Control de movimiento más inteligente para fabricación inteligente

El control de movimiento es una de mis disciplinas favoritas. Recuerdo el verano que pasé en el laboratorio de mi universidad trabajando en controladores para sistemas inestables. Mis herramientas eran increíblemente avanzadas para esa época, pero afortunadamente el control de movimiento ha avanzado mucho desde entonces.

Se está presionando a las fábricas de todo el mundo para que hagan más con menos. Las continuas interrupciones de la cadena de suministro, onshoring y nearshoring, y las preocupaciones sobre el impacto ambiental están empujando a los fabricantes a ser cada vez más ágiles y resilientes.

Para lograrlo, las fábricas necesitan un control de movimiento más inteligente. La Figura 1 ilustra por qué es así. El control de movimiento es fundamental para muchos procesos de fabricación. Los sistemas de control de movimiento subyacentes deben cumplir estos mismos criterios para que la fábrica sea eficiente, receptiva y sólida.

Figura 1: Las fábricas inteligentes implican una amplia variedad de aplicaciones de control de movimiento. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

En este blog, destacaré cómo lograr estos objetivos con control de movimiento de alta precisión y monitoreo del estado de la máquina. Explicaré cómo estas técnicas son elementos críticos de la tendencia de transformación digital que conduce a fábricas verdaderamente inteligentes.

Control de movimiento de alta precisión

El camino hacia un control de movimiento más inteligente comienza con mediciones de posición y corriente de mayor precisión, lo que crea oportunidades para minimizar los desechos y maximizar la capacidad de respuesta y la tasa de producción. La precisión de cualquier sistema de control depende de sus sensores.

Si bien existen muchas opciones en el caso de la detección de posición, los sensores magnéticos son particularmente atractivos porque ofrecen alta resolución a un costo menor que los codificadores ópticos. Son más sólidos en aplicaciones sujetas a polvo y vibraciones, y su naturaleza sin contacto minimiza el desgaste y las rasgaduras.

Sin embargo, los sensores magnéticos pueden ser susceptibles a la interferencia de campos magnéticos externos y a la influencia de los materiales circundantes. Su precisión también puede verse afectada por las fluctuaciones de temperatura, por lo que puede ser necesaria una calibración para mantener su precisión, lo que puede reducir sus ventajas en términos de costo y confiabilidad. Además, muchos sensores magnéticos sólo funcionan bien a corta distancia, lo que limita sus aplicaciones.

Una forma de equilibrar estas consideraciones es con sensores AMR (magnetorresistencia anisotrópica). A diferencia de los sensores de efecto Hall, GMR (magnetorresistencia gigante) y TMR (magnetorresistencia túnel), los sensores AMR exhiben resistencia en entornos magnéticamente hostiles y mantienen la precisión con amplias tolerancias de entrehierro. La necesidad de calibración y mantenimiento se reduce considerablemente porque los sensores AMR no experimentan degradación ni error angular en estas condiciones.

Un buen ejemplo es la familia de sensores de ángulo ADA4571 de Analog Devices. Estos sensores, equipados con acondicionadores de señales integrados, facilitan una detección de posición de mayor precisión absoluta para aplicaciones de impulsor de motor y aplicaciones servo. El ADA4571 cuenta con motores de calibración integrados que mantienen los errores en <0.5° en un amplio rango de temperaturas (Figura 2).

Figura 2: Se muestra el error típico de los sensores ADA4571 para VDD (tensión positiva de alimentación) = 5.5 (izquierda), que se puede mejorar habilitando la función de GC (control de ganancia) incorporada (derecha). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Monitoreo del estado de la máquina

Si bien el rendimiento es esencial en una fábrica inteligente, también lo son la eficiencia y la resiliencia. Al monitorear la vibración y los golpes del motor, los sensores de estado de las máquinas (como los sensores de vibración) en las fábricas pueden reducir el tiempo de inactividad no planificado, lo que extiende la vida útil del activo y reduce los costos de mantenimiento. Si bien hay muchas opciones de sensores, los acelerómetros de MEMS (sistemas microelectromecánicos) logran un atractivo equilibrio de capacidades, que ofrecen un gran ancho de banda y bajo nivel de ruido a una fracción del precio y el consumo de energía de los sistemas piezoeléctricos (Figura 3).

Figura 3: Los sensores disponibles para monitorear el estado de la máquina tienen compensaciones en costo, rendimiento y energía. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Un buen ejemplo de MEMS es la familia de sensores ADXL1001/ADXL1002. Si nos centramos en el ADXL1002, las características notables incluyen un nivel de ruido de solo 25 micro-g por raíz cuadrada de hercio (μg/√Hz) en el rango de ±50 g y resistencia a impactos externos de hasta 10,000 g. Una respuesta de frecuencia lineal de CC a 11 kilohercios (kHz) hace que las piezas sean adecuadas para equipos que giran lentamente, mientras que el bajo consumo de energía facilita los diseños de detección inalámbrica. Para aplicaciones que requieren medición a lo largo de tres ejes, el ADXL371 puede ser una opción adecuada.

Conectividad en tiempo real para la transformación digital

El verdadero poder de las soluciones de detección analizadas hasta ahora proviene de su capacidad para desbloquear conocimientos profundos sobre las operaciones de las fábricas. Una vez que se recopilan datos como voltajes, corrientes, posiciones y temperaturas de varios sistemas de control de movimiento, los sistemas automatizados pueden analizar estos datos para optimizar los flujos de fabricación en tiempo real.

Como se ilustra en la Figura 4, la recopilación de datos deterministas actualmente implica una variedad de protocolos de bus de campo como EtherCAT y PROFINET. Sin embargo, la industria está adoptando rápidamente las TSN (redes sensibles al tiempo) como estándar para las redes de próxima generación. Esta tendencia es fundamental para el surgimiento de una infraestructura convergente de IT/OT (tecnología de la información/tecnología operativa), que reúne los sistemas empresariales y de fábrica en una sola red.

Figura 4: El sector de fabricación está pasando de redes de bus de campo independientes a una infraestructura IT/OT convergente basada en TSN sobre GbE (Gigabit Ethernet). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Estas redes requieren tiempos de ciclo de red inferiores a milisegundos para garantizar el determinismo y un ancho de banda de hasta gigabits para adaptarse a nuevas fuentes de tráfico de alta velocidad, como transmisiones de video desde sistemas de visión. Los sistemas de control de movimiento modernos necesitan PHY (capas físicas de Ethernet) como la familia ADIN1200/1300 para cumplir con estos requisitos. Estos PHY sólidos, de bajo consumo y baja latencia admiten GbE en entornos industriales. Pueden funcionar a temperaturas ambiente de hasta 105 °C, se han sometido a pruebas exhaustivas de EMC (compatibilidad electromagnética) y ofrecen características resistentes como protección contra caídas de tensión.

Conclusión

En el panorama cambiante de la fabricación inteligente, el control de movimiento inteligente es un elemento fundamental que impulsa a las fábricas hacia una mayor agilidad y resiliencia. Un elemento central de esta optimización es la precisión y eficiencia de los sistemas de control de movimiento. Con las opciones de sensores recientemente ampliadas, los ingenieros tienen la oportunidad de mejorar todo, desde el seguimiento de la posición hasta el monitoreo del estado de la máquina. Al introducir estos datos cada vez más vastos y precisos en redes de fábricas cada vez más capaces, la promesa de la transformación digital se está convirtiendo rápidamente en realidad. A medida que adoptamos esta era digital, la apasionante fusión del control de movimiento inteligente y las redes avanzadas promete un futuro de fabricación verdaderamente inteligente.