Las máquinas móviles de gran tamaño suelen necesitar decenas de sensores, interruptores, válvulas, actuadores y otros dispositivos eléctricos.
Los equipos de construcción, maquinaria agrícola, vehículos mineros, grúas y otras máquinas complejas necesitan supervisar y controlar señales distribuidas por diferentes zonas del equipo.
A medida que aumentan las funciones, las entradas y salidas disponibles en el controlador principal pueden dejar de ser suficientes.
En lugar de sustituir el controlador por uno de mayor capacidad, los fabricantes OEM pueden utilizar módulos de E/S remotos para ampliar el sistema de control mediante CAN Bus.
Este artículo explica cómo funciona la expansión de E/S en maquinaria móvil de gran tamaño y cómo una arquitectura distribuida puede crear sistemas de control más flexibles y escalables.
Un controlador de maquinaria móvil se conecta con numerosos dispositivos mediante canales de entrada y salida.
Las entradas habituales incluyen:
Sensores de presión
Sensores de temperatura
Sensores de posición
Interruptores de límite
Joysticks
Sensores de proximidad
Las salidas habituales incluyen:
Válvulas solenoides
Válvulas proporcionales
Relés
Luces de advertencia
Motores
Otros actuadores
Una máquina sencilla puede disponer de suficientes canales en el controlador principal. Sin embargo, cuando se añaden nuevas funciones, la cantidad de E/S necesaria aumenta rápidamente.
Por ejemplo, una grúa móvil de gran tamaño puede necesitar señales para:
Posición de la pluma
Presión hidráulica
Estabilizadores
Interruptores de límite
Monitorización de carga
Dispositivos de seguridad
Equipos auxiliares
En estos casos, la capacidad de un único controlador puede no ser suficiente.
La expansión de E/S consiste en añadir nuevos canales de entrada y salida a un sistema de control existente.
En lugar de conectar todos los dispositivos directamente al controlador principal, pueden añadirse módulos de E/S remotos conectados mediante una red como CAN Bus.
Una arquitectura básica puede ser:
Sensores / Actuadores↓Módulo de E/S Remoto↓CAN Bus↓Controlador Principal↓Pantalla HMI
El módulo remoto recopila las señales locales y transmite los datos al controlador.
Al mismo tiempo, el controlador puede enviar órdenes mediante CAN para gestionar las salidas del módulo remoto.
De esta forma se amplía la capacidad total de E/S de la máquina.
Esta es la situación más evidente.
Un controlador puede disponer de suficientes canales para una versión básica de la máquina, pero una versión más avanzada puede necesitar:
Sensores adicionales
Más válvulas hidráulicas
Nuevos interruptores
Accesorios adicionales
En lugar de rediseñar toda la arquitectura, puede añadirse un módulo de E/S.
Los fabricantes OEM suelen desarrollar varias versiones sobre una misma plataforma.
Por ejemplo:
Modelo BásicoControlador Principal↓E/S Estándar
Mientras que una versión avanzada puede utilizar:
Modelo AvanzadoControlador Principal↓E/S Estándar+Módulo de E/S Remoto
Esta arquitectura modular permite utilizar el mismo controlador principal en diferentes configuraciones de máquina.
En equipos grandes, los sensores y actuadores pueden encontrarse muy lejos del controlador central.
Ejemplos:
Grúas móviles
Camiones bomba de hormigón
Plataformas elevadoras
Maquinaria agrícola
Equipos mineros
Conectar cada dispositivo directamente al controlador puede generar mazos de cables largos y complejos.
Una alternativa es instalar el módulo de E/S cerca de los dispositivos:
Controlador Principal↓CAN Bus↓Módulo de E/S Remoto↓Sensores / Válvulas / Interruptores
Esto permite desarrollar una arquitectura de control distribuida.
En una arquitectura centralizada, la mayoría de los dispositivos se conectan directamente al controlador principal.
Sensor ─────────────┐Sensor ─────────────┤Interruptor ────────┤Válvula ────────────┼→
Controlador PrincipalVálvula ────────────┤Sensor ─────────────┤Interruptor ────────┘
A medida que aumenta el tamaño de la máquina, también aumenta la cantidad de cableado.
En una arquitectura distribuida, los módulos de E/S se colocan cerca de los dispositivos de campo:
Sensores / Válvulas↓Módulo de E/S││ CAN↓Controlador Principal↑│
CANMódulo de E/S↑Sensores / Válvulas
Este diseño proporciona mayor flexibilidad en equipos grandes con componentes eléctricos distribuidos.
Las entradas digitales supervisan señales de dos estados, como:
Interruptores de límite
Pulsadores
Sensores de proximidad
Interruptores de seguridad
Señales de estado
Las entradas analógicas se utilizan para señales que cambian continuamente.
Aplicaciones habituales:
Presión hidráulica
Temperatura
Posición
Nivel
Dependiendo del sensor y del módulo, pueden utilizarse señales de tensión, corriente o resistencia.
Las salidas digitales pueden controlar:
Relés
Luces
Válvulas solenoides
Zumbadores
Cargas ON/OFF
Los canales de salida remotos permiten controlar estos dispositivos sin llevar cada cable hasta el controlador central.
Algunos módulos de E/S remotos también incorporan salidas PWM.
Pueden utilizarse para:
Válvulas hidráulicas proporcionales
Control de velocidad
Actuadores controlados por corriente
Esto permite controlar determinadas funciones hidráulicas cerca del punto donde están instaladas las válvulas.
CAN Bus es especialmente adecuado para sistemas distribuidos de E/S en maquinaria móvil.
Una arquitectura típica puede incluir:
→ Módulo E/S 1/Controlador ─ CAN → Módulo E/S 2\→ Módulo E/S 3
Cada módulo añade canales de entrada y salida en una zona diferente de la máquina.
Dependiendo del sistema, la comunicación puede utilizar:
CANopen
J1939
Protocolos CAN personalizados
El controlador principal recibe información de cada módulo y envía órdenes según la lógica de control.
Una grúa móvil es un buen ejemplo de aplicación de E/S distribuidas.
El controlador principal puede instalarse cerca del armario eléctrico central, mientras que las señales están distribuidas entre:
Pluma
Estabilizadores
Sistema hidráulico
Cabina
Chasis
En lugar de llevar todas las señales directamente al controlador, pueden instalarse módulos de E/S en diferentes zonas.
Controlador Principal/ | \CAN CAN CAN↓ ↓ ↓E/S Pluma E/S Cabina E/S Estabilizadores
El módulo de la pluma puede recopilar señales de posición y límites.
El módulo de estabilizadores puede supervisar interruptores y controlar válvulas hidráulicas.
Este enfoque crea una arquitectura modular adaptada a la estructura física de la máquina.
Los fabricantes pueden comenzar con un controlador estándar y añadir capacidad cuando sea necesario.
Esto facilita el desarrollo de distintas versiones de máquina sobre una misma plataforma electrónica.
Los módulos remotos pueden instalarse según la estructura física del equipo, sin necesidad de dirigir todo el cableado hacia un único controlador.
Las nuevas funciones suelen requerir sensores o actuadores adicionales.
Una arquitectura ampliable permite añadir otro módulo remoto sin rediseñar completamente el sistema.
Colocar los módulos cerca de los dispositivos puede reducir la cantidad de cables de señal largos.
CAN Bus se utiliza para conectar los módulos remotos con el controlador principal.
Los módulos de E/S pueden instalarse fuera de armarios eléctricos protegidos.
Esto significa que pueden estar expuestos a:
Polvo
Agua
Vibraciones
Impactos
Cambios de temperatura
Interferencias electromagnéticas
Para aplicaciones de maquinaria móvil, los ingenieros deben considerar:
Grado de protección IP
Temperatura de funcionamiento
Diseño de conectores
Resistencia a vibraciones
Protección eléctrica
Un módulo diseñado para automatización de fábrica no siempre es adecuado para equipos móviles pesados.
Antes de añadir módulos remotos, es importante evaluar:
Número de canales adicionales
Tipos de señales digitales y analógicas
Requisitos de salida PWM
Corriente máxima de salida
Protocolo CAN
Carga del bus CAN
Ubicación de instalación
Alimentación
Protección ambiental
También conviene considerar futuras ampliaciones para evitar rediseños posteriores.
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