Detrás del robot: Detección, seguridad y control en la Industria 4.0

Los sistemas de robótica industrial modernos dependen de una infraestructura cada vez más sofisticada para soportar las capacidades de inteligencia artificial (IA) y aprendizaje automático (ML) en evolución, una interconectividad sin fisuras y un despliegue escalable en las plantas de producción. Estos sistemas requieren sensores, hardware de seguridad, protección de circuitos y componentes de control que cumplan las exigencias de gran ancho de banda, capacidad de respuesta en tiempo real y estrictas normas de seguridad funcional.

Este artículo explora las tecnologías fundamentales que subyacen a la robótica de la Industria 4.0, centrándose en cómo las soluciones de sensores y seguridad de SICK y los componentes de control industrial de Eaton contribuyen a un control de movimiento seguro, un comportamiento adaptativo del sistema y una toma de decisiones determinista. Entre los temas tratados figuran los elementos clave para una automatización inteligente y resistente, como las arquitecturas de detección, el cumplimiento de las normas de seguridad de las máquinas, las estrategias de control tolerantes a fallos y la integración de redes de automatización de borde distribuidas.

Sistemas de detección avanzados para entornos industriales dinámicos

Como se muestra en la Figura 1, los robots de la Industria 4.0 utilizan sensores avanzados para operar de forma segura y eficiente en las fábricas. A pesar de las duras condiciones, como la iluminación variable, las partículas en suspensión en el aire y las vibraciones mecánicas, estos sensores deben procesar rápidamente datos en tiempo real para realizar un seguimiento preciso del personal humano, los robots móviles y las líneas de montaje en rápido movimiento.

Figura 1: Los brazos robóticos multieje de Industria 4.0 utilizan sensores integrados y retroalimentación en tiempo real para operar con precisión y rapidez. (Fuente de la imagen: Igus)

Las plataformas robóticas integran múltiples modalidades de sensores para favorecer la conciencia espacial y la capacidad de respuesta en milisegundos. Los algoritmos de fusión de sensores combinan estas entradas para generar un modelo coherente y en tiempo real del entorno operativo del robot. Los sistemas de visión gestionan la detección y localización de objetos, mientras que los escáneres láser de seguridad supervisan las zonas restringidas para detectar infracciones de proximidad. Los sensores de tiempo de vuelo (ToF) de baja latencia captan datos espaciales tridimensionales, lo que permite ajustar la trayectoria de forma reactiva y tener en cuenta el contexto.

Los robots también se basan en sensores internos y de contacto para perfeccionar el control del movimiento y la interacción. Los sensores táctiles, incluidos los sensores de fuerza/par y los finales de carrera, proporcionan información para tareas de agarre, ensamblaje y conformidad. Los sensores de proximidad inductivos, capacitivos y ultrasónicos detectan objetos cercanos sin contacto, normalmente a distancias más cortas que los sistemas ToF. Los codificadores y potenciómetros registran la posición y la velocidad de las articulaciones para planificar el movimiento con precisión, mientras que las unidades de medición inercial (IMU) miden la aceleración y la velocidad angular para mantener la orientación y el equilibrio. Por último, los sensores eléctricos controlan la corriente y la tensión para evaluar la carga del motor y detectar fallos.

Seguridad basada en normas para la robótica industrial

Los robots de la Industria 4.0 deben cumplir estrictas normas internacionales de seguridad para proteger al personal humano y los equipos. Tres normas clave ISO 13849, IEC 62061 e ISO 10218 definen los requisitos de seguridad funcional y de los sistemas de control que rigen los sistemas robóticos en las fábricas.

La norma ISO 13849 describe los criterios de diseño y validación de los componentes de control relacionados con la seguridad. Sigue una metodología basada en el riesgo y utiliza niveles de rendimiento (PL) para clasificar la integridad del sistema en función de la gravedad del peligro, la frecuencia de exposición y la posibilidad de evitarlo. La norma IEC 62061 aborda la seguridad funcional de los sistemas de control eléctricos, electrónicos y programables, aplicando niveles de integridad de la seguridad (SIL) para cuantificar la reducción de riesgos requerida. Juntas, estas normas definen cómo deben diseñarse, implantarse y verificarse las funciones de detección y control en aplicaciones críticas para la seguridad.

La norma ISO 10218 aplica estos principios específicamente a los robots industriales. Abarca los requisitos de seguridad para el diseño del robot, la disposición de la célula de trabajo, la integración del sistema y el funcionamiento. Esto incluye el uso de sensores de seguridad para paradas de emergencia, protección y control de movimiento. Estos componentes deben cumplir unos umbrales de rendimiento y fiabilidad definidos, que suelen demostrarse mediante pruebas y validaciones estructuradas.

Las normas ISO 13849, IEC 62061 e ISO 10218 constituyen el núcleo de las normas de seguridad robótica. Otras normas, como la IEC 60204-1 sobre seguridad eléctrica y la ISO/TS 15066 sobre colaboración entre humanos y robots, amplían el marco básico para una implantación e integración seguras.

Sistemas de seguridad integrados para la colaboración entre humanos y robots

Los operarios de las fábricas utilizan soluciones de seguridad de proveedores como SICK y Eaton para cumplir las normas de seguridad funcional y de las máquinas. Por ejemplo, el sistema Safe EFI-Pro de SICK permite controlar en tiempo real las funciones de seguridad de robots fijos y móviles mediante sensores, controladores y actuadores integrados. Como se muestra en la figura 2, el escáner láser de seguridad microScan -un componente clave del sistema- permite la detección de movimiento adaptativa y dependiente de la situación en entornos dinámicos.

Figura 2: El escáner láser de seguridad microScan3 de SICK supervisa los campos de protección y detecta dinámicamente el movimiento para facilitar la protección adaptativa en entornos industriales. (Fuente de la imagen: SICK)

Los operarios también aplican el sistema de protección de fin de brazo (EOAS) de SICK para mantener un campo de protección dinámico alrededor de los cabezales de las herramientas robóticas. EOAS aprovecha la tecnología ToF para permitir una colaboración segura y sin contacto entre humanos y robots con tiempos de respuesta inferiores a 110 milisegundos.

Para complementar estos sistemas automatizados, SICK ofrece componentes de seguridad manual y perimetral. El interruptor de parada de emergencia ES21 permite a los operarios detener rápidamente la maquinaria en caso de emergencia, mientras que el interruptor de seguridad sin contacto STR1 utiliza tecnología RFID para la supervisión de resguardos a prueba de manipulaciones, lo que admite altos niveles de codificación y el cumplimiento de la norma EN ISO 14119.

Estrategias de protección para el control de sobretensiones

Una estrategia de seguridad robótica coordinada requiere tanto salvaguardas a nivel de movimiento como un control fiable de la energía. Los supresores de tensión transitoria de Eaton limitan las sobretensiones y los picos de tensión temporales para proteger los componentes sensibles. Como se muestra en la Figura 3, los disyuntores en miniatura FAZ-NA, como el FAZ-C10/2-NA, protegen el cableado de control y los componentes auxiliares contra eventos de sobrecorriente.

Figura 3: El disyuntor en miniatura FAZ-C10/2-NA de Eaton protege el cableado de control y los componentes auxiliares frente a eventos de sobrecorriente en sistemas de automatización industrial. (Fuente de la imagen: Eaton)

Para respaldar la seguridad eléctrica y la integridad del sistema, Eaton también ofrece una amplia gama de dispositivos de protección de circuitos e interruptores manuales, como el interruptor de tecla basculante BP-SRR, el selector M22S-WKV-K11 y el conmutador BP-STE, que controlan las funciones del equipo y los modos de funcionamiento.

Los limitadores de corriente de irrupción (ICL) Power-NTC y los fusibles PTC reajustables de Eaton ayudan a proteger los circuitos de las altas corrientes de irrupción durante el encendido y las condiciones de fallo. Los dispositivos de protección térmica, como el fusible térmico TJD, añaden un nivel crítico de seguridad al interrumpir el flujo de corriente para evitar una acumulación de calor excesiva y peligrosa en sistemas robóticos estrechamente integrados.

Sistemas de control distribuidos y tolerantes a fallos

Los sistemas robóticos de las fábricas deben mantener una continuidad operativa segura en caso de fallo de los sensores, mal funcionamiento de los actuadores o interrupciones de la red. Los fabricantes confían en las arquitecturas distribuidas de detección, aislamiento y recuperación de fallos (FDIR) para minimizar el tiempo de inactividad y mejorar la resistencia del sistema. Al descentralizar la lógica de control en múltiples nodos y permitir una respuesta localizada a los fallos, FDIR reduce el impacto de los fallos de componentes individuales y ayuda a prevenir interrupciones más amplias.

Estas estrategias de tolerancia a fallos se aplican mediante sistemas de control distribuidos que incorporan diagnósticos en tiempo real y redundancia integrada. Los sistemas de control distribuido utilizan diagnósticos integrados para supervisar continuamente el estado y el rendimiento de los componentes críticos. Los sensores y vías de comunicación redundantes mantienen la integridad del control durante los fallos del sistema primario, mientras que las rutinas de gestión de errores permiten paradas controladas o transiciones a estados seguros definidos.

FDIR y el controlador de seguridad Flexi Soft

El controlador de seguridad Flexi Soft de SICK destaca estas estrategias. Como se muestra en la figura 4, Flexi Soft es compatible con la robótica de la Industria 4.0 basada en FDIR al permitir una lógica de seguridad descentralizada a través de la expansión modular y funciones configurables diseñadas para abordar requisitos específicos del sistema.

Figura 4: El controlador de seguridad Flexi Soft de SICK permite una lógica de seguridad descentralizada y una expansión modular para un control distribuido y tolerante a fallos en los sistemas robóticos de la Industria 4.0. (Fuente de la imagen: SICK)

Los sensores industriales de SICK, que incluyen codificadores, transductores de presión, sensores fotoeléctricos y cámaras de visión artificial como la Ranger3, proporcionan información crítica a los sistemas robóticos distribuidos. Estos sensores, integrados en puntos de control clave, permiten la supervisión en tiempo real, el posicionamiento dinámico, la detección de objetos y el diagnóstico del sistema. Esto permite la detección precoz de fallos, la respuesta localizada y el funcionamiento continuado en entornos distribuidos.

Detección y control basados en los bordes para una automatización más inteligente

La robótica de la Industria 4.0 aprovecha cada vez más la detección y la supervisión en los bordes para mejorar el conocimiento, la capacidad de respuesta y la autonomía del sistema. En lugar de enviar todos los datos a plataformas centralizadas para su procesamiento, los sistemas robóticos avanzados realizan ahora análisis clave más cerca del borde, a nivel de sensor o dispositivo. Esto permite una detección de fallos más rápida, una toma de decisiones más eficaz y una mayor resistencia durante las interrupciones de la red.

Los dispositivos habilitados para bordes, como las cámaras industriales y los monitores de circuitos, amplían la inteligencia localizada más allá de la lógica de control. Captan datos medioambientales y operativos en tiempo real, proporcionando visibilidad a nivel de máquina de las condiciones que afectan a la seguridad, la calidad y el tiempo de funcionamiento. Estas plataformas reducen la latencia, alivian la demanda de ancho de banda y mejoran la coordinación entre sistemas robóticos distribuidos.

Edge computing e inteligencia integrada

Estas estrategias basadas en los bordes (edges) se reflejan en productos como la SensingCAM SEC100 de SICK, que proporciona captura y análisis de imágenes a nivel de los bordes para la robótica de la Industria 4.0. Como se muestra en la Figura 5, ofrece streaming de alta resolución y grabación de video activada por eventos para el reconocimiento de objetos, la supervisión de procesos y la inspección de calidad.

Figura 5: La SensingCAM SEC100 de SICK ofrece captura y análisis de imágenes a nivel de bordes, lo que permite la supervisión y el diagnóstico visual en tiempo real en aplicaciones de inspección robótica. (Fuente de la imagen: SICK)

La cámara industrial permite ver en tiempo real los puntos muertos y las zonas de inspección dinámicas, lo que facilita el análisis de la causa raíz mediante la captura de datos de imagen antes y después de los eventos desencadenantes.

La SEC100 se integra fácilmente con los sistemas de visión artificial existentes y permite una supervisión continua sin sobrecargar los recursos centralizados. También genera registros visuales para la documentación de calidad, como la verificación del embalaje y el seguimiento del montaje de componentes. Integrado en el nivel de la máquina, el SEC100 acerca la inteligencia visual al punto de operación.

El cambio hacia el procesamiento localizado y la información en tiempo real se extiende a la supervisión energética de las instalaciones. Como se muestra en la Figura 6, la pantalla táctil PXBCM-DISP-6-XV de Eaton interactúa con el Power Xpert Branch Circuit Monitor para proporcionar una visualización en tiempo real de los datos de tensión, corriente y potencia a nivel de panel.

Figura 6: La pantalla táctil PXBCM-DISP-6-XV de Eaton proporciona visualización a nivel de panel en tiempo real de los datos de tensión, corriente y potencia para respaldar el mantenimiento predictivo y la optimización energética. (Fuente de la imagen: Eaton)

Al ser usados en todos los sistemas industriales, incluidas las células de trabajo robotizadas, ayuda a los operarios a identificar irregularidades, detectar fallos y optimizar el uso de la energía. La pantalla es compatible con el mantenimiento predictivo y mejora la visibilidad operativa al permitir el acceso in situ a los diagnósticos a nivel de circuito.

Estrategias a nivel de sistema para la robótica de la Industria 4.0

Para funcionar de forma segura y eficiente, los sistemas robóticos de la Industria 4.0 requieren una estrategia de implementación que unifique la detección, la seguridad, el control y la conexión en red. Los sensores y componentes de seguridad deben cumplir normas estrictas y, al mismo tiempo, permitir una protección adaptable y una capacidad de respuesta en tiempo real en entornos distribuidos. Para garantizar la interoperabilidad y la escalabilidad, el rendimiento uniforme de los distintos sistemas de la fábrica depende de estándares abiertos y de la comunicación multiprotocolo.

Los componentes de control deben procesar grandes volúmenes de datos en el borde con conexiones seguras y de baja latencia a los sistemas de supervisión. Coordinar el procesamiento y la retroalimentación entre nodos distribuidos requiere una sincronización y una sincronización precisas. Los protocolos deterministas, las rutas de señal de baja fluctuación y los bucles de control temporales ayudan a mantener un comportamiento predecible en condiciones dinámicas. Las arquitecturas tolerantes a fallos permiten estados de repliegue seguros y un funcionamiento continuo, mientras que los sistemas que combinan el control localizado con la supervisión centralizada posibilitan procesos de fabricación flexibles y reconfigurables.

Resumen

Desde la fusión de sensores y la seguridad funcional hasta la edge computing y el control tolerante a fallos, la robótica de la Industria 4.0 depende de sistemas estrechamente integrados que garanticen un funcionamiento seguro, fiable y con capacidad de respuesta en entornos complejos. Las soluciones de los proveedores de DigiKey, como SICK y Eaton, ayudan a unificar la infraestructura de detección, protección eléctrica y control, lo que facilita la implementación escalable, el cumplimiento de los estándares y el rendimiento adaptable.