¿Cómo simplifican las E/S remotas multiprotocolo el control de las máquinas y la OEE?

La simplificación del control de máquinas mediante E/S remotas comienza en la planta de la fábrica, se extiende por la red de control y, en última instancia, llega al gabinete de control y a la Nube. La consolidación es una consideración clave y puede respaldarse utilizando bloques de E/S multiprotocolo.

Los distintos protocolos, como Ethernet, IO-Link y Modbus RTU, están optimizados para aplicaciones específicas. En lugar de tender cables individuales para cada máquina, sensor y actuador hasta un controlador central, los sistemas remotos de E/S multiprotocolo utilizan un único cable de red para agregar datos de varios dispositivos de campo que utilizan protocolos diferentes. Esa consolidación reduce significativamente el cableado, disminuye los costos y mejora la flexibilidad, escalabilidad y mantenimiento del sistema.

La agregación de datos que permite la consolidación también es necesaria para simplificar la aplicación de los cálculos de la eficacia general de los equipos (OEE). La OEE es una medida global de la eficiencia de los procesos de fabricación que combina disponibilidad, rendimiento y calidad. La OEE proporciona datos cruciales para tomar decisiones informadas y basadas en datos con el fin de optimizar los procesos de producción, lo que se traduce en una reducción de los costos, un aumento de la producción, una mejora de la calidad del producto y una mayor rentabilidad.

Este artículo revisa cómo los bloques multiprotocolo de Banner Engineering soportan la conectividad remota de E/S y la OEE en toda la red industrial, desde máquinas, sensores y otros dispositivos de campo en la planta de la fábrica, hasta los gabinetes de control y la Nube.

El uso de las métricas OEE puede proporcionar información clara y basada en datos sobre el rendimiento de la fábrica. Esto puede traducirse en una mejora de la productividad, una reducción de los costos, una mejora de la calidad y una toma de decisiones global más informada.

La OEE se basa en una elegante ecuación con poderosas implicaciones (Figura 1).

• La disponibilidad mide el porcentaje del tiempo de producción previsto con el tiempo de funcionamiento del equipo = tiempo de funcionamiento real/tiempo de producción previsto. Si una máquina estuviera programada para funcionar 24 horas (1440 minutos) pero solo funcionara 20 horas (1200 minutos) debido a paradas no programadas, la disponibilidad sería de 1200/1440 = 83.3%.
• El rendimiento mide la velocidad real de producción en comparación con la tasa máxima = (tiempo de ciclo máximo x total producido) / tiempo de ejecución. Si una máquina tiene un tiempo de ciclo máximo de 1 unidad por minuto y 1200 minutos de funcionamiento, y solo produjo 1000 unidades, el rendimiento sería (1 min/unidad x 1000 unidades) / 1200 min = 83.3%
• La calidad mide el porcentaje de unidades buenas = unidades buenas / unidades totales producidas. Por ejemplo, si una máquina produjera 1000 unidades, pero 20 se desecharan o necesitaran reprocesamiento, la calidad sería de 980 / 1000 = 98%
• OEE = 83.3% (Disponibilidad) × 83.3% (Rendimiento) × 98% (Calidad) = 68.0%

Figura 1: Las matemáticas subyacentes a la OEE son sencillas, pero sus implicaciones son profundas y amplias. (Fuente de la imagen: Banner Engineering)

Desafíos de la implementación de la OEE en la fábrica

Obtener los datos necesarios para implementar la OEE puede ser todo un desafío. Recopilar datos precisos y en tiempo real de todas las máquinas es un desafío clave. Esto puede ser especialmente cierto en el caso de las máquinas más antiguas y las islas de automatización.

La introducción manual de datos no solo ralentiza la recopilación de datos, sino que también puede dar lugar a errores e imprecisiones en la introducción de datos, como la clasificación errónea de los tiempos de inactividad y los defectos, lo que da lugar a mediciones de OEE incorrectas o distorsionadas.

Disponer de datos puntuales, precisos y completos es clave para implantar eficazmente los programas de OEE. Esto va más allá de la planta de producción e incluye la integración con los sistemas existentes, como la planificación de recursos empresariales (ERP) o los sistemas informatizados de gestión del mantenimiento (CMMS), los programas de mantenimiento predictivo y otros sistemas avanzados de Industria 4.0. Las soluciones de E/S remotas, especialmente las que incluyen capacidades de procesamiento de bordes, pueden ser una herramienta valiosa para implantar la OEE.

Soluciones de E/S remotas

Los concentradores de E/S remotas acercan los módulos de E/S a los dispositivos de campo, como sensores y actuadores, conectándolos a un controlador a través de un único bus de red. Esto reduce los costos de cableado, simplifica la integración y aumenta la disponibilidad.

Entre los dispositivos de red clave para admitir soluciones de E/S remotas multiprotocolo se incluyen los bloques Ethernet multiprotocolo, los maestros IO-Link, los concentradores IO-Link y los bloques de E/S Modbus RTU, entre otros (Figura 2).

Figura 2: Ejemplos de las numerosas configuraciones de E/S remotas disponibles en Banner Engineering. (Fuente de la imagen: Banner Engineering)

Varios de estos dispositivos de E/S remotas tienen clasificación IP67 para su uso en entornos industriales difíciles, y los maestros y controladores incluyen procesamiento de bordes y almacenamiento de datos que pueden simplificar la integración en aplicaciones OEE. Algunos ejemplos son:

• Los cuatro puertos Modbus maestros e independientes del DXMR90-X1 se pueden utilizar para conectar varios dispositivos y convertir los datos Modbus a protocolos Ethernet industriales comunes como EtherNet/IP y PROFINET.
• Se pueden admitir hasta cuatro dispositivos IO-Link, como sensores, concentradores e iluminación, utilizando las funciones del DXMR90-4K como maestro y controlador que incorpora conversión de protocolos para comunicarse con una amplia variedad de sistemas de control industrial, incluidos EtherNet/IP, PROFINET, Modbus/TCP y Modbus RTU. Para aplicaciones con hasta ocho dispositivos IO-Link, los diseñadores pueden recurrir al DXMR110-8K, que ofrece las mismas funciones de conversión de protocolos.
• Las E/S discretas de ocho puertos también son compatibles con el R95C-8B21-MQ, que convierte las señales discretas de los sensores y dispositivos conectados al protocolo Modbus.

Los convertidores para conectar los sensores también son fundamentales. Los sensores heredados con una salida de corriente analógica de 4-20 mA pueden conectarse a una red IO-Link utilizando el convertidor en línea S15C-I-KQ. Los sensores que producen salidas NPN o PNP discretas pueden utilizar el convertidor en línea S15C-B22-MQ para la conexión a una red Modbus.

Los concentradores pueden utilizarse para consolidar las señales en la fábrica. El R90C-4B21-KQ es un concentrador IO-Link discreto de 4 puertos que puede conectar dispositivos discretos no IO-Link en un sistema IO-Link, consolidando y transmitiendo sus señales a un maestro IO-Link. Tiene grados de protección IP65, IP67 e IP68.

Concentradores IO-Link en gabinete

Los concentradores IO-Link en gabinete ofrecen otra herramienta potente y rentable para implantar la OEE, mejorar la recopilación de datos, minimizar el tiempo de inactividad y simplificar el mantenimiento. Al centralizar múltiples sensores discretos y analógicos, los concentradores agilizan el cableado y permiten el acceso directo y en tiempo real a los datos detallados de rendimiento y diagnóstico necesarios para implementar la OEE.

Cuando se necesitan concentradores IO-Link en el gabinete, los diseñadores pueden recurrir a la serie IC70 de Banner. Estos concentradores simplifican la integración de sensores y actuadores individuales en un sistema de control, eliminando la necesidad de módulos de E/S adicionales.

Los modos de retardo y la supervisión de puertos integrados permiten implementar funciones lógicas básicas sin depender del controlador lógico programable (PLC) del sistema, lo que acelera la configuración y simplifica la programación. Los LED de estado permiten realizar diagnósticos en tiempo real, lo que garantiza una resolución de problemas rápida y precisa y minimiza el tiempo de inactividad.

El modelo IC70-16P-K (Figura 3) está diseñado para dispositivos PNP, mientras que el IC70-16N-K está diseñado para dispositivos NPN. Ambas disponen de 16 canales, tienen una clasificación ambiental IP20 adecuada para su uso en armarios de control y pueden montarse en un riel DIN estándar de 35 mm.

Figura 3: Este concentrador IO-Link integrado en el gabinete tiene una clasificación IP20 y puede conectar hasta 16 dispositivos PNP. (Fuente de la imagen: Banner Engineering)

Conectividad inalámbrica y OEE

Las conexiones inalámbricas con el gabinete de control y la nube pueden ser fundamentales a la hora de implementar la OEE. Al eliminar las limitaciones de los sistemas cableados, la conectividad inalámbrica puede aumentar la flexibilidad operativa, la escalabilidad y la eficacia.

Banner ofrece soluciones de E/S inalámbricas que se adaptan a varios protocolos de automatización, incluidos Modbus/TCP, Modbus RTU y EtherNet/IP para comunicaciones entre PLC, HMI u otros hosts locales. Estos controladores inalámbricos pueden interactuar con puertos serie locales, puertos de E/S locales y dispositivos de radio ISM locales, y conectarlos a Internet mediante una conexión celular o una conexión de red Ethernet por cable.

Los controladores DXM700-B1 y DXM1200-B2R1 ofrecen comunicación inalámbrica mediante la pasarela inalámbrica Sure Cross DX80 de Banner o radio MultiHop con bandas ISM de 900 MHz o 2.4 GHz disponibles para comunicación de largo alcance. Disponen de puertos de comunicación estándar RS-485, Ethernet y USB.

Ambos incluyen un controlador lógico interno con reglas de acción y programación ScriptBasic capaz de desarrollar soluciones sencillas o complejas para procesar, registrar y controlar datos procedentes de/hacia múltiples radios y sensores inalámbricos. También llevan integradas pantallas LDC programables y luces indicadoras LED (Figura 4).

Figura 4: Controlador DXM1200-B2 (izquierda) y DXM700-B1 (derecha). (Fuente de la imagen: Banner Engineering)

Ambos controladores pueden conectarse a servicios en la nube, como Connected Data Solutions (CDS) de Banner, para la visualización y el análisis de datos, y utilizan un procesador M7 de 300 MHz con 16 MB de memoria integrada. Pueden enviar alertas por correo electrónico y SMS, admiten el registro de datos en una tarjeta microSD externa (de hasta 8 GB) y ambos funcionan con la misma fuente de alimentación de 12 V_CC a 30 V_CC.

Las principales diferencias radican en sus entornos de aplicación. El DXM700 cuenta con una carcasa con clasificación IP20, que proporciona una protección moderada para instalaciones en interiores, y utiliza montaje en el riel DIN. El DXM1200 cuenta con una carcasa con clasificación IP67 que proporciona una sólida protección contra el polvo y el agua, y es apto para condiciones exteriores adversas, lo que permite su montaje en panel o en pared.

También tienen conexiones Ethernet diferentes. El DXM700 tiene un conector RJ45 y utiliza un cable Ethernet estándar. El DXM1200 tiene un conector M12 (código D) más sólido, de calidad industrial, diseñado para soportar vibraciones y tensiones ambientales.

Conclusión

Los maestros y controladores de E/S remotas multiprotocolo de Banner Engineering, en particular la serie cableada DXMR y las soluciones inalámbricas DXM, incluyen capacidades de procesamiento de borde que les permiten consolidar y procesar datos localmente, lo cual es crucial para implementar OEE y otras aplicaciones del Internet Industrial de las Cosas (IIoT). Banner también ofrece convertidores de protocolo en línea y concentradores IO-Link en gabinete que simplifican el cableado, permiten la configuración y supervisión remotas y reducen los costos. Permiten integrar eficazmente tanto los dispositivos heredados como los modernos.

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