Los PLC ganan prestigio como los cerebros detrás de las máquinas

Los controladores de próxima generación ofrecen automatización multifuncional con más inteligencia y conectividad, abriendo la puerta a nuevas oportunidades para los fabricantes de máquinas.

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Las máquinas de envasado modernas deben adaptarse a nuevas configuraciones, nuevos materiales y tirajes más cortos para acomodar un panorama de productos en constante cambio dictado por las demandas de los consumidores. Para lograr esto, las máquinas están siendo moduladas y al mismo tiempo integradas en una línea.

Y, con el Internet de las cosas (IoT) llegando a las máquinas y al piso de la planta, hay muchas más cosas para administrar y controlar. Si bien esto puede significar rediseñar la máquina, todo esto presenta una oportunidad para las empresas fabricantes de equipo original (OEM, por su sigla en inglés).

"Los fabricantes de máquinas de la próxima generación quieren diferenciarse", dice Vibhoosh Gupta, gerente senior de productos de cartera para el negocio de soluciones de automatización de máquinas de Emerson. Y la tecnología disponible ahora puede proporcionar esa diferenciación crítica, siempre y cuando los fabricantes de envases empiecen a pensar de manera diferente. Específicamente, rasga una página del libro de jugadas de Tesla, dice. “Tesla nos está enseñando que la relación entre fabricante de equipo original y cliente no es una transacción única. Si una máquina es inteligente, puede convertirla en una transacción multitáctil proporcionando [nuevas] capacidades y servicios al cliente”.

La gran pregunta es: ¿cómo han evolucionado los controles de la máquina, los controladores lógicos programables (PLC), para acomodar la necesidad de mayor flexibilidad, conectividad y funcionalidad? De hecho, la tecnología de control de máquinas ha progresado enormemente a lo largo de los años a medida que los proveedores agregan aprendizaje automático, inteligencia artificial (IA), análisis, conectividad en la nube, programabilidad más simple e incluso sistemas operativos virtuales.

Los PLC y los controladores de automatización programables (PAC), que son similares en funcionalidad pero utilizan diferentes interfaces de programación, se han considerado durante mucho tiempo como una computadora especializada diseñada para recopilar datos de las entradas para luego ejecutar una acción. Han sido aclamados por el control de máquina determinista de alta velocidad. Pero ahora estos controladores están integrando más capacidades, lo que los posiciona como mecanismos multifuncionales que son los verdaderos cerebros de la operación.

Por supuesto, cuando se trata de cerebros, todo se trata de poder de procesamiento, y tal vez un poco más.

Gracias a la Ley de Moore, que simplemente establece que las velocidades de los procesadores para las computadoras se duplicarán cada dos años, los proveedores industriales están utilizando CPU de múltiples núcleos más rápidos en sus controladores de automatización. Un procesador multinúcleo es un circuito integrado único que contiene dos o más unidades de procesamiento, cada una de las cuales puede leer y ejecutar instrucciones del programa, lo que ofrece computación paralela y un mejor rendimiento general. Además, el acoplamiento de la tecnología multinúcleo con la tecnología de virtualización significa que la plataforma puede ejecutar múltiples sistemas operativos (SO) en el mismo procesador, incluido el sistema operativo en tiempo real (RTOS) requerido para el control determinista.

Emerson lanzó recientemente un controlador de borde, que es básicamente un PLC con capacidad de IoT incorporada que usa virtualización en tiempo real para agregar análisis y conectividad en la nube en el nivel de control. Dentro de la CPU de cuatro núcleos, dos núcleos están dedicados al control determinista tradicional de alta velocidad, y dos núcleos están dedicados a otro sistema operativo, como Linux, para ejecutar diferentes aplicaciones de manera segura y cooperativa, asegurándose de que el control determinista no se vea afectado por todo lo que sucede en el lado de Linux.

Los controladores de borde como este alimentarán los cerebros de la máquina con información de IoT que se suma a la inteligencia general y la escalabilidad. Y, refiriéndonos al comentario original de Gupta, permitirá esa experiencia multitáctil similar a Tesla entre el OEM y el usuario final.

Agregar un controlador de borde, incluidos muchos sensores e instrumentos inteligentes, también marcará el comienzo de una nueva forma de hacer máquinas. "En el futuro, en lugar de reemplazar máquinas, puede actualizarlo con el tiempo con IoT", dice Rich Carpenter, gerente general de administración de productos para el negocio de soluciones de automatización de máquinas de Emerson.

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Reflexionando sobre los PLC de próxima generación

En su mayor parte, los fabricantes de máquinas se han instalado en sus PLC probados y verdaderos, rara vez intentan cambiar a un nuevo sistema de control o actualizar la tecnología porque, si no está roto, no lo arreglen, ¿correcto? Eso puede haber funcionado en el pasado, pero ahora es el momento para que los OEM adopten una tecnología de control más avanzada que no solo proporcionará una ventaja competitiva, sino que también los posicionará para una transformación de digitalización.

"Para lograr el siguiente nivel de rendimiento de la máquina, la plataforma de control tendrá que ser mucho más capaz que el PLC heredado", dice John Kowal, director de marketing de B&R Industrial Automation. Los fabricantes no comprarán las mismas máquinas de empaque que hicieron hace varios años, simplemente porque el comercio electrónico y la personalización masiva han cambiado la forma en que se diseñan y fabrican los productos. Y eso significa que la forma en que la máquina está diseñada y fabricada también debe cambiar. “Va a requerir un cambio de mentalidad. Tendrá que hacer que sus máquinas sean más adaptables, y comienza con la capacidad de la plataforma de control ".

Kowal apunta a la capacidad de diseñar múltiples aplicaciones de máquina dentro de un único entorno de control unificado.

En noviembre, B&R anunció la integración de los robots ABB en su cartera de automatización. Combinar la robótica con el control de la máquina en una arquitectura unificada ayudará a ejecutar lotes más pequeños para una personalización masiva. Además, B&R integra un sistema de visión en el controlador de la máquina para que funcione en la misma red en tiempo real que la máquina para responder más rápido. Al fusionar la robótica y la visión con el control de la máquina, hay una sincronización más precisa. "Ese mismo PLC tiene el poder de controlar todos los aspectos de la máquina, procesar nuestros datos de visión integrados, controlar nuestros sistemas de seguimiento, integrar la seguridad en red, incluida la robótica colaborativa, ejecutar gemelos digitales, lo que sea", dice Kowal.

Los controladores actuales son máquinas multitarea, al igual que los sistemas que automatizan.

Tome los controladores Mitsubishi Electric. La serie MELSEC iQ-R está diseñada específicamente para aplicaciones avanzadas de productividad, ingeniería, mantenimiento, calidad, conectividad, seguridad y compatibilidad. El iQ-F, por otro lado, está diseñado para fabricantes de máquinas. Es un PLC compacto que todavía tiene algunas de las características de la versión más avanzada. Es una fuente de alimentación todo en uno, CPU y E / S con características integradas para contadores de alta velocidad, salidas de posicionamiento, Ethernet y ranura para tarjeta SD, se puede conectar un módulo de extensión de seguridad, así como varias comunicaciones módulos que incluyen uno de estación de dispositivo inteligente CC-Link IE Field Network.

"Está diseñado para ser una unidad todo en uno con todo lo que necesitaría de un controlador", dice Lee Cheung, ingeniero de marketing de productos de Mitsubishi Electric Automation Inc. Además, la última generación del controlador permite máquina a máquina comunicación entre CPU iQ-F sin ninguna programación.

"Si desea conectar PLC o dispositivos, [típicamente] el programador tendría que escribir un programa solo para hacer la comunicación y manejar las transferencias de datos y el apretón de manos para asegurarse de que los datos pasan de un lado a otro", dice Cheung. "Pero con esta funcionalidad integrada en la CPU, todo lo que el programador tiene que hacer es usar un menú desplegable basado en un asistente para seleccionar qué datos se van a transferir".

Mitsubishi Electric también ha facilitado que el usuario vea el estado de la máquina a través de un servidor web incorporado en el PLC. "Y hemos hecho posible crear páginas web personalizadas", dice Cheung.

"Esto para que los fabricantes de equipo original puedan crear su propia página web que muestre toda la información relacionada con la máquina".

El controlador de próxima generación tendrá una usabilidad aún más fácil, conectividad y comunicaciones más flexibles, y algunas de las funciones avanzadas que están asociadas con los PLC de mayor rendimiento de Mitsubishi Electric, incluido un control de movimiento aún más coordinado. “Las máquinas de empaque se basan en alta velocidad, alta precisión, y todos los ejes tienen que ser coordinados. Y esta es una de las características clave de iQ-F y una de las razones por las que muchos de nuestros clientes de envases usan este producto”, dice Cheung.

Beckhoff Automation también tiene una oferta integrada como parte de su software de automatización TwinCAT 3 para control basado en PC. El recientemente anunciado TwinCAT Vision agrega procesamiento de imágenes a una plataforma de control universal que incorpora PLC, control de movimiento, robótica, medición de alta gama, IoT e HMI.

"Cuando tiene un sistema de visión externo, toma una imagen, se comunica a través del bus de campo al controlador y, después del procesamiento, el controlador puede emitir los comandos resultantes a un robot, por ejemplo", explica Mark Ruberg, gerente de mercado de la industria del empaque para Beckhoff USA. “Entonces, hay latencia en la comunicación desde la cámara al procesador. TwinCAT Vision de Beckhoff ha eliminado toda la latencia de comunicación al integrar los algoritmos de visión en nuestro kernal en tiempo real. Por lo tanto, los lazos de control alrededor de la visión pueden estar en microsegundos en lugar de milisegundos, un orden de magnitud más rápido”.

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La red y la necesidad de velocidad

La velocidad en la red de bus de campo también es importante porque toda esta potencia de procesamiento no importa si los datos se atascan en el tráfico. EtherCAT de Beckhoff, que se desarrolló en 2003 y tiene un grupo de tecnología independiente con más de 5.600 miembros, es 100% determinista y rápido. En 2018, se anunció EtherCAT G, que ofrece velocidades de transmisión Ethernet de 1 Gbit / segundo. EtherCAT G10, actualmente en desarrollo, ofrece velocidades de datos de 10 Gbit / segundo.

"EtherCAT sigue siendo el bus de campo industrial más rápido disponible, pero las necesidades de transmisión de datos aumentan constantemente para la visión, el análisis, el aprendizaje automático y la comunicación a la nube, lo que genera mayores requisitos de ancho de banda", dice Ruberg. "EtherCAT G y G10 están ahí para satisfacer esta necesidad en desarrollo, antes de que se convierta en un cuello de botella".

Carrie Lee, gerente de producto, controladores de Omron Automation Americas se hizo eco de Ruberg diciendo: “EtherCAT tiene un excelente rendimiento de red. Es súper rápido, y avanzar hacia el futuro simplifica lo que estamos tratando de hacer”.

Lo que Omron está tratando de hacer es crear un entorno de intercambio de datos que un ingeniero de controles pueda comprender fácilmente sin tener que convertirse en un experto en TI. A través de su Sysmac Studio y el Entorno de desarrollo integrado (IDE), Omron proporciona un único entorno operativo para configurar, programar, depurar y mantener una solución de máquina completa. Es un paquete de software para configuración, lógica, movimiento, visión, seguridad, unidades, redes y I/O.

El año pasado, la compañía anunció el controlador Sysmac Artificial Intelligence (AI) que integra el aprendizaje automático en un controlador industrial de nivel de borde. Se ejecuta en paralelo con el controlador estándar, compartiendo un plano posterior para aprovechar el aprendizaje automático y la inteligencia artificial para monitorear lo que está sucediendo en la máquina y detectar algo fuera de lo común para reaccionar programáticamente. "Significa que cuando detecta que algo sucedió, en lugar de cerrar la línea o desperdiciar el producto, la máquina detectará la anomalía y pasará a un modo de ejecución alternativo para proteger el producto y los procesos", dice Lee de Omron.

B&R tiene su propia respuesta a la velocidad de la red. Primero, comienza con segmentos de E / S con su propia potencia de procesamiento. "Es como si el PLC se distribuyera en el segmento de E / S con un tiempo de respuesta rápido [porque] no está yendo a la CPU para tomar una decisión, lo está haciendo allí", dice Kowal.

B&R, como muchos otros proveedores de automatización, también está agregando Arquitectura Abierta OPC (UA, por su sigla en inglés) sobre Redes Sensibles al Tiempo (TSN, por su sigla en inglés) a su cartera de automatización. OPC UA es una arquitectura orientada a servicios independiente de la plataforma que proporciona la seguridad y la semántica para la comunicación de máquina a máquina de múltiples proveedores. TSN es una tecnología estándar definida IEEE 802.1 que proporciona mensajes deterministas en Ethernet estándar. Y OPC UA sobre TSN permite el tráfico de control de movimiento de alto rendimiento y el tráfico de TI intensivo en ancho de banda en un solo cable sin interferencia entre ellos.

Para Rockwell Automation, OPC UA sobre TSN no está agregando velocidad y determinismo a su propia arquitectura de referencia Ethernet / IP, que los funcionarios de la compañía dicen que está diseñada para garantizar que la red no esté sobrecargada. Pero podría resolver un par de problemas inherentes a la comunidad de automatización.

"Uno es la comunicación de controlador a controlador cuando lo suministran diferentes proveedores", dice Paul Brooks, gerente de desarrollo de negocios de tecnología de Rockwell Automation. "Como industria, nunca hemos acordado un mecanismo único para que los controladores se comuniquen entre sí. Lo segundo es que, como comunidad, ninguno de nosotros tiene una buena solución para comunicarse desde un dispositivo a aplicaciones de software. La comunicación del controlador a las aplicaciones de software es un problema bien resuelto, no tenemos ningún problema para obtener información del controlador Logix en una aplicación de software y en la nube. Pero si tiene una unidad Kinetix, es un problema más difícil. La comunidad OPC está trabajando para resolver la comunicación desde un dispositivo de automatización a aplicaciones de software ... haciendo que sea más fácil obtener información de esos dispositivos ".

Y la mayor oportunidad es la capacidad de mover sin problemas la información de la máquina a la nube, lo que puede aumentar un flujo recurrente de ingresos para un fabricante de equipo original. "Eso significa que pueden asumir un mayor grado de responsabilidad por el soporte de mantenimiento continuo", dice Brooks.

Hay otras formas de recopilar esa información ahora, por supuesto. Los controladores iQ-F de Mitsubishi Electric, por ejemplo, se integran con la puerta de enlace IoT de la compañía, de modo que el PLC puede tener conectividad a Internet y enviar datos a un portal en línea que permite al OEM administrar todas las máquinas en el campo a través de un punto centralizado. “Los fabricantes de equipo original pueden ver toda la información de uso diferente sobre cada máquina, así como las estadísticas de OEE en cada ubicación para que puedan dar recomendaciones cuando ven que una máquina está subutilizada o sobreutilizada. También les permite realizar tareas de mantenimiento remoto a través de una funcionalidad de túnel”, dice Cheung.

Screen Shot 2020 06 07 At 5 10 50 Pm 5edd67489d6ffEste no es el PLC de su padre

Y así volvemos al tema del servicio multitáctil basado en una mayor capacidad integrada en el PLC. Es lo que Emerson llama un controlador de borde "verdadero", y realmente cambia la definición de lo que un PLC puede hacer en estos días.

De hecho, con tanta potencia, inteligencia y velocidad incorporadas en los controladores de automatización, Kowal de B&R considera que el nombre de "controlador lógico programable" es un poco obsoleto en estos días. "Creo que el término PLC hoy es algo así como mis padres llaman al refrigerador la caja de hacer hielo", dice.

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