Preguntas y respuestas sobre los bloques de electroválvulas

El aire, si se comprime, es energía y su uso para el movimiento de actuadores, cilindros, válvulas y pinzas de agarre en manipuladores y brazos robóticos sigue siendo una realidad relevante en procesos productivos diversos. La facilidad de uso, la escasa necesidad de mantenimiento, así como la robustez y economía de estos dispositivos mecánicos siguen siendo argumentos de peso para su supervivencia tecnológica en entornos 4.0. El control para el paso del aire, y que provoca el movimiento del actuador, se produce a través de las conocidas válvulas neumáticas de 3 o 5 vías. Su integración como parte del sistema de control se realiza en muchos casos con las denominadas islas de válvulas, también conocidas como bloques de electroválvulas. Su evolución tecnológica en los últimos años ha sido muy relevante con grandes prestaciones que lo habilitan como el componente más tecnológico y avanzado de estos sistemas. Desde AeI preguntamos a los grandes fabricantes del sector.

PREGUNTAS

1. ¿Qué es un bloque de electroválvulas y en qué aplicaciones tiene sentido su uso?
2. ¿Cuáles son las características más importantes que deben reunir este tipo de componentes en aplicaciones de última generación?
3. ¿Cómo es la conexión entre el bloque y el sistema de control? ¿Existen posibles conexiones entre controladores y remotas sin cables (wireless)?
4. ¿Qué papel sigue teniendo la neumática en la denominada Industria 4.0?
5. ¿Cuál es su papel en la robótica colaborativa?

Víctor Labrador, responsable comercial para process Industry España y Portugal en Festo

1. Un bloque de válvulas es un conjunto de válvulas distribuidoras neumáticas, colocadas de manera que pueden incluir entradas y salidas eléctricas, que pueden ser controladas de forma individual o por bus de campo. Su objetivo principal es reducir los costes de instalación neumática y facilitar el mantenimiento, aunque los últimos avances tecnológicos permiten otras funciones tales como diagnosis, señales eléctricas, señales de presión o de temperatura, entre otras. Esto permite centralizar las diferentes señales e informaciones de la máquina en un único elemento, optimizando así los costes de comunicación. Además, gracias al control por bus de campo, se ahorra espacio y tiempo en cableaddo, entubado y puesta en marcha, lo que permite reducir también los costes totales de mantenimiento. En definitiva, los bloques de válvulas son una buena opción para cualquier aplicación que necesite más de dos válvulas.

2. Un terminal de válvulas debe ser capaz de ofrecer diagnóstico, informando si se producen anomalías, como puede ser una bobina cortocircuitada, y ser flexible en sus posibilidades de conexión, desde conexión hilo a hilo o multipolar hasta conexión con los protocolos industriales más habituales, pasando por la conectividad con los últimos buses comunicación del mercado. Además, deben tener la capacidad de integración de las señales, tanto eléctricas como neumáticas, para poder crear subredes y poder decidir el tipo de red, ya sea semi centralizada o centralizada. También debe ser modular y contar con un fácil cambio de válvulas, para un sencillo mantenimiento. En aplicaciones punteras, estos bloques van a tener que adaptarse a los diferentes entornos.

3. La opción más utilizada actualmente es la conexión por bus de campo, que es la que se conecta al sistema de control con estos bloques de electroválvulas o periferias remotas, aunque también existen cabeceras para comunicación con wifi, que requieren de antenas receptores-emisores de las señales de estos buses de campo. En otras palabras, el terminal acaba en la cabecera  y la forma de conexión es una pasarela entre el PLC y el terminal de válvulas, por lo que la conexión puede hacerse mediante cable o wifi indistintamente. En cuanto a la comunicación wifi, existen diferentes protocolos. El más conocido es el WLAN, aunque también se puede hacer vía Bluetooth. A día de hoy este tipo de conexión es residual, ya que el cable asegura mejores tiempos de comunicación, mayor compatibilidad electromagnética, mayor distancia entre dispositivos y menores perturbaciones de comunicación.

4. La Industria 4.0 es disruptiva, en cuanto a avances tecnológicos y necesidades o retos de las empresas, como pueden ser prototipaje 3D, data análisis, machine leaning, etc. La neumática es un sistema de accionamiento muy extendido en la industria por su bajo coste de componentes, robustez ante sobrecargas y facilidad de transporte de energía. Por ello, la Industria 4.0 integra la neumática dentro de los campos de aplicación, sobre todo por su enfoque de análisis de consumos, mantenimiento preventivo, etc.

5. La Automatización neumática es una de las formas más simples, versátiles y seguras de realizar aplicaciones complejas en garras de robots. La neumática usa componentes ligeros y que ocupan muy poco espacio, por lo que es una de las mejores opciones en robótica, ya que cuentan con payloads limitados. Por otro lado, también ofrece un control de la fuerza mediante la regulación de la presión de trabajo, hecho que permite diseñar aplicaciones seguras para la interacción robot-operario en entornos de trabajo colaborativos. Por ello, los bloques de válvulas neumáticas seguirán siendo un elemento clave en este tipo de aplicaciones, que requieren la combinación de múltiples movimientos sencillos en espacios reducidos.

Tomas Kälble Diplom Ingenieur (FH), Manager Product Marketing valves & valve systems en Emerson

1. Un sistema de válvulas es una combinación de varias válvulas individuales, en las que la alimentación neumática y el control eléctrico suelen estar integrados de forma centralizada. El uso de sistemas de válvulas tiene sentido siempre que se requiera un gran número de funciones de válvulas en un espacio reducido, ya que se ahorra espacio de instalación y costes de montaje en comparación con las válvulas en línea con conexiones individuales. Las áreas de aplicación son numerosas. Empezando por el control de cilindros, como ejes neumáticos y pinzas o generación de vacío en aplicaciones de manipulación, así como funciones de soplado para la clasificación. La neumática ofrece grandes ventajas, especialmente en el sector de la alimentación y embalaje, debido al limpio y no crítico medio del aire. Pero la neumática también está muy extendida en el área de proceso, especialmente en las áreas explosivas. 

2. El área de aplicación de sistemas de válvulas es muy diverso. Incluso hoy en día, propiedades como la sencillez, la compacidad y el coste son las principales. En función de la estructura de la máquina, los sistemas de válvulas se siguen controlando eléctricamente con un cableado paralelo, es decir, a través de un cable multipolar. En sistemas más grandes, o cuando se requieren muchas señales o diagnósticos, es cada vez más popular el control en serie a través de buses de campo. Además de la estructura de control, la seguridad es una cuestión clave. Debido a la directiva europea sobre máquinas MRL 2006/42 / EG, las máquinas son cada vez más seguras, a lo que también contribuye la neumática. En particular, con los sistemas de válvulas, es posible implementar eficazmente los requisitos de seguridad standard para el control de máquinas ISO 13849. Para ello, en los modernos sistemas de válvulas se pueden integrar zonas de presión, tensión o válvulas de cierre y escape para poner las piezas de las máquinas en estado seguro, bajo demanda.

3. Una familia moderna de sistemas de válvulas ofrece todas las variantes de conexión eléctrica. Empezando por el cableado individual a través de conexiones de terminales o conectores SUB-D para cables multipolares hasta sistemas de comunicación en serie, siguiendo con IO-Link hasta protocolos de bus de campo basados en tecnología Ethernet rápida y en tiempo real. Las válvulas electroneumáticas requieren energía, por lo que un sistema de válvulas siempre está conectado a la alimentación eléctrica mediante un cable. Por ello, las ventajas de las soluciones inalámbricas son muy limitadas. En sistemas como AS-Interface o IO-Link, el suministro de energía y la comunicación se transmiten en paralelo en un solo cable, disponemos así de una solución que ahorra espacio, es rentable, sencilla y segura. Sin embargo, las soluciones inalámbricas pueden ser útiles para acceder al servidor web del sistema de válvulas para el servicio técnico a través de una conexión inalámbrica desde un dispositivo móvil y para leer la información de estado o los datos de diagnóstico en fábrica. (ej. con el módulo Aventics G3 ARM inalámbrico de Emerson).

4. La neumática y la Industria 4.0 se complementan perfectamente. Emerson reconoció rápidamente las ventajas y lleva mucho tiempo integrando las funciones e interfaces correspondientes en la electrónica de bus de campo de la serie AES y las va ampliando gradualmente. Por poner dos ejemplos: 1) Las fugas son un problema importante hoy en día con una gran atención a la eficiencia energética. Con el detector de caudal AF2 Aventics, Emerson ofrece una solución sencilla para supervisor y analizar el consume de aire y detectar fugas en una fase temprana. 2) Mantenimiento predictivo en sistemas de válvulas Aventics: Emerson ofrece una funcionalidad integrada en los sistemas de válvulas de la serie AV para un análisis preciso del ciclo de los procesos de conmutación y datos de los sensores con el fin de identificar cambios en el proceso en una fase temprana antes de que se conviertan en un problema en el resultado. 

5. La neumática no desempeña un papel directo en la robótica colaborativa. Sin embargo, debido a la mayor densidad energética de la neumática comparada con los actuadores eléctricos, por un lado, pero también por el comportamiento de limitación de fuerza y la protección contra sobrecargas, por otro, la neumática ofrece la ventaja de poder trazar una aplicación segura con poco esfuerzo técnico. Los sistemas de válvulas pequeños y ligeros, como la válvula Aventics de Emerson de la serie AV, también pueden instalarse directamente en el brazo del robot para controlar pinzas u otras funciones en distancias cortas. De este modo se puede comprobar que la electrificación y la neumática no se excluyen mutuamente, sino que se complementan bien.

Joao Luis Mota, Local Managing Director en Camozzi Iberica SLU

1. Cuando la aplicación electroneumática necesita de más de 1 electroválvula, 3 o 5 vías, resulta muy práctico utilizar las electroválvulas montadas en uno o más bloques. Estos bloques o islas de válvulas agrupan las conexiones neumáticas y simplifican las conexiones eléctricas a través de conexión individual de cada electroválvula, conexión agrupada multipolar o a través de un solo cable de bus de campo.

2. Las islas de válvulas, para que puedan dar respuesta a las muchas aplicaciones en automatización industrial electroneumática, deben sobre todo ser modulares, facilitando el montaje de electroválvulas adicionales, incluso de diferente tamaño; el montaje modular de componentes adicionales, tales como reguladores de caudal o de presión, la integración de módulos de entrada/salida digitales o analógicos, la conexión neumática a varias dimensiones de tubo, la conexión integrada de los escapes de las válvulas, así como la conexión eléctrica individual de cada electroválvula, la conexión agrupada multipolar o a través de uno de los múltiples protocolos de bus de campo.

3. La conexión entre el bloque y el sistema de control puede ser individual para cada una de las electroválvulas, multipolar con conector de 25 o 44 pines, por bus de campo; los protocolos disponibles, son: PROFIBUS-DP, CANopen, EtherNet/IP, PROFINET, EtherCAT y IO-Link; y conexión sin cables (wireless) disponible.

4. Cuando necesitamos realizar movimientos todo o nada, de una forma simple, robusta y económica, la electroneumática sigue siendo una solución muy eficaz. En el caso de Camozzi, se ofrecen también una serie de soluciones de electroneumática proporcional, que resultan en óptimas soluciones para posicionamiento, control de fuerza, control de velocidad o simplemente control de presión o caudal.

5. En la robótica colaborativa es muy importante disponer de componentes muy compactos y con bajo peso, en caso de que se opte por su colocación en partes móviles. En la robótica colaborativa es habitual ver actuadores y pinzas neumáticos mandados por islotes de válvulas de última generación.

págs. 35 a 37.