Caso de estudio · Sistema propuesto · M-Duino 58
Las obleas esperan en una sala blanca. El PLC vigila cada rincón.
Temperatura, humedad y partículas, punto a punto, con alarmas.
Las obleas de silicio esperan en una sala blanca antes del proceso. Cualquier desviación en la sala las puede dañar para siempre.
Por eso la sala se mide en varios puntos, y cada lectura va a dos sitios.
Este caso describe el sistema que Industrial Shields propuso a una empresa distribuidora para las salas blancas de sus clientes de fabricación de semiconductores. Los límites de temperatura, humedad y partículas son los del caso. No cita a la empresa ni a sus clientes, y no publica resultados. Los puntos de medida, los tiempos y los valores de los paneles son ejemplos de una forma habitual de hacerlo.
El reto
El proceso ya es estricto. La sala de almacenaje también lo tiene que ser.
Cada paso de la fabricación de una oblea ya sigue requisitos estrictos. Antes del proceso, las obleas esperan en una sala blanca. La sala tiene que estar siempre dentro de unos límites ajustados: unos 22 °C, entre 18 y 26 °C, con una humedad relativa del 30 al 60 % y pocas partículas. Basta un cambio en un rincón de la sala para dañar los productos, y nadie debería tener que entrar en la sala para comprobarlo.
Temperatura en varios puntos
Un sensor junto a la puerta no dice qué pasa al lado de las estanterías. La sala necesita lecturas en distintos sitios.
También humedad y partículas
Los sensores de humedad y los contadores de partículas también se reparten por la sala, para que los resultados sean fiables.
Alarmas que alguien ve
Cuando un valor sale de su banda, la alarma tiene que verse en el panel, fuera de la sala, y en el servidor que se consulta desde otro sitio.
Datos que no se pierden
Cada lectura va a un servidor de base de datos de respaldo y a un servidor en la nube, que se puede consultar desde otro sitio.
Siguiente paso: la iluminación
Los objetivos también incluyen la iluminación de la sala. Una opción posterior es controlarla con un sistema DALI y encender y apagar las luces con un horario para gastar menos energía.
Cómo funciona
Tres tareas para un solo controlador: medir, avisar y guardar los datos.
Cada panel muestra una tarea. Pulsa los botones y mueve los controles. Los paneles son simulaciones ilustrativas: los límites son los del caso, pero los puntos, los tiempos y los valores son ejemplos, no datos de una sala real.
Varios puntos, cada uno con su banda.
Sensores en distintos sitios de la sala leen la temperatura y la humedad. El PLC compara cada punto con la banda del caso, no solo la media de la sala. Si alguien deja una puerta abierta, un punto puede salir de la banda mientras la media sigue pareciendo correcta. Elige un escenario y mira los cuatro puntos. Para ver un día entero de control de clima con alarmas en una sala cerrada, abre el simulador de clima de invernadero y su sala de champiñón (funciona con ESP32 PLC; la lógica de bandas es la misma).
- Temperatura y humedad en varios puntos
- Cada punto se comprueba por separado: de 18 a 26 °C, del 30 al 60 % de HR
- Una alarma cuando un punto sale de su banda
Eventos (ejemplo)
Simulación ilustrativa. Valores de ejemplo, sin datos de una sala. Puntos y valores de ejemplo, más rápidos que en la realidad. Las bandas son las del caso: de 18 a 26 °C y del 30 al 60 % de HR. Una forma habitual de hacerlo: el PLC comprueba cada punto por separado, no solo la media.
Una alarma de partículas que un solo pico no dispara.
Un contador de partículas lee el aire. El límite del caso es de 80.000 partículas en 0,028 m³. El PLC solo da la alarma cuando el nivel se mantiene por encima del límite, enciende una baliza y avisa al panel y al servidor. Una persona la reconoce en el panel, fuera de la sala. Mueve el nivel, añade un pico y reconoce la alarma.
- Límite de partículas: 80.000 en 0,028 m³
- Confirmada con varias muestras
- Reconocida desde fuera de la sala
Eventos de partículas (ejemplo)
Simulación ilustrativa. Valores de ejemplo, sin datos de una sala. Muestras de ejemplo, aquí una cada pocos segundos. El límite es el del caso: 80.000 partículas en 0,028 m³. Una forma habitual de hacerlo: la alarma salta tras 3 muestras seguidas por encima del límite, para que un solo pico no pare el trabajo, y sigue activa hasta que el nivel vuelve a estar por debajo.
Dos copias de cada lectura, aunque caiga un enlace.
El PLC envía cada lectura por Ethernet a un servidor de base de datos de respaldo y a un servidor en la nube, que se puede consultar desde otro sitio. Si cae el enlace con la nube o toda la red, el PLC guarda los registros y los envía cuando vuelve el enlace. Corta la red o la nube y mira los contadores.
- Un servidor de base de datos de respaldo en la red de la planta
- Un servidor en la nube para vigilar en remoto
- Registros guardados en la microSD mientras un enlace está caído
Eventos de datos (ejemplo)
Simulación ilustrativa. Valores de ejemplo, sin datos de una sala. Registros de ejemplo, aquí uno por segundo. Una forma habitual de hacerlo: cada registro lleva la hora del reloj de tiempo real del PLC. Cuando un enlace cae, el PLC guarda los registros en su tarjeta microSD y los envía después. Consulta el registro de datos con tarjeta SD sin conexión (el ejemplo funciona en un ESP32 PLC; el patrón es el mismo).
Arquitectura del sistema
¿Cómo se monitoriza una sala blanca de semiconductores con un PLC?
Un PLC industrial es el maestro de todos los sensores. Los sensores de temperatura, humedad y partículas van en varios puntos de la sala. El caso elige el bus según el equipo y la distancia: I2C para los sensores cercanos al controlador, RS-485 con Modbus RTU para los sensores repartidos por la sala. Una forma habitual de hacerlo: una salida digital activa una baliza de alarma. Un panel TouchBerry Pi fuera de la sala blanca muestra los valores y las alarmas. Por Ethernet (el caso también admite Wi-Fi), el PLC envía cada lectura a un servidor de base de datos de respaldo y a un servidor en la nube. La iluminación DALI es un paso posterior.
| Señal | Entre | Tipo | Función |
|---|---|---|---|
| Temperatura, puntos A a D | EntreSensores de la sala → PLC | TipoRS-485, Modbus RTU | FunciónBanda del caso: de 18 a 26 °C, ideal 22 °C |
| Humedad relativa, puntos A a D | EntreSensores de la sala → PLC | TipoRS-485, Modbus RTU | FunciónBanda del caso: del 30 al 60 % |
| Sensores junto al armario | EntreSensores → PLC, cable corto | TipoI2C | FunciónLecturas al lado del controlador. I2C solo sirve para distancias cortas |
| Partículas | EntreContador de partículas → PLC | TipoRS-485, Modbus RTU | FunciónLímite del caso: 80.000 partículas en 0,028 m³ |
| Baliza y sirena de alarma | EntrePLC → baliza | TipoSalida digital | FunciónAlarma local cuando un valor sale de su banda |
| Pantalla del operario | EntrePLC ↔ TouchBerry Pi 10,1", fuera de la sala | TipoEthernet | FunciónValores por punto, alarmas, reconocimiento |
| Copia de respaldo | EntrePLC → servidor de base de datos | TipoEthernet | FunciónCada lectura, con la hora del reloj de tiempo real |
| Copia remota | EntrePLC → servidor en la nube | TipoEthernet, Internet | FunciónVigilar la sala desde otro sitio |
| Iluminación (paso posterior) | EntreVersión DALI del PLC → bus DALI → luminarias | TipoDALI | FunciónEncender y apagar con un horario para gastar menos energía |
Por qué este diseño
Medir donde está el riesgo. Guardar los datos dos veces.
Lecturas donde están los productos
Cualquier variación puede dañar las obleas, así que un solo sensor no basta. Varios puntos muestran un rincón malo que la media esconde.
El bus adecuado para cada distancia
I2C funciona con cables cortos junto al controlador. RS-485 con Modbus RTU llega a sensores repartidos por la sala y más allá, con muchos equipos en un solo par de hilos. Consulta un ejemplo de Modbus RTU en un PLC M-Duino.
Margen en el controlador
El M-Duino 58 tiene 36 entradas y 22 salidas, Ethernet, RS-485 e I2C. La monitorización usa pocas, así que caben puntos nuevos en el mismo controlador.
Un panel fuera de la sala
Las personas consultan los valores y reconocen las alarmas en el panel TouchBerry Pi, fuera de la sala blanca. No hace falta entrar para leer un sensor.
Dos copias de los datos
Un servidor de base de datos de respaldo en la red de la planta y un servidor en la nube. Si uno de los dos se para, el otro conserva los registros. El reloj de tiempo real y la tarjeta microSD del PLC mantienen la hora y los registros cuando cae un enlace.
Un código que es tuyo
El PLC se programa con el IDE de Arduino y librerías de código abierto. Tienes el código de la aplicación, así que lo puedes revisar y cambiar más adelante.
Hardware propuesto
Un controlador para los sensores. Un panel fuera de la sala.
M-DUINO ETHERNET PLC ARDUINO 58
Un PLC industrial basado en un Arduino Mega 2560 original, con 36 entradas y 22 salidas, Ethernet, RS-485, RS-232, I2C, reloj de tiempo real y ranura microSD, para carril DIN. En este caso es el maestro de todos los sensores, activa la alarma y envía los datos.
- Función
- Maestro de los sensores, alarmas, datos a la base de datos y a la nube
- Entradas
- 36: 16 analógicas o digitales (0-10 V, 10 bits), 20 digitales optoaisladas (de 5 a 24 Vdc)
- Salidas
- 22: 8 analógicas, digitales o PWM (0-10 V), 14 digitales optoaisladas (de 5 a 24 Vdc)
- Comunicaciones
- Ethernet 10/100 (W5500), RS-485, RS-232, serie TTL, I2C, SPI
- Integrado
- Reloj de tiempo real, ranura microSD
- Programación
- IDE de Arduino con el paquete de placas de Industrial Shields
- Alimentación y montaje
- De 12 a 24 Vdc, carril DIN TS35, IP20, de 0 a 60 °C
El caso original muestra fotos del M-Duino 58 y del M-Duino 57R y no cita el modelo exacto. El M-Duino 58 cumple lo que pide el caso. El caso envía los datos por Ethernet o Wi-Fi. El M-Duino 58 lleva Ethernet integrado; para Wi-Fi, la familia tiene versiones Wi-Fi & BLE (consulta la ficha técnica de la familia M-Duino Wi-Fi & BLE), y para la iluminación DALI, versiones DALI (ficha técnica de la familia M-Duino DALI).
TouchBerry Pi Panel PC 10.1" FLEX
La pantalla táctil fuera de la sala blanca: una Raspberry Pi 4 detrás de una pantalla táctil capacitiva de 10,1", conectada al PLC por Ethernet. Muestra los valores de cada punto y las alarmas, y aquí se reconocen las alarmas.
- Función
- Valores por punto, alarmas, reconocimiento, fuera de la sala
- Pantalla
- 10,1" IPS, 1280 x 800, capacitiva, 900 nits
- Frontal
- IP20, o IP65 en la versión FLEX
- Software
- Linux preinstalado: panel de Node-RED, Python o un navegador
- Comunicaciones
- Ethernet Gigabit, 4 USB, un puerto serie (RS-485, RS-232 o TTL)
- Alimentación
- De 12 a 24 Vdc, SAI para un apagado seguro
El caso original enlaza al Panel PC de 10,1". El modelo actual es el TouchBerry Pi Panel PC 10.1" FLEX.
Preguntas sobre este caso
¿Qué condiciones necesita una sala de almacenaje de obleas de semiconductores?
En este caso: una temperatura ideal de 22 °C, siempre entre 18 y 26 °C, una humedad relativa entre el 30 y el 60 %, y no más de 80.000 partículas en 0,028 m³ de aire. Son los límites de este caso. Cada planta fija los suyos según sus productos y su proceso.
¿Cuántos sensores necesita una sala blanca, y dónde?
Más de uno. Cualquier variación puede dañar los productos, y un sensor junto a la puerta no muestra lo que pasa al lado de las estanterías. Una forma habitual de hacerlo: poner puntos junto a la puerta, junto a la impulsión de aire, al lado de las obleas almacenadas y en el rincón más alejado, y comparar cada punto con su banda. El PLC da la alarma cuando un punto sale de su banda, aunque la media sea correcta.
¿I2C o RS-485 con Modbus RTU para los sensores de una sala blanca?
Depende del equipo y de la distancia, como dice el caso. I2C es un bus de distancias cortas para sensores cercanos al controlador. RS-485 con Modbus RTU es un bus diferencial para cables más largos: hasta unos 1.200 m a velocidades bajas y hasta 32 cargas unitarias en un segmento. El M-Duino 58 tiene los dos. Consulta el bus I2C en un PLC basado en Arduino y un ejemplo de Modbus RTU en un PLC M-Duino.
¿Cómo se compara un límite de 80.000 partículas en 0,028 m³ con las clases de la ISO 14644-1?
0,028 m³ es aproximadamente un pie cúbico. 80.000 partículas en 0,028 m³ son unos 2,8 millones de partículas por m³. La ISO 14644-1 clasifica las salas blancas por partículas por m³ para cada tamaño: la clase ISO 8 admite 3.520.000 partículas de 0,5 µm o más por m³, y la clase ISO 7 admite 352.000. El caso no indica el tamaño de partícula, así que comprueba el tamaño y la clase con tu proceso.
¿Qué pasa con los datos si cae la red?
El caso envía cada lectura a dos sitios: un servidor de base de datos de respaldo y un servidor en la nube. Una forma habitual de hacerlo: si un enlace cae, el PLC guarda los registros en su tarjeta microSD, con la hora de su reloj de tiempo real, y los envía cuando vuelve el enlace. El historial de alarmas también puede estar en una base de datos junto al panel. Consulta el historial de alarmas en MySQL con Node-RED.
¿El mismo PLC puede controlar la iluminación de la sala blanca con DALI?
Sí, como paso posterior, con una versión DALI de la familia M-Duino. El M-Duino 58 Ethernet de este caso no tiene bus DALI, así que la iluminación necesita la versión DALI o un controlador DALI aparte. El caso propone DALI para encender y apagar las luces con un horario y gastar menos energía. DALI (IEC 62386) es un bus de iluminación de dos hilos con hasta 64 equipos direccionables por línea. Las versiones DALI se describen en la ficha técnica de la familia M-Duino DALI.
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