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Soluciones para fabricantes de maquinaria - Mecatronica

  • Publicado: 19 Marzo 2011
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Integración mecatrónica, un factor clave para la flexibilización de maquinaria moderna. Los fabricantes se ven abocados a aplicar, de forma cada vez más acuciante, nuevas estrategias de diseño que les faciliten la realización de maquinaria flexible, con un coste y plazo de ejecución lo más reducido posible. El tratamiento integrado del ciclo de vida de su diseño mecánico, eléctrico y de control (es decir, mecatrónico) y la explotación de modernas herramientas informáticas que facilitan la reutilización de diseños anteriores se presentan, sin duda, como excelentes aliados de cara a la consecución de estos objetivos.

Dentro del programa de las IV Jornadas sobre tecnologías y soluciones para la Automatización Industrial (JAI'2010), Sergio López –consultor para fabricantes de maquinaria en Rockwell Automation– ofreció una ponencia orientada a describir la problemática derivada de la necesidad de diseñar maquinaria cada vez más flexible e integrada con su entorno de operación.

Uno de los sueños de todo fabricante de maquinaria es disponer de una "máquina estándar" que pudiese vender de forma repetitiva a sus clientes. Sin embargo, con frecuencia no es ésta su realidad habitual y tienen que conformarse con disponer de un diseño básico –más o menos estándar– que han de ir modificando, prácticamente, con cada pedido.

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Para ellos es un objetivo muy importante que sus diseños sean flexibles y eficientes, pues necesitan poder llevar el concepto de una máquina al mercado en el menor tiempo y con los menores costes de diseño, desarrollo y puesta en marcha. Además, para poder competir en un mercado tan competitivo como el actual, sus soluciones deben ser innovadoras y disponer de un elevado rendimiento productivo.

Entre los sectores en los que más esfuerzos se están haciendo en este sentido se encuentran los de la maquinaria de final de línea (empaquetadoras, envasadoras, encajadoras, almacenes automáticos, etc.) y de impresión (corte de papel, cartón, etc.) sin olvidar otros sectores más específicos (máquinas de corte de piedra, corte de chapa, etc.).

Un aspecto que cobra cada vez más importancia, en especial en la maquinaria de final de línea, está relacionado con la rápida integración de su información con los sistemas de gestión del cliente. En particular, los usuarios finales están exigiendo, cada vez más, que dispongan de sistemas eficientes de diagnóstico (uno de sus principales puntos débiles en la actualidad). Ocurre muy a menudo que el diseño e implantación de las funciones de diagnóstico no se hace como debería y se realiza a última hora, incluso durante la puesta en marcha en casa del cliente. Sin embargo, éstos están insistiendo mucho en el diagnóstico porque, muy a menudo, el tiempo de parada de una máquina puede ser tanto o más costoso que su propio valor de compra.

Ayudas al diseño

Partiendo de estas premisas, los fabricantes de soluciones de automatización tratan de ofrecer a los fabricantes de maquinaria un número cada vez mayor de herramientas que les permita hacer las cosas de forma más sencilla, rápida y reutilizable, aprovechándose además no solo de sus virtudes y tecnologías sino también de las que disponen otros proveedores.

A modo de ejemplo, el diseño de una máquina comienza a menudo por su parte eléctrica. Rockwell Automation trabaja desde hace algunos años en colaboración con la firma Eplan (y su herramienta CAD especializada en el diseño de documentación electrotécnica) hacia la integración del diseño eléctrico. Ambas compañías han realizado un gran esfuerzo con objeto de automatizar, de la forma más sencilla posible, la generación directa del proyecto de automatización (controlador, periferia de entrada/salida,...) a partir del propio diseño eléctrico. Del mismo modo, en otro momento de la etapa de diseño se necesitará determinar qué motores se van a utilizar en cada uno de los ejes de la máquina. Y resulta que esta tarea no siempre es sencilla; es más, puede llegar a representar un problema complejo de resolver para el ingeniero mecánico.

Rockwell Automation dispone de la herramienta software –denominada Motion Analyzer– que, a partir de las especificaciones funcionales de la máquina (masas, velocidades, aceleraciones, deceleraciones, etc.), propone la selección del accionamiento (variador y motor) más adecuado en cada caso.

Conviene hacer notar que la determinación correcta y precisa de los parámetros anteriores es un factor clave en el proceso de diseño. Por desgracia, es muy frecuente que el fabricante de la máquina no disponga de información fidedigna en el momento de proceder con la selección de los motores (son frecuentes respuestas como: "no sé...ponle 50 Kg.") y que ello haga poco menos que imposible la determinación de los accionamientos más adecuados en cada proyecto. También es muy importante conocer el tipo de motor (rotativo, lineal,...) y mecanismo de transmisión (correa, piñón, husillo,...) que se desea utilizar en cada eje. No realizar todo este proceso de forma precisa implicará, en general, tomar la decisión de seleccionar accionamientos varias "tallas" superiores a los requisitos reales de la aplicación (algo bastante tradicional en nuestro país) con todo lo que ello implica a nivel de costes y eficiencia.

Una posibilidad de cara a facilitar esta etapa de diseño consiste en la integración de las herramientas de dimensionado de ejes con las herramientas CAD, de modo que las primeras se nutran de la información disponible en estas últimas como punto de partida para realizar los cálculos pertinentes. En esta línea de acción, y como novedad reciente, la herramienta software Motion Analyzer de Rockwell Automation permite acceder a los diseños mecánicos realizados con Solidworks (en el que están disponibles todos los datos mecánicos de cada eje de la máquina).

De esta forma, es el diseñador mecánico el que debe suministrar toda la información necesaria para realizar los cálculos. Ocurre a veces que la comunicación entre los responsables de diseño mecánico y el electrónico no es tan fluida como sería deseable, pues cada uno tiene su trabajo y éste tiene –por lo general– pocos puntos de conexión con el otro. Esta clase de herramientas representan una magnífica oportunidad para disponer de un punto de sincronización común (en este caso, el diseño mecánico en Solidworks de la máquina).

Una vez dimensionados los accionamientos de la máquina, es necesario seleccionar el sistema de control. Y, dentro de este contexto, las comunicaciones industriales juegan un papel determinante en la arquitectura de control. En general, la tendencia actual de todos los fabricantes apunta a la utilización de soluciones basadas en Ethernet, incluso en el apartado dedicado al control de movimiento. Esto se debe a que ninguna otra red proporciona más funcionalidades, prestaciones y garantías de estandarización que Ethernet. Sin embargo, y pese a todo ello, resulta que para cubrir adecuadamente las prestaciones requeridas para las comunicaciones en el rango de control de movimiento, cada fabricante desarrolla su propia versión específica (lo que las hace, a menudo, funcionalmente incompatibles entre sí). La solución adoptada por Rockwell Automation, Ethernet/IP, conforma un sistema de comunicaciones basado en Ethernet completamente estándar, desde los medios físicos hasta la capa de transporte.

Control de movimiento

Un concepto muy utilizado en la jerga técnica de los fabricantes de maquinaria es el de control de movimiento (en inglés, motion control). En una primera aproximación, se podría decir –hoy en día– que las aplicaciones con control de movimiento utilizan, como accionamientos, servomotores (típicamente, motores síncronos de imanes permanentes). De una forma más estricta, podemos definir las aplicaciones con control de movimiento como aquellas que se caracterizan por la existencia de un controlador encargado de generar las trayectorias que deben seguir, con cierta precisión, los accionamientos de cada uno de los ejes. Dicho de otro modo, en las aplicaciones con control de movimiento los ejes no se desplazan libremente de un origen a un destino, sino que lo hacen siguiendo un perfil determinado mediante una nube de puntos, velocidades, aceleraciones, etc.

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Históricamente, las aplicaciones con control de movimiento se desarrollaban con tecnología eminentemente mecánica: el accionamiento del eje principal se realizaba mediante un motor eléctrico rotativo y las trayectorias de los restantes ejes de la aplicación se coordinaban y sincronizaban mediante mecanismos (engranajes, levas, biela y manivela, etc.). La gradual sustitución del control mecánico de movimientos por un sistema electrónico de control ha dado lugar a una nueva disciplina, comúnmente denominada "mecatrónica".

La velocidad de proceso de los actuales equipos de control (que permite coordinar un elevado número de ejes con tiempos de ciclo inferiores al milisegundo) junto a las elevadas dinámicas de los motores síncronos disponibles hoy en día permiten resolver aplicaciones más sofisticadas, más precisas y –sobre todo– mucho más flexibles. Sin olvidar, como guinda, que en muchas ocasiones el coste de fabricación de la máquina va a ser claramente inferior al de la solución tradicional. Como es natural, también se presentan inconvenientes ligados intrínsecamente a la introducción de nuevas tecnologías en la máquina. Entre ellas, la necesidad de disponer –tanto en los equipos de ingeniería de los fabricantes como en los equipos de mantenimiento del cliente final– de personal especializado, con conocimientos de electrónica, computadores, programación y teoría de control.

Accionamientos

En el campo de los accionamientos, la tecnología continúa avanzando y los fabricantes de maquinaria ya utilizan los denominados motores lineales. De forma simplificada, un motor lineal puede definirse como un motor eléctrico en el que tanto su rotor como su estator han sido "desenrollados". La interacción magnética entre los bobinados del módulo que se desplaza (el "rotor") y una sucesión lineal de imanes con polaridad norte-sur (el "estator") es la responsable de generar la fuerza lineal que origina el desplazamiento.

Tabla comparativa de accionamientos.

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Entre las ventajas derivadas de la utilización de motores lineales podemos destacar:

• Unas excelentes prestaciones dinámicas, con velocidades y aceleraciones muy superiores a las de los motores rotativos. Esto es debido a su propia simplicidad, que permite reducir la masa desplazada y el rozamiento existente.

• Una precisión y repetibilidad de movimientos en el rango de la micra, gracias a la inexistencia de juegos mecánicos intermedios.

• Un funcionamiento extremadamente silencioso.

Haciendo una comparativa entre los motores lineales y las soluciones rotativas más tradicionales: con los acoplamientos basados en correa o piñón-cremallera se pueden alcanzar velocidades relativamente elevadas con precisiones de movimiento muy pobres, mientras que con los basados en husillo es posible conseguir precisiones bastante elevadas manteniendo unas prestaciones considerables. Con los motores lineales, tal como se puede comprobar en la tabla superior, se pueden conseguir las mejores prestaciones (en términos de velocidad y posición) posibles.

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En la misma senda de la innovación tecnológica nos encontramos con los denominados cilindros eléctricos. Estos dispositivos actuadores pueden actuar, en muchas aplicaciones, como sustitutos de los cilindros neumáticos, contando con que no sólo se va a obtener un movimiento lineal con velocidades similares a las que se obtienen con un cilindro neumático, sino que, además, permiten controlar de forma precisa velocidades, posiciones y fuerzas de actuación.

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En el campo de los motores rotativos también se han producido notables avances. Uno de los más significativos está relacionado con la tecnología Direct Drive Motor, que persigue la optimización de su diseño para poder acoplarlo directamente a la carga. Entre las ventajas derivadas de su aplicación destacan:

• Una mayor eficiencia, pues se prescinde de elementos intermedios (reductoras, correas, cadenas,...) entre el motor y la carga.

• Una mayor vida útil, pues se reduce el número de componentes del accionamiento.

• Un funcionamiento más silencioso, pues son menos los componentes susceptibles de generar vibraciones.

• Un posicionamiento más rápido y preciso, gracias a su elevado par, baja inercia y la presencia del sensor de posición en el propio eje del motor.

• Una mayor rigidez del acoplamiento, que evita juegos mecánicos, fenómenos de histéresis y comportamientos elásticos.

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Soluciones de seguridad

Es éste un campo en el que, pese a la evolución de la tecnología, queda todavía mucho por hacer, pues:

• No todas las instalaciones que existen son seguras (y el primer objetivo es que lo sean).

• Las instalaciones que son seguras, muchas veces no son funcionales.

Una mentalidad que todavía predomina en muchas industrias –y que es preciso erradicar– es la de que los dispositivos de seguridad son, más que aquellos que velan por la seguridad de personas y medios, los que impiden que la máquina –o línea de producción– arranque.

Entre las causas que han derivado en esta forma de pensar se puede identificar un mal diagnóstico de las incidencias. Las herramientas de diagnóstico deberían facilitar una resolución ágil y cómoda de las averías y, como ya se indicó anteriormente, con demasiada frecuencia ocurre todo lo contrario.

Tecnológicamente, se han producido notables avances que persiguen evolucionar en este sentido. A modo de ejemplo:

• Se ha incorporado la lógica de seguridad de la instalación en el programa del autómata. Esto implica que, si el personal de mantenimiento está familiarizado –cosa bastante habitual– con el entorno de programación del autómata, siempre dispondrá de la posibilidad de monitorizar el programa de seguridad y comprobar qué está pasando.

• Se ha simplificado el cableado de seguridad en accionamientos. La mayoría de los variadores de velocidad modernos integran una entrada digital de seguridad cuya activación corta la señal de conmutación de los IGBT. Esto evita, por ejemplo, tener que instalar contactores aguas arriba del variador para abrir su línea de alimentación en caso de avería.

• Existen sistemas de control homologados que, en lugar de parar completamente la máquina cuando se activa una seguridad, pueden limitar su velocidad a un valor considerado como "seguro" (de acuerdo con los resultados obtenidos en un análisis de riesgo).

Adaptación a estándares

De todas las zonas de una planta de fabricación moderna, quizás sea la de final de línea una de las más "descuidadas" por el cliente final hasta la fecha. Desde hace unos años, éstos están cambiando de mentalidad y exigen, cada vez más, disponer también en esta zona de maquinaria estandarizada, que ofrezca información relacionada con su eficiencia y rendimiento.

Interfaz de aplicación conforme al estándar PackML.

En el sector de la maquinaria de producción existen estándares comúnmente utilizados (como el ISA S88, desarrollado específicamente para los procesos continuos de fabricación por lotes). Sin embargo, estos modelos son de difícil aplicación para maquinaria de final de línea.

Con el propósito de solventar esta limitación, algunas empresas y asociaciones han comenzado a desarrollar nuevos estándares. Uno de ellos es el denominado PackML, desarrollado por la división Connect&Pack de OMAC y pensado para que todos aquellos fabricantes que ya disponen de máquinas de final de línea puedan adaptarlas a este estándar de una forma relativamente sencilla. Si la aplicación de control ha sido desarrollada con las soluciones Logix/ControlLogix de Rockwell Automation la tarea se simplifica aún más, pues este fabricante ofrece hechos todos los bloques de código y pantallas de interfaz necesarios para poder realizar la adaptación.

Sergio López Canales
Consultor para fabricantes de maquinaria
Rockwell Automation

José Ignacio Armesto Quiroga
Presidente del comité organizador de las Jornadas JAI'2010
Universidad de Vigo

Fuente:
Automática e Instrumentación
JAI 2010