14 abril 2009

Lo básico en el diseño de máquinas automáticas

National Instruments proporciona numerosos recursos gratuitos destinados al diseño de sistemas de automatización. Hoy comentamos algunos de los recursos disponibles en su web que pueden ser utilizados para el diseño de máquinas desde una perspectiva mecatrónica. Vamos a resumir en este artículo los conceptos de diseño de máquinas más interesantes a tener en cuenta por los desarrolladores modernos.

NI Machine Design Guide: Una interesante guía de 53 páginas que desarrolla cuatro capítulos claves en el diseño de máquinas: a) Diseño de máquinas conceptual y diseño mecánico; b) Diseño eléctrico, c) Diseño de software embebido; y d) Diseño de controles.

DISEÑO CONCEPTUAL

En el diseño conceptual el diseñador se plantea la incorporación o no de características sofisticadas como movimiento sincronizado, visión, I/O, procesado de señales en tiempo real, registro de datos, etc. Los compradores de equipos de automatización deben poner énfasis no sólo en el rendimiento sino también en factores ambientales como el consumo de energía reducido y los materiales de desecho.

Para cubrir el hueco entre los dominios de ingeniería implicados en el proceso de diseño de las máquinas, diversos fabricantes proporcionan herramientas de diseño CAD 3D. Estas herramientas incorporan capacidades de simulación del movimiento que los diseñadores pueden usar para examinar las propiedades de fuerza y par de sus máquinas basándose en las placas de ensamblaje, masa, propiedades de fricción, etc. Integrando estas capacidades de simulación como una parte nativa del ambiente CAD mecánico, los desarrolladores no necesitan tener la experiencia en modelización matemática especializada requerida para simular los ensamblajes mecánicos.

DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO

Respecto al diseño del sistema eléctrico la cuestión es sobre todo elegir el controlador que más se adapte al diseño que estamos realizando. Los diseñadores tienen tres opciones donde elegir, PLCs, PCs o hardware específico. PLCs y PCs comparten los mismos componentes eléctricos básicos: un microprocesador y memoria asociada que hace funcionar el código de control, módulos I/O convierten señales de sensores a datos digitales, y un bus que hacer pasar los datos entre los módulos y el microprocesador. Por último, los puertos de comunicaciones programan el controlador para hacer pasar los datos entre los diferentes dispositivos del networking. La diferencia entre dispositivos está en los componentes usados y el software para programar los dispositivos.

  • Los PLC son dispositivos rígidos que se utilizan para optimizar sistemas a bajo coste. Son muy populares porque no requieren programación, pero son inflexibles para aplicaciones específicas del cliente tales como comunicaciones, registro de datos o algoritmos de control.
  • Los PCs se utilizan para manejar una gran variedad de aplicaciones pero no en tiempo real. Entre sus principales desventajas mencionamos que no son aptos para condiciones ambientales agresivas. Entre sus ventajas está que se basan en standards físicos y eléctricos y ello permite su fácil expansión y actualización. Comparado a un PLC, un PC utiliza un procesador de punto flotante poderoso e incluye más memoria, haciéndolo más conveniente en aplicaciones intensivas de procesado de datos. El software de un PC comienza con un sistema operativo de propósito general tal como Microsoft Windows. Windows es capaz de utilizar muchos programas, lo cual hace al sistema más flexible, pero también menos fiable y estable. Las aplicaciones para PC están desarrolladas en una gran variedad de lenguajes y herramientas de programación, son por lo tanto menos restrictivas que los lenguajes usados en PCs. La falta de arquitectura de software predefinida hace a los PC menos convenientes para aplicaciones standard.
  • PAC: La disponibilidad de componentes de PC de alto rendimiento facilita el trabajo en los entornos industriales y ha permitido crear controladores con la resistencia de los PLC pero arquitectura de rendimiento de PC (ver "Utilización de PACs para la automatización de factorías"). Ejemplos son los procesadores con operaciones que van de – 40 a + 85 ºC y sin partes móviles. Adicionalmente, la inclusión de sistemas operativos en tiempo real (RTOSs) tales como Phar Lap de Ardence o VxWorks de Wind River proporcionan fiabilidad y determinismo, que a menudo no es disponible en sistemas operativos para propósitos generales tales como Windows. Estos RTOs ofrecen la capacidad de controlar todos los aspectos de los sistemas de control, desde la lectura I/O y niveles de escritura.
  • Custom hardware: Son diseños con circuitería especializada para cumplir necesidades específicas. Ya que es expresamente diseñado para cada aplicación, puede utilizar cualquier arquitectura de hardware. Añaden gran funcionalidad a los sistemas más grandes tales como el procesado de señales a nivel de sensores, bucles de control de alta velocidad, o aplicaciones de alto volumen completamente controladas como las unidades de control electrónico embebido (ECUs). En la mayoría de las aplicaciones se usan herramientas de bajo nivel de programación tales como ANSI o VHDL. Los PACs que se están diseñando actualmente, los más modernos, incorporan tecnología embebida, y pueden eliminar la necesidad del custom hardware. Una forma de eliminar esta necesidad es usar software para definir el hardware. Los FPGAs (Field-programmable gate array) son dispositivos electrónicos comúnmente usados por los fabricantes de equipos electrónicos que crean chips que los ingenieros adaptados al cliente que los ingenieros pueden utilizar para poner inteligencia en los nuevos dispositivos. Estos dispositivos consisten en bloques lógicos configurables que realizan diferentes funciones.

Los ingenieros también pueden incorporar sistemas de visión a sus sistemas de control. La visión es una excitante tecnología que en los últimos años ha permitido el diseño barato de máquinas con operaciones de lo más sofisticadas. En los ambientes de fabricación, los ingenieros pueden usar inspección visual para identificar muchas grietas o errores que son difíciles de detectar usando técnicas de medición tradicionales.

DISEÑO DE SOFTWARE EMBEBIDO

La arquitectura de software juega un papel fundamental en la funcionalidad de la máquina. Una arquitectura diseñada cuidadosamente puede ofrecer la máxima flexibilidad para acomodar los requerimientos de diseño además de la escalabilidad en actualizaciones futuras. En este apartado hablamos de los requerimientos de diseño requeridos por las máquinas. Antes de diseñar una máquina, deben considerarse los requerimientos clave para la mayoría de los diseños de máquinas:

  • SCADA y HMI: Visualizan y controlan el status del sistema y permiten a los usuarios controlar ejecución.
  • Conectividad: Ayuda a los diseñadores de máquinas a mejorar sus máquinas añadiendo sistemas de control especializado a los PLCs existentes.
  • Algoritmos específicos de dominio. Acomodan tareas únicas como control de vibraciones, movimiento, visión y análisis.
  • Hardware y lógica de control: Soportan diferentes tipos de implementaciones de control tales como los siguientes: Control discreto, control analógico, y control de movimiento, control predictivo del modelo.
  • Drivers y firmware I/O: Despliegan diferentes plataformas de hardware dependiendo de los requerimientos del sistema.

DISEÑO DE CONTROL

En los diseños de hoy deben incorporarse eficiencias y simbiosis así como planteamientos de alto nivel que permitan valorar los requerimientos de las interacciones de los equipos multidisciplinares de diseño de máquinas.

Entramos en el mundo del prototipaje virtual, donde se usan tecnologías de elementos finitos para estudiar tensiones y deformaciones a la vez que la máquina está operando. En muchos artículos hemos hablado en todoproductividad sobre estas tecnologías (ver aquí). Por otra parte, ya que la tecnología de control integral proporcional derivativo (PID) es cada vez más popular, los PID se usan cada vez más como algoritmo de control de máquinas. Estos controles avanzados de diseño son apropiados para aplicaciones de alto rendimiento.

Palabras clave: Powerful floating-point processor, embedded electronic control unit, motion simulation tools, real-time operating systems (RTOSs), deployed to real-time processors, proportional-integral-derivative controller

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