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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.

Sensor Fusion: la navaja suiza de la digitalización

Por David Miller

Si los sistemas de control industrial son el cerebro de una planta, los sensores son sus ojos y o√≠dos. En pocas palabras, sin sensores no habr√≠a nada a lo que SCADA, DCS o PLC responda. Es por eso que los sensores cada vez m√°s h√°biles o "inteligentes" que incluyen m√°s potencia de procesamiento a bordo, la capacidad de monitorear nuevas variables y las posibilidades de comunicaci√≥n digital est√°n desempe√Īando 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 m√°s 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 anal√≥gico env√≠a una se√Īal de corriente o voltaje para poner en acci√≥n un circuito de control simple. Por ejemplo, los ventiladores podr√≠an acelerar o desacelerar, las v√°lvulas de control podr√≠an cambiar de posici√≥n o los parachoques de un transportador podr√≠an 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 tecnolog√≠a en sensores modernos refleja dos tendencias principales en juego: la primera es la ‚Äúfusi√≥n de sensores‚ÄĚ o la capacidad de un solo sensor para monitorear m√ļltiples tipos de entrada, lo que no solo genera informaci√≥n m√°s detallada, sino tambi√©n eficiencias de costos. En esencia, se pueden obtener m√°s datos sin necesidad de invertir en varios dispositivos. En segundo lugar, la capacidad de rastrear c√≥mo 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 ra√≠z de una falla y moverse para evitar que vuelva a suceder.

‚ÄúExisten muchas formas diferentes de definir un sensor inteligente, seg√ļn el tipo del que est√© hablando; pero en mi opini√≥n, donde realmente entra la inteligencia es con estos MEMS junto con los microcontroladores‚ÄĚ, dice Christopher Koch, ingeniero senior de aplicaciones para dispositivos y soluciones conectados en Bosch Rexroth. ‚ÄúCuando agrega estos componentes, puede tener sensores que tengan aceler√≥metros, giroscopios y magnet√≥metros combinados en uno; o sensores ambientales que tienen temperatura, presi√≥n y humedad todos juntos. Entonces tiene la capacidad de comunicar esos datos a sitios de an√°lisis ascendentes. Eso es realmente un dispositivo de detecci√≥n inteligente ".

Protocolos de comunicación y arquitectura de red

La evoluci√≥n de la tecnolog√≠a de detecci√≥n inteligente a su estado actual ha tardado en llegar. El poder de computaci√≥n de borde presente en los sensores modernos es en gran parte el resultado de la Ley de Moore (la observaci√≥n de que el n√ļmero de transistores en un circuito integrado se duplica cada dos a√Īos), produciendo un crecimiento exponencial en el poder de procesamiento y alimentando la interminable gama de dispositivos cada vez m√°s peque√Īos de los que continuamos haciendo uso.

Sensor Fusion: la navaja suiza de la digitalizaci√≥nEl registrador de datos de transporte TDL110 Bosch Rexroth detecta y registra los eventos relevantes de temperatura, humedad, inclinaci√≥n y golpes.Sin embargo, los sensores inteligentes no se desarrollaron en el vac√≠o y su valor tampoco se puede aprovechar completamente en uno. Seg√ļn el gerente de marketing de Balluff, Shishir Rege, numerosos protocolos de comunicaci√≥n y las complejidades de la arquitectura de red a menudo han obstaculizado su implementaci√≥n. As√≠ como los √≥rganos de los sentidos son de poca utilidad sin las v√≠as neuronales que llevan la informaci√≥n que recopilan al cerebro, los sensores inteligentes sin medios de comunicaci√≥n efectivos son poco m√°s que trozos caros de circuitos. Resolver estos problemas durante la √ļltima d√©cada ha acelerado enormemente la adopci√≥n de nuevos sensores y seguir√° haci√©ndolo.

Si bien los protocolos de red digital, como HART, han sido de alguna utilidad en este sentido, Rege se√Īala que el verdadero avance ha sido la tecnolog√≠a de comunicaci√≥n de dispositivo a dispositivo, como IO-Link. Desarrollado por primera vez por un consorcio de partes interesadas de la industria y proveedores de automatizaci√≥n en 2006, IO-Link es un est√°ndar de red punto a punto independiente del bus de campo que permite que los sensores y actuadores env√≠en y reciban datos de controladores de nivel superior con cableado est√°ndar.

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.

‚ÄúCon IO-Link, puede utilizar un cable est√°ndar que sol√≠a conectarse a un sensor anal√≥gico; por lo que b√°sicamente puede desenroscar el viejo al por mayor y colocar el nuevo‚ÄĚ, dice Jack Moermond, gerente de socios de ingenier√≠a de Balluff. ‚ÄúAhora tenemos la capacidad de hacer con un sensor lo que sol√≠a necesitar m√ļltiples tecnolog√≠as para lograrlo porque IO-Link hace que la configuraci√≥n sea mucho m√°s f√°cil. Hace a√Īos, ten√≠a que usar un m√≥dulo de red anal√≥gico si quer√≠a hacer un sensor de medici√≥n de distancia simple. Ahora, puede colocar IO-Link junto al dispositivo, ubicar un cable de cuatro conectores est√°ndar tan lejos como desee y obtendr√° 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.

Sensor Fusion: la navaja suiza de la digitalizaci√≥nSeg√ļn el director de marketing de Balluff, Shishir Rege, IO-Link ha sido una importante tecnolog√≠a habilitadora para la proliferaci√≥n de sensores inteligentes.Seg√ļn Koch, el mantenimiento predictivo en particular pasa a primer plano. Considere una operaci√≥n minera en la que se utilizan grandes bombas para mover lodos de roca dura a trav√©s de tuber√≠as. Se colocan revestimientos de goma a lo largo del interior de las bombas para evitar que se pinchen o se erosionen, y el mantenimiento est√° programado para garantizar la integridad de las carcasas cada tres a seis meses. Estas inspecciones requieren que se apague toda la l√≠nea, a menudo durante un d√≠a completo, incluso si no se requiere un cambio. Al emplear un sensor aceler√≥metro inteligente en su lugar, la velocidad de cambio a la que el lodo se mueve a trav√©s de la bomba se puede utilizar para deducir cu√°ndo es realmente necesario el mantenimiento, lo que ahorra tiempo y mano de obra valiosos.

Adem√°s, 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 operaci√≥n. A menudo, al agregar datos a nivel de planta en numerosos sitios, junto con variables externas como las condiciones clim√°ticas o las coordenadas GPS, se pueden lograr eficiencias a√ļn m√°s 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 agregaci√≥n de datos hablan de un mundo en el que los datos de la planta se env√≠an cada vez m√°s hacia arriba al nivel empresarial para ser extra√≠dos en busca de nuevos conocimientos agregados, una perspectiva que ser√≠a imposible sin datos a nivel de sensor. Con gran parte de la industria entrando en un panorama de m√°rgenes ajustados, la reducci√≥n de costos y la disminuci√≥n de nuevas eficiencias en la producci√≥n pueden ser la nueva normalidad. Como resultado, es casi seguro que los sensores inteligentes capaces de proporcionar datos m√°s ricos continuar√°n desempe√Īando un papel en la transici√≥n a la Industria 4.0.

Sensor Fusion: la navaja suiza de la digitalizaciónLos 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.

‚ÄúEn 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 qu√© hacer‚ÄĚ, dice Koch. ‚ÄúA medida que avancemos hacia [un mayor uso de] la inteligencia artificial, comenzaremos a ver algoritmos de autoaprendizaje que nos ayudar√°n a alejarnos de esa etapa de aprendizaje prolongado. Comprar√° un sensor, lo conectar√° y aprender√° cu√°les son los procesos, entender√° qu√© es bueno y qu√© es malo, todo por s√≠ 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.

A√ļn as√≠, la aparici√≥n y la implementaci√≥n acelerada de la tecnolog√≠a de sensores inteligentes es solo un paso m√°s prometedor en el camino hacia la plena realizaci√≥n de la Industria 4.0.