La industria en su conjunto se ha movido hacia tecnologías más progresivas en el último año, en gran parte debido a la pandemia global. Pero en los últimos años, los módulos de entrada / salida (E / S) también se han vuelto más modernos y optimizados. Existe un movimiento hacia un módulo de E/S estandarizado que está convirtiendo el módulo E/S tradicional, que tenía una funcionalidad fija y era específica del proveedor, en una parte plug-and-play que se puede configurar rápidamente, además de ser inteligente.
Ya sea que se llame módulo E/S universal, E/S flexible, E/S inteligente, E/S configurable, clasificación electrónica, etc., el concepto de E/S inteligente colocado en módulos estándar permite una mayor flexibilidad para cambios de E/S sin tener que rediseñar todo. El impulso para la estandarización de módulos E/S provino de grandes corporaciones, como ExxonMobil, que pedían ayuda para facilitar la puesta en servicio y permitir cambios en un sistema de control sin afectar la construcción. La idea detrás de los módulos E/S universales es reducir la personalización y la complejidad, lo que ayuda tanto a las grandes empresas de petróleo y gas como a los pequeños fabricantes de maquinaria.
Se dice que el módulo E/S universal ofrece muchos beneficios, especialmente cuando se trata de acceder a datos, simplificar la programación y permitir que los equipos y los sistemas de automatización sean más flexibles y comunicativos con los dispositivos más antiguos. Para los fabricantes de equipos originales que buscan la digitalización y el Internet industrial de las cosas (IIoT), un enfoque estándar de módulo E/S puede ayudar con las limitaciones de espacio y presupuesto, entre otras cosas.
En una publicación de blog de 2017 publicada por Belden, la compañía señaló cuatro beneficios de los módulos E/S universales en la fábrica inteligente del futuro. “Dado que no hay tiempo ni presupuesto para herramientas especiales o ingenieros y electricistas costosos y altamente capacitados, los fabricantes de maquinaria necesitan productos que sean fáciles de usar, instalar y mantener. Esta necesidad está impulsando una tendencia en la automatización industrial llamada plug-and-produce”. Una extensión de plug-and-play, que significa tener la capacidad de conectar algo y que automáticamente funcione, plug-and-produce está aplicando esa expectativa de facilidad de uso en toda una instalación industrial, dice el artículo.
Pero, si bien los módulos E/S universales pueden abrir más puertas a los datos, aún puede haber algunos casos de uso en los que los módulos de E/S tradicionales sean más efectivos.
Cómo se acumula el módulo de entrada y salida universal
Los dispositivos de entrada / salida manejan la comunicación de información entre un sistema de procesamiento o automatización y otros dispositivos dentro de una máquina. Hay dos tipos de I / O, analógico, que es una señal eléctrica que representa elementos como el nivel de temperatura o la tasa de flujo, y digital, que utiliza señales que representan dos estados, como encendido y apagado o inicio y parada. Los módulos I / O comunes del PLC pueden ser analógicas y / o digitales.
Con un sistema de I / O analógico tradicional, existe mucho trabajo inicial que implica especificar el módulo de I / O del campo correcto, los paneles eléctricos, la instalación, la alimentación, la distribución y la red. Debido a que el sistema de módulo I / O generalmente está asociado con un PLC o algún tipo de controlador central, los usuarios y los constructores tienen que resolver toda la programación necesaria para que esos sistemas se comuniquen. Estos sistemas de I / O tradicionales requieren habilidades especializadas y otra infraestructura de hardware, lo que significa que también podrían ser más costosos de configurar.
Los módulos de E / S remotos groov RIO de Opto 22 ofrecen más de 200.000 combinaciones únicas de módulos de E/S configurables por software en un solo paquete industrial compacto, alimentado por Ethernet (PoE) con configuración basada en web, puesta en servicio y software de lógica de flujo de datos integrado. El dispositivo también incluye soporte para múltiples protocolos OT e IT. Los módulos groov RIO se pueden utilizar como un módulo de E / S remoto tradicional, o como una solución de E / S de borde.Foto cortesía Opto 22
Tener un módulo I / O inteligente o "de borde" les permite a los constructores colocar un módulo de I / O en su lugar, lo que ofrece muchas opciones de I / O diferentes, y luego conectarlo a un cable de red para alimentarlo, en lugar de recorrer todos los pasos necesarios con un sistema de I / O tradicional. También simplifica el diseño de la máquina y el proceso de construcción al eliminar virtualmente cualquier retrabajo asociado con I / O, y proporciona opciones de procesamiento de datos y conectividad de red, además de las capacidades de I / O flexibles.
“La ventaja es que toda la complejidad que normalmente entra en la ingeniería de frontend y el diseño de módulo de I / O podría ser mucho más simple de lo que es hasta el punto en que se puede evitar tener un PLC”, dice Josh Eastburn, director de tecnología marketing en Opto 22, un fabricante de software y hardware de automatización industrial. “Si sus sistemas de control, procesos o ingenieros de fabricación aún están desarrollando el equipo, es posible que no sepan cuántas señales de un tipo particular se necesitan. Tienen que hacer un montón de órdenes de cambio en el backend, revisando el diseño de I / O para satisfacer las diferentes necesidades de señal que tienen una vez que se completa el diseño. O pueden instalar módulos I / O flexibles o universales, lo que les permitirá reconfigurarlo en el campo sin cambiar el diseño eléctrico, el panel o el módulo. Simplifica gran parte del proceso de diseño y reduce el presupuesto del proyecto. Más adelante, el módulo I / O universal también se traduce en un mantenimiento más sencillo".
La demanda de datos impulsa la adopción de módulos de entrada y salida flexibles
La demanda de módulos I / O más flexibles ha crecido rápidamente, según Sree Swarna Gutta, gerente de productos de módulos I / O para América del Norte de Beckhoff Automation. Detrás de la demanda hay un impulso para obtener más datos y la necesidad de poder predecir fallas de la máquina y otras líneas de tiempo críticas que apuntan al mantenimiento.
"Beckhoff comenzó a ofrecer productos de I / O en la década de 1980, y este segmento ha estado creciendo constantemente en un 10% cada año", dice Gutta de Beckhoff. “Eso muestra la aceptación dentro de la industria y lo felices que están los usuarios con la E / S flexible. Una de las cosas que exigen de los módulos de entrada y salida flexibles es obtener la capacidad de incorporar más diagnósticos e información que el fabricante de equipo original, y el cliente, podrían usar para mejorar sus diseños y el rendimiento de la máquina ".
Cuando un dispositivo de entrada y salida estándar solo puede recibir datos de proceso y comunicación de señales de un sensor dentro de una máquina, los módulos I / O flexibles o universales pueden proporcionar información sobre otra información acerca del entorno en el que vive el sensor. Esta capacidad contiene una gran cantidad de información sin explotar potencial cuando se trata de mantenimiento predictivo, según Shishir Rege, especialista en ventas técnicas, IIoT en Balluff Inc., un fabricante de equipos industriales.
“Por ejemplo, si algo desalineó el sensor, no hay forma de que el sensor se lo diga al dispositivo de I / O estándar”, dice Rege. “Entonces, ¿cómo comunica el sensor esa información a la máquina para que la máquina pueda afirmarla? El módulo I / O universal libera ese sensor o dispositivo para proporcionar muchos más diagnósticos, no solo sobre sí mismo, sino sobre el ambiente en el que viven. Así que esa es una comunicación mucho más rica ".
La compatibilidad abre oportunidades para los mercados globales y la modernización
A medida que las industrias se vuelven más globalizadas, los fabricantes de maquinaria están creando equipos para diferentes países del mundo, lo que significa que se encuentran con diferentes estándares y protocolos en cada región en la que venden. Según Belden, los módulos I/ O universales pueden funcionar con muchos entornos de PLC y protocolos de bus de campo diferentes, como Profinet o EtherNet / IP, lo que facilita la venta de equipos en los mercados globales y reduce las variantes de productos y la necesidad de reemplazar los módulos de I / O para cumplir con los requisitos específicos del protocolo.
El acoplador de bus EK9500 conecta las redes EtherNet / IP a los terminales EtherCAT (ELxxxx), así como a los módulos EtherCAT Box (EPxxxx) y convierte los telegramas de EtherNet / IP a la representación de la señal del bus electrónico. En EtherCAT, el acoplador EtherNet / IP tiene a su disposición un sistema de E / S de nivel inferior, potente y rápido con una gran selección de terminales. Según Sree Swarna Gutta, gerente de productos de E / S de América del Norte en Beckhoff Automation, los usuarios con sistemas y maquinaria más antiguos pueden implementar una aplicación de IoT que recopile datos para el aprendizaje automático y los envíe a la nube sin tener que escribir una programación detallada mediante el uso de acopladores de Beckhoff.Foto cortesía de Beckhoff
Además de permitir que los fabricantes de máquinas vendan globalmente con menos complejidad, los módulos I/O universales también se promocionan como capaces de trabajar con equipos nuevos y heredados. Los fabricantes de máquinas pueden actualizar la maquinaria existente con módulos personalizables que pueden incluir tantas entradas y salidas necesarias, en lugar de limitarse a las ocho entradas y salidas que tienen los dispositivos de I/ O tradicionales.
Una de esas innovaciones en el área de la flexibilidad de I / O se llama IO-Link, una tecnología de entrada y salida estandarizada para la comunicación con sensores y actuadores industriales. Popular en Europa y que se abre camino en Estados Unidos y Asia, IO-Link es un método de comunicación unificado a nivel de dispositivo punto a punto que es fácil de implementar y tiene diagnósticos integrados. IO-Link es independiente del proveedor. Esta es la razón por la que es posible combinar IO-Link Masters y dispositivos IO-Link de diferentes fabricantes e integrar estos productos fácilmente en la misma red.
"Debido a que IO-Link es el nivel más bajo en la pirámide de automatización, es una comunicación a nivel de dispositivo", dice Rege de Balluff. "Los protocolos, buses de campo o redes que se utilizan en la pirámide de automatización actual, como EtherNet / IP, Profinet, Profibus, DeviceNet o EtherCat, son protocolos de nivel de control".
En una entrevista anterior con la publicación hermana de OEM, Automation World, Rege describió IO-Link como un USB para automatización industrial que es independiente de las redes y protocolos de nivel de control. “Entonces, todo lo que necesita es una puerta de enlace o un módulo puente que conecte los protocolos. Y eso es lo que llamamos puerta de enlace IO-Link o maestro IO-Link, que se comunica en ese nivel de bus de campo, además de recopilar datos de los dispositivos IO-Link ".
Según Rege, las ventajas de IO-Link para los fabricantes de equipos originales es un menor costo de construcción, tiempos de puesta en marcha más rápidos, reducción de nodos de red y más diagnósticos. "IO-Link también permite a los fabricantes de equipos originales integrar dispositivos más complejos para que sus sistemas se destaquen entre la multitud y estén listos para la próxima generación de máquinas".
Y la gerente de producto de Belden, Svenja Litz, agrega: “Debido a que una interfaz Ethernet no encajaría, en cuanto a tamaño y costos, en los dispositivos más pequeños como los sensores fotoeléctricos, que se deben a la tendencia a la miniaturización, IO-Link es el protocolo de comunicación perfecto para simplificar sensores inteligentes. Permite transmitir un conjunto de diferentes parámetros y no solo una información alta / baja como en el pasado. Así es como un sensor simple puede transmitir algo como información de temperatura además de su señal de conmutación estándar mediante la comunicación IO-Link ”.
Y el aspecto de compatibilidad de I / O plug-and-play también es atractivo para las firmas dueñas de marca, y los usuarios finales. Como los fabricantes combinan diferentes máquinas de una variedad de fabricantes de máquinas, hay una variedad de interfaces en cada una de las máquinas con diferentes longitudes de cable, lo que deja al usuario final responsable de mantener un inventario de todos los cables diferentes en diferentes tamaños e interfaces diferentes. Sin embargo, si todos los dispositivos y máquinas están equipados con I / O universales, solo hay un cable estándar que se adapta a todos los dispositivos.
“Ya sea que se trate de un dispositivo digital, un sensor inteligente o RFID, incluso el colector de válvulas se podría llevar a la misma interfaz estándar en todos los ámbitos”, dice Rege. "Eso ayuda a los fabricantes a reducir considerablemente su inventario, cables y diferentes tipos de interfaces que tienen que aprender".
La función de conectar y producir acelera el tiempo de comercialización
Con un dispositivo de I / O universal, no tiene que hacer ninguno de los cables que vienen con I / O analógicas o más tradicionales. El módulo I / O analógico también requiere que los usuarios y los constructores escalen los datos en el PLC, lo que puede ser difícil y llevar mucho tiempo porque los datos pueden diferir y cambiar de un sensor a otro. Dado que el módulo I / O universal es un dispositivo de comunicación digital, los usuarios y los constructores pueden omitir estos pasos, al mismo tiempo que pueden almacenar parámetros para sensores y otros dispositivos que se comunican con el dispositivo de I / O.
Las funciones de conectar y producir de I / O universales no solo pueden resultar útiles a la hora de modernizar equipos heredados o realizar una ramificación en mercados globales, sino que esta función también alivia la presión que sienten los fabricantes de equipos originales cuando se trata de tener que proporcionar un mayor rendimiento de la máquina y tiempos de entrega más cortos.
“Cuando hablamos con los fabricantes de máquinas, tienen una mentalidad de 'valor agregado' para cada componente, desde el software y los controladores hasta los variadores y los módulos de I / O”, dice Gutta de Beckhoff. “Quieren proporcionar la próxima generación de tecnología a sus clientes y necesitan cablear las máquinas y enviarlas más rápido. Por lo tanto, si hay una forma en la que puedan usar el módulo I / O en un enchufe y producir de manera, eso es más atractivo para los fabricantes de máquinas porque pueden lograr el retorno de la inversión para el nuevo diseño de la máquina mucho más rápido”.
Posibles inconvenientes de los módulos entrada y salida universales
Y aunque "conectar y producir" puede ser el futuro, el módulo de I/O universal también viene con su propio conjunto de ventajas y desventajas.
Debido a que el módulo I / O universal es una forma de comunicación de datos, en comparación con el módulo I / O más tradicional que sería la comunicación de señales, los usuarios y los constructores pueden tener problemas de velocidad cuando se trata de la computación de datos.
“La comunicación de señales siempre será más rápida que la de datos”, dice Rege. "Si el sensor se comunica en señal, llegará al controlador más rápido que si el sensor está comunicando datos, entonces es más lento porque está consumiendo más ancho de banda en esa comunicación de red".
Según Rege, el 95% de las aplicaciones de automatización industrial encajan bien con la plataforma de módulo I / O universal porque pueden tolerar latencias de 10 a 15 milisegundos. Sin embargo, si los requisitos de latencia son inferiores a cinco milisegundos, Rege dice que no recomendarían módulos I / O universales.
Eastburn de Opto 22 tampoco recomienda el enfoque de módulo I / O universal para todas las aplicaciones.
"Normalmente, donde vemos la adopción es en este tipo de situaciones de IoT en las que necesitamos escalar un sistema rápidamente", dice Eastburn. “Si puede gastar un poco más en módulo I / O para ahorrar en el trabajo de diseño e instalación de la interfaz y luego simplemente repetirlo una y otra vez para otras máquinas, puede traducirse en un ahorro de proyecto y facilitar la ampliación de su sistema arriba. Pero si desea ahorrar y obtener un módulo I / O más barato, es fácil superar el módulo I / O universal en términos de precio por punto / canal. Por lo tanto, realmente depende de cuál sea la aplicación y si tiene sentido desde la perspectiva del costo total del proyecto o el TCO a largo plazo".
Los módulos I / O tradicionales pueden tener una gama más amplia de opciones de señal y potencia, lo que beneficiaría enormemente a las aplicaciones que necesitan aislamiento de canal a canal o recuento de alta frecuencia, por ejemplo. "Definitivamente todavía se necesitan módulos I / O tradicionales", dice Eastburn.
El papel del módulo de entrada y salida universal en IoT
La esencia de IoT son los datos, dice Rege. Y los módulos de I/ O universales no solo brindan más oportunidades para que los constructores y usuarios aprovechen el poder de los datos, sino que también brindan más flexibilidad al diseño y compatibilidad de la máquina.
“Tener esta comunicación de datos a nivel de sensor permite desarrollar muchas más aplicaciones listas para IoT”, dice Rege. "Hay tantas aplicaciones diferentes que son posibles con los módulos de I / O universales".
Una de esas aplicaciones, dice Rege, es el monitoreo de la condición del proceso, que ayudaría a los usuarios y constructores a habilitar la inteligencia artificial basada en patrones, lo que permite un mantenimiento más predictivo.
“Toda esta información y datos solía ser muy costosa de recopilar”, dice Rege. “Ahora, está fácilmente disponible con protocolos industriales como IO-Link. Ese módulo I / O universal permite integrar diferentes tipos de interfaces como RFID, lectura de códigos de barras o visión, que puede recopilar y utilizar para crear nuevos tipos de aplicaciones, especialmente en empaques donde ejecutan una gran cantidad de producción de lotes pequeños ".
A medida que aumentan las preocupaciones por la ciberseguridad, los módulos I / O universales pueden ser la clave para proteger los equipos heredados y los sistemas de control más antiguos, dice Eastburn.
“Una razón por la que podría necesitar conectar su módulo de I / O universal en paralelo con un sistema de control existente es porque ese sistema no ofrece ninguna protección de ciberseguridad”, dice Eastburn. “En ese caso, sería una mala idea tomar un PLC y conectarlo directamente a su negocio. Pero si su módulo I / O universal tiene seguridad incorporada, puede conectar esas señales de I / O y enviar datos cifrados ".
Y todo vuelve al aspecto de conectar y producir del módulo de entrada y salida universal.
“La verdadera clave es la escalabilidad a largo plazo”, dice Eastburn. “Al reducir el costo y facilitar la conexión y el mantenimiento del sistema a lo largo del tiempo, no tiene que hacer un pequeño proyecto cada vez que trae un nuevo dispositivo o nuevos puntos de entrada y salida. Esto significa que podemos escalar sistemas mucho más grandes de lo que lo hemos hecho habitualmente mientras los tenemos más integrados con el resto de la organización ".
