Respaldar la personalización masiva con procesos de producción sostenibles y de alta calidad puede suponer un reto para los diseñadores de sistemas de fabricación automatizados de la Industria 4.0. Es necesario desplegar y conectar múltiples dispositivos de detección y control a través de diversas redes cableadas e inalámbricas, y supervisar su estado y consumo energético en tiempo real, todo ello cumpliendo las normas de sostenibilidad establecidas.
Para dar cabida a la variedad de funciones, redes, supervisión y requisitos normativos, garantizando al mismo tiempo la escalabilidad y la flexibilidad, los diseñadores de sistemas de automatización para la Industria 4.0 no tienen que hacerlo todo ellos mismos. En su lugar, pueden incorporar controladores integrados compactos para implantar sistemas de producción flexibles con altos niveles de calidad y sostenibilidad. Estos controladores cuentan con numerosas funciones integradas de control y gestión de la energía, entradas y salidas (IO) digitales y analógicas, y las capacidades de comunicaciones seguras necesarias para implantar una fábrica Industria 4.0 escalable, flexible y altamente sostenible.
Este artículo ofrece un breve resumen de los elementos y requisitos típicos de la automatización de fábricas de la Industria 4.0. A continuación, presenta una familia de controladores compactos y ampliables de Siemens como ejemplos de controladores lógicos programables (PLC), que contienen interfaces de comunicaciones y funciones tecnológicas integradas. Concluye con una revisión de la Organización Internacional de Normalización (ISO) 50001 y normas afines para la gestión de la energía operativa, incluido un ejemplo de aplicación de la gestión energética para la sostenibilidad.
Elementos clave de una fábrica de Industria 4.0
Una aplicación típica de fábrica de Industria 4.0 comprende dispositivos como controles de temperatura, controles de bombas y ventiladores, sistemas de transporte y máquinas de envasado que requieren una integración flexible y precisión para garantizar una producción de alta calidad. Además, el consumo de energía de estos dispositivos debe controlarse y analizarse continuamente para favorecer un funcionamiento eficiente y sostenible. Además, todo ello debe contar con múltiples capas de conectividad por cable e inalámbrica, desde sensores y controladores distribuidos hasta accionamientos de motores, medidores de energía y técnicos y operarios de máquinas en tiempo real.
Para dar respuesta a estas diversas necesidades y, al mismo tiempo, acelerar la implantación y reconfiguración de procesos, maximizar el tiempo de actividad y garantizar un funcionamiento eficaz, los diseñadores de sistemas de automatización necesitan controladores de procesos específicos con varias características clave. Estas características incluyen interfaces de comunicación seguras, E/S digitales y analógicas, así como funciones de control integradas como contadores de alta velocidad, modulación por ancho de pulsos (PWM), salidas de secuencia de pulsos, control de velocidad, posicionamiento, monitorización del estado y gestión de la energía. Además, es necesario disponer de interfaces de comunicaciones que admitan protocolos como comunicación serie, PROFIBUS, IO-Enlace, interfaz de sensores de actuadores (AS-Interface), unidad de tiempo real (RTU) MODBUS, interfaz serie universal (USI), TCP/IP y estándares inalámbricos móviles.
Conectividad Industria 4.0
Para satisfacer los requisitos de conectividad de la Industria 4.0, la familia de PLC SIMATIC S7-1200 de Siemens admite la conexión de sensores, actuadores y motores a interfaces hombre-máquina (HMI) y a la nube. Utiliza la arquitectura unificada OPC (OPC UA), un protocolo de comunicación de máquina a máquina (M2M) para la automatización industrial. OPC UA tiene una arquitectura independiente de la plataforma y orientada a servicios que simplifica la conectividad. Admite la integración de todo tipo de dispositivos, sistemas de automatización y aplicaciones de software en un entorno intrínsecamente seguro. Incluye las extensiones de campo especificadas por la iniciativa Field Level Communication (FLC), basada en el marco OPC UA y especificada en la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) 62541.
La FLC proporciona a los proveedores de equipos una plataforma independiente para comunicaciones seguras y fiables que hace hincapié en la autenticación, la firma y el cifrado de datos. OPC UA es más que un protocolo de comunicaciones M2M; está diseñado para admitir conexiones entre la red de la fábrica y las redes empresariales. OPC UA Data Access en los PLC SIMATIC S7-1200 de Siemens permite la comunicación horizontal y vertical estandarizada, así como el cumplimiento de requisitos específicos del sector como The Organization for Machine Automation and Control Packaging Machine Language (OMAC PackML), un estándar de automatización que facilita la transferencia coherente de datos de máquinas, así como los estándares Weihenstephan (WS), que definen una interfaz de comunicación para la transmisión estandarizada de datos de máquinas a sistemas de TI de nivel superior. Características clave de las implementaciones de OPC UA en PLCs S7-1200 incluyen (Figura 1):
- La capacidad de añadir eficientemente nuevos procesos entre los PLC y cualquier nivel superior, capas de software orientadas al negocio.
- Implementación simplificada de especificaciones complementarias específicas del sector con Siemens OPC UA Modeling Editor.
- Conectividad en la nube a través de una conexión inalámbrica a una red Ethernet.
- Resolución de nombres DNS para un direccionamiento simplificado con comunicación de usuario abierta (OUC), incluido el cifrado.
- Un medio para enviar correos electrónicos de forma segura, con archivos adjuntos opcionales.
Figura 1: OPC UA es un elemento fundamental de la conectividad industrial de la Industria 4.0. (Fuente de la imagen: Siemens)
Controladores escalables
Además de la compatibilidad integrada con la comunicación OPC UA, los controladores S7-1200 como el 6ES72141AG400XB0 (Figura 2) y el 6ES72151BG400XB0 son muy flexibles y escalables. El primero funciona con una fuente de alimentación de 24 voltios de corriente continua (VCC) y tiene entradas y salidas de 24 VCC, mientras que el segundo funciona con una fuente de alimentación de 120 o 230 voltios de corriente alterna (VCA), con entradas de 24 VCC y salidas de relé.
Todos los controladores S7-1200 tienen IO integradas, se pueden ampliar modularmente y disponen de varias opciones de comunicación. El portal Siemens Totally Integrated Automation (TIA) proporciona un entorno de software sencillo para desarrollar programas de control, y la herramienta de automatización SIMATIC puede utilizarse sobre el terreno para manejar y mantener los controladores SIMATIC S7-1200. Características adicionales:
- Una interfaz PROFINET que favorece la escalabilidad y la flexibilidad.
- Características de seguridad que incluyen una amplia protección contra el acceso, la copia y la manipulación.
- Diagnóstico, con mensajes que se muestran en texto sencillo y sin formato en el Siemens TIA Portal, a través de un servidor web, en la SIMATIC HMI y en la SIMATIC Automation Tool sin programación adicional.
- Características de seguridad en determinados modelos que pueden ejecutar tanto programas estándar como relacionados con la seguridad para aplicaciones hasta el Nivel de integridad de seguridad 3 (SIL3) definido en IEC 61508, e IEC 62061 y el Nivel de rendimiento e (PLe) definido en ISO 13849.
Figura 2: Los controladores Siemens S7-1200 disponen de soporte de comunicaciones OPC UA integrado. (Fuente de la imagen: Siemens)
Funciones tecnológicas integradas como contadores de alta velocidad, PWM, salidas de secuenciación de pulsos, control de velocidad y posicionamiento hacen que estos controladores sean adecuados para el control de temperatura, el control de bombas y ventiladores, la tecnología de cintas transportadoras y las máquinas de envasado. Están optimizados para el control de bucle, el pesaje, la gestión de la energía, el recuento de alta velocidad, la identificación por radiofrecuencia (RFID) y la supervisión del estado.
Opciones de comunicación flexibles
Los PLC S7-1200 se caracterizan por sus amplias opciones de conexión en red. Los protocolos de comunicación compatibles son:
PROFINET: Un estándar abierto de Ethernet Industrial (IE). La interfaz PROFINET integrada utiliza los estándares TCP/IP y puede utilizarse para la programación o para comunicarse con dispositivos HMI y controladores adicionales.
PROFIBUS: Se trata de un estándar de bus de campo. Con PROFIBUS, los controladores S7-1200 pueden establecer una comunicación uniforme desde el nivel de campo hasta el nivel de control.
Interfaz AS: Se trata de un estándar de bus de campo para actuadores y sensores. Se pueden conectar hasta 62 esclavos estándar de AS-Interface, como arrancadores de motor, interruptores de posición y módulos.
Además de las capacidades de comunicación integradas, hay módulos disponibles que admiten protocolos adicionales como:
- CANOpen
- Modbus RTU
- Modbus TCP
- IO-Link
- Servicio General de Radio por Paquetes (GPRS)/Evolución a Largo Plazo (LTE)
- RS-485, RS-422 y RS-232
- USS
Personalización masiva y alta calidad
Su amplia gama de funciones y capacidades de comunicación permiten a los PLC S7-1200 adaptarse al impulso hacia la personalización masiva y la alta calidad que se está produciendo como parte de la Industria 4.0. Aunque existen numerosas formas de alcanzar estos objetivos, el siguiente ejemplo muestra el uso de módulos de expansión de comunicaciones para la conectividad celular inalámbrica, la conectividad serie RS-485/USS/Modbus RTU para el control de motores, e IO-Enlace para una conectividad más sencilla con sensores y actuadores, en relación con los buses de campo (Figura 3).
Figura 3: Las comunicaciones ampliables de los PLC S7-1200 son compatibles con una combinación de módulos de expansión externos (izquierda y derecha) e internos (recuadro rojo superior central). (Fuente de la imagen: Siemens)
En la figura 3, el «CM CP» es un módulo de comunicaciones inalámbricas GPRS como el 6GK72427KX310XE0 que puede utilizarse para la conectividad en la nube. Una placa de comunicación RS-485 como la 6ES72411CH301XB0 reside dentro de un PLC S7-1200 («CPU») y se utiliza para comunicarse con un accionamiento de motor (el SINAMICs V20) a través de la interfaz USS/Modbus RTU. El «SM» de la derecha comprende un módulo de comunicaciones maestro IO-Enlace como el 6ES72784BD320XB0. El maestro IO-Enlace está conectado a dos sensores a la izquierda y al centro, así como a un concentrador IO-Enlace a la derecha. El concentrador puede conectarse a dispositivos IO-Enlace adicionales.
Gestión sostenible de la energía
La mejora de la eficiencia energética y la sostenibilidad depende de una gestión inteligente de la energía, que a su vez depende de datos de consumo energético más granulares y en tiempo real. Comienza cada vez más con la consideración de las normas ISO 50001 para la gestión de la energía operativa. Se trata de una norma fundamental que proporciona un marco de requisitos, incluido el desarrollo de políticas, metas y objetivos para un uso más eficiente de la energía, y el uso de datos para medir los resultados. La norma ISO 50001 está respaldada por otras normas:
- La norma ISO 50003 garantiza la eficacia de los sistemas de gestión energética (SGEE). Abarca la auditoría, los requisitos de competencia del personal y la duración de las auditorías y el muestreo en varios sitios.
- La norma ISO 50004 ayuda a las organizaciones a adoptar un enfoque sistemático para lograr la mejora continua de la gestión de la energía y el rendimiento energético.
- La norma ISO 50006 amplía el modo de cumplir los requisitos de la norma ISO 50001, incluido el desarrollo y mantenimiento de indicadores de rendimiento energético (EnPI) y líneas de base energética (EnB) para la supervisión continua del rendimiento.
Los EnPI y los EnB de la norma ISO 50006 permiten medir y gestionar eficazmente el rendimiento energético, lo que puede ayudar a optimizar la eficiencia energética. Además de mejorar la sostenibilidad, una mejor gestión de la energía supone un importante ahorro de costes. La norma define el punto de partida (EnBs) y las métricas de rendimiento significativas (EnPIs), e identifica cuatro tipos de indicadores: «absolutos» y «relativos de rendimiento energético», junto con modelos «estadísticos» y «técnicos».
Los controladores S7-1200 de Siemens pueden simplificar la implantación de estas normas ISO y respaldar sistemas de gestión energética altamente eficaces. Los diseñadores de sistemas de automatización pueden añadir un módulo de medidores de energía para permitir la medición, evaluación y visualización de los datos de consumo energético en tiempo real. La figura 4 ilustra una aplicación típica:
- El motor representa una carga típica cuyo consumo energético se controla.
- El transformador de corriente transforma el consumo de energía en una cantidad medible para el módulo de medidores de energía. El medidor también mide otros muchos parámetros, como el voltaje y el factor de potencia.
- El software del controlador S7-1200 evalúa las mediciones y guarda estadísticas sobre el consumo de energía en un registro de datos. Está conectado al PG/PC y al HMI a través de un router industrial SCALANCE que utiliza buses PROFINET IE.
- La HMI muestra los valores medidos y permite a los operadores evaluar parámetros como los picos de consumo de energía a lo largo del tiempo.
- El controlador también puede enviar el registro de datos a la PG/PC en forma de páginas web estándar.
Figura 4: Se muestra una aplicación típica de supervisión de energía que puede utilizarse fácilmente con un controlador lógico programable (PLC) S7-1200. (Fuente de la imagen: Siemens)
Módulo de energía para contadores
En una aplicación como la de la figura 4, puede utilizarse un módulo de energía SM 1238 para la adquisición de datos (figura 5). Puede utilizarse en sistemas de alimentación monofásicos y trifásicos de hasta 480 VCA. Estos módulos pueden proporcionar a los controladores S7-1200 los datos necesarios para cumplir los requisitos de las normas ISO 50001, 50003, 50004 y 50006. Pueden registrar más de 200 mediciones eléctricas y valores energéticos, entre ellos:
- Corrientes
- de tensiones
- Ángulos de fase
- Frecuencias
- Factores de potencia
- Consumo de energía
- Valores mínimo y máximo
- Horario de funcionamiento
- Energía/trabajo eléctrico
Figura 5: El SM 1238 es un módulo de control de energía para sistemas de alimentación trifásica y monofásica. (Fuente de la imagen: Siemens)
Conclusión
Para simplificar y acelerar el despliegue de redes de fábricas sostenibles de Industria 4.0, los diseñadores de sistemas de automatización pueden utilizar la familia S7-1200 de PLC y módulos de expansión. Estas soluciones admiten un amplio rango de opciones de comunicaciones seguras, tienen funciones de control integradas e IO digitales y analógicas, y son ampliables para admitir una amplia matriz de aplicaciones, incluida la gestión de la energía.
Fuente de información: https://www.digikey.com.mx/es/articles/supporting-mass-customization-high-quality-sustainable-operations-in-industry-4-0-factories
