Historia

1700's

En general, se acepta que el inicio de la revolución industrial comenzó alrededor de 1760. Por supuesto, esto depende de la referencia que se utilice. En última instancia, el impulso de automatizar las tareas repetitivas comenzó más o menos cuando los humanos lo hicieron. El "final" de la revolución industrial se produjo supuestamente hace unos 100 años, aunque si miramos a nuestro alrededor hoy apenas parece haber terminado. El nivel actual de la industria y la automatización supera fácilmente los sueños de los primeros inventores. Inventores que, a lo largo de los años 1700 y 1800, aportaron avances en la tecnología de las máquinas e impulsaron la creación de la actual industria de control de movimiento.

1800's

El control del movimiento era inexistente y la automatización adoptaba la forma de toscos motores con trenes de transmisión de correas y poleas. Para alimentar un edificio industrial se necesitaba una gran rueda de agua en el exterior o una máquina de vapor en el sótano.

Normalmente, un tren de tracción vertical recorría el edificio desde una máquina de vapor situada en el sótano para transmitir la energía mecánica a cada planta. En el nivel del piso, una transmisión convertía la energía del tren motriz vertical en un tren horizontal que abarcaba el piso.

Cada departamento que necesitaba energía mecánica se conectaba a la línea principal con un mecanismo de embrague. Los operarios de las máquinas de coser, por ejemplo, utilizaban un embrague de pie para conectar las máquinas de coser a la fuente de energía.

1900's

Los ingenieros aprovecharon el impulso de finales del siglo XIX para hacer llegar a los consumidores los electrodomésticos alimentados por electricidad. La invención de Edison del generador de corriente continua en la década de 1870, la electricidad pública y el motor de corriente alterna de Tesla en la década de 1880, y el primer taladro eléctrico de mano en la década de 1890 dieron paso a las lavadoras y frigoríficos eléctricos hacia 1915. Para entonces, Henry Ford acababa de realizar una línea de producción móvil en la que las piezas estaban estandarizadas y la eficiencia de la fábrica se disparaba.

El descubrimiento de la retroalimentación

Fue en 1927 cuando Harold Black revolucionó las comunicaciones con el concepto de retroalimentación negativa en los amplificadores. Sin embargo, no fue el primero en cerrar un bucle de retroalimentación, ya que los termostatos y los hornos llevaban regulando la temperatura ambiente mediante retroalimentación desde finales del siglo XIX. James Watt había trabajado en un bucle de retroalimentación mecánica para su máquina de vapor incluso antes. Al igual que en la historia, Harold Black tuvo una epifanía de camino a casa desde el trabajo, al descubrir que la aplicación de una parte de la salida de un amplificador a la entrada podía reducir sustancialmente la distorsión de la señal. Poco después del descubrimiento de Black, en la década de 1930 llegaron los primeros productos de control de movimiento neumático que empleaban la retroalimentación para el control de bucle cerrado.

En ese momento, el control proporcional-integral-derivativo (PID) acababa de surgir como un pensamiento consciente para la mayor parte del mundo. J.C. Maxwell escribió un análisis matemático detallado sobre el PID en 1886, pero tuvieron que pasar unos 50 años para que llegaran productos que utilizaran intencionadamente el ajuste PID. Los años 40 y 50 marcaron el inicio de los grandes avances en el control PID. Por fin se reconoció la importancia del análisis matemático y se empezó a desarrollar la teoría de control como ciencia. Este fue, por supuesto, un período muy crudo de control PID.

Durante los años 50, 60 y 70, los vuelos espaciales y la guerra contribuyeron a estimular el esfuerzo por desarrollar algoritmos de control optimizados. Los dispositivos de estado sólido y la tecnología de motores se desarrollaron en los años 60 hasta el punto de que el control PID pasó a los microcontroladores. Las diversas mejoras y optimizaciones continuaron hasta finales de los años 70, cuando se introdujo la tecnología de conmutación por modulación de anchura de pulso (PWM) junto con los motores de imán permanente sin escobillas. El control de movimiento no ha sido el mismo desde entonces.

Control de movimiento digital

Durante los últimos 20 años, los DSP, las redes y la tecnología de conmutación PWM han creado un aumento exponencial en el uso del control de movimiento de bucle cerrado. La tecnología de conmutación PWM en amplificadores y fuentes de alimentación hizo posible la transmisión de energía de alta eficiencia y bajo calor. En pocos años, el tamaño de un amplificador de motor de 2kW se redujo de 100 libras o más, a algo que podía llevarse a mano y atornillarse a un panel.

Alrededor de 1990, los productos de control de movimiento basados en DSP empezaron a permitir la elaboración de sofisticados perfiles de movimiento y la comunicación digital a través de redes en serie. Estos rápidos cambios tecnológicos provocaron una ruptura en la estandarización de los productos de control de movimiento. Protocolos de red como Profibus (1989), DeviceNet (1994) y Smart Distributed Systems (1994), por ejemplo, intentaron hacerse con el mercado de las redes de área de control (CAN). Una de las primeras redes, CAN, existía desde mediados de los años 80 para la comunicación en el sector del automóvil; resultó ser tan versátil que se trasladó al mundo de la automatización en los años 90. Sercos apareció a principios de los 90 utilizando su propia capa de hardware con líneas de transmisión de fibra óptica, mientras que otras redes propietarias llegaron utilizando una capa de hardware RS-485.

En la actualidad, el sector dista mucho de estar estandarizado, con una increíble disponibilidad en tarjetas de control de movimiento inteligentes, servoamplificadores, motores, dispositivos de retroalimentación y enlaces mecánicos. Consulte "Motion Control Today" para obtener una breve actualización de todas estas opciones.

Presente

Hoy en día hay muchas opciones a la hora de montar un sistema. En teoría, el sistema ideal puede crearse combinando la mejor red, el mejor controlador, el mejor servoaccionamiento, el mejor motor y la mejor retroalimentación. Sin embargo, este sueño suele ser difícil de llevar a la práctica por problemas de interoperabilidad. La razón es que los fabricantes de equipos de control de movimiento tienden a desarrollar sus propios sistemas propietarios que limitan a los usuarios al hardware producido por ese fabricante. Muchas veces los usuarios encuentran soluciones empaquetadas adecuadas para el trabajo, pero a menudo el usuario no obtiene el mejor rendimiento posible. Existe un equilibrio entre la comodidad y el rendimiento.

Los diseñadores de sistemas de control de movimiento exigen cada vez más la disponibilidad de soluciones de estándares abiertos. Los sistemas basados en estándares abiertos permitirán a los ingenieros buscar los componentes que se ajusten a sus necesidades de coste/rendimiento y harán más realista el segundo aprovisionamiento de componentes críticos. CANopen se desarrolló específicamente para el control del movimiento y suele ser la red elegida por su probada fiabilidad en el control del movimiento y por ser un estándar abierto. Ethernet Power Link (EPL) es una extensión de Ethernet de CANopen que aprovecha las altas tasas de conectividad de Ethernet al tiempo que mantiene las sólidas capacidades de comunicación de CANopen. Estándares de red abiertos como éstos ayudarán a impulsar el desarrollo de sistemas de control de movimiento al siguiente nivel de rendimiento y comodidad. El futuro del control de movimiento pasa por una mejor integración de los componentes del sistema y una mayor facilidad de integración y programación.

Controlador

Los controladores de movimiento aportan inteligencia al movimiento de una máquina. Pueden ser independientes o tarjetas PCI que se montan directamente en un PC. Funciones como la generación de trayectorias, el perfilado de curvas en S, la compensación, los filtros de paso bajo, los filtros de muesca y otros algoritmos hacen que sea más fácil que nunca conseguir perfiles muy controlados. Los controladores de movimiento pueden controlar máquinas de uno o varios ejes con redes distribuidas o centralizadas. CAN y 100Base-T son las capas de red más comunes. Estas soluciones de red son populares, pero las fuentes de comandos analógicos y de pulso/dirección estándar siguen teniendo una gran parte del mercado y están disponibles en prácticamente todas las tarjetas de controladores de movimiento. Los controladores de movimiento suelen conectarse a un amplificador o "servocontrolador" que se sitúa entre el motor y el controlador.

Conduzca

La línea divisoria entre los servoaccionamientos y los controladores de movimiento ha empezado a difuminarse porque los servoaccionamientos están adquiriendo funciones que antes sólo tenían los controladores de movimiento. Cada vez hay más accionamientos con bucles de control sofisticados. Esto es bueno porque da al controlador de movimiento espacio para algoritmos de mayor nivel. Aunque los accionamientos analógicos constituyen un gran porcentaje de los servosistemas, los accionamientos digitales son cada vez más atractivos debido a las E/S programables y a las numerosas funciones configurables por software. Una de las muchas ventajas de pasar a la tecnología digital es que toda la funcionalidad de un servoaccionamiento digital puede modificarse con una simple descarga de firmware, lo que hace que las actualizaciones de campo con nuevas funciones sean rápidas y sencillas.

Motor

Hay motores de cualquier tamaño y forma con diversos esquemas de control. Los motores a prueba de explosiones son muy populares en entornos volátiles y los motores sin bastidor hacen posible una estrecha integración. Las industrias farmacéutica y de bebidas utilizan motores "wash down" para aplicaciones específicas en las que el motor se lava a presión periódicamente. Los fabricantes de motores pueden crear motores con cualquier tipo de especificación, como tamaño, peso, forma, índice de par, índice de velocidad, constante del motor y mucho más. Hay muchos tipos de motores entre los que elegir: motores paso a paso, motores de inducción de CA monofásicos y trifásicos, motores sin escobillas de imán permanente, motores con escobillas de imán permanente y motores lineales sin escobillas. Para controlar la posición o la velocidad de uno de estos motores, se necesitan dispositivos de retroalimentación adecuados.

Comentarios

Hay algunos dispositivos de retroalimentación estándar que funcionan para la mayoría de las aplicaciones. Entre ellos están los tacómetros, los codificadores incrementales, los codificadores absolutos, los resolvers, los potenciómetros analógicos y los Halls. Mientras que todos los dispositivos mencionados utilizan trenes de pulsos digitales de nivel TTL o señales analógicas, los dispositivos de retroalimentación absoluta más recientes son capaces de comunicarse en serie. En lugar de limitarse a leer una tensión o a contar pulsos, el accionamiento o el controlador deben comunicarse activamente con el dispositivo de realimentación para recibir una indicación digital de la posición del rotor. Con codificadores sinusoidales de 1Vpp, algunas aplicaciones de alta precisión utilizan técnicas para lograr resoluciones de más de 4 millones de cuentas/revolución. Sin embargo, la resolución alcanzable en la carga depende en gran medida de las conexiones mecánicas y de los esquemas avanzados de retroalimentación, como la retroalimentación de doble bucle.

Vea cómo se unen todas las piezas en la descripción general de Motion Control