Visión artificial en entornos exigentes: retos y soluciones

Un sistema de visión artificial que funciona a la perfección en el banco de pruebas puede fallar en cuestión de semanas una vez instalado en una línea de producción real. Cuando eso ocurre, la causa casi nunca es la visión en sí. Es el entorno. El calor, el polvo, las vibraciones, el lavado a presión y el aire corrosivo que son normales en una planta de fábrica y que están completamente ausentes del laboratorio donde se validó el sistema.

Esta es una de las razones más habituales por las que los proyectos de visión decepcionan. También es una de las más evitables. Cada una de estas condiciones tiene una respuesta probada. El problema es que la protección frente al entorno suele ser lo que nadie tuvo en cuenta hasta que el sistema ya estaba instalado y con dificultades. Esta guía expone qué le hace realmente cada condición exigente a un sistema de visión, explica los grados IP en términos sencillos, repasa las opciones de alojamiento y protección y ofrece las soluciones reales que utilizamos para mantener un sistema en funcionamiento allí donde el entorno intenta impedirlo.

Por qué el entorno derrota a más proyectos que la propia visión

Vale la pena entender por qué esto sorprende a tanta gente. Un sistema de visión se desarrolla y se prueba en condiciones controladas. La iluminación es estable, la temperatura es agradable, el aire está limpio, nada se mueve. En ese entorno el sistema funciona a la perfección. Se aprueba y se envía a la línea.

La línea es un mundo distinto. Una cámara que nunca se diseñó para ello se enfrenta ahora a temperaturas que llevan su electrónica más allá de sus límites, a polvo que se posa sobre el objetivo y lo ciega, a vibraciones que desvían su encuadre o aflojan un conector, además de rutinas de limpieza que la rocían con agua caliente y productos químicos. Nada de eso apareció en las pruebas. Nada de eso estaba presente. La visión siempre fue sólida. Sencillamente, el sistema no estaba protegido para el lugar donde tenía que vivir. Acertar con el entorno no es un extra opcional en un proyecto de visión. Forma parte de hacer que la visión funcione siquiera.

Las cinco condiciones que atacan a un sistema de visión

Los entornos exigentes se presentan en un puñado de formas reconocibles. Cada una ataca a un sistema de manera distinta. Cada una necesita una respuesta distinta.

Temperatura extrema. El calor es el enemigo más habitual. Toda cámara tiene una temperatura de funcionamiento nominal. Superarla provoca ruido en la imagen, deriva y, finalmente, el fallo de la electrónica. Fundiciones, hornos, estufas y procesos calientes irradian calor sobre todo lo que tienen cerca. El frío también es un problema, en cámaras frigoríficas e instalaciones a la intemperie, donde se forma condensación en la óptica y la electrónica funciona por debajo de su rango nominal. Hay que gestionar ambos extremos de la escala.

Polvo y partículas en suspensión. El polvo es implacable. Se posa sobre el objetivo o la ventana de protección y degrada gradualmente la imagen hasta que la inspección falla. En los peores casos se cuela dentro de una cámara sin sellar y la daña. La carpintería, el cemento, los polvos alimentarios, los textiles, los productos farmacéuticos y la metalurgia producen partículas finas que encuentran cualquier resquicio.

Vibraciones y golpes. La maquinaria vibra. Una cámara atornillada a ella o montada cerca nota cada vibración. Las vibraciones emborronan las imágenes, desplazan lentamente la cámara de su objetivo y, con el tiempo, aflojan los conectores hasta que aparece un fallo intermitente que resulta exasperante de diagnosticar. Prensas, fresadoras, cintas transportadoras y automatización pesada son todas fuentes de vibración.

Lavado a presión y humedad. En la producción de alimentos, bebidas y productos farmacéuticos, los equipos se limpian con regularidad con agua a alta presión, a menudo caliente y mezclada con productos químicos de limpieza. Una cámara estándar no sobrevive mucho a esto. El agua se abre paso por cualquier abertura. Los agentes de limpieza atacan las juntas y las superficies. Este es uno de los entornos rutinarios más exigentes a los que se enfrenta un sistema de visión.

Atmósfera corrosiva. Algunos entornos son químicamente agresivos. La sal cerca de emplazamientos costeros, los ácidos y disolventes en plantas químicas, además de diversos gases de proceso, corroen con el tiempo las carcasas y los conectores estándar. El daño es gradual, pero implacable. Un sistema sin protección se degrada lentamente hasta que falla.

Los grados IP explicados

Siempre que surge la protección frente al polvo y el agua, aparecen los grados IP. Vale la pena entenderlos bien, ya que son el lenguaje del sellado frente al entorno. IP responde a las siglas en inglés de Ingress Protection, protección contra la penetración. El grado lo define la norma internacional IEC 60529. Adopta la forma de las letras IP seguidas de dos dígitos.

El primer dígito es la protección frente a sólidos, en una escala de 0 a 6. Un 5 significa que la cámara está protegida contra la penetración nociva de polvo. Un 6 significa que es completamente estanca al polvo, sin ninguna penetración. El segundo dígito es la protección frente al agua, en una escala de 0 a 9K. Un 5 significa protección contra chorros de agua a baja presión, un 6 contra chorros potentes, un 7 contra la inmersión temporal de hasta un metro de profundidad, y luego 9K contra agua a corta distancia, alta presión y alta temperatura, la que se usa en el lavado industrial a presión. Así, cuando lees IP67, el 6 te dice que es totalmente estanca al polvo y el 7 te dice que resiste una inmersión breve. Estos son los grados que encontrarás con más frecuencia en la visión artificial.

La cuestión práctica es ajustar el grado al entorno en lugar de sobredimensionarlo o quedarse corto. Una línea con polvo pero seca puede necesitar solo IP65. Una línea alimentaria con lavado a presión con agua caliente necesita IP69K. Comprar más protección de la que exige el entorno malgasta dinero. Comprar menos es un fallo esperando a suceder.

Opciones de protección, desde la cámara hacia fuera

Hay dos grandes formas de proteger un sistema de visión. O bien usas una cámara que es inherentemente robusta, o bien metes una cámara normal dentro de una carcasa de protección. A menudo la mejor respuesta combina ambas.

Una cámara robusta y sellada. La solución más limpia, allí donde encaja, es una cámara construida sellada desde el principio. En lugar de proteger una cámara delicada, usas una que no necesita protección. Las gamas LUCID Triton y Atlas que suministramos, por ejemplo, tienen grado IP67 con conectores M12 sellados. Soportan el polvo y el lavado a presión directamente, sin carcasa alguna. Para una línea húmeda o con polvo, esto suele ser más sencillo, más económico y más fiable que construir una protección alrededor de una cámara estándar.

Una carcasa de protección. Cuando la cámara que necesitas no está disponible en formato sellado, o el entorno supera lo que cualquier cámara sellada puede soportar, alojas una cámara estándar en una carcasa industrial. Las carcasas se ofrecen en la misma gama de grados IP, en materiales que van del acero pintado al inoxidable para el lavado a presión y los entornos corrosivos, además de una ventana de vidrio o especializada delante del objetivo. La carcasa recibe el castigo para que la cámara no lo reciba.

Protección activa: refrigeración, calefacción y purga de aire. Para las condiciones más extremas, la carcasa hace algo más que sellar. Una carcasa refrigerada, por aire o por agua, mantiene una cámara en funcionamiento frente a un horno o una estufa. Una carcasa calefactada mantiene la óptica despejada y la electrónica dentro de rango en una cámara frigorífica o a la intemperie. Una purga de aire introduce aire limpio a presión en la carcasa de modo que fluye suavemente hacia fuera por la ventana. Eso mantiene el polvo, los humos y la humedad lejos del vidrio y fuera del alojamiento. Estas son las técnicas que permiten que un sistema de visión funcione en lugares que parecen imposibles para una cámara.

Los detalles que lo hacen funcionar o lo estropean. La protección es solo tan buena como su punto más débil. El cableado y los conectores tienen que igualar el grado de la cámara, ya que una cámara IP67 con un cable sin sellar no es una instalación IP67. El montaje tiene que ser rígido y, allí donde hay vibraciones, amortiguado e independiente de la máquina que vibra. Y la ventana delante del objetivo tiene que ser del material adecuado para el entorno, vidrio en la mayoría de los casos, algo más resistente allí donde el impacto o los productos químicos son un riesgo. Estos detalles poco vistosos son exactamente donde un sistema triunfa o fracasa.

No es solo la cámara: proteja toda la cadena de imagen

Un punto que merece la pena señalar, ya que se pasa por alto con mucha frecuencia. La cámara acapara toda la atención cuando la gente piensa en entornos exigentes. Sin embargo, un sistema de visión es una cadena. El entorno ataca cada eslabón de ella. El objetivo, la iluminación y el ordenador están tan expuestos como la cámara. Una debilidad en cualquiera de ellos hace fallar todo el sistema. La buena noticia es que cada uno de estos elementos también tiene opciones robustas.

Iluminación: iluminadores sellados con grado de lavado a presión

La iluminación se sitúa justo en el entorno, a menudo más cerca del proceso que la cámara. Recibe el mismo castigo. Un iluminador LED estándar en una zona de lavado a presión fallará enseguida a medida que el agua se cuele en él. El polvo o el calor acortarán la vida de cualquier luz que no esté construida para ello. La respuesta es la misma que para la cámara, usar una iluminación que esté sellada y con grado adecuado para las condiciones.

La gama Advanced Illumination que suministramos incluye iluminadores con grado IP y con grado de lavado a presión construidos exactamente para esto. Carcasas selladas que pueden limpiarse junto con el resto de la línea, con grado para sobrevivir al agua, el polvo y la temperatura que acabarían con una luz estándar. Especificar un iluminador con grado de lavado a presión junto a una cámara con grado de lavado a presión es lo que hace que una celda de inspección de línea alimentaria sea realmente limpiable en su conjunto, en lugar de proteger la cámara y dejar la luz como punto débil.

Objetivos: óptica reforzada y bloqueo de los ajustes

Los objetivos tienen su propia vulnerabilidad en un entorno exigente. Es una en la que la gente rara vez piensa hasta que le muerde. Es la vibración.

En un objetivo estándar, el enfoque y el diafragma se ajustan mediante anillos sujetos por pequeños tornillos de bloqueo. En una línea con vibraciones intensas, esos tornillos pueden aflojarse poco a poco. Cuando lo hacen, el ajuste se desvía. El enfoque se pierde y la imagen se vuelve borrosa, o el diafragma se mueve y la imagen queda demasiado clara o demasiado oscura. La inspección se degrada en silencio. Puede llevar un tiempo averiguar por qué, ya que nada se ha roto de forma evidente. Es un fallo verdaderamente habitual y frustrante en instalaciones con vibraciones intensas.

Hay dos respuestas. Funcionan bien juntas. La primera es bloquear los ajustes. Una vez fijados el enfoque y el diafragma, los tornillos pueden bloquearse, o en algunos objetivos asegurarse con un mecanismo de bloqueo o incluso con un punto de rotulador de marcado. La vibración ya no puede desplazarlos. La segunda es usar un objetivo reforzado construido para el entorno. La gama Computar MPX que suministramos, por ejemplo, tiene un grado de 10G de golpe y vibración. Utiliza un mecanismo flotante que mantiene el enfoque bajo vibración y cambios de temperatura. Kowa también fabrica versiones especiales para el entorno, incluidos diseños impermeables y resistentes a la radiación, para los ajustes más exigentes. En una línea con vibraciones intensas, un objetivo reforzado con los ajustes bloqueados es la diferencia entre un sistema que mantiene su calibración durante años y otro que se desvía cada pocas semanas.

El ordenador: PC industriales con grado IP y de amplio rango de temperatura

Si tu sistema está basado en PC, el ordenador suele ser la parte más frágil ante el entorno de todo el conjunto. Es la que sorprende a los diseñadores de sistemas de la forma más costosa. Un PC estándar tiene ventiladores que aspiran polvo, un rango de temperatura de funcionamiento estrecho y ningún sellado en absoluto. Colócalo en cualquier punto cercano a un proceso caliente, con polvo o húmedo y fallará.

La reacción habitual es diseñar en torno al problema, construir un armario sellado y climatizado para mantener vivo un PC normal en la planta. Eso funciona. También es caro, ocupa espacio y es una cosa más que mantener. Hay una respuesta mucho mejor. Usar un ordenador que esté construido para el entorno desde el principio.

La gama Neousys que suministramos en toda Europa está construida exactamente para esto. Los ordenadores son sin ventilador, refrigerados de forma pasiva, sin piezas móviles ni rejillas que aspiren polvo. Se desentienden de las partículas que atascarían una máquina normal. Cuentan con amplios rangos de temperatura de funcionamiento, operando en entornos calientes o fríos que un PC comercial no podría tolerar. Hay modelos con grado IP disponibles para instalaciones con polvo y húmedas. También admiten una entrada de CC de amplio rango, gestionando la energía sucia y fluctuante habitual en una planta de fábrica. La ventaja práctica es notable. Elegir un PC industrial con grado IP y de amplio rango de temperatura puede ahorrar a un diseñador de sistemas el considerable tiempo y coste de diseñar, construir y refrigerar un armario especial. El ordenador simplemente sobrevive al entorno tal cual. Es una de las decisiones de mayor valor de toda la especificación para un sistema que tiene que vivir en algún lugar difícil.

Adecuar la solución al reto

Aquí está el resumen, cada condición frente a la protección que la responde. La mayoría de las instalaciones reales combinan dos o tres de estas.

Cómo se ve esto en la práctica

Unos cuantos patrones reales muestran cómo encajan estas piezas. En una línea de lavado a presión de alimentos, la respuesta robusta más sencilla suele ser una cámara con grado IP69K o IP67 en una carcasa de acero inoxidable, sobre cableado sellado. Toda la instalación puede entonces limpiarse con tanta agresividad como la línea que la rodea. Frente a un horno, una cámara estándar se aloja en una carcasa refrigerada por agua con una pantalla térmica y un montaje separado. Puede entonces captar la imagen de un proceso al rojo vivo mientras se mantiene dentro de sus propios límites de temperatura. En una línea con polvo, o bien una cámara sellada o bien una carcasa con una purga de aire constante mantiene la ventana limpia. La imagen se conserva buena entre intervalos de mantenimiento.

El hilo común en todos ellos es que la protección se diseñó desde el principio, no se añadió después de que el sistema empezara a fallar. Esa es toda la lección. Cuando especificas un sistema de visión para un entorno exigente, el entorno forma parte de la especificación, tanto como la cámara, el objetivo y la iluminación. Acierta en la fase de diseño y el sistema funciona durante años. Déjalo como una idea de última hora y volverás a la línea intentando arreglarlo en condiciones que son difíciles para trabajar.

Protégelo bien y durará

Los entornos exigentes derrotan a más proyectos de visión que las inspecciones difíciles. Y sin embargo cada condición, el calor, el polvo, las vibraciones, el lavado a presión y la corrosión, tiene una solución conocida y probada. El truco es tratar la protección como parte del diseño y no como un problema que resolver una vez que el sistema ya está fallando. Ajusta el grado IP al entorno, elige entre una cámara robusta y sellada y una carcasa de protección según los méritos de cada caso, y luego acierta con los detalles poco vistosos del cableado, el montaje y las ventanas.

Esto es algo con lo que lidiamos constantemente. Es exactamente el tipo de cosa que vale la pena hablar antes de comprometerte con un sistema. Suministramos cámaras robustas y selladas y las carcasas, la refrigeración, la purga y el montaje que las acompañan. Podemos ayudarte a especificar un sistema que sobreviva allí donde tenga que trabajar. Cuéntanos cómo es tu entorno y te ayudaremos a proteger la visión como es debido.

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