5 sensores Modbus esenciales para la automatización industrial (con ejemplos)

Cristina Botero -

En el mundo de la automatización industrial, los sensores desempeñan un papel crucial en la supervisión y el control de diversos procesos. Proporcionan datos esenciales que ayudan a tomar decisiones informadas para mejorar la eficiencia, la seguridad y la productividad. Uno de los protocolos más populares para la comunicación con sensores es Modbus. Este artículo repasa Modbus, las versiones RTU y TCP del protocolo, y destaca cinco tipos de sensores compatibles con Modbus que pueden tener un impacto positivo en distintos tipos de operaciones.

¿Qué es Modbus?

Modbus es un protocolo de comunicación serie desarrollado por Modicon en 1979 para utilizarlo con sus controladores lógicos programables (PLC). Desde entonces se ha convertido en un estándar en los sistemas de comunicación industrial. Modbus permite la comunicación entre varios dispositivos conectados a la misma red, como sensores, actuadores y controladores.

Modbus RTU

Modbus RTU (Remote Terminal Unit) es la versión más utilizada de Modbus. Funciona a través de líneas de comunicación serie como RS-485 o RS-232. El formato RTU incluye una comprobación de redundancia cíclica (CRC) para la verificación de errores, lo que garantiza una transmisión de datos fiable. Es especialmente popular por su sencillez y robustez en entornos industriales difíciles.

Modbus TCP

Modbus TCP (Protocolo de Control de Transmisión) es una variante que funciona a través de Ethernet. Esto permite velocidades de transferencia de datos más rápidas y la capacidad de integrarse con equipos de red modernos. Modbus TCP es beneficioso en entornos donde se requiere comunicación de alta velocidad y acceso remoto.

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Al tratarse de un protocolo antiguo y reputado, existen todo tipo de sensores compatibles con Modbus y las redes Modbus. Sin embargo, basándonos en nuestra experiencia en Ubidots y en pruebas prácticas, hemos decidido hacer una lista con cinco tipos de sensores compatibles con Modbus que pueden tener un profundo impacto en diferentes operaciones industriales y un ejemplo destacado para cada uno de ellos.

1. Contadores de energía Modbus

Los sensores de medición de potencia son cruciales para controlar parámetros eléctricos como la tensión, la corriente, el factor de potencia y el consumo de energía. Estos sensores ayudan a gestionar eficientemente el uso de la energía y a detectar anomalías que podrían indicar fallos en los equipos o derroche de energía.

  1. Tensión:
  • Procesos industriales: Los niveles de tensión incoherentes o incorrectos pueden provocar un funcionamiento ineficaz o incluso averías en la maquinaria. La sobretensión puede dañar equipos sensibles, como sistemas de control y ordenadores, mientras que la subtensión puede provocar un rendimiento inadecuado y un mayor desgaste de motores y otros componentes. Esto puede causar importantes tiempos de inactividad, reducir la productividad y aumentar los costes de mantenimiento.
  1. Actual:
  • Equipos industriales: Los equipos críticos de cualquier operación industrial pueden verse afectados rápidamente por la sobrecorriente si el calor resultante daña los cables y otros componentes. Además del calor, los potentes campos magnéticos provocados por la sobrecorriente también pueden someter a los equipos a una gran tensión, llegando incluso a deformarlos.
  1. Factor de potencia:
  • Sistemas HVAC: En los sistemas HVAC, un factor de potencia deficiente puede reducir la eficiencia de las operaciones de calefacción y refrigeración, lo que conlleva un mayor consumo de energía y mayores costes operativos.
  1. Consumo de energía:
  • En cualquier tipo de operación: Un consumo energético elevado sin una supervisión adecuada puede generar costes operativos excesivos, una mayor huella de carbono y un uso ineficiente de los recursos.

Es comprensible que el control de estas variables relacionadas con la energía pueda aportar ventajas como las siguientes:

  • Optimización de la energía: Al supervisar el uso de la energía, las empresas pueden identificar las áreas en las que se desperdicia y aplicar medidas para optimizar el consumo. De este modo, las operaciones son más eficientes y se reducen los costes energéticos.
  • Fiabilidad: Garantizar un suministro eléctrico estable y el correcto funcionamiento de los sistemas eléctricos aumenta la fiabilidad de los procesos industriales y minimiza las interrupciones.
  • Prolongación de la vida útil de los equipos: Una correcta supervisión de la alimentación ayuda a prevenir las condiciones que pueden dañar los equipos, alargando su vida útil y reduciendo la frecuencia de sustituciones y reparaciones.
  • Mitigación de riesgos: La supervisión de los parámetros de potencia ayuda a detectar a tiempo condiciones potencialmente peligrosas como sobrecorriente, sobretensión y cortocircuitos. Esto permite intervenir a tiempo para evitar accidentes y garantizar la seguridad.
  • Conformidad: Cumplir las normas de seguridad eléctrica es importante para cumplir las diferentes normativas habituales en todo el mundo. La medición de potencia puede ayudarle a evitar problemas legales gracias a reacciones oportunas.

El módulo de medición de potencia trifásica de WAGO es un dispositivo versátil y compacto diseñado para medir datos eléctricos en redes de suministro trifásicas. Alojado en una caja para montaje en carril DIN, este módulo proporciona capacidades de monitorización remota desde el nivel de control, por lo que resulta ideal para diversas aplicaciones industriales. El módulo mide variables eléctricas críticas, como la potencia activa, aparente y reactiva, el consumo de energía, el factor de potencia, el ángulo de fase y la frecuencia.

Una de las características destacadas del módulo de WAGO es su capacidad para almacenar variables medidas en una tarjeta microSD, lo que facilita la medición móvil y el registro de datos. El dispositivo admite la medición de corriente a través de un transformador de corriente de 1 A e incluye una salida de señal digital configurable para la salida de impulsos. Además, ofrece una interfaz de configuración para mostrar y configurar los valores medidos durante el funcionamiento, lo que garantiza la facilidad de uso y la flexibilidad.

2. Caudalímetros Modbus

Los caudalímetros Modbus son esenciales en diversas industrias, como las de tratamiento de aguas, procesamiento químico, petróleo y gas, y alimentación y bebidas. Estos sensores pueden medir el caudal volumétrico o másico de un fluido que se desplaza por una tubería, proporcionando datos críticos para el control y la optimización de los procesos. Los caudalímetros volumétricos miden el volumen de fluido por unidad de tiempo, mientras que los caudalímetros másicos miden la masa de fluido por unidad de tiempo. Los caudalímetros de densidad, aunque no miden el caudal directamente, se utilizan a menudo junto con los caudalímetros para proporcionar datos de densidad que pueden utilizarse para calcular el caudal másico a partir de mediciones de caudal volumétrico.

Comprender cómo influye la medición del caudal y la densidad en los procesos industriales y otras operaciones puede ayudar a conseguir una mayor eficacia, calidad y seguridad.

Cómo afectan los problemas de caudal y densidad a las operaciones

  1. Problemas de caudal:
  • Procesos industriales: La medición imprecisa del caudal puede dar lugar a mezclas inadecuadas y a una calidad irregular en los productos. Por ejemplo, en la industria química, los caudales incorrectos pueden dar lugar a proporciones erróneas de reactivos, generando productos fuera de especificación que pueden tener que ser reprocesados o desechados, aumentando así los costes operativos y los residuos.
  • Tratamiento del agua: En las plantas de tratamiento de agua, una medición incorrecta del caudal puede afectar a la dosificación de productos químicos, lo que puede provocar un tratamiento insuficiente o excesivo del agua. Esto puede dar lugar a una calidad insegura del agua, multas reglamentarias y un aumento de los costes operativos.
  • Invernaderos: En los invernaderos, un riego inadecuado debido a mediciones inexactas del caudal puede provocar estrés hídrico o encharcamiento en las plantas, afectando a su crecimiento y rendimiento. El riego excesivo también puede malgastar los recursos hídricos y aumentar los costes.
  1. Problemas de densidad:
  • Industria alimentaria y de bebidas: Las mediciones incorrectas de la densidad pueden dar lugar a productos de calidad desigual, lo que afecta al sabor, la textura y la satisfacción general del consumidor. Por ejemplo, en el procesado de productos lácteos, las variaciones en la densidad de la leche pueden afectar a la consistencia y calidad de productos como el queso y el yogur.
  • Industria del petróleo y el gas: En el sector del petróleo y el gas, las mediciones de densidad inexactas pueden dar lugar a procesos de separación ineficaces y a una facturación incorrecta. Esto puede acarrear importantes pérdidas económicas y disputas con clientes o proveedores.

La detección precoz de los problemas de flujo y densidad, o su prevención, ofrece estas y otras ventajas:

  • Consistencia: La supervisión del flujo y la densidad garantiza la calidad constante del producto al mantener las proporciones correctas de los materiales. Esto es especialmente importante en sectores en los que las fórmulas precisas son cruciales, como el farmacéutico y el químico.
  • Gestión de recursos: El flujo eficiente y el control de la densidad minimizan el uso de materias primas y reducen los residuos, lo que supone un ahorro de costes y unas operaciones más sostenibles.
  • Mantenimiento predictivo: Las anomalías en las mediciones de caudal y densidad pueden indicar posibles problemas en los equipos, como obstrucciones o fugas. La detección temprana permite realizar un mantenimiento preventivo, reduciendo los tiempos de inactividad imprevistos.
  • Protección del medio ambiente: Las mediciones precisas ayudan a controlar las emisiones y vertidos, reduciendo el impacto medioambiental y garantizando el cumplimiento de la normativa medioambiental.

El caudalímetro ultrasónico de 8 vías Rosemount 3418 de Emerson ofrece los más altos niveles de precisión y rendimiento para sofisticadas aplicaciones de medición fiscal. El Rosemount combina la potencia de dos medidores de diseño British Gas de 4 vías entrelazadas en un único cuerpo de caudalímetro. Esta innovadora configuración presenta una imagen especular del primer juego de cuerdas, anulando eficazmente los efectos del remolino y del flujo cruzado. Con una impresionante clase de precisión de 0,5 OIML, el Rosemount 3418 requiere sólo cinco diámetros de tramo recto y elimina la necesidad de un acondicionador de caudal, reduciendo significativamente los costes de compresión y bombeo, al tiempo que elimina el mantenimiento debido a bloqueos.

El Rosemount está repleto de funciones avanzadas que mejoran su funcionalidad y facilidad de uso. Su alta rangeabilidad de más de 100:1 asegura menos carreras de medidor, tamaños de línea más pequeños y menores costes de capital. Fabricado en acero al carbono y acero inoxidable duradero, el Rosemount 3418 está construido para resistir entornos industriales adversos, al tiempo que ofrece una precisión y un rendimiento inigualables.

3. Sensores ambientales Modbus

Los sensores ambientales son esenciales para controlar variables ambientales como los niveles de dióxido de carbono (CO2), la temperatura y la humedad. Estas mediciones desempeñan un papel fundamental en diversas industrias y aplicaciones, como sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado, invernaderos, almacenamiento de alimentos, fabricación, etc.

Impacto de los problemas ambientales

  1. Cambios de temperatura:
  • En procesos industriales: En la fabricación, el control preciso de la temperatura es crucial para mantener la calidad y consistencia de los productos. Por ejemplo, en la industria farmacéutica, las fluctuaciones de temperatura pueden afectar a la estabilidad y eficacia de los medicamentos.
  • En invernaderos: El control de la temperatura en los invernaderos es vital para el crecimiento y desarrollo de las plantas. Las temperaturas demasiado altas o demasiado bajas pueden frenar el crecimiento, afectar a la floración y reducir el rendimiento de los cultivos.
  1. Cambios de humedad:
  • En los procesos industriales: La humedad puede afectar significativamente a procesos como la pintura, el revestimiento y la impresión. Una humedad elevada puede causar condensación, lo que provoca defectos y mala adherencia, mientras que una humedad baja puede provocar problemas de electricidad estática.
  • En el almacenamiento de alimentos: El control adecuado de la humedad en el almacenamiento de alimentos es esencial para prevenir el deterioro y mantener la calidad del producto. Una humedad alta puede provocar la aparición de moho, mientras que una humedad baja puede hacer que los productos se sequen y pierdan su textura.
  1. Cambios de CO2:
  • En los invernaderos: Los niveles de CO2 en los invernaderos son críticos para la fotosíntesis. Unos niveles elevados de CO2 pueden mejorar el crecimiento y el rendimiento de las plantas, pero unos niveles excesivamente altos también pueden ser perjudiciales.
  • En habitabilidad/seguridad: Controlar los niveles de CO2 en edificios y espacios de trabajo ayuda a mantener una buena calidad del aire interior. Las concentraciones elevadas de CO2 pueden provocar somnolencia, menor productividad y problemas de salud.

Por consiguiente, vigilar las variables ambientales y actuar a tiempo ante cambios críticos aporta varias ventajas, entre ellas:

  • Consistencia: La supervisión y el control de las variables ambientales garantizan unas condiciones constantes, lo que se traduce en una mayor calidad y uniformidad del producto.
  • Cumplimiento de la normativa: En industrias como la farmacéutica y la alimentaria, el cumplimiento de estrictas normas medioambientales es crucial para garantizar la conformidad con los requisitos normativos.
  • Eficiencia de los recursos: El control preciso de las variables ambientales reduce el despilfarro de materias primas y energía. Por ejemplo, mantener los niveles de humedad adecuados puede evitar el deterioro de los productos y reducir el desperdicio en el almacenamiento de alimentos.
  • Seguridad en los procesos: En los procesos en los que intervienen sustancias volátiles, como la fabricación de productos químicos, el control de las condiciones ambientales es crucial para evitar situaciones peligrosas.

El SenseCAP SOLO CO2 5000 de Seeed Studio es un sensor de concentración de CO2 NDIR de alto rendimiento diseñado para diversas aplicaciones, como invernaderos, entornos urbanos, granjas avícolas y estaciones de transporte. Compatible con los protocolos de comunicación Modbus (Modbus-RTU/Modbus-ASCII) RS485 y SDI-12, este sensor compacto ofrece funcionalidad de calibración integrada, lo que facilita su integración y funcionamiento en diversos escenarios en los que la supervisión de los niveles de CO2 es fundamental.

El SenseCAP SOLO CO2 5000 presenta un amplio rango de medición de CO2 de 400ppm a 5.000ppm con una precisión de ± (50ppm + 5% * MV), lo que garantiza una recopilación de datos precisa y fiable. Su alta precisión, rápida respuesta y estabilidad superior lo convierten en una opción fiable para la monitorización continua de CO2. El dispositivo admite un amplio rango de alimentación de 5 V a 16 V, lo que proporciona flexibilidad en diferentes entornos de instalación. Su tamaño compacto y su excelente relación rendimiento-precio lo convierten en una solución ideal para diversas aplicaciones.

4. Sensores de presión Modbus

Los sensores de presión Modbus, también conocidos como transmisores de presión Modbus, se utilizan ampliamente en diversas industrias para supervisar y controlar la presión en procesos en los que intervienen gases o líquidos. La medición precisa de la presión es vital para garantizar la seguridad, la eficiencia y la calidad del producto.

Cómo afectan los problemas de presión a las operaciones

  • En la fabricación: Una presión incorrecta puede dar lugar a productos defectuosos y a ineficiencias en el proceso. Por ejemplo, en el moldeo de plásticos, una presión incorrecta puede dar lugar a productos mal formados, con el consiguiente aumento de las tasas de desechos y de los costes.
  • En alimentación y bebidas: En la industria alimentaria y de bebidas, mantener una presión precisa es esencial para procesos como la pasteurización y la carbonatación. Una presión incorrecta puede estropear los productos y poner en peligro la seguridad.
  • En los sistemas de filtración: En las plantas de tratamiento de agua, una presión incorrecta puede afectar a la eficacia de los sistemas de filtración. Una presión baja puede provocar una filtración insuficiente, con la consiguiente mala calidad del agua, mientras que una presión alta puede dañar las membranas de filtración, lo que conlleva costosas reparaciones y tiempos de inactividad.
  • En operaciones de perforación: En la perforación de petróleo y gas, mantener la presión correcta es fundamental para evitar reventones y garantizar la seguridad de las operaciones. Una presión incorrecta puede provocar fallos en los equipos, riesgos para la seguridad y contaminación medioambiental.
  • Sistemas de riego: En los invernaderos, los problemas de presión pueden afectar al rendimiento de los sistemas de riego. Una presión baja puede provocar un suministro inadecuado de agua a las plantas, afectando a su crecimiento y rendimiento, mientras que una presión alta puede dañar el equipo de riego.

Algunas de las ventajas del control de la presión son

  • Consistencia: La supervisión y el mantenimiento de unos niveles de presión correctos garantizan una calidad constante del producto al permitir un control preciso de las condiciones de fabricación y procesamiento.
  • Estabilidad operativa: Las mediciones de presión estables y precisas garantizan el buen funcionamiento de los procesos, minimizando las interrupciones y manteniendo la productividad.
  • Mitigación de riesgos: La supervisión de la presión ayuda a detectar condiciones anormales que podrían dar lugar a situaciones peligrosas en las que los equipos o los procesos fallan. Anticiparse a los fallos con una supervisión activa evita accidentes.

El transmisor de presión Foxboro Modbus IAP10M de Schneideres un dispositivo de alta precisión diseñado para la medición de presiones absolutas o manométricas de proceso. Este pequeño transmisor puede conectarse en red mediante Modbus a través de Ethernet o una línea serie RS485/232 seleccionable, lo que ofrece opciones de conectividad versátiles. Su facilidad de instalación y funcionamiento lo convierten en una opción excelente para una amplia gama de aplicaciones en los sectores del petróleo, el gas, el agua y la industria.

El Foxboro IAP10M dispone de una salida analógica de 0:20 mA con una resolución de 12 bits, adecuada para controlar variables medidas dentro del control lógico PID en RTU. También incluye una interfaz LCD fácil de usar con control de dos botones y una pantalla de 2 líneas con 13 caracteres para facilitar la configuración y la supervisión.

5. Medición de vibraciones

Los sensores de vibración, también conocidos como acelerómetros, son fundamentales para supervisar el estado de la maquinaria y los equipos en diversas industrias. Estos sensores miden los niveles de vibración de las máquinas, proporcionando datos esenciales para prevenir fallos, optimizar los programas de mantenimiento y garantizar un funcionamiento sin problemas. La comprensión de las repercusiones negativas de los problemas de vibración en los procesos industriales y otras operaciones pone de relieve la importancia de estos sensores para lograr un rendimiento y una fiabilidad óptimos.

  • Fabricación: Las vibraciones excesivas en la maquinaria de fabricación pueden provocar desalineaciones, desgaste y fallos prematuros de los componentes. Esto puede provocar retrasos en la producción, reducir la calidad del producto y aumentar los costes de mantenimiento.
  • Mecanizado: En las operaciones de mecanizado de precisión, las vibraciones pueden provocar imprecisiones en los procesos de corte, taladrado y fresado. Esto da lugar a piezas defectuosas, mayores tasas de desechos y reprocesamientos adicionales.

Mediante la monitorización de las vibraciones, podrá cuidar mejor de sus máquinas y procesos consiguiendo algunas ventajas como éstas:

  1. Mantenimiento mejorado:
  • Mantenimiento predictivo: La supervisión de las vibraciones permite realizar un mantenimiento predictivo al identificar los primeros signos de desgaste y posibles fallos. Esto permite realizar el mantenimiento a tiempo, reduciendo las averías inesperadas y el tiempo de inactividad asociado.
  • Prolongación de la vida útil de los equipos: Detectando y abordando a tiempo los problemas de vibración, la vida útil de la maquinaria y los componentes puede prolongarse significativamente, reduciendo la frecuencia y el coste de las sustituciones.
  1. Ahorro de costes:
  • Reducción del tiempo de inactividad: Al evitar fallos inesperados mediante la detección temprana de problemas de vibración, las empresas pueden minimizar los costosos tiempos de inactividad y mantener unos programas de producción coherentes.
  1. Mayor seguridad:
  • Mitigación de riesgos: La supervisión de las vibraciones ayuda a detectar condiciones que podrían provocar fallos catastróficos, como el fallo de los rodamientos o la fatiga estructural. Esto garantiza la seguridad del personal y los equipos.

Los sensores QM30VT2 de Bannerofrecen un nivel excepcional de precisión en la medición de la velocidad RMS y la temperatura gracias a su diseño con un perfil bajo y una construcción metálica rígida que minimiza las interferencias resonantes y mejora el contacto con la superficie. Estos sensores pueden detectar incluso ligeros aumentos de la vibración y la temperatura de la máquina, lo que permite identificar a tiempo posibles problemas.

El QM30VT2 comunica los datos de rendimiento mediante Modbus RTU y es ideal para detectar posibles problemas en motores, ventiladores, bombas y cualquier maquinaria con movimiento giratorio o vibración. Disponibles en modelos con carcasa de acero inoxidable 316L o carcasa de aluminio de alta resistencia, están fabricados para soportar entornos industriales adversos.

Conclusión

Modbus sigue siendo una piedra angular de la comunicación industrial, ya que proporciona una forma fiable y flexible de conectar y controlar una amplia gama de sensores y dispositivos. Al comprender las capacidades de los distintos sensores y habilitadores Modbus, como PLC y gateways, las industrias pueden optimizar sus procesos, mejorar la eficiencia y garantizar el buen funcionamiento de sus sistemas. Tanto si supervisa la potencia, el caudal, la presión o las condiciones ambientales, los dispositivos compatibles con Modbus ofrecen una solución sólida para sus necesidades de automatización.

En las operaciones industriales, mantener el control sobre esas y otras variables críticas es esencial para garantizar la eficacia, la seguridad y la calidad del producto. Los efectos negativos de que estas variables superen sus rangos normales pueden provocar importantes interrupciones operativas, mayores costes de mantenimiento y riesgos potenciales para la seguridad. Sin embargo, mediante la utilización de sensores compatibles con Modbus, las industrias pueden lograr una supervisión y un control precisos de estas variables, transformando los riesgos potenciales en oportunidades de optimización y mejora.

Los sensores Modbus se encuentran con la nube

Las operaciones industriales de todo el mundo aprovechan cada vez más el protocolo Modbus para integrarse con tecnologías en la nube mediante el envío de datos de telemetría a plataformas IoT como Ubidots. Cuando se combina con plataformas IoT, Modbus permite transmitir datos en tiempo real de procesos industriales a la nube, donde pueden analizarse, supervisarse y controlarse de forma remota. Esta integración mejora la eficiencia y la flexibilidad de las operaciones industriales, permitiendo el mantenimiento predictivo, la optimización de procesos y una mejor toma de decisiones a través de conocimientos basados en datos.

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¿Cómo puedo enviar datos de sensores Modbus a la nube?

Una red Modbus puede estar compuesta por varios tipos diferentes de dispositivos, cada uno con su propio trabajo distintivo, pero el encargado de reenviar los datos de los sensores a la nube suele ser un gateway. Comprueba cómo puedes enviar fácilmente tus datos Modbus a la nube integrando tu WAGO, Advantech, Red Lion (o cualquier otro) gateways a Ubidots.