Un enfoque de plataforma unificada para la escalabilidad de las máquinas OEM y la integración de Brownfield

El sistema de control de una máquina es un componente importante de su diseño y estrategia de mercado. Muchos equipos de ingeniería emplean un enfoque fragmentado, utilizando varias familias de PLC para diferentes precios de máquinas y confiando en pasarelas de terceros para integrar sistemas heredados. Esto puede aumentar los costos relacionados con la ingeniería, el inventario y la asistencia sobre el terreno, lo que a su vez puede reducir la agilidad operativa. Una alternativa es estandarizar en una única plataforma unificada que pueda escalar a través de aplicaciones y comunicarse tanto con protocolos modernos como heredados.

Utilizar estrategias desconectadas puede resultar ineficaz. La gestión de varias familias de PLC plantea problemas logísticos de formación e inventario, además de añadir hardware innecesario, complejidad y posibles puntos de fallo al sistema. Pero, ¿y si una única plataforma pudiera eliminar por completo estos compromisos? Este artículo explora dicho enfoque, utilizando el ecosistema SIMATIC S7-1200 de Siemens como caso de estudio para abordar los requisitos de escalabilidad y conectividad.

El reto de la escalabilidad de los OEM

Las líneas de productos OEM suelen emplear un modelo "bueno, mejor, óptimo", en el que la complejidad de la máquina varía en función de las características incluidas. Aunque tiene sentido, el reto consiste en especificar un sistema de control que sea rentable para los modelos básicos y lo suficientemente capaz para las versiones de gama alta. Para ello, algunas de las soluciones más utilizadas son las siguientes.

1. Múltiples plataformas de control: Utilizar distintos PLC para cada nivel de la máquina puede parecer rentable por unidad, pero puede generar costos posteriores en formación, programación e inventario de piezas de repuesto. Este planteamiento obliga a los ingenieros a dominar varios entornos de programación y requiere un inventario de piezas de recambio mayor y más complejo, tanto para el OEM como para el usuario final.
2. PLC sobredimensionado y de E/S fijas: Seleccionar un único PLC de gran tamaño simplifica la programación, pero puede hacer que los modelos básicos no sean competitivos debido al costo de la lista de materiales (BOM) por la capacidad no utilizada. Este planteamiento también ofrece una flexibilidad limitada para futuras modificaciones. Si un cliente sólo necesita un sensor adicional y todos los puntos de E/S fijos están asignados, es posible que se necesite un rediseño costoso y prolongado.

Una solución práctica es una plataforma de control modular con un procesador central que puede configurarse con precisión con las E/S necesarias para cada variante de máquina.

Afrontar el reto de la conectividad de las zonas industriales abandonadas

¿Cómo puede una máquina de última generación comunicarse eficazmente en una fábrica construida con tecnología de última generación? Este es el núcleo del dilema de los integradores de sistemas, donde las nuevas máquinas que utilizan protocolos modernos, como PROFINET, a menudo tienen que integrarse con equipos existentes que dependen de protocolos en serie, como Modbus RTU. Esto requiere que los nuevos sistemas se comuniquen con los antiguos variadores de frecuencia, básculas y otros dispositivos a través de la comunicación serie RS-485. Dos de las soluciones más utilizadas para resolver estos problemas son:

1. Pasarelas de protocolo de terceros: Una pasarela externa puede traducir entre PROFINET y Modbus RTU, pero incurre en costos de hardware adicionales, introduce un punto potencial de fallo y requiere una herramienta de software independiente para su configuración. Mapear los datos entre los dos sistemas puede resultar engorroso y solucionar los problemas de comunicación se convierte en un complejo ejercicio de diagnóstico de dos dispositivos distintos, a menudo de fabricantes diferentes.
2. PC industriales (IPC) con código personalizado: Un IPC que ejecuta software de comunicación personalizado es una solución capaz, pero costosa y compleja que introduce el mantenimiento del sistema operativo de la PC en la planta de producción. Esta estrategia requiere competencias informáticas y de desarrollo de software especializadas que no siempre están presentes en un equipo de automatización tradicional y pueden dar lugar a soluciones frágiles y difíciles de mantener.

Un controlador moderno debería admitir la comunicación heredada como característica nativa para simplificar la arquitectura y centralizar la configuración.

Una solución unificada: La plataforma SIMATIC S7-1200

La serie SIMATIC S7-1200 de Siemens, configurada dentro del Portal de Automatización Totalmente Integrada (TIA), está diseñada para hacer frente a estos desafíos. Proporciona una plataforma cohesionada con componentes que ofrecen diversas funciones y características de rendimiento. La figura 1 ilustra un ejemplo de controlador de módulo PLC, destacando sus distintos componentes.

Figura 1: Controlador modular PLC SIMATIC S7-1200 de Siemens compuesto por una CPU incorporada, pines de E/S integrados, LED de estado y conectores. (Fuente de la imagen: Siemens)

El núcleo: una CPU capaz, sólida y flexible

En el centro de un sistema S7-1200 hay una CPU compacta. La CPU 1214C, por ejemplo, tiene una velocidad de ejecución booleana de 0.08 µs/instrucción y 100/150 KB de memoria de trabajo para la ejecución rápida de programas. Esto se complementa con una generosa memoria de carga de 4 MB para almacenar todo el proyecto (incluidos símbolos y comentarios) y 14 KB de memoria retentiva para guardar de forma segura los datos críticos de la máquina durante un ciclo de alimentación. Su puerto PROFINET integrado admite hasta 16 conexiones Ethernet, funcionando como un controlador de E/S para una moderna red de dispositivos de campo, como se muestra en la Figura 2.

Figura 2: Ejemplo de un controlador PROFINET IO y topología de dispositivos IO con CPU SIMATIC. (Fuente de la imagen: Siemens)

Más allá de la lógica, la CPU integra seis contadores independientes de alta velocidad que pueden procesar trenes de pulsos de hasta 100 kHz, lo que los hace ideales para tareas de medición y posicionamiento precisas con encóderes. Además, la CPU 1214C cuenta con dos entradas analógicas integradas (0-10 V), lo que proporciona una capacidad integrada para la detección analógica básica sin necesidad de módulos adicionales. El diseño físico de la unidad está pensado para la realidad industrial, con un rango de temperatura operativa nominal de -20 °C a +60 °C y capacidad para soportar vibraciones de hasta 2 g (montaje en pared), lo que garantiza un funcionamiento fiable en entornos exigentes.

La CPU está disponible en múltiples variantes para adaptarse a cualquier infraestructura energética. El 6ES7214-1AG40-0XB0 es un modelo CC/CC para sistemas estándar de 24 VCC, mientras que el 6ES7214-1BG40-0XB0 (CA/CC/Relé) puede alimentarse desde una fuente de 120/230 VCA, lo que ahorra espacio y costes al eliminar la necesidad de una fuente de alimentación independiente. El 6ES7214-1AG40-0XB0 también dispone de cuatro salidas de tren de pulsos para el control de velocidad y posición en bucle abierto de motores paso a paso, lo que reduce la necesidad de controladores de movimiento especializados en aplicaciones más sencillas.

Escalabilidad resuelta con E/S granulares de alto rendimiento

Una característica clave del S7-1200 es su modularidad. La CPU puede ampliarse con tarjetas de señalización (SB) para pequeñas adiciones y módulos de señalización (SM) para mayores requisitos de E/S, lo que permite optimizar la lista de materiales para la aplicación.

Modelo básico: Las 14 entradas y 10 salidas digitales integradas de la CPU 1214C suelen ser suficientes para las máquinas básicas, ya que proporcionan un punto de partida con un costo optimizado.

Modelo de nivel medio: Para añadir una señal analógica de 0-10 V para controlar un variador de frecuencia, se puede utilizar la tarjeta de señal SB 1232 >6ES7232-4HA30-0XB0, mostrada en la Figura 3. Se acopla directamente a la CPU y proporciona una única salida analógica con una resolución de 12 bits y un impresionante tiempo de conversión de 300 µs.

Esta velocidad es crucial para aplicaciones que requieren un control sensible de válvulas proporcionales u otros actuadores analógicos. El módulo puede accionar cargas con una impedancia mínima de 1000 Ω en una longitud de cable apantallado de hasta 100 m, lo que añade una funcionalidad crítica sin aumentar el espacio ocupado por el controlador.

Figura 3: Tarjeta de señalización SB 1232 - 6ES7232-4HA30-0XB0 para E/S adicionales para la CPU SIMATIC S7-1200. (Fuente de la imagen: Siemens)

Modelo de gama alta: Para controlar un colector de válvulas de 16 puntos, el módulo de señal SM 1222 6ES7222-1BH32-0XB0 (figura 4) proporciona 16 salidas digitales de transistor, cada una de ellas con una potencia nominal de 0.5 A. Un detalle clave para los ingenieros es la limitación incorporada en el módulo de la tensión de desconexión inductiva a un valor típico de (L+)-48 V, que ayuda a proteger las salidas de la contrafuerza electromagnética al conmutar cargas inductivas, como solenoides.

Figura 4: Módulo de señalización SM 1222 - 6ES7222-1BH32-0XB0 con 16 salidas de transistor con limitación inductiva de la tensión de desconexión. (Fuente de la imagen: Siemens)

Para un control analógico avanzado, el módulo de señal SM 1232 - 6ES7232-4HD32-0XB0 (Figura 5) ofrece cuatro canales de salida analógica de alta precisión. Cada canal se puede configurar para tensión (+/-10 V con resolución de 14 bits) o corriente (0-20 mA con resolución de 13 bits). Incorpora diagnósticos integrados de fallos eléctricos como rotura de cable y cortocircuito, lo que permite al programa PLC detectar fallos de cableado y posibles problemas de salida, aumentando así el tiempo de actividad y la fiabilidad de la máquina.

Figura 5: Módulo de señalización SM 1232 - 6ES7232-4HD32-0XB0 con diagnóstico integrado de control analógico para averías de rotura de cable y cortocircuito. (Fuente de la imagen: Siemens)

Resolver la conectividad con una comunicación integrada

Para una integración completa, la tarjeta de comunicación CB 1241 RS485 6ES7241-1CH30-1XB0 se conecta directamente a la CPU. Proporciona un puerto serie RS-485 físico sin aumentar las dimensiones del sistema, como se muestra en la Figura 6.

Figura 6: Configuraciones de terminación y polarización para la red de comunicación RS-485. (Fuente de la imagen: Siemens)

El puerto admite velocidades de comunicación de hasta 115.2 kbit/s a una distancia de 1000 m. La verdadera integración está en el software. El portal TIA incluye instrucciones de biblioteca no sólo para Modbus RTU (maestro y esclavo), sino también para la comunicación Freeport (ASCII), ideal para dispositivos sencillos como lectores de códigos de barras y el protocolo USS para la comunicación con variadores Siemens.

La configuración se gestiona íntegramente dentro del proyecto TIA Portal, asignando los datos en serie directamente a un bloque de datos PLC. Esto elimina la necesidad de herramientas de configuración externas, simplificando la arquitectura de red. Para el mantenimiento, la placa incluye LED de diagnóstico para las señales de transmisión (TxD) y recepción (RxD), que proporcionan un estado a simple vista de la actividad de comunicación que simplifica la resolución de problemas en el lugar.

Conclusión

Los principales desafíos para los ingenieros de automatización son la gestión de la complejidad y el diseño para la agilidad. La estandarización en una plataforma de control como SIMATIC S7-1200 de Siemens resuelve estos problemas. Al combinar un procesador capaz, como la CPU 1214C, con un ecosistema flexible de E/S modulares, desde el SB 1232 hasta el SM 1222 y el SM 1232, los fabricantes de equipos originales pueden crear una arquitectura de control única y escalable adecuada para una amplia gama de precios de máquinas.

Al utilizar opciones de comunicación integradas como la CB 1241, los integradores de sistemas pueden reducir la complejidad de las pasarelas externas. Este enfoque unificado, configurado dentro del entorno TIA Portal, puede reducir el tiempo de ingeniería, minimizar el inventario y dar lugar a soluciones de automatización sólidas y flexibles.