29 septiembre 2008

Cómo valorar los costes de la tecnología del control del movimiento

En los últimos 20 años, los avances en la tecnología de control del movimiento se han centrado en conseguir procesadores más poderosos y menos costosos en la forma DSP y CPU. Adicionalmente, el desarrollo de una electrónica de potencia más económica usando los ultra-eficientes MOSFET hizo los controladores de movimiento más capaces de manejar dispositivos más poderosos. Pero en este artículo vamos a centrarnos en los costes de otros dispositivos, también necesarios en las aplicaciones de control de movimiento. Por ejemplo, el precio de los conectores y el cableado se ha elevado en los últimos años. Las expectativas de paradas no programadas de las máquinas también han crecido.
La arquitectura de control del movimiento más idónea
En el diseño de aplicaciones de control de movimiento, es posible para los ingenieros tomar ventaja de los componentes de bajo coste a la vez que se minimiza la exposición a la elevación de los costes. En algunos casos, puede ser conveniente un cambio en la arquitectura de montajes de cableado complejos que serían difíciles de instalar e incluso más difíciles de poner en servicio. Estas cajas facilitan la incorporación de tarjetas de control del movimiento de una forma fácilmente accesible. Típicamente las cajas se usan por eje y a menudo se montan en un sistema de raíl DIN. Con este método se simplifica la conexión en las máquinas, usando cables individuales o pequeños haces dirigidos desde el rack, o bastidor, de control a varias partes de la máquina. Este método trabaja bien en aplicaciones de bajo volumen, pero a menudo no es aceptable en diseños sensibles al coste en altos volúmenes. A veces el uso de una tarjeta de interconexión convencional crea una máquina funcional que es fácilmente puesta en servicio, y con un coste de construcción más bajo. La tarjeta de interconexión proporciona una conexión directa al conector de alta densidad de la tarjeta de movimiento. La tarjeta típicamente descompone las señales en grupos más manejables, tales como control de motor, realimentación de posición, etc. Una desventaja de la tarjeta de interconexión es el coste de ingeniería que requiera, y otra es que los amplificadores de conexión a través de estas tarjetas pueden ser un poco confusos desde el punto de vista de la interferencia electrónica. El problema se agrava cuando actúan sobre motores de alta potencia. Una variación común de la tarjeta de interconexión es la denominada piggyback, que básicamente es una tarjeta que incorpora amplificación. De esta forma se crea un sistema híbrido en el que las señales de en el que las señales de baja energía, tales como la realimentación de los motores, circulan a través de la tarjeta de interconexión, a la vez que las señales de alta energía se canalizan a través de conectores en forma de tornilla extractor. Hay que tener muy presente que muchas de las configuraciones alternativas que pueden aplicarse están afectadas por la elevación de los costes de ingeniería, costes unitarios, problemas para la puesta en servicio, y volúmenes de producción. Es importante determinar qué arquitectura es la más conveniente para la aplicación específica. En las tarjetas de control del movimiento todo en uno se combina el control del movimiento, amplificadores, y cables de interconexión en una única tarjeta. La construcción de tarjetas a medida del cliente no es tan difícil como parece. La parte más complicada, el controlador del movimiento, puede comprarse terminada en forma de procesador del movimiento. Los procesadores de movimiento son dispositivos ICbased que proporcionan de forma integrada generación de trayectoria, cierre de servo-bucle, conmutación, etc. Una forma alternativa de diseñar este software es comprar por partes los componentes, adquiriendo DSPs o microprocesadores y programándolos. Obviamente, esta alternativa supone un mayor esfuerzo de ingeniería, pero es la primera que comentaremos. Adquiriendo amplificadores de motor IC de manera independiente se facilitará la integración de los amplificadores en la tarjeta. Estos dispositivos manuales aceptan señales de entrada analógicas o digitales de los procesadores de movimiento y realizan todas las funciones necesarias para hacer funcionar el motor. Están disponibles para servomotores de continua, motores de continua sin escobillas, y motores por pasos. Hay tres ventajas en el uso de ICs de amplificador-motor. En primer lugar, el coste unitario es bajo. En esta configuración no hay tarjetas de movimiento o cajas para adquirir de forma independiente. Esto permite confeccionar de forma particular todas las conexiones de la aplicación. Otra ventaja es que la puesta en servicio y mantenimiento es también bastante simple. De hecho, sustituir el controlador se consigue de una forma tan simple como reemplazando una tarjeta. Una ventaja adicional es que no es necesario determinar si el problema está en la tarjeta de movimiento, amplificadores, o en los elementos de conexión en sí. Una desventaja de esta arquitectura es que el esfuerzo de ingeniería es algo más elevado que en las arquitecturas modulares. Otra desventaja es que la instalación de amplificadores basados en IC tienden a ir al entrono de los 48 V y 4 A. Si bien es posible diseñar la potencia necesitada por los amplificadores, hacerlo crea problemas adicionales como interferencias con circuitos digitales y es necesario controlar el calor. Una alternativa comúnmente utilizada para construir sistemas de movimiento es el uso de amplificadores inteligentes o smart, alternativa también conocida como stand-alone drive. En esta arquitectura la tarjeta de control del movimiento se sustituye por una “caja”, que a menudo va conectada en la red serie. El funcionamiento se consigue enchufando directamente o utilizando voltaje de un bus de corriente continua. Esta alternativa de diseño presenta otra ventaja respecto a las tarjetas de movimiento y es que requiere menos cableado. En esta arquitectura, la conexión a la máquina puede realizarse de dos formas: La primera, quizás la menos intuitiva, usa una tarjeta interconectada al modo convencional justamente como las tarjetas de control del movimiento. El uso de esta tarjeta se debe a que incluso en transmisiones simples hay un buen número de señales por cada eje incluyendo paradas de emergencia, permisos, limites, home, y un buen número de entradas y salidas de tipo PLC. Además tenemos la entrada de potencia, las señales de retroalimentación del motor, y la salida de transmisión del motor. Estas señales tienen a ser transmitidas en forma de haces utilizando un pequeño número de conectores de alta densidad, justamente igual que las tarjetas de movimiento. La complejidad de la arquitectura, instalación y puesta en servicio de todas estas señales nos hace volver nuevamente a las ventajas de una tarjeta de interconexión. La segunda alternativa es la conexión directa a los motores. Esto conlleva como ventaja un mayor nivel de integración a la vez que se evitan los gastos de ingeniería de diseño de una tarjeta de interconexión. Si esto es o no posible, sin embargo, depende de los tipos de conectores proporcionados por la transmisión y la aplicación. Una ventaja adicional, si es practicable, es que la transmisión puede distribuirse a través de toda la máquina. Esto es atractivo porque se acorta la longitud de cable. Otras consideraciones no resultan tan obvias cuando se comparan tarjetas de movimiento a stand-alone drives. Por ejemplo, a menos que el sistema use una red de alta velocidad, stand-alone drives es relativamente difícil de sincronizar en movimientos multidimensionales. En este caso es más fácil usar una tarjeta de movimiento multi-eje. Como conclusión, podemos decir que no hay una simple respuesta sobre cuál es la arquitectura de transmisión idónea, y cuál prevalece sobre otra. A veces dos arquitecturas pueden incluso usarse en la misma aplicación.
Bibliografía: Architectures for economical motion. Machine design july 2008
Palabras clave: breakour boxes, motion card, hookups, interconnect card, all-in-one motion card, custom-building card, ICbased devised, smart amplifier, motion-control card
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