Comunicación en tiempo real para unos amplificadores de medida más precisos y flexibles en aplicaciones industriales, utilizando la nube industrial

El Internet Industrial de las Cosas (IIoT) se apoya en varios conceptos básicos: el internet de las cosas, la autooptimización de las cadenas de valor y la gestión en red en las empresas a escala vertical y horizontal. La gestión en red garantiza un intercambio de información uniforme y, por ende, una cooperación eficiente entre todos los participantes en una red de valor añadido. Abre la puerta a un nuevo espectro de aplicaciones, como administración conjunta de máquinas, programas y herramientas, monitorización del estado en el que se encuentra el procesamiento de un producto o control de las necesidades de mantenimiento de una máquina... en cualquier lugar del mundo.

Evidentemente, todo ello importe requisitos muy exigentes a los componentes del sistema. Es esencial que los sensores, actuadores y controladores del nivel de producción trabajen de forma rápida y sin retardo; de hecho, esa la única manera de garantizar una comunicación en tiempo real isócrono (IRT) y procesos de producción seguros. Los datos se fusionan a nivel del controlador; es decir, los datos rápidos obtenidos en tiempo real se combinan con datos de diagnóstico adicionales. Los controladores informan del estado de la producción y de los parámetros de calidad a los niveles de gestión del proceso, los cuales, al mismo tiempo, proporcionan datos sobre las órdenes de producción. El controlador recibe información sobre la cantidad de producto, su versión y su modelo, y la emplea para configurar en consecuencia el sistema de producción.

El bus de campo en los entornos de automatización

El bus de campo garantiza que el IRT sea el requerido; o sea, que los datos de medición y de diagnóstico se transmitan siempre siguiendo el mismo patrón temporal. Para ello, un rango fijo de los frames de datos empleados en la transmisión de datos se reserva a estos datos en tiempo real. En el pasado, estos frames de datos eran muy limitados. Por un lado, los volúmenes de datos eran relativamente más pequeños. Por otro, las redes de alta velocidad de transferencia de datos presentaban limitaciones físicas de tamaño. Todo esto cambió radicalmente con la llegada de la tecnología de Ethernet como medio para la transferencia de datos en entornos de producción. Desde entonces, se han creado redes mucho más grandes, con velocidades de transferencia de datos más altas (del orden de gigabits). La topología varía desde las conexiones 1:1 de los entornos de las fábricas hasta las redes globales que conectan diferentes plantas y centros entre sí. Una de las grandes ventajas de la tecnología de Ethernet es la alta disponibilidad de los componentes de la red. Las redes de Ethernet se utilizan desde hace bastante tiempo en las comunicaciones de oficina. Ahora, hay una clara convergencia entre el mundo de la oficina y el de la fabricación. Igualmente, las instalaciones se han hecho llamativamente menos complejas, puesto que los nodos de la red pueden interconectarse de varias maneras, empleando configuraciones lineales, en estrella o mixtas.

Selección de buses de campo

En general, todos los buses de campo operan en tiempo real, con tiempos de ciclo que oscilan entre 100 milisegundos y 1 microsegundo. ¿Cuál es el bus de campo más adecuado?: depende de la aplicación. En la industria de procesos, es suficiente con un tiempo de ciclo de 100 milisegundos, debido a que los procesos son relativamente lentos, debido a los métodos empleados. En cambio, en la automatización de fábricas los requisitos son más exigentes. En las tareas de pruebas y montaje se requieren ciclos más cortos, comprendidos entre 1 y 10 milisegundos. En las aplicaciones de control de movimiento —monitorización de partes móviles, como rodillos giratorios, accionamientos, etc.— se necesitan tiempos de ciclo de unos pocos microsegundos, para garantizar un funcionamiento seguro. En estos casos es preciso utilizar equipos de bus de campo especiales, como PROFINET con protocolo IRT, EtherCAT, POWERLINK, o SERCOS.

El diagrama siguiente muestra los distintos buses de campo basados en Ethernet y su grado de penetración a escala internacional:

Uso a escala internacional de las interfaces modernas de bus de campo (fuente: HBM)

Un componentes para redes avanzadas

El sistema de medición y control PMX de HBM puede equiparse con los buses de campo PROFINET, EtherCAT o Ethernet/IP para conectar el sistema con los niveles de producción. Cuando se conectan sensores y actuadores a PMX, es posible monitorizar sus conexiones e informar en tiempo real sobre cualquier irregularidad. Adicionalmente, PMX permite preprocesar los datos medidos en tiempo real. PMX preprocesa una parte sustancial de la carga de trabajo del sistema del controlador de la planta, con lo que alivia en parte la presión a la que está sometido el entorno de producción.

El sistema en la nube

Cuando los datos del sistema se almacenan de forma centralizada con una visión de uso descentralizado, aparecen nuevas aplicaciones de producción. Todos hemos oído hablar de soluciones en la nube, como Google Maps, y ahora es posible aplicarlas a la producción. Para empezar, se pueden imponer requisitos especiales como, por ejemplo, un control de la producción basado en tamaños de lote y obtención de materiales. Asimismo, se pueden detectar, señalar y evitar irregularidades. De este modo, la producción resulta más eficiente, más rentable y se automatiza en mayor medida. La manipulación manual resulta innecesaria y el mantenimiento de puede controlar en función de las necesidades.

Se necesitan nuevos formatos de interfaz

Sin embargo, hace falta un nuevo formato de interfaz que haga posible una transferencia eficiente de los datos de planificación y diagnóstico desde el entorno de producción a la nube. Ese formato se llama “OPC Unified Architecture”, o bien “OPC UA” en versión abreviada. Se trata de una expansión del formato de datos OPC, que ya está normalizado y aprobado como estándar internacional.

OPC UA es un protocolo industrial de comunicaciones entre máquinas. Es la más reciente de las especificaciones OPC que desarrolla OPC Foundation y difiere significativamente de sus predecesoras, sobre todo por el hecho de que no solo permite transferir datos de máquinas (variables de control, valores medidos, parámetros, etc.), sino también describirlos semánticamente en un formato legible para las máquinas.

Arquitectura OPC UA (fuente: Wikipedia)

Ventajas para el usuario

  • Las nuevas tecnologías de redes y telecomunicaciones permiten racionalizar los procesos y hacerlos más transparentes.
  • El control de la producción resulta más sencillo, puesto que se automatiza en buena medida y se controla de manera remota.
  • Desaparece la necesidad de emplear una gran cantidad de personal y de formarlo.
  • Los propios sistemas informan sobre su estado de “salud”, con la consiguiente optimización del mantenimiento.
  • El empleo de los modernos sistemas del IIoT ayuda a rebajar los costes de fabricación, potenciando al mismo tiempo la calidad y la velocidad.

HBM está dedicando un gran esfuerzo a la implantación de estas tecnologías, y ya lo ha hecho con éxito en su sistema de medida y control PMX. En un proyecto conjunto con la Universidad Técnica de Darmstadt, una “fábrica de aprendizaje” ya existente se ha transformado en una fábrica inteligente, en la que PMX se ha aplicado con éxito.

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