Optimización del diseño de HMI industriales con dispositivos piloto modulares de 22 mm

El diseño y la implementación de la interfaz hombre-máquina (HMI) para maquinaria industrial y sistemas de control presentan un conjunto único de desafíos de ingeniería. Más allá de la funcionalidad básica, los componentes HMI actuales deben cumplir estrictos requisitos de fiabilidad operativa, resistencia ambiental y flexibilidad de diseño. Para los ingenieros electrónicos y los integradores de sistemas, la selección de componentes tiene un impacto directo no solo en la experiencia del usuario final, sino también en el costo total de propiedad (TCO), ya que afecta a factores como la gestión del inventario, el tiempo de instalación y el mantenimiento a largo plazo.

Este artículo técnico explorará cómo un enfoque modular de los dispositivos piloto de 22 mm puede dar respuesta a estos retos industriales. Utilizando la serie M22 de Eaton como caso de estudio técnico, este artículo examinará cómo la modularidad, la funcionalidad configurable en campo y la construcción sólida proporcionan a los ingenieros un conjunto de herramientas versátil y fiable para el diseño de HMI.

La base de este enfoque es un sistema en el que una amplia gama de operadores se construyen a partir de un conjunto común de componentes del panel posterior. La figura 1 ofrece una visión general representativa de una familia de componentes de este tipo, que ilustra la variedad de operadores y la naturaleza modular de su ensamblaje.

Figura 1: Diagrama de despiece que ilustra los componentes de una línea de productos de dispositivos piloto modulares de 22 mm. (Fuente de la imagen: Eaton)

Desafío 1: durabilidad y fiabilidad en entornos industriales difíciles

Uno de los principales desafíos en el diseño de HMI industriales es garantizar la capacidad de supervivencia y la fiabilidad a largo plazo de los componentes en entornos difíciles. La exposición a líquidos, polvo, aceite, agentes corrosivos y vibraciones importantes puede provocar fallos prematuros en los componentes electromecánicos estándar.

Tradicionalmente, la especificación de componentes para entornos difíciles requería la adquisición de piezas especializadas, a menudo caras, clasificadas para condiciones específicas. Los componentes estándar con menor grado de protección contra la penetración (IP) no son adecuados para aplicaciones que impliquen una limpieza regular con chorros de agua a alta presión o aquellas con una alta concentración de partículas en suspensión en el aire. Esto obliga a los diseñadores a sobreespecificar para todas las aplicaciones, lo que aumenta los costos, o a gestionar varios niveles de componentes para diferentes condiciones ambientales.

Una solución más eficaz es una línea de componentes en la que la alta resistencia medioambiental sea una característica básica. La serie M22 de Eaton, por ejemplo, está diseñada con altos grados de protección IP en toda su oferta estándar. Muchos automatismos, entre ellos la parada de emergencia M22S-PV con pulsador (figura 2) y el pulsador no iluminado M22S-DR-S (figura 3), cumplen las normas IP67 e IP69K.

Figura 2: Operador modular de parada de emergencia push-pull M22S-PV. (Fuente de la imagen: Eaton)

Figura 3: El pulsador RMQ-Titan M22-DR-S. (Fuente de la imagen: Eaton)

IP67 protege contra la inmersión temporal en agua. Esta clasificación es crucial para los componentes de maquinaria expuestos a agua estancada, salpicaduras fuertes o diversas condiciones climáticas exteriores.

IP69K protege contra chorros de agua a corta distancia, alta presión y alta temperatura. Se trata de un requisito fundamental en industrias como la alimentaria y de bebidas, la farmacéutica y la de maquinaria pesada, donde son habituales los protocolos de saneamiento estrictos y frecuentes.

Al estandarizar los componentes con estas clasificaciones, los ingenieros pueden diseñar sistemas capaces de soportar condiciones adversas sin necesidad de recurrir a piezas específicas, lo que simplifica el proceso de diseño y adquisición.

Otro aspecto de la fiabilidad es la fuente de luz para los operarios iluminados. Las bombillas incandescentes convencionales son susceptibles de averiarse debido a golpes mecánicos y vibraciones, y tienen una vida útil limitada, por lo que es necesario sustituirlas periódicamente. La línea M22, con operadores como el cuerpo de pulsador iluminado M22-DL-X que se muestra en la Figura 4, resuelve estos problemas utilizando exclusivamente iluminación LED.

Figura 4: El pulsador modular M22-DL-X con iluminación LED. (Fuente de la imagen: Eaton)

Los LED de estado sólido son intrínsecamente resistentes a los golpes y las vibraciones, por lo que ofrecen una vida útil considerablemente más larga, de hasta 100,000 horas. Esta longevidad elimina la necesidad de sustituir las bombillas a lo largo de la vida útil típica de una máquina, lo que reduce los programas de mantenimiento y mejora el costo total de propiedad. Además, el diseño óptico de las lentes M22 está adaptado a la salida de los LED, lo que garantiza una indicación clara y brillante que no se ve afectada fácilmente por la luz ambiente.

Desafío 2: optimizar el inventario y reducir el costo total de propiedad

Para los fabricantes de equipos originales y los integradores de sistemas, el costo de un componente va más allá de su precio de compra inicial. La complejidad y el costo de gestionar el inventario de una amplia gama de piezas funcionalmente diferentes, pero físicamente similares pueden ser considerables. Un panel de control típico puede requerir pulsadores momentáneos, pulsadores mantenidos y varias configuraciones de interruptores selectores, cada uno de los cuales corresponde tradicionalmente a un número de pieza único.

El almacenamiento de docenas de unidades de mantenimiento de existencias (SKU) de función fija genera elevados costos de mantenimiento de inventario, una mayor complejidad del almacén y el riesgo de retrasos en la producción si se agota una variante específica menos común.

Un sistema modular con operadores convertibles sobre el terreno ofrece una solución directa a este desafío logístico. Un pulsador mantenido de la serie M22, como el M22S-DR-S, puede ser convertido a una función momentánea por el instalador. La figura 5 muestra que esto se consigue ajustando un pequeño anillo de bloqueo accesible en el lateral del cuerpo del automatismo, una característica diseñada tanto para la flexibilidad como para la comodidad de la instalación. Gracias a esta característica, una sola referencia puede desempeñar la función de dos, lo que reduce a la mitad el inventario de pulsadores básicos.

Figura 5: El selector de funciones convertible en campo (izquierda) y la lengüeta antigiro para un montaje seguro (derecha). (Fuente de la imagen: Eaton)

Para los interruptores accionados por llave, como el M22-WRS (Figura 6), este sistema determina las posiciones en las que se puede retirar la llave. Del mismo modo, un selector de mando estándar de dos posiciones, como el M22-WKV (Figura 7), puede tener su función mantenida modificada en el campo, reduciendo aún más la necesidad de múltiples SKU con diferente lógica operativa. Esta adaptabilidad permite que unas pocas SKU de operador base sirvan para un gran número de requisitos lógicos específicos de cada aplicación.

Figura 6: El selector modular de dos posiciones M22-WRS accionado por llave. (Fuente de la imagen: Eaton)

Figura 7: El selector modular M22-WKV. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Al adoptar una familia de componentes modulares y convertibles, las organizaciones pueden reducir significativamente el número de números de pieza únicos en su inventario, lo que se traduce en un menor costo total de propiedad, una adquisición simplificada y una mayor flexibilidad de diseño.

Desafío 3: integrar control avanzado y seguridad en un espacio limitado

A medida que la maquinaria industrial se vuelve más sofisticada, la densidad de funciones de control en los paneles HMI tiende a aumentar. Sin embargo, el espacio físico de un panel de control suele ser un bien fijo y valioso. A menudo, los ingenieros tienen que ofrecer más opciones de control en menos espacio sin comprometer la facilidad de uso ni la seguridad.

El enfoque convencional de utilizar un operador estándar de 22 mm para cada función consume rápidamente el espacio disponible en el panel, especialmente en aplicaciones que requieren un control direccional multieje.

Los operadores especializados que reúnen varias funciones en un único recorte de 22 mm son una solución eficaz.

• Operadores de joystick: Para aplicaciones que requieren control direccional, como mover un pórtico o una cinta transportadora, un operador de joystick como el M22-WJ2H de la Figura 8 puede sustituir a dos pulsadores individuales. Esto ahorra espacio y proporciona una interfaz de control más intuitiva para el operador.

Figura 8: El operador de joystick de pulsador M22-WJ2H. (Fuente de la imagen: Eaton)

• Pulsadores dobles: Para controles de arranque/parada de alta densidad, un pulsador doble, como el M22-DDL-GR-GB1-GB0 (Figura 9), combina dos pulsadores (normalmente para ARRANQUE/PARADA) y un indicador luminoso central en una sola unidad. Estos componentes están especialmente diseñados para maximizar la densidad de control.

Figura 9: El pulsador M22-DDL-GR-GB1-GB0 para el control de arranque/parada. (Fuente de la imagen: Eaton)

La seguridad es un aspecto innegociable del diseño de una HMI. Los circuitos de parada de emergencia deben ser fiables y a prueba de fallos. Un requisito técnico clave para los componentes de estos circuitos es el concepto de "apertura positiva" (o acción de apertura directa) para contactos normalmente cerrados (NC), tal como se define en la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI)/EN 60 947-5-1. Esto garantiza que los contactos se abran mecánicamente por el movimiento del actuador, incluso en el raro caso de que se suelden los contactos.

El sistema M22 incluye una gama de operadores de parada de emergencia diseñados para funcionar con estos bloques de contactos de seguridad. Los tipos de actuador incluyen modelos estándar push-pull (M22S-PV) y modelos de liberación por llave, como el M22-PVS45P, como se muestra en la Figura 10. La versión de liberación de llave proporciona una capa adicional de seguridad, garantizando que una máquina no pueda reiniciarse tras una parada de emergencia sin la autorización del personal en posesión de la llave.

Figura 10: El operador modular de parada de emergencia por llave M22-PVS45P. (Fuente de la imagen: Eaton)

Conclusión

Los desafíos a los que se enfrentan los ingenieros electrónicos en el diseño de HMI industriales requieren una solución más holística que la simple selección de componentes individuales basada en una única especificación. Un sistema modular y configurable sobre el terreno de dispositivos piloto, como la serie M22 de Eaton, proporciona un conjunto de herramientas completo que aborda estos desafíos de forma sistémica.

Al aprovechar características como la alta protección contra la entrada, la iluminación LED de larga duración, la funcionalidad convertible en campo y una amplia gama de operadores especializados, los ingenieros pueden diseñar sistemas HMI que no solo son fiables y resistentes, sino también rentables de construir y mantener. Este enfoque de la selección de componentes a nivel de sistema conduce en última instancia a ciclos de diseño más eficientes, una logística más ágil y productos finales más seguros y duraderos.