Reducir los tiempos de respuesta en las aplicaciones de automatización industrial

La tecnología Reaction reduce el tiempo de respuesta en las aplicaciones de automatización industrial hasta dejarlo en 1 µs. B&R ha diseñado esta tecnología de control ultrarrápida utilizando un hardware que puede ser programado según la normativa IEC 61131. El resultado es un aumento enorme del rendimiento sin el inconveniente de tener costes adicionales.

En muchas aplicaciones, la velocidad de control tiene un impacto directo en la calidad del producto. “Por ejemplo, en la conformación de botellas de PET, la presión ha de estar controlada de una manera muy precisa”, explica Anton Meindl, director de la Unidad de Negocio de Control de B&R. “Cuanto mayor es la precisión de control, más delgada se puede hacer la pared de la botella”. Otros ejemplos incluyen la alta precisión en el control de posición y de velocidad necesarios en las aplicaciones de inyección de plástico.

La industria gráfica es otra área donde la función de control de alta velocidad es esencial. “Cuando el papel se alimenta en la máquina, el borde tiene que ser detectado a una velocidad muy alta”, comenta Meindl. La lista de aplicaciones que podrían beneficiarse de los tiempos de respuesta ultrarrápidos es prácticamente interminable. La tecnología de E/S convencional funciona con un tiempo de respuesta mínimo de alrededor de 1 ms. “Una milésima de segundo ya no es lo suficientemente rápida para algunas aplicaciones”, apunta Meindl. “En las líneas de llenado de bebidas embotelladas, la tecnología de control necesita procesar más rápido la señal del sensor de nivel de llenado para poder conseguir resultados óptimos”.

Los tiempos de respuesta en las soluciones convencionales están influenciados por un número de factores como el rendimiento, el número de nodos o el tráfico de la red además del propio rendimiento del control. En el procesado convencional de señales, el controlador de entrada de un módulo de E/S lee la señal de entrada y la convierte en una señal lógica. Esta señal es enviada a través de la red al PLC central. El PLC procesa la señal y la envía de vuelta al módulo. El controlador de salida vuelve a convertirla y la envía adonde sea necesaria. Con este enfoque, no hay manera de lograr tiempos de respuesta muy por debajo del rango de milisegundos.

“Cuando desarrollamos la Tecnología Reaction nuestro objetivo era acelerar el procesado de la señal, integrándola al máximo directamente en los módulos de E/S”, comenta Meindl. “Al mismo tiempo, queríamos hacerlo sin renunciar a las ventajas de la gestión centralizada del software”. Esta nueva solución de B&R reduce el tiempo de retardo entre la recepción de la señal de entrada y el tiempo de envío de la señal de control a tan solo 1µs. La tecnología en sí se basa en módulos de E/S con chips FPGA integrados. “Hemos utilizado chips FPGA debido a su capacidad de procesar rápidamente señales en paralelo”, explica Meindl. Con unos 10 bloques de funciones conectados, el tiempo de procesado en el FPGA es aproximadamente de 0,8 µs.

Uno de los retos a los que se enfrentaban los desarrolladores de B&R era la habitual dificultad asociada con la programación de los FPGAs. “Encontramos una solución muy buena a este problema”, comenta Meindl. Los fabricantes de máquinas ahora pueden gestionar y programar los FPGAs en el conocido entorno de desarrollo de Automation Studio. Y lo pueden hacer mediante el desarrollo de programas y el uso de parámetros en forma de bloques de funciones IEC 61131, mientras que la comunicación entre las E/S y los programas de la CPU se lleva a cabo mediante el uso de variables de proceso. Esto permite que se puedan utilizar operadores lógicos como AND, OR, XOR y NOT, operadores aritméticos como ADD, SUB, MUL y DIV, y otras funciones como flip-flops, PWM, comparadores de funciones y contadores.

Las conexiones creadas con los bloques de funciones pueden ser probadas de la misma manera que el código de control habitual. La simulación es posible mediante la ejecución de los módulos en el control. Si todo funciona según lo previsto, la función del software ya se puede asignar al componente de hardware correspondiente en la configuración de hardware de Automation Studio. “Utilizando el mismo método de desarrollo sencillo de software al que los clientes de B&R están acostumbrados, con la tecnología Reaction se abre una nueva dimensión en términos de velocidad”, comenta Meindl. Con el objetivo de hacer las aplicaciones tan universales como sea posible, los bloques de funciones se pueden cargar en los módulos en cualquier momento para ser ejecutados dentro de los mismos.

La tecnología Reaction integra directamente en el módulo el procesado de la señal, eliminando del cálculo del retardo de respuesta tanto el tiempo de respuesta del bus como el del control central. “La tecnología Reaction siempre ofrece un rendimiento ultrarrápido”, comenta Meindl. Otras soluciones en el mercado o bien no ofrecen la misma velocidad o bien imponen restricciones innecesarias al fabricante de maquinaria con respecto a su flexibilidad y a su programación. Con el procesado de la señal utilizando la tecnología Reaction, el controlador de la entrada recibe la señal de entrada con una resolución de 20 ns y la convierte en una señal lógica. El FPGA posteriormente procesa esa señal con un tiempo de ciclo de hasta 1 µs. El resultado es devuelto al controlador de salidas del módulo de E/S. El módulo lo convierte y genera una señal física. En otras palabras, el FPGA asume la responsabilidad de ciertas funciones de control y reduce la carga del PLC.

“Dado que la tecnología Reaction se encarga de una parte importante de la carga de la CPU, se puede utilizar un PLC más pequeño”, explica Meindl. Esto significa que los fabricantes de máquinas pueden conseguir respuestas de control del orden de un microsegundo utilizando un control que funcione en el rango de milisegundos. “El usuario actualmente decide el tamaño del procesador que se ha de utilizar basándose en el promedio de la carga de CPU que requiere una aplicación, en lugar de basarse en la velocidad máxima exigida por algunas funciones específicas”, dice Meindl.

B&R ofrece la tecnología Reaction en módulos de E/S de las series X20 y X67 y en los autómatas compactos de la serie X20. Tres módulos con configuraciones diferentes de E/S están disponibles, incluyendo dos módulos de X20 (X20RT8001 y X20RT8201) y un módulo X67 (X67BC81RT).

Los módulos de X20 con protección IP20 tienen cada uno cuatro entradas digitales con filtro de entrada variable y otros cuatro puntos de E/S digital configurables con un tiempo de conversión físico por debajo de 2 µs. El módulo X20RT8201 tiene dos entradas analógicas adicionales (+/-10 V) con 12 bits de resolución y un tiempo de conversión de 5 µs. El módulo X67 cuenta con protección IP67 y ofrece dos entradas digitales de 24 VDC, tres entradas de 5 VDC y cuatro puntos de E/S configurables.

Además de las dos entradas analógicas, se ha integrado una salida analógica (+/-10 V) con 12 bits de resolución. B&R ofrece la tecnología Reaction en dos modelos de autómatas compactos, el X20CP1381-RT y el X20CP1382-RT. Estos autómatas compactos están disponibles con procesadores de 200 MHz o de 400 MHz. Dependiendo del modelo, también tienen hasta 256 MB de RAM y 16 kB de RAM no volátil integrada. Una unidad flash integrada de hasta 4 GB está disponible para el almacenamiento de aplicaciones y de datos. Los autómatas están equipados con Ethernet, USB e interfaces RS232, además de disponer de interfaces opcionales de Powerlink y CAN.