Uso de DAQ para alcanzar una precisión de alta velocidad en el control de movimiento industrial

Los sistemas industriales modernos, como la robótica y los transportadores automatizados, dependen de datos sincronizados y de alta velocidad para optimizar el rendimiento, mejorar la eficiencia y facilitar el mantenimiento predictivo. Sin embargo, capturar y coordinar datos de posición y movimiento con una precisión de milisegundos supone un desafío importante. Los sistemas estándar de adquisición de datos (DAQ) suelen carecer de funciones especializadas para comunicarse con precisión con encoders y temporizadores en tiempo real, lo que puede comprometer la fiabilidad del sistema y entorpecer el rendimiento.

En este artículo, se describen los requisitos para implementar mediciones de posición y sincronización de alta velocidad en aplicaciones industriales exigentes. A continuación, presenta un módulo contador/temporizador de encoder de Advantech y muestra cómo sus múltiples modos de encoder y sus cuatro canales de alta velocidad pueden utilizarse para abordar complejos desafíos de sincronización en aplicaciones de robótica y control de movimiento. Una configuración típica del sistema, junto con herramientas de software compatibles, proporciona una ruta clara para la integración.

La importancia de la precisión en el movimiento y la sincronización en los procesos industriales

Los sistemas industriales modernos dependen de movimientos complejos y secuenciados, en los que la coordinación es fundamental. Consideremos un brazo robótico encargado de recoger componentes de una cinta transportadora en movimiento. Para que el sistema funcione, el movimiento del robot debe estar sincronizado con la velocidad y la posición de la cinta transportadora. Esto requiere capturar y coordinar datos de múltiples fuentes con una precisión de milisegundos, un requisito técnico muy exigente.

Un sistema DAQ desempeña un papel fundamental en la resolución de este problema. El sistema captura los datos del encoder del motor de accionamiento de la cinta transportadora y de las articulaciones del brazo robótico, sincronizando estas mediciones en múltiples canales para poder calcular el momento exacto de la interceptación.

A medida que aumenta la velocidad de la cinta transportadora para aumentar el rendimiento, el sistema DAQ debe tomar muestras rápidamente de los datos de posición y sincronización para evitar errores. Una lectura tardía o fallida del sensor puede provocar operaciones inoportunas o incluso colisiones entre componentes mecánicos, lo que da lugar a tiempos de inactividad no programados y a una pérdida de productividad.

Los sistemas DAQ de precisión también admiten el mantenimiento predictivo. Por ejemplo, las anomalías en la velocidad o los errores de posición pueden indicar problemas como cojinetes desgastados o una correa deslizante. Al analizar estas señales, los diseñadores pueden identificar posibles fallos antes de que interrumpan las operaciones.

Requisitos de DAQ de alta velocidad

Para dar servicio a este tipo de aplicaciones, un sistema DAQ debe cumplir varias características de rendimiento exigentes:

• Muestreo de alta velocidad y alta resolución: La captura de detalles de movimiento precisos, como cambios de posición inferiores a un milímetro, exige altas velocidades de muestreo y una resolución precisa. El muestreo en el rango de megahercios (MHz) garantiza que no se pierda ningún evento crítico, incluso en entornos de alta velocidad.
• Muestreo simultáneo y multicanal: Para coordinar un brazo robótico y una cinta transportadora, es necesario capturar simultáneamente, y no de forma secuencial, los datos de posición y sincronización correspondientes a cada uno de ellos. Intentar correlacionar flujos de datos capturados secuencialmente puede dar lugar a errores, en los que se selecciona el elemento incorrecto o se omite por completo.
• Compatibilidad con encoders flexibles: Los sistemas industriales suelen utilizar componentes de diferentes proveedores, lo que da lugar a una mezcla de tipos de señales de encoder. Un sistema DAQ debe ser compatible con una amplia gama de modos de encoder para eliminar la necesidad de una lógica de interfaz adicional.
• Resistencia: Los entornos industriales exponen los componentes electrónicos a interferencias electromagnéticas, vibraciones y calor. El hardware DAQ debe especificarse para un funcionamiento fiable en estas condiciones, con el fin de evitar fallos del sistema.
• Escalabilidad: El sistema DAQ debe ser modular, lo que permite a los diseñadores ampliarlo fácilmente agregando más canales o diferentes tipos de entrada. Esto permite la integración de nuevos robots, sensores y líneas de producción a medida que crece una instalación automatizada.

Cumplir con este conjunto tan diverso de requisitos supone un importante desafío de diseño. Aunque muchos sistemas DAQ son adecuados para la captura de datos de uso general, las aplicaciones que implican movimientos sincronizados a alta velocidad requieren hardware especializado.

Medición avanzada de posición y sincronización para sistemas de control de movimiento.

El módulo contador/temporizador con encoder de alta precisión iDAQ-784 (Figura 1) de Advantech está diseñado específicamente para satisfacer estos requisitos. Este módulo cuenta con cuatro canales de encoder de 32 bits de uso general que admiten mediciones sincrónicas de posición y sincronización en un sistema industrial. Admite una frecuencia de entrada máxima de 10 MHz para una sincronización precisa de las señales del encoder.

Figura 1: El módulo contador/temporizador del encoder iDAQ-784 permite la adquisición simultánea de datos a través de cuatro canales de 32 bits para aplicaciones industriales de movimiento complejo. (Fuente de la imagen: Advantech)

El filtrado de señal digital integrado ayuda al iDAQ-784 a proporcionar una mayor claridad de señal y precisión de medición. Esto permite una caracterización del sistema de alta precisión para aplicaciones de automatización avanzadas, como la robótica industrial, el control de movimiento y los sistemas de transporte de alta velocidad.

Modos de entrada, medición y salida del encoder

El iDAQ-784 admite una gran variedad de tipos de señales de entrada y modos de medición, lo que le permite adaptarse a los diversos requisitos de control de movimiento industrial. Cada uno de los cuatro canales del contador acepta entradas tanto asimétricas como diferenciales, con un rango de modo común de ±15 voltios CC (VDC). El módulo admite tres tipos de encoders estándar del sector para la medición de la posición:

• Cuadratura (fase A/B): Se utilizan dos canales desfasados (A y B) para determinar tanto la posición como la dirección. La codificación específica (X1, X2 o X4) determina la resolución mediante el recuento de flancos ascendentes y/o descendentes, siendo X4 cuatro veces más resolutiva que X1.
• Dos pulsos (CW/CCW): Se utilizan líneas de entrada separadas para los pulsos en sentido horario (CW) y antihorario (CCW). El contador se incrementa con los pulsos CW y se reduce con los pulsos CCW.
• Dirección del pulso (pulso con signo): Se utiliza una señal para los pulsos y una segunda señal indica la dirección. El contador se incrementa o decrementa según el estado de la señal de dirección.

Cada entrada del encoder se puede cablear de forma simple o diferencial, y hay disponible una entrada de señal Z para restablecer la posición. Cada canal contador también admite múltiples modos funcionales para la sincronización y la generación de impulsos:

• Recuento de eventos: Cuenta los flancos ascendentes o descendentes de una señal de entrada, opcionalmente con compuerta.
• Medición de frecuencia: Mide la frecuencia de la señal utilizando métodos de inversión de periodo o recuento de pulsos.
• Medición del ancho de pulso: Mide la duración de los estados alto y bajo de una señal digital.
• Medición de posición: Rastrea la posición del encoder utilizando los modos de entrada compatibles mencionados anteriormente.
• Continuar la comparación (comparación de posición): Activa un pulso de salida o una interrupción cuando se alcanza un umbral de posición.
• One-shot (generación de pulso retardado): Emite un solo pulso tras un disparo de puerta y un retardo especificado.
• Generador de temporizador/impulsos: Emite una serie continua de impulsos con soporte para interrupciones.
• Modulación por ancho de pulso (PWM): Emite una forma de onda con duraciones altas y bajas programables; admite generación finita o continua.

Esta amplia gama de modos garantiza la compatibilidad con los distintos dispositivos que suelen encontrarse en un sistema industrial.

Diseñados para entornos industriales

El iDAQ-784 y el ecosistema que lo rodea están diseñados para ofrecer un rendimiento fiable en entornos industriales exigentes. El módulo está clasificado para un amplio rango de temperaturas de funcionamiento, de –40 °F a 158 °F, y hasta un 90 % de humedad relativa (sin condensación).

El módulo también está diseñado para combatir el ruido electromagnético que suele encontrarse en entornos industriales; cuenta con un filtro de señal digital integrado para mejorar la claridad de la señal, y cada canal admite entradas de señal diferencial para un excelente rechazo del ruido en modo común.

Esta filosofía de diseño se extiende a los accesorios del ecosistema, que cuentan con diseños resistentes construidos según los estándares DIN-rail para una instalación segura dentro de armarios industriales. Esta combinación de resistencia ambiental, inmunidad al ruido y integración física sólida permite una caracterización del sistema de alta precisión para aplicaciones de automatización avanzadas.

Construcción de un sistema DAQ de alta velocidad y alta precisión

El primer paso para construir el sistema DAQ es conectar físicamente los sensores. Este proceso comienza conectando los cables del sensor a un bloque de terminales. El módulo de interfaz ADAM-3937-BE de Advantech (Figura 2) es una solución lista para este fin. Este bloque de 37 posiciones está diseñado para montaje en riel DIN y mide 87.2 mm × 112.5 mm × 51 mm para facilitar su integración en infraestructuras industriales estándar compatibles con DB37.

Figura 2: La placa de cableado para riel DIN ADAM-3937-BE ofrece una solución de interfaz universal para hardware compatible con DB37. (Fuente de la imagen: Advantech)

Desde este bloque de terminales, las señales pueden dirigirse al iDAQ-784 a través de un conjunto de cables como el PCL-10137-1E (Figura 3). Este cable D-sub de 3.28 pies y 37 pines cuenta con tornillos de mariposa para una conexión resistente. La construcción con doble blindaje de lámina de aluminio/mylar y cobre trenzado garantiza la integridad de la señal en entornos con interferencias electromagnéticas, típicos de las aplicaciones industriales en movimiento. También hay disponibles variantes más largas.

Figura 3: El conjunto de cables PCL-10137-1E cuenta con conectores D-sub macho de 37 pines para conectarse con el iDAQ-784. (Fuente de la imagen: Advantech)

El ecosistema modular iDAQ abarca una amplia gama de módulos de E/S especializados y bloques de terminales, lo que permite a los diseñadores construir un sistema DAQ resistente y escalable que se adapta a sus necesidades específicas.

Herramientas de software iDAQ

Una vez montado el hardware, el sistema iDAQ se programa utilizando el kit de desarrollo de software DAQNavi (Figura 4), un entorno de desarrollo gratuito. DAQNavi incluye una utilidad llamada Advantech Navigator, que permite a los diseñadores configurar y probar el funcionamiento de los dispositivos iDAQ sin necesidad de programación. También se puede utilizar para simular dispositivos, lo que permite a los diseñadores programar y ejecutar aplicaciones sin necesidad de un dispositivo DAQ físico, lo que facilita el desarrollo flexible del sistema.

Figura 4: El entorno de software gratuito DAQNavi se utiliza con el sistema iDAQ. (Fuente de la imagen: Advantech)

DAQNavi es compatible con sistemas host que ejecutan sistemas operativos Windows de 32 y 64 bits, así como con varias distribuciones populares de Linux. Dado que las funciones de la API son las mismas en ambas plataformas, la migración no requiere ninguna modificación del programa, lo que garantiza una integración preparada para el futuro. DAQNavi es compatible con muchos lenguajes de programación de uso común, incluidos C#, C++, Visual Basic, Java, MATLAB y LabVIEW, para facilitar su adopción por parte de los usuarios.

Conclusión

La sincronización y la precisión son fundamentales para las operaciones robóticas e industriales avanzadas, ya que permiten optimizar los procesos y maximizar el tiempo de actividad de los equipos y la eficiencia de la producción. El módulo iDAQ-784 de Advantech, junto con su completo ecosistema iDAQ, ofrece una solución resistente y escalable para satisfacer estas exigencias de alto rendimiento.