Conexiones para Control:Interfaces de Comunicaciones para Sensores de Posición y Movimiento

Las interfaces de comunicaciones proporcionan el enlace más importante entre los sensores (los "nervios" de un sistema de control) y los controladores (el "cerebro"). Se ha introducido una impresionante variedad de tecnologías de comunicación para proporcionar este enlace, generalmente con características y capacidades adaptadas a un cierto tipo de sistema de control. Veamos algunas tecnologías de comunicación ampliamente utilizadas para el control de movimiento.

Soluciones especiales para casos especiales

Para algunos sensores que brindan retroalimentación para el control de movimiento, la tecnología de medición dictará la interfaz de comunicaciones. Los codificadores incrementales entregan un flujo continuo de pulsos de señal, uno por cada vez que el eje del codificador gira una cierta cantidad. Sobresalen en el control de velocidad, ya que el controlador puede determinar con precisión la velocidad de rotación a partir del intervalo entre pulsos.

Muchos codificadores incrementales transmiten dos señales de salida, denominadas A y B, con una diferencia de fase de 90°, lo que permite que el controlador determine la dirección de rotación. Algunos también emiten una señal Z una vez cada rotación en un ángulo de rotación definido. Esto proporciona un punto de referencia preciso.

La conexión entre un codificador incremental y su controlador debe ser punto a punto, con un cable dedicado que conecte cada codificador a su controlador. Las comunicaciones generalmente se basan en una señal diferencial transmitida a través de cableado de par trenzado, y la cantidad de pares de conductores en el cable depende de la cantidad de señales (A, B y Z).

Los controladores de salida en los codificadores deben ser compatibles con la interfaz del controlador; los controladores de salida Push-Pull (HTL) o RS-422 (TTL) se utilizan comúnmente. Estos estándares especifican el voltaje de la señal.

Sensores de posición absoluta

El resto de este artículo se centrará en sensores de posición absoluta, como codificadores e inclinómetros. Estos dispositivos reportan una posición medida en un instante específico en el tiempo, ya sea como un nivel de voltaje/corriente (codificadores analógicos) o mediante la transmisión de una palabra digital o “telegrama” (codificadores digitales). Estos dispositivos son ideales para aplicaciones de control de posición.

Los sensores analógicos tienen una larga historia, con sistemas de control anteriores que usaban potenciómetros (resistencias variables). Más recientemente, se han introducido sensores digitales con convertidores D/A incorporados. Están disponibles con salidas de tensión (p. ej., 0-5 V) o de corriente (p. ej., 0-20 mA). Cuentan con convertidores D/A programables para que se pueda configurar un rango predeterminado de movimiento mecánico (desde una fracción de vuelta hasta múltiples revoluciones) para abarcar el rango completo de salida eléctrica del sistema (por ejemplo, 0-5 V, 0-20 mA). ). Esto mejora la precisión y la resolución en el rango de movimiento más significativo. Los sensores analógicos requieren conexiones punto a punto, a menudo con un cable de calibre relativamente grande para limitar la resistencia eléctrica.

Los codificadores absolutos con interfaces de bits paralelos notifican las mediciones como una palabra digital, con un conductor separado para cada bit. La respuesta es virtualmente instantánea. La conexión es punto a punto, normalmente a través de un cable tipo cinta. Como este tipo de cable es relativamente voluminoso e inflexible, los sistemas de bit paralelo funcionan mejor en distancias cortas.

Cableado digital punto a punto

Con el cableado punto a punto, un cable dedicado se extiende desde el controlador hasta cada sensor individual. Las interfaces SSI (Serial Synchronous Interface) y BiSS (Bidireccional Serial Synchronous) para codificadores absolutos utilizan sistemas de cableado punto a punto. Estas son interfaces digitales que pueden conectarse directamente a PLC u otros controladores. Las conexiones SSI ofrecen buena velocidad (frecuencias de reloj de hasta 2 Mhz), alta resolución, cableado flexible y comunicación confiable hasta unos pocos cientos de metros (aunque las velocidades en baudios se reducen para distancias más largas). Los protocolos SSI brindan detección básica de errores (cable roto, cortocircuito, consistencia de datos).

BiSS es una versión avanzada de SSI que admite comunicaciones en tiempo real entre dispositivos de control y sensores/actuadores en servomotores, robots y otros sistemas de automatización. La interfaz también permite que el controlador establezca parámetros operativos en dispositivos esclavos. Hay varias variantes de BiSS, incluidas BiSS C (comunicaciones continuas) y BiSS Line (diseñado para configuraciones que combinan suministro de energía y transmisión de datos en un solo cable). Los estándares de interfaz SSI y BiSS de código abierto no son propietarios, con licencias sin costo.

Las comunicaciones SSI y BiSS utilizan conexiones punto a punto, generalmente RS-422. Se pueden conectar en cadena varios dispositivos para lograr diseños de cables más eficientes.

Fieldbus:Sistemas de cableado de acceso compartido

El cableado punto a punto funciona bien para sistemas con distancias cortas y una cantidad limitada de dispositivos, pero a medida que aumenta la cantidad de sensores, los diseños de cableado pueden volverse difíciles de manejar. A medida que los sistemas automatizados se volvieron más sofisticados y creció la cantidad de dispositivos conectados, varios fabricantes introdujeron sistemas de bus de campo. Estas redes de características se basan en una topología de bus, con varios dispositivos que comparten una red troncal de cableado común. Los sistemas de bus de campo son confiables, rápidos y relativamente rentables. Las aplicaciones van desde transportadores e instalaciones de fabricación hasta equipos móviles, equipos médicos, turbinas eólicas y paneles solares.

Tener varios dispositivos compartiendo un canal de comunicaciones común puede causar problemas con los tiempos de respuesta:cuando el tráfico en el autobús es pesado, los mensajes de los sensores individuales pueden retrasarse por una cantidad de tiempo impredecible. Para evitar esto, la mayoría de los diseños de bus de campo permiten que el operador clasifique los dispositivos en orden de importancia. Esto ayuda a garantizar que los mensajes críticos reciban un tratamiento prioritario. La capa física de los sistemas de bus de campo generalmente se basa en cables de par trenzado (por ejemplo, EIA-485).

Los estándares de bus de campo populares incluyen Controller Area Network (CAN) de Bosch, CANopen, Profibus (Process Field Bus) de Siemens y DeviceNet de Allen-Bradley/Rockwell. DeviceNET, que se usa ampliamente en América del Norte, combina la capa física CAN con protocolos de nivel superior CIP (Common Industrial Protocol). SAE J1939, que utiliza los estándares de transporte de datos CAN, está optimizado para vehículos pesados.

Las redes constan de elementos físicos (cables, conectores y los componentes electrónicos que controlan el flujo de señales) y elementos lógicos (que abordan esquemas, protocolos de comunicación, perfiles de dispositivos, etc. que se implementan en software). En el mundo del bus de campo, muchos sistemas utilizan estándares CAN para definir los aspectos físicos de las redes, mientras que los protocolos de nivel superior, como CANopen, DeviceNet, J1939, etc., brindan una funcionalidad integral.

Ethernet industrial

Industrial Ethernet utiliza los mismos fundamentos técnicos que Office Ethernet pero con mejoras que lo hacen más adecuado para las duras condiciones de la fábrica. Las unidades de interruptores de grado industrial pueden presentar carcasas resistentes a prueba de agua y polvo, mientras que muchos dispositivos usan conectores M12 robustos en lugar de conectores RJ45 más vulnerables.

También hay actualizaciones importantes en los protocolos de comunicaciones. Las aplicaciones industriales, especialmente el control de movimiento, a menudo requieren que los controles funcionen en tiempo real, sin los retrasos de transmisión impredecibles (latencia o fluctuaciones) que pueden ocurrir en las redes Ethernet ordinarias. Los sistemas Ethernet industriales, como Profinet IRT, EtherNet/IP y Ethernet Powerlink, solucionan este problema a través de pilas de protocolos modificados y hardware especial que otorga a los mensajes críticos acceso prioritario al ancho de banda de la red. Los componentes especiales necesarios para lograr esto pueden aumentar la complejidad y el costo del sistema.

Cabe señalar que, si bien Ethernet ofrece una visión de una cantidad ilimitada de dispositivos y opciones de topología flexibles, los problemas de rendimiento del sistema, especialmente para aplicaciones de control de movimiento en tiempo real, pueden requerir compromisos de diseño que reduzcan el tráfico local y proporcionen rutas de comunicación directas para aplicaciones críticas. componentes.

IO-Link es un sistema de comunicaciones de bajo costo y fácil de implementar diseñado para simplificar las conexiones entre redes de bus de campo o Ethernet industrial y sensores o actuadores simples ubicados en la planta de producción. En un lado de un dispositivo de puerta de enlace maestra IO-Link hay una interfaz a la red de toda la planta, mientras que el otro lado tiene múltiples conexiones punto a punto a dispositivos sensores individuales.

La interfaz IO-Link para dispositivos finales es relativamente simple, lo que elimina la necesidad de admitir protocolos de comunicación complejos a nivel de sensor/actuador. IO-Link admite una variedad de tipos de datos, incluidos datos de medición, instrucciones de configuración del dispositivo e información sobre parámetros de condiciones de funcionamiento, como la temperatura.

Comunicaciones inalámbricas

Las tecnologías inalámbricas permiten la comunicación con maquinaria móvil (por ejemplo, vehículos guiados autónomos) o equipos que deben reubicarse con frecuencia. Wi-Fi (IEEE 802.11) y Bluetooth son estándares ampliamente utilizados para comunicaciones inalámbricas de corto alcance. Hay otros estándares disponibles para comunicaciones de mayor alcance, aunque estos pueden tener tasas de bits más bajas. Las redes 5G emergentes prometen altas velocidades de datos y baja latencia.

Las comunicaciones inalámbricas pueden ser menos confiables que las conexiones por cable en entornos eléctricamente ruidosos y pueden no ser adecuadas para señales de retroalimentación altamente dependientes del tiempo. En el caso de un robot de almacén, por ejemplo, se puede usar una señal inalámbrica para indicarle a la máquina que recupere material de una ubicación particular. Sin embargo, los sensores para la dirección, el control de velocidad y la prevención de colisiones normalmente estarían conectados al sistema de control para garantizar una respuesta instantánea y confiable.

Estándares abiertos para la compatibilidad

Ningún proveedor puede suministrar el mejor equipo de su clase para cada parte de un sistema de automatización complejo y los proveedores de tecnologías de redes industriales han pasado de sistemas de redes patentados a soportar estándares de redes e interfaces abiertas (proveedor neutral). Con estos estándares, los compradores de equipos de control de movimiento pueden mezclar y combinar componentes certificados por estándares de diferentes proveedores con la expectativa de que todo funcionará en conjunto.

Importantes organizaciones de estándares de la industria incluyen la Asociación de proveedores de dispositivos abiertos , patrocinadores de los estándares DeviceNet y Ethernet/IP; la CAN en la Asociación de Automatización , patrocinadores de los protocolos CANopen; y Profibus Nutzerorganisation , patrocinadores de las interfaces Profibus y Profinet.

Este artículo fue escrito por Christian Fell, gerente general de FRABA Inc., Hamilton, NJ. Para obtener más información, visite aquí .