Actuadores Eléctricos Diseñados para Reemplazar Fluidos: Tutorial Práctico
This article explains how integrated electric actuators, such as SMC’s e-Actuator series, are transforming industrial motion control by replacing traditional pneumatic and hydraulic systems. It hig...
Los actuadores eléctricos están surgiendo como una alternativa limpia y precisa a los sistemas de movimiento tradicionales basados en fluidos. Sin embargo, muchos ingenieros asumen que requieren cableado complejo, software y hardware de control en comparación con la simplicidad de la neumática y la hidráulica. En este tutorial, exploramos cómo la serie e-Actuator de SMC cierra esa brecha combinando una configuración sencilla con las ventajas del movimiento eléctrico. Desde lo básico del cableado hasta la configuración del software y los modos de operación, explicaremos cómo reemplazar sistemas de fluidos con un control eléctrico sencillo.
Los actuadores son motores que generan movimiento en dirección lineal. Para ello, utilizan tornillos, correas y sistemas de engranajes para convertir la rotación en movimiento rectilíneo.
Históricamente, la forma más común de crear movimiento lineal era con fluidos: la presión del aire y del fluido hidráulico. Esto sigue siendo muy común porque los sistemas son fáciles de crear y simples de manejar. Sin embargo, existen algunas ventajas al usar electricidad para duplicar ese mismo movimiento.
La electricidad puede llegar a ubicaciones remotas sin infraestructura voluminosa (bombas, tanques compresores, depósitos, etc.). También es mucho más limpia, ya que los fluidos a menudo tienen fugas y requieren mantenimiento. Los motores con codificadores pueden rastrear posiciones con mayor precisión, creando un perfil de movimiento completo, no solo desplazando el actuador de un extremo a otro.
La desventaja de la electricidad, al menos en la mayoría de los casos, es que cualquier sistema de accionamiento de movimiento es muy complejo: cables de señal, software de configuración, un controlador con un programa compatible, interfaces fieldbus, ajuste de bucles PID y más. En muchos casos, esto representa una barrera importante para simplemente cambiar un sistema de fluidos por uno eléctrico.
Algunas soluciones intentan duplicar la simplicidad de control de los fluidos, pero con las ventajas del perfil de movimiento de la electricidad mediante el uso de actuadores eléctricos. Investigaremos una de estas soluciones, la serie e-Actuator de SMC.
Figura 1. La serie e-Actuator en una unidad de demostración de SMC. Imagen usada con permiso del autor
Serie e-Actuator de SMC
El control de movimiento es un tema complicado porque abarca desde un botón que hace mover un eje, hasta un complejo lazo de precisión con múltiples retroalimentaciones y comunicación fieldbus con un controlador.
Si el objetivo es la facilidad de operación, preferimos el primer escenario. Un actuador eléctrico, donde una simple pulsación de botón o una entrada digital de un sensor ordena al eje moverse a una ubicación determinada. Eso es todo.
Figura 2. Controlador integrado con conectores para alimentación (abajo a la izquierda), E/S (abajo a la derecha) y conexión al PC (conector abierto superior). Imagen usada con permiso del autor
Usaremos un actuador tipo deslizador de la serie EQFS (agradecimientos especiales al equipo de SMC por prestar una muestra para pruebas de banco). Estos actuadores no están libres de controladores complejos. Sin embargo, está integrado directamente en el actuador y maneja automáticamente todo el trabajo pesado. Una mirada al lateral del módulo de control muestra un conector M12 para alimentación, un segundo M12 de 8 pines para las señales digitales de E/S y un tercer conector M12 para la conexión de configuración al PC.
Figura 3. Distribución de pines para alimentación (izquierda) y para E/S (derecha). Imagen modificada a partir del manual de usuario del producto SMC
La entrada de alimentación recibe +24 y 0 voltios de una fuente de alimentación de corriente continua.
La entrada de señal tiene algunos trucos más. Primero, es importante notar que, a diferencia de los módulos de entrada PLC, los pines de E/S están conectados internamente a la entrada de alimentación. Proporcionar 24 voltios a un pin de entrada es suficiente; no hay terminal Com. Esto también significa que los dispositivos externos de E/S deben ser alimentados por la misma fuente que el actuador, o al menos las masas de 0 V deben estar conectadas entre sí.
Los dos primeros pines son para las entradas de señal. Esto será muy importante en el siguiente paso cuando hablemos del software de configuración y los distintos modos de operación.
Configuración del Software
Programar los actuadores no es complicado. El software se llama e-Actuator Setup Tool, disponible gratuitamente desde SMC.
Conectar un cable convertidor M12-USB identificará automáticamente el tipo de actuador y proporcionará una interfaz para configurar todos los parámetros relevantes.
Figura 4. Modos de operación. Imagen usada con permiso del autor
Modos de Operación
Existen tres modos diferentes, todos los cuales pueden ser controlados solo con las dos entradas digitales.
- Modo solenoide simple: energizar IN1 mueve el actuador al extremo lejano, luego apagarlo hace que regrese al extremo de origen.
- Modo solenoide doble: energizar IN1 mueve el actuador al extremo lejano, luego energizar IN0 hace que regrese al extremo de origen. Energizar ambas entradas no hace nada.
- Modo centro cerrado: energizar IN1 mueve el actuador al extremo lejano, luego energizar IN0 hace que regrese al extremo de origen. Energizar ambas entradas lo mueve a un punto central.
Figura 5. Configuración de posición y velocidad. Imagen usada con permiso del autor
Configuración de Velocidad y Posición
La idea principal es configurar un sistema muy simple de operar, pero eso no significa que no podamos configurar algunos aspectos del movimiento.
Primero, podemos seleccionar el perfil de velocidad para ambas direcciones de movimiento. El perfil de velocidad incluye aceleración, velocidad máxima y desaceleración. Calcula automáticamente el tiempo total de recorrido basado en estas velocidades y la longitud del recorrido.
Hablando de la longitud, también podemos establecer la posición del extremo opuesto y del extremo de origen; no es necesario que se mueva hasta los límites físicos. También podemos elegir la posición intermedia exacta para el modo centro cerrado.
Cuando se configuran el modo de operación, la velocidad y los parámetros de posición, se puede guardar la información en el dispositivo.
Figura 6. Guardando datos en el dispositivo. Imagen usada con permiso del autor
Resumen del Movimiento Eléctrico
Aunque este método de movimiento es agradable y simple, no es razonable afirmar que la electricidad siempre sea la mejor opción. Siempre es mejor comparar los pros y contras de cada método de potencia para elegir el tipo correcto de sistema de movimiento para cada aplicación.