Cómo una puesta en marcha ágil y sencilla de los accionamientos de motores industriales puede aumentar la sostenibilidad y la productividad

Los procesos Agile son un sello distintivo de las fábricas y operaciones logísticas de la Industria 4.0. Hay un amplio rango de aplicaciones que requieren motores y variadores de velocidad (VSD) de 0.12 Kilovatios (kW) a 30 kW (0.16 caballos (hp) a 40 hp).

Los VSD para estas aplicaciones deben ser fáciles de instalar y estar preparados para funcionar entre -10 °C y +60 °C. Los accionamientos más grandes deben incluir choppers de frenado integrados, y algunas aplicaciones requieren el cumplimiento de la categoría C1 de compatibilidad electromagnética (CEM) de la norma EN 61800-3. Los VSD deben ser fáciles de usar, funcionar en amplios rangos de voltaje de red y adaptarse automáticamente a voltajes de red inestables para garantizar un funcionamiento ininterrumpido.

Muchas aplicaciones automatizan secuencias de movimiento sencillas y no requieren controladores lógicos programables, pero pueden ponerse en servicio mediante macros preprogramadas o dispositivos sencillos como cargadores de parámetros, paneles de operador básicos (BOP) o módulos de acceso inteligentes.

Por último, estos VSD deben ser económicos e incluir funciones integradas de ahorro de energía, como la reducción automática del fundente en condiciones de funcionamiento predeterminadas, así como la capacidad de controlar y mostrar el consumo de energía en tiempo real.

Este artículo comienza con una descripción general de la familia de variadores de velocidad SINAMICS V20 de Siemens y las características que les permiten aumentar la sostenibilidad y la productividad. A continuación, profundiza en cómo las macros preprogramadas y los dispositivos como cargadores de parámetros, BOP o módulos de acceso inteligentes pueden contribuir a una puesta en servicio ágil, un funcionamiento eficiente y un mantenimiento continuo.

Los variadores SINAMICS V20 se pueden utilizar desde el primer momento sin módulos añadidos ni controladores externos. El BOP integrado facilita la puesta en servicio in situ. Además, se puede utilizar una interfaz serie universal para conectar con los controladores lógicos programables (PLC) SIMATIC de Siemens para operaciones complejas. La interfaz Modbus puede conectarse con PLC de terceros y otros dispositivos.

Para las unidades con una potencia superior a 10 CV, se puede conectar una resistencia/resistor de frenado directamente al chopper de frenado, y algunos modelos cumplen la categoría CEM C1 de la norma EN 61800-3. Los accionamientos SINAMICS V20 están especificados para funcionar entre -10 °C y +60 °C y están disponibles con potencias de 0.12 kW a 30 kW. Algunos ejemplos son (Figura 1):

• El modelo 6SL32105BB175UV1, con una potencia nominal de 0.75 kW, funciona con alimentación monofásica de 230 V_CA.
• El modelo 6SL32105BB230UV1, con una potencia nominal de 3 kW, también funciona con alimentación monofásica de 230 V_CA.
• El modelo 6SL32105BE322CV0, con una potencia nominal de 22 kW, funciona con alimentación trifásica de 400 V_CA.

Figura 1: Ejemplos de accionamientos SINAMICS V20, 0,75 kW (izquierda) y 22 kW (derecha) (no a escala). (Fuente de la imagen: DigiKey)

Los modos de control integrados en los accionamientos SINAMICS incluyen voltios escalares por Hertz (V/f), V/f multipunto programable, V²/f que adapta automáticamente el fundente para ahorrar energía, y control de corriente de fundente (FCC) que adapta automáticamente la salida del accionamiento a la carga.

El modo de funcionamiento continuo se adapta automáticamente para compensar la inestabilidad de la red eléctrica (Figura 2). En este modo, las fluctuaciones de la tensión de línea se compensan internamente, la velocidad del motor se reduce automáticamente para evitar una parada no programada y se envía un mensaje de error si es necesario. Esto puede ser especialmente útil en aplicaciones de automatización de edificios, como bombas y ventiladores en plantas de tratamiento de agua o aguas residuales y sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC).

Figura 2: El modo de mantenimiento en marcha de SINAMICS V20 permite el funcionamiento continuo del motor incluso en caso de perturbaciones en la red eléctrica. (Fuente de la imagen: Siemens)

Maximización de la eficacia

Dependiendo de la aplicación, se puede aumentar la eficiencia ajustando la velocidad del motor para adaptarla al proceso en curso. Por ejemplo, en el caso de turbomáquinas como las bombas, el funcionamiento a velocidad variable puede ahorrar hasta un 60% de energía en comparación con el funcionamiento a velocidad fija.

Los variadores SINAMICS V20 integran un modo de control de energía optimizada (ECO) para aumentar la eficiencia. En el modo ECO, el fundente del motor se adapta automáticamente al punto de funcionamiento óptimo.

Estos variadores pueden ponerse en modo de hibernación, que apaga el motor manteniendo el estado actual del variador. El modo de hibernación reduce sustancialmente el consumo de energía a la vez que mantiene la unidad en un estado de preparación para reiniciarse cuando sea necesario de forma inmediata.

El uso de las funciones integradas de cascada y equilibrio energético que se indican a continuación puede mejorar aún más la eficiencia energética:

La conexión en cascada puede utilizarse en aplicaciones de bombas, ventiladores y compresores de alto rendimiento que utilizan varios motores. La conexión y desconexión de fases mediante cascadas de potencia parcial o totalmente controladas puede aumentar la eficiencia global del sistema sin pérdida de rendimiento.

El equilibrado energético mediante accionamientos acoplados permite intercambiar energía a través del enlace de CC común. Ese intercambio directo de energía entre inversores puede minimizar las pérdidas generales de potencia del sistema y mejorar la eficiencia.

El BOP de los accionamientos SINAMICS puede mostrar el consumo de energía en tiempo real. Un contador de ahorro energético puede calcular el consumo de energía durante el funcionamiento de la máquina en comparación con el funcionamiento a velocidad fija, lo que permite a los operarios ajustar los procesos y mejorar aún más el ahorro y la sostenibilidad.

Elevar la sostenibilidad

Siemens ha publicado la Declaración Medioambiental de Producto (EPD) SINAMICS V20, que incluye una evaluación del impacto del ciclo de vida (LCIA) basada en la Organización Internacional de Normalización (ISO) 14021, Etiquetas y declaraciones medioambientales - Autodeclaraciones medioambientales - Etiquetado medioambiental de tipo II.

Este LCIA se basó en el modelo 6SL3210-5BE21-5UV0, con una potencia nominal de 1.5 kW y alimentación trifásica de 380 V_CA a 480 V_CA. Considera los impactos de la fabricación, distribución, funcionamiento, desmantelamiento al final de la vida útil y eliminación y reciclaje de las unidades SINAMICS V20. El impacto más significativo se deriva del funcionamiento durante los 15 años de vida útil estimada de las unidades. El análisis se basó en 5000 horas de funcionamiento al año y tres puntos de funcionamiento (PO):

• OP1: 20% del tiempo a 100% de velocidad y 100% de par de torsión
• OP2: 70% del tiempo a 50% de velocidad y 25% de par de torsión
• OP3: 10% del tiempo a 20% de velocidad y 25% de par de torsión

Se calcula que el funcionamiento de los motores produjo 1.059,13 kg equivalentes de CO₂ a lo largo de 15 años, mientras que la fabricación produjo sólo 40,6 kg equivalentes de CO₂, y el desmantelamiento, la eliminación y el reciclado se acreditaron para recuperar algunas emisiones de gases de efecto invernadero equivalentes a -3.6 kg equivalentes de CO₂.

En las operaciones de la industria 4.0, una puesta en servicio rápida y flexible puede ser un aspecto importante para maximizar el ahorro energético y la sostenibilidad. Los Usuarios disponen de varias opciones para acelerar la puesta en marcha de los variadores SINAMICS V20 para soportar cambios rápidos.

Puesta en servicio Agile con macros

La función de puesta en servicio rápida cambia cuatro conjuntos de parámetros simultáneamente, incluidos los datos del motor, las macros de conexión, las macros de aplicación y los parámetros importantes. Los datos del motor comienzan con la selección de los parámetros europeos o norteamericanos (es decir, kW frente a CV), el voltaje nominal, la intensidad, la potencia, la frecuencia, el rendimiento, etc.

Las macros de conexión y aplicación son aspectos especialmente importantes de la puesta en marcha ágil:

• Las macros de conexión incluyen la identificación del BOP como única fuente de control o la habilitación del control desde terminales PNP/NPN, velocidades fijas, entrada analógica, frecuencia fija, control por pulsador externo, pulsador externo con consigna analógica, control PID con referencia de entrada analógica, control PID con referencia de valor fijo, control USS y control MODBUS RTU.
• Las opciones de macros de aplicación incluyen una bomba simple, un ventilador, un compresor y un transportador. Por ejemplo, los parámetros incluidos en la macro de bomba simple son la frecuencia mínima, el modo de control, la consigna de frecuencia de inhibición, el rearranque automático y el tiempo de rampa de aceleración.

Los parámetros individuales, como el punto de ajuste de frecuencia, las frecuencias mínima y máxima y los tiempos de rampa ascendente y descendente, pueden personalizarse durante la rápida puesta en servicio. Además de acelerar la puesta en marcha, la función de puesta en marcha rápida integrada puede eliminar los errores derivados de una configuración incorrecta de los parámetros, lo que acorta aún más los tiempos de implantación.

Clonación de parámetros en varias unidades

Una vez finalizados los juegos de parámetros, un cargador de parámetros puede cargar y descargar juegos de parámetros entre el V20 y una tarjeta SD. El cargador de parámetros y la tarjeta SD pueden utilizarse para clonar conjuntos de parámetros en varias unidades. Los parámetros pueden descargarse en los accionamientos incluso antes de que éstos lleguen a la fábrica, lo que acelera aún más el proceso general de puesta en servicio y reduce la necesidad de asistencia técnica.

Además de la ranura para tarjetas SD, el cargador de parámetros V20 dispone de un espacio para dos baterías/pilas primarias de tamaño AA que pueden alimentar el variador durante la descarga de parámetros sin necesidad de estar conectado a una fuente de alimentación de red. El cargador de parámetros V20 también dispone de una interfaz Micro USB que puede conectarse a una fuente de alimentación externa de 5 V_CC, eliminando la necesidad de baterías/pilas primarias (Figura 3).

Figura 3: Se puede utilizar un cargador de parámetros opcional para cargar o descargar los parámetros de la unidad V20 en una tarjeta SD y permite clonar rápidamente los parámetros en varias unidades. (Fuente de la imagen: Siemens)

BOP exterior

Se puede utilizar un BOP externo opcional para el control remoto de los inversores V20. El BOP externo está diseñado para montarse en el exterior del armario del equipo y conectarse a un módulo de interfaz acoplado al accionamiento. El BOP externo y el módulo de interfaz admiten conectividad RS232 y pueden conectarse mediante un cable de hasta 3 m de longitud.

Con un montaje adecuado, el BOP externo puede ofrecer clasificaciones de gabinete IP54 y UL/cUL Tipo 1, proporcionando protección al personal contra el acceso a tensiones peligrosas y protección contra materias extrañas sólidas como suciedad y polvo para el variador V20. El BOP externo duplica la interfaz del BOP integrado en el V20 (Figura 4).

Figura 4: Un BOP externo puede controlar accionamientos V20 a una distancia de hasta 3 medidores y fuera del armario eléctrico. (Fuente de la imagen: Siemens)

Control inalámbrico

Para lograr la máxima flexibilidad en la puesta en servicio, los usuarios pueden recurrir al módulo SINAMICS V20 Smart Access (Figura 5). El módulo Smart Access se conecta directamente a la parte frontal del V20 y es un módulo de servidor Web con conectividad Wi-Fi integrada. Admite la puesta en servicio y la supervisión basadas en Web de las unidades V20 desde dispositivos de usuario como una computadora portátil con un adaptador de red inalámbrico, una tableta o un teléfono inteligente. Puede utilizarse con cualquier sistema operativo y cualquier navegador web compatible con HTML5, como Chrome, Internet Explorer (IE) y Safari.

Figura 5: Este módulo Smart Access proporciona conectividad Wi-Fi para la puesta en servicio, el control, la supervisión y el diagnóstico de los variadores V20. (Fuente de la imagen: DigiKey)

SINAMICS V20 Smart Access facilita el acceso a la unidad, incluso en zonas de difícil acceso. La intuitiva interfaz gráfica de usuario (GUI) y el asistente de puesta en servicio facilitan su uso. Smart Access admite el mismo asistente de configuración rápida que el BOP para una puesta en servicio rápida y sencilla, que incluye:

• Introducción de los datos del motor
• Se pueden activar macros de conexión
• Las macros de aplicación pueden seleccionarse y activarse
• Se pueden ajustar los parámetros más utilizados

Smart Access puede configurarse para enviar códigos de avería por correo electrónico para su supervisión remota directa, e incluye numerosas funciones de seguridad para controlar el acceso a los datos y las funciones de control. Smart Access ofrece una completa funcionalidad inalámbrica basada en web, que incluye:

• Puesta en servicio rápida
• Parametrización del convertidor
• Funcionamiento del motor en modo JOG/HAND
• Control del estado de V20
• Diagnóstico de fallos y alarmas
• Copia de seguridad y restauración de datos

Conclusión:

Los accionamientos SINAMICS V20 de Siemens se centran en la sostenibilidad y la flexibilidad. Con múltiples modos de funcionamiento y funciones de ahorro de energía, estos variadores pueden maximizar la eficiencia en un amplio rango de/una amplia gama de aplicaciones de movimiento simple de 0.12 kW a 30 kW. El modo Keep Running garantiza el funcionamiento continuo de infraestructuras críticas como el tratamiento de aguas residuales y agua y la climatización en los sistemas de automatización de edificios. La flexibilidad se ve respaldada por las numerosas formas de implementar una puesta en servicio rápida mediante el BOP integrado, un BOP ubicado a distancia, conectividad inalámbrica con un módulo Smart Access, además de macros de aplicación preprogramadas y otras herramientas.