Simple y digital: Aumentar la productividad con sistemas inteligentes

La neumática inteligente ofrece flexibilidad en la era de Industria 4.0 mientras avances como sistemas ciberfísicos contribuyen a lograr una mayor conectividad e inteligencia en válvulas.

 

Simple y digital: Aumentar la productividad con sistemas inteligentes
Gracias a la rápida activación de nuevas funciones vía apps de software, es posible crear un tipo de máquina básico y luego, de acuerdo a las apps seleccionadas, equiparla con distintas funciones y características según los requerimientos de la aplicación. (Cortesía: Festo).

 

La neumática inteligente combina estandarización con flexibilidad, lo que impulsa la neumática en la era de Industria 4.0. La tecnología que está detrás de la neumática inteligente amalgama los beneficios de la neumática tradicional con los de un movimiento eléctrico controlado y complejo. A pesar de su simplicidad, integra más funcionalidades que la tecnología convencional.

La actual tendencia en automatización hacia sistemas conectados en red, descentralizados e inteligentes con una óptima integración de funciones es la respuesta directa a los crecientes requerimientos técnicos y económicos.

La demanda de características adicionales, tales como capacidad para interpretar información ambiental, también va en aumento en la era de Industria 4.0. Las capacidades de comunicación, que incluyen componentes que se comunican uno con otro, promueven nuevas áreas de actividad, ya que permiten más mantenimiento preventivo específico y abren el camino hacia una producción autónoma con sistemas de autorregulación.

 

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Cuatro piezo válvulas piloto de 2/2 vías (azul) y válvulas de asiento a diafragma con sensores inteligentes integrados ofrecen una enorme flexibilidad (Cortesía: Festo).

 

Statu quo en mecatrónica

Los sistemas mecatrónicos convencionales reúnen sistemas mecánicos, electrónica, tecnología de control e informática, lo que les permite interactuar en las actuales aplicaciones de automatización. Son la única forma de garantizar la integración de neumática en aplicaciones electromecánicas y son clave para lograr un posicionamiento preciso de accionamientos neumáticos.

Los sistemas mecatrónicos modulares facilitan una amplia integración de funciones, tales como una mayor adaptabilidad de sistema y estandarización, lo que se traduce en mejoras y optimizaciones del sistema a lo largo de toda la cadena de valor por haber un menor número de componentes que se deben seleccionar, adquirir, ensamblar y cablear. La comunicación digital aporta beneficios adicionales, por ejemplo la compatibilidad electromagnética que no incide en los valores analógicos, lo que ayuda a eliminar fallas del sistema.

 

La mecatrónica carece de flexibilidad

A pesar de los beneficios de los sistemas mecatrónicos modulares, es posible mejorar la flexibilidad. Reconvertir adaptaciones de sistema durante las fases de diseño e ingeniería de un proceso o modificar parámetros a la hora de introducir cambios durante operación sólo se logran con modificaciones costosas y que insumen mucho tiempo.

Un diseño modular ofrece cierta flexibilidad, pero sólo dentro de los límites del módulo particular. La regla general es que cualquier parámetro que podría cambiar siempre debe ser tenido en cuenta en la etapa de diseño. De acuerdo a la regla de 10, los costos de las subsiguientes adaptaciones crecen en un factor de 10. No hay diferencia si los cambios son necesarios para ajustar el tamaño a un cambio en las cargas o para agregar nuevas funciones pedidas por el usuario final.

 

Sistemas ciberfísicos con flexibilidad y conexión en red

Si bien hay numerosas definiciones para los sistemas ciberfísicos (CPSs por sus siglas en inglés), no se dispone de una definición ampliamente aceptada. Sin embargo, lo cierto es que los CPSs juegan un rol central en las aplicaciones de Industria 4.0.

Los CPSs, en términos de su estructura básica, son sistemas mecatrónicos. También incorporan sensores inteligentes y una mayor inteligencia de software. Una posible aplicación es predeterminar influencias externas usando datos registrados internamente sin necesidad de sensores adicionales, y luego compartir esta información interna y externamente con otros sistemas vía interfaces de comunicación adecuadas.

Tales sistemas pueden ser adaptados sin necesidad de un hardware nuevo o adicional, ya que las adaptaciones funcionales son ejecutadas usando software y apps, o bien el sistema se puede autoajustar por sí mismo o por medio de una instrucción del sistema de control.

Sin embargo, a pesar de todos los beneficios que ofrecen los sistemas mecatrónicos modulares, hay todavía espacio para mejoras en lo que hace a flexibilidad. Y es allí donde aparece un sistema ciberfísico como Festo Motion Terminal VTEM. Este sistema incluye cuatro piezo válvulas piloto de 2/2 vías y válvulas de asiento a diafragma con sensores inteligentes integrados. Ofrece las funciones tradicionales de válvulas de 2/2, 3/2, 4/2 o 4/3 vías, como así también tecnología proporcional y funciones servoneumáticas, todo en un solo dispositivo. Otras funciones incluyen predeterminación del tiempo de carrera, accionamiento ECO y diagnósticos de pérdidas.

La implementación de los requerimientos de Industria 4.0, tales como el uso de datos de todo el sistema, depende del sistema y el producto, lo que puede llevar a un resultado limitado. La razón es sencilla: los datos registrados en el dispositivo por los sensores no son compartidos con otras estaciones, por no haber una interface de datos. Por ejemplo, los datos de temperatura medidos en válvulas proporcionales sólo son procesados por la propia válvula. No se realiza ninguna otra función de diagnóstico, aun cuando podría servir para determinar si, por ejemplo, hay un ventilador defectuoso en un gabinete de control.

La fábrica del futuro necesita productos con sensores integrados y una interface Industria 4.0. Es fundamental que esta interface cumpla con los estándares internacionales en cuanto a gestión y comunicación de datos. El estándar de interface de software OPC UA, publicado como parte de la serie IEC 62541 de estándares, es un buen ejemplo.

 

Tecnologías flexibles para Industria 4.0

Los actuadores utilizados en las partes neumáticas en la forma de un circuito puente son una de las nuevas tecnologías que impulsan Industria 4.0. Las cuatro piezo válvulas piloto de 2/2 vías y las válvulas de asiento a diafragma con sensores inteligentes integrados ofrecen una enorme flexibilidad. A diferencia de los sistemas mecatrónicos convencionales, estos sensores inteligentes se encuentran embebidos directamente en una terminal de válvulas inteligente, lo que significa que los sensores de medición de presión ya no actúan más como un módulo separado que necesita ser seleccionado por medio del configurador.

La gama de tareas también es más amplia ya que se pueden usar los sensores de medición de presión, por ejemplo, para funciones de diagnóstico:

  • Cuatro válvulas de 2/2 vías (válvulas de asiento a diafragma) están conectadas en serie para formar un puente completo;
  • Cada válvula de asiento a diafragma es piloteada y controlada proporcionalmente por dos piezo válvulas (azul);
  • El pistón controlado digitalmente puede tomar las funciones de una amplia gama de pistones de control mecánicos que se suelen utilizar en un control direccional común.

 

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La válvula inteligente Festo Motion Terminal es una válvula neumática Industria 4.0 que puede cambiar la funcionalidad en base a algoritmos descargables.

 

Apps de movimiento reemplazan el hardware

Gracias a apps de movimiento descargables, la terminal de válvulas inteligente ofrece las funciones tradicionales de válvulas de 2/2 vías, 3/2 vías, 4/2 vías o 4/3 vías como así también tecnología proporcional y funciones servoneumáticas en un solo dispositivo. Todas estas funciones pueden ser implementadas en un CPS usando apps de movimiento. Lo destacable en este caso es que todo puede hacerse con una sola válvula del mismo diseño.

Esta válvula combina los beneficios de la tecnología de automatización neumática y eléctrica. La válvula neumática inteligente integra movimientos complejos, posicionamiento variable, monitoreo de condiciones y otras funcionalidades en un solo componente y consume menos energía.

La flexibilidad, la velocidad de implementación y los beneficios económicos en comparación con los sistemas convencionales cableados aumentan. Puesto que cambiar parámetros en tales sistemas no necesariamente significa que se debe adaptar el hardware, la regla de 10 ya no se aplica. Los costos de adaptación se mantienen dentro de márgenes muy estrechos, incluso si los cambios se hacen durante fases posteriores a la de diseño.

 

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Válvula inteligente de Festo que incluye (de izquierda a derecha) conectividad Ethernet industrial, un controlador con función flexible mediante app, válvulas con sensores embebidos para control de lazo cerrado, entradas analógicas y digitales para un control rápido de aplicaciones específicas y sensores integrados de presión de alimentación y temperatura para análisis de datos.

 

Nuevas dimensiones en automatización

La digitalización tendrá un gran impacto en la producción. Por primera vez, gracias a los CPSs, es posible implementar soluciones que combinan sistemas mecánicos, electrónica y software, además de tener sistemas listos para aplicaciones de Industria 4.0, incluyendo neumática. En comparación con los sistemas mecatrónicos modulares, ofrece una combinación de máxima estandarización y un alto nivel de flexibilidad.

Puesto que la válvula neumática inteligente desacopla las funciones neumáticas del hardware mecánico y las realiza mediante apps, se puede implementar una amplia gama de tareas de movimiento neumáticas con un solo tipo de válvula, lo que se traduce en numerosos beneficios mensurables a lo largo de la cadena de valor.

Las soluciones CPS permiten la implementación de movimientos complejos, tales como una retracción suave en la posición final, varios perfiles de velocidad o tareas de posicionamiento que antes sólo se podían realizar con servoneumática o automatización eléctrica. También facilitan la implementación de una amplia gama de funciones, monitoreo de condiciones, mantenimiento preventivo, y reducen el consumo de energía.

 

Preparado en base a una presentación de Sandro Quintero, gerente de producto de Festo.

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