Se podría decir que la automatización industrial se remonta a la instalación que realizó Henry Ford de una línea de montaje móvil para el Modelo T en 1913; es el uso de diferentes sistemas de control para operar equipos industriales como maquinarias, procesos de fabricación y equipo de manejo de materiales, con muy poca o ninguna intervención humana.
Aunque en última instancia los ingenieros y técnicos siguen siendo los responsables, en una fábrica automatizada la operación rutinaria de una pieza del equipo está bajo el mando de un programa de computadora que se ejecuta en un microcontrolador integrado, una PC industrial o un controlador lógico programable (PLC, por sus siglas en inglés).
.gif?h=312&w=500?mw=290&hash=3B643B076FAC4E1B54FA51113127874C){kind=icon}
Figura 1: La automatización industrial requiere de un gran número de microcontroladores integrados (fuente: TI)
La automatización de los procesos industriales tiene una serie de ventajas: ahorra energía y materiales; mejora la calidad, exactitud y precisión de los procesos industriales; permite el funcionamiento en entornos peligrosos (por ejemplo, en plantas nucleares); y genera un gran ahorro en el trabajo.
Los resultados son impresionantes. En 1909 eran necesarios 303 horas/empleado para ensamblar un automóvil; en 1929 el tiempo se había reducido a 92 horas/empleado; y en 2008 la planta de Jeep en Toledo, OH sólo necesitó 13,6 horas/empleado para ensamblar un vehículo con una magnitud de órdenes más complicadas que las del Modelo T.
Actualmente los robots industriales llevan a cabo muchas de las tareas que antes eran realizadas por los seres humanos, como la soldadura, recoger y colocar (pick-and-place) y el ensamblaje, y los sistemas de visión artificial han sustituido a los inspectores de control de calidad.
La fábrica conectada y el Internet de las cosas
La siguiente etapa después de la automatización de los procesos industriales individuales es asegurarse de que todos ellos trabajan juntos sin problemas, y proporcionar los datos a sus amos humanos, ¡por supuesto! Por lo tanto, la moderna fábrica automatizada depende de una red industrial que utiliza uno de los numerosos protocolos de automatización, tales como Ethernet, Fieldbus, o protocolo HART, para proporcionar conectividad a nivel de la fábrica.
.gif?mw=290&hash=A85B73FB786D375F330BD2D5DF059295){kind=icon}
Figura 2: Algunos de los múltiples estándares de comunicaciones industriales (fuente: TI)
El Internet de las cosas (IoT) eleva el estándar a un nivel superior, al permitir la integración de los sistemas y la maquinaria industrial con Internet. La versión más reciente del protocolo de comunicaciones de Internet, IPv6, con su direccionamiento de 128 bits, significa que potencialmente cada dispositivo individual puede tener su propia dirección IP, anunciando una conectividad y recolección masiva de datos y análisis en la nube prácticamente ilimitados.
En las fábricas inteligentes del futuro, los niveles de la automatización "pirámide", desde el nivel de dispositivo hasta el nivel de empresa, estarán interrelacionados, y los datos relacionados con la fabricación estarán disponibles en tiempo real para la toma de decisiones empresariales.
Aislamiento galvánico y automatización industrial
El añadir control electrónico y conectar varios sistemas entre sí a través de una red tiene muchos beneficios, pero también presenta problemas y desafíos. Uno de ellos es el desafío de combinar las máquinas de alta tensión y alta corriente como los robots industriales y las máquinas CNC, con los sistemas de adquisición de datos de baja tensión y baja corriente y las comunicaciones en red. Vamos a hablar de una técnica importante que se utiliza para combatir este problema; el aislamiento galvánico.
El aislamiento galvánico es la técnica de aislar secciones funcionales de los sistemas eléctricos para evitar el flujo de corriente entre ellos; no se permite una ruta de conducción directa (es decir, resistiva). Aunque no hay una ruta resistiva entre las secciones, la energía o la información aún se transfiere mediante técnicas capacitivas, inductivas, ópticas u otras.
Un dispositivo de aislamiento pasa una señal, ya sea analógica o digital, de entrada a salida a través de una barrera de aislamiento; para ser efectiva, la barrera de aislamiento debe tener una tensión de ruptura alta y una dispersión baja. Los dispositivos de aislamiento son un componente clave para enganchar la fábrica conectada, y se encuentran por todas partes en la cadena de señal: desde los sistemas de adquisición de datos y los sensores aislados individualmente, hasta la red troncal de las comunicaciones de alta velocidad que corre a través de toda la fábrica.
¿Por qué es necesario el aislamiento galvánico en la automatización industrial?
Seguridad - El proteger a los usuarios de equipos eléctricos de tensiones y corrientes potencialmente letales es un requisito clave en cualquier diseño eléctrico. Existen varias normas reguladoras, como la UL60950-1, que rigen la seguridad en los equipos eléctricos. Un diseño seguro comprende varios niveles de protección, incluyendo el aislante térmico, la conexión a tierra y el aislamiento; por ejemplo, en un diseño de suministro de energía fuera de línea, un transformador proporciona aislamiento inductivo entre la entrada de CA y el resto del circuito. En general, se puede utilizar el aislamiento galvánico allí donde estén presentes tensiones potencialmente peligrosas.
Diferencias a tierra y bucles a tierra- A diferencia de los simples esquemas que dibujamos durante nuestros años de estudio, como ingenieros practicantes aprendemos rápidamente que la conexión a tierra, sin duda alguna, no es la misma en diferentes puntos de un sistema, especialmente cuando esos sistemas están muy separados, por ejemplo, entre las diferentes partes de una planta industrial. Esto puede llevar a errores o incluso el fracaso en una red digital, ya que cualquier diferencia en la referencia a tierra entre el transmisor y el receptor reduce el margen para identificar correctamente una lógica '0' o '1'. En los circuitos analógicos, una diferencia CC a tierra agrega un término de error de desplazamiento y cambios en la CA que pueden afectar el contenido armónico de la señal. El aislamiento galvánico elimina el efecto de tales diferencias a tierra, y rompe los bucles a tierra.
Tensiones de modo común – en muchos casos es necesario extraer una pequeña señal montada encima de un voltaje de modo común mayor: una tensión o señal en fase o que aparece simultáneamente en ambos terminales de entrada. En algunos casos, esto puede desplazar la señal que se mide por una cantidad que supera el rango máximo de la escala de la entrada del instrumento, o exceder los límites de sobretensión, provocando daños. Un sistema de adquisición de datos aislado puede bloquear la tensión en modo común y permitir medir la señal de interés.
Normas reguladoras
Una serie de normas reguladoras rigen el aislamiento para aplicaciones industriales, incluyendo IEC 60204, UL508, UL60947, CSA y 14-10. Además, las normas IEC 61010-1 y VDE 410/411 cubren el control industrial.
La norma UL1577 estrictamente cubre sólo los aisladores ópticos, pero su definición y los requisitos de pruebas para el aislamiento de la tensión de barrera a menudo aparece en las especificaciones para otros dispositivos de aislamiento.
Descripción general de los dispositivos y la tecnología de aislamiento
En general, un dispositivo de aislamiento comprende un componente o barrera de aislamiento de la alta tensión, un transmisor para acoplar una señal en un lado de la barrera de aislamiento, y un receptor para convertir la señal en el otro lado de la barrera de nuevo en una señal digital o analógica. Para mayor información, consulte la "Guía de diseño del aislador digital" de TI.
Hay tres técnicas principales que se utilizan para transmitir señales y energía a través de una barrera de aislamiento.
Aislamiento capacitivo: Un aislador capacitivo utiliza capacitores de alta tensión, por lo general hechos de dióxido de silicio (SiO2) para servir como el componente de aislamiento. La Figura 3 muestra la arquitectura del aislador digital de canal único ISO7810 que tiene una barrera de aislamiento de 5,7 kVrms y puede manejar velocidades de datos de hasta 100 Mbps.
.gif?h=193&w=500?mw=734&hash=D25E2B17F612C84EC76A46312C48F385){kind=icon}
Figura 3: Arquitectura de la modulación de Encendido-Apagado utilizada en el aislador digital reforzado ISO78xx de 5,7 kVrms de TI (fuente: TI)
El ISO7810 utiliza una arquitectura de modulación de encendido-apagado (On-Off Keying, OOK): el flujo de bits digitales entrantes se modula con un oscilador de amplio espectro interno para generar la señalización OOK, de tal manera que una de los estados de entrada está representado por la transmisión de una frecuencia portadora, y el otro estado por ninguna transmisión. La Figura 4 muestra una señal OOK representativa.
.gif?mw=290&hash=2A4215FA21BFC8C2E0562C1080112087){kind=icon}
Figura 4: Señal representativa en una arquitectura OOK (Fuente: TI)
Esta señal modulada se acopla a la barrera de aislamiento y aparece en una forma atenuada en el lado de recepción. La ruta de recepción se compone de un pre-amplificador para obtener la señal entrante seguido por un detector de la envolvente que sirve como un demodulador para regenerar el patrón digital original. Los circuitos de acondicionamiento de las señales TX y RX se utilizan para mejorar el rechazo del modo común del canal resultante en una mejor inmunidad transitoria del modo común (CMTI, por sus siglas en inglés) y la minimización de las emisiones radiadas.
Dado que los capacitores bloquean la CC, se debe convertir una señal analógica a una forma más adecuada para pasar a través de la barrera de aislamiento. Por ejemplo, la entrada del amplificador de aislamiento ISO122 consta de un amplificador operativo seguido de un modulador para pasar la señal a través de la barrera capacitiva; el lado de salida demodula la señal digital para extraer la forma de onda original.
Aislamiento inductivo: el acoplamiento inductivo con un transformador se utiliza en gran medida para proporcionar energía aislada, dado que un diseño aislado requiere suministros de energía separados a cada lado de la barrera de aislamiento. Por ejemplo, la familia DCP01B es una familia de convertidores CC/CC aislados, no regulados, de 1W, con una barrera de aislamiento de 3kV. Contiene un transformador incorporado, proporciona una eficiencia de conversión hasta de 85 %, y es ideal para aplicaciones de baja potencia, como los sensores y transmisores de campo. Para los diseños que requieren más energía, TI ofrece una gama de diseños de referencia de suministros de energía aislados.
Aislamiento óptico: un aislador óptico, llamado también un acoplador óptico, transfiere las señales eléctricas entre dos circuitos aislados mediante el uso de la luz. Comúnmente consiste de un LED y un fototransmisor en el mismo paquete.
Los acopladores ópticamente aislados requieren de impulsos de corriente altos y sufren los efectos del envejecimiento de los LED. Además, pueden ser demasiado lentos para las comunicaciones digitales de alta velocidad y, por lo tanto, están siendo reemplazados por diseños capacitivos.
A menudo se incorpora el aislamiento en funciones de automatización industrial ampliamente utilizadas, como en transceptores, amplificadores y ADC. La carpeta de productos de aislamiento de TI incluye:
- Transceptores RS-485
- Transceptores CAN
- Transceptores I2C
- Controladores de puerta
- Convertidores de analógico a digital
- Módulos CC/CC
- Amplificador
Conclusión
No hay duda que en el futuro vamos a escuchar mucho más acerca de la automatización industrial y el Internet de las cosas (IoT).
En la próxima década, se espera que la IoT industrial revolucione el sector industrial: ya ha empezado a transformar las principales industrias, como son las de fabricación y transporte. A medida que la integración del IoT se propague a diferentes industrias, el mercado del IoT industrial presentará un potencial de crecimiento inmenso; un pronóstico lo valoriza en $320 mil millones para el 2020.
Sin importar cuál resulte ser el número final, las tecnologías de aislamiento jugarán un rol clave.