicaciones exigentes con frecuencias de funcionamiento de hasta 600 ciclos por hora y temperatura de funcionamiento de hasta +60°C.
• El módulo de E/S digital TPRDG4X2 con cuatro entradas digitales y dos salidas digitales puede gestionar motores y otras cargas eléctricas de hasta 65 A (37 kW, 40 CV). Todos los ajustes y configuraciones están digitalizados, sin diales mecánicos ni interruptores DIP.
• Arrancadores de motor comunicantes en isla TeSys de hasta 40 CV (80 A a 480 V). Estos arrancadores SIL cumplen los requisitos de las normas IEC 61508, IEC 62061 e ISO 13849-1 y admiten PL d y SIL 2.

TeSys island también admite soluciones completas y se integra fácilmente con los entornos Rockwell Studio 5000 y Siemens TIA Portal para admitir máquinas heredadas.

En resumen

Cuando llega el momento de construir la máquina terminada, los diseñadores pueden recurrir a EcoStruxure Machine Expert. Esta solución de software admite el desarrollo, la configuración, la puesta en marcha, el funcionamiento y el mantenimiento de máquinas preparadas para IIoT.

EcoStruxure Machine Expert puede manejar todos los bloques de construcción de máquinas IIoT más recientes, incluidos los PLC Modicon M262 y el sistema de gestión de carga digital TeSys Island. Está diseñado para ofrecer máquinas optimizadas en seguridad, fiabilidad, eficiencia, conectividad y sostenibilidad. Aprovecha la IIoT con soluciones de movilidad, detección, nube, análisis y ciberseguridad para llevar a cabo esa compleja tarea.

Conclusión:

Las máquinas habilitadas para IIoT son un aspecto importante de las operaciones de la Industria 4.0. Diseñar, poner en marcha e integrar esas máquinas son tareas complejas. Schneider Electric suministra a los diseñadores de máquinas un completo conjunto de dispositivos y herramientas de software para máquinas habilitadas para IIoT que ofrecen una mayor eficiencia operativa en todos los niveles de la organización y durante todo el ciclo de vida de las máquinas.