Cómo construir sistemas resistentes de energía eléctrica, comunicación y seguridad para la automatización de fábricas

Integrar un extenso cableado en una fábrica es difícil y caro; y, en el mejor de los casos, es un trabajo que sólo debería hacerse una vez. Por ello, es importante asegurarse de que los conjuntos de cables, conectores y cajas de distribución utilizados para componer un sistema sean resistentes, fiables y escalables para cumplir las normas, protocolos y reglamentos de hoy y mañana.

Este artículo ofrece un breve resumen de los requisitos de la fábrica moderna. A continuación, presenta un enfoque modular para construir y evolucionar las redes de automatización industrial utilizando ejemplos de componentes del mundo real de Molex. Muestra cómo un enfoque modular puede simplificar el despliegue y cumplir los principales requisitos medioambientales, operativos, de seguridad, de fiabilidad y de costos, al tiempo que se mantiene la suficiente flexibilidad para expandirse y adaptarse a medida que la fábrica crece.

El cableado de la fábrica del mañana

La automatización industrial (AI) ha transformado la fábrica moderna. La comunicación es ahora tan importante como la electricidad utilizada para los accionamientos y servomotores de las grandes máquinas que fabrican productos, y la seguridad es fundamental, ya que los humanos y los robots trabajan en estrecha colaboración. El reto para el ingeniero de automatización consiste en seleccionar e instalar un cableado de alimentación, comunicación y seguridad que aproveche la tecnología actual sin perder de vista el futuro en términos de escalabilidad.

Es un reto difícil porque las fábricas son una gran inversión y están hechas para durar. Durante su vida útil, la tecnología de fabricación evolucionará y los sistemas de cableado que eran satisfactorios solo unos años antes pueden dejar de ser adecuados. Además, a medida que aumenta la capacidad de producción, cada sistema adicional requerirá su propia conectividad, y recablear una fábrica no solo es costoso y lleva mucho tiempo, sino que también significa que la costosa maquinaria se queda parada.

Los ingenieros eligen cada vez más por los sistemas modulares que alojan el cableado de alimentación, comunicaciones y seguridad en la misma funda y permiten el crecimiento futuro en forma de cables de repuesto. Una parte fundamental de este enfoque es el sistema de conectores M23, llamado así porque el diámetro de la rosca del acoplamiento del cable es de 23 milímetros (mm). El sistema es relativamente fácil de montar y probar, y constituye una infraestructura de energía y comunicación resistente y fiable (Figura 1),

Figura 1: Un juego de cables M23 que muestra un receptáculo de 23 mm con un inserto hembra de 8 polos. (Fuente de la imagen: Molex)

Los conectores y el cableado M23 están diseñados para el mantenimiento de los accionamientos eléctricos, servomotores y codificadores habituales en la automatización industrial. El sistema M23 cuenta con una gama de insertos y carcasas para datos, comunicación y combinación de energía y datos, por lo que es igualmente adecuado para aplicaciones de transmisión de señales o de energía. Los juegos de cables M23 pueden transportar tensiones de 250, 630 u 800 voltios a corrientes de 9, 18 o 30 amperios (A).

El cableado M23 no se rige por una norma internacional. Sin embargo, los fabricantes suelen seguir las recomendaciones relativas a la fabricación de los juegos de cables, lo que permite la interoperabilidad. Como tal, la M23 puede considerarse una norma de facto.

Una variante del sistema M23 es el M12, que tiene un diámetro de rosca de acoplamiento de 12 mm. Como el M12 no se utiliza para la alimentación, los juegos de cables son más compactos, lo que permite ahorrar costos y espacio (Figura 2).

Figura 2: El juego de cables M12 se utiliza únicamente para la comunicación y la seguridad; tiene un formato más compacto que el M23. (Fuente de la imagen: Molex)

La clave del éxito del M23/M12 es su flexibilidad. En primer lugar, los diseñadores pueden optar por crear sus propios sistemas personalizados especificando los cables, los acoplamientos, los receptáculos, los insertos, las carcasas de los conectores e incluso el diámetro de los pines de acoplamiento. Los acoplamientos están disponibles en diseños rectos y en ángulo, y los insertos pueden adquirirse con múltiples números de pines y patrones. El resultado es una amplia gama de variaciones personalizables para prácticamente cualquier aplicación.

Como alternativa, el diseñador puede elegir entre una gama de conjuntos de cables/acoplamientos o cables/receptores suministrados por la fábrica. La ventaja de elegir productos preconstruidos es el ahorro de tiempo de montaje y la seguridad de que la integridad del cable y el conector ya ha sido probada en fábrica. El inconveniente es que la gama de soluciones es relativamente limitada en comparación con la construcción desde cero. Sin embargo, la gama de productos preconstruidos sigue siendo amplia y cubre alternativas de conectores y longitudes de cable para la mayoría de las opciones de automatización de la fábrica, incluidas las máquinas rotativas, los robots de soldadura o los equipos de montaje automatizado.

Protección contra la contaminación, las vibraciones y la compatibilidad electromagnética

Con algunas excepciones, como la fabricación de alimentos, productos farmacéuticos y productos electrónicos de alta tecnología, el entorno de las fábricas suele estar lleno de humedad, polvo, grasa y otros contaminantes que son enemigos de los sistemas eléctricos. En otras aplicaciones, es posible que se requiera que el cable y el conector sean resistentes a las soluciones ácidas y alcalinas utilizadas durante la producción y la limpieza, por lo que es vital que resistan la penetración de todos los líquidos, partículas y otras sustancias.

La resistencia específica a los contaminantes requerida cambiará en función de los requisitos de la fábrica. Los fabricantes clasifican sus productos según el sistema de clasificación de la propiedad intelectual. La clasificación IP indica el grado de protección que ofrece el producto y está definida por la norma internacional EN 60529.

El esquema consta de dos dígitos, el primero de los cuales representa el nivel de protección frente a objetos sólidos, desde herramientas o dedos que podrían ser peligrosos si encontraran conductores eléctricos, hasta suciedad y polvo en el aire que podrían dañar los circuitos. El segundo dígito define la protección frente a diferentes goteos, rociados o inmersiones. La gama se extiende desde el IP00 (sin protección contra el polvo o el agua) hasta el IP69 (protección total contra el polvo y los potentes chorros de agua a alta temperatura).

No solo los contaminantes pueden causar problemas en los sistemas eléctricos de fábrica mal diseñados. Los conjuntos de cables también están potencialmente sometidos a tensiones térmicas, vibraciones y flexiones mecánicas (especialmente si se utilizan en una aplicación robótica en la que los cables pueden estar en constante movimiento). Además, las fábricas suelen albergar grandes motores eléctricos que consumen grandes corrientes de arranque, lo que genera subidas de tensión e interferencias electromagnéticas (EMI) que pueden alterar los delicados sistemas de comunicación.

Los conjuntos de cables M23 y M12 están diseñados específicamente para hacer frente a los entornos de las fábricas, y sus acoplamientos atornillados resisten las vibraciones y las cargas mecánicas. Para los entornos difíciles de EMI, los fabricantes de juegos de cables suelen ofrecer opciones con blindaje integrado.

Por ejemplo, Molex ofrece una gama de cables de alimentación especialmente resistentes con sus cables sobremoldeados de alimentación Brad^® 120480 M23. Estos conjuntos de cables están construidos para entornos exigentes con características tales como vainas de plástico sobremoldeadas para proteger la unión entre el cable y el conector y blindaje EMI opcional. Están disponibles en longitudes discretas desde 1 metro (m) hasta 20 m y son de color naranja para una mayor visibilidad (Figura 3).

Figura 3: Los juegos de cables 120480 M23 cuentan con un sobremoldeado para una mayor protección y una gama de insertos; aquí se muestran las variantes de seis y ocho polos. (Fuente de la imagen: Molex)

Los cables están disponibles en versiones de seis u ocho polos (hilo). La tensión y la corriente máximas son de 800 voltios y 18 A, con una resistencia de contacto de 3 ohmios (Ω) y una resistencia de aislamiento de 100 megaohmios (MΩ). Los conjuntos de cables pueden funcionar en un rango de temperaturas de 25 °C a +85 °C, y ofrecen un grado de protección contra el polvo y el agua IP67, una vez acoplados.

La ventaja de un sistema modular como el M23 es que el cableado de la fábrica puede construirse y adaptarse rápidamente a medida que la fábrica crece. El sistema permite al ingeniero acoplar fácilmente las redes de cableado y acoplar los extremos de los cables directamente a las máquinas equipadas con tomas M23. El cableado no solo ofrece la alta tensión y corriente necesarias para la automatización de la fábrica, sino que también es capaz de soportar sistemas de comunicación de fábrica como Ethernet, EtherCAT, Modbus y PROFINET (Figura 4).

Figura 4: El cableado M23 facilita la ampliación de la red cableada de la fábrica a medida que se añaden nuevas células de fabricación. (Fuente de la imagen: Molex)

Garantizar la seguridad de la fábrica

La conectividad desempeña un papel fundamental en la fábrica moderna. El control y la actualización de los equipos es una gran parte del trabajo de la red, pero la seguridad de la automatización de la fábrica también es importante, sobre todo cuando hay personas y robots cerca. El robot suele contar con múltiples sensores que detienen el movimiento si un trabajador invade la zona de trabajo, y la célula de seguridad se completa con puertas y paneles de acceso enclavados. Todos estos sistemas exigen conectividad, y la red cableada puede volverse rápidamente compleja y difícil de manejar si cada sensor es atendido por una rama de la red principal de la fábrica (Figura 5).

Figura 5: Las células de trabajo robotizadas requieren sistemas de seguridad vitales para proteger a los trabajadores humanos en los entornos de automatización de las fábricas. (Fuente de la imagen: Molex)

En su lugar, los ingenieros están simplificando las cosas utilizando cajas de distribución del sistema de interconexión multipuerto (MPIS) conectadas a la red principal de la fábrica. A partir de ahí, los cables de control M12 se conectan a las salidas de las cajas para cablear los sistemas de seguridad de la célula de fabricación. Un ejemplo es la resistente caja de distribución MPIS de seguridad 1202480510 de Molex, con clasificación IP67, que ayuda a gestionar los dispositivos de seguridad instalados alrededor de la maquinaria (Figura 6).

Figura 6: Las cajas de distribución del MPIS de seguridad simplifican el cableado de seguridad y ahorran espacio y costos. (Fuente de la imagen: Molex)

El 1202480510 cuenta con un cable integrado de 5 m de longitud para la conexión a la red principal de la fábrica, cuatro puertos M12 de ocho pines y cuatro puertos M12 de cuatro y cinco pines en una sola carcasa. La caja de distribución permite la instalación de sistemas de cableado de E/S estándar en un espacio limitado, al tiempo que maximiza la flexibilidad del diseño de seguridad. Cada puerto puede manejar hasta 30 voltios CC con una corriente máxima de 4 A (12 A de corriente total para la caja de distribución). La caja de distribución está diseñada para utilizarse con juegos de cables como la serie Micro-Change 1200652383 de 1 m, M12, de ocho polos, y la versión 1200652378 de 1 m, M12, de cuatro polos.

Conclusión

La automatización de fábricas exige redes de cableado de energía, comunicación y seguridad resistentes, fiables y escalables. Los sistemas modulares basados en las normas de facto M23 y M12 simplifican la instalación inicial y cumplen estos requisitos. Los conjuntos de cables y las cajas de distribución que utilizan se construyen teniendo en cuenta los rigores del entorno de la fábrica, haciéndolos resistentes a la suciedad y la humedad, y capaces de soportar temperaturas extremas, vibraciones y tensiones mecánicas.

Por Steven Keeping: Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Fuente: https://www.digikey.es/es/articles/how-to-build-robust-systems-for-factory-automation