Si alguna vez se ha parado junto a una fresadora CNC de alta velocidad o un torno de precisión realizando un corte complejo, probablemente se habrá preguntado cómo es que cada parte del proceso se alinea tan perfectamente. Una de las preguntas más comunes que recibo de los fabricantes de máquinas herramienta, técnicos de mantenimiento y gerentes de producción es la siguiente: ¿Puede un VFD para husillo de máquina herramienta comunicarse con un PLC? Como proveedor de estas unidades especializadas, trabajo con estos componentes todos los días, y la respuesta corta es sí, pero hay mucho que hacer para que esa comunicación sea confiable, razón por la cual es una parte tan crítica del rendimiento de las máquinas herramienta modernas.
Comencemos con lo que hace cada una de estas partes, para preparar el escenario. Un VFD (variador de frecuencia) para el husillo de una máquina herramienta no es lo mismo que el VFD que podría usar para un transportador o ventilador básico. Está diseñado para soportar las exigencias extremas del mecanizado: altas velocidades que pueden superar las 20 000 RPM, control de torsión preciso para cortes pesados y regulación estricta de la velocidad para evitar el desgaste de la herramienta o defectos de las piezas. Un PLC (controlador lógico programable), por otro lado, es el “cerebro” de la máquina: ejecuta el programa que le indica a la máquina cuándo mover ejes, cambiar herramientas, ajustar las velocidades de avance y, sí, controlar el husillo. Para que estos dos trabajen juntos, necesitan "hablar" entre sí de manera constante, sin importar cuán exigente sea el proceso de mecanizado.
Cuando comencé en esta industria, muchos VFD de husillo operaban con señales simples de encendido/apagado o voltaje analógico que le indicaba al husillo que acelerara o desacelerara. Eso funcionó para aplicaciones básicas, pero si necesitaba ajustar la velocidad a mitad de corte, sincronizar la velocidad del husillo con la velocidad de avance de un hilo u obtener datos en tiempo real sobre la temperatura o la carga del husillo, las señales analógicas simplemente no eran suficientes. Lo analógico puede ser propenso al ruido eléctrico de otros componentes de la máquina, lo que genera velocidades inconsistentes o incluso mensajes de error que apagan la máquina a mitad del trabajo. Ahí es donde entran los protocolos de comunicación digital y ahí es donde ocurre la verdadera magia cuando se conectan un VFD y un PLC.
Actualmente, existen varios protocolos comunes que se utilizan en las aplicaciones de máquinas herramienta y no todos los VFD los admiten. Como proveedor, me aseguro de que el VFD para husillo de máquina herramienta que proporcionamos funcione con los estándares de comunicación PLC más utilizados, incluidos PROFINET, Modbus RTU/TCP y Ethernet/IP. Estos protocolos permiten que el PLC envíe algo más que un comando de velocidad: pueden indicarle al husillo que cambie la velocidad de 1000 RPM a 15 000 RPM en milisegundos, ajustar el torque según el material que se está cortando y obtener datos en tiempo real como carga del husillo, temperatura o códigos de alarma. Por ejemplo, si una cortadora comienza a desgastarse durante una tirada larga, el PLC puede comunicarlo al VFD del husillo para ajustar ligeramente la velocidad para compensar, manteniendo constante la calidad de la pieza sin detener la producción.
Hablemos de cómo funciona esto en una configuración de máquina herramienta del mundo real. El año pasado, un cliente que construye centros de mecanizado de aluminio de alta precisión se acercó porque su antiguo VFD de husillo no se comunicaba de manera confiable con su nuevo PLC, lo que generaba frecuentes desechos de piezas y tiempo de inactividad. Su antiguo variador solo usaba señales analógicas y en sus instalaciones había mucha otra maquinaria en funcionamiento que causaba interferencias eléctricas, lo que hacía que las señales de velocidad vibraran. Recomendamos un VFD para husillo de máquina herramienta que admita PROFINET, un protocolo diseñado para la automatización industrial, porque es más inmune al ruido y tiene una transferencia de datos más rápida. Una vez que cambiamos el disco antiguo y programamos el PLC para comunicarse con él, el problema desapareció. Ahora, el PLC puede ajustar la velocidad del husillo en sincronía con el movimiento del eje, lo que reduce el tiempo del ciclo en un 12 % y corta las piezas de desecho en un 8 %. Ése es el tipo de diferencia que hace una buena comunicación.
Otra cosa a considerar es la compatibilidad. No todos los PLC funcionan con todos los protocolos de comunicación VFD, por lo que es importante verificar ambos antes de realizar una compra. Por ejemplo, si su fábrica utiliza PLC de Allen-Bradley, elegir un VFD que admita Ethernet/IP simplificará mucho la integración, ya que están diseñados para funcionar juntos sin problemas. Aquí también es donde brillan las unidades especializadas, como nuestro inversor de frecuencia de husillo CNC de 380 V: están preconfiguradas para funcionar con PLC comunes, por lo que no tiene que pasar semanas solucionando problemas de comunicación durante la instalación. He visto a clientes desperdiciar miles de dólares porque compraron un VFD que solo funciona con un protocolo propietario y su PLC no es compatible. Tomarse el tiempo para hacer coincidir los protocolos desde el principio ahorra muchos dolores de cabeza más adelante.
La precisión lo es todo en las máquinas herramienta, y ahí es donde la comunicación digital realmente destaca sobre los antiguos métodos analógicos. Con la señal analógica, la señal de velocidad suele ser una señal de 0-10 V o 4-20 mA, lo que significa que la velocidad puede variar ligeramente según las caídas de voltaje o el ruido. Con un protocolo digital, los datos se envían como código binario, por lo que es casi imposible que la interferencia eléctrica altere el comando real. Eso significa que el husillo funcionará exactamente a 10.000 RPM cuando el PLC se lo indique, ni más ni menos. Para aplicaciones como fundición a presión o fabricación de moldes, donde incluso una variación de velocidad del 1% puede arruinar una pieza, ese nivel de precisión no es negociable.
También me preguntan si esta comunicación es bidireccional y ese es un punto clave. Mucha gente piensa que es sólo el PLC el que envía comandos al VFD, pero el VFD también puede enviar datos al PLC. Esto se llama "monitoreo del estado del dispositivo" y es un gran beneficio para el mantenimiento y la productividad. Por ejemplo, si el husillo se calienta demasiado debido a un cojinete desgastado, el VFD puede enviar una señal de advertencia al PLC, que puede ralentizar el husillo para enfriarlo o alertar al operador para programar el mantenimiento antes de una falla catastrófica. Esta capacidad de mantenimiento predictivo reduce el tiempo de inactividad no planificado, lo cual es muy importante para los gerentes de producción que siempre buscan aumentar el tiempo de actividad.
Por supuesto, existen algunos factores que pueden afectar la comunicación entre un VFD y un PLC, incluso si utilizan el mismo protocolo. El cableado es un problema importante: los entornos industriales tienen muchas EMI (interferencias electromagnéticas) de motores, soldadoras y otros equipos, por lo que es importante utilizar cables Ethernet blindados y mantenerlos alejados de los cables de alimentación. Si el cableado pasa demasiado cerca de líneas de alto voltaje, la señal puede distorsionarse y provocar errores de comunicación. Otro factor es la programación del PLC: si las instrucciones para enviar comandos de velocidad o leer datos no están configuradas correctamente, incluso el mejor VFD y el mejor protocolo no funcionarán. Por eso es valioso trabajar con un proveedor que ofrezca soporte con la configuración y la programación; Ayudamos a los clientes a asegurarse de que la comunicación esté configurada correctamente desde el principio.
Abordemos también un error común: algunas personas piensan que debido a que los VFD y PLC son fabricados por diferentes fabricantes, no pueden comunicarse. Si bien es cierto que algunos protocolos propietarios limitan la compatibilidad, los protocolos industriales más comunes son estándares abiertos, lo que significa que cualquier fabricante puede crear un dispositivo que los admita. Por eso es tan importante elegir un VFD que utilice protocolos abiertos, como los que ofrecemos. Nuestro equipo trabaja con los clientes para confirmar la compatibilidad con sus modelos de PLC específicos, para que no tengan que preocuparse por tener problemas.
Para los talleres mecánicos más pequeños, se podría pensar que este nivel de comunicación es excesivo, pero incluso para tornos o fresadoras CNC más pequeños, los beneficios se suman. Un pequeño taller con el que trabajé el año pasado fabricaba piezas personalizadas para fabricantes locales y su configuración anterior utilizaba un simple interruptor de encendido/apagado para el husillo, por lo que tenían que ajustar la velocidad manualmente girando un potenciómetro en el variador. Al cambiar a un VFD para husillo de máquina herramienta que se comunica con un pequeño PLC, ahora pueden almacenar múltiples perfiles de velocidad para diferentes materiales (como aluminio versus acero) para no tener que ajustar el variador cada vez que cambian de trabajo. Eso redujo el tiempo de cambio de trabajo en 20 minutos por ejecución de piezas, lo que sumó cientos de dólares en ahorros por mes.
Ahora, si está buscando un nuevo VFD para el husillo de su máquina herramienta, o está buscando actualizar su configuración actual para mejorar la comunicación con su PLC, es importante buscar una unidad diseñada específicamente para máquinas herramienta, no solo un VFD de uso general. Los VFD de uso general pueden funcionar para ventiladores o bombas, pero no tienen la regulación de velocidad ni las capacidades de comunicación necesarias para el mecanizado de precisión. Los VFD especializados para husillos, como nuestro inversor de frecuencia de husillo CNC de 380 V, están diseñados para manejar las altas cargas dinámicas del mecanizado, admitir los protocolos de comunicación necesarios y integrarse perfectamente con los PLC.
Si está cansado de errores de comunicación, velocidades de husillo inconsistentes o tiempos de inactividad no planificados debido a una mala integración entre su VFD y PLC, es hora de hacer un cambio. Hemos ayudado a cientos de fabricantes y operadores de máquinas herramienta a hacer que sus sistemas funcionen de manera confiable y también podemos ayudarlo a usted. Ya sea que esté trabajando en la construcción de una nueva máquina o actualizando una configuración existente, nuestro equipo puede guiarlo en la elección del VFD adecuado para el husillo de la máquina herramienta que coincida con su PLC, configurar el protocolo de comunicación y brindar soporte en cada paso del camino. Contáctenos hoy para obtener más información sobre nuestras soluciones y cómo podemos mejorar el rendimiento de su máquina herramienta.
Referencias
- "Protocolos de comunicación industrial para aplicaciones de máquinas herramienta", IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol. 17, n° 3, 2021
- "Accionamientos de frecuencia variable para mecanizado de precisión: compatibilidad y rendimiento", Ciencia y tecnología del mecanizado, vol. 25, núm. 4, 2022
- "Integración de PLC y accionamiento de husillo: mejores prácticas para la automatización industrial", Revista de automatización industrial, segundo trimestre de 2023
- "Compatibilidad electromagnética en la comunicación de accionamientos industriales", Revista de ciencia e ingeniería electromagnética, vol. 22, n° 2, 2022