Fusión de sensores: la navaja suiza de la digitalización
Con los protocolos de comunicación y la arquitectura de red adecuados, la tecnología de sensores inteligentes y los datos que proporciona pueden ser el baluarte sobre el que se construye la transformación digital.
feb 24, 2021
Por David Miller
Si los sistemas de control industrial son el cerebro de una planta, los sensores son sus ojos y oídos. En pocas palabras, sin sensores no habría nada a lo que SCADA, DCS o PLC responda. Es por eso que los sensores cada vez más hábiles o "inteligentes" que incluyen más potencia de procesamiento a bordo, la capacidad de monitorear nuevas variables y las posibilidades de comunicación digital están desempeñando un papel tan importante para ayudarles a los operadores de planta y a los planificadores de nivel empresarial a ver mejor y responder a los problemas con más detalle.
En el pasado, los sensores se relegaban en gran medida al estado de simples interruptores de encendido y apagado. Cuando las entradas, como la temperatura, el flujo o la proximidad, superan un cierto umbral, un sensor analógico envía una señal de corriente o voltaje para poner en acción un circuito de control simple. Por ejemplo, los ventiladores podrían acelerar o desacelerar, las válvulas de control podrían cambiar de posición o los parachoques de un transportador podrían activarse.
Sin embargo, los sensores inteligentes de hoy en día son diferentes en varios aspectos, dice Manikandan Nambiar, vicepresidente de administración de productos de Plantweb y soluciones de confiabilidad en Emerson Automation Solutions. Lo más importante es que muchos contienen sistemas microelectromecánicos (MEMS) junto con microcontroladores integrados, que les permiten recopilar y procesar más información en tiempo real.
El uso de esta tecnología en sensores modernos refleja dos tendencias principales en juego: la primera es la “fusión de sensores” o la capacidad de un solo sensor para monitorear múltiples tipos de entrada, lo que no solo genera información más detallada, sino también eficiencias de costos. En esencia, se pueden obtener más datos sin necesidad de invertir en varios dispositivos. En segundo lugar, la capacidad de rastrear cómo cambian las entradas con el tiempo puede permitir que el personal de mantenimiento y otros pasen de participar en un enfoque meramente reactivo, es decir, responder a un problema cuando se dispara un interruptor de encendido y apagado, a comprender realmente la causa raíz de una falla y moverse para evitar que vuelva a suceder.
“Existen muchas formas diferentes de definir un sensor inteligente, según el tipo del que esté hablando; pero en mi opinión, donde realmente entra la inteligencia es con estos MEMS junto con los microcontroladores”, dice Christopher Koch, ingeniero senior de aplicaciones para dispositivos y soluciones conectados en Bosch Rexroth. “Cuando agrega estos componentes, puede tener sensores que tengan acelerómetros, giroscopios y magnetómetros combinados en uno; o sensores ambientales que tienen temperatura, presión y humedad todos juntos. Entonces tiene la capacidad de comunicar esos datos a sitios de análisis ascendentes. Eso es realmente un dispositivo de detección inteligente ".
Protocolos de comunicación y arquitectura de red
La evolución de la tecnología de detección inteligente a su estado actual ha tardado en llegar. El poder de computación de borde presente en los sensores modernos es en gran parte el resultado de la Ley de Moore (la observación de que el número de transistores en un circuito integrado se duplica cada dos años), produciendo un crecimiento exponencial en el poder de procesamiento y alimentando la interminable gama de dispositivos cada vez más pequeños de los que continuamos haciendo uso.
El registrador de datos de transporte TDL110 Bosch Rexroth detecta y registra los eventos relevantes de temperatura, humedad, inclinación y golpes.Sin embargo, los sensores inteligentes no se desarrollaron en el vacío y su valor tampoco se puede aprovechar completamente en uno. Según el gerente de marketing de Balluff, Shishir Rege, numerosos protocolos de comunicación y las complejidades de la arquitectura de red a menudo han obstaculizado su implementación. Así como los órganos de los sentidos son de poca utilidad sin las vías neuronales que llevan la información que recopilan al cerebro, los sensores inteligentes sin medios de comunicación efectivos son poco más que trozos caros de circuitos. Resolver estos problemas durante la última década ha acelerado enormemente la adopción de nuevos sensores y seguirá haciéndolo.
Si bien los protocolos de red digital, como HART, han sido de alguna utilidad en este sentido, Rege señala que el verdadero avance ha sido la tecnología de comunicación de dispositivo a dispositivo, como IO-Link. Desarrollado por primera vez por un consorcio de partes interesadas de la industria y proveedores de automatización en 2006, IO-Link es un estándar de red punto a punto independiente del bus de campo que permite que los sensores y actuadores envíen y reciban datos de controladores de nivel superior con cableado estándar.
Por ejemplo, numerosos sensores inteligentes equipados con chips IO-Link pueden comunicarse con un solo maestro IO-Link a través de conectores estándar de tres o cinco pines e IO-Link puede pasar esos datos a un sistema de control sobre cualquier otro protocolo Fieldbus. Los usuarios pueden entonces "enjuagar y repetir" en cualquier dirección.
La ventaja más obvia que confiere esta disposición es que, al poder emplear cableado estándar de bajo costo, se garantizan tanto la compatibilidad como la eficiencia económica. Sin embargo, también se pueden obtener otros beneficios. Por ejemplo, Rege observa que, al eliminar la necesidad de asignar direcciones IP individuales a cada sensor en una red, una gran cantidad de tareas de programación y configuración se pueden reemplazar con un modelo simple plug-and-play.
“Con IO-Link, puede utilizar un cable estándar que solía conectarse a un sensor analógico; por lo que básicamente puede desenroscar el viejo al por mayor y colocar el nuevo”, dice Jack Moermond, gerente de socios de ingeniería de Balluff. “Ahora tenemos la capacidad de hacer con un sensor lo que solía necesitar múltiples tecnologías para lograrlo porque IO-Link hace que la configuración sea mucho más fácil. Hace años, tenía que usar un módulo de red analógico si quería hacer un sensor de medición de distancia simple. Ahora, puede colocar IO-Link junto al dispositivo, ubicar un cable de cuatro conectores estándar tan lejos como desee y obtendrá un valor digital adicional de inmediato ".
Aplicaciones infinitas
Una vez que se dispone de la infraestructura de red y comunicación adecuadas, el verdadero poder de la vertiginosa variedad de sensores inteligentes disponibles en el mercado se puede aplicar plenamente a la producción. Las aplicaciones potenciales son casi infinitas y abarcan el mantenimiento predictivo, la optimización de la cadena de suministro e incluso la planificación a nivel empresarial. En muchos casos, las implementaciones exitosas dependen tanto del ingenio de los operadores como de las capacidades del hardware en sí.
Según el director de marketing de Balluff, Shishir Rege, IO-Link ha sido una importante tecnología habilitadora para la proliferación de sensores inteligentes.Según Koch, el mantenimiento predictivo en particular pasa a primer plano. Considere una operación minera en la que se utilizan grandes bombas para mover lodos de roca dura a través de tuberías. Se colocan revestimientos de goma a lo largo del interior de las bombas para evitar que se pinchen o se erosionen, y el mantenimiento está programado para garantizar la integridad de las carcasas cada tres a seis meses. Estas inspecciones requieren que se apague toda la línea, a menudo durante un día completo, incluso si no se requiere un cambio. Al emplear un sensor acelerómetro inteligente en su lugar, la velocidad de cambio a la que el lodo se mueve a través de la bomba se puede utilizar para deducir cuándo es realmente necesario el mantenimiento, lo que ahorra tiempo y mano de obra valiosos.
Además, es importante tener en cuenta que el valor que se va a aprovechar de estos sensores no necesita limitarse a los confines de una sola operación. A menudo, al agregar datos a nivel de planta en numerosos sitios, junto con variables externas como las condiciones climáticas o las coordenadas GPS, se pueden lograr eficiencias aún más avanzadas, dice Mike Hamoy, gerente de producto de Omron Automation.
Como ejemplo, imagine una empresa que tiene dos plantas que realizan las mismas tareas en diferentes partes del mundo donde las estaciones son diferentes. Si la primera planta optimizara sus operaciones de invierno para ajustarse a la demanda cambiante o los efectos ambientales en el rendimiento del equipo mientras todavía es verano para la segunda planta, los datos recopilados de la iniciativa podrían usarse más tarde para modelar una transición repetida similar y mantener una fabricación de producto más consistente en todas las ubicaciones.
Auto aprendizaje
Estas tendencias de agregación de datos hablan de un mundo en el que los datos de la planta se envían cada vez más hacia arriba al nivel empresarial para ser extraídos en busca de nuevos conocimientos agregados, una perspectiva que sería imposible sin datos a nivel de sensor. Con gran parte de la industria entrando en un panorama de márgenes ajustados, la reducción de costos y la disminución de nuevas eficiencias en la producción pueden ser la nueva normalidad. Como resultado, es casi seguro que los sensores inteligentes capaces de proporcionar datos más ricos continuarán desempeñando un papel en la transición a la Industria 4.0.
Los sensores E3NX y E3NC de Omron con módulos de comunicaciones E3NW agilizan los cambios por lotes y admiten una recopilación de datos más completa.En el futuro, la inteligencia artificial (IA) y el aprendizaje automático podrían ser la próxima gran frontera. Los datos son la clave para habilitar los algoritmos que impulsan estos avances, y nunca es suficiente. Por lo tanto, a medida que los sensores se vuelvan más omnipresentes, multimodales y precisos, los depósitos de datos necesarios para alimentar las florecientes aplicaciones de inteligencia artificial solo crecerán.
“En este momento, implementamos sensores y luego los analistas de datos tienen que revisar todos los datos recopilados, determinar lo que significan y luego programar el sistema para que se sepa qué hacer”, dice Koch. “A medida que avancemos hacia [un mayor uso de] la inteligencia artificial, comenzaremos a ver algoritmos de autoaprendizaje que nos ayudarán a alejarnos de esa etapa de aprendizaje prolongado. Comprará un sensor, lo conectará y aprenderá cuáles son los procesos, entenderá qué es bueno y qué es malo, todo por sí solo ".
En cuanto a los obstáculos que persisten, las cantidades crecientes de datos disponibles pueden convertirse en un arma de doble filo. Si bien este excedente de información puede permitir una coordinación y eficiencia sin precedentes, manejarlo puede resultar abrumador para muchos. Con cientos de sensores que proporcionan nuevas lecturas cada milisegundo, se pueden crear terabytes de datos en solo unos días. Ordenar, analizar y encontrar formas de utilizar estos datos será una tarea difícil.
Aún así, la aparición y la implementación acelerada de la tecnología de sensores inteligentes es solo un paso más prometedor en el camino hacia la plena realización de la Industria 4.0.
El registrador de datos de transporte TDL110 Bosch Rexroth detecta y registra los eventos relevantes de temperatura, humedad, inclinación y golpes.
