Los sensores IoT industriales son los dispositivos de medida que se instalan en máquinas y servicios auxiliares para que su estado llegue a un software sin que nadie tenga que recorrer la planta con una hoja de control. Elegirlos significa encajar tres cosas: qué fallo se quiere detectar, cómo sale la lectura de la máquina y qué mantiene el sensor alimentado durante años.

Un ingeniero de planta suele enfrentarse a esta pregunta con una lista de máquinas y un presupuesto, y los sensores tienden a ser la partida más pequeña. Lo que convierte una prueba piloto en una carga de mantenimiento es elegir la red equivocada o la fuente de alimentación equivocada, así que esta guía dedica a eso tanto espacio como a los propios sensores.

Lo esencial

  • Parta del fallo que quiere detectar y después elija la medida: vibración para rodamientos y desequilibrios, temperatura para sobrecalentamientos, corriente para la carga y el estado de marcha, presión para los problemas de caudal.
  • Las máquinas antiguas pueden monitorizarse con sensores de pinza y de montaje magnético, sin tocar el controlador de la máquina.
  • Las redes inalámbricas de largo alcance y bajo consumo son adecuadas para lecturas que cambian despacio en toda una planta; las conexiones cableadas, para datos de alta velocidad y para máquinas que ya tienen alimentación y cableado cerca.
  • La autonomía de la batería depende sobre todo de la frecuencia con la que transmite el sensor, así que el intervalo de envío es una decisión de alimentación tanto como de monitorización.

Tipos de sensores para la monitorización de condición

Los sensores de monitorización de condición miden un indicio físico del estado de salud de una máquina. Los tipos más habituales cubren la mayor parte de los equipos de una planta:

Tipo de sensor Qué mide Problemas que suele revelar Montaje habitual
Vibración (acelerómetro) Aceleración, a menudo expresada como velocidad RMS y valores de pico Desequilibrio, desalineación, holguras, desgaste de rodamientos Espárrago, base adhesiva o imán sobre el soporte del rodamiento
Temperatura Temperatura de una superficie o de un fluido Motores que se sobrecalientan, refrigeración que falla, rozamiento Sonda de contacto, sensor con abrazadera o infrarrojo sin contacto
Corriente Corriente eléctrica en la alimentación de un motor Estado de marcha, sobrecarga, una máquina atascada o sin material Pinza de núcleo partido alrededor de un conductor de fase
Presión Presión de línea o diferencial Filtros obstruidos, fugas, problemas en bombas Conexión roscada al proceso
Ultrasonidos Sonido de alta frecuencia Daños incipientes en rodamientos, fugas de aire comprimido, descargas eléctricas Sonda de contacto o micrófono aéreo
Calidad del aceite Contenido de agua, partículas, viscosidad Lubricante contaminado o degradado Sensor en línea en el circuito de lubricación

Hay dos aspectos prácticos que no aparecen en una tabla. El primero es que muchos sensores de vibración inalámbricos no envían la forma de onda completa. Calculan a bordo valores resumen, como la velocidad RMS y la aceleración de pico, y transmiten esos valores, porque una forma de onda en bruto son demasiados datos para una radio de bajo consumo. Los valores resumen son excelentes para ver tendencias y generar alertas; un diagnóstico detallado de fallos necesita un sensor o un dispositivo edge capaz de capturar la forma de onda.

El segundo es que una medida solo es tan buena como el punto donde se toma. Un sensor de vibración debe ir sobre una parte rígida cerca del rodamiento, no en la rejilla de un ventilador ni en una tapa delgada. Una sonda de temperatura en la carcasa de un motor marca menos que los devanados del interior, así que su límite de alarma tiene que tener en cuenta esa diferencia.

Ayuda partir de una máquina y no del catálogo de sensores. Tomemos una bomba centrífuga accionada por un motor eléctrico a través de un acoplamiento. El motor tiene dos rodamientos, en el lado de accionamiento y en el lado opuesto, y la bomba tiene otros dos. Un conjunto inicial razonable es un sensor de vibración en el rodamiento del lado de accionamiento del motor, otro en el rodamiento del lado de accionamiento de la bomba, una lectura de temperatura en cada uno de esos soportes (muchos sensores de vibración también miden temperatura) y una pinza de corriente en la alimentación del motor. Son tres dispositivos, y entre todos cubren desequilibrio, desalineación, desgaste de rodamientos, sobrecalentamiento y si la bomba está funcionando o no.

Sensores de monitorización para máquinas antiguas

La mayoría de las fábricas trabajan con máquinas construidas mucho antes de que nadie pensara en la conectividad. La buena noticia es que los sensores de monitorización de máquinas pueden instalarse a posteriori sin abrir el armario de control ni cambiar el programa del PLC, lo que mantiene intactas las garantías y las homologaciones de seguridad.

El kit de modernización habitual es este. Una pinza de corriente de núcleo partido alrededor de una fase indica si una máquina está en marcha, en vacío o sobrecargada, lo que ya responde a las preguntas sobre su utilización. Un acelerómetro de montaje magnético en cada soporte de rodamiento de un motor y una bomba críticos da una tendencia de vibración. Un sensor de temperatura con abrazadera en una reductora o en un depósito hidráulico da una tendencia térmica. Ninguno obliga a taladrar, y todos pueden moverse si la primera ubicación resulta no ser la adecuada.

Al comparar hardware de monitorización de máquinas, compruebe estos puntos frente al entorno real y no frente al folleto:

  • el rango de medida y la precisión para la señal real, por ejemplo un rango de vibración que cubra la velocidad de la máquina;
  • el grado de protección frente a los lavados, el refrigerante y el polvo;
  • la temperatura de funcionamiento, incluida la de la superficie más caliente con la que esté en contacto el sensor;
  • la certificación para atmósferas explosivas cuando proceda, como la homologación de equipos ATEX en la UE;
  • cómo se configura el sensor después de instalarlo, por ejemplo si su intervalo de envío puede cambiarse por radio.

Los sensores de mantenimiento predictivo no son una categoría de hardware aparte. Los mismos acelerómetros y sensores de temperatura pasan a ser «predictivos» cuando sus lecturas se siguen durante meses y se comparan con límites que dejan tiempo para planificar una reparación.

Redes de sensores inalámbricos para la monitorización de fábricas

Las redes de sensores inalámbricos para la monitorización de fábricas eliminan la parte más cara de una modernización: tender cable en una planta en funcionamiento. Cada opción se adapta a un tipo de datos.

Opción Alcance típico en una planta Alimentación Datos por mensaje Uso adecuado
Cableado 4–20 mA o IO-Link Longitud del cable (IO-Link hasta 20 m por puerto) Desde el armario Continuos Señales rápidas, máquinas con cuadros cercanos
LoRaWAN De cientos de metros a unos pocos kilómetros por pasarela Batería, a menudo durante años De unos pocos a unas decenas de bytes Lecturas periódicas en toda una planta
mioty Similar a LoRaWAN Batería, a menudo durante años Payloads pequeños Cantidades muy grandes de sensores, plantas con mucho ruido de radio
Wifi Decenas de metros por punto de acceso Red eléctrica o recargable Altos Formas de onda, datos de alta frecuencia
Malla Zigbee o Bluetooth Decenas de metros por salto Batería De pocos a moderados Zonas interiores densas, distancias cortas

Las naves industriales son duras para la radio. Las estanterías de acero, las máquinas y los muros de hormigón reflejan y bloquean las señales, y los motores y los equipos de soldadura añaden ruido eléctrico. Las tecnologías LPWAN de largo alcance, como LoRaWAN y mioty, se defienden bien porque sacrifican velocidad de datos a cambio de robustez, de modo que un mensaje pequeño llega donde un enlace wifi tendría problemas. Antes de comprar en volumen, coloque una pasarela en alto y en una posición central, lleve un sensor de prueba a los peores rincones de la nave y compruebe la calidad de la señal en cada punto. Repita el recorrido con las máquinas en marcha, porque una nave a plena producción tiene más ruido eléctrico que la misma nave un domingo tranquilo, y un punto que va justo puede quedarse sin cobertura con la planta a plena carga.

La normativa de radio también condiciona la frecuencia con la que puede informar un sensor. En Europa, LoRaWAN usa la banda de 868 MHz, donde la mayoría de las subbandas solo permiten que un dispositivo transmita el 1 % del tiempo. Para un sensor que envía un mensaje corto cada pocos minutos eso no supone ninguna limitación, pero descarta LoRaWAN para cualquier cosa que necesite una lectura por segundo. Si un proyecto necesita datos rápidos, debe plantearse desde el principio con una conexión cableada o wifi.

En Kilo, el servidor de red LoRaWAN forma parte de la plataforma, así que una fábrica solo necesita pasarelas compatibles con el protocolo LoRa Basics Station. Las estaciones base mioty se conectan a mioty integrado en Kilo Cloud o al Kilo mioty Service Center de código abierto que usted aloja. En ambos casos, las lecturas de los sensores de mantenimiento predictivo de bombas y motores llegan a los mismos paneles, con la tendencia de vibración y de temperatura de cada máquina representada junto a las demás.

Alimentación continua para sensores de monitorización en fábrica

La alimentación continua de los sensores de monitorización en fábrica procede de cuatro fuentes, y normalmente es la ubicación de cada sensor la que decide por usted.

Las baterías son la opción por defecto en las modernizaciones inalámbricas. Los sensores industriales de larga duración suelen usar pilas de litio-cloruro de tionilo, que conservan la carga durante años pero pierden capacidad con mucho frío. La autonomía de la batería depende sobre todo de las transmisiones. Supongamos que la ficha técnica de un sensor promete ocho años con un envío por hora, y que a ese ritmo las transmisiones consumen el 70 % de su energía y el reposo el 30 %. Si pasa a enviar cada diez minutos, la parte de las transmisiones se multiplica por seis: 0,3 + 0,7 × 6 = 4,5 veces la energía diaria, así que la batería dura unos 8 ÷ 4,5 ≈ 1,8 años. Las cifras son inventadas, pero el patrón se cumple en la mayoría de los sensores de bajo consumo.

La alimentación de red o de 24 V CC tiene sentido cuando el sensor está junto a un armario de control que ya dispone de alimentación, y para los sensores que muestrean rápido o transmiten datos de forma continua. Los 24 V CC industriales son la alimentación estándar de los dispositivos de campo, así que un sensor o una pasarela en un cuadro suele poder compartirla.

La alimentación a través de Ethernet (PoE) lleva energía y datos por un mismo cable. La norma IEEE 802.3af suministra hasta 15,4 W en el puerto del switch, suficiente para la mayoría de los sensores, dispositivos edge y pasarelas, y las versiones posteriores suministran más. El inconveniente es el propio cable: cada dispositivo PoE necesita su propio tendido hasta un switch, así que el PoE compensa para una pasarela o una cámara en el techo de la nave, y mucho menos para veinte sensores repartidos por las máquinas.

La recolección de energía (energy harvesting) alimenta un sensor con lo que tiene alrededor: vibración, diferencias de temperatura o luz. Es adecuada para máquinas que funcionan sin parar, pero un sensor que depende de la vibración de la máquina deja de informar cuando la máquina se para, así que compruebe si necesita lecturas durante las paradas.

Los cambios de batería son más fáciles de gestionar como trabajo de mantenimiento planificado. Registre la fecha de instalación y el intervalo de envío de cada sensor, y programe las sustituciones por zonas cuando los primeros sensores se acerquen a su vida útil prevista. Un sensor en un punto caliente, como encima de un horno o de un compresor, puede agotarse antes de lo que indica su ficha técnica, porque la química de la batería es sensible a la temperatura en ambos sentidos.

Preguntas frecuentes sobre sensores IoT industriales

¿Qué significa IP67 en los sensores IoT industriales?

IP67 es una clasificación definida en la norma IEC 60529. El 6 significa que la envolvente es estanca al polvo, y el 7, que resiste la inmersión temporal en agua hasta 1 m de profundidad durante 30 minutos. No cubre el lavado a alta presión, del que se ocupa IP69K.

¿Los sensores IoT industriales necesitan una pasarela?

La mayoría de los inalámbricos, sí. Los sensores LoRaWAN se comunican con una pasarela LoRaWAN y los sensores mioty con una estación base, que reenvían los mensajes a un servidor de red por Ethernet, wifi u otro enlace de retorno. Una pasarela puede dar servicio a cientos de sensores, así que una sola nave rara vez necesita más de una o dos.

¿Se pueden conectar sensores IoT industriales a un PLC existente?

Sí, si el PLC tiene entradas libres. Un sensor cableado con salida de 4–20 mA puede ir directamente a una tarjeta de entradas analógicas, y el PLC comparte después ese valor con el SCADA o con un gateway edge como cualquier otra señal. Los sensores inalámbricos no suelen pasar por el PLC e informan a su propia red.

Elija la bomba o el motor cuyas averías más le perjudiquen y póngale el conjunto inicial de tres dispositivos del ejemplo de la bomba; después, añada dos sensores de vibración en la siguiente máquina de la línea y represente ambas máquinas en un mismo panel. Esos cinco sensores caben en el plan gratuito de Kilo. Kilo Electronics tiene sensores de aceleración para este tipo de modernización, y los sensores de otros proveedores también funcionan, siempre que usen una conexión compatible.