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Electricidad: potencia y control en la planta

01/09/2007

Tratar con lo invisible –la electricidad–, escuchar y hablar en el extraño lenguaje de la máquina y dotar a ésta de vida. Ése es el trabajo del que se ocupa la ingeniería eléctrica en un centro de almacenaje. A primera vista, podría pensarse que esta disciplina tiene el único cometido de instalar cables, de enchufar máquinas.

La realidad es bien distinta,ya que en la práctica, se trata de una de las partes fundamentales de una planta en la que se trabaja con robots y resulta mucho más compleja que insuflar energía a una colección de potentes autómatas.“En la ingeniería eléctrica de un almacén intervienen varias ramas”, explica Alexey Sánchez, ingeniero electrónico y responsable de ingeniería estándar de proyecto de Mecalux.

La de potencia se dedica a mover las máquinas que se desplazan con motores eléctricos y la parte de control se encarga de determinar cuándo se mueven y en qué estado se encuentran,además cubre aspectos como leer las señales de los sensores, gobernar la velocidad de las máquinas, rectificar su movimiento o posición,etc.”, desgrana.

La tercera disciplina es la informática,que se divide a su vez en dos campos: gestión y control. En esta segunda materia los ingenieros eléctricos también tienen algo que decir porque hay elementos de hardware que ellos definen, como los buses de datos, mientras que otras cuestiones, como el dimensionamiento de la CPU o las velocidades de comunicación, son definidos por los ingenieros informáticos.

 

Dar vida a la instalación

Para que todos estos sistemas eléctricosy electrónicos funcionen es necesario contar con la sabia básica que maneja esta rama de la ingeniería:la electricidad.La primera cuestión que hay que resolver en cualquier instalación es, por lo tanto, la acometida, es decir, la entrada de la energía eléctrica en el complejo.

De facilitar la infraestructura para que la electricidad llegue hasta el centro suele responsabilizarse el propio cliente, a menos que se trate de un proyecto llave en mano, en cuyo caso, al igual que sucede con otros aspectos que trascienden a las estanterías y las partes automáticas (como la obra civil), es el proveedor del almacén el que se cuidará de solicitarla.

La empresa encargada de la instalación del centro debe hacer un cálculo previo para conocer qué potencia será necesaria para hacer funcionar todos los sistemas eléctricos en el almacén.“Calculamos los consumos que se darán en la planta”, describe Alexey Sánchez, “por ejemplo, sabemos cuántos transelevadores y transportadores hay y cuántos de ellos se deberán mover a la vez. Se tienen en cuenta diversos aspectos, se aplican factores de corrección y se obtienen unos resultados”.

Según este experto estos cálculos consideran,por ejemplo, que todos los transelevadores no se mueven al unísono–como en una coreografía–, sino que van necesitando potencia según se desplaza uno u otro, para ajustar el resultado final a las exigencias reales de la instalación.

 

Una estrategia, un plano

El cálculo de la potencia necesaria no es más que una pequeña parte de todo el planteamiento y de la puesta en marcha de un centro de almacenaje. Previamente se ha de diseñar la instalación eléctrica al completo y han de definirse los elementos que la integrarán y cómo se organizarán.Una de las cuestiones más importantes que se han de especificar desdeun principio es la estrategia en la estructura organizativa de la distribución de la potencia y en el control delos elementos eléctricos de la instalación,algo que empieza por la ubicación de los cuadros eléctricos.

 

En algunos almacenes se utiliza un solo cuadro centralizado para todo,mientras que en otros se descentraliza esta tarea. “Actualmente la tendencia es esta última”, indica Julián Niño, ingeniero industrial y coordinador de uno de los grupos de trabajo de electricidad de Mecalux, y añade: “La descentralización se puede efectuar colocando una caja por máquina -por transportador, dado el caso–o por grupos de máquinas, que es lo que suele hacerse ahora”.

 

Los cuadros pueden contener en su interior componentes que sirven para la distribución de la potencia (es decir, gestionar la energía) o para la distribución de la comunicación con las máquinas, los sensores y los aparatos de control (como los pulsadores de seguridad).No obstante, se sigue utilizando una estructura más centralizada en determinados entornos como, por ejemplo, las instalaciones con refrigeración o congelación, ya que la electrónica debe acoplarse a la propia máquina y sufrir la misma temperatura, algo que no es muy compatible con este tipo de aparatos.

 

Aparatos eléctricos

Los cuadros eléctricos envían y reciben señales y transmiten potencia eléctrica a las máquinas –transportadores, transelevadores, electrovías,etc.–, a los aparatos de seguridad, de comunicación y detección (como las fotocélulas), además de a los pulsadores de emergencia o a los finales de carrera.

Cuando se habla de la instalación de la electricidad en el almacén hay que citar dos redes: una dedicada a proporcionar potencia eléctrica (que se divide a su vez en una orientada a las máquinas y otra al resto de aparatos, como los ordenadores) y una segunda destinada a la comunicación con todos los dispositivos, que es lo que se denomina un bus de campo y que en el caso de los almacenes suele ser del tipo Profibus.

En ocasiones, sólo es preciso proporcionar bus de campo a un dispositivo y no potencia (de hecho el bus puede suministrar electricidad también),pero en el caso de los componentes principales, como son los transelevadores, es necesario proporcionar ambas redes.Precisamente el transelevador es un buen compendio de casi todos los tipos de componentes eléctricos que se pueden hallar en un almacén.

Yen él se encuentran un gran número de los más usuales.Por ejemplo, por su complejidad disponen de dos cuadros propios, uno dentro de un armario acoplado a la columna, responsable de dotar y controlar la potencia eléctrica de toda la máquina y un segundo, incorporado a la cuna, que recoge las señales de los sensores instalados en ésta y gobierna su motor.

 

Motores eléctricos

Los transelevadores poseen dos motores eléctricos encargados del movimiento.Uno de ellos controla la elevación y su cometido es levantar la cuna hasta la ubicación en la que deberá dejarse la carga. El otro motores el de traslación, que se ocupa del desplazamiento del conjunto a través del pasillo.Los motores cuentan, cada uno, con una de las piezas eléctricas más importantes del almacén automatizado:el variador.

Se trata de un elemento cuya función es cambiar la velocidad y la aceleración del motor gobernando la frecuencia empleada. A mayor frecuencia, mayor velocidad y viceversa.Estos componentes también son utilizados para conseguir un mejor control sobre la aceleración de losmotores cuando se ponen en marcha o cuando paran, lo que posibilita evitarmovimientos, causados por la inercia de la carga, que podrían poner en peligro al sistema o a la propia mercancía.

Esa inercia puede generar en determinados momentos un exceso de energía (porque se fuerce el motor a seguir rodando una vez que se ha parado, por ejemplo), que es necesario disipar para evitar roturas y desgastes. Es posible prever ese tipo de situaciones y preparar a la instalación en consecuencia. Para ello, se permite que el motor entre en un modo generador de energía, de tal manera que en lugar de recoger y usar electricidad de la red, realiza el efecto contrario: la transmite.

Por ello es imprescindible contar con resistencias situadas entre el variador y el motor,que son las encargadas de disipar ese exceso de energía que, de otro modo, podrían afectar al primario. Los variadores no sólo son empleados en los transelevadores, sino también en los transportadores. Con su uso se consigue una excelente transición sin peligro y sin forzar los mecanismos de un tramo a otro al poder controlar la aceleración.

En determinadas ocasiones, también se utiliza en estas herramientas de desplazamiento para conseguir altas velocidades de trabajo.No siempre es necesario emplear el variador en los transportadores. En algunos casos se puede sustituir por un contactor. “Se trata de un interruptor que se acciona a distancia y que hace que los contactos se abran o se cierren. La diferencia con respecto al variador de frecuencia es que no permite controlar la velocidad, sino sólo accionar o no el elemento en cuestión, por ejemplo, un transportador”, reflexiona Julián Niño.

 

Sentidos electrónicos

Los contactores y los variadores son los responsables de mover y accionar las máquinas, ya sean transelevadores, lanzaderas o transportadores, pero los sensores son los responsables de ver y sentir en el entorno del almacén automático. Se pueden encontrar distintos tipos de estos dispositivos en función de la actividad que desempeñen y también del ámbito en el que se deban desenvolver.

A los más comunes, como los telémetros–que miden la distancia de un punto con respecto a otro, como por ejemplo, del borde de una cuna a la estantería–o los denominados encoders, encargados de determinar la velocidad a la que está funcionando el motor, se pueden añadir otros como los sensores inductivos, algo menos habituales.

Estos sensores se utilizan cuando se trabaja con elementos reflectantes (puede ser la misma carga),una condición que podría confundir a otro tipo de sensor visual, como es la fotocélula. El sensor inductivo detecta metales, por lo que es capaz de ver sin mirar. En el almacén robotizado, los sensores comunican el estado de la carga y de los elementos a los sistemas informatizados que toman decisiones en función de lo que captan.

Pero el sistema automático también se comunica con el personal humano de la instalación. Y lo hace mediante leds, botones, joysticks, manetas y pantallas táctiles. Algunos de estos componentes son bastante complejos, tal es el caso de las pantallas táctiles. Suelen instalarse en las mesas de salida de los almacenes automáticos. El operario puede marcar fácilmente las cantidades y el estado de las mercancías que ha recogido para el picking de la caja que le haya servido el automático.

 

Setas de seguridad

Otros elementos de comunicación con el entorno cumplen funciones de seguridad. Dentro de este tipo se hallan algunos tan simples como las setas de seguridad. Son botones con una gran superficie de contacto,ideales para ser apretados o golpeados en situaciones de emergencia.Se pueden encontrar, entre otras ubicaciones, en las cabeceras de los almacenes automatizados.

La barrera óptica también es una pieza integrante de la seguridad incluida dentro de la electricidad del almacén.Consiste en un sistema fotosensible que hace parar el mecanismo o generar un aviso cuando un cuerpo se interpone en la barrera, señal inequívoca de que una persona, un objeto o una máquina ha penetrado en una zona operativa que puede representar algún tipo de riesgo.

Todos estos sistemas son redundantes y están preparados para trabajar incluso ante un corte de suministro.Es el caso de los frenos empleados en los transelevadores. Cuando a estos frenos se les aplica potencia eléctrica, permanecen abiertos y permiten el uso de las máquinas. Si, por el contrario, falla la potencia eléctrica y el sistema se queda sin energía, los frenos se cierran automáticamente –al no encontrar resistencia–. “Si hay un problema, el sistema se mantiene en una posición segura”, afirma Alexey Sánchez, “además en una categoría 4 –la máxima en lo que se refiere a la seguridad contra posibles accidentes–, en que cualquier fallo que se produzca en el circuito es detectado”, asevera.

 

Innovación y desarrollo

Los sistemas de seguridad, como los comentados, son una de las áreas en las que se emprende un mayor esfuerzo desde el punto de vista de la innovación. Pero no es la única.La última novedad que se empieza a utilizar en la electricidad del almacén se está aplicando a la transmisión de energía a las máquinas.

Es una tecnología que no necesita cables y que puede destinarse a partes móviles.Nos referimos a un sistema de inducción que se aplica desde hace años a otros equipos, como por ejemplo los vehículos autoguiados (AGV) y que hoy se está trasladando también a electrovías, grúas pórtico y transelevadores.

Esta tecnología puede no sólo ser conveniente en algunos entornos, sino incluso imprescindible. Es el caso de un proyecto que se está ultimando en estos momentos en un centro en el que, por las características del negocio del cliente, se utilizará agua jabonosa diariamente. Este producto corroería a la larga los cables de la instalación, por lo que se ha optado por la inducción.

La solución con cables sería más cara (por la necesidad de utilizar elementos especiales) y difícilmente practicable.La inducción, de momento, tampoco se considera el mejor sistema para todas las instalaciones, sino sólo para casos concretos como el analizado,porque, como manifiesta Alexey Sánchez, “es un método más caro y debido a las conversiones que se realizan–ver Electricidad sin contacto– se produce una pérdida de potencia”.

Si bien la inducción es una de las últimas tecnologías aplicadas al campo del almacén automático, las innovación es que se efectúan en esta disciplina industrial no son tan habituales como en otras, caso de la informática. O, al menos, se realizan de una manera más progresiva. Por ejemplo, uno de los cambios sustanciales en la forma de trabajar, que es relativamente reciente,es la descentralización de las líneas Profibus, una innovación de hace diez años. Otra novedad importante son los contactores de un solo elemento, que aparecieron en el mercado hace unos cuatro años.

 

Tecnología punta

Alexey Sánchez comenta el método que se sigue para estar siempre en el límite de la innovación en cuanto a la electricidad y la electrónica del almacén: “Trabajamos con tecnología punta, todos los sensores que utilizamos son los mejores y los más recientes en el mercado; siempre que haya un elemento mejorado que podamos usar en nuestras máquinas lo incorporamos y así nunca nos quedamos fuera de juego”. Según este ingeniero, cualquier novedad se evalúa para conocer el impacto que puede tener en las instalaciones, por lo que no siempre se adopta una tecnología por novedosa que sea si no va a mejorar el trabajo final.

Este experto apunta algunas de las variaciones que se han producido en la electricidad y la electrónica del almacén y que ahora se aplican en todas las instalaciones. Por ejemplo, actualmente se utiliza el telémetro láser que se comunica directamente con el variador, así que ya no es necesario que los técnicos realicen los cálculos de la respuesta al estímulo que llega del telémetro, porque es el propio aparato el que realiza esa tarea.

Otra de las innovaciones destacables afecta a los sensores. Los que se están instalando cuentan con supresión de fondo. Se trata de una característica que se aplica a las fotocélulas. Consiste en que estos componentes son capaces de discernir entre el movimiento que deben detectar y el que puede producirse en segundo plano, generado, por ejemplo,por máquinas más alejadas y sin relación con el trabajo de la fotocélula en cuestión.

Además de adoptar las innovaciones que surgen en el sector, en Mecalux se trabaja con otro principio en lo que a electricidad se refiere: confiar en proveedores que sean primeras marcas y apostar siempre por el producto de más alta calidad, con lo que se mejora el rendimiento final de toda la instalación a la vez que se reduce el riesgo de defectos e incidencias.

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SEGURIDAD AL FINAL DEL RECORRIDO

La redundancia y la seguridad eléctrica deben estar presentes en los elementos cuyo fallo podría provocar serios problemas. Es el caso del denominado final de carrera, utilizado al término del recorrido en el camino de un transelevador. Se trata de un dispositivo con una leva que,cuando se oprime (se pisa), provoca la apertura de unos contactos. Si la leva es pisada por el transelevador significa que éste está moviéndose más allá de los límites de trabajo (y de seguridad). Si esa situación se produce, el final de carrera efectúa una parada en el sistema para evitar el golpe de la máquina contra los componentes de seguridad instalados –como los topes hidráulicos– o, aún peor, con la estructura del propio almacén.Como medida de seguridad redundante también hay disponibles finales de carrera que se rompen cuando el sistema falla, de modo que realizan su trabajo eficientemente incluso en situaciones extremas.

 

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ELECTRICIDAD SIN CONTACTO

Una de las innovaciones que se están aplicando al entorno de la electricidad en los almacenes automáticos es lo que la empresa especializada Vahle denomina CPS, (Contactless Power System o sistema de alimentación eléctrica sin contacto). El funcionamiento es similar al que se produce dentro de un transformador, en el que se efectúa una transferencia entre el inversor primario y el secundario.

En el caso del CPS, la bobina primaria queda estirada a lo largo del tramo de movimiento y la secundaria se enrolla en una pieza abierta que rodea a la primaria. Con esta configuración, es posible transferir electricidad entre un elemento y otro sin necesidad de contacto y con la libertad de que uno de los dos se pueda mover sobre el otro. Se trata de un sistema indicado para, por ejemplo, entornos en los que los cables estén expuestos a materiales corrosivos.

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COMUNICAR BIEN EL ALMACÉN

Los ingenieros eléctricos se encargan, entre otras actividades, de dotar a la instalación de un canal de comunicación con las máquinas y los dispositivos que reciben y envían información. Para ello se utiliza lo que se denomina un bus de campo y, en concreto, el denominado Profibus es el más empleado.

Las ventajas de esta tecnología con respecto a otras redes de comunicación como pueden ser las informáticas (por ejemplo, las Ethernet) es que permiten el control en tiempo real porque se sabe de antemano el intervalo exacto de respuesta de los dispositivos conectados.

 

Señales eléctricas

El bus de campo se conecta a todo tipo de aparatos que hay que controlar, como los cuadros de las máquinas, o de los que hay que obtener una señal, como es el caso de los sensores o los pulsadores de seguridad. En el otro extremo de la red se pueden encontrar unos aparatos denominados PLC, que convierten las órdenes provenientes de los ordenadores en señales eléctricas que los dispositivos pueden entender. ElPLC, sin embargo, tiende a ser sustituido por una tarjeta informática conectada directamente al ordenador que es capaz de emular a dicho componente.