En la era de la Industria 4.0, los variadores de frecuencia variable (VFDs) ofrecen una solución descentralizada, económica y flexible para la fábrica inteligente.
Los variadores de frecuencia variable (VFDs) se utilizan en una variedad de industrias para controlar con precisión la velocidad de los motores eléctricos y aumentar su eficiencia energética. Sin embargo, no todo el mundo sabe que los VFDs también pueden desempeñar un papel importante en la reducción de los costes de mantenimiento. De hecho, estos dispositivos pueden prolongar la vida útil de motores y máquinas y proporcionar una amplia gama de datos para el mantenimiento predictivo.
Para entender cómo un VFD puede ayudar a reducir los costes de mantenimiento, se debe centrar en los dos pasos más críticos en el control de un motor: arrancar y parar. Cuando se arranca un motor eléctrico, éste tiende a absorber una gran cantidad de corriente, lo que puede causar daños y reducir la longevidad del motor. Por ejemplo, arrancar un motor de corriente alterna a plena tensión puede requerir una cantidad de corriente ocho veces mayor que la que normalmente se absorbe a plena carga. Esta sobretensión puede hacer que el bobinado del motor se flexione y produzca calor excesivo, afectando a su vida útil. El apagado brusco también puede causar daños.
Los arranques y las paradas repentinas pueden dañar no sólo el motor, sino también las máquinas en las que se utiliza. Por ejemplo, los sellos de la bomba pueden desgastarse antes.
Un VFD, por otro lado, permite que el motor arranque a velocidad/tensión cero y acelere suavemente de manera ajustable por el usuario. El motor también se detiene de forma totalmente controlada. Las ventajas de este método más "suave" son una mayor vida útil del motor y, como resultado, menores costes de mantenimiento y sustitución para el usuario final.
Del PLC a VFD
Más allá de la importante función de control que acabamos de ilustrar, hoy en día los VFDs también pueden contribuir a una gestión más eficiente del mantenimiento en la Industria 4.0. Los VFDs modulares basados en microprocesadores, por ejemplo, pueden realizar funciones que antes sólo podían ser realizadas por PLCs. Muchos de los últimos VFDs cuentan con una lógica integrada en forma de PLC integrado, lo que hace posible supervisar los variadores en la red y ejecutar programas. De esta manera, los VFDs permiten que cada módulo o proceso opere de manera casi autónoma, al mismo tiempo que se integran con toda la línea de producción para la secuenciación de datos y funciones de seguridad a través de redes de comunicación abiertas pero seguras. Este sistema de control, entre otras cosas, tiene sus ventajas. De hecho, es una solución más económica que el uso de un PLC independiente, que requeriría redes de alto rendimiento para gestionar el control de motores necesario.
La razón por la que, hoy en día, muchos VFDs pueden realizar una función de mantenimiento digital es porque están equipados con comunicaciones de serie integradas como estándar. De esta manera es posible transmitir un cierto número de impulsos digitales a un VFD, que los interpreta, ejecuta la orden o las órdenes y eventualmente envía una señal. Claramente, es necesario definir el hardware apropiado, así como el protocolo de comunicación para evitar cualquier interferencia. Existen básicamente dos tipos de hardware: tecnología inalámbrica y cables de fibra óptica. En su lugar, existen varios protocolos de señalización y, por lo tanto, es aconsejable elegirlos cuidadosamente en función del tipo de aplicación. Ethernet es un buen ejemplo: una gran parte de la industria de la automatización está cambiando rápidamente a Ethernet como un estándar de comunicación de facto.
Los VFDs que proporcionan conectividad Ethernet como estándar se encuentran cada vez más en aplicaciones de automatización industrial, como la automoción y el procesamiento de alimentos, y en plantas de tratamiento de aguas residuales. Estos VFDs también pueden conectarse a una red de Manufacturing Execution System (MES) e intercambiar datos en ambas direcciones. Este tipo de configuración, por lo tanto, crea una puerta de entrada a otros equipos de automatización conectados en toda la planta.
También hay que tener en cuenta la ampliación de los sistemas de bus de campo abierto disponibles, que incluyen PROFIBUS, CAN bus, DeviceNet, DeviceNet, BACnet y Modbus, la mayoría de los cuales tienen variantes Ethernet. Los sistemas de bus de campo están muy extendidos en todo el sector y siguen creciendo, pero es probable que el sistema Ethernet industrial crezca aún más rápido.
Mantenimiento predictivo gracias al diagnóstico inalámbrico
Se ha definido el modo de integrar los VFDs en la fábrica inteligente, pero ¿cómo permitiría esta tecnología el mantenimiento predictivo? La respuesta sería sencilla: a través de diagnósticos inalámbricos.
Ya sea Wifi, Bluetooth u otras tecnologías inalámbricas, el diagnóstico inalámbrico permitiría a los equipos de mantenimiento acceder inmediatamente a un panel de control donde el acceso estaría restringido debido a su ubicación o uso dentro de una planta. Los técnicos podrían entonces conectarse directamente al sistema de forma remota utilizando la señal inalámbrica integrada de los VFDs. Una vez conectados, podrán ver y diagnosticar el problema sin ningún contacto físico con los VFDs.
Los VFDs pueden proporcionar una amplia gama de datos críticos, incluyendo la corriente, el par y el estado térmico del motor, así como el estado térmico del convertidor y la tensión del bus en el momento de la avería. Con los datos disponibles, se puede realizar un análisis detallado de las causas de un fallo y activar las alarmas o alertas correspondientes si los datos de la aplicación superan un límite predeterminado. Si es necesario, esta estrategia también puede utilizarse para detener la aplicación, evitando un problema potencial antes de que se produzca un tiempo de inactividad inesperado.
Para comprender mejor el funcionamiento de este tipo de mantenimiento, se puede considerar el ejemplo práctico de un ventilador en una planta industrial. Los VFDs de última generación están equipados con algoritmos que pueden supervisar el rendimiento de los componentes de desgaste como los ventiladores y predecir su vida útil utilizando datos que incluyen la temperatura, la velocidad de funcionamiento y el total de horas de funcionamiento. El equipo de mantenimiento puede utilizar estos datos para reparar o reemplazar el ventilador en consecuencia, posiblemente planificando el trabajo a realizar durante un período de parada programado. Esto minimiza el tiempo de inactividad no planificado y, por lo tanto, reduce los costes de mantenimiento.
Descentralización y reducción de costes
Está claro que los VFDs actuales pueden desempeñar un papel importante en el mantenimiento industrial a la vez que ofrecen una solución descentralizada, rentable y flexible. Los VFDs no requieren paneles o gabinetes, ya que pueden ser montados cerca del motor, eliminando la necesidad de cables largos. Esto también reduce los costes de instalación y simplifica la puesta en marcha. Además, los VFDs descentralizados actuales ofrecen módulos de E/S y redes de comunicación opcionales, rápidas y fáciles de instalar, lo que permite adaptar el accionamiento estándar a las aplicaciones individuales del usuario. La disponibilidad de un gran número de interfaces de comunicación hace que los VFDs descentralizados sean adecuados para muchas aplicaciones.
Muchos de los últimos VFDs también permiten la comunicación plug-and-drive a través de redes Ethernet en tiempo real, lo que permite una integración perfecta de los VFDs en las redes de comunicación de alto rendimiento existentes. El PLC integrado no sólo reduce la carga del controlador de nivel superior, sino también la inversión necesaria para instalar y cablear el armario de control.