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<strong>Revista</strong><br />
<strong>ABB</strong><br />
<strong>Revista</strong> técnica del<br />
Grupo <strong>ABB</strong><br />
www.abb.com/abbreview<br />
4 / <strong>2006</strong><br />
Pioneering<br />
spirits<br />
Las innovaciones<br />
más brillantes<br />
Los robots desafían A revolution a la mano in high de obra dc current barata<br />
página 6<br />
measurement<br />
page 6<br />
Team-mates: Las MultiMove mejores innovaciones functionality de heralds <strong>2006</strong><br />
página 15<br />
a new era in robot applications<br />
page 26<br />
Reflexionando Best innovations sobre el 2004 color<br />
página page 43 40<br />
a
Una idea se convierte en una<br />
innovación tras superar un<br />
proceso de investigación y<br />
desarrollo. En este número de<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> ponemos en primer<br />
plano productos y soluciones<br />
que han pasado por el<br />
proceso de desarrollo de <strong>ABB</strong><br />
hasta alcanzar el estado de<br />
prototipos probados o productos<br />
comercializados.
Editorial<br />
Las innovaciones más brillantes<br />
En <strong>ABB</strong>, el 70 por ciento de las ventas se consiguen con productos<br />
que no tienen más de cinco años de antigüedad, pero<br />
muchos de ellos deberán funcionar al menos durante 25 años.<br />
Comparemos esta situación con la del sector de telecomunicaciones,<br />
cuya cartera de productos se renueva mucho más rápidamente<br />
pero va emparejada a unas expectativas mucho más<br />
modestas de vida útil y de soporte del producto. De todas formas,<br />
independientemente del sector existen algunos factores<br />
comunes a todas las compañías y productos que han de mantenerse<br />
competitivos. Algunos de estos factores son la adecuada<br />
combinación de nuevas ideas y conceptos acreditados, el<br />
aumento de funcionalidad y unos precios atractivos. Y la innovación,<br />
precisamente, es lo que quiere destacar este número<br />
de <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong>. Nuestro equipo de dirección tecnológica ha<br />
seleccionado de una larga lista las que considera ‘Las mejores<br />
Innovaciones de <strong>2006</strong>’. Para la selección se tuvo en cuenta el<br />
impacto tecnológico y comercial a medio plazo, la creatividad<br />
y la originalidad.<br />
El artículo principal está dedicado a un concepto innovador<br />
de fabricación ajustada y flexible. Conocido como FlexLean,<br />
permite fabricar numerosos productos en la misma cadena<br />
aplicando un concepto de células estandarizado pero flexible.<br />
Aunque ha sido concebido para el montaje de carrocerías de<br />
automóviles, creemos que también prestará un gran servicio<br />
en aquellas aplicaciones que requieren fabricar numerosos<br />
productos en una sola cadena de montaje.<br />
La colaboración entre los seres humanos y los robots ha sido<br />
un tema muy querido de muchos autores de ciencia ficción.<br />
Mencionemos ‘Yo, robot’ de Asimov en el campo de la literatura<br />
y R2D2 en la película ‘La guerra de las galaxias’. Aunque<br />
algunos robots tratan de emular al robot R2D2, la robótica<br />
industrial actual se ha mantenido lejos de estas imágenes,<br />
sobre todo por razones de seguridad humana, dado que un<br />
movimiento súbito de un robot puede ser muy peligroso.<br />
Una innovación de <strong>ABB</strong> –SafeMove– eliminará este peligro y<br />
permitirá a hombres y robots trabajar juntos, en equipo.<br />
En el sector de la electricidad, un objetivo muy deseado es<br />
conseguir diseñar redes eléctricas autocorrectoras. <strong>ABB</strong><br />
Research acaba de dar un paso hacia este objetivo al desarrollar<br />
las especificaciones funcionales y arquitectónicas de la<br />
infraestructura TI necesaria para soportar este tipo de red.<br />
El desarrollo de CEI 61850 como norma única y global para la<br />
comunicación de subestaciones es un tema de actualidad en<br />
todo el mundo. Esto ha conducido al desarrollo de varias<br />
innovaciones de <strong>ABB</strong> que se discuten en dos artículos de este<br />
número. El primero trata de guías de onda de tubo hueco para<br />
aparamenta de tensión media, utilizadas para distribuir los<br />
enormes flujos de datos necesarios para los equipos. Al tiempo<br />
que aumenta la flexibilidad, esta tecnología reduce considerablemente<br />
el necesario cableado de aparamenta, de modo<br />
que la configuración general es más resistente a los errores de<br />
conexión y a los problemas de compatibilidad electromagnética.<br />
Otras innovaciones derivadas de la norma (discutidas en el<br />
segundo artículo) son diversas herramientas ‘plug and play’<br />
(enchufar y usar) para aplicaciones de automatización de subestaciones<br />
que simplifican la costosa ingeniería de proyectos.<br />
Un importante artículo, la primera de dos partes, sobre tecnología<br />
de semiconductores de potencia completa y concluye la<br />
parte de este número de <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> dedicada a la energía.<br />
Como tecnología esencial de conmutación para redes eléctricas,<br />
la primera parte presenta el estado actual de la cuestión y<br />
prevé el desarrollo futuro. La parte segunda se publicará en<br />
nuestro primer número de 2007.<br />
Para muchos de nosotros es difícil clasificar los colores. Pero<br />
la medición del color es aún más difícil, especialmente si se<br />
ha de realizar en línea, en un entorno tan hostil como una<br />
máquina de papel y a velocidades superiores a 100 km/h.<br />
A partir de definiciones de color de aceptación general mostramos<br />
en una serie de artículos cómo se puede resolver este<br />
complejo problema y cómo un sistema de control avanzado<br />
puede reducir el consumo de tintes químicos en beneficio del<br />
cliente y del medio ambiente.<br />
El corte de gigantescas bobinas de papel en rollos más pequeños,<br />
de acuerdo con las especificaciones de los clientes, no es<br />
tan sencillo como pudiera parecer. Para optimizar los rollos individuales,<br />
el algoritmo de corte ha de tener en cuenta datos<br />
de calidad procedentes de sensores en línea, lo que requiere<br />
manejar gran cantidad de datos.<br />
Los dos artículos siguientes tratan de la optimización económica<br />
y de la gestión de activos en las sedes de los clientes.<br />
La parte dedicada a la industria concluye con la descripción<br />
de un nuevo principio para la medición en línea del oxígeno,<br />
una aplicación corriente en muchos procesos industriales y en<br />
centrales eléctricas.<br />
Una correcta combinación de inteligencia e ingenio es fundamental<br />
para moverse en los límites entre tirón comercial y<br />
empuje tecnológico. Para que una innovación tenga éxito se<br />
ha de tener un conocimiento claro de las necesidades y oportunidades<br />
actuales y futuras. Nuestras innovaciones más brillantes<br />
contribuyen a comunicar mejor nuestras ideas a nuestros<br />
clientes y suministradores. Este diálogo permanente es<br />
vital para el éxito de todas las partes.<br />
Le deseo que disfrute con la lectura.<br />
Peter Terwiesch<br />
Chief Technology Officer<br />
<strong>ABB</strong> Ltd.<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
3
Índice<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
Las innovaciones más brillantes<br />
Lo más brillante de la robótica<br />
6<br />
FlexLean<br />
Los robots pueden ser muy buenos en precision y capacidad<br />
de repetir operaciones, pero cuando se trata de la<br />
flexibilidad no tienen nada que hacer frente al trabajo<br />
manual. Excepto si se trata de las células robóticas<br />
FlexLean de <strong>ABB</strong>.<br />
11<br />
SafeMove<br />
Los robots son excelentes trabajadores, pero ¿es prudente<br />
dejarlos convivir con las personas Con SafeMove<br />
sí, sin duda. El nuevo paquete de software de <strong>ABB</strong> hace<br />
posible que hombres y máquinas trabajen juntos con<br />
toda seguridad.<br />
Las innovaciones más brillantes<br />
15<br />
Las mejores innovaciones de <strong>2006</strong><br />
En estas 11 historias breves queremos transmitir lo esencial<br />
de las numerosas innovaciones de <strong>ABB</strong> durante el año<br />
<strong>2006</strong>. Los artículos resaltan el ingenio de <strong>ABB</strong> en los campos<br />
de la comunicación, la automatización y la seguridad.<br />
Lo más brillante de la energía<br />
21<br />
Una visión de red eléctrica autocorrectora<br />
En una red de transmisión puede haber problemas,<br />
pero la tecnología <strong>ABB</strong> se encarga de que un incidente<br />
no termine necesariamente en un apagón.<br />
26<br />
Conducción de datos<br />
Un enlace por radio inmune a las interferencias,<br />
¿un sueño inalcanzable <strong>ABB</strong> ha llevado la idea un<br />
paso más allá.<br />
30<br />
Más allá de la primera impresión<br />
Cómo establecer un nuevo estándar. Para los<br />
investigadores de <strong>ABB</strong>, la norma CEI 61850 es<br />
mucho más que un estándar de comunicación de<br />
subestaciones.<br />
34<br />
Semiconductores de potencia<br />
Desde los accionamientos hasta las redes eléctricas,<br />
la innovación avanza gracias a los semiconductores de<br />
potencia.<br />
Sensores y control<br />
40<br />
Reflexionando sobre el color<br />
Para la mayoría de consumidores el papel no es nada<br />
más que una hoja en blanco. Para los fabricantes es el<br />
producto de un proceso de color.<br />
44<br />
Cocina de color<br />
Colorantes, los ingredientes del color<br />
46<br />
Poniendo en claro el color<br />
La medición del color del papel demuestra que blanco<br />
no siempre es igual a blanco.<br />
4 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
www.abb.com/abbreview<br />
6<br />
49<br />
Control del color en tiempo real<br />
El control de un proceso que a menudo se considera<br />
poco problemático<br />
53<br />
El corte más avanzado<br />
¿De cuántas maneras se puede cortar una bobina de<br />
papel ¿Por qué es esto un problema<br />
17<br />
59<br />
Rentabilidad del cemento<br />
Optimización, respuesta de <strong>ABB</strong> a la mayor competencia<br />
y a los menores márgenes en las industrias de<br />
procesos<br />
63<br />
Conocimiento de los activos<br />
Un nuevo sistema de optimización de activos y de<br />
supervisión de estado de <strong>ABB</strong> ayuda a una empresa a<br />
convertir el tiempo perdido en acero.<br />
68<br />
Microsistemas en funcionamiento<br />
El nuevo sensor de oxígeno de <strong>ABB</strong> es una bocanada<br />
de aire fresco para al análisis continuo de gases. La<br />
mejora del rendimiento y la reducción del coste revolucionarán<br />
la medición de la concentración de oxígeno.<br />
40<br />
68<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
5
Lo más brillante de la robótica<br />
FlexLean<br />
Los robots desafían la mano de obra barata<br />
Bernard Negre, Fabrice Legeleux<br />
La industria de la automoción suele estar considerada como pionera<br />
en el uso de robots a gran escala. Los prolongados períodos de producción<br />
continua de automóviles idénticos eran un campo de aplicación<br />
ideal para estos incansables y fiables trabajadores. Hoy en día, el<br />
mercado presiona cada vez más a los fabricantes de automóviles para<br />
que ofrezcan a sus clientes más opciones de elección, reduciendo al<br />
mismo tiempo los costes de producción. Para satisfacer estas demandas,<br />
aparentemente contradictorias, una cadena de montaje individual<br />
ha de poder producir una combinación de diferentes modelos y ha de<br />
‘aprender’ a fabricar nuevos modelos sin necesidad de rediseñar totalmente<br />
sus equipos y, si es posible, sin siquiera detener la producción.<br />
<strong>ABB</strong> ha dado cumplida respuesta a estas demandas construyendo<br />
células de robots más adaptables, más fáciles de instalar y que ocupan<br />
menos espacio. La nueva generación de células puede producir a un<br />
precio tan bajo que resulta competitiva con el trabajo manual en países<br />
de bajos costes, proporcionando así a los fabricantes una alternativa<br />
a la externalización de ciertos campos de la empresa y mejorando al<br />
mismo tiempo la calidad entregada a los mercados locales en dichos<br />
campos.<br />
Una moderna cadena de montaje<br />
de automóviles pequeños completa<br />
un vehículo cada 45 segundos, y<br />
esto durante las 24 horas de cada día.<br />
La estructura desnuda de la carrocería<br />
de un automóvil normal, la llamada<br />
‘carrocería en blanco’ (BIW, body-inwhite),<br />
consta de 200 a 400 piezas<br />
(inclusive las utilizadas en los subistemas).<br />
Esto significa que sólo la línea<br />
BIW (y sus líneas de montaje de subsistemas)<br />
consume esta cantidad de<br />
piezas cada 45 segundos. No se trata<br />
sólo de que los robots tengan que<br />
trabajar con la precisión de un reloj;<br />
además hará falta una logística avanzada<br />
para el funcionamiento de la línea.<br />
Otro problema de estas cadenas de<br />
montaje es la reutilización de los<br />
equipos. En el pasado, una cadena de<br />
montaje se diseñaba específicamente<br />
para un solo modelo de automóvil. En<br />
el momento de introducir un nuevo<br />
modelo había que diseñar y construir<br />
una nueva cadena. Esta solución exigía<br />
una gran inversión e implicaba<br />
mucho tiempo muerto.<br />
<strong>ABB</strong>, en tanto que suministrador de<br />
robots e integrador de sistemas, siempre<br />
ha reconocido la importancia de<br />
conseguir que tales operaciones sean<br />
lo más uniformes y simples posible.<br />
Lo primero para ello es reducir costes<br />
6 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
FlexLean<br />
Lo más brillante de la robótica<br />
consiguiendo reutilizar la mayor cantidad<br />
posible de equipo. Sin embargo,<br />
aunque la ‘transferencia’ de robots individuales<br />
y otros componentes pueda<br />
ser relativamente simple, unos y otros<br />
han de pasar por los mismos ciclos de<br />
configuración y ensayos que el nuevo<br />
equipo. Para conseguir más reutilización,<br />
simplificando al mismo tiempo<br />
el proceso de configuración, <strong>ABB</strong> introdujo<br />
FlexiBase. FlexiBase es una<br />
célula modular en la que robots, controladores<br />
y cables son preinstalados<br />
en una plataforma. Ésta se configura<br />
y se prueba en la fábrica <strong>ABB</strong> y se<br />
entrega al cliente como un módulo de<br />
trabajo. Sólo requiere una configuración<br />
mínima antes de empezar a producir.<br />
Este ahorro se repite cuando se<br />
reutiliza la célula.<br />
De este modo, la reutilización de instalaciones<br />
ha pasado de ser un bello<br />
deseo a convertirse en un asunto central.<br />
Varios modelos de automóviles<br />
lanzados recientemente se producen<br />
en cadenas de montaje ya antiguas.<br />
La ‘transferencia’ de estas instalaciones<br />
es un reto real para los integradores,<br />
especialmente cuando el nuevo modelo<br />
de automóvil se ha de montar en<br />
una cadena que ya está funcionando.<br />
En este caso, los preparativos de producción<br />
del nuevo modelo no pueden<br />
detener o reducir la producción de los<br />
otros modelos. Gracias a su experiencia<br />
como proveedor de cadenas de<br />
montaje flexibles, <strong>ABB</strong> es para Renault<br />
una referencia en cuanto a operaciones<br />
de ‘transferencia’.<br />
Por tanto, además de ‘transferir’ una<br />
cadena de montaje de un modelo an-<br />
tiguo a uno nuevo, la flexibilidad permite<br />
producir una combinación de diferentes<br />
modelos en la misma cadena.<br />
Los costes de preparar la cadena para<br />
un nuevo modelo se reducen espectacularmente<br />
y también, por consiguiente,<br />
el riesgo para el fabricante de que<br />
un nuevo modelo no se venda según<br />
lo previsto.<br />
El reto del ‘Extremo Oriente’<br />
En el mercado asiático, en pleno<br />
crecimiento, las instalaciones que<br />
operan manualmente siguen siendo<br />
la norma y sólo se utilizan robots<br />
cuando se requiere un funcionamiento<br />
de servicio pesado, continuo y preciso.<br />
Un ejemplo de ello es FlexFramer,<br />
una estación de estructuración de<br />
automóviles, desarrollada por <strong>ABB</strong>,<br />
en la que dos robots manipulan el<br />
equipo de 500 kg usado para encerrar<br />
la carrocería y garantizar su geometría.<br />
Considerando la cadena completa,<br />
sin embargo, este sistema no requiere<br />
muchos robots. <strong>ABB</strong> presenta<br />
ahora una solución estándar perfectamente<br />
competitiva con los talleres<br />
de chapa que operan manualmente:<br />
FlexLean.<br />
Gracias a Flexlean, el cliente puede<br />
obtener ahora la flexibilidad y fiabilidad<br />
de una instalación robotizada al<br />
precio de una operada manualmente.<br />
Además, esta solución requiere hasta<br />
un 40 por ciento menos de superficie<br />
de suelo 1 ; la compacidad de la solución<br />
modular es una ventaja de calidad<br />
y logística (suministro de piezas).<br />
Su escalabilidad también será una<br />
ventaja cuando se introduzcan futuros<br />
modelos de automóviles.<br />
Flexlean<br />
El concepto básico de Flexlean es<br />
muy simple. Se basa en el principio<br />
de la célula FlexiBase, aunque aumentando<br />
aún más su adaptabilidad. El<br />
término ‘lean’ que figura en su nombre<br />
refleja la simplicidad y el nivel de<br />
estandarización, que tienen como<br />
consecuencia la reducción de costes y<br />
le permiten competir con el trabajo<br />
manual en países de bajos costes y,<br />
con otras soluciones robóticas, en países<br />
con costes mayores. Fundamental<br />
para el concepto es el reconocimiento<br />
de que la personalización de las soluciones,<br />
las detalladas especificaciones<br />
técnicas y el software dedicado son<br />
3 Robot montado sobre un elevador hueco. El<br />
módulo accionador está alojado en el elevador<br />
para aprovechar el espacio. Obsérvese la<br />
ausencia de cables y tubos en el suelo.<br />
1 Gran densidad de robots: además de ahorrar superficie de suelo,<br />
una disposición como ésta simplifica la logística (entrega de piezas).<br />
2 Una célula de montaje y tres células de resoldadura. Estas células se<br />
consideran productos estándar y pueden ir equipadas con diferentes<br />
paquetes de procesos.<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
7
FlexLean<br />
Lo más brillante de la robótica<br />
Cuadro Componentes de Flexlean: Flexlean incorpora una amplia gama de nuevos productos robóticos.<br />
Controlador IRC5<br />
FlexPLP: polar<br />
FlexPLP: lineal<br />
Con este sistema de control de robots (que<br />
integra la función Multimove), es posible<br />
controlar y coordinar varios manipuladores,<br />
además de ejes externos. Es la plataforma<br />
ideal para controlar los nuevos productos<br />
robóticos, como FlexPLP y FlexGrip.<br />
IRB 6620<br />
Un estudio de los últimos proyectos de<br />
fabricantes de equipos originales que utilizan<br />
robots de <strong>ABB</strong> ha demostrado que la eficiencia<br />
puede mejorar en un 20 por ciento. El<br />
IRB 6600 es un robot ‘genérico’ excelente<br />
pero su capacidad supera la necesaria para<br />
la soldadura por puntos. Por tanto se decidió<br />
especificar, en estrecha colaboración con la<br />
división de robótica de <strong>ABB</strong> en Suecia, un<br />
robot dedicado expresamente a soldar por<br />
puntos. El coste y el rendimiento de este<br />
nuevo robot se optimizaría para su trabajo:<br />
con él había nacido el IRB 6620. Este robot<br />
tiene un campo de trabajo de 2,2 metros y<br />
carga hasta 150 kg, suficiente para transportar<br />
una pistola de soldadura por puntos. La<br />
optimización del diseño del brazo es tal que<br />
el peso total del robot podría reducirse casi a<br />
la mitad del IRB 6600. La compacidad del<br />
nuevo diseño permite aumentar la densidad<br />
de robots en una célula. Es de destacar<br />
especialmente que, a pesar de la simplificación<br />
del diseño (por ejemplo, se omitió el<br />
mecanismo de equilibrio del peso), la optimización<br />
no tuvo ningún efecto sobre las prestaciones<br />
de movimientos: el nuevo IRB 6620<br />
es tan rápido y tiene tanta repetibilidad como<br />
los robots de la serie IRB 6600.<br />
(Flexible Programmable Lean Positioner)<br />
Este pequeño robot con tres ejes de posicionamiento<br />
se usa como posicionador para<br />
soportar la carrocería o las piezas de trabajo.<br />
Anteriormente se utilizaban plantillas<br />
para este fin, pero con la producción de<br />
diferentes modelos en la misma cadena de<br />
montaje, cada uno de los cuales requiere<br />
una plantilla distinta, se hizo evidente la necesidad<br />
de una solución ajustable. Durante<br />
el trabajo, por regla general, la carrocería o<br />
pieza de trabajo puede estar soportada por<br />
cuatro o más FlexPLP. FlexPLP está disponible<br />
en dos versiones.<br />
La versión polar requiere tres motores, cada<br />
uno de los cuales alimenta dos actuadores.<br />
La posición objetivo se describe mejor en<br />
coordenadas polares. En la versión lineal,<br />
más sencilla, los tres ejes se configuran<br />
para las coordenadas x, y, z de la posición<br />
objetivo.<br />
La versión lineal de esta plataforma de posicionamiento<br />
no es nueva, de hecho ya hay<br />
varios modelos disponibles en el mercado,<br />
pero esta tiene unas características muy<br />
peculiares. La unidad es modular y permite<br />
utilizar cada eje como producto autónomo,<br />
si así se desea. El diseño es también muy<br />
compacto y su motor está blindado para<br />
conseguir más protección.<br />
FlexGrip<br />
FlexPLP resuelve el problema de flexibilidad<br />
de las herramientas, pero no el transporte<br />
robotizado de distintas piezas dentro y fuera<br />
de la cadena de montaje. Estas operaciones<br />
suelen requerir varios ejecutores terminales<br />
con cambiadores de herramientas, de modo<br />
que el robot deja su herramienta de sujeción<br />
Los cables del proceso se extienden dentro<br />
de los tres ejes de la unidad hasta su extremidad,<br />
donde alimentan el actuador y recogen<br />
información de los sensores.<br />
No obstante, la ejecución de este diseño<br />
presentaba el problema de cómo proteger<br />
el interior de la guía deslizante del agresivo<br />
entorno de polvo, humos, salpicaduras de<br />
soldaduras, etc., propio del trabajo en una<br />
cadena de montaje BIW. Las soluciones<br />
convencionales usadas para proteger esta<br />
guía deslizante lineal influyen en la carrera,<br />
haciendo más incómoda la unidad. En su<br />
lugar, la protección tenía que conseguirse<br />
por medio del diseño. La forma de la sección<br />
deslizante permite tender una cubierta<br />
de cable a través de ella, que garantiza una<br />
buena protección sin necesidad de utilizar<br />
los fuelles convencionales, que son frágiles<br />
y requieren más espacio.<br />
El cliente puede obtener considerables ventajas<br />
con esta tecnología: introducir un nuevo<br />
modelo de automóvil en la cadena es tan<br />
sólo cuestión de programar las nuevas posiciones<br />
para los localizadores. Esta operación<br />
se puede conseguir fuera de línea con<br />
software de simulación (como el programa<br />
RobotStudio de <strong>ABB</strong>), con sólo una breve<br />
pausa en la producción para la puesta a<br />
punto final.<br />
en un depósito y toma otra. Pero este método<br />
necesita suelo libre para depositar las<br />
pinzas o dispositivos de agarre y afecta a la<br />
duración de los ciclos. La solución FlexGrip,<br />
que prescinde del cambiador de herramientas,<br />
consta de pinzas ajustables similares en<br />
principio a FlexPLP lineal. El módulo resultante<br />
está diseñado específicamente para<br />
ser transportado por un robot. Es ligero y las<br />
masas críticas (motores) están situadas en<br />
torno a la interfaz con el robot de transporte.<br />
Se pueden usar varias de estas unidades<br />
controladas por el IRC5 en el ejecutor terminal<br />
del robot para crear una ‘pinza’ programable.<br />
8 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
FlexLean<br />
Lo más brillante de la robótica<br />
FlexTrack<br />
A medida que el cliente exige más flexibilidad<br />
del taller de carrocería surge otro<br />
problema: ¿cómo trasladar subconjuntos o<br />
incluso la carrocería completa de un automóvil<br />
a través de la cadena de montaje sin<br />
perder flexibilidad Actualmente, los transportadores<br />
usan herramientas o palets de<br />
modelos específicos para manejar las piezas<br />
durante el movimiento. Estos palets han<br />
de ser devueltos al principio del sistema<br />
transportador cuando están vacíos. Este<br />
circuito de retorno es tan molesto que generalmente<br />
es un sistema aéreo situado en<br />
un entresuelo, lo que aumenta mucho su<br />
precio. Además, la coexistencia de varios<br />
modelos de automóviles en producción<br />
significa que existen varios tipos de palets<br />
que requieren diferente tratamiento. En estas<br />
condiciones, gestionar más de dos modelos<br />
de automóviles en la misma cadena de<br />
montaje es toda una pesadilla logística.<br />
De nuevo, la solución está en unas herramientas<br />
flexibles con robots de tres ejes para<br />
posicionar los localizadores de piezas. Esta<br />
plantilla programable es transportada según<br />
una trayectoria rectilínea que, al igual que<br />
los robots, está gobernada por el controlador<br />
IRC5. FlexTrack fue desarrollado para<br />
aplicaciones que requieren compacidad,<br />
protección y rentabilidad. Su pequeña anchura<br />
permite utilizar esquemas de montaje<br />
optimizados, donde los FlexPLP fijos están<br />
próximos a la trayectoria rectilínea. Todos<br />
los componentes internos de guiado y<br />
transmisión están protegidos contra la corrosión<br />
provocada por las soldaduras. Este<br />
movimiento lineal se puede usar también<br />
para transportar robots en varios procesos,<br />
como el encolado y la paletización.<br />
Otra ventaja de este sistema de movimiento<br />
rectilíneo frente a un sistema transportador<br />
convencional es que cada carrocería se<br />
mueve individualmente, con gran precisión<br />
y repetibilidad, lo cual puede simplificar mucho<br />
ciertas etapas. El tiempo de transferencia<br />
se reduce drásticamente, a menos de<br />
5 segundos para una distancia de 6 metros.<br />
causas importantes del aumento de<br />
los costes y de la incertidumbre técnica.<br />
La respuesta está en la tecnología<br />
de robots y en la estandarización: se<br />
ofrecen dos tipos de tales células 2 ,<br />
una para montaje geométrico y otra<br />
para resoldadura 1) . Estas células se<br />
entregan con una serie de configuraciones<br />
predefinidas: hay varios programas<br />
de procesos (como soldadura<br />
por puntos, encolado, ajuste de rodillos)<br />
disponibles para la célula de<br />
montaje. El número de robots en la<br />
célula de resoldadura es escalable de<br />
dos a seis.<br />
Todo el equipo perteneciente a una<br />
célula Flexlean, inclusive los controladores,<br />
está situado en una base Flexi-<br />
Base (de armazón de acero). Esta base<br />
contiene todos los tubos y cables y<br />
ofrece una superficie limpia sobre la<br />
que se puede caminar sin peligro de<br />
tropezar. El compacto diseño se optimiza<br />
aún más mediante elevadores<br />
huecos de robots de reciente diseño 3<br />
que permiten situar el accionamiento<br />
del control IRC5 inmediatamente debajo<br />
del robot. Después del arranque<br />
y puesta en servicio en la instalación<br />
de <strong>ABB</strong>, cada célula se desconecta de<br />
la corriente y de las células contiguas<br />
y se transporta en camión hasta la<br />
planta del cliente, donde se monta la<br />
cadena en unas pocas horas.<br />
Flexgrip en acción. Esta pinza variable tiene<br />
cuatro posicionadores lineales coordinados<br />
como una enorme ‘pinza’ robótica.<br />
Carrocería de automóvil soportada por<br />
FlexPLP: a la izquierda los de tipo polar, a la<br />
derecha los de tipo lineal<br />
Los componentes de Flexlean se exponen<br />
en el Cuadro .<br />
Flexibilidad de configuración<br />
En una cadena de montaje con<br />
Flexlean, cada célula es un sistema<br />
autónomo. Durante el arranque y<br />
puesta en servicio, el personal puede<br />
trabajar en células aisladas, puesto<br />
que cada una de ellas está controlada<br />
por un conjunto completo de módulos<br />
de automatización, que incluyen un<br />
PLC y una interfaz hombre-máquina 4 .<br />
Estos módulos se comunican por medio<br />
de un sistema de buses de tres<br />
niveles:<br />
FieldBus para proceso en tiempo<br />
real<br />
SafetyBus para entradas/salidas<br />
críticas<br />
Ethernet para información genérica<br />
Nota<br />
1)<br />
Resoldadura es el proceso de soldadura final, realizado tras las soldaduras iniciales para fijar las piezas en su<br />
posición.<br />
La estandarización de los productos<br />
usados en la célula no sólo es venta-<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
9
FlexLean<br />
Lo más brillante de la robótica<br />
josa para reducir los costes, también<br />
lo es para el sistema de control. Ya no<br />
se requieren complejas operaciones<br />
de programación de PLC: cada componente<br />
de la célula es conocido y el<br />
código PLC requerido se escribe de<br />
una vez para siempre.<br />
Sin embargo, una parte de la automatización<br />
sigue siendo variable, la parte<br />
relacionada con el proceso de fabricación<br />
propiamente dicho. Aquí reside<br />
el aspecto probablemente más innovador<br />
de esta solución: en lugar de codificar<br />
rígidamente el proceso específico,<br />
FlexControl integra un secuenciador<br />
configurable 5a .<br />
Ha dejado de ser necesario el proceso<br />
tradicional de programar, compilar,<br />
transferir al PLC y finalmente depurar<br />
el código generado, con el tiempo<br />
que ello exige. Ahora sólo es cuestión<br />
de configurar la secuencia de operaciones<br />
para cada actuador (robots,<br />
FlexPLP, mordazas 5b etc.) seleccionando<br />
una de las posibles operaciones<br />
desde una lista 5c . El conmutador<br />
del modo de operación se pone entonces<br />
en modo automático (‘auto’)<br />
y comienza la producción. Es tan<br />
sencillo que ya no es necesario un<br />
programador PLC para modificar los<br />
pasos del proceso; la persona que<br />
configure el programa simplemente ha<br />
de saber lo que quiere que haga<br />
FlexLean. En el modo de producción,<br />
el secuenciador se usa para visualizar<br />
el estado del proceso con códigos de<br />
colores 5d .<br />
Los robots redefinen la fabricación<br />
Hoy en día existen cadenas de montaje<br />
capaces de manejar una combinación<br />
de cuatro modelos diferentes.<br />
5 El secuenciador configurable simplifica<br />
enormemente la programación de robots.<br />
a El secuenciador<br />
b Parámetros de herramientas en el<br />
secuenciador<br />
c Un ejemplo de programación; sólo hay que<br />
seleccionar la acción deseada.<br />
Esta cifra se podrá duplicar en las cadenas<br />
de montaje del futuro. Sin embargo,<br />
el número de modelos que una<br />
sola cadena puede manejar está limitado<br />
por la logística del suministro de<br />
piezas a las células. Además de la<br />
mayor complejidad de la organización<br />
requerida para gestionar un mayor inventario<br />
de piezas, un problema fundamental<br />
es que para llevar más tipos<br />
de piezas al interior de una célula hay<br />
que disponer de más espacio alrededor<br />
de ésta, un bien por demás escaso.<br />
Además del manejo de modelos diferentes,<br />
la personalización abre las<br />
puertas a otras variantes. Cada automóvil<br />
está definido antes de comenzar<br />
la producción y esta información se<br />
envía a los controladores de las células<br />
en el instante apropiado. La personalización<br />
permite, por ejemplo, realizar<br />
orificios adicionales o montajes<br />
para accesorios y evita las costosas<br />
modificaciones posteriores. La fabricación<br />
ha dado un paso más hacia el<br />
sueño de combinar la producción en<br />
serie con la producción individual<br />
personalizada.<br />
Las innovaciones de la robótica ayudan<br />
a configurar, usar y reutilizar más<br />
fácilmente los robots, al tiempo que<br />
superan limitaciones como, por ejemplo,<br />
la escasez de espacio y el tiempo<br />
durante las operaciones. Estas ventajas<br />
contribuyen a la introducción de robots<br />
en aplicaciones más y más difíciles.<br />
4 Una célula robótica tiene múltiples controladores<br />
de robots. Todos ellos están configurados<br />
y coordinados centralmente con<br />
Flexcontrol.<br />
d En el modo de producción, el secuenciador<br />
visualiza el estado del proceso con<br />
colores.<br />
Bernard Negre<br />
<strong>ABB</strong> Manufacturing Automation<br />
Auburn Hills, USA<br />
bernard.negre@us.abb.com<br />
Fabrice Legeleux<br />
<strong>ABB</strong> Manufacturing Automation<br />
Beauchamp, Francia<br />
fabrice.legeleux@fr.abb.com<br />
10 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Lo más brillante de la robótica<br />
Dominio de los robots<br />
Más seguridad sin barreras mayores<br />
Soenke Kock, Jan Bredahl, Peter J. Eriksson, Mats Myhr, Kevin Behnisch<br />
Los robots industriales actuales son<br />
criaturas con buen comportamiento<br />
–hacen solamente aquello para lo que<br />
están programados– siempre que<br />
nadie se interponga en su camino.<br />
Puesto que los robots se mueven a<br />
velocidades asombrosamente altas y<br />
transportan cargas de hasta 600 kg,<br />
las personas han de mantenerse a<br />
distancia de ellos. Los robots suelen<br />
estar aislados por barreras, como los<br />
tigres en un parque zoológico. Sin<br />
embargo, estos equipos de seguridad<br />
tradicionales tienen un alto coste, que<br />
está ralentizando el avance de la<br />
automatización con robots en países<br />
altamente industrializados.<br />
Actualmente, <strong>ABB</strong> ofrece una solución<br />
que reduce el coste de las instalaciones<br />
de robots sustituyendo los<br />
costosos equipos mecánicos de seguridad<br />
por sistemas electrónicos y<br />
software especiales.<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong> 11
Dominio de los robots<br />
Lo más brillante de la robótica<br />
Según la reglamentación europea y<br />
norteamericana sobre higiene y<br />
seguridad en el trabajo, se considera<br />
como riesgo a tener en cuenta incluso<br />
un posible fallo del hardware o software<br />
del controlador de un robot,<br />
aunque sea poco probable. Esto significa<br />
que si, por cualquier motivo, se<br />
abre la puerta de una célula de robot,<br />
se ha de disparar un contacto y detener<br />
inmediatamente la máquina. Para<br />
evitar incluso un fallo teórico de este<br />
dispositivo de seguridad se requieren<br />
interruptores y circuitos de doble canal,<br />
como los existentes en todos los<br />
circuitos de seguridad de los controladores<br />
de robots de <strong>ABB</strong>. Para evitar<br />
accidentes causados por colisiones<br />
de robots se utilizan levas mecánicas<br />
para activar interruptores de posición<br />
instalados en los ejes del robot, limitando<br />
así la amplitud de movimientos<br />
del mismo. Estos métodos de automatización<br />
son caros y difíciles y limitan<br />
la eficiencia de una máquina proyectada<br />
originalmente para proporcionar<br />
una automatización flexible a un precio<br />
razonable.<br />
La seguridad laboral, ¿una desventaja<br />
competitiva<br />
El hecho de que los accidentes con<br />
robots sean muy raros demuestra que<br />
ya se han implantado medidas adecuadas<br />
de seguridad. De hecho, algunos<br />
argumentan que la seguridad se<br />
ha llevado demasiado lejos y que la<br />
rigurosa reglamentación de Europa y<br />
Norteamérica hace perder competitividad<br />
ante rivales sometidos a normas<br />
de seguridad menos exigentes. Otros<br />
se preguntan por qué los robots han<br />
de satisfacer requisitos de seguridad<br />
más estrictos que las grúas móviles,<br />
que mueven cargas mucho mayores<br />
que los robots y cuyo funcionamiento<br />
manual las hace sujetas al error humano;<br />
los robots realizan tareas repetitivas,<br />
previamente programadas, y<br />
generalmente no cometen errores.<br />
La respuesta de <strong>ABB</strong> consiste en no<br />
comprometer la seguridad de sus productos<br />
robóticos y en proporcionar a<br />
sus clientes instalaciones de seguridad<br />
más rentables gracias a los últimos<br />
avances tecnológicos. Sustituyendo los<br />
caros equipos de protección mecánica<br />
por un sistema electrónico de seguridad<br />
de movimiento para robots, más<br />
eficiente y reconfigurable, el concepto<br />
SafeMove TM puede incluso aumentar la<br />
flexibilidad de los productos robóticos<br />
de <strong>ABB</strong>.<br />
Seguridad de los robots de próxima<br />
generación<br />
SafeMove se basa en los últimos avances<br />
en software redundante, en la tecnología<br />
de seguridad electrónica y en<br />
las normas de seguridad (ISO 10218)<br />
más avanzadas. Esto hace posible la<br />
supervisión, fiable y tolerante a los<br />
fallos, de la velocidad y posición del<br />
robot y la detección de cualquier desviación<br />
no deseada o sospechosa de<br />
la norma. Si se detecta un peligro para<br />
la seguridad, SafeMove ejecuta una<br />
parada de emergencia, deteniendo el<br />
robot en fracciones de segundos.<br />
SafeMove también ofrece nuevas funciones,<br />
como interruptores de posición<br />
electrónicos, zonas de seguridad<br />
programables, límites seguros de velocidad,<br />
posiciones seguras de parada y<br />
una prueba de frenado automático<br />
que permite establecer configuraciones<br />
de seguridad más flexibles.<br />
La zona de seguridad programable<br />
garantiza que el robot permanece<br />
fuera de las zonas de protección tridimensionales.<br />
Estas zonas pueden tener<br />
formas complejas, adaptadas para<br />
instalaciones específicas. Alternativamente,<br />
el robot puede quedar confinado<br />
dentro de espacios geométricos<br />
tridimensionales, lo que permite conseguir<br />
una importante reducción del<br />
tamaño de las instalaciones de robots.<br />
Las barreras pueden estar ahora mucho<br />
más cerca del robot, ahorrando<br />
valioso espacio.<br />
Evidentemente, también es posible<br />
limitar las extensiones de ejes, simulando<br />
mediante software los interruptores<br />
de posición electromecánicos<br />
convencionales, de modo que el software<br />
ya no esté restringido a los tres<br />
ejes principales del robot, sino que<br />
queden limitados de forma segura los<br />
6 ejes. Los límites de los ejes se pueden<br />
combinar lógicamente y los posicionadores<br />
de piezas de trabajo, las<br />
pistas lineales y otros ejes externos<br />
pueden restringirse sin necesidad de<br />
trabajo extra.<br />
En el modo de ‘parada segura’ se<br />
inhibe por completo el movimiento<br />
del robot, si bien todos los accionamientos<br />
están energizados y los motores<br />
controlados activamente. Este modo<br />
de operación tiene como finalidad<br />
permitir que el trabajador se acerque<br />
al robot con seguridad e incluso cargue<br />
una pieza de trabajo en la pinza o<br />
lleve a cabo operaciones de mantenimiento<br />
en el equipo sin necesidad de<br />
apagar el robot. Esto no sólo reduce<br />
el tiempo de ciclo cuando se reanuda<br />
el funcionamiento, sino que además<br />
reduce el desgaste en los frenos y<br />
contactos necesarios para conseguir la<br />
parada.<br />
12 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Dominio de los robots<br />
Lo más brillante de la robótica<br />
En el modo de ‘velocidad segura’, se<br />
puede permitir el movimiento completo<br />
o parcial del robot a una velocidad<br />
suficientemente baja, sin peligro alguno<br />
para el trabajador, eliminando totalmente<br />
la necesidad de barreras de<br />
separación. En combinación con otra<br />
supervisión como, por ejemplo, de<br />
espacio confinado, los trabajadores y<br />
robots pueden colaborar en tareas de<br />
fabricación, algo que hasta ahora no<br />
estaba permitido.<br />
La seguridad de un robot depende<br />
finalmente de su capacidad para detenerse,<br />
o ser detenido, cuando se produce<br />
una situación peligrosa. La capacidad<br />
de detención está determinada<br />
por la función de los frenos mecánicos<br />
en los motores del robot.<br />
SafeMove incluye, por consiguiente,<br />
un procedimiento automático de prueba<br />
de frenado, que comprueba periódicamente<br />
los frenos mecánicos del<br />
robot. Esto sería muy útil en un automóvil.<br />
Solución técnica<br />
SafeMove utiliza sensores que ya se<br />
emplean para el control de movimiento<br />
con objeto de supervisar la posición<br />
del motor. Seguidamente calcula<br />
la posición del robot en un ordenador<br />
que por razones de seguridad funciona<br />
independientemente del controlador<br />
del robot. Además se comprueba<br />
la validez de las señales del sensor. El<br />
nivel de seguridad (patente en tramitación)<br />
se eleva aún más gracias a un<br />
modelo aparte de la mecánica del robot<br />
y a los cálculos adicionales sobre<br />
el comportamiento nominal del bucle<br />
de servocontrol. Aunque SafeMove es<br />
un ordenador independiente que se<br />
asienta en la caja del controlador del<br />
robot industrial de quinta generación<br />
de <strong>ABB</strong>, el IRC5, desde la perspectiva<br />
del usuario está plenamente integrado<br />
en el robot. Los sucesos, alarmas y<br />
cambios de estado se registran en el<br />
disco de memoria flash del controlador<br />
del robot con fines de diagnóstico.<br />
El estado de las entradas y salidas,<br />
seguras, se puede leer exactamente<br />
igual que las entradas y salidas del robot<br />
normal y utilizarlo en el programa<br />
del robot, aunque no exista cableado<br />
físico entre los sistemas de entrada/<br />
salida. En su lugar, SafeMove y IRC5<br />
se comunican por un enlace de red<br />
interno.<br />
Finalmente, la sincronización entre el<br />
ordenador de seguridad y el controlador<br />
del robot debe comprobarse después<br />
de un corte de alimentación<br />
eléctrica y al comienzo de cada turno.<br />
Esto se consigue mediante un simple<br />
interruptor instalado en la célula, donde<br />
es fácilmente accesible para el robot.<br />
El interruptor es visitado y activado<br />
regularmente por el robot, normalmente<br />
cada 24 horas. Puesto que este<br />
procedimiento se puede combinar fácilmente<br />
con operaciones automáticas<br />
de servicio de herramientas como la<br />
limpieza, el reajuste de conexiones o<br />
el corte de hilos, su duración normalmente<br />
no se añade a la de la instalación.<br />
Seguridad del proceso<br />
Los robots manejan a menudo equipos<br />
de proceso peligrosos, como pistolas<br />
de soldar, cabezas láser, pistolas<br />
de inyección de agua o incluso fuentes<br />
radiactivas. Estos equipos necesitan<br />
atención especial en caso de producirse<br />
un fallo. Puede ser necesario<br />
crear un recinto protector de toda la<br />
célula del robot, que resista la energía<br />
del proceso en caso de fallo del<br />
robot. Por ejemplo, imaginemos las<br />
consecuencias si un robot dirigiera<br />
horizontalmente un chorro de agua de<br />
presión ultraalta en vez de dirigirlo<br />
hacia abajo y el chorro se activara por<br />
accidente. Este es el tipo de escenario<br />
que es preciso considerar al planificar<br />
una célula de corte de chorro de<br />
agua. La función SafeMove permite<br />
ahora efectuar comprobaciones de seguridad<br />
que garantizan que la orientación<br />
y posición de la herramienta del<br />
robot estén dentro de una tolerancia<br />
definida antes de que se pueda activar<br />
la herramienta. Durante la operación,<br />
el robot es supervisado continuamente<br />
mientras la orientación de la herramienta<br />
permanece dentro de la banda<br />
de tolerancia. En cuanto se excede<br />
esta tolerancia, se inicia una parada<br />
segura del robot y del equipo del proceso.<br />
Esto puede suponer una drástica<br />
reducción de costes para los recintos<br />
de protección.<br />
Seguridad de acceso<br />
La mayoría de los accidentes con instalaciones<br />
de máquinas son consecuencia<br />
de que un equipo de seguridad<br />
no está habilitado. La seguridad<br />
se considera a menudo un obstáculo<br />
para la productividad y los operarios<br />
tienden a veces a asumir riesgos<br />
calculados si con ello ganan tiempo.<br />
Por consiguiente, es del mayor interés<br />
para el trabajador y el empleador, especialmente<br />
ahora que las funciones<br />
de seguridad se pueden trasladar del<br />
hardware al software, limitar el acceso<br />
a los datos de configuración. Esto<br />
puede hacerse permitiendo el acceso<br />
con contraseña sólo a personal autorizado<br />
y debidamente formado. La práctica<br />
industrial muestra, sin embargo,<br />
que en los talleres es difícil mantener<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
13
Dominio de los robots<br />
Lo más brillante de la robótica<br />
secretas las contraseñas y esto deja el<br />
sistema abierto a la manipulación. Por<br />
consiguiente, los científicos e ingenieros<br />
de <strong>ABB</strong> han desarrollado y patentado<br />
un mecanismo que protege la<br />
configuración de seguridad de Safe-<br />
Move mediante la combinación de<br />
una herramienta de configuración de<br />
acceso restringido y de un código<br />
público de activación. Con este mecanismo,<br />
la configuración de seguridad,<br />
muy cómoda de utilizar, es tan segura<br />
como una cuenta bancaria.<br />
Seguro, compacto, rápido y flexible<br />
Aprovechando bien las características<br />
de SafeMove es posible reducir notablemente<br />
el número de dispositivos<br />
de seguridad empleados, entre ellos<br />
las cortinas de luz, los relés de seguridad,<br />
los interruptores mecánicos de<br />
posición, las barreras protectoras, etc.<br />
Sustituir los interruptores mecánicos<br />
de posición por robots y ejes adicionales<br />
permite prescindir de estos dispositivos,<br />
que frecuentemente están<br />
expuestos a severas condiciones ambientales<br />
y, por tanto, tienen un tiempo<br />
de vida limitado. Esto permite que<br />
las células de los robots sean más<br />
compactas. La flexibilidad es mayor,<br />
ya que las configuraciones de seguridad<br />
se pueden reiniciar fácilmente<br />
mediante el software. La sustitución<br />
de robots averiados equipados con<br />
levas e interruptores de posición dedicados<br />
solía ser un procedimiento muy<br />
trabajoso. Hoy día, la duración de<br />
estas reparaciones se ha reducido significativamente,<br />
ya que el manejo de<br />
los parámetros de seguridad corre por<br />
cuenta del controlador y ya no existen<br />
interruptores de fin de carrera. Esto<br />
puede permitir incluso reducir más el<br />
tamaño de los robots, ya que los anillos<br />
de levas utilizados hasta ahora<br />
ocupan bastante espacio; los robots<br />
sin interruptores de posición, además,<br />
tienen menores costes.<br />
Planificación e ingeniería de<br />
seguridad<br />
<strong>ABB</strong> ofrece RobotStudio, una herramienta<br />
de programación fuera de<br />
línea que permite visualizar, programar<br />
y probar la instalación de un<br />
robot en un ordenador de oficina, y<br />
SafetyBuilder, una herramienta segura<br />
para establecer los parámetros del<br />
controlador SafeMove y activarlo. La<br />
combinación de estas potentes herramientas<br />
permite al ingeniero diseñar y<br />
probar las zonas de seguridad en un<br />
entorno virtual durante la fase de<br />
planificación y, más tarde, utilizar los<br />
datos para la ingeniería y puesta en<br />
servicio. Todas estas ventajas se pueden<br />
explotar al máximo implementándolas<br />
en el concepto inicial de la célula.<br />
Por supuesto, también es posible<br />
actualizar el controlador IRC5 con<br />
SafeMove, de modo que se pueden introducir<br />
nuevas funciones en las instalaciones<br />
IRC5 existentes.<br />
Fabricación flexible<br />
En el futuro, SafeMove implantará<br />
conceptos de fabricación completamente<br />
nuevos con robots de <strong>ABB</strong>.<br />
Puesto que los seres humanos y los<br />
robots pueden ahora trabajar muy<br />
próximos, actuarán en equipo hasta<br />
convertirse en verdaderos colegas.<br />
El potente robot podrá entregar pesadas<br />
piezas de trabajo al operario y<br />
éste realizará tareas de difícil automatización.<br />
El trabajador también podrá<br />
cargar directamente en la pinza del<br />
robot piezas pequeñas desde de una<br />
caja contenedora, sin necesidad de<br />
plataformas giratorias de separación,<br />
instalaciones fijas de recepción o<br />
puertas de rodillos, y el robot podrá<br />
hacer más tarde el trabajo, posiblemente<br />
cooperando con otro robot u<br />
otro trabajador.<br />
<strong>ABB</strong> colabora con diversos socios y<br />
usuarios finales en la elaboración de<br />
nuevos conceptos de fabricación flexible<br />
de este tipo para traducir las ventajas<br />
tecnológicas de aplicaciones<br />
como SafeMove en un abaratamiento<br />
de la operación de los clientes. Mientras<br />
el mercado ya está aprovechando<br />
estas nuevas posibilidades, los investigadores<br />
y desarrolladores de <strong>ABB</strong><br />
piensan en qué vendrá después.<br />
Soenke Kock<br />
<strong>ABB</strong> AB, Corporate Research<br />
Västerås, Suecia<br />
soenke.kock@se.abb.com<br />
Jan Bredahl,<br />
Peter J. Eriksson<br />
Mats Myhr<br />
<strong>ABB</strong> Automation Technologies AB<br />
Västerås, Suecia<br />
jan.bredahl@se.abb.com<br />
peter.j.eriksson@se.abb.com<br />
mats.myhr@se.abb.com<br />
Kevin Behnisch<br />
<strong>ABB</strong> Automation GmbH<br />
Friedberg, Alemania<br />
kevin.behnisch@de.abb.com<br />
14 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
<strong>2006</strong><br />
Las mejores innovaciones de <strong>2006</strong><br />
<strong>ABB</strong> está a la vanguardia de la innovación técnica desde hace muchos años.<br />
La serie de historias breves que presentamos a continuación le permitirá a<br />
usted hacerse clara idea de los desarrollos de nuestra compañía durante <strong>2006</strong>,<br />
que abarcan desde un nuevo sensor para medir concentraciones de oxígeno<br />
hasta un conmutador luminoso programable. Estas historias muestran el<br />
interés de <strong>ABB</strong> en la comunicación, automatización y seguridad y dejan claro<br />
por qué <strong>ABB</strong> disfruta de gran reputación por su capacidad innovadora.<br />
Robots seguros<br />
sin barreras más<br />
altas<br />
Los actuales robots industriales de<br />
alta velocidad pueden levantar y desplazar<br />
cargas útiles de hasta 600 kilogramos;<br />
es necesario, por tanto, que<br />
sus frágiles colegas humanos se<br />
mantengan fuera de su camino.<br />
Por esta razón es habitual aislar con<br />
barreras las estaciones de trabajo de<br />
robots, una solución cara y poco flexible.<br />
Ya disponemos de una forma mejor<br />
de asegurar los lugares de trabajo. Safe-<br />
Move de <strong>ABB</strong> es un paquete de software<br />
reconfigurable que reduce los costes<br />
y aumenta la flexibilidad de las instalaciones<br />
de robots sin por ello sacrificar<br />
la seguridad.<br />
SafeMove se basa en los últimos avances<br />
de software redundante, en la tecnología<br />
electrónica de seguridad y en<br />
las normas de seguridad. El programa<br />
supervisa fiablemente la posición y<br />
velocidad, detectando al instante desviaciones<br />
no deseadas o sospechosas.<br />
Cuando detecta que un robot es un peligro<br />
para la seguridad, SafeMove ejecuta<br />
una parada de emergencia y detiene<br />
la máquina en cuestión de milisegundos.<br />
SafeMove ofrece también otras<br />
nuevas funciones, entre ellas los interruptores<br />
electrónicos de posición, las<br />
zonas de seguridad programables, los<br />
límites seguros de velocidad, las posiciones<br />
seguras de parada y las pruebas<br />
de frenado automático, que facilitan<br />
mucho la configuración de funciones de<br />
seguridad en los robots.<br />
Al eliminar los tradicionales recintos de<br />
seguridad, SafeMove permite reconfigurar<br />
los lugares de trabajo para que el<br />
hombre y la máquina puedan trabajar<br />
más próximos sin peligro.<br />
Un robot podría, por ejemplo, levantar y<br />
presentar un objeto pesado a un operario<br />
humano para que éste realice en el<br />
objeto tareas difíciles de automatizar.<br />
Inversamente, un operario podría cargar<br />
piezas pequeñas directamente en la<br />
pinza del robot, eliminándose así la<br />
necesidad de plataformas giratorias de<br />
separación, instalaciones fijas de recepción<br />
o puertas de rodillos. El robot po-<br />
dría entonces hacer el trabajo, en tándem<br />
con otro robot o con otro operario.<br />
Las configuraciones son infinitas. <strong>ABB</strong><br />
está colaborando con diversos socios y<br />
clientes para crear conceptos de fabricación<br />
flexible, que permitirán utilizar el<br />
programa SafeMove para reducir los<br />
costes para el cliente. <strong>ABB</strong> Robotics<br />
comercializará el programa SafeMove<br />
durante el primer trimestre de 2007.<br />
Soenke Kock<br />
soenke.kock@se.abb.com<br />
Para más información sobre SafeMove véase ‘Dominio<br />
de los robots’, en la página 11 de este número.<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
15
Las mejores innovaciones de <strong>2006</strong><br />
Nuevo récord de<br />
un sistema <strong>ABB</strong><br />
de transmisión de<br />
datos<br />
Los operadores de redes eléctricas<br />
utilizan muchos canales de comunicación,<br />
entre ellos sus propias líneas<br />
de transmisión, para garantizar el flujo<br />
seguro e ininterrumpido de energía.<br />
Las señales portadoras transmitidas<br />
por líneas de energía (PLC, Power<br />
Line Carrier) constituyen un medio<br />
fiable y rentable de enviar grandes<br />
cantidades de datos a largas distancias.<br />
En una red de suministro de electricidad<br />
se intercambian señales vitales en tiempo<br />
real entre muchos puntos esenciales<br />
para garantizar un control y protección<br />
óptimos de todo el sistema eléctrico. La<br />
infraestructura de comunicaciones que<br />
soporta esta coordinación continua ha<br />
de ser, por tanto, rápida y fiable.<br />
El nuevo sistema PLC de <strong>ABB</strong>, el innovador<br />
ETL600, ha establecido un nuevo<br />
récord al conseguir una velocidad de<br />
transmisión de 320 kbits/s, muy próxima<br />
al límite teórico, por una línea eléctrica<br />
de alta tensión de 380 kV, a una distancia<br />
de más de 100 kilómetros y con un<br />
ancho de banda de 32 kHz.<br />
El sistema ETL600 no sólo es rápido,<br />
también ofrece una gran flexibilidad.<br />
El ruido eléctrico en las líneas de transmisión<br />
de CA aumenta durante las tormentas,<br />
lluvias o nevadas y afecta a la<br />
calidad de los enlaces PLC. Por consiguiente,<br />
muchos sistemas PLC han sido<br />
diseñados para las peores condiciones<br />
meteorológicas posibles y transmiten a<br />
bajas velocidades incluso con buen<br />
tiempo, lo que significa una gran pérdida<br />
de capacidad de comunicación.<br />
El sistema ETL600 de <strong>ABB</strong> se ajusta automáticamente<br />
a las condiciones meteorológicas,<br />
lo que significa que siempre<br />
operará a la máxima velocidad posible<br />
y reducirá la velocidad sólo temporal-<br />
mente, en respuesta al mal tiempo.<br />
<strong>ABB</strong> tiene más de 60 años de experiencia<br />
en la transmisión de datos por líneas<br />
eléctricas. Actualmente, sus sistemas<br />
PLC se están utilizando en Rusia, en<br />
una línea de transmisión eléctrica de CA<br />
de 1.000 kV, y en Sudáfrica, en una<br />
línea de CC de 500 kV y 1.146 kilómetros<br />
de longitud. Dos nuevos récords.<br />
Stefan Ramseier<br />
stefan.ramseier@ch.abb.com<br />
Para más informaciones sobre el sistema ETL 600<br />
véase ‘El canto de las líneas eléctricas’ en la página<br />
50 de <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 2/<strong>2006</strong>.<br />
Un indicador de<br />
tensión de <strong>ABB</strong><br />
hace más seguro<br />
el lugar de trabajo<br />
VisiVolt es un indicador de tensión<br />
diseñado para minimizar el riesgo de<br />
electrocución de trabajadores en<br />
sistemas interiores y exteriores de<br />
tensión media.<br />
Los accidentes eléctricos tienen<br />
muchas causas posibles; un equipo<br />
en mal funcionamiento en un momento<br />
de distracción puede ser letal. Puede<br />
suceder que un operario poco formado<br />
se acerque a un panel de distribución<br />
activo creyendo que está desconectado:<br />
las consecuencias pueden ser<br />
fatales.<br />
El indicador VisiVolt se puede instalar<br />
directamente en barras y conductores<br />
de corriente de forma permanente,<br />
utilizando sencillos accesorios. Este<br />
compacto dispositivo indica la existencia<br />
de tensión visualizando en su<br />
pantalla de cristal líquido (LCD) un<br />
símbolo grande y visible, un ‘rayo’ en<br />
forma de flecha, que advierte activamente<br />
sobre el peligro potencial de<br />
trabajar en sistemas eléctricos o cerca<br />
de ellos.<br />
Debido a su singular estructura –un<br />
desarrollo de <strong>ABB</strong>–, la pantalla LCD<br />
de VisiVolt actúa simultáneamente como<br />
unidad de visualización y elemento<br />
sensor. La pantalla LCD detecta el<br />
campo eléctrico alrededor del conductor<br />
en el que está instalada. El dispositivo<br />
no requiere instalar circuitos<br />
electrónicos, de modo que es extremadamente<br />
robusto y duradero.<br />
En el peligroso entorno de sistemas<br />
de tensión media, VisiVolt advertirá a<br />
los operarios antes de que sea demasiado<br />
tarde. VisiVolt también puede<br />
indicar el estado de tensión de cada<br />
parte de un sistema de distribución y<br />
por tanto ayuda a localizar averías.<br />
Este aparato es particularmente útil en<br />
sistemas donde raras veces se han<br />
usado indicadores de tensión, como<br />
en los paneles abiertos de aparamenta<br />
de conexión, tanto en interiores como<br />
a la intemperie.<br />
Jan Czyzewski<br />
jan.czyzewski@pl.abb.com<br />
16 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Guía de ondas:<br />
comunicación<br />
sencilla, fiable y<br />
de bajo coste<br />
<strong>ABB</strong> ha desarrollado un método<br />
inalámbrico, sencillo y fiable, de transmisión<br />
de datos en instalaciones de<br />
distribución que es más económico<br />
y necesita menos mantenimiento<br />
que la comunicación clásica por<br />
cable.<br />
El aparato de conexión protege los<br />
valiosos equipos eléctricos cortando<br />
instantáneamente la corriente<br />
cuando se producen sobretensiones<br />
imprevistas. Una red fiable requiere<br />
aparatos de conexión con gran calidad<br />
de comunicación y esta guía de<br />
ondas (Waveguide) de <strong>ABB</strong> es una<br />
excelente opción para ello.<br />
Para transmitir datos, la guía de ondas<br />
de <strong>ABB</strong> utiliza ondas electromagnéticas<br />
de poca potencia dentro de un sistema<br />
cerrado. Esto se realiza empleando un<br />
conductor hueco, una antena que recibe<br />
y transmite ondas electromagnéticas y<br />
una conexión coaxial para la unidad de<br />
protección y control.<br />
Waveguide mejora los sistemas tradicionales<br />
de comunicación evitando el uso<br />
de cables de cobre, sensibles a las interferencias<br />
electromagnéticas, y de cables<br />
de fibra óptica, que tienen pobres propiedades<br />
mecánicas y son más complejos<br />
de instalar.<br />
El conductor rectangular de la guía de<br />
ondas es de aluminio y sus dimensiones<br />
están definidas por las ondas electromagnéticas<br />
que se utilicen. Atrapar la<br />
señal dentro de un recinto evita las<br />
radiaciones e interferencias externas y<br />
es posible acceder fácilmente al campo<br />
insertando antenas dentro de la guía de<br />
ondas.<br />
La señal se transmite prácticamente sin<br />
pérdida, ya que es reflejada por dos<br />
superficies paralelas.<br />
La investigación demuestra que la guía<br />
de ondas puede transmitir hasta 22 veces<br />
más información que los cables, lo que<br />
la hace idónea para el nuevo estándar<br />
global de comunicación de subestaciones<br />
(CEI 61850).<br />
Las señales inalámbricas en una guía de<br />
ondas están protegidas contra las interferencias<br />
externas y el entorno está<br />
protegido contra las señales de radio.<br />
El sistema es fácil de instalar, no requiere<br />
apenas mantenimiento y es lo suficientemente<br />
robusto para resistir el<br />
severo entorno de una subestación.<br />
El concepto fue presentado con gran<br />
éxito en la Feria de Hannover de <strong>2006</strong>.<br />
Bernhard Deck<br />
bernhard.deck@ch.abb.com<br />
Para más información véase ‘Conducción de datos’<br />
en la página 26 de este número.<br />
Las mejores innovaciones de <strong>2006</strong><br />
Máquinas de<br />
precisión que<br />
sostienen cargas<br />
pesadas<br />
La nueva máquina FlexPLP de <strong>ABB</strong><br />
puede realizar trabajos de precisión<br />
sujetando objetos pesados dentro de<br />
los estrechos límites propios de una<br />
cadena de montaje.<br />
FlexPLP (Flexible Programmable Lean<br />
Positioner) es una máquina distinta<br />
a los robots industriales habituales, que<br />
tienen brazos extensibles y manejan<br />
diversos materiales a gran velocidad<br />
sobre largas distancias prefijadas. Estos<br />
robots tienen muchas aplicaciones pero<br />
ocupan un espacio considerable y, para<br />
muchos fines de producción, dos brazos<br />
son mejor que uno.<br />
Por esta razón <strong>ABB</strong> ha desarrollado<br />
FlexPLP, una máquina que proporciona<br />
una manipulación precisa y es<br />
capaz de situar con precisión cargas<br />
pesadas en espacios reducidos.<br />
FlexPLP, que puede soportar el triple<br />
de su peso, es lo suficientemente pequeña<br />
para operar en una cadena de<br />
montaje de automóviles. Podría hacer,<br />
por ejemplo, el delicado y preciso<br />
trabajo de colocar pasadores posicionadores<br />
y a continuación transportar<br />
el bastidor de un automóvil hasta el<br />
punto siguiente de la cadena de montaje.<br />
FlexPLP es en sí mismo un taller<br />
de chapa sumamente flexible.<br />
<strong>ABB</strong> se basó en la idea de máquinas<br />
cinemáticas paralelas (PKM) para crear<br />
FlexPLP, un trabajo que duró 18 meses.<br />
Las máquinas PKM más conocidas, desarrolladas<br />
por <strong>ABB</strong>, son la Flexpicker,<br />
de tres brazos, y las plataformas simuladoras<br />
de movimiento Hexapods, de<br />
seis patas. FlexPLP fue diseñada para<br />
resolver el mayor inconveniente de las<br />
máquinas PKM: ocupan mucho espacio.<br />
Mediante una inteligente disposición<br />
de parejas de servocilindros de nuevo<br />
diseño, <strong>ABB</strong> ha creado un posicionador<br />
modular para el movimiento a lo<br />
largo de tres ejes. A pesar de su inusual<br />
aspecto, FlexPLP supera los<br />
conceptos de máquina de coste similar<br />
en cuanto a carga útil, repetibilidad<br />
y aprovechamiento del espacio.<br />
La industria del automóvil es la primera<br />
de muchas posibles aplicaciones de<br />
estas versátiles máquinas, cuyo potencial<br />
permitirá mejorar la fabricación<br />
en cualquier sector industrial.<br />
Soenke Kock<br />
soenke.kock@se.abb.com<br />
Más información sobre FlexPLP en el cuadro<br />
informativo de página 8, en este número.<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
17
Las mejores innovaciones de <strong>2006</strong><br />
Thema<br />
Menos pérdida de<br />
potencia y más<br />
flujo de energía<br />
gracias a un nuevo<br />
interruptor<br />
Se suelen utilizar baterías de condensadores<br />
para compensar la potencia<br />
reactiva en sistemas de distribución<br />
de tensión media. En su mayor parte<br />
son fijos o con interruptores y no están<br />
sincronizados a la forma de onda<br />
de tensión o intensidad. Se ajustan<br />
sólo cada estación o, a lo sumo, cada<br />
semana.<br />
En comparación, las baterías de<br />
condensadores para subtransmisión<br />
suelen estar equipadas con conmutación<br />
sincronizada que reduce las<br />
sobretensiones y se pueden conmutar<br />
cada día, o incluso cada hora.<br />
La solución ideal para las baterías de<br />
condensadores de nivel de distribu-<br />
ción se ha de ajustar más frecuentemente,<br />
igual que las de nivel de subtransmisión.<br />
Una solución capaz de<br />
seguir las variaciones de la carga cada<br />
hora reduciría aún más las pérdidas<br />
de potencia y aumentaría el flujo<br />
máximo de energía en el sistema de<br />
distribución. Sin embargo, ésta no es<br />
la práctica actual, ya que los interruptores<br />
no están diseñados para un gran<br />
número de operaciones de conmutación.<br />
Además, la solución actual puede<br />
causar sobretensiones y altas irrupciones<br />
de intensidad en aplicaciones<br />
cuyo mal funcionamiento puede costar<br />
muy caro.<br />
<strong>ABB</strong> ha desarrollado y patentado recientemente<br />
un nuevo e ingenioso<br />
mecanismo de conmutación para baterías<br />
de condensadores controlables<br />
por pasos. Consta de diodos, contactos<br />
giratorios, accionamiento de motor<br />
y sistema de control. El conmutador<br />
está libre de arcos eléctricos e incluye<br />
apertura y cierre de contactos sincronizados.<br />
Mantiene más de un millón<br />
de operaciones y permite frecuentes<br />
operaciones de conmutación con sobretensiones<br />
y tensiones de irrupción<br />
despreciables.<br />
La baja intensidad de irrupción permite<br />
conectar baterías de condensadores<br />
en paralelo para operar sin reactores<br />
de limitación de la intensidad de irrupción.<br />
Ahora es posible compensar<br />
potencia reactiva usando en paralelo<br />
varias baterías de condensadores, más<br />
pequeñas, que funcionen por pasos,<br />
en vez de conmutar una gran batería.<br />
Finalmente, el conmutador evita los<br />
peligrosos arcos, lo que lo hace ideal<br />
para operaciones frecuentes de conmutación<br />
cerca de la carga y, por tanto,<br />
para optimizar el sistema.<br />
Mikael Dahlgren<br />
mikael.dahlgren@se.abb.com<br />
Revolución en<br />
la medición de<br />
oxígeno<br />
Hartmann & Braun, empresa que pasó<br />
a pertenecer a <strong>ABB</strong> Alemania en 1998,<br />
ha desarrollado con éxito sensores<br />
paramagnéticos de oxígeno durante<br />
más de 40 años. Ahora ha vuelto al<br />
tablero de dibujo para mejorar los<br />
sensores de oxígeno clásicos.<br />
Estos dispositivos, montados manualmente,<br />
constan de un módulo<br />
electromecánico y un sistema óptico<br />
de lectura. Su rendimiento es bueno,<br />
pero los dispositivos son mejorables.<br />
En respuesta a este reto, <strong>ABB</strong> ha<br />
desarrollado un nuevo e innovador<br />
sensor que en el futuro ampliará el<br />
rango de aplicación de los analizadores<br />
de gases.<br />
El nuevo sensor usa un avanzado<br />
microchip electromecánico de silicio,<br />
desarrollado en el Centro Corporate<br />
Research de <strong>ABB</strong> en Ladenburg (Alemania).<br />
El chip va encapsulado en un<br />
contenedor cerámico con componentes<br />
electro-ópticos integrados y excitación<br />
magnética optimizada.<br />
dad es esencial, como es el caso de la<br />
supervisión de motores de combustión.<br />
El chip sensor plano, una característica<br />
fundamental de la estructura de<br />
capas del sensor, hace posible la fabricación<br />
en serie rentable y el montaje<br />
automatizado. El sensor es también<br />
muy resistente a los gases corrosivos<br />
y tiene una sensibilidad despreciable<br />
a gases distintos del oxígeno.<br />
Gracias a sus bajos costes de producción<br />
y a su mayor rapidez de respuesta,<br />
es de esperar que el nuevo sensor<br />
cambiará la forma de medir el oxígeno.<br />
Compite en precio y prestaciones con<br />
los sensores paramagnéticos clásicos<br />
de gran rendimiento y con los dispositivos<br />
electroquímicos de bajo coste.<br />
La principal ventaja del chip frente a<br />
la solución clásica es la drástica reducción<br />
de volumen de la cámara del<br />
sensor, que acorta el tiempo de respuesta<br />
de tres segundos a uno solo.<br />
Este es un importante avance para<br />
aquellos mercados en que la veloci-<br />
Peter Krippner<br />
peter.krippner@de.abb.com<br />
Para más información sobre este nuevo dispositivo<br />
véase ‘Microsistemas en funcionamiento’, en<br />
la página 68 de este número.<br />
18 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Control variable<br />
de luz con un solo<br />
interruptor<br />
El interruptor Busch Comfort permite<br />
controlar varios modos de iluminación,<br />
desde el manual hasta el totalmente<br />
automático.<br />
El interruptor, que se instala encajado<br />
en la pared, está equipado con<br />
un detector de movimiento por infrarrojos<br />
que proporciona cuatro modos<br />
de operación, desde el modo manual<br />
básico hasta el totalmente automático.<br />
El interruptor permite programar otros<br />
ajustes para que se enciendan las luces<br />
automáticamente –en respuesta al<br />
detector de movimiento– y permanezcan<br />
encendidas hasta que se apaguen<br />
manualmente. Otra alternativa es encender<br />
la luz manualmente para que<br />
se apague automáticamente tras un<br />
tiempo predeterminado sin que se<br />
detecten movimientos. En el modo<br />
‘máximo confort’, la luz se enciende<br />
si el sensor de infrarrojo detecta un<br />
movimiento y se apaga después de un<br />
tiempo prefijado.<br />
Thema<br />
Cada modo y tiempo prefijado se pueden<br />
ajustar por medio de potenciómetros<br />
situados en la parte posterior del<br />
sensor del interruptor. El modo manual<br />
se indica mediante la activación<br />
de un diodo emisor de luz (LED) integrado<br />
en el interruptor. Este LED ayuda<br />
también a los usuarios a localizar<br />
el interruptor en la oscuridad.<br />
El interruptor Busch Comfort utiliza<br />
tecnología bifilar combinada con una<br />
entrada externa, de modo que es integrable<br />
en cualquier conexión bilateral<br />
o cruzada, algo especialmente útil<br />
para las restauraciones. Se puede<br />
combinar con lámparas incandescentes<br />
o con lámparas halógenas de alta<br />
y baja tensión.<br />
El sensor de movimiento tiene un<br />
rango de detección de más de 170 °,<br />
lo que garantiza la detección inmediata<br />
de cualquiera que entre en una<br />
habitación. El interruptor es idóneo<br />
tanto para áreas privadas como públicas,<br />
por ejemplo cuartos de baño,<br />
bodegas, vestíbulos y escaleras.<br />
Christian Heite<br />
christian.heite@de.abb.com<br />
Las mejores innovaciones de <strong>2006</strong><br />
Herramienta de<br />
compatibilidad<br />
para unas redes<br />
más fiables<br />
<strong>ABB</strong> ha desarrollado una herramienta<br />
sencilla de software que comprueba<br />
si los dispositivos y sistemas de<br />
automatización de subestaciones<br />
cumplen una nueva norma global.<br />
Los dispositivos de automatización<br />
de subestaciones<br />
son semejantes a fusibles que<br />
protegen la red eléctrica y<br />
garantizan un suministro fiable<br />
de energía. Se comunican con<br />
un protocolo –o lenguaje–<br />
elegido por el fabricante.<br />
Hasta ahora había muchos<br />
lenguajes distintos, pero la<br />
situación ha cambiado con la<br />
llegada de un nuevo lenguaje<br />
global, el estándar CEI 61850.<br />
dos los dispositivos que miden los<br />
pará metros básicos de calidad y demostrar<br />
que los sistemas cumplen las<br />
especificaciones requeridas. A partir<br />
de la experiencia conseguida durante<br />
la implementación de la norma<br />
CEI 61850, <strong>ABB</strong> ha desarrollado un<br />
conjunto de herramientas de apoyo al<br />
ensayo y puesta en servicio de sistemas<br />
que cumplen la norma tiva.<br />
El software permite a los ingenieros<br />
de automatización de subestaciones<br />
analizar de forma rápida y fiable<br />
sistemas basados en la norma 61850,<br />
sin más que conectar un ordenador<br />
portátil a una red de comunicación<br />
de la subestación. El programa busca<br />
los dispositivos de automatización<br />
que existan en la red, revisa la configuración<br />
de los mismos y estudia el<br />
tráfico en la red. La herramienta ayuda<br />
a detectar problemas en la red y<br />
revisa la implementación del protocolo<br />
61850. El software contrasta los<br />
datos técnicos con los datos reales<br />
cargados en dispositivos físicos,<br />
comprobando si entre ellos hay<br />
incoherencias que pueden manifestarse<br />
al activar un sistema de automatización<br />
de subestaciones o tras<br />
dicha activación.<br />
Como integrador de sistemas,<br />
<strong>ABB</strong> ha de garantizar la armonía<br />
de funcionamiento de to-<br />
Claus Vetter<br />
claus.vetter@ch.abb.com<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
19
Las mejores innovaciones de <strong>2006</strong><br />
Thema<br />
Accionamiento de<br />
control <strong>ABB</strong> con<br />
Ethernet industrial<br />
y PROFINET IO<br />
En el mundo de la automatización del<br />
control se han hecho imprescindibles<br />
los protocolos industriales Ethernet<br />
de bajo coste, capaces de manejar<br />
grandes cantidades de datos a altísimas<br />
velocidades.<br />
PROFINET IO es un importante estándar<br />
abierto de comunicaciones<br />
Ethernet. Este estándar se centra en<br />
el intercambio de datos de controladores<br />
programables y se conecta con<br />
sistemas de control de orden superior.<br />
<strong>ABB</strong> presenta ahora el controlador<br />
ACS 350, el primer accionamiento<br />
compacto de maquinaria general con<br />
soporte PROFINET IO. Sobre el protocolo<br />
PROFINET IO de accionamiento<br />
corre un perfil PROFIdrive, ambos<br />
según las normas de Profibus International.<br />
PROFIdrive es una interfaz<br />
común para aplicaciones de accionamientos<br />
que permite seguir métodos<br />
unificados de acceso a dispositivos<br />
con independencia de cuál sea el<br />
accionamiento físico empleado.<br />
El módulo de comunicación Ethernet<br />
de <strong>ABB</strong> permite a un accionamiento<br />
de maquinaria general utilizar las<br />
avanzadas funciones de diagnóstico y<br />
los programas básicos de ingeniería<br />
disponibles en la tecnología de redes.<br />
PROFINET IO, especialmente importante<br />
para el mercado europeo, satisface<br />
los requisitos de numerosos campos<br />
de aplicación. Ha sido concebido<br />
para aplicaciones en tiempo real y los<br />
controladores disponibles operan generalmente<br />
con tiempos de ciclo muy<br />
cortos, del orden de un milisegundo.<br />
Se pueden usar herramientas estándar<br />
de gestión y de ingeniería para configurar<br />
y mantener todos los dispositivos<br />
de cualquier vendedor. Esto hace<br />
que la solución ACS 350 con perfil<br />
PROFIdrive, desarrollada por <strong>ABB</strong>, sea<br />
aún más atractiva para los clientes.<br />
Trygve Harvei<br />
trygve.harvei@no.abb.com<br />
<strong>ABB</strong>, la mezcla<br />
correcta para fábricas<br />
de cemento<br />
El sistema dosificador de la mezcla<br />
de materias primas (RMP, Raw Mix<br />
Proportioning) es fundamental para el<br />
control de calidad de una moderna<br />
planta de cemento. El sistema RMP<br />
define las proporciones de<br />
las principales materias primas<br />
para fabricar el cemento<br />
(caliza, arcilla, arena y<br />
mineral de hierro). RMP, la<br />
solución de optimización de<br />
<strong>ABB</strong>, es cada día más conocida.<br />
El objetivo es garantizar la<br />
correcta composición<br />
química de la mezcla resultante<br />
(materia cruda) y reducir<br />
al mínimo posible el coste<br />
de los materiales. Esto es<br />
esencial, ya que las variaciones<br />
de composición química<br />
de la materia cruda pueden<br />
aumentar el consumo de combustible<br />
y menoscabar la calidad del cemento.<br />
Las diferencias de composición química<br />
de los minerales dificultan la tarea del<br />
control RMP. Para resolver el problema,<br />
<strong>ABB</strong> ha desarrollado una solución<br />
avanzada e innovadora.<br />
La solución es parte del paquete Optimize<br />
IT Expert Optimizer. Este programa<br />
controla en línea los alimentadores<br />
del horno de cemento, donde se<br />
almacenan las distintas materias primas,<br />
y compensa óptimamente las<br />
desviaciones respecto de los objetivos<br />
de calidad y de coste de los materiales.<br />
El algoritmo de control del sistema se<br />
basa en las más modernas tecnologías<br />
de control, como el control basado en<br />
modelos, que simulan el comportamiento<br />
dinámico de la planta con modelos<br />
matemáticos de los alimentadores,<br />
cintas transportadoras, molinos,<br />
silos, etc. Esto permite prever el efecto<br />
de diferentes acciones de control y<br />
tomar las medidas apropiadas. La<br />
mezcla, una operación crucial,<br />
deja de ser meramente<br />
reactiva para hacerse predictiva.<br />
<strong>ABB</strong> fue la primera compañía<br />
en presentar una aplicación<br />
avanzada, basada en modelos,<br />
para el proceso RMP. Una<br />
acertada instalación piloto ha<br />
hecho llegar docenas de pedidos<br />
de cementeras de todo el<br />
mundo.<br />
Dario Castagnoli<br />
dario.castagnoli@ch.abb.com<br />
Véase también ‘Rentabilidad del cemento’<br />
en la página 59 de este número.<br />
20 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Thema<br />
Lo más brillante de la energía<br />
Una visión de red<br />
eléctrica autocorrectora<br />
Khosrow Moslehi, Ranjit Kumar<br />
Los recientes apagones producidos<br />
en todo el mundo han puesto de<br />
actualidad la fiabilidad de los sistemas<br />
eléctricos. El coste económico y<br />
social de estas averías puede ascender<br />
a miles de millones de dólares<br />
anuales. Como corresponde a la era<br />
digital, la industria busca unos procesos<br />
de fabricación más eficientes,<br />
gobernados por ordenadores y electrónica<br />
de potencia. El porcentaje de<br />
energía eléctrica del total de energía<br />
consumida sigue creciendo y cada<br />
día es más importante la fiabilidad de<br />
los sistemas eléctricos. Este artículo<br />
presenta un conjunto de soluciones<br />
avanzadas que hacen más fiables los<br />
sistemas eléctricos gracias a un control<br />
sincronizado y coordinado globalmente.<br />
La probabilidad de que se produzca<br />
un apagón es cada vez mayor debido<br />
a varios factores físicos y económicos,<br />
entre ellos (1) la demanda de<br />
transferencia de más energía a distancias<br />
más largas, (2) la insuficiencia<br />
de las inversiones en el sistema de<br />
transmisión, agravada por el continuo<br />
aumento de la carga, (3) las enormes<br />
oscilaciones de los patrones del flujo<br />
de energía de un día a otro, que<br />
hacen ineficaces los tradicionales estudios<br />
de planificación fuera de línea<br />
y (4) la consolidación de entidades<br />
operativas, que tienen como resultado<br />
un aumento de las áreas a controlar y<br />
de las exigencias al operador, que ha<br />
de trabajar con menores márgenes de<br />
error y decidir más rápidamente. Estas<br />
circunstancias han empujado los sistemas<br />
eléctricos hasta sus límites físicos<br />
y reducido la fiabilidad del entorno de<br />
operación. Este entorno requiere análisis<br />
en línea más profundos para coordinar<br />
mejor los controles en toda la<br />
red. Las herramientas de supervisión y<br />
control de áreas extensas como, por<br />
ejemplo, las unidades de medición de<br />
fasores (PMU) y los sistemas flexibles<br />
de transmisión de CA (FACTS), y los<br />
equipos distribuidos de generación y<br />
almacenaje de energía son las principales<br />
tecnologías con las que se abordan<br />
estos problemas. La función de<br />
los dispositivos FACTS en las mediciones<br />
para evitar apagones está descrita<br />
en [1].<br />
<strong>ABB</strong> es uno de los principales proveedores<br />
de las compañías eléctricas, a las<br />
que suministra este tipo de productos<br />
y servicios innovadores, que son probados<br />
in situ. Este artículo presenta<br />
los resultados de una investigación<br />
realizada por los autores (con la colaboración<br />
del consorcio EPRI IntelliGrid)<br />
sobre los requisitos de la próxima generación<br />
de tecnologías de supervisión<br />
y control de sistemas eléctricos.<br />
Previsiblemente, la evolución de estas<br />
tecnologías llevará a la realización de<br />
redes eléctricas autocorrectoras. Una<br />
red autocorrectora ha de responder a<br />
amenazas, fallos de materiales y otras<br />
influencias desestabilizadoras, evitando<br />
o reduciendo la propagación de<br />
las perturbaciones [2]. Para ello se requieren<br />
las siguientes capacidades:<br />
Reconocimiento temprano de<br />
problemas inminentes<br />
Redespliegue de recursos para<br />
minimizar efectos adversos<br />
Respuesta rápida y coordinada a<br />
perturbaciones evolutivas<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
21
Una visión de red eléctrica autocorrectora<br />
Lo más brillante de la energía<br />
Minimización de la pérdida de servicio<br />
bajo cualquier circunstancia<br />
Minimización del tiempo necesario<br />
para reconfigurar y restablecer el<br />
servicio<br />
Para realizar una red autocorrectora,<br />
será necesaria una infraestructura TI<br />
de alto rendimiento que cubra las<br />
deficiencias de las prácticas actuales<br />
de coordinación geográfica y temporal<br />
en la supervisión y control del sistema<br />
eléctrico. Las prácticas actuales son<br />
manifiestamente mejorables en cuanto<br />
a la coordinación de las medidas de<br />
control adoptadas en diversos niveles<br />
jerárquicos como las subestaciones,<br />
las áreas de control, las regiones y la<br />
red total. La coordinación temporal<br />
mejorará al adaptar los controles,<br />
más rápidos y frecuentemente locales,<br />
a los controles globales, más lentos.<br />
<strong>ABB</strong> ha desarrollado las especificaciones<br />
funcionales y arquitectónicas de<br />
la infraestructura TI necesaria para<br />
soportar una red autocorrectora,<br />
inclusive una evaluación de su<br />
viabilidad técnica y financiera [3,4].<br />
El resto de este artículo resume<br />
brevemente los resultados del trabajo.<br />
1 Infraestructura para agentes inteligentes y autónomos distribuidos<br />
Red<br />
Regiones<br />
Áreas de<br />
control<br />
Subestaciones<br />
Función Fi<br />
Función F2<br />
Función F1<br />
(p.ej. estabilidad<br />
de la tensión)<br />
Agente<br />
funcional<br />
inteligente para F1<br />
Región R1<br />
Agente<br />
funcional<br />
inteligente para F1<br />
Área de control C1<br />
Agente<br />
funcional<br />
inteligente para F1<br />
Actuador<br />
Subestación S1<br />
Agente<br />
funcional<br />
inteligente para F1<br />
Agente<br />
funcional<br />
inteligente para F1<br />
Actuador<br />
Infraestructura para una red<br />
autocorrectora<br />
Para conseguir una red autocorrectora<br />
es esencial abordar un amplio conjunto<br />
de problemas operativos (en condiciones<br />
normales y no normales) sobre<br />
la mejora de prestaciones, la idoneidad<br />
de recursos (abastecimientos del<br />
mercado, etc.) y los límites operacionales<br />
de equipos y sistemas (estabilidad,<br />
oscilaciones mantenidas, etc.),<br />
así como sobre la protección primaria<br />
y auxiliar de sistemas y componentes.<br />
Se estima que las capacidades analíticas<br />
en línea actuales seguirán desempeñando<br />
sus funciones en la infraestructura<br />
propuesta para tratar los<br />
problemas operativos. Además, las<br />
actuales capacidades fuera de línea<br />
(por ejemplo, la previsión, el análisis<br />
dinámico, el análisis de capacidades<br />
de transmisión) emigrarán al entorno<br />
en línea. Los detalles de su implementación<br />
diferirán, así como las interdependencias<br />
en cada una de las áreas<br />
de adquisición de datos y mantenimiento,<br />
supervisión, mejora del<br />
rendimiento y medidas de control.<br />
Estas áreas funcionales han de proporcionar<br />
un servicio ininterrumpido<br />
en los siguientes aspectos:<br />
Tener conocimiento de la situación<br />
en toda la red<br />
Prever, evitar y reducir problemas<br />
Agente<br />
funcional<br />
inteligente para F1<br />
Región Ri<br />
Agente<br />
funcional<br />
inteligente para F1<br />
Área de control Ck<br />
Agente<br />
funcional<br />
inteligente para F1<br />
Actuador<br />
Subestación Sn<br />
Mensajes / Datos integrados<br />
Imponer planes operativos y márgenes<br />
requeridos<br />
Ayudar al restablecimiento del sistema.<br />
Estas capacidades requieren el uso de<br />
herramientas de soporte de decisiones<br />
en línea, con exigentes requisitos de<br />
cálculo y comunicación. La infraestructura<br />
prevista exige un sistema distribuido<br />
en el que los emplazamientos<br />
de hardware, software y datos sean<br />
transparentes para el usuario. Así,<br />
agentes inteligentes y autónomos,<br />
distribuidos por todo el sistema, podrán<br />
ejecutar las funciones requeridas<br />
y soportarán procesos locales, globales<br />
y/o cooperativos gracias al acceso<br />
a una información oportuna y eficaz<br />
en todo el sistema.<br />
Arquitectura<br />
La infraestructura TI requerida 1 ha<br />
de ser modular, flexible y escalable<br />
para satisfacer las necesidades operacionales<br />
globales y permitir la implementación<br />
evolutiva a escala continental.<br />
Los sistemas de cálculo y comunicación<br />
de la infraestructura soportan un<br />
gran número de ordenadores y procesadores<br />
integrados, dispersos por todo<br />
el sistema. Éstos han de comunicarse<br />
entre sí por redes con interfaces estandarizadas<br />
que utilicen programas<br />
estándar orientados a mensajes y<br />
servicios web. La red se dedicaría al<br />
intercambio local y global de datos y<br />
a los procesos de decisión recurriendo<br />
a bases de datos distribuidas e integradas<br />
a través de interfaces abiertas.<br />
El sistema estaría construido con<br />
componentes de hardware y software<br />
plug-and-play.<br />
La infraestructura soporta un conjunto<br />
complejo de aplicaciones, incluidos<br />
los agentes inteligentes autónomos<br />
distribuidos por todo el sistema en<br />
una jerarquía virtual. Éstos se adaptan<br />
a eventos y entornos y actúan de<br />
forma competitiva y cooperadora en<br />
bien de todo el sistema. Los agentes<br />
pueden mejorar la actuación de control<br />
respondiendo a los problemas<br />
más rápidamente que el operador humano<br />
[5]. Así pues, el sistema soporta<br />
más inteligencia en todos los niveles,<br />
especialmente en niveles inferiores,<br />
como las subestaciones, para propor-<br />
22 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Una visión de red eléctrica autocorrectora<br />
Lo más brillante de la energía<br />
cionar respuestas de control oportunas<br />
y precisas.<br />
Los agentes se reparten en un sistema<br />
tridimensional teniendo en cuenta la<br />
distribución geográfica y la jerarquía<br />
de control del sistema eléctrico, así<br />
como la diversidad de áreas funcionales.<br />
Varios usuarios y componentes de<br />
software situados en diferentes puntos<br />
acceden a los datos (estáticos y dinámicos),<br />
distribuidos por todo el sistema<br />
en bases de datos relacionales<br />
virtuales, y se encargan del mantenimiento<br />
de los mismos.<br />
Determinar el grado de autonomía en<br />
cada nivel y establecer los protocolos<br />
para resolver conflictos entre niveles<br />
2 Organización e interacciones de ciclos de ejecución<br />
Ciclo una<br />
hora antes<br />
Ciclos largos, 2 seg o más<br />
Ciclo<br />
5 minutos<br />
Ciclo<br />
1 minuto<br />
Planes de avance, programas, controles<br />
de pautas, mensajes<br />
Cuadro Ciclos de ejecución para la coordinación temporal<br />
Ciclo<br />
2 segundos Ciclo<br />
1 segundo<br />
Sistema de energía<br />
Inclusive dispositivos de control, medición y protección<br />
Ciclos cortos, menos de 2 seg<br />
Ciclo 100 milisegundos<br />
Datos de reserva, violaciones, alertas,<br />
mensajes<br />
Ciclo 10 milisegundos<br />
Ciclo<br />
Propósito<br />
1 hora antes Garantizar los recursos adecuados<br />
Identificar los cuellos de botella del sistema<br />
5 minutos Garantizar fiabilidad y eficiencia<br />
Actualizar parámetros y límites de control<br />
Preanálisis (10 a 20 minutos aprox.)<br />
Avisar al operador del sistema y/o al ciclo de una hora antes<br />
1 minuto Mantener la eficiencia y fiabilidad, según el ciclo de 5 minutos.<br />
Adaptar los modelos más recientes<br />
2 segundos Recoger/validar datos para uso del área de control o interconexión,<br />
inclusive los datos adquiridos en el ciclo de 10 milisegundos (PMUs)<br />
Realizar controles de bucle cerrado (Control de Generación de Áreas, etc.)<br />
Adaptar parámetros y límites de control para ciclos más rápidos<br />
1 segundo Controlar transitorios extendidos (control de tensión secundaria, etc.)<br />
Adaptar parámetros y límites de control para ciclos más rápidos<br />
100 milisegundos Controlar inestabilidades inminentes del sistema incluyendo la ejecución<br />
de Programas inteligentes de Protección Especial (iSPS) basados en<br />
modelos adaptativos o criterios identificados por ciclos más lentos.<br />
10 milisegundos Ejecutar acciones inteligentes y más rápidas de protección (desconexión<br />
total o parcial de la carga, rechazo de generación eléctrica, separación<br />
del sistema)<br />
puede ser un difícil problema de diseño.<br />
Generalmente, el software utilizado<br />
en el nivel superior necesita considerar<br />
datos para una parte mayor del<br />
sistema eléctrico. El software de nivel<br />
inferior puede proporcionar una reacción<br />
oportuna y dar rápida respuesta<br />
a la información local, de acuerdo con<br />
las últimas indicaciones de los niveles<br />
superiores.<br />
Algunos de los sistemas actuales de<br />
protección especial y programas de<br />
medidas correctoras (SPS/RAS, Special<br />
Protection Systems/Remedial Action<br />
Schemes) pueden considerarse precursores<br />
de los agentes inteligentes. Se<br />
espera mejorar la eficacia de los agentes<br />
mediante una frecuente puesta a<br />
punto desde un nivel superior y con<br />
mejores análisis locales.<br />
Coordinación de tareas por medio de<br />
ciclos de ejecución<br />
Existe también una dimensión temporal,<br />
basada en las escalas de tiempo<br />
del fenómeno físico pertinente en el<br />
sistema eléctrico, en la que se pueden<br />
distribuir las diversas tareas de los<br />
agentes. Esta coordinación temporal<br />
se puede llevar a cabo por medio de<br />
varios ciclos de ejecución. (Un ciclo<br />
de ejecución comprende un conjunto<br />
de tareas relacionadas y ejecutadas<br />
con coordinación temporal.) Los<br />
ciclos de ejecución y sus períodos se<br />
definen según las necesidades de<br />
operación y los criterios técnicos.<br />
Cada ciclo se puede ajustar para los<br />
tiempos de respuesta de control,<br />
volumen de cálculos y procedimientos<br />
Agentes inteligentes autónomos<br />
En informática, un agente de software actúa<br />
‘de parte de’ un usuario o de un programa<br />
intermediando con autoridad para decidir<br />
cuándo (y si) es apropiado emprender una<br />
acción. La idea es que los agentes no sean<br />
requeridos estrictamente para una tarea,<br />
sino que puedan activarse dependiendo del<br />
contexto percibido.<br />
Los agentes pueden ser inteligentes, es<br />
decir, poseer facultades de aprendizaje y<br />
razonamiento, y autónomos, con capacidad<br />
para adaptarse sin intervención humana a la<br />
forma en que consiguen sus objetivos. Pueden<br />
estar distribuidos en máquinas físicamente<br />
distintas, de acuerdo con las necesidades,<br />
y podrían ser móviles, de modo que<br />
su ejecución podría transferirse a diferentes<br />
procesadores. Los sistemas de múltiples<br />
agentes constan de agentes distribuidos que<br />
alcanzan un objetivo actuando en cooperación.<br />
Pueden ejecutar sus tareas de forma<br />
síncrona o asíncrona y, si es necesario, acceder<br />
a bases de datos descentralizadas.<br />
El diseño de sistemas basados en agentes<br />
debe considerar el medio de proporcionar la<br />
capacidad para a) priorizar, programar y/o<br />
sincronizar tareas, b) facilitar la comunicación<br />
y colaboración, teniendo una naturaleza<br />
apropiada para representar conocimientos<br />
y metadatos organizados jerárquicamente<br />
y c) detectar todos los posibles<br />
cambios en el entorno y responder a ellos.<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
23
Una visión de red eléctrica autocorrectora<br />
Lo más brillante de la energía<br />
históricos requeridos. Los períodos y<br />
actividades específicas de los ciclos<br />
de ejecución se pueden configurar<br />
de acuerdo con los aspectos operativos<br />
pertinentes. Estos ciclos cubren<br />
escalas de tiempo que varían desde<br />
10 milisegundos a una hora. Los períodos<br />
exactos de los ciclos pueden<br />
ser diferentes en cada implementación.<br />
El Cuadro de la página 23 muestra<br />
un conjunto representativo de ciclos<br />
de ejecución.<br />
Basados en la latencia de la adquisición<br />
de datos en tiempo real, los<br />
ciclos se pueden clasificar en lentos<br />
o rápidos. En un futuro previsible,<br />
la tecnología de las comunicaciones<br />
impondrá duraciones de ciclos de<br />
unos 2 segundos 2 .<br />
Los ciclos más lentos realizan los<br />
complejos cálculos requeridos para<br />
los controles coordinados, la optimización<br />
del rendimiento y las estrategias<br />
de control a nivel de sistema.<br />
Los ciclos más rápidos se ocupan de<br />
las necesidades analíticas locales (subestación<br />
e inmediaciones) para responder<br />
a rápidos sucesos aplicando<br />
las estrategias de control desarrolladas<br />
por los ciclos más lentos. La inteligencia<br />
del nivel superior predomina más<br />
en los ciclos más lentos, mientras que<br />
la inteligencia del nivel inferior domina<br />
en los ciclos más rápidos. Los ciclos<br />
de ejecución interaccionan entre sí a<br />
través del intercambio de disparos de<br />
sucesos, parámetros de control, indicadores<br />
de problemas, avisos de<br />
incidencias, etc.<br />
Cada ciclo de ejecución incluye varios<br />
agentes funcionales. Cada agente funcional<br />
está compuesto por bloques<br />
funcionales o módulos que sólo hay<br />
que enchufar (plug-and-play), llamados<br />
componentes, que se pueden<br />
reutilizar en otros contextos.<br />
Estimación de estados: un requisito<br />
previo para las capacidades de<br />
autocorrección<br />
En los centros de control actuales, la<br />
mayoría de las funciones analíticas se<br />
limitan a ciclos lentos. Por ejemplo, el<br />
estimador de estados (SE) es una función<br />
esencial que proporciona una<br />
instantánea perfeccionada de la condición<br />
de funcionamiento permanente,<br />
minimizando los efectos de los errores<br />
en los datos disponibles. Los resultados<br />
de un estimador de estados son<br />
usados no sólo por el operador, sino<br />
también por varias funciones analíticas<br />
en los ciclos más lentos. Estas<br />
funciones analíticas necesitan soluciones<br />
para redes cada vez mayores con<br />
poco desfase de tiempo para soportar<br />
las necesidades emergentes en operaciones<br />
comerciales, además de satisfacer<br />
los requisitos tradicionales de<br />
fiabilidad. Necesidades similares surgen<br />
en ciclos más rápidos para proporcionar<br />
capacidades de autocorrección.<br />
Para satisfacer estas necesidades<br />
emergentes, el estimador de estados<br />
SE debe implementarse como una solución<br />
de cooperación mediante agentes<br />
distribuidos. Cada agente puede<br />
informar a otros agentes del estado de<br />
su propia parte del sistema eléctrico<br />
en un momento especificado, con una<br />
precisión de algunos milisegundos.<br />
Un agente SE en una subestación<br />
recupera datos de la misma y de otras<br />
situadas en un área ‘eléctrica’ vecina,<br />
definidas en tiempo real por un agente<br />
en un nivel superior.<br />
Un agente SE en un área de control<br />
recibe durante un tiempo prescrito<br />
datos de todos los agentes de las<br />
subestaciones del área y ensambla una<br />
solución para esa área. Ello requiere<br />
gestionar aspectos de coordinación<br />
geográfica y temporal en las fronteras<br />
Puntos de vista predominantes en la prevención de apagones<br />
de las diferentes áreas. Análogamente,<br />
los agentes SE en niveles regionales y<br />
superiores han de coordinar soluciones<br />
desde las diversas áreas de control.<br />
Esta implementación de la función SE<br />
como solución cooperadora limita los<br />
desfases de tiempo a algunos milisegundos,<br />
con independencia de la<br />
magnitud del sistema (asumiendo que<br />
se usan PMUs para todas las mediciones).<br />
La capacidad SE inferior a un<br />
segundo es esencial para soportar el<br />
control local (es decir, subestación,<br />
etc.) más rápido requerido. La validación<br />
SE local mejora la calidad de las<br />
soluciones SE en los niveles superiores.<br />
La visualización efectiva de información<br />
debe permitir al operador conocer<br />
el estado del sistema de un vistazo<br />
y responder puntualmente. Este conocimiento<br />
de la situación es una parte<br />
integrante del análisis y control. Además<br />
del estado actual, deben visualizarse<br />
proyecciones de tendencias,<br />
cambios previstos y escenarios anticipados.<br />
Pueden ser necesarias varias<br />
vistas del mismo objeto para presentar<br />
diferentes aspectos del sistema a<br />
numerosos usuarios con necesidades<br />
diversas.<br />
Los gráficos perfeccionados deben<br />
combinar sin fisuras la navegación y<br />
la presentación de informaciones<br />
usando capacidades de animación y<br />
Lo fundamental en una red autocorrectora es su capacidad para evitar o reducir perturbaciones<br />
graves en el suministro de energía eléctrica y restablecer la situación solucionando tempranamente<br />
los problemas. En principio dominan tres puntos de vista sobre las perturbaciones importantes<br />
y los esfuerzos para reducirlas [6].<br />
Seguramente habrá más<br />
turbación deberá ser de mayor<br />
desastres: Las perturbaciones<br />
de los sistemas eléctricos<br />
‘enlace más débil’, repitiéndo-<br />
mag nitud y atacará al siguiente<br />
son simplemente sucesos<br />
se así el ciclo.<br />
aleatorios que no se pueden<br />
controlar mediante intervención<br />
humana.<br />
con una ingeniería mejor:<br />
Evitar o reducir los problemas<br />
Los que defienden este punto<br />
Reforzar el punto más débil:<br />
de vista creen que es posible<br />
Cada perturbación ataca al<br />
gestionar la complejidad del<br />
‘eslabón más débil’ del sistema<br />
en el momento de la ocu-<br />
y evitar (o reducir) los proble-<br />
sistema eléctrico para predecir<br />
rrencia. Una vez reforzado<br />
mas antes de que sean demasiado<br />
dicho enlace, la siguiente per-<br />
graves.<br />
24 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Una visión de red eléctrica autocorrectora<br />
Lo más brillante de la energía<br />
tridimensionales. Con el tiempo, tales<br />
características pueden evolucionar<br />
para crear un entorno de ‘realidad<br />
virtual’.<br />
Conclusiones<br />
De acuerdo con el planteamiento de<br />
corregir problemas por medio de una<br />
Productos <strong>ABB</strong><br />
de gestión de redes<br />
<strong>ABB</strong> es uno de los principales proveedores<br />
de equipos, sistemas y servicios eléctricos de<br />
avanzada tecnología destinados a mejorar la<br />
fiabilidad de los sistemas de suministro de<br />
ener gía eléctrica. Un avanzado sistema de<br />
supervisión y control es fundamental para mejorar<br />
la fiabilidad y aumentar la rentabilidad de<br />
los sistemas eléctricos.<br />
Unidades de negocio <strong>ABB</strong> para la<br />
gestión de redes y automatización de<br />
subestaciones<br />
Estas unidades de negocio suministran dispositivos<br />
y sistemas llave en mano para las<br />
funciones de supervisión y control. Estas<br />
unidades de <strong>ABB</strong> están a la vanguardia del<br />
desarrollo de sistemas TI para facilitar la<br />
integración sin fisuras de las operaciones de<br />
transmisión y distribución (T&D). La plataforma<br />
integrada resultante soporta funciones de<br />
distribución y gestión de averías, sistemas<br />
SCADA (control supervisor y adquisición de<br />
datos) y de gestión de energía, así como un<br />
sistema de explotación del mercado de la<br />
energía. Esta plataforma incluye un conjunto<br />
de avanzadas tecnologías para sistemas de<br />
supervisión de áreas extensas (WAMS).<br />
WAMS utiliza las lecturas de medición de<br />
fasores que determinan las condiciones de<br />
la red en puntos estratégicos de una amplia<br />
zona. Usando medidas de tiempo precisas<br />
en sus puntos de origen, las lecturas pueden<br />
proporcionar una imagen precisa de la red,<br />
mucho más allá de cualquier área de control<br />
individual, y soportar acciones coordinadas<br />
de control más rápidas.<br />
mejor ingeniería, el marco concebido<br />
requiere el despliegue de agentes funcionales<br />
inteligentes y autónomos a<br />
través de un sistema genérico de interconexiones<br />
para apoyar una red<br />
eléctrica autocorrectora. Esto permitiría<br />
al sistema adaptarse a las condiciones<br />
variables de operación del sistema<br />
para analizar y mantener su fiabilidad<br />
en tiempo real y en el futuro próximo.<br />
Las interacciones entre los componentes<br />
inteligentes de la infraestructura<br />
estarían orquestadas a través de un<br />
conjunto de ciclos de ejecución, adaptados<br />
a los fenómenos físicos y a los<br />
problemas operativos del sistema<br />
eléctrico.<br />
Capacidades más potentes de supervisión<br />
y control obtenidas mediante<br />
controles locales y globales coordinados<br />
proporcionan la elasticidad<br />
necesaria para prestar un servicio<br />
ininterrumpido y un mayor grado de<br />
automatización. Las decisiones de<br />
control local, adoptadas en fracciones<br />
de segundo en condiciones de emergencia<br />
extremas, serían más rápidas y<br />
consistentes que si sólo se emplearan<br />
los operadores o controles de nivel<br />
superior.<br />
Esta nueva infraestructura se puede<br />
realizar usando las tecnologías existentes.<br />
Todas las posibles tecnologías<br />
requeridas se están utilizando o probando<br />
conceptualmente. La mayoría<br />
de las técnicas analíticas necesarias se<br />
están usando ya en varios procesos de<br />
diseño fuera de línea y en línea, por<br />
ejemplo, en sistemas de protección,<br />
controles de generadores y límites de<br />
operación de sistemas, aunque se requerirán<br />
ciertas mejoras en la velocidad,<br />
el grado de automatización y el<br />
nivel de distribución y coordinación.<br />
El sistema propuesto podría implementarse<br />
de forma evolutiva empezando<br />
con la realización de capacidades<br />
de autocorrección para la ‘columna<br />
vertebral’ de la red. Estas capacidades<br />
podrían luego ampliarse a partes<br />
adicionales del sistema de transmisión,<br />
en la medida en que necesidades<br />
comerciales y limitaciones presupuestarias<br />
lo permitan. El desarrollo<br />
de la función de estimación de estados<br />
antes descrita serviría de base<br />
para la realización global de la infraestructura<br />
requerida.<br />
Nuestro trabajo en este campo ha analizado<br />
la viabilidad funcional, arquitectónica<br />
y financiera de la infraestructura<br />
propuesta. Los autores han<br />
desarrollado una metodología para<br />
evaluar el rendimiento del capital<br />
invertido para esta infraestructura,<br />
considerando los costes relativos al<br />
hardware y el software. Los beneficios<br />
inmediatos son una mayor economía,<br />
resultado de una menor congestión y<br />
la minimización de la energía no servida,<br />
ampliando los límites operacionales<br />
y reduciendo las interrupciones.<br />
<strong>ABB</strong> seguirá esforzándose en perfeccionar<br />
sus productos y tecnologías<br />
para mejorar la fiabilidad de los<br />
sistemas eléctricos y hacer avanzar<br />
el sector hasta conseguir una red<br />
eléctrica autocorrectora.<br />
Khosrow Moslehi<br />
<strong>ABB</strong> Network Management<br />
Santa Clara, California<br />
khosrow.moslehi@us.abb.com<br />
Ranjit Kumar<br />
Project Consultant<br />
<strong>ABB</strong> Network Management<br />
Santa Clara, California<br />
Bibliografía<br />
[1] Pourbeik, P., Bahrman, M., John, E., and Wong, W. (<strong>2006</strong>). Modern Countermeasures to Blackouts, IEEE Power & Energy Magazine, 4 (5), pp. 36–45.<br />
[2] Amin, M., S. and Wollenberg, B. (2005). Toward a Smart Grid, IEEE Power & Energy Magazine, 3 (5), pp. 34–41.<br />
[3] Moslehi K., Kumar, R., Chiang, H-D., Laufenberg, M., Bose, A., Hirsch, P., and Beard, L. (2004). Control Approach for Self-Healing Power Systems: A Conceptual Overview,<br />
Presented at the Electricity Transmission in Deregulated Markets: Challenges, Opportunities, and Necessary R&D, Carnegie Mellon University, Dec. 15–16, 2004<br />
[4] Moslehi K., Kumar, R., Hirsch, P. (<strong>2006</strong>). Feasibility of a Self-Healing Grid – Part I Methodology and Cost Models, Part II Benefit Models and Analysis, Presented at IEEE<br />
PES General Meeting – Montreal, June <strong>2006</strong>.<br />
[5] Rehtanz, C. (2003) Autonomous Systems and Intelligent Agents in Power System Control and Operation. Springer-Verlag, New York.<br />
[6] Fairley, P. (2004) The Unruly Power Grid, IEEE Spectrum, Aug 2004, pp. 22–27.<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
25
Lo más brillante de la energía<br />
Conducción de datos<br />
Tecnología de transmisión para la comunicación en<br />
aparamenta de tensión media<br />
Kornel Scherrer, Bernhard Deck, Andreas Reimüller<br />
La aparamenta de conexión funciona<br />
en un entorno muy desafiante desde<br />
el punto de vista de la compatibilidad<br />
electromagnética. Sin embargo, el<br />
correcto funcionamiento de los equipos<br />
depende de que sus componentes<br />
puedan comunicarse fiablemente<br />
entre sí. Los cables de cobre son<br />
propensos a sufrir interferencias electromagnéticas,<br />
mientras que la fibra<br />
óptica es frágil y cara de instalar. Las<br />
dos opciones conllevan el riesgo de<br />
cometer errores de cableado. Como<br />
alternativa, <strong>ABB</strong> propone un sistema<br />
de comunicación por radio de banda<br />
ancha utilizando conductores metálicos<br />
huecos, las guías de ondas. Las<br />
señales de radio se transmiten por<br />
estos conductores, donde son inmunes<br />
a las interferencias externas y no<br />
interfieren con otros dispositivos.<br />
Además, tales conductores pueden<br />
ser usados simultáneamente por<br />
múltiples canales de comunicación y<br />
son robustos y fáciles de instalar.<br />
26 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Conducción de datos<br />
Lo más brillante de la energía<br />
Considerando la entrada en vigor de<br />
la serie de normas CEI 61850, <strong>ABB</strong><br />
considera que ha llegado el momento<br />
de promover un cambio de modelo<br />
para los canales de comunicación de la<br />
aparamenta de conexión. Este<br />
cambio no afectará sólo al medio<br />
de transmisión. La solución<br />
propuesta es un sistema cerrado<br />
de comunicación de banda<br />
ancha y de baja potencia por<br />
medio de guías de onda.<br />
Radiotecnología inalámbrica<br />
LAN en combinación con<br />
CEI 61850<br />
El mundo de los estándares ha<br />
evolucionado mucho durante<br />
los últimos años. Las últimas<br />
innovaciones importantes aparecieron<br />
en el mercado con<br />
CEI 61850 y se espera que con<br />
CEI 62271-1 lleguen más. La<br />
serie de normas CEI 61850,<br />
‘Redes y Sistemas de Comunicación<br />
en Subestaciones’ está<br />
siendo adoptada rápidamente<br />
por el mercado mundial de la<br />
ingeniería eléctrica. Ya hay en<br />
marcha proyectos pilotos –si<br />
bien limitados en alcance–<br />
para implantar estas normas.<br />
Además, está teniendo lugar<br />
un extenso intercambio de experiencias<br />
sobre las soluciones<br />
actuales y limitaciones estas<br />
normas. Habrá mucho que reflexionar<br />
en el futuro.<br />
El esfuerzo conjunto de desarrollo<br />
de varias divisiones de<br />
<strong>ABB</strong> ha permitido establecer<br />
un método innovador (aunque<br />
ya probado en otros sectores<br />
industriales) de transmisión de<br />
datos. Este método permitirá<br />
transmitir datos en el interior<br />
de las instalaciones de conexión<br />
con gran fiabilidad y<br />
sencillez. El planteamiento se<br />
basa en el uso de ondas electromagnéticas<br />
de alta frecuencia<br />
y baja potencia en un sistema<br />
cerrado. El principio es<br />
sencillo y versátil. Lo que se<br />
necesita es una guía de onda<br />
de dimensiones correctas, una<br />
sonda receptora y emisora y<br />
una conexión coaxial para el<br />
dispositivo de protección y<br />
control utilizado (véase fotografía<br />
pequeña y figura 1 ).<br />
La radiotecnología es parte indispensable<br />
de la vida moderna desde hace mucho<br />
tiempo. Apenas hay áreas en las<br />
que no se transmitan datos a través del<br />
aire. La tecnología de comunicación sin<br />
1 Las guías de ondas están destinadas a ser parte integrante de la<br />
aparamenta de tensión media.<br />
2 Cuando se acoplan secciones de guías de ondas se utiliza<br />
un manguito estrecho. De este modo se garantiza un aislamiento<br />
eléctrico con dimensiones que no menoscaban la transmisión.<br />
hilos se utiliza en todas partes, para la<br />
radio misma, la televisión, el teléfono y<br />
la conexión de redes. El estado actual<br />
de la tecnología de sistemas de transmisión<br />
para todas estas aplicaciones es<br />
la red inalámbrica digital. La<br />
primera señal de radio fue<br />
transmitida ya en 1886 por<br />
Heinrich Hertz utilizando un<br />
descargador a distancia disruptiva.<br />
A lo largo del tiempo,<br />
el desarrollo de las antenas<br />
ha permitido prescindir<br />
las chispas, pero el término<br />
‘sparks’ sigue utilizándose como<br />
apodo de los operadores<br />
de radio.<br />
Para que las señales de radio<br />
se propaguen en una guía de<br />
ondas con baja atenuación se<br />
han de cumplir algunas condiciones<br />
sencillas. Por ejemplo,<br />
las dimensiones del conductor<br />
y la frecuencia de la<br />
señal de radio han de estar<br />
en consonancia. Esto significa<br />
que las señales sólo se transmiten<br />
con baja atenuación<br />
cuando se supera cierta frecuencia<br />
límite. La longitud de<br />
onda y la frecuencia son inversamente<br />
proporcionales y,<br />
por tanto, la longitud de onda<br />
λ ha de ser menor que la<br />
longitud de onda límite λ Límite<br />
.<br />
La fórmula siguiente sirve para<br />
determinar la dimensión<br />
del sistema:<br />
λ ≤ λ Límite<br />
= 2·x, (1)<br />
donde x es la anchura de la<br />
guía de ondas.<br />
Estado actual de<br />
la tecnología<br />
En los actuales aparatos de<br />
conexión, los enlaces de comunicaciones<br />
internas (bus<br />
de subestaciones) se establecen<br />
normalmente de un panel<br />
a otro, independientemente<br />
de si se han de transmitir<br />
señales en serie o binarias.<br />
Con cableado en paralelo,<br />
la forma apropiada es<br />
utilizar líneas en bucle que se<br />
conectan a la regleta de terminales<br />
de cada panel. Dependiendo<br />
del tamaño de la<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
27
Conducción de datos<br />
Lo más brillante de la energía<br />
instalación, de la complejidad del sistema<br />
de enclavamiento y de la necesidad<br />
del operador de disponer de funciones<br />
e información de control, esto puede<br />
suponer haces de cables con más de 60<br />
núcleos individuales. La adición o modificación<br />
de señales en las líneas en<br />
bucle implica inmediatamente una<br />
compleja reconexión de los cables. El<br />
trabajo necesario para ello, inclusive las<br />
pruebas correspondientes, supone altos<br />
costes para el operador. Sólo el uso de<br />
técnicas de comunicación en serie permite<br />
reducir el número de núcleos de<br />
líneas en bucle. Con este método de<br />
transmisión, las señales y los valores de<br />
los datos medidos se transmiten por<br />
regla general en serie a un punto central.<br />
Además, los comandos de control<br />
se pueden transmitir a los paneles de<br />
3 Soluciones de guías de ondas: a actuales, b futuras.<br />
tensión a través del medio pertinente.<br />
Respondiendo a diversas influencias<br />
ambientales sobre las aplicaciones de<br />
aparamenta de conexión, la fibra óptica<br />
(guías de onda ópticas) se ha establecido<br />
como medio de transmisión.<br />
A diferencia de las aleaciones de cobre,<br />
los cables de fibra óptica son insensibles<br />
a las interferencias electromagnéticas,<br />
pero también son mucho más caros<br />
por sus peores propiedades mecánicas,<br />
por el mayor coste de su montaje<br />
(por ejemplo, colocación de enchufes,<br />
tendido protegido en conductos) y por<br />
la necesidad de contar con herramientas<br />
especializadas y personal bien formado.<br />
Aparamenta de interior con guías<br />
de onda<br />
La exigencia de fiabilidad y durabilidad<br />
de los sistemas no deja de crecer. Por<br />
esta razón, <strong>ABB</strong> se marcó como objetivo<br />
encontrar un medio más adecuado<br />
de transmisión para la comunicación<br />
entre paneles, un medio que cumpliera<br />
los criterios indicados y al mismo tiempo<br />
fuera fácil de usar. Además, este<br />
medio ha de satisfacer los nuevos requisitos<br />
de la serie de normas CEI<br />
61850. El ancho de banda factible tenía<br />
que ser semejante al de una guía de<br />
ondas óptica (cable de fibra óptica),<br />
pero la instalación tenía que ser mucho<br />
más simple. El nuevo sistema tenía que<br />
conservar la ventaja del aislamiento<br />
eléctrico entre transmisores y receptores<br />
de datos, que está garantizada por<br />
el material de las guías de onda ópticas,<br />
pero no por los conductores de<br />
cobre.<br />
a<br />
b<br />
Bus de estación<br />
Presente IEC 60870-5-101<br />
IEC 60870-5-104<br />
λ HL<br />
IEC 61850-8-1<br />
λ Coax<br />
IED<br />
Bud de proceso Hilos de cobre<br />
Cable coaxial<br />
Guía de onda<br />
Antena<br />
IEC 61850-8-1<br />
λ Coax<br />
IED<br />
λ HL<br />
El principio de guía de onda es muy<br />
sencillo y su aplicación muy versátil.<br />
Análogamente a lo que sucede con la<br />
guía de ondas óptica se requiere la<br />
reflexión desde una, mejor dicho,<br />
desde dos superficies limítrofes paralelas<br />
para transmitir casi sin pérdida de<br />
señal. Para conseguir esto, las dos paredes<br />
(superficies limítrofes) han de estar<br />
separadas una distancia definida<br />
que se calcula a partir de la longitud de<br />
onda utilizada (véase ecuación 1). La<br />
entrada y salida de las señales tienen<br />
lugar por antenas esféricas.<br />
Se usa cable coaxial apantallado para<br />
cubrir las cortas distancias entre los dispositivos<br />
de protección y de control y<br />
la guía de ondas. En el Cuadro<br />
se comparan los diversos medios de<br />
transmisión.<br />
Bus de estación<br />
Bud de proceso<br />
λ HL<br />
IEC 61850-9-2<br />
Futuro IEC 60870-5-104<br />
IEC 61850-(Futuro)<br />
IEC 61850<br />
λ Coax<br />
IED<br />
IEC 61850-9-2<br />
IEC 61850<br />
λ Coax<br />
IED<br />
λ HL<br />
Cable coaxial<br />
Guía de onda<br />
Antena<br />
La energía eléctrica que se inyecta en<br />
una guía de onda por medio de una<br />
antena (sonda) crea una onda electromagnética<br />
con campos E y H (eléctrico<br />
y magnético) dentro del conductor. Tan<br />
pronto como se excede la frecuencia<br />
límite del sistema en cuestión, en la<br />
guía de onda se propaga una onda<br />
electromagnética casi a la velocidad de<br />
la luz. En la entrada se crea un campo<br />
E, que a su vez origina un campo H.<br />
Las antenas de la guía de ondas son, en<br />
principio, reversibles, es decir, se pueden<br />
utilizar tanto para transmitir como<br />
para recibir energía de alta frecuencia<br />
(HF). Si la guía de onda está dimensio-<br />
28 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Conducción de datos<br />
Lo más brillante de la energía<br />
nada correctamente, las ondas electromagnéticas<br />
se propagan casi sin pérdidas<br />
(atenuación aproximada de 2 dB/<br />
km). Con la forma seleccionada se usa<br />
una señal de 5 GHz de baja potencia.<br />
La tecnología empleada corresponde a<br />
la de los modernos sistemas inalámbricos<br />
LAN de red de área local. Utilizando<br />
una guía de onda, las señales de<br />
radio están protegidas óptimamente<br />
contra las interferencias externas y, a<br />
la inversa, el entorno queda protegido<br />
contra las señales de radio.<br />
Cuadro Guía de ondas en comparación con otros medios<br />
Los segmentos de guía de ondas están<br />
dispuestos en los compartimentos de<br />
baja tensión de la aparamenta de conexión<br />
de tal modo que se interconectan<br />
automáticamente al instalar los paneles.<br />
Utilizando tecnología de guías de<br />
ondas, el trabajo de establecer las conexiones<br />
entre paneles durante la instalación<br />
local de un sistema de aparatos<br />
de conexión es mínimo en comparación<br />
con el de los sistemas convencionales<br />
de líneas en bucle (generalmente<br />
hasta 60 núcleos). Cuando los paneles<br />
están interconectados, las secciones de<br />
la guía de ondas están todas ellas alineadas.<br />
Las pequeñas separaciones entre<br />
las secciones de la guía de ondas de<br />
cada unidad de panel están selladas<br />
herméticamente con manguitos 2 para<br />
que no penetre la contaminación exterior<br />
en el conductor. Para la longitud<br />
de onda utilizada, la separación no<br />
tiene efectos negativos sobre la atenuación<br />
del sistema de transmisión. En<br />
comparación directa con una línea convencional<br />
Ethernet apantallada, la guía<br />
de ondas tiene más resistencia mecánica,<br />
está aislada contra las interferencias<br />
de alta frecuencia y, a diferencia de los<br />
cables, está aislada eléctricamente panel<br />
por panel (análogamente a una conexión<br />
de guía de ondas óptica). Con<br />
este sistema ‘plug and play’ (enchufar y<br />
listo) se puede probar fácilmente todo<br />
el sistema de comunicaciones durante<br />
la inspección en la fábrica.<br />
Dos sistemas de guías de ondas separados<br />
por unos pocos metros, como puede<br />
suceder en una aparamenta de conexión<br />
instalada en lados opuestos de<br />
una subestación, pueden estar conectados<br />
por medio de un sistema pasivo<br />
compuesto por antenas y cables coaxiales.<br />
Desde el punto de vista de la topología<br />
de la red, una red redundante<br />
tendría que estar estructurada para poder<br />
tolerar el fallo de un interruptor o<br />
de la conexión (principio n-1). En analogía<br />
directa con los sistemas de comunicaciones<br />
con cables de cobre o con<br />
guías de ondas ópticas, este problema<br />
se reduce a duplicar el punto de acceso<br />
a la guía de ondas, ya que en este caso<br />
puede asumirse que el enlace de comunicaciones<br />
a través del conductor<br />
hueco es muy robusto y seguro frente a<br />
las averías. A este respecto, es posible<br />
conseguir una red cuasi redundante con<br />
un coste relativamente bajo 3 .<br />
Perspectivas<br />
La nueva serie de normas CEI 61850 no<br />
sólo describe una sencilla interfaz de<br />
comunicaciones basada en un bus de<br />
subestación. También describe un bus<br />
de proceso que permite conectar dispositivos<br />
primarios inteligentes, por<br />
ejemplo sensores o transformadores de<br />
tensión y corriente, o dispositivos de<br />
conmutación, que tienen una interfaz<br />
de comunicaciones acorde con CEI<br />
61850. Un enlace robusto de comunicaciones<br />
es de vital importancia cuando<br />
se han de transmitir en tiempo real mediciones<br />
de intensidad y tensión (valores<br />
de mediciones muestreadas) según<br />
CEI 61850-9-2:2004-04 [9, 10] desde el<br />
sensor/transformador del instrumento<br />
hasta el dispositivo electrónico inteligente<br />
(IED, Intelligent Electronic Device),<br />
o si se han de distribuir horizontalmente<br />
entre los IED en una subestación<br />
(por ejemplo, para proteger las barras<br />
colectoras). Además se ha de garantizar<br />
que la conexión física proporcione suficiente<br />
ancho de banda para una transmisión<br />
rápida, sin demora alguna, la<br />
cual podría perjudicar al sistema de<br />
protección. Utilizando una conexión de<br />
guía de onda se consigue un gran ancho<br />
de banda mediante tecnología multicanal.<br />
De este modo, se pueden conectar<br />
a la guía de onda hasta 24 canales<br />
independientes, de 56 Mbit/s cada<br />
uno. Este diseño no sólo permite transmitir<br />
información vertical y horizontal<br />
según CEI 61850, sino que permite además<br />
implementar otros servicios con el<br />
sistema. Mencionemos, por ejemplo, la<br />
posibilidad de leer a través de la guía<br />
de onda los contadores instalados en la<br />
aparamenta, o los servicios posibles vía<br />
Internet. El acoplamiento de otros componentes<br />
activos se puede conseguir<br />
mediante el correspondiente convertidor<br />
de medios. Especialmente para valores<br />
de mediciones muestreadas, la<br />
guía de ondas proporciona una conexión<br />
que satisface las demandas de<br />
seguridad de un sistema de protección<br />
y cumple los requisitos técnicos de CEI<br />
61850-9-2:2004-04 [9, 10].<br />
Medio<br />
EMC<br />
Disponibilidad del sistema<br />
Elasticidad térmica<br />
Elasticidad mecánica<br />
Instalación<br />
Ampliabilidad<br />
Kornel Scherrer<br />
<strong>ABB</strong> Management Services Ltd.<br />
Zúrich, Suiza<br />
kornel.scherrer@ch.abb.com<br />
Bernhard Deck<br />
<strong>ABB</strong> Medium Voltage<br />
Baden-Dättwil, Suiza<br />
bernhard.deck@ch.abb.com<br />
Conexión eléctrica<br />
(par trenzado CAT 5, RJ 45)<br />
Fibra óptica<br />
(multimodo 2G 62,5/125 µm)<br />
Guía de onda<br />
+<br />
+<br />
++<br />
-<br />
+<br />
+<br />
+<br />
0<br />
+<br />
+<br />
-<br />
++<br />
0<br />
-<br />
+<br />
0<br />
-<br />
++<br />
Andreas Reimüller<br />
<strong>ABB</strong> AG, Calor Emag Medium Voltage Products<br />
Ratingen, Alemania<br />
andreas.reimueller@de.abb.com<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
29
Lo más brillante de la energía<br />
Más allá de la<br />
primera impresión<br />
IEC 61850, más que una mera norma de comunicación<br />
Christian Frei, Tatjana Kostic<br />
En un entorno energético TI típico,<br />
¿cómo se consigue que diversos<br />
componentes y dispositivos de<br />
diferentes fabricantes funcionen<br />
juntos sin problemas La respuesta<br />
está en una rentable interfaz estándar<br />
de comunicaciones, que hace posibles<br />
infraestructuras abiertas e interoperabilidad<br />
de los dispositivos.<br />
Un estándar de este tipo, el<br />
CEI 61850, está considerado como<br />
una importante norma internacional<br />
para sistemas de automatización<br />
de subestaciones, ya que define la<br />
comunicación entre los dispositivos<br />
de la subestación, así como los correspondientes<br />
requisitos del sistema<br />
y el modelo de subyacente de datos.<br />
<strong>ABB</strong> Corporate Research está aprovechando<br />
estas características de<br />
CEI 61850 para proporcionar tecnología<br />
‘plug and play’ para aplicaciones<br />
de automatización de subestaciones.<br />
30<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Más allá de la primera impresión<br />
Lo más brillante de la energía<br />
Las subestaciones eléctricas<br />
son sistemas distribuidos<br />
complejos –contienen equipos<br />
primarios heterogéneos como,<br />
por ejemplo, aparamenta de<br />
conexión, transformadores o<br />
líneas– y están controladas por<br />
sistemas de automatización de<br />
subestaciones (SAS). Un sistema<br />
SAS consta de todo el equipo<br />
electrónico 1) necesario para<br />
controlar, supervisar y proteger<br />
de forma permanente la red.<br />
Este equipo está interconectado<br />
y ha de comunicarse a diferentes<br />
niveles dentro y fuera de la<br />
subestación (por ejemplo, hacia<br />
el centro de control de la red).<br />
Tradicionalmente, el trabajo de<br />
ingeniería y configuración de<br />
un sistema SAS ha sido considerable.<br />
Estos esfuerzos también<br />
han demostrado ser caros,<br />
ya que (a) los costes de las entregas a<br />
los clientes están condicionados por la<br />
falta de configuraciones estandarizadas<br />
entre dispositivos de diferentes vendedores,<br />
y (b) los costes del desarrollo de<br />
productos dependen del número de protocolos<br />
de comunicaciones privados o<br />
semiestándar que han de ser soportados.<br />
Gracias a la norma CEI 61850, recientemente<br />
adoptada [1], y en particular a<br />
dos características singulares de la norma,<br />
los costes de ingeniería y configuración<br />
se han reducido notablemente. Estas<br />
características singulares comprenden<br />
la autodescripción de dispositivos<br />
electrónicos inteligentes (IED) 2) en tiempo<br />
de ejecución (debido a sus modelos<br />
de datos y servicios de comunicaciones)<br />
y un lenguaje estandarizado de configuración<br />
de subestaciones (SCL).<br />
Estas dos características permiten a <strong>ABB</strong><br />
emplear un sistema ‘plug and play’ 3)<br />
(enchufar y listo) para aplicaciones de<br />
automatización de subestaciones destinado<br />
a reducir la costosa ingeniería de<br />
proyectos para muchos clientes.<br />
La norma CEI 61850<br />
CEI 61850 4) es una norma de comunicaciones<br />
para la automatización de subestaciones.<br />
Su objetivo principal es permitir<br />
la interoperabilidad sin fisuras de dispositivos<br />
IED (especialmente de diferentes<br />
fabricantes de equipo original) dentro<br />
de la subestación. Se divide en<br />
10 partes y trata cuatro aspectos principales:<br />
un modelo funcional del dominio<br />
de aplicación de la automatización de<br />
1 Arquitectura simplificada de una aplicación ‘plug and play’ basada en<br />
CEI 61850. Los números entre paréntesis indican la parte correspondiente<br />
de la norma. Un ejemplo de estas aplicaciones son los sistemas<br />
básicos de supervisión o control.<br />
Ordenador<br />
Aplicación 1 Aplicación 2<br />
ASCI (7-2)<br />
API<br />
Máquina con objetos significativos<br />
Servidor ACSI<br />
(7-2, 8-1)<br />
Servidor ACSI<br />
(7-2, 8-1)<br />
Servidor ACSI<br />
(7-2, 8-1)<br />
MMS API<br />
sobre TCP/IP<br />
IED<br />
IED<br />
subestaciones (Parte 5), un modelo de<br />
datos para SAS (Parte 7), protocolos de<br />
comunicaciones y sus servicios (Partes<br />
7, 8 y 9) y un lenguaje descriptivo de la<br />
configuración de subestaciones (SCL -<br />
Parte 6), basado en XML [2].<br />
En general, un modelo proporciona<br />
determinadas informaciones sobre un<br />
componente de equipo o sobre un proceso.<br />
En la comunicación de subestaciones,<br />
un modelo que, por ejemplo, lista<br />
los datos de entrada y salida de un<br />
transformador, se conoce como modelo<br />
de datos; CEI 61850 tiene un modelo de<br />
datos para cada función. Un dato elemental<br />
tiene un nombre compuesto por<br />
tres partes normalizadas 5) , a saber, el<br />
nodo lógico (LN), el objeto de datos y el<br />
atributo.<br />
Puesto que la norma CEI 61850 define<br />
el modelo de datos completo en un formato<br />
de texto y tabla, el modelo formal<br />
IED<br />
Servidor<br />
MMS<br />
[4,5] del mismo se ha desarrollado<br />
en lenguaje UML (Unified<br />
Modelling Language) 6) [3].<br />
En este artículo nos referiremos<br />
a él como modelo UML.<br />
En un sistema de automatización<br />
de subestaciones hay dos<br />
tipos de intercambio de datos:<br />
intercambio de datos de aplicaciones<br />
en tiempo de ejecución<br />
e intercambio (fuera de<br />
línea) de datos de configuración.<br />
El intercambio de datos<br />
en tiempo de ejecución tiene<br />
lugar a través de servicios de<br />
comunicaciones. La parte<br />
7-2 de CEI 61850 define un<br />
conjunto de servicios abstractos<br />
de comunicaciones (ACSI)<br />
que abordan los requisitos básicos<br />
del proceso de intercambio<br />
de información. Estos servicios<br />
se pueden implementar<br />
como interfaz de programación de aplicaciones<br />
(API, Application Programming<br />
Interface), especificada en un lenguaje<br />
de programación dado, y/o como servicios<br />
de la capa de aplicación de una<br />
pila determinada de comunicaciones.<br />
Como ejemplos de este tipo de intercambio<br />
mencionemos la lectura de la<br />
posición actual de un interruptor, un comando<br />
de operador o el disparo de una<br />
función de protección para cambiar la<br />
posición del interruptor en tiempo de<br />
ejecución. Estos servicios y la implementación<br />
de los mismos son el ‘medio’<br />
para el intercambio de datos.<br />
El segundo tipo de intercambio de datos,<br />
que se refiere a los datos de configuración<br />
de todas las aplicaciones y dispositivos<br />
SA, se realiza usando archivos<br />
XML (eXtensible Markup Language),<br />
que siguen el lenguaje SCL 7) , descrito en<br />
la norma. Estos archivos XML –en la fi-<br />
Notas<br />
1)<br />
Según la norma CEI 61850, un sistema SAS consta generalmente de dispositivos electrónicos inteligentes<br />
(IED) conectados por una red de comunicaciones.<br />
2)<br />
Por autodescripción de un IED se entiende la capacidad de éste para proporcionar cierta información, como<br />
los datos de estado del proceso o los datos de configuración de entornos de protección (este último tipo de<br />
datos no suele estar disponible en las normas anteriores SA sobre comunicación).<br />
3)<br />
Una aplicación se denomina ‘plug and play’ cuando es capaz de encontrar la funcionalidad de uno o más<br />
dispositivos IED en tiempo de ejecución sin necesidad de configuración alguna y, a continuación, generar la<br />
correspondiente interfaz gráfica de usuario a partir de dicha funcionalidad.<br />
4)<br />
<strong>ABB</strong> participa muy activamente en la definición y mantenimiento de la norma CEI 61850 (varios redactores de<br />
dicha norma son empleados de <strong>ABB</strong>) y, en consecuencia, es uno de los principales proveedores en este campo.<br />
Esto es fundamental actualmente, ya que muchos nuevos proyectos, especialmente en China e India,<br />
requieren su uso.<br />
5)<br />
El nodo lógico, el objeto de datos y el atributo se ilustran mediante el ejemplo de un interruptor. El estado del<br />
interruptor –en la terminología CEI 61850– se denomina XCBR.Pos.stVal, donde XCBR (el interruptor) es el<br />
nodo lógico, Pos (posición del interruptor) es el objeto de datos y stVal (estado intermedio, conexión, desconexión,<br />
estado incorrecto) es el atributo.<br />
6)<br />
El estándar de modelación de facto en ingeniería de software<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
31
Más allá de la primera impresión<br />
Lo más brillante de la energía<br />
gura se puede ver uno de ellos, resumido–<br />
describen la configuración de los<br />
dispositivos IED en términos de funcionalidad<br />
(por ejemplo, control, mediciones<br />
y valores de estado de los interruptores),<br />
direcciones y medios de comunicaciones<br />
(por ejemplo, mensajes rápidos<br />
a numerosos destinatarios, presentación<br />
de informes), así como la distribución<br />
de la subestación y su relación con las<br />
funciones implementadas en los dispositivos<br />
IED.<br />
Aplicaciones inteligentes ‘plug and play’<br />
En los párrafos siguientes se supone un<br />
IED que cumple totalmente la norma<br />
CEI 61850, concretamente, que debe<br />
proporcionar para sus datos una interfaz<br />
conforme con ACSI.<br />
Las aplicaciones inteligentes ‘plug and<br />
play’ pueden depender de las características<br />
de interoperabilidad normalizadas<br />
por CEI 61850. El descubrimiento y la<br />
recuperación de valores reales para los<br />
datos del proceso y de configuración<br />
se realizan del modo<br />
siguiente:<br />
1. Enchufar el ordenador con<br />
la aplicación de ejecución<br />
en la red CEI 61850.<br />
2. Proporcionar la dirección IP<br />
del servidor residente en un<br />
IED. (Este paso es el único<br />
que no tiene totalmente carácter<br />
‘plug and play’)<br />
3. La aplicación recupera las<br />
variables utilizando servicios<br />
de directorio ACSI.<br />
4. La interfaz de usuario de la<br />
aplicación se genera automáticamente<br />
de acuerdo<br />
con estas variables y su semántica.<br />
5. La aplicación adquiere valores<br />
actuales para todas las<br />
variables de interés.<br />
6. Si se necesitan valores actualizados<br />
de datos del proceso,<br />
la aplicación se suscribe<br />
a eventos adecuados.<br />
Los pasos (2) a (6) se pueden<br />
repetir tantas veces como sea<br />
necesario. Puesto que el paso<br />
(2) no se considera por completo<br />
‘plug and play’ se puede<br />
realizar escanear la red para<br />
detectar varios servidores –<br />
que responden a un puerto<br />
2 Un navegador CEI 61850: aplicación que no necesita configuración<br />
alguna pero puede descubrir el contenido de un dispositivo IED,<br />
analizarlo semánticamente y autogenerar la visualización.<br />
pre definido- siempre que lo permitan<br />
los mecanismos de seguridad en cada<br />
IED.<br />
La figura 1 muestra esquemáticamente<br />
la arquitectura de un sistema ‘plug and<br />
play’. Los servidores ACSI proporcionan<br />
servicios definidos (Parte 7-2 de la norma)<br />
y permiten la abstracción de los<br />
servicios con independencia de su implementación<br />
específica. También permiten<br />
la ‘navegación’ de variables, la recuperación<br />
y ajuste (donde proceda) de<br />
ciertos valores y, finalmente, la recepción<br />
de datos actualizados del proceso a<br />
través de un mecanismo de registro de<br />
eventos. El motor es la interfaz ‘semántica’<br />
entre ACSI y la aplicación, y se ocupa<br />
de convertir nombres de variables<br />
MMS 8) en objetos significativos de conformidad<br />
con las Partes 7-4 y 7-3. Los<br />
derechos de acceso -lectura, escritura o<br />
lectura/escritura– son identificados automáticamente<br />
para cada atributo de datos.<br />
El motor es también responsable de<br />
registrar cualquier evento que proporcione<br />
datos reales (en vivo) del proceso<br />
y, más tarde, también de actualizar los<br />
valores correspondientes. Una aplicación,<br />
por ejemplo un sistema básico de<br />
supervisión, depende del motor para<br />
adquirir el contenido de los servidores y<br />
obtener y establecer valores. Puesto que<br />
el tipo de datos se identifica claramente,<br />
el motor puede proporcionar vistas para<br />
datos del proceso (valores actuales, analógicos<br />
o digitales) o parametrización<br />
(de funciones de protección). Además<br />
se pueden registrar eventos y visualizarlos<br />
para el usuario; algunos pueden incluso<br />
ser interpretados automáticamente<br />
como alarmas.<br />
Más abajo describimos brevemente algunas<br />
aplicaciones prototipo 9) desarrolladas<br />
en el centro de investigación corporativa<br />
de <strong>ABB</strong> en Suiza en el marco del<br />
proyecto ‘Zero-Configuration Substation<br />
Monitoring System’.<br />
Navegador CEI 61850 ‘plug and play’<br />
En la figura 2 presentamos una imagen<br />
de pantalla de un navegador<br />
CEI 61850 ‘plug and play’. Es<br />
posible crear un sistema de supervisión<br />
elemental utilizando<br />
únicamente la dirección (o direcciones)<br />
IP del dispositivo (o dispositivos).<br />
Provisto de esta dirección<br />
IP, un usuario puede acceder<br />
automática y autónomamente<br />
al contenido del IED, es decir,<br />
sin configurar previamente el<br />
software. En el ejemplo presentado<br />
en 2 se muestra el contenido<br />
del nodo lógico QA1X-<br />
CBR3 (que refleja la información<br />
de un interruptor), junto<br />
con su objeto de datos Pos<br />
(posición del interruptor) y los<br />
atributos de los datos (nombres,<br />
tipos, valores y otras<br />
propiedades) correspondientes<br />
a ese objeto. Ninguna de estas<br />
propiedades está codificada en<br />
hardware, se generan a partir<br />
de la información semántica<br />
procedente del modelo formal<br />
de datos expresado con el<br />
modelo UML y que se encuentran<br />
disponibles en la aplicación.<br />
Comparador ‘plug and play’<br />
de configuraciones IED<br />
Otra aplicación inmediata, integrada<br />
en el motor, es un com-<br />
32 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Más allá de la primera impresión<br />
Lo más brillante de la energía<br />
parador de configuraciones IED ‘plug<br />
and play’. Esta aplicación compara el<br />
contenido real de un dispositivo IED<br />
con su configuración descrita en el correspondiente<br />
archivo SCL. La utilidad<br />
de esta herramienta se observa especialmente<br />
durante la puesta en servicio o el<br />
mantenimiento, cuando el ingeniero necesita<br />
verificar que la configuración IED<br />
real coincide con la proporcionada por<br />
el correspondiente archivo SCL.<br />
Generador ‘plug and play’<br />
de configuraciones IED<br />
Normalmente, los archivos SCL son generados<br />
por la herramienta de ingeniería,<br />
pero también es posible generar<br />
automáticamente un archivo SCL. Esto<br />
es especialmente útil durante la actualización<br />
del sistema, ya que la mayoría de<br />
los sistemas usuales de automatización<br />
de subestaciones no tienen un archivo<br />
SCL que las describa (y si lo tienen,<br />
puede estar anticuado). El archivo SCL<br />
generado se puede importar más tarde<br />
desde la herramienta de ingeniería para<br />
los procesos posteriores, evitando así un<br />
trabajo pesado y susceptible de errores.<br />
Las aplicaciones descritas a modo de<br />
ejemplos ilustran la posibilidad de crear<br />
aplicaciones ‘plug and play’ basadas en<br />
la capacidad de autodescripción de dispositivos<br />
IED en tiempo de ejecución,<br />
utilizando como entrada únicamente la<br />
dirección IP (o un rango de ellas). Desde<br />
una perspectiva sistémica, sin embargo,<br />
está limitada la posibilidad de utilizar<br />
únicamente el modelo de datos y<br />
servicios ACSI (definidos en la Parte 7<br />
del estándar), que se refieren a dispositivos<br />
IED individuales. En consecuencia,<br />
es imposible vincular las funciones descubiertas<br />
automáticamente (es decir,<br />
nodos lógicos) al equipo primario, ni<br />
se puede deducir la distribución de la<br />
subestación, ni siquiera analizar la red<br />
de comunicaciones entre dispositivos.<br />
En otras palabras, si sólo se dispone de<br />
la dirección IP (de su rango), sólo es<br />
posible crear un sistema de supervisión<br />
muy elemental centrado en dispositivos<br />
IED individuales.<br />
Gracias a la norma CEI<br />
61850 de comunicación<br />
para la automatización de<br />
susbestaciones, los costes<br />
SAS de ingeniería y<br />
configuración se han<br />
reducido notablemente.<br />
Para ampliar las capacidades del sistema<br />
de supervisión se requiere un archivo<br />
adicional SCL, completo y actualizado,<br />
para hacer comprensible en conjunto el<br />
sistema de automatización de la subestación.<br />
Una aplicación que exija que el<br />
usuario le proporcione este fichero ya<br />
no puede considerarse por ‘plug and<br />
play’. Una solución posible consiste en<br />
alojar el archivo SCL adicional en una<br />
dirección predefinida en una pasarela.<br />
En este caso será posible la aplicación<br />
que describimos a continuación.<br />
Sistema (básico) ‘plug and play’<br />
de supervisión de subestaciones<br />
El navegador CEI 61850 descrito puede<br />
descubrir una configuración de automatización<br />
de uno o más dispositivos IED<br />
en una subestación. Gracias al modelo<br />
de datos definido en el estándar es fácil<br />
identificar los puntos de datos de estados<br />
y mediciones y, por consiguiente,<br />
crear automáticamente una interfaz de<br />
usuario para visualizar todos los datos<br />
de proceso (de estado y medición).<br />
Por otro lado, se puede realizar automáticamente<br />
la suscripción a un servicio<br />
de registro de eventos que proporcione<br />
valores actualizados. Además, si se<br />
proporciona un archivo SCL con la<br />
descripción del patio de maniobras<br />
(es decir, una sección de la subestación),<br />
se podrá crear y visualizar un<br />
sencillo diagrama monofilar con los datos<br />
del proceso.<br />
Conclusión<br />
A pesar de su nombre, CEI 61850 es<br />
mucho más que un mero estándar de<br />
comunicaciones, ya que también define<br />
un modelo de datos y los servicios para<br />
operar con estos datos. <strong>ABB</strong>‘s Corporate<br />
Research ha aprovechado estas características<br />
para desarrollar la tecnología<br />
subyacente que permite utilizar aplicaciones<br />
‘plug and play’ (por ejemplo,<br />
deducir automáticamente la configuración<br />
de un IED). Evidentemente, sistemas<br />
tan complejos como SCADA nunca<br />
llegarán a tener pleno carácter ‘plug and<br />
play’ y requerirán cierto trabajo de ingeniería.<br />
Sin embargo, este trabajo será<br />
más simple gracias a los planteamientos<br />
propuestos y reducirá el número de<br />
pruebas de aceptación en fábrica, el<br />
tiempo de puesta en funcionamiento y<br />
el mantenimiento.<br />
Los componentes esenciales de la<br />
arquitectura ‘plug and play’ se están<br />
convirtiendo en parte integrante de los<br />
productos SAS de <strong>ABB</strong>. Este hecho,<br />
unido a la complejidad y a la creciente<br />
importancia de la norma CEI 61850, ha<br />
dado un nuevo impulso al desarrollo<br />
conjunto de herramientas en <strong>ABB</strong>.<br />
Christian Frei<br />
Tatjana Kostic<br />
<strong>ABB</strong> Corporate Research<br />
Baden-Dättwil, Suiza<br />
christian.frei@ch.abb.com<br />
tatjana.kostic@ch.abb.com<br />
Publicaciones de <strong>ABB</strong> sobre la norma CEI 61850:<br />
http://www.abb.com/cawp/seitp202/C1256A8C0049<br />
9292C1256D4100388F27.aspx<br />
Notas<br />
7)<br />
El lenguaje SCL define la interrelación del equipo de la subestación entre sí y con la propia subestación.<br />
8)<br />
Manufacturing Message Specification: ISO 9506-1 e ISO 9506-2: Sistemas de automatización industrial, especificación de mensajes para la fabricación; primera edición,<br />
15-08-2000<br />
9)<br />
Algunas de estas aplicaciones están actualmente en proceso de transferencia a unidades de negocio de <strong>ABB</strong> para la integración de productos.<br />
Bibliografía<br />
[1] IEC 61850: Communications Networks and Systems in Substations, International Standard, 2003.<br />
[2] O. Preiss and A. Wegmann, ‘Towards a Composition Model Problem Based on IEC 61850’, The Journal of Systems and Software, Vol. 65/3, Elsevier Science, 2003,<br />
pp. 227–236.<br />
[3] OMG, Unified Modelling Language Specification, Version 2.0, July 2005. http://www.omg.org/uml<br />
[4] T. Kostic and O. Preiss, ‘UML model of the IEC 61850 (v6, May 2004) and the data mappings between CIM 10 and IEC 61850’. Not yet published (contact authors).<br />
[5] T. Kostic, O. Preiss, C. Frei, ‘Understanding and Using the IEC 61850: A Case for Meta-Modelling,’ Elsevier Journal of Computer Standards & Interfaces, vol. 27/6,<br />
pp. 679–695, 2005.<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
33
Lo más brillante de la energía<br />
Semiconductores de potencia<br />
Primera parte: Bases y aplicaciones<br />
Stefan Linder<br />
Durante los últimos 10 a 15 años, y<br />
a raíz del rápido progreso alcanzado<br />
en la tecnología de semiconductores,<br />
los interruptores de potencia de silicio<br />
se han convertido en dispositivos<br />
muy eficientes, fiables y de cómoda<br />
aplicación. Estos dispositivos han<br />
arraigado firmemente en aplicaciones<br />
de alta tensión y alta intensidad para<br />
controlar potencias de salida de entre<br />
un megavatio y varios gigavatios.<br />
Los dispositivos semiconductores de<br />
potencia han puesto en marcha una<br />
revolución tranquila, en el curso de la<br />
cual se están perfeccionando soluciones<br />
electromecánicas mediante la<br />
adición de electrónica de potencia, o<br />
incluso son sustituidas por completo<br />
por sistemas electrónicos de potencia.<br />
Este artículo, dirigido a lectores con<br />
ciertos conocimientos de este tema,<br />
es la primera de dos partes que<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> dedicará a los semiconductores<br />
de alta potencia. En esta<br />
parte presentamos diferentes clases<br />
de dispositivos, especialmente el<br />
IGBT e IGCT. Comparamos sus ventajas<br />
y desventajas específicas, así<br />
como algunos aspectos importantes<br />
relativos a su aplicación. En la segunda<br />
parte analizaremos aspectos térmicos<br />
y cuestiones relativas al diseño<br />
del encapsulado.<br />
Además, intentamos hacer un pronóstico<br />
sobre los desarrollos futuros y<br />
sobre la importancia que tendrán en<br />
este campo de la alta potencia materiales<br />
de ‘amplio salto de banda’<br />
como el SiC (carburo de silicio), el<br />
GaN (nitruro de galio) y el diamante.<br />
34 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Semiconductores de potencia<br />
Lo más brillante de la energía<br />
La introducción de la tecnología de<br />
transmutación de neutrones en los<br />
años setenta del pasado siglo hizo<br />
posible la fabricación de dispositivos semiconductores<br />
de potencia con tensiones<br />
de bloqueo de más de 1.000 V. Sólo<br />
esta técnica permite producir silicio con<br />
la homogeneidad de dopado requerida.<br />
Por aquel entonces, en esta categoría de<br />
tensiones el tiristor era el único dispositivo<br />
cuya tecnología se dominaba correctamente.<br />
Sin embargo, el número de<br />
aplicaciones era muy limitado, ya que<br />
este dispositivo no permitía el corte de<br />
corriente en un instante cualquiera. En<br />
los años ochenta y noventa se unieron<br />
al tiristor varios dispositivos con capacidad<br />
de corte: el tiristor de corte de<br />
puerta o GTO (Gate Turn-Off Thyristor)<br />
y, posteriormente, el transistor bipolar<br />
con puerta aislada o IGBT (Insulated<br />
Gate Bipolar Transistor) y el tiristor conmutado<br />
con puerta integrada o IGCT<br />
(Integrated Gate Commutated Thyristor).<br />
Estos dispositivos incrementaron notablemente<br />
el espectro de definiciones<br />
de tareas explotables eficientemente.<br />
Gracias a estos dispositivos, los accionamientos<br />
eléctricos de velocidad variable<br />
en el rango de megavatios representan<br />
hoy día la más avanzada tecnología y<br />
sería imposible imaginar la transmisión<br />
de energía eléctrica y los sectores de<br />
estabilización de redes, donde las aplicaciones<br />
alcanzan sobradamente el rango<br />
de los gigavatios, sin la existencia de<br />
soluciones basadas en componentes semiconductores<br />
de potencia.<br />
Durante los diez últimos años, el IGBT y<br />
el IGCT (que sustituyeron al GTO) han<br />
sido perfeccionados en cuanto a pérdidas,<br />
resistencia a la tensión, capacidad<br />
de transporte de corriente (SOA = Safe<br />
Operating Area, área de funcionamiento<br />
seguro) y facilidad de uso. En consecuencia<br />
ha perdido vigencia el viejo paradigma,<br />
admitido todavía a finales de<br />
los noventa, según el cual los IGBT son<br />
adecuados para salidas de ‘pequeña’ potencia<br />
y los IGCT para potencias mayores.<br />
Los IGBT se usan ahora con excelentes<br />
resultados en aplicaciones con salida<br />
superior a 300 MW [1]. Sin embargo,<br />
de esto no se puede concluir que el<br />
IGCT perderá su razón de ser como resultado<br />
del avance del IGBT, como lo<br />
demuestra el fuerte crecimiento de aplicaciones<br />
de éste, sobre todo en el rango<br />
de tensiones medias. La decisión acerca<br />
de cuál es el componente más adecuado<br />
para una aplicación deseada depende<br />
de diversos factores técnicos, que se<br />
aclararán en cierta medida en este artículo.<br />
No obstante, en este contexto no<br />
debe subestimarse el know-how y la experiencia<br />
del usuario al hacer la selección<br />
correcta. Dado que la eficiencia y<br />
fiabilidad de los dispositivos semiconductores<br />
depende estrechamente de las<br />
condiciones de servicio y del diseño físico<br />
del sistema (eléctrico, térmico, mecánico),<br />
los usuarios, siempre que sea posible,<br />
utilizarán plataformas con las que<br />
tienen abundante experiencia.<br />
Ha perdido vigencia el<br />
viejo paradigma según el<br />
cual los IGBT son adecuados<br />
para salidas de<br />
‘pequeña’ potencia y los<br />
IGCT para potencias<br />
mayores.<br />
Objetivos del diseño del IGBT y del IGCT<br />
Introducción<br />
El dopado del cuerpo de silicio de los<br />
semiconductores de potencia, es decir,<br />
la conductividad del sustrato, ha de reducirse<br />
continuamente conforme<br />
aumenta la tensión de ruptura buscada.<br />
En consecuencia, componentes que en<br />
estado activo pueden confiar en la conductividad<br />
de su substrato (los componentes<br />
unipolares o de portadores mayoritarios,<br />
como el MOSFET de potencia<br />
y el diodo Schottky), presentan capacidades<br />
de bloqueo superiores a 200-<br />
1.000 V en estado de conducción, demasiado<br />
altas para funcionar económicamente<br />
(el límite depende del tipo de<br />
componente y de la aplicación). Consecuentemente,<br />
los semiconductores de<br />
potencia de silicio de más de 600 V se<br />
suelen diseñar como dispositivos modulados<br />
por conductividad (plasma). El interior<br />
de un dispositivo de este tipo está<br />
saturado con un gran número de portadores<br />
de cargas positivas y negativas<br />
1 Estructuras de componentes y zonas de<br />
dopado del IGCT y del IGBT a y comparación<br />
cualitativa de las distribuciones de<br />
plasma en estado de conducción b<br />
a<br />
b<br />
G<br />
K<br />
G<br />
E<br />
Concentración<br />
p<br />
n<br />
n<br />
p<br />
Cátodo<br />
n p<br />
IGCT (estructura de tiristor)<br />
n -<br />
IGBT<br />
n -<br />
plasma del IGCT<br />
plasma del IGBT<br />
n -<br />
Dopado<br />
p<br />
p<br />
Ánodo<br />
p<br />
A<br />
C<br />
Los semiconductores se han hecho omnipresentes en una amplia gama de aplicaciones, entre ellas la transmisión<br />
de energía a las aplicaciones de tracción b b y los accionamientos industriales c<br />
a b c<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
35
Semiconductores de potencia<br />
Lo más brillante de la energía<br />
2 Interior de un IGBT/IGCT durante el corte<br />
Cátodo<br />
Concentración<br />
n<br />
p<br />
campo eléctrico<br />
t<br />
t+Δt<br />
n -<br />
t<br />
plasma<br />
t+Δt<br />
Ánodo<br />
Se crea un campo eléctrico en la unión pn<br />
en el lado del cátodo y se expulsa el plasma.<br />
Cuanto más cerca están del cátodo los portadores<br />
de carga, menor es la tensión con<br />
la que se eliminan.<br />
3 Dependencia geométrica de la conductividad<br />
del plasma y pérdidas de corte dentro<br />
del IGBT<br />
Concentración<br />
n<br />
p<br />
Cátodo<br />
Plasma<br />
Pérdidas de corte de<br />
cada portador de carga<br />
Resistencia<br />
específica del plasma<br />
p<br />
Ánodo<br />
En comparación con 1 , es evidente que<br />
el IGCT tiene una mejor distribución del<br />
plasma.<br />
n -<br />
p<br />
(huecos y electrones) durante la fase<br />
conductora, siendo la conductividad del<br />
semiconductor mucho mayor que la del<br />
sustrato. Tales componentes se denominan<br />
frecuentemente ‘componentes bipolares’<br />
en la industria de semiconductores<br />
de potencia, aunque el uso de esta expresión<br />
no es estrictamente correcto<br />
desde el punto de vista técnico (esto se<br />
discutirá más adelante, en la segunda<br />
parte de este artículo, que se publicará<br />
en el próximo número de <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong>).<br />
El plasma ha de ser extraído del dispositivo<br />
durante el corte para recuperar la<br />
capacidad de bloqueo. Esto se lleva a<br />
cabo mediante la tensión de recuperación,<br />
por medio de la cual se crea un<br />
campo eléctrico que conduce los electrones,<br />
cargados negativamente al ánodo<br />
y los huecos, cargados positivamente, al<br />
cátodo. En consecuencia, sigue circulando<br />
corriente mientras aumenta la tensión;<br />
durante el corte las pérdidas se disipan<br />
en forma de calor.<br />
Optimización de las pérdidas de potencia<br />
en conducción y en corte por ajuste<br />
de la distribución del plasma<br />
El objetivo común del diseño de interruptores<br />
para semiconductores de potencia<br />
de alta tensión (cuyos tipos más<br />
conocidos son el IGBT y el IGCT) es<br />
optimizar la combinación de la potencia<br />
en estado de conducción y las pérdidas<br />
en corte. En términos prácticos, esto significa<br />
que el semiconductor debe tener<br />
la mínima caída de tensión posible en la<br />
fase de conducción (es decir, debe<br />
crearse un plasma denso) sin que se originen<br />
pérdidas excesivamente altas en<br />
corte cuando se suprime el exceso de<br />
carga.<br />
El grosor mínimo de un<br />
semiconductor de potencia<br />
está predeterminado<br />
por la capacidad deseada<br />
de bloqueo y por la<br />
intensidad del campo de<br />
ruptura del silicio.<br />
La figura 1 muestra la distribución típica<br />
del plasma de los componentes IGBT e<br />
IGCT. La principal diferencia entre ellos<br />
es que el IGCT crea un plasma denso<br />
cerca del cátodo, mientras que el exceso<br />
de densidad de carga en el IGBT cae de<br />
forma relativamente brusca del ánodo al<br />
cátodo. Más adelante, en esta misma<br />
sección, explicamos la causa de este fenómeno.<br />
La importancia de esta distribución de<br />
portadores de carga se ilustra considerando<br />
el proceso de corte: durante el<br />
corte, el componente recupera su capacidad<br />
de bloqueo creando un campo<br />
eléctrico desde la unión pn en el lado<br />
del cátodo hasta la zona n - 2 . La tensión<br />
de recuperación cubre el plasma desde<br />
el cátodo hasta el ánodo. Los portadores<br />
de carga cerca del cátodo son suprimidos<br />
a una baja tensión y, por tanto, generan<br />
bajas pérdidas en corte, mientras<br />
que los portadores próximos al ánodo<br />
fluyen fuera del dispositivo a una tensión<br />
alta, originando altas pérdidas.<br />
Esta consideración aclara por qué la<br />
distribución del plasma del tiristor suele<br />
considerarse un ideal, también deseable<br />
para el IGBT: la caída de tensión en el<br />
modo de conducción está determinada<br />
fundamentalmente por la región de densidad<br />
mínima de plasma, lo que explica<br />
por qué un IGBT tiene pérdidas de conducción<br />
mayores que un tiristor comparable.<br />
Así pues, si se puede aumentar<br />
satisfactoriamente el plasma del IGBT<br />
en el cátodo, las pérdidas de estado<br />
activo se reducen sin que se originen<br />
pérdidas en corte considerablemente<br />
mayores 3 .<br />
La causa principal de la baja densidad<br />
del plasma en el cátodo del IGBT es un<br />
débil ‘efecto de almacenamiento de portadores’:<br />
los huecos inyectados originalmente<br />
por el ánodo pueden entrar con<br />
relativa facilidad en la zona p en el lado<br />
del cátodo y desde ahí abandonar sin<br />
obstáculos el componente a través del<br />
contacto (requerido) del emisor con la<br />
zona p (véase 1 ). En contraste, debido a<br />
la falta de contacto con la zona p, el<br />
tiristor no tiene un efecto importante<br />
de almacenamiento de portadores. La<br />
barrera de potencial de la unión pn en<br />
el contacto del cátodo impide la entrada<br />
de huecos en la zona n.<br />
Dos conceptos diferentes se han propuesto<br />
en general para mejorar la distribución<br />
del plasma en el IGBT: una<br />
opción muy eficaz consiste en aplicar<br />
el principio trinchera [2], en el que se<br />
impide que los huecos ‘encuentren’ la<br />
zona p mediante un ingenioso diseño<br />
geométrico de la estructura del cátodo.<br />
Alternativamente se puede generar una<br />
débil barrera de potencial por medio de<br />
una capa de dopado en frente de la zona<br />
p para mantener los huecos alejados<br />
de la misma [3]. Una explicación detallada<br />
de estos métodos puede encontrarse<br />
en la literatura, por ejemplo en [4].<br />
Los IGBT modernos, diseñados según<br />
alguno de estos planteamientos básicos,<br />
presentan correlaciones entre las pérdidas<br />
en conducción y las pérdidas en<br />
corte, que se aproximan mucho a las de<br />
los IGCT. Aunque en el futuro serán posibles<br />
algunas mejoras, los últimos diseños<br />
(por ejemplo, el SPT + de <strong>ABB</strong> [8])<br />
han sido optimizados en tal medida que<br />
ya no se esperan grandes pasos adelante.<br />
Reducción de pérdidas mediante<br />
la reducción del grosor<br />
La reducción del grosor de los componentes<br />
es el parámetro más eficaz para<br />
36 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Semiconductores de potencia<br />
Lo más brillante de la energía<br />
reducir las pérdidas totales. Las razones<br />
son sencillas: la resistencia del dispositivo<br />
en estado de conducción decrece como<br />
consecuencia del menor grosor y, al<br />
mismo tiempo, hay menos plasma global<br />
en el dispositivo durante la fase conductora,<br />
razón por la que se producen<br />
menos pérdidas durante el corte.<br />
El grosor mínimo de un semiconductor<br />
de potencia está predeterminado por la<br />
capacidad deseada de bloqueo y por la<br />
intensidad del campo de ruptura del silicio.<br />
En 4 se muestran dos dispositivos<br />
diferentes diseñados agresivamente con<br />
la misma capacidad de bloqueo:<br />
Es evidente que la máxima capacidad<br />
de bloqueo para un elemento de grosor<br />
dado se obtiene con una distribución de<br />
intensidad de campo lo más próxima<br />
posible al límite de ruptura en todo el<br />
grosor.<br />
El gradiente de la intensidad de campo<br />
dE/dx 1 se puede ajustar por medio de<br />
la concentración de dopado en el silicio.<br />
En la práctica existen límites para el diseño<br />
agresivo de la distribución de la intensidad<br />
de campo y, por consiguiente,<br />
para el grosor mínimo de los dispositivos:<br />
1. Si la concentración de dopado del<br />
semiconductor es muy baja, el campo<br />
eléctrico se extiende sobre todo el grosor<br />
del componente, incluso a baja tensión.<br />
Por tanto, todo el plasma puede<br />
ser eliminado a una tensión más baja<br />
durante el corte. Aunque teóricamente<br />
esto es deseable (puesto que las pérdidas<br />
de corte disminuyen), también hace<br />
que la corriente se interrumpa bruscamente<br />
al alcanzar una cierta tensión (el<br />
punto en el que se elimina el plasma<br />
del dispositivo). Este efecto se conoce<br />
como ruptura brusca (snap-off). La alta<br />
variación di/dt genera sobretensiones en<br />
inductancias parásitas y puede iniciar<br />
oscilaciones no deseadas en combinación<br />
con las capacitancias. La figura 5<br />
muestra ejemplos de un corte de alimentación<br />
deseable (‘suave’) y una<br />
forma de onda desfavorable (‘dura’).<br />
La inductancia parásita difiere mucho<br />
más en semiconductores de potencia<br />
para altas intensidades que en pequeños<br />
componentes discretos. En primer lugar,<br />
la inductancia de fuga es mayor debido<br />
a los conjuntos, físicamente mayores y,<br />
en segundo término, el semiconductor<br />
experimenta una solicitación mucho mayor<br />
a través de una inductancia parásita<br />
dada. Para ilustrar esto se compara un<br />
hipotético chip IGBT discreto de 50 A<br />
con un módulo de 1.000 A ensamblado<br />
con 20 chips discretos de 50 A. Se supone<br />
que la inductancia parásita en el circuito<br />
con el chip discreto es de 20 nH, y<br />
la del módulo 100 nH. El cálculo de la<br />
energía inductiva almacenada (E ind<br />
=<br />
LI 2 /2) muestra que, con la intensidad<br />
nominal, cada chip del módulo experimenta<br />
una carga inductiva 100 veces<br />
mayor que la del chip discreto (2,5 mJ<br />
frente a 25 µJ). Esto indica que los componentes<br />
utilizados para altas salidas de<br />
potencia se han de dimensionar para un<br />
comportamiento de conmutación mucho<br />
más suave que los chips empleados para<br />
pequeños montaje de circuitos impresos.<br />
En términos prácticos, los ingenieros<br />
han de hacer los componentes más<br />
gruesos de lo que teóricamente sería necesario.<br />
Esto implica naturalmente pérdidas<br />
adicionales, según se muestra en el<br />
ejemplo de 5 .<br />
El semiconductor debe<br />
tener la mínima caída de<br />
tensión posible en la fase<br />
de conducción sin que se<br />
originen pérdidas excesivamente<br />
altas en corte<br />
cuando se suprime el<br />
exceso de carga.<br />
Además de la concepción con un cierto<br />
grosor adicional, la ruptura brusca se<br />
puede reducir mediante una hábil distribución<br />
de dopados en el lado del<br />
ánodo del componente. Los fabricantes<br />
emplean diferentes nombres para conceptos<br />
que son similares (al menos en<br />
su acción), por ejemplo, SPT (Soft<br />
Punch Through, Suave Perforación) [5]<br />
o FS (Field Stop, Parada de Campo) [6].<br />
Debe señalarse también que para los<br />
usuarios es más importante que nunca<br />
limitar en lo posible las inductancias parásitas<br />
en sus sistemas, debido al diseño<br />
más agresivo de los componentes modernos.<br />
2. La segunda limitación es atribuible a<br />
la radiación cósmica. Si una partícula<br />
nuclear del espacio con alta energía, por<br />
ejemplo, un protón, choca contra un núcleo<br />
de silicio, la energía liberada genera<br />
una altísima cantidad de electrones y<br />
huecos. Si el dispositivo está en modo<br />
de bloqueo a alta tensión, estos portadores<br />
se multiplican a modo de avalancha<br />
debido a la alta intensidad de campo<br />
en el componente. Esto causa una<br />
ruptura muy localizada del componente,<br />
que puede dañar el dispositivo de forma<br />
irreparable. Por consiguiente, los fabricantes<br />
han desarrollado normas para el<br />
dimensionado, según las cuales los<br />
componentes se han de diseñar con respecto<br />
al grosor y la distribución de la<br />
intensidad de campo, para que la proba-<br />
4 Diferentes diseños verticales de un<br />
semiconductor de potencia en el ejemplo<br />
de estructura de tiristor<br />
G<br />
K<br />
G<br />
Tipo A<br />
A<br />
K p n - n p<br />
n Tipo B<br />
Campo eléctrico (E)<br />
p<br />
n<br />
n<br />
p<br />
n -<br />
Límite de fallo<br />
nṮipo B<br />
Tipo A<br />
La tensión a través del dispositivo es proporcional<br />
al área situada bajo el campo eléctrico.<br />
La sección central (n - ) se suele denominar<br />
zona de deriva en componentes unipolares<br />
y base n - en componentes bipolares.<br />
5 Efecto de la ruptura brusca durante el corte<br />
de un gran módulo IGBT de 3,3 kV/1.500 A<br />
bajo la influencia de una alta inductancia<br />
parásita<br />
Tensión [kV], Intensidad [kA]<br />
3.5<br />
3.0<br />
2.5<br />
2.0<br />
1.5<br />
1.0<br />
0.5<br />
Tipo 1<br />
(delgado)<br />
0.0<br />
0 1 2 3 4<br />
Tiempo [μs]<br />
n<br />
p<br />
p<br />
p<br />
L σ<br />
= 300 nH<br />
Tipo 2<br />
(grueso)<br />
El ‘Tipo 1’ de IGBT es considerablemente<br />
menos grueso que el ‘Tipo 2’ (340 µm<br />
frente a 380 µm, véase también 6 ).<br />
A<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
37
Semiconductores de potencia<br />
Lo más brillante de la energía<br />
6 Comparación de grosores teóricos mínimos<br />
calculados para el componente<br />
Espesor del elemento [μm]<br />
800<br />
700<br />
600<br />
500<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
Límite teórico<br />
Límite técnico<br />
Componentes avanzados<br />
1200 V<br />
1700 V<br />
2500 V<br />
3300 V<br />
4500 V<br />
6500 V<br />
0 1 2 3 4 5 6 7<br />
Tensión de ruptura especificada [kV]<br />
Suponiendo que no existe un grosor adicional<br />
y que la ruptura se produce a temperatura<br />
ambiente, los grosores técnicos mínimos<br />
aproximados (valores factibles prácticamente,<br />
sin considerar el comportamiento<br />
eléctrico) y los grosores de componentes<br />
avanzados (las áreas rojas representan los<br />
diferentes valores de varios fabricantes).<br />
7 Desconexión de un IGCT con un área<br />
activa de 40 cm 2 bajo condiciones SOA,<br />
sin circuito de protección<br />
Tensión [kV], Intensidad [kA]<br />
6<br />
‘Autofijación’<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
Ruptura por<br />
avalancha dinámica<br />
1<br />
0<br />
0 2 4 6 8 10<br />
Tiempo [μs]<br />
La densidad de potencia de conmutación es<br />
superior a 500 kW/cm 2 . La ruptura por avalancha<br />
reduce en primer lugar la pendiente de<br />
la rampa de tensión y a continuación limita<br />
automáticamente la sobretensión.<br />
bilidad de destrucción por radiación<br />
cósmica se limite a un grado aceptable.<br />
Esta norma especifica aproximadamente<br />
1-3 FIT (fallos por unidad de tiempo)<br />
por cm 2 de área superficial de componente,<br />
que corresponde a entre 1 y 3 fallos<br />
por cada mil millones de horas de<br />
operación y cm 2 . La prueba de la tasa<br />
de fallos de nuevos componentes se<br />
suele obtener hoy día mediante bombardeo<br />
de protones o neutrones en aceleradores,<br />
que simula con suficiente exactitud<br />
el efecto de la radiación cósmica natural.<br />
Los componentes de alta tensión de última<br />
generación están ya cerca de los límites<br />
prácticos en cuanto a grosor. En 6<br />
se ilustra la posición de los últimos<br />
componentes en relación con los límites<br />
teóricos calculados. Aunque teóricamente<br />
sería posible una nueva reducción del<br />
grosor por debajo del nivel actual, sería<br />
a expensas de una ruptura brusca más<br />
severa o de pérdidas en corte considerablemente<br />
superiores. Actualmente, parece<br />
dudoso que los usuarios lleguen a<br />
aceptar tales dispositivos.<br />
Aumento de la capacidad de corte<br />
(Safe Operating Area, SOA)<br />
La intensidad de salida útil de un semiconductor<br />
de potencia está limitada por<br />
la capacidad de la tecnología de encapsulado<br />
para disipar pérdidas de potencia<br />
y por la máxima intensidad que puede<br />
controlarse con seguridad durante el<br />
corte. La segunda parte de este artículo<br />
tratará con detalle la tecnología de encapsulado,<br />
mientras que aquí se tratarán<br />
los aspectos SOA.<br />
Durante los años 90 se daba por sentado<br />
que un evento de ruptura por avalancha<br />
dinámica representaba una condición<br />
de funcionamiento poco seguro.<br />
Tal ruptura se produce si la densidad de<br />
potencia (calculada como la intensidad<br />
a desconectar multiplicada por la tensión<br />
del enlace de CC) alcanza aproximadamente<br />
150 kW/cm 2 .<br />
A partir de consideraciones teóricas no<br />
es posible mantener la conclusión de<br />
que la ruptura por avalancha dinámica<br />
es insegura. Por el contrario, el efecto es<br />
autolimitante [4] y, por tanto, puede<br />
considerarse inofensivo. En consecuencia,<br />
para los fabricantes tiene sentido<br />
elevar el límite de destrucción de los<br />
componentes al máximo nivel posible.<br />
Ya se han demostrado con éxito densidades<br />
de potencia de más de 1 mW/cm 2<br />
en todos los componentes modernos<br />
(IGCT, IGBT y diodos). Un ejemplo, que<br />
demuestra que grandes componentes<br />
pueden controlar con seguridad potencias<br />
muy altas de salida, se muestra en 7 .<br />
Debido a las limitaciones térmicas, hoy<br />
en día apenas es posible operar con<br />
componentes a una potencia eficaz de<br />
más de unos 100 kW/cm 2 . Sin embargo,<br />
está justificada la cuestión de si un margen<br />
SOA superior a este límite tiene importancia<br />
práctica. La respuesta es afirmativa<br />
por las razones siguientes:<br />
En dispositivos semiconductores de<br />
potencia de gran superficie no se<br />
puede asumir que la corriente fluye<br />
uniformemente por el semiconductor.<br />
Irregularidades en la refrigeración, diferentes<br />
inductancias de acoplamiento<br />
y propiedades ligeramente distintas de<br />
los semiconductores pueden originar<br />
diferencias importantes de temperatura<br />
y cargas eléctricas no homogéneas,<br />
estas últimas especialmente durante la<br />
conexión y desconexión [7]. Los márgenes<br />
grandes de potencia pueden<br />
evitar el fallo de los componentes en<br />
tales condiciones. Varios grandes fabricantes<br />
de equipos pudieron probar<br />
una relación causal entre los márgenes<br />
de potencia y la fiabilidad del<br />
campo, incluso con los componentes<br />
operando en condiciones nominales,<br />
dentro de los límites de las especificaciones.<br />
Una gran tolerancia para la ruptura<br />
por avalancha dinámica evita que surjan<br />
sobretensiones más allá de las tensiones<br />
nominales especificadas (véase 7 ).<br />
Un margen grande de potencia SOA<br />
puede servir para afrontar condiciones<br />
de sobrecarga muy poco frecuentes<br />
(por ejemplo, condiciones de averías).<br />
Generalmente, las grandes cargas disipadas<br />
durante tales sucesos pueden<br />
tolerarse, ya que el corte sólo suele<br />
ocurrir una vez.<br />
Aumento de la máxima temperatura<br />
de la unión<br />
La ampliación de los límites de temperatura<br />
está estrechamente relacionada con<br />
las propiedades de la tecnología de encapsulado,<br />
que se discuten con más detalle<br />
en la segunda parte de este artículo.<br />
Comparativa IGCT e IGBT<br />
La menor potencia de conducción del<br />
IGBT se suele citar como una ventaja<br />
esencial de este dispositivo en comparación<br />
con el IGCT. La diferencia en potencia<br />
de conducción es atribuible al hecho<br />
de que el IGBT está controlado por<br />
una entrada MOS, mientras que el IGCT<br />
es un dispositivo controlado por la intensidad.<br />
En la práctica, sin embargo, la<br />
necesidad de diferente potencia sólo es<br />
crucial en un pequeño número de aplicaciones,<br />
dado que la potencia de conducción<br />
es lo bastante baja como para<br />
38 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Semiconductores de potencia<br />
Lo más brillante de la energía<br />
obtenerla con un esfuerzo aceptable.<br />
Por otro lado, la diferencia más importante<br />
entre un IGCT y un IGBT desde el<br />
punto de vista de la aplicación está en<br />
el hecho de que el IGBT puede ser controlado<br />
por la tensión de puerta durante<br />
la conexión/desconexión, mientras que<br />
los transitorios de conmutación en el<br />
IGCT están gobernados únicamente por<br />
la dinámica interna del componente.<br />
Esta diferencia, que puede parecer poco<br />
importante a primera vista, tiene consecuencias<br />
trascendentales para la topología<br />
del circuito y para aplicaciones que<br />
exigen la conexión en paralelo y/o en<br />
serie.<br />
Diferencias en topología de circuitos<br />
Debido a la estructura interna del tiristor<br />
IGCT, el dispositivo genera corriente<br />
muy rápidamente durante el encendido,<br />
es decir produce una acusada variación<br />
di/dt que genera una solicitación inaceptable<br />
en los diodos auxiliares. Debido<br />
a ello, es preciso restringir siempre la<br />
variación di/dt en circuitos IGCT por<br />
medio de un circuito limitador. En inversores<br />
de fuente de tensión, esta solución<br />
suele consistir en una pequeña inductancia<br />
en serie con el interruptor 8 .<br />
Aunque ello aumenta la complejidad del<br />
circuito, tiene varias ventajas:<br />
8 Circuito de prueba de fase de un IGCT<br />
+<br />
-<br />
di/dt circuito limitante<br />
L i<br />
V DC<br />
R i<br />
D i<br />
D circ. libre<br />
IGCT<br />
L carga<br />
El gradiente de intensidad máximo permitido<br />
por el inductor L i<br />
durante la activación es<br />
di/dt max<br />
= UDC/L i<br />
. Los elementos D i<br />
y R i<br />
forman<br />
un circuito de circulación libre para L i<br />
y<br />
limitan la sobretensión durante el corte del<br />
IGCT.<br />
1. En inversores de fuente de tensión sin<br />
limitación di/dt externa (como los circuitos<br />
típicos IGBT), dicha limitación ha de<br />
tener lugar mediante control del propio<br />
dispositivo de conmutación, lo que causa<br />
pérdidas sustanciales de conexión. En<br />
inversores con altas tensiones, la combinación<br />
de las pérdidas de conexión del<br />
interruptor y las pérdidas de recuperación<br />
del diodo constituyen entre el 40 y<br />
60 por ciento de las pérdidas totales del<br />
inversor, dependiendo de la frecuencia<br />
de conmutación. Pérdidas de conexión<br />
notablemente menores tienen lugar en<br />
un interruptor de silicio utilizado con un<br />
limitador di/dt pasivo, liberando al dispositivo<br />
de carga térmica y, en consecuencia,<br />
permitiendo en principio una<br />
mayor potencia de salida para el inversor.<br />
Sin embargo, debe señalarse que a<br />
pesar de todo se producen pérdidas,<br />
dado que se transfieren al circuito de<br />
circulación libre del limitador de di/dt<br />
(ocurren en la resistencia R i<br />
y en el<br />
diodo D i<br />
de 8 ). La interpretación de que<br />
un inversor con un circuito limitador<br />
di/dt genera siempre menos pérdidas<br />
totales que un inversor IGBT convencional<br />
es, por tanto, incorrecta.<br />
En dispositivos semiconductores<br />
de potencia de<br />
gran superficie no se<br />
puede asumir que la corriente<br />
fluye uniformemente<br />
por el semiconductor.<br />
2. La segunda ventaja es que, como resultado<br />
de la limitación di/dt pasiva, la<br />
intensidad sólo puede aumentar con relativa<br />
lentitud cuando se produce una<br />
avería (por ejemplo, un cortocircuito en<br />
el puente inversor o en la carga). Por<br />
consiguiente, existen dos estrategias<br />
efectivas para afrontar tales sucesos: (a)<br />
Si la avería se detecta a tiempo, es posible<br />
hacer una desconexión normal; (b)<br />
La energía almacenada en el enlace de<br />
CC se puede descargar activando todos<br />
los interruptores y dispersarla en todos<br />
los semiconductores (se puede dimensionar<br />
la inductancia L i<br />
para mantener la<br />
intensidad de cortocircuito dentro de<br />
límites seguros).<br />
Conexión en paralelo y en serie<br />
Dado que no se puede influir externamente<br />
en los transitorios de conmutación<br />
de un IGCT, el circuito de control<br />
de puerta ha de accionar el conjunto del<br />
dispositivo de forma simultánea para garantizar<br />
un proceso de desconexión homogéneo<br />
y, por tanto, seguro. La diferencia<br />
de tiempo tolerable es inferior a<br />
100 ns, lo que significa que los IGCT<br />
sólo se pueden operar en paralelo o en<br />
serie con un esfuerzo relativamente<br />
grande. En ambos casos, los circuitos<br />
amortiguadores, activos o pasivos, han<br />
de compensar incluso las diferencias<br />
más pequeñas de tiempos de conmutación<br />
entre los IGCT (causadas por los<br />
errores de tiempo de control y por condiciones<br />
locales como la temperatura).<br />
Si no se consigue esto, se pueden sobrecargar<br />
los dispositivos IGCT individuales.<br />
El coste y la complejidad de estos<br />
circuitos amortiguadores son, generalmente,<br />
demasiado altos en comparación<br />
con los de la alternativa IGBT. Para<br />
finalizar, los IGCT funcionan mejor en<br />
aplicaciones en las que cada función de<br />
conmutación es realizada por un solo<br />
dispositivo.<br />
En la segunda parte de este artículo sobre<br />
semiconductores de alta potencia,<br />
que se publicará en <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 1/2007,<br />
trataremos diversos aspectos del diseño<br />
de encapsulados. Además estudiaremos<br />
el potencial de los materiales de ‘amplio<br />
salto de banda’.<br />
Stefan Linder<br />
<strong>ABB</strong> Switzerland Ltd, Semiconductors<br />
Lenzburg, Suiza<br />
stefan.linder@ch.abb.com<br />
Bibliografía<br />
[1] K. Eriksson: ‘HVDC Light TM and Development of Voltage Source Converters’. Proc. IEEE/PES T&D Latin American Conf., Sao Paolo, 2002<br />
[2] T. Laska, F. Pfirsch, F. Hirler, J. Niedermeyr, C. Schaeffer, T. Schmidt: ‘1200V-Trench-IGBT Study with Short Circuit SOA’. Proc. ISPSD’98, 433–436, Kyoto, 1998<br />
[3] M. Mori, Y. Uchino, J. Sakano, H. Kobayashi: ‘A Novel High-Conductivity IGBT (HiGT) with a Short Circuit Capability’. Proc. ISPSD’98, 429–432, Kyoto, 1998<br />
[4] Linder, Stefan: Power Semiconductors. EPFL Press / CRC Press, <strong>2006</strong>. ISBN 2-940222-09-6 (EPFL Press) oder 0-8247–2569-7 (CRC Press).<br />
[5] S. Dewar et al.: ‘Soft Punch Through (SPT) – Setting new Standards in 1200V IGBT’. Proc. PCIM Nuremberg, 2000<br />
[6] T. Laska et al.: ‘The Field Stop IGBT (FS IG-BT) – A New Power Device Concept with a Great Improvement Potential’. Proc. ISPSD’2000, 355–358, Toulouse, 2000.<br />
[7] D. Cottet et al.: ‘Numerical Simulations for Electromagnetic Power Module Design’. Proc. ISPSD’06, 209–212, Naples, <strong>2006</strong><br />
[8] M. Rahimo, A. Kopta, S. Eicher: ‘Next Generation Planar IGBTs with SPT+ ’. Power Electronics Europe, Ausgabe 06, 2005.<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
39
Sensores y control<br />
Reflexionando sobre el color<br />
Tecnología de control del color para fabricantes de papel<br />
Anthony Byatt, Steve Sturm<br />
Para un fabricante de papel, obtener el color correcto del producto es muy importante<br />
como garantía de calidad. Los clientes esperan que un tenga el mismo<br />
color que el papel de escribir y que el papel que compran hoy tenga el mismo<br />
color que los sobres que compraron hace meses o incluso años. Para conseguir<br />
colores idénticos pueden ser necesarias distintas clases de papel fabricado<br />
con diferentes ajustes de máquina. Contemple, por ejemplo, este número de<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong>: el papel de la cubierta es algo más grueso que el de las páginas<br />
interiores, pero los colores son idénticos.<br />
Reproducir el color, una tarea nada fácil, no sería posible sin los avanzados<br />
algoritmos de control del color y los instrumentos de alta sensibilidad de que<br />
disponemos. Estos instrumentos han de ofrecer una gran sensibilidad, pero<br />
además han de funcionar en condiciones muy duras, con altos niveles de<br />
humedad y a merced de fuertes sacudidas mecánicas y choques térmicos.<br />
En la fabricación del papel, incluso una hoja en blanco tiene algo que contar.<br />
En éste y en los próximos artículos exponemos la asombrosa historia de cómo<br />
se ha llegado a controlar el color del papel.<br />
40 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Las tiendas de venta de televisores<br />
suelen tener expuestos aparatos de<br />
muy distintos tipos. La electrónica de<br />
un televisor de color es, en el mundo<br />
de los electrodomésticos, la máxima<br />
expresión del uso de la tecnología de<br />
altas prestaciones y bajo coste. Un<br />
observador no dejará de asombrarse<br />
por el brillo de los colores que puede<br />
ver en una pantalla. Pero si da unos<br />
pasos atrás y observa el conjunto de<br />
televisores expuestos, advertirá sutiles<br />
diferencias de color –en algunos casos<br />
más que sutiles– entre televisores a<br />
primera vista idénticos.<br />
Para mayor complicación, el color no<br />
es algo absoluto: la percepción del<br />
color se ve afectada por la biología<br />
del individuo (ceguera a los colores,<br />
daltonismo) y por otros factores. De<br />
hecho, los colores que percibimos son<br />
el resultado de una fuente de luz, de<br />
la reflectancia de un objeto y de la<br />
sensibilidad óptica del observador.<br />
Si conseguir consistencia cromática<br />
en un televisor de alta tecnología,<br />
diseñado específicamente para reproducir<br />
fielmente el color, es tan difícil,<br />
se comprenderá fácilmente las grandes<br />
dificultades de alcanzar la consistencia<br />
en un producto como el papel,<br />
que aparentemente no exige una<br />
tecnología avanzada.<br />
-L * lacionada con la visión), que combina las<br />
Reflexionando sobre el color<br />
Sensores y control<br />
1 Percepción del color<br />
a Absorción espectral de los tres tipos de<br />
La retina humana tiene tres tipos de células<br />
células cono de la retina humana y de<br />
sensibles al color (conocidas como células<br />
células bastón (línea punteada).<br />
cono). Cada uno de estos tipos de células<br />
100<br />
es sensible a un rango distinto de longitudes<br />
de onda, cuyos valores máximos corresponden<br />
aproximadamente a 440, 544 y<br />
50<br />
580 nm (luz azul, verde y roja, respectivamente).<br />
Existe un considerable solapamiento<br />
a entre los rangos, de modo que la retina<br />
0<br />
es sensible a todas las frecuencias com-<br />
400 500 600 700 prendidas entre 400 y 700 nm.<br />
violeta azul cian verde amarillo rojo<br />
Longitud de onda (nm)<br />
Una célula cono individual sólo reacciona a<br />
la intensidad de la estimulación. No puede<br />
b Representación del espacio de color<br />
determinar la longitud de onda exacta de la<br />
L* a* b*. En el eje L*, la claridad varía desde<br />
luz estimulante ni puede diferenciar entre luz<br />
el negro hasta el blanco.<br />
monocromática (de una sola longitud de<br />
onda) y luz policromática (combinación de<br />
varias longitudes de onda). La visión tiene,<br />
por tanto, una diferencia fundamental respecto<br />
de la audición. En este último caso, el<br />
+L *<br />
ser humano puede distinguir longitudes de<br />
-a *<br />
+b *<br />
onda con considerable precisión, y un oído<br />
-b * +a *<br />
nota de un acorde musical.<br />
entrenado puede incluso determinar cada<br />
A pesar de esto, el ser humano puede distinguir<br />
una gran variedad de colores gracias<br />
a la corteza cerebral (el área del cerebro re-<br />
señales de los tres tipos de células cono retinales<br />
e interpreta cada combinación como<br />
un color diferente.<br />
Absorbancia normalizada (%)<br />
En la fabricación del papel es fundamental<br />
el control del color, que casi<br />
siempre ha de ser blanco. La variación<br />
cromática continua del tinte en el papel<br />
producido durante un periodo de<br />
varias horas puede ser imperceptible<br />
para el observador humano, pero la<br />
diferencia de color puede ser muy<br />
llamativa cuando se comparan dos<br />
hojas, una del comienzo y otra del<br />
final del lote de producción. Sería<br />
muy desafortunado que estas hojas<br />
terminaran por ser páginas adyacentes<br />
en un libro. El aspecto del papel –color,<br />
luminosidad, blancura, opacidad<br />
y brillo– se ha convertido cada vez<br />
más en el parámetro diferenciador de<br />
la calidad en productos de papel.<br />
Los fabricantes, por consiguiente,<br />
hacen grandes esfuerzos por controlar<br />
el color de su producto. <strong>ABB</strong>, por su<br />
parte, les proporciona la tecnología<br />
para conseguirlo: sensores cromáticos<br />
avanzados y software en línea para<br />
controlar la adición de colorantes al<br />
proceso.<br />
Cuantificación de la apariencia<br />
cromática<br />
El color se percibe a partir de los colores<br />
primarios rojo, verde y azul que<br />
estimulan el ojo (triestímulo) 1 . La<br />
descripción del color no es intuitiva<br />
y, por tanto, está sujeta a un riguroso<br />
estándar científico CIE 1) : L*, a*, b*.<br />
Hay muchas formas de cuantificar la<br />
apariencia del color, pero L*, a*, b* es<br />
uno de los esquemas más extendidos.<br />
Los tres parámetros del modelo representan<br />
la claridad del color L* (donde<br />
L*=0 corresponde al negro y L*=100 al<br />
blanco), su posición a* entre el magenta<br />
y el verde (los valores negativos<br />
indican verde, mientras que los valores<br />
positivos indican magenta) y su<br />
posición b* entre el amarillo y el azul<br />
(los valores negativos indican azul, los<br />
valores positivos indican amarillo.<br />
La luz que incide sobre una superficie<br />
puede reflejarse, ser absorbida o dispersarse.<br />
Las superficies lisas reflejan<br />
la luz y las superficies desiguales cau-<br />
A diferencia de este sistema de color percibido,<br />
el espacio de color L*, a*, b* representa<br />
el color real de un objeto. L* es la claridad<br />
y a* y b* correlacionan la variabilidad<br />
magenta-verde y amarillo-azul respectivamente<br />
b .<br />
La figura 1a procede de la enciclopedia<br />
Wikipedia y está sujeta a la licencia de<br />
documentación gratuita GNU.<br />
san una dispersión difusa. Una superficie<br />
que refleje difusamente, por<br />
igual, todas las longitudes de onda se<br />
percibe como blanca, mientras que<br />
una superficie que absorba por igual<br />
todas las longitudes de onda la percibiremos<br />
como negra. Además de esta<br />
Nota<br />
1)<br />
CIE (Commission Internationale de l‘Eclairage,<br />
Comisión Internacional de la Iluminación) es una<br />
organización científica con sede en Viena reconocida<br />
en casi todo el mundo como la mayor autoridad<br />
en materia de luz, iluminación, color y espacios en<br />
color.<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
41
Reflexionando sobre el color<br />
Sensores y control<br />
reflexión difusa se puede<br />
producir reflexión especular<br />
(como en un espejo). Un<br />
buen espejo refleja todas las<br />
longitudes de onda por igual,<br />
pero no se percibe como<br />
color blanco debido a su<br />
lisura. Análogamente, un objeto<br />
negro puede reflejar luz<br />
si tiene un acabado pulido.<br />
Éste es, pues, el campo en<br />
que se mueve el sistema de<br />
control cromático en línea<br />
producido por el centro de<br />
excelencia de control de calidad<br />
de <strong>ABB</strong>, perteneciente<br />
a la unidad de negocio Papel<br />
y que tiene su sede en<br />
Dundalk (Irlanda). Esta unidad<br />
está especializa en la<br />
medición en línea de las<br />
propiedades del papel y en<br />
la implementación de complejos<br />
esquemas de control<br />
para optimizar automáticamente<br />
dichas propiedades.<br />
La medición del color es un<br />
conocido método de control<br />
en línea que se utiliza en el<br />
40 por ciento de todos los<br />
sistemas de control de calidad<br />
vendidos por nuestra<br />
compañía.<br />
Diseño de instrumentos<br />
avanzados<br />
Los instrumentos de color<br />
utilizados en los laboratorios<br />
de control de calidad se han<br />
refinado extremadamente<br />
durante los últimos 15 años.<br />
Casi todos los instrumentos<br />
de alta calidad miden espectros<br />
de reflectancias de<br />
muestras presentadas al sensor.<br />
Esto requiere generalmente<br />
una fuente estable de<br />
radiación visible y un sistema<br />
óptico complejo para recoger<br />
la energía reflejada.<br />
Los instrumentos de color de los<br />
laboratorios son manejados por técnicos,<br />
los cuales verifican la calibración,<br />
seleccionan el tipo de coordenadas<br />
de color requeridas, alinean muestras<br />
y recogen datos colorimétricos. Estos<br />
técnicos realizan esta tarea cada hora<br />
aproximadamente, en un entorno<br />
favorable de laboratorio, donde los<br />
2 La plataforma de escaneo<br />
instrumentos, y naturalmente los<br />
técnicos, apenas sufren vibraciones o<br />
golpes.<br />
Los clientes de <strong>ABB</strong> esperan similar<br />
precisión, fiabilidad y facilidad de uso<br />
de los instrumentos en línea de <strong>ABB</strong> 2 .<br />
Estos instrumentos han de operar sin<br />
el concurso de un técnico durante las<br />
24 horas de cada día del año, a tem-<br />
peraturas de 60 °C y con una<br />
humedad del 100 por ciento.<br />
En ocasiones, el paquete del<br />
instrumento parece desvanecerse<br />
en una nube de vapor<br />
de agua que baña la hoja. Cada<br />
cuatro horas, el instrumento<br />
pasa algunos minutos fuera<br />
de la hoja, en un entorno súbitamente<br />
15 °C más frío, para<br />
probarlo y calibrarlo. Además<br />
es normal que se produzcan<br />
sacudidas de hasta 4g (4 veces<br />
la fuerza de la gravedad) a lo<br />
largo de cualquier eje y se<br />
han de tolerar vibraciones<br />
equivalentes a 2g entre 5 y<br />
500 Hz.<br />
Estas sacudidas en ‘cualquier<br />
eje’ equivalen a la que produce<br />
un técnico de laboratorio<br />
saltando sobre un suelo embaldosado<br />
desde una altura<br />
de unos 390 mm. Pero a pesar<br />
de esto seguimos esperando<br />
medidas de calidad.<br />
Medición del color, un brillante<br />
campo de <strong>ABB</strong><br />
Aceptado este desafío, los expertos<br />
en metrología de <strong>ABB</strong><br />
han encontrado formas de<br />
aplicar los principios de medición<br />
en entornos demasiado<br />
duros para que el hombre esté<br />
permanentemente presente<br />
ellos. Los instrumentos no<br />
sólo han de sobrevivir es estos<br />
entornos, además han de<br />
funcionar continuamente y<br />
proporcionar datos tan exactos<br />
y precisos como los de los<br />
instrumentos de laboratorio.<br />
Anthony Byatt<br />
<strong>ABB</strong> Ltd.<br />
Dundalk, Irlanda<br />
anthony.byatt@ie.abb.com<br />
Steve Sturm<br />
<strong>ABB</strong> Automation Technologies<br />
Westerville, Ohio, USA<br />
steve.sturm@us.abb.com<br />
42 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Sensores y control<br />
El efecto<br />
Land<br />
La complejidad del color está sobradamente<br />
demostrada por el llamado<br />
efecto Land. Este efecto fue descrito<br />
por Edwin Land, muy conocido como<br />
inventor de la cámara Polaroid,<br />
en 1977.<br />
2 Fases de creación de la figura 1<br />
El ser humano interpreta los<br />
objetos como poseedores de<br />
un color constante, con independencia<br />
de la luz incidente<br />
(luz diurna, luz artificial, etc.).<br />
La hierba, por ejemplo, que<br />
bajo una intensa luz solar se<br />
nos aparece como verde,<br />
durante la noche conserva<br />
su color verde bajo el alumbrado<br />
público, a pesar de que<br />
las dos fuentes de luz tienen<br />
diferente intensidad y composición<br />
espectral. Land postuló<br />
que nuestra percepción del<br />
color de un objeto se basa en<br />
la comparación de la entrada<br />
‘triestímulo’ de su reflectancia<br />
(véase también la figura 1 en<br />
la página 41) con la de los<br />
objetos contiguos.<br />
b<br />
d<br />
1 ¿Qué colores contiene esta imagen<br />
a<br />
c<br />
e<br />
artificial, ligeramente amarilla).<br />
Land demostró 1) este efecto sacando<br />
dos fotografías de la misma escena 2a<br />
con película transparente en blanco<br />
y negro, una de ellas con un filtro<br />
rojo ante el objetivo de la cámara 2b y<br />
la otra con un filtro verde 2c . Luego<br />
utilizó dos proyectores para superponer<br />
las imágenes. Colocó un filtro rojo<br />
delante del proyector con la fotografía<br />
correspondiente 2d , pero dejó la fotografía<br />
hecha en blanco y negro con<br />
filtro verde 2e . La proyección resultante<br />
se muestra en 2f . Aunque<br />
ninguna de las figuras tiene<br />
verde, este color parece<br />
estar contenido en la figura<br />
final. La apariencia de los<br />
colores puede ajustarse finamente<br />
con las intensidades<br />
relativas de los proyectores<br />
2g . La percepción de las<br />
escenas es distinta en función<br />
de la luz con la que<br />
se ven.<br />
El efecto Land ilustra de<br />
forma llamativa la facilidad<br />
con que el cerebro es ‘engañado’<br />
al percibir los colores<br />
y subraya la importancia<br />
de un sistema absoluto de<br />
medición del color.<br />
En la fotografía 1 se ven<br />
varios colores, ¿pero están<br />
realmente ahí En realidad se<br />
trata de una imagen roja monocroma<br />
con una superposición<br />
de blanco y negro.<br />
El único color ‘real’ presente<br />
es el rojo. Sin embargo, el<br />
cerebro introduce otros colores,<br />
entre ellos diversos tonos<br />
de verde y marrón. (La fotografía<br />
se ve mejor con luz<br />
g<br />
f<br />
Nota<br />
1)<br />
Actualmente es mucho más sencillo<br />
recrear este experimento utilizando<br />
las funciones de mezcla de programas<br />
informáticos como Adobe Photoshop<br />
(como en este caso).<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
43
Sensores y control<br />
Cocina de color<br />
Retos cromáticos en la fabricación de papel<br />
Anthony Byatt, Shih-Chin Chen<br />
El color del papel se ajusta por<br />
adición de diversos colorantes<br />
durante el proceso de producción.<br />
Se trata de tintes, agentes blanqueadores<br />
fluorescentes y pigmentos.<br />
Para permitir la exacta reproducción<br />
del color y mantener la variabilidad<br />
del mismo dentro de límites rigurosamente<br />
definidos es necesario disponer<br />
de un sistema de control de alto<br />
rendimiento. Su implementación<br />
resulta dificultada por los largos<br />
tiempos de demora y por las varias<br />
etapas del proceso que pueden<br />
afectar al color del producto final.<br />
El color del papel es resultado<br />
de las reacciones químicas entre<br />
fibras y colorantes; el grado de reacción<br />
determina el tono y la profundidad<br />
del color. Esto, a su vez, depende<br />
del color base de la guarnición de<br />
fibra, del agente de retención de la<br />
fibra, del grado de acidez (pH) del<br />
agua de transporte y de otros factores<br />
químicos en la circulación del extremo<br />
húmedo. La fluctuaciones o cambios de<br />
estas condiciones suelen provocar perturbaciones<br />
imprevistas en la uniformidad<br />
de los tonos de color del papel.<br />
En la figura 1 se muestra una planta<br />
típica de proceso de color. La cantidad<br />
de colorante por cantidad unitaria<br />
de fibra –la relación de tinte entre<br />
colorante y fibra– es el factor determi-<br />
1 Proceso de coloración en la fabricación de papel<br />
Carga base de tintes<br />
Guarnición<br />
Cuba<br />
mezc.<br />
Refinadores<br />
Bomba<br />
ventilador<br />
Partidos<br />
Cuba<br />
mach<br />
Adición de<br />
colorante en<br />
extremo húmedo<br />
Caja de<br />
cabeza<br />
Dinámica de sistema<br />
de extremo húmedo<br />
Depósito<br />
mezclador<br />
Retardo<br />
del transporte<br />
rojo azul amarillo OBS/FWA<br />
Objetivo<br />
L<br />
a<br />
b<br />
Auv<br />
OBS/FWA<br />
automático<br />
color<br />
control<br />
sistema<br />
Medición on-line<br />
del color<br />
Peso/humedad<br />
44 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Cocina de color<br />
Sensores y control<br />
2 Cocina de color 3 Las válvulas y conexiones bien marcadas o codificadas con color son<br />
intuitivas, de ajuste rápido, y reducen el peligro de cometer errores.<br />
nante del color del papel. Los colorantes<br />
se pueden añadir en distintas<br />
etapas del proceso de fabricación del<br />
papel. Para obtener un tono muy profundo,<br />
la mayor parte de los colorantes<br />
se cargan en la cuba de mezcla<br />
para conseguir más tiempo de unión<br />
de los colorantes con las fibras del<br />
papel. Esta operación se denomina<br />
carga de base y generalmente no está<br />
automatizada.<br />
Para ajustar el color del papel, los<br />
colorantes se suelen añadir en algún<br />
punto entre la entrada a la bomba de<br />
aireación y la adición de recubrimiento<br />
en la hoja, destinada a compensar<br />
las alteraciones de color. Este ‘ajuste<br />
fino o dosificación de color’ se mide<br />
con precisión para conseguir toda la<br />
sutileza del tono de color.<br />
de coloración. Importantes aspectos<br />
de estos retos son la dinámica transitoria<br />
del cambio de calidad, el cambio<br />
de velocidad y el cambio de tono, que<br />
inducen variaciones adicionales del<br />
tono de color.<br />
Un sistema automatizado de control<br />
del color con medición de color en<br />
línea es hoy en día imprescindible en<br />
los modernos procesos de coloración<br />
del papel.<br />
Objetivos del control del color<br />
Para conseguir un tono uniforme de<br />
color se necesita una aplicación precisa<br />
de los colorantes. Los objetivos<br />
esenciales buscados con la automatización<br />
de un proceso de coloración<br />
son la reducción de las variaciones de<br />
tono de una bobina a otra, la reduc-<br />
ción de los desperdicios por color durante<br />
los cambios de tono y arranques<br />
y durante la producción normal, y la<br />
reducción del consumo de tinte y de<br />
los costes originados por la adaptación<br />
de un tono fijado como objetivo<br />
durante la producción (es decir,<br />
reducir el metamerismo Cuadro y la<br />
bilateralidad, 1) , sin necesidad de muchos<br />
tanteos).<br />
Para conseguir plenamente estos objetivos,<br />
el sistema de control automatizado<br />
necesita modelar claramente la<br />
respuesta dinámica de la dosificación<br />
de colorante e implementar un esquema<br />
completo de control anticipativo y<br />
de realimentación multivariable.<br />
Cocina de color<br />
Un elemento básico para todo el<br />
proceso de tintado es la cocina de color<br />
2 3 , donde se almacenan, preparan,<br />
miden y entregan los colorantes.<br />
La cocina de color suele estar situada<br />
tan alejada –aguas arriba– del proceso<br />
de formación del papel, que la respuesta<br />
del colorante tiene grandes<br />
retrasos y una dinámica lenta, lo cual<br />
dificulta el control manual. El reto<br />
para los operarios es todavía más<br />
duro por el hecho de que pueden<br />
aparecer perturbaciones del color en<br />
cualquier punto de la máquina de<br />
papel y porque la química del extremo<br />
húmedo, la prensa encoladora y<br />
los materiales de recubrimiento influyen<br />
en varias etapas sobre la reacción<br />
Cuadro Metamerismo<br />
Metamerismo es el fenómeno por el que<br />
dos muestras parecen tener el mismo color<br />
bajo una fuente luminosa, pero diferente<br />
bajo otras fuentes. El metamerismo está<br />
causado por diferentes tintes, distintos<br />
niveles de agentes de blanqueo fluorescente,<br />
tipos de fibra y relleno, etc., y es la<br />
segunda causa principal de rechazo de los<br />
clientes.<br />
Casi siempre hay posibilidad de metamerismo<br />
entre dos ciclos de producción. Cuanto<br />
mejor se controlen las variables que contribuyen<br />
al metamerismo, tanto más consistentes<br />
serán los productos de papel.<br />
Anthony Byatt<br />
<strong>ABB</strong> Ltd.<br />
Dundalk, Irlanda<br />
anthony.byatt@ie.abb.com<br />
Shih-Chin Chen<br />
<strong>ABB</strong> Automation Technologies<br />
Westerville, OH, USA<br />
shih-chin.chen@us.abb.com<br />
Nota<br />
1)<br />
El término bilateralidad se usa para referirse a las<br />
diferencias de grosor o consistencia del recubrimiento<br />
en las dos caras de la hoja.<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
45
Sensores y control<br />
Poniendo en<br />
claro el color<br />
Detectar lo que quieren los clientes<br />
Steve Sturm<br />
En teoría, la medición del color<br />
consiste en hacer incidir sobre el<br />
papel una luz con espectro conocido<br />
y observar el espectro de la luz reflejada.<br />
Sin embargo, en un entorno de<br />
producción real, el sensor funciona<br />
en condiciones nada favorables, con<br />
suciedad y humedad ambiental y<br />
variaciones de temperatura, además<br />
de golpes y vibraciones. El instrumento<br />
de medida ha de resistir en lo<br />
posible estas condiciones proporcionando,<br />
no obstante, resultados de<br />
máxima precisión.<br />
46<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Poniendo en claro el color<br />
Sensores y control<br />
La complejidad de la percepción La radiación de referencia de la lámpara<br />
se determina en dos mediciones<br />
del color se aprecia en el sensor<br />
que ha de medirlo. En 1 y en 2 se separadas con la ayuda de dos detectores<br />
filtrados: uno mide la intensidad<br />
muestra un esquema de los principios<br />
del sensor de color de <strong>ABB</strong>. La fuente de la lámpara en la parte roja del espectro,<br />
el otro en la parte azul. Estas<br />
de radiación óptica es una lámpara<br />
de xenón 2b . Unos 5,6 julios de energía<br />
se liberan en una descarga de tadas para la variación de la tempera-<br />
señales normalizan las señales detec-<br />
400 microsegundos, lo que produce tura de color y la variación de la intensidad<br />
de la fuente entre una des-<br />
un flujo luminoso equivalente a una<br />
lámpara de 14 kW irradiando a una carga y la siguiente. Este método se<br />
temperatura de color entre 6.500 °K y denomina espectrómetro de doble haz<br />
7.000 °K. El iluminador proporciona ‘reducido’.<br />
un breve impulso, de alta intensidad,<br />
de casi toda la radiación visible y<br />
1 Vista interior de un sensor de color<br />
ultravioleta. Ésta se recoge en cavidades<br />
de integración 2c . La apertura de<br />
salida de la cavidad inferior se concentra<br />
en la hoja por medio del espejo<br />
toroidad 2e , proporcionando un<br />
foco homogéneo de 12 mm de diámetro<br />
para iluminar el proceso 2i .<br />
La radiación se refleja desde el proceso<br />
en todas direcciones, detectándose<br />
la parte perpendicular de la misma.<br />
La óptica de detección consta de un<br />
espejo angular 2f , una lente de colimación<br />
y un dispositivo captador de<br />
fibra óptica. La energía recogida se<br />
entrega a un espectrómetro de imágenes<br />
2l . El sistema óptico incorpora<br />
una rejilla de difracción holográfica 2n<br />
que dispersa en el espacio la radiación<br />
detectada de acuerdo con la<br />
longitud de onda (desde 340 nm a<br />
780 nm), repartiéndola sobre una<br />
matriz de fotodiodos lineales de<br />
256 elementos 2o .<br />
Las tensiones capturadas en la matriz<br />
de fotodiodos 2o son desviadas en serie<br />
a un convertidor analógico/digital<br />
donde se almacenan en forma de matriz<br />
de 256 valores digitalizados. Estos<br />
valores son corregidos en longitud de<br />
onda mediante la evaluación de líneas<br />
de emisión de xenón cuyas longitudes<br />
de onda centrales son conocidas. De<br />
esta forma, los valores son corregidos<br />
para la intensidad y temperatura de<br />
color del iluminador y normalizados<br />
sobre la base de mediciones de reflec-<br />
2 Principio de medición del color en línea de <strong>ABB</strong><br />
a Control de descarga<br />
b Fuente de xenón<br />
c Cavidades de reflectancia<br />
d Filtro UV<br />
e Espejo toroidal<br />
f Espejo angular<br />
g Ventana con tratamiento altirreflexión<br />
h Purga de aire<br />
i Proceso<br />
j Haz de fibra óptica (medición)<br />
k Haz de fibra óptica (referencia)<br />
l Espectrómetro de imágenes<br />
m Ranura<br />
n Rejilla de difracción holográfica<br />
o Matriz de fotodiodos de alta resolución<br />
p Entrada/salida<br />
q Microprocesador<br />
q<br />
o<br />
a<br />
p<br />
l<br />
c<br />
b<br />
k<br />
d<br />
j<br />
m<br />
e<br />
f<br />
g<br />
n<br />
i<br />
h<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
47
Poniendo en claro el color<br />
Sensores y control<br />
tancia estándar hechas anteriormente.<br />
La matriz procesada<br />
representa con exactitud<br />
el espectro de la reflectancia<br />
del proceso.<br />
Las características colorimétricas<br />
se calculan a partir del<br />
espectro medido. Se basan<br />
en mediciones psicofísicas<br />
de la forma en que el cerebro<br />
humano interpreta los<br />
colores. En 3 se muestra<br />
una representación del espectro<br />
de reflectancia de la<br />
tez humana. Este espectro es<br />
muy diferente del que interpreta<br />
el cerebro humano.<br />
Véanse también los cuadros<br />
informativos sobre la percepción<br />
del color (pág. 41)<br />
y sobre el efecto Land<br />
(pág.43).<br />
3 Espectro del color<br />
de la tez humana<br />
0.40<br />
0.35<br />
0.30<br />
Reflectancia<br />
0.25<br />
0.20<br />
0.15<br />
0.10<br />
0.05<br />
0.00<br />
400 450 500 550 600 650 700 nm<br />
el modo habitual en que el<br />
cliente ‘ve’ el producto.<br />
Los otros azulejos del carrusel<br />
se utilizan para normalizar el<br />
espectrómetro respecto a la<br />
influencia del polvo en la<br />
ventana del sensor (orificio<br />
negro), a la calibración de<br />
reflectancia (azulejo de estandarización),<br />
a la variación de<br />
la posición exacta del plano<br />
focal (azulejo AutoFocus) y a<br />
la lectura de un azulejo cerámico<br />
de color conocido<br />
(azulejo azul).<br />
Manejando algebráicamente<br />
los espectros de reflectancia<br />
medidos se obtienen muchas<br />
características cromáticas distintas<br />
de la hoja. Algunas de<br />
ellas se muestran en el Cuadro .<br />
El azulejo auxiliar<br />
El módulo sensor de color<br />
se sitúa en la parte superior<br />
o inferior de la hoja (o en<br />
ambas) mientras que un módulo<br />
con azulejos auxiliares<br />
se sitúa en la cara opuesta<br />
de la misma 4 . Este módulo<br />
mantiene mecánicamente la<br />
hoja en el plano focal del<br />
módulo de color. El módulo<br />
permite también a uno de<br />
sus azulejos situarse detrás<br />
de la hoja durante la medición<br />
o, cuando el instrumento está<br />
fuera de la hoja, en el plano focal<br />
para la calibración automática.<br />
Durante la medición en línea se utilizan<br />
un azulejo negro y después un<br />
Cuadro Es posible calcular algunas<br />
características cromáticas:<br />
CIELAB L*, a*, b* o L* u*, v*<br />
Hunter L, a, b<br />
DWL, pureza de excitación e Y<br />
Triestímulo, X Y Z<br />
Blancura CIE<br />
Brillo exclusive ultravioleta, TAPPI o ISO<br />
Brillo inclusive ultravioleta, TAPPI o ISO<br />
Brillo ultravioleta (emisión debida a<br />
agentes de blanqueo fluorescentes)<br />
Discordancia metamérica con el objetivo<br />
Diferencia de color en dE*, CMC,<br />
FMC y otros<br />
Opacidad, TAPPI o PRINTERS<br />
azulejo blanco como elementos auxiliares.<br />
A partir de los dos espectros<br />
resultantes se calcula un espectro para<br />
la hoja como si ésta fuera infinitamente<br />
gruesa (una pila de hojas). Esto es<br />
necesario, ya que el laboratorio QC<br />
de clientes caracteriza sus productos<br />
midiendo pilas de hojas con mediciones<br />
de grosores individuales. Éste es<br />
4 Módulo de azulejos de soporte,<br />
carrusel y azulejos<br />
Azulejo<br />
estandarizado<br />
Hueco negro<br />
Azulejo auto-focus<br />
Azulejo negro<br />
Muestra para<br />
prueba interna<br />
Azulejo auxiliar<br />
De esta manera, el sensor de<br />
color en línea de <strong>ABB</strong> obtiene<br />
las características colorimétricas<br />
del proceso basadas en la<br />
medición de espectros de reflectancia<br />
de alta resolución.<br />
La exactitud y precisión de<br />
estas mediciones compiten<br />
con los modernos instrumentos<br />
de laboratorio, pero operan<br />
permanentemente en entornos<br />
muy severos.<br />
Los instrumentos han sido<br />
adaptados para requisitos<br />
cambiantes: tiempo atrás, la medición<br />
de tonos oscuros representaba el 80<br />
por ciento del negocio de sensores de<br />
color de <strong>ABB</strong>, pero hoy día son los<br />
tonos blancos los que alcanzan este<br />
porcentaje. Las nuevas exigencias de<br />
los clientes han hecho preciso el tratamiento<br />
de compensación del agente<br />
de blanqueo fluorescente.<br />
Pero la medición, por muy sofisticada<br />
que sea, es sólo una parte del problema.<br />
El uso al que han de servir estas<br />
mediciones es una parte igualmente<br />
importante del problema del control<br />
de la máquina de papel. Esto se analizará<br />
con más detalle en el artículo siguiente.<br />
Steve Sturm<br />
<strong>ABB</strong> Automation Technologies<br />
Westerville, OH, USA<br />
steve.sturm@us.abb.com<br />
48 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Sensores y control<br />
Control del color en<br />
tiempo real<br />
Modelar respuestas de colorantes<br />
Shih-Chin Chen, Anthony Byatt<br />
En los artículos previos de esta sección,<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> examina los retos<br />
propios de la medición y corrección<br />
del color del papel. La descripción de<br />
la coloración, de los tintes añadidos y<br />
de su efecto se hace con métodos<br />
científicos rigurosos. En este artículo,<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> presenta algunas de las<br />
notaciones matemáticas pertinentes y<br />
examina su uso en los procesos de<br />
producción.<br />
La dosificación de colorantes cambia<br />
la reflectancia de la hoja de<br />
papel final. Eso puede expresarse en<br />
forma de cambios [L*, a*, b*] T . La<br />
relación causa-efecto entre la medición<br />
del color [L*, a*, b*] T y los porcentajes<br />
de tinte u de todos los colorantes<br />
se cuantifica del modo siguiente:<br />
[L*, a*, b*] T = g(u) (1)<br />
donde g es una función vectorial no<br />
lineal determinada por la coordenada<br />
del color seleccionado, el observador<br />
estándar, el iluminante estándar y las<br />
características del colorante. Para una<br />
pequeña variación del porcentaje de<br />
tinte δu, el cambio de color [δL*, δa*,<br />
δb*] T en la hoja de papel se aproxima<br />
según el modelo de perturbación de<br />
(1) de acuerdo con la expresión:<br />
[δL*, δa*, δb*] T = Gδu (2)<br />
En una máquina típica de papel se<br />
suelen usar de uno a tres tintes diferentes<br />
para controlar el color del papel.<br />
Por consiguiente, si se usan tres<br />
tintes para controlar el color, G es una<br />
matriz de 3×3 elementos:<br />
G = E[∂R/∂ (k/s)] [∂ (k/s)/ ∂u] (3)<br />
Donde:<br />
E es una matriz de los coeficientes<br />
combinados del observador estándar y<br />
del iluminante. R es un conjunto de<br />
valores de la reflectancia en cada longitud<br />
de onda del espectro medido.<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
49
Control del color en tiempo real<br />
Sensores y control<br />
[∂R/∂(k/s)] es la derivada parcial de la<br />
reflectancia con respecto a k/s, evaluada<br />
a la reflectancia del color objetivo.<br />
[∂ (k/s)/ ∂u], conocida también como<br />
matriz de coeficientes de tintes, es la<br />
derivada parcial de k/s con respecto a<br />
los porcentajes de tinte, evaluada para<br />
cada longitud de onda del espectro<br />
medido.<br />
k/s se define como la relación entre la<br />
absorción de luz y la dispersión y está<br />
relacionada con la reflectancia según<br />
la fórmula de Kubelka-Munk:<br />
k/s = (1–R) 2 / (2R) (4)<br />
[∂ (k/s)/ ∂u] expresa la forma en que<br />
los colorantes cambian la reflectancia<br />
de la hoja y se puede obtener con un<br />
conjunto de hojas estándar conocidas<br />
como muestras de tinte, donde cada<br />
hoja de muestra está hecha con un<br />
porcentaje de tinte preciso. Para cada<br />
colorante se crean de dos a diez hojas<br />
de muestras de tinte, con porcentajes<br />
de tinte que varían generalmente entre<br />
el 0,01 y el 2 por ciento. La medición<br />
de estas hojas genera una familia<br />
de curvas de reflectancia, según se<br />
indica en 1a . Las curvas k/s correspondientes<br />
se muestran en 1b .<br />
La reflectancia y la relación k/s como<br />
funciones del porcentaje de tinte a<br />
determinadas longitudes de onda se<br />
muestran en 1c y d , respectivamente.<br />
Evidentemente, la relación mostrada<br />
en 1d es casi lineal y puede aproximarse<br />
fácilmente con un polinomio<br />
de orden bajo. Además, el término<br />
[∂ (k/s)/ ∂u] de la ecuación (3) en cada<br />
longitud de onda puede evaluarse<br />
fácilmente a partir de 1d . Para automatizar<br />
un sistema de control de color<br />
es necesario crear una biblioteca<br />
completa de coeficientes de tintes<br />
[∂ (k/s)/ ∂u]. De este modo, desde esta<br />
biblioteca se puede calcular la matriz<br />
G para cualquier tono de papel.<br />
Dinámica de los sistemas de entrega<br />
de colorantes<br />
En un proceso de coloración continuo,<br />
las adiciones de colorantes se<br />
han de medir y entregar de forma<br />
precisa en las etapas apropiadas del<br />
proceso, normalmente mediante<br />
bombas volumétricas, rotatorias o<br />
peristálticas.<br />
Los colorantes se suelen transportar<br />
con un flujo constante de agua a través<br />
de un tanque de mezclado y tuberías,<br />
antes de introducirlos en el flujo<br />
de fibra. Los volúmenes del tanque de<br />
mezclado y del agua de transporte deben<br />
minimizarse para reducir los tiempos<br />
de respuesta y las demoras. En el<br />
colorante se han de evitar las pulsaciones<br />
en la medida de lo posible.<br />
Los colorantes entregados en diferentes<br />
puntos del proceso de coloración<br />
pueden presentar diferentes respuestas<br />
dinámicas y demoras. La dinámica<br />
de la adición de cada colorante al<br />
proceso se puede modelar como una<br />
1 Calibración de características del tinte<br />
a<br />
9<br />
Reflectancia de la muestra de tinte<br />
c<br />
9<br />
Reflectancia frente a porcentaje de tinte<br />
8<br />
8<br />
7<br />
7<br />
Reflectancia R<br />
6<br />
5<br />
4<br />
Reflectancia R<br />
6<br />
5<br />
4<br />
Extremadamente no lineal<br />
3<br />
3<br />
2<br />
2<br />
1<br />
35 40 45 50 55 60 65 70 75<br />
Longitud de onda (nm)<br />
1<br />
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0<br />
Porcentaje de tinte: (tinte wt)/(fibra)<br />
b<br />
4.5<br />
k/s de la muestra de tinte<br />
d<br />
4.5<br />
k/s frente a porcentaje de tinte<br />
4.0<br />
3.5<br />
4.0<br />
3.5<br />
k/s λ<br />
= f λ<br />
(d r<br />
) con longitud de onda λ = 550 nm<br />
3.0<br />
2.5<br />
3.0<br />
2.5<br />
∂(k/s) λ<br />
/∂d r<br />
= ∂(f λ<br />
(d r<br />
)) / ∂d r<br />
= g λ<br />
a λ = 550 nm<br />
k/s<br />
2.0<br />
k/s<br />
2.0<br />
1.5<br />
1.5<br />
1.0<br />
1.0<br />
0.5<br />
0.5<br />
0<br />
35 40 45 50 55 60 65 70 75<br />
Longitud de onda (nm)<br />
0<br />
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0<br />
Porcentaje de tinte: (tinte wt)/(fibra)<br />
50 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Control del color en tiempo real<br />
Sensores y control<br />
combinación de la demora de transporte<br />
(o tiempo muerto) y una respuesta<br />
con órdenes apropiadas. La<br />
dinámica de un sistema de entrega<br />
de colorante se formula generalmente<br />
como una matriz diagonal D(s) con<br />
funciones de transferencia:<br />
D(s) = diag(d j<br />
(s)e θjs (5)<br />
donde d j<br />
(s) es la dinámica de primer<br />
orden y θ j<br />
es la demora de transporte<br />
del punto de dosificación de colorante<br />
j-ésimo en el proceso.<br />
Cada elemento de la matriz diagonal<br />
representa la dinámica de cada punto<br />
de dosificación de colorante en el proceso<br />
de coloración. Puesto que los colorantes<br />
se entregan en varios puntos<br />
de un proceso de formación de la hoja,<br />
la dinámica de los colorantes se suele<br />
representar con grupos de demoras<br />
de transporte y constantes de tiempo.<br />
Control de realimentación multivariable<br />
Según la teoría de Kubelka-Munk, si<br />
los colorantes son fundamentalmente<br />
absorbentes de luz, la relación k/s de<br />
una hoja de papel es la suma de los<br />
valores k/s de cada colorante individual<br />
y del el valor k/s de la fibra base<br />
para cada longitud de onda. Esta relación<br />
se ilustra en la ecuación siguiente:<br />
(k/s) product<br />
= (k/s) base fiber<br />
+ Σ<br />
j<br />
(k/s) j-th colorant<br />
(6)<br />
La fórmula (6) permite utilizar la respuesta<br />
del colorante desde la fórmula<br />
(2) para implementar un sistema de<br />
realimentación multivariable de control<br />
del color. La reflectancia del color<br />
objetivo se establece generalmente<br />
midiendo una hoja de muestra de un<br />
tono de color estándar, utilizando un<br />
sensor de color en línea. El objetivo<br />
del control es reducir la desviación<br />
entre la medición y el color objetivo,<br />
la cual se define como:<br />
J = w L<br />
(L*-L* target<br />
) 2 + w a<br />
(a*-a* target<br />
) 2<br />
+ w b<br />
(b*-b* target<br />
) 2 (7)<br />
donde w L<br />
, w a<br />
y w b<br />
son factores de<br />
ponderación para priorizar la importancia<br />
de cada medición de color en<br />
cada coordenada. En algunos casos,<br />
las desviaciones del color no son controlables<br />
bajo todas condiciones. Por<br />
ejemplo, si el color de la hoja es ya<br />
demasiado oscuro o demasiado verde,<br />
es imposible reducir simultáneamente<br />
las desviaciones de tono y claridad<br />
añadiendo nuevos tintes. En este caso,<br />
la alternativa entre desviaciones de<br />
claridad y de tono se puede conseguir<br />
ajustando los factores de ponderación<br />
correspondientes.<br />
Para implementar un sistema de realimentación<br />
multivariable de control del<br />
color, es preciso medir continuamente<br />
el color del papel con sensores en línea.<br />
Las reflectancias medidas se convierten<br />
en valores de color [L*, a*, b*]<br />
y luego se comparan con el color objetivo.<br />
Los ajustes requeridos de colorantes<br />
se calculan desde el modelo<br />
del proceso de coloración (fórmulas<br />
2 y 5) minimizando al mismo tiempo<br />
el objetivo del control (fórmula 7) y<br />
satisfaciendo todas las condiciones<br />
restrictivas de control.<br />
Las distancias de transporte entre los<br />
puntos de adición de colorante y el<br />
emplazamiento del sensor de color se<br />
manifiestan normalmente como demoras<br />
de tiempo muerto para un sistema<br />
de control de realimentación de color.<br />
Todo punto de adición de colorante<br />
puede presentar también un comportamiento<br />
diferente de respuesta dinámica.<br />
Para adaptar las largas demoras<br />
de tiempo muerto y las múltiples respuestas<br />
dinámicas, se implementa un<br />
programa de control basado en un<br />
modelo multivariable.<br />
Compensación de control anticipativo<br />
El rendimiento de la máquina de papel<br />
puede variar como consecuencia<br />
de fluctuaciones en la consistencia de<br />
la pasta de papel, el caudal de la pasta<br />
y/o la velocidad de la máquina. Los<br />
flujos de colorante pueden variar también<br />
si varían la altura de impulsión<br />
de las bombas, las velocidades de<br />
control de medición o las consistencias<br />
de los colorantes. Para mantener<br />
los porcentajes de tintes en los niveles<br />
deseados, en necesario compensar todos<br />
estos cambios con un programa<br />
de control anticipativo. El control anticipado<br />
se integra con el control de<br />
realimentación, que ajusta los porcentajes<br />
de tinte para reducir las desvia-<br />
2 Corrección de desviaciones de color después de un cambio de tono 3 Control de color estable durante un largo período de tiempo<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
51
Control del color en tiempo real<br />
Sensores y control<br />
ciones de color. El control anticipativo<br />
para regular el color<br />
se calcula con la fórmula siguiente:<br />
δu a<br />
= (δu P) / (H p<br />
S s<br />
C c<br />
K) (8)<br />
Donde:<br />
δu a<br />
representa los cambios<br />
del punto de referencia<br />
deseado para las bombas<br />
o válvulas dosificadoras<br />
de tinte;<br />
P es la capacidad de producción<br />
de la máquina<br />
de papel;<br />
H p<br />
S s<br />
C c<br />
K<br />
es la altura de impulsión de la<br />
bomba dosificadora;<br />
es la velocidad del eje que impulsa<br />
las bombas dosificadoras;<br />
es la concentración de colorante,<br />
si está diluído;<br />
es una constante de conversión<br />
para correlacionar diferentes<br />
unidades.<br />
Aspectos de la aplicación del sistema<br />
de control de color<br />
Hay varios aspectos prácticos esenciales<br />
para la implementación de un<br />
sistema de control de color de bucle<br />
cerrado en aplicaciones de producción.<br />
Se trata de los siguientes aspectos:<br />
Gestión de la información de tonos<br />
prototipo y de dosificación<br />
Para que una máquina de papel pueda<br />
conseguir los tonos requeridos, en<br />
una base de datos se guardan prototipos<br />
de tonos apropiados. Estos prototipos<br />
se expresan como información<br />
de reflectancia, triestímulo, coordenadas<br />
de color y dosificación para los<br />
colorantes. El sistema automatizado<br />
de control de color recupera estos<br />
datos antes de efectuar un cambio de<br />
tono. La base de datos de tonos es<br />
crucial para la repetibilidad del tono.<br />
Las características de cada colorante<br />
se guardan también en una biblioteca<br />
de colorantes. Ambas bases de datos<br />
se usan también para obtener los<br />
modelos del proceso de coloración<br />
que implementa el sistema de control.<br />
Coordinación y ejecución de<br />
cambio de tonos<br />
La transición de cambio de tono es la<br />
operación más crítica en toda producción<br />
de color. Sin coordinación, los<br />
fabricantes de papel pueden generar<br />
4 Control de color reproducible y fiable<br />
%<br />
%<br />
5.00<br />
4.00<br />
3.00<br />
2.00<br />
1.00<br />
0.00<br />
-1.00<br />
-2.00<br />
-3.00<br />
-4.00<br />
-5.00<br />
ΔL, ΔA, ΔB<br />
ΔE<br />
14:54 15:00 15:06 15:12 15:18 15:2415:30 15:36 15:34 15:48<br />
10.00<br />
9.00<br />
8.00<br />
7.00<br />
6.00<br />
5.00<br />
4.00<br />
3.00<br />
2.00<br />
1.00<br />
0.00<br />
Tiempo<br />
fácilmente gran número de discontinuidades<br />
de color. Para coordinar un<br />
cambio de tono, se debe recuperar<br />
desde una base de datos la información<br />
del tono activo y del inmediato<br />
(preliminar) y visualizarla en una<br />
única pantalla de fácil uso para que<br />
los operadores examinen y efectúen<br />
ajustes antes de la ejecución de un<br />
cambio de tono.<br />
Interfaces hombre-máquina y<br />
visualización<br />
De acuerdo con las respuestas de gran<br />
número de fábricas de papel encuestadas,<br />
los operadores prefieren que<br />
toda la información del proceso, como<br />
las tendencias de color, gráficos<br />
de coordenadas a–b, punto de referencia<br />
y estado de las bombas, mensajes<br />
de alarma y puntos de entrada de<br />
operadores, aparezca visualizada en<br />
una pantalla. En 2 y 3 se muestran<br />
ejemplos de esta visualización.<br />
A primera vista, la visualización parece<br />
atestada de información. Sin embargo,<br />
una vez que el operador se familiariza<br />
con ella, esta pantalla se convierte en<br />
la interfaz principal que le permite<br />
gestionar todos los aspectos de la<br />
producción de color.<br />
Resultados de aplicaciones<br />
Un sistema de medición y de control<br />
de color como el descrito ha sido implementado<br />
e instalado en muchas<br />
máquinas de papel. El rendimiento de<br />
este sistema de control se pone de<br />
manifiesto en los resultados de los<br />
ejemplos siguientes:<br />
En 2 se ilustra un caso donde el control<br />
del color se activó después de un<br />
cambio de tono. Las desviaciones de<br />
color fueron corregidas rápidamente<br />
por el control, como se ve<br />
en las tendencias de color.<br />
La figura 3 muestra las tendencias<br />
de color de un proceso<br />
con y sin control automático<br />
de color. La estabilidad<br />
del color a largo plazo y<br />
la pequeña magnitud de las<br />
desviaciones de color ponen<br />
en evidencias las importantes<br />
mejoras conseguidas<br />
mediante el control.<br />
Estadística de resultados<br />
De acuerdo con las estadísticas<br />
de producción de máquinas controladas<br />
por el sistema descrito de<br />
control de color, el valor medio ΔE se<br />
redujo a menos de 0,5 para papel de<br />
tono oscuro y 0,1 para papel blanco<br />
o, lo que es lo mismo, se consiguió<br />
una reducción media de hasta el 70<br />
por ciento. El tiempo medio de cambio<br />
de tono se redujo desde más de<br />
40 minutos a menos de 20, es decir,<br />
más del 50 por ciento. La utilización<br />
de un sistema de control de color suele<br />
ser superior al 92 por ciento. Estos<br />
resultados se pueden mejorar aún más<br />
si el proceso y el controlador están<br />
ajustados con gran precisión.<br />
Satisfacción con el color<br />
El avanzado sistema de detección y<br />
control del color descrito en este artículo<br />
se basa en la experiencia de más<br />
de un cuarto de siglo y ya ha sido suministrado<br />
a destacados fabricantes de<br />
papel de todo el mundo. En todos los<br />
casos, este sofisticado producto ha<br />
permitido al fabricante elevar notablemente<br />
los niveles y la calidad de producción<br />
4 . En algunos casos se han<br />
registrado incrementos de producción<br />
mes tras mes. Las ventas de estos<br />
productos y la satisfacción de los<br />
clientes son muy elocuentes.<br />
Shih-Chin Chen<br />
<strong>ABB</strong> Automation Technologies<br />
Westerville, OH, USA<br />
shih-chin.chen@us.abb.com<br />
Anthony Byatt<br />
<strong>ABB</strong> Ltd.<br />
Dundalk, Ireland<br />
anthony.byatt@ie.abb.com<br />
52 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Sensores y control<br />
El corte más avanzado<br />
Eficiencia para el recorte de papel<br />
Iiro Harjunkoski, Simo Säynevirta<br />
Es un hecho bien conocido que el éxito de las operaciones complejas depende en gran medida<br />
de la posibilidad de planificarlas con antelación. Por eso, una buena parte del trabajo de gestión<br />
está destinado a planificar detalladamente las actividades industriales. Aunque las herramientas<br />
informáticas de planificación están lejos de ser competitivas frente a la flexibilidad analítica del<br />
cerebro humano, los ordenadores realizan determinadas tareas tan bien o mejor que las personas.<br />
En una fábrica de papel, las bobinas gigantes que salen de la máquina de papel se han de cortar<br />
en rollos más estrechos de acuerdo con los deseos de los clientes. Un operario humano que ha<br />
de encontrar la mejor manera de cortar la bobina necesita bastante tiempo para este trabajo y no<br />
tiene garantía alguna de haber encontrado la mejor solución, la que tiene menos pérdidas y asegura<br />
la calidad del producto. El problema es más complejo si además hay que desechar algunas<br />
zonas del papel por problemas de calidad. No existen dos tareas idénticas, las posibilidades son<br />
infinitas. <strong>ABB</strong> ofrece un paquete de software que determina la estrategia óptima de corte.<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong> 53
El corte más avanzado<br />
Sensores y control<br />
En muchos procesos industriales todavía<br />
existe un gran potencial de<br />
reducción de costes que espera ser<br />
explotado simplemente con mejores<br />
estrategias de planificación del tiempo<br />
y de las materias primas. En este artículo<br />
discutimos una estrategia avanzada<br />
de optimización que aúna la planificación<br />
off-line con la mejora de la<br />
calidad on-line. La solución considera<br />
los perfiles de calidad de la bobina<br />
gigante y las exigencias que han de<br />
satisfacer los rollos cortados de ésta.<br />
El resultado es una solución geométrica<br />
completa para este problema, el<br />
llamado problema ‘trim-loss’. Este<br />
método conduce a soluciones óptimas,<br />
o casi óptimas, y consigue grandes<br />
ahorros al abordar el problema de<br />
la pérdida de calidad, es decir, la pérdida<br />
económica causada por la degradación<br />
de la calidad del producto.<br />
Entre las ventajas de este método están<br />
la reducción del consumo de energía<br />
y de materias primas (costes y carga<br />
medioambiental), la mejora de la<br />
fiabilidad para responder a las demandas<br />
del cliente y el aumento de beneficios,<br />
gracias a una reducción general<br />
de los costes.<br />
1 Corte de la bobina gigante y problema de<br />
pérdidas por corte. ¿Cuál es la mejor forma<br />
de cortar una bobina gigante en rollos<br />
pequeños de dimensiones especificadas<br />
b i<br />
B max<br />
n ij<br />
= <br />
B max<br />
= anchura de la bobina gigante<br />
b i<br />
= anchura del rollo<br />
n ij<br />
= número de rollos i en el patrón j<br />
El corte de papel<br />
Una máquina de papel típica produce<br />
una lámina de diez metros de anchura<br />
a una velocidad de 120 km/h (o 33 m/s,<br />
es decir, papel suficiente para producir<br />
más de 5.200 hojas A4 por segundo).<br />
Con un gramaje típico de 80 g/m 2 , esta<br />
capacidad equivale a 97 toneladas por<br />
hora. La planificación de un proceso<br />
como éste afecta decisivamente al<br />
producto y a la eficiencia y rentabilidad<br />
del proceso. <strong>ABB</strong> ya ofrece un<br />
sistema completo de gestión, totalmente<br />
integrado, de la producción<br />
de papel, que cuenta con modernas<br />
herramientas de control de calidad<br />
(QCS 1) ) y de inspección óptica de la<br />
bobina (WIS). Además, el programa<br />
<strong>ABB</strong> de planificación de la producción<br />
está considerado a menudo como<br />
la mejor solución. Por consiguiente, es<br />
natural que <strong>ABB</strong> esté buscando métodos<br />
que hagan aún mejores y más<br />
económicas las soluciones existentes.<br />
Esto garantizará que el papel necesario<br />
se produce con la máxima eficiencia<br />
posible y reduciendo los costes de<br />
producción, además de reducir la carga<br />
medioambiental por medio de un<br />
consumo óptimo de la energía y de<br />
los materiales.<br />
El corte de estas ‘bobinas gigantes’ en<br />
otras más pequeñas tiene lugar en una<br />
bobinadora posconectada inmediatamente<br />
a la máquina de papel. El objetivo<br />
principal para reducir los problemas<br />
en la producción de papel es minimizar<br />
la pérdida de corte, es decir,<br />
el desperdicio que se produce cuando<br />
no se puede aprovechar toda la anchura<br />
de la bobina gigante para producir<br />
los rollos buscados. Por ejemplo,<br />
si se han de cortar rollos de<br />
1,5 metros de anchura de una bobina<br />
gigante de diez metros de anchura, se<br />
desperdiciará una banda de 1,0 metros<br />
de anchura (10% del total). El<br />
problema de intentar combinar varias<br />
anchuras de rollos para reducir las<br />
pérdidas se conoce comúnmente<br />
como problema de minimización de<br />
pérdidas por corte o papel sobrante.<br />
Para resolver este problema se identifican<br />
patrones de corte que se aplican<br />
a continuación con una guillotina que<br />
tiene las cuchillas en las posiciones<br />
deseadas 1 . Los dos objetivos más<br />
comunes del problema son los siguientes:<br />
Determinar una estrategia de corte<br />
que produzca las anchuras de rollos<br />
requeridas usando la menor cantidad<br />
posible de material, es decir,<br />
minimizando la pérdida por corte.<br />
Minimizar el número de patrones<br />
diferentes y ordenarlos en secuencia<br />
para evitar ajustes innecesarios de<br />
cuchillas y maximizar la eficiencia<br />
de la producción.<br />
El método adoptado para alcanzar estos<br />
objetivos, en ocasiones contradictorios,<br />
influye enormemente en la<br />
solución que finalmente se obtenga.<br />
Dado el amplio número de variables<br />
discretas, la optimización implica el<br />
uso de matemáticas complejas. A menudo<br />
existen millones de formas posibles<br />
de disponer en la bobina gigante<br />
los rollos buscados. Al analizarlas, enseguida<br />
se hace evidente que no hay<br />
ninguna forma práctica de probar todas<br />
las posibilidades, ni siquiera utilizando<br />
un superordenador. La magnitud<br />
del problema se desborda con el<br />
número de rollos, debido al gran número<br />
de estrategias posibles de corte.<br />
Aunque existen realmente muchos<br />
métodos heurísticos y matemáticos<br />
para resolver eficientemente un problema<br />
de este tipo, ninguno de ellos<br />
garantiza un resultado global óptimo.<br />
Entre estos métodos están la heurística<br />
de redondeo, los métodos de generación<br />
de columnas, la resolución parcial<br />
de problemas y otros algoritmos<br />
de tipo mochila 2) , por citar tan sólo<br />
algunos. Viendo este conjunto de<br />
métodos conocidos, podría parecer<br />
que el problema es resoluble. Pero,<br />
¿proporcionaría un método como éstos,<br />
por sí solo, resultados adecuados<br />
para el problema del corte de papel<br />
La calidad del papel<br />
En las modernas fábricas de papel,<br />
el problema de pérdidas por corte<br />
se resuelve habitualmente cuando se<br />
planifica la producción, mucho antes<br />
de fabricar realmente las bobinas<br />
gigantes.<br />
Esta planificación avanzada sería totalmente<br />
adecuada si se pudiera suponer<br />
que el papel presenta una calidad uniforme,<br />
es decir, es de óptima calidad<br />
de principio a fin. Desafortunadamente,<br />
eso no siempre es así, ya que pueden<br />
producirse variaciones de calidad.<br />
Durante el proceso de fabricación del<br />
papel se recoge con varios dispositivos<br />
de medición y exploración en línea<br />
gran cantidad de datos de calidad<br />
de acuerdo con diversos criterios,<br />
datos que luego se procesan y analizan<br />
detenidamente. Casi toda la información<br />
resultante está disponible<br />
poco después de haber finalizado la<br />
producción de la bobina gigante y<br />
antes de proceder al corte de la<br />
misma. En la figura 2 , las desviaciones<br />
de la calidad perseguida se representan<br />
por medio de colores.<br />
54 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
El corte más avanzado<br />
Sensores y control<br />
Al comparar la distribución<br />
real de la calidad con los<br />
patrones de corte planificados<br />
de una bobina gigante,<br />
el plan de corte predeterminado<br />
puede estar lejos del<br />
óptimo. Por ejemplo, los<br />
rollos más valiosos para los<br />
clientes pueden haber sido<br />
asignados a las peores posiciones<br />
en la bobina gigante.<br />
Si el papel se cortara de esta<br />
forma habría que rechazar<br />
esas secciones.<br />
Los antiguos métodos de<br />
modelación para la optimización<br />
del corte no soportaban<br />
la optimización basada<br />
en la calidad, ya que el problema<br />
estándar de la pérdida por corte<br />
no tenía en cuenta la posición<br />
exacta de cada rollo en un patrón.<br />
El problema se centraba simplemente<br />
en las cantidades totales a producir,<br />
es decir, en cuántos rollos de un tipo<br />
dado contenía cada patrón de corte.<br />
Un método matemático original<br />
de programación<br />
El sistema de control de calidad (QCS)<br />
realiza exploraciones continuas a lo<br />
largo de la bobina de papel y registra<br />
información sobre la calidad de la<br />
misma. Algunas propiedades como<br />
la humedad, el grosor y el brillo se<br />
miden muy frecuentemente: en sentido<br />
transversal generalmente cada<br />
10-50 mm y en el sentido de la máquina<br />
cada pocos centenares de metros,<br />
dependiendo de la velocidad de<br />
la máquina de papel y del tiempo que<br />
necesita el dispositivo de exploración<br />
para moverse a todo lo ancho del<br />
papel. En la práctica, esto significa<br />
que incluso una pequeña máquina de<br />
papel registrará miles de puntos de<br />
medición para cada criterio de calidad.<br />
2 Análisis de la calidad de una bobina gigante (Sistema CPM de <strong>ABB</strong>)<br />
Otra tecnología de <strong>ABB</strong> es el sistema<br />
imaging web de la bobina de papel<br />
(WIS). En este sistema, varias cámaras<br />
buscan todos los defectos visuales<br />
(agujeros, grietas, pliegues); las imágenes<br />
se analizan eficientemente con<br />
métodos basados en redes neuronales,<br />
lo que garantiza un proceso rápido y<br />
fiable de clasificación y determinación<br />
del tipo de defecto.<br />
Además de estos métodos en línea,<br />
que proporcionan información rápida<br />
y precisa, la calidad se analiza también<br />
fuera de línea en laboratorios.<br />
Esta verificación consume mucho más<br />
tiempo y, por tanto, es más adecuada<br />
para rastrear tendencias generales de<br />
la calidad que para observar las variaciones<br />
a corto plazo. La supervisión<br />
se basa en muestras seleccionadas y<br />
puede conducir al rechazo de una<br />
bobina gigante completa.<br />
Integrar estos aspectos de calidad en<br />
un modelo matemático estándar de la<br />
pérdida por corte aumentaría aún más<br />
su complejidad y llegaría a hacerlo<br />
irresoluble, ya que añadiría otras exigencias,<br />
no implementables, y muchas<br />
decisiones discretas. Se necesita un<br />
planteamiento alternativo de creación<br />
de modelos para conseguir una optimización<br />
del corte basada en la calidad.<br />
<strong>ABB</strong> ha desarrollado un original<br />
e ingenioso método matemático basado<br />
en la programación para el cálculo<br />
automático de una solución optimizada<br />
del problema de la pérdida por<br />
corte. El modelo asume un plan de<br />
corte existente y puede cubrir<br />
los diversos perfiles de calidad<br />
de una bobina gigante<br />
por medio de una representación<br />
geométrica al realizar un<br />
nuevo corte. Gobernado por<br />
requisitos de rendimiento<br />
muy estrictos, el modelo matemático<br />
en sí mismo es modular<br />
y en un primer enfoque<br />
considera un patrón (o conjunto)<br />
de corte cada vez. Un<br />
nuevo posicionamiento de los<br />
rollos en el conjunto tiene en<br />
cuenta la posición geométrica<br />
exacta, así como la información<br />
sobre la calidad en toda<br />
la anchura de la bobina. Un<br />
segundo enfoque examina toda<br />
la bobina gigante con el propósito<br />
de establecer del mejor modo posible<br />
una nueva secuencia de los patrones<br />
fijos de corte. Más tarde, estos dos enfoques<br />
se pueden combinar arbitrariamente<br />
con un algoritmo inteligente<br />
que también puede incluir patrones<br />
de todo el proceso de producción.<br />
También se tienen en cuenta implícitamente<br />
las zonas de rechazo y de<br />
empalme. Este planteamiento da como<br />
resultado soluciones óptimas o casi<br />
óptimas reduciendo significativamente<br />
la pérdida de calidad, es decir, la pérdida<br />
económica causada por la degradación<br />
de la calidad. Esto aumenta la<br />
rentabilidad de la producción y ofrece<br />
más fiabilidad a los clientes: un mejor<br />
enfoque de la gestión de la calidad<br />
aumenta la satisfacción del cliente.<br />
Dos pasos hacia el éxito<br />
Para hacer resoluble este importante<br />
y complejísimo problema, el nuevo<br />
planteamiento matemático incluye dos<br />
pasos principales. En el primero, la<br />
3 Dos métodos para encontrar la forma óptima de cortar la bobina gigante<br />
a Método discreto: el algoritmo explora<br />
el papel, la solución considerada sólo<br />
puede variar en pasos discretos.<br />
A A A A A A A A A A B B B B C C C C C<br />
b Método continuo: las dimensiones son<br />
infinitamente variables. Este método es<br />
mucho más difícil de optimizar que el<br />
método discreto de a .<br />
A B C<br />
3855 mm 1540 mm 2300 mm<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
55
El corte más avanzado<br />
Sensores y control<br />
bobina gigante se transforma en elementos<br />
discretos dividiéndola en ‘trozos’<br />
3a . La calidad de cada trozo se<br />
correlaciona con los requisitos de los<br />
clientes. El modelo de optimización<br />
resultante se basa en una clasificación<br />
de la calidad, por ejemplo calidad<br />
A, B o C. La calidad final de cada<br />
rollo se calcula combinando la correlación<br />
de calidades con los requisitos<br />
básicos del rollo de producto. Este<br />
método, basado en la división en elementos<br />
discretos, genera una buena<br />
aproximación a la solución óptima.<br />
La solución se perfecciona en un segundo<br />
paso, que aplica un método<br />
continuo y exacto, garantizando la<br />
viabilidad de la solución final. Esto<br />
permite también un suave ajuste del<br />
borde de cada conjunto. El método<br />
continuo se basa en dividir la bobina<br />
gigante en zonas de calidad continua,<br />
o sectores, de acuerdo con las diversas<br />
clasificaciones de la calidad 3b de<br />
cada rollo. Cada sector se asocia a su<br />
respectiva calidad (de nuevo: A, B, C).<br />
Análogamente al primer paso, el cálculo<br />
combina la correlación de la calidad<br />
con ciertos parámetros básicos<br />
del rollo de producto. El resultado de<br />
este paso es una estrategia óptima<br />
que tiene en cuenta la distribución de<br />
la calidad en la bobina gigante.<br />
Ninguna de estas dos estrategias puede<br />
tratar problemas muy complejos de<br />
forma exacta y eficiente, pero este<br />
método de dos pasos es robusto y<br />
eficaz. Este planteamiento permite<br />
evitar la naturaleza no convergente<br />
del problema y garantiza rápidamente<br />
una solución casi óptima.<br />
tecnologías robustas y probadas. Los<br />
modelos matemáticos tienen ciertas<br />
similitudes con la programación de la<br />
producción, ya que ambos incluyen<br />
decisiones lógicas esenciales. En la<br />
programación, el horizonte temporal<br />
se discretiza mediante un número fijo<br />
de puntos de cuadrícula que se asignan<br />
a trabajos por medio de variables<br />
binarias. En el contexto de optimización<br />
del recorte de papel, la anchura<br />
o la longitud de la bobina gigante<br />
ocupa el lugar de la variable del<br />
tiempo.<br />
Centrémonos en el nuevo corte de un<br />
conjunto y supongamos que un rollo<br />
se representa con un índice r y cada<br />
‘trozo’ discreto con un índice j. Entonces,<br />
la variable binaria (cero-uno) xd rj<br />
toma el valor uno en la posición de la<br />
bobina gigante j, en la que comienza<br />
el rollo r (borde izquierdo). Para realizar<br />
una optimización que maximice el<br />
valor total de un conjunto de corte se<br />
requiere también un coeficiente de<br />
costes, c rj<br />
, que indica el valor del rollo<br />
en la posición dada. La función objetivo<br />
es muy sencilla, ha de definir las<br />
posiciones de rollos r que maximicen<br />
el valor total de un conjunto de corte.<br />
Esto se expresa en la ecuación (1)<br />
siguiente:<br />
max Σ c rj<br />
× xd rj<br />
r, j<br />
xd rj<br />
∈{0,1}<br />
(1)<br />
Para que todo esté definido matemáticamente<br />
de forma correcta, se introducen<br />
ecuaciones que garantizan el<br />
no solapamiento de los rollos y que<br />
cada rollo se fabrique exactamente<br />
cuando corresponde. Tales ecuaciones<br />
pueden parecer triviales, pero en ocasiones<br />
resultan ser bastante complejas.<br />
El problema discretizado da como resultado<br />
un plan de corte óptimo con<br />
respecto a una densidad de cuadrículas<br />
elegida. Para bobinas gigantes con<br />
anchuras típicas de hasta 10.000 mm,<br />
una cuadrícula fina (1 mm) haría irresoluble<br />
la magnitud del problema.<br />
Por consiguiente, se selecciona una<br />
cuadrícula más gruesa (10-20 mm).<br />
En este caso, las anchuras de los rollos<br />
se han de redondear por defecto<br />
para mantener la viabilidad del problema<br />
(por ejemplo, 578 mm se convierten<br />
en 570 mm cuando se usa una<br />
cuadrícula de 10 mm). Estos errores<br />
de redondeo se corrigen en un paso<br />
continuo consecutivo.<br />
El paso continuo se asemeja también<br />
a algunas estrategias de planificación,<br />
ya que divide la bobina gigante en espacios<br />
pequeños (slots). Estos slots se<br />
ordenan de izquierda a derecha, y los<br />
bordes entre ellos son continuamente<br />
variables, es decir, pueden adaptarse<br />
a las respectivas anchuras de rollos de<br />
clientes. A cada rollo se la asigna<br />
exactamente un slot y un sector de<br />
calidad utilizando variables binarias.<br />
4 Componentes de aplicación cruzada, al buscar un óptimo global se han<br />
de considerar muchos factores distintos.<br />
Matemáticas ocultas<br />
El usuario no tiene que ocuparse de<br />
las matemáticas o algoritmos subyacentes<br />
al sistema. La funcionalidad<br />
puede integrarse completamente en el<br />
entorno existente; la solución trabajará<br />
silenciosamente en la sombra,<br />
simplemente generando ventajas para<br />
los clientes. No obstante, a continuación<br />
examinamos algunas características<br />
principales del sistema para aquellos<br />
lectores interesados en mirar<br />
detrás del escenario.<br />
El planteamiento comprende la resolución<br />
de programas lineales de números<br />
enteros mixtos (MILP) dentro<br />
de algoritmos especializados y utiliza<br />
Laboratorio<br />
Gestión de calidad<br />
Web<br />
imaging<br />
Especificación de<br />
corte y de producto<br />
Organización bobina/datos del pedido<br />
Modelo y algoritmo matemático<br />
56 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
El corte más avanzado<br />
Sensores y control<br />
En las ecuaciones (2)-(5), los slots se<br />
indican con la variable n y los sectores<br />
con s. Así pues, una variable binaria<br />
x rn<br />
toma el valor uno sólo si el<br />
rollo r está asignado al slot n. Análogamente,<br />
la variable x rs<br />
indica que el<br />
rollo r está situado en el sector de calidad<br />
s. W r<br />
indica la anchura del rollo,<br />
r r<br />
start<br />
la posición del borde izquierdo<br />
de un rollo, W n<br />
B<br />
y W n<br />
E<br />
las posiciones<br />
inicial y final de un slot y, finalmente,<br />
S s<br />
B<br />
y S s<br />
E<br />
las posiciones inicial y final<br />
de los sectores.<br />
5 Métodos de optimización<br />
a Ajuste de un conjunto<br />
b Cambio de la secuencia de conjuntos<br />
Rollos de papel fuera de la máquina,<br />
listos para embalar<br />
W E<br />
n = W B n + Σ x rn . W r<br />
r<br />
r r<br />
start<br />
= W B n if x rn = 1<br />
Σ x rs<br />
= 1<br />
s r<br />
S B ≤ r start<br />
≤ S E if x = 1<br />
s r<br />
s rs<br />
x rn<br />
, x rs ∈{0,1}<br />
(2)<br />
(3)<br />
(4)<br />
(5)<br />
En resumen, la ecuación (2) ajusta la<br />
anchura de un slot de acuerdo con el<br />
rollo que se le ha asignado. El slot debe<br />
empezar exactamente en el borde<br />
izquierdo del rollo, condición impuesta<br />
en la ecuación (3). El hecho de que<br />
un rollo sólo pueda pertenecer a un<br />
sector de calidad se expresa en la<br />
ecuación (4), y finalmente el rollo ha<br />
de estar situado dentro de este sector,<br />
condición indicada por la ecuación<br />
(5). Éstas son tan sólo algunas limitaciones<br />
básicas del problema que ilustran<br />
algunas de las principales dependencias<br />
matemáticas y lógicas.<br />
Un algoritmo inteligente<br />
puede reducer al mínimo<br />
físico las pérdidas de<br />
calidad. Esto garantiza<br />
que la planificación tiene<br />
en cuenta todos los datos<br />
de calidad conocidos.<br />
Un algoritmo para integrar todos los<br />
componentes<br />
Los componentes discutidos hasta<br />
ahora se visualizan en 4 . Más importante<br />
que dominar los detalles matemáticos<br />
del modelo es comprender<br />
cómo ensamblar los elementos para<br />
formar un concepto robusto y uniforme.<br />
Para ilustrar esto vamos a ver de<br />
nuevo el problema original. Los aspectos<br />
del modelado matemático antes<br />
expuestos, combinados con el<br />
planteamiento de dos pasos, permiten<br />
encontrar una solución del problema<br />
de recorte eficiente y basada en la<br />
calidad. La estrategia resultante se<br />
puede aplicar de varias formas: la<br />
reorganización se puede ejecutar con<br />
un conjunto cada vez 5a , o cambiando<br />
la secuencia de conjuntos en una bobina<br />
gigante 5b .<br />
En el caso anterior (enfocado a un<br />
conjunto de corte planificado), el conjunto<br />
se ajusta de modo que los rollos<br />
se reposicionan para maximizar el valor<br />
total (rendimiento de la calidad),<br />
minimizando, por tanto, el efecto de<br />
las desviaciones de la calidad. Un<br />
ejemplo simplificado sería situar el<br />
rollo más valioso en una buena zona.<br />
En 5a , el color rojo indica que se debe<br />
rechazar el rollo y el color amarillo<br />
indica la existencia de desviaciones<br />
de la calidad poco importantes<br />
(calidad B).<br />
La misma técnica podría utilizarse<br />
también para reordenar la secuencia<br />
de los conjuntos en una bobina gigante<br />
5b . Como consecuencia del principio<br />
anterior, combinando la información<br />
sobre la distribución de la calidad<br />
con el plan de corte de la bobina<br />
gigante se puede mejorar el rendimiento<br />
de la calidad. Esto se consigue<br />
situando los conjuntos en aquellas<br />
posiciones donde el valor total es<br />
máximo.<br />
Un algoritmo inteligente que resuelva<br />
estos dos problemas en una secuencia<br />
dada puede reducir las pérdidas de<br />
calidad a un mínimo físico. Esto<br />
garantiza que la planificación actual<br />
tiene en cuenta todos los datos de<br />
calidad conocidos. También se pueden<br />
implementar en la solución zonas<br />
de empalme y rechazo automáticos de<br />
la bobina gigante en sentido transversal,<br />
además de considerar patrones de<br />
todo el proceso de producción. Como<br />
conclusión, la aplicación cruzada entre<br />
planificación de la producción y<br />
gestión de la calidad ofrece posibilidades<br />
adicionales para hacer más<br />
atractiva la producción, tanto desde el<br />
punto de vista económico como<br />
medioambiental.<br />
Un ejemplo ilustrativo<br />
Seguidamente se discute un ejemplo<br />
simplificado. Se supone un conjunto<br />
de corte con las anchuras de rollos<br />
del Cuadro de la página 58.<br />
La bobina gigante del ejemplo tiene<br />
una anchura de corte de 8.000 mm.<br />
La suma de las anchuras de los rollos<br />
a cortar es 7.915 mm, lo que origina<br />
una pérdida por corte de 85 mm.<br />
En este ejemplo, se supone que cada<br />
rollo tiene exactamente los mismos<br />
requisitos de calidad. Por consiguiente,<br />
el ejemplo se puede simplificar<br />
dividiendo directamente la bobina<br />
gigante en varias zonas de calidad.<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
57
El corte más avanzado<br />
Sensores y control<br />
6 Esquema de calidad de la bobina<br />
a El problema<br />
8000<br />
1700 2345 1985 760<br />
A<br />
B A B A<br />
b El conjunto de corte resultante (calidades: A = blanco, B = amarillo, C = rojo)<br />
cultura general de planificación y<br />
reforzar la capacidad de identificar y<br />
analizar la eficiencia de la producción<br />
respecto de la calidad.<br />
El objetivo principal en<br />
los problemas de corte es<br />
minimizar el desperdicio<br />
que se produce cuando<br />
no se puede aprovechar<br />
toda la anchura de la<br />
bobina gigante para producir<br />
los rollos buscados.<br />
5<br />
770<br />
Cuadro Datos para el problema ejemplo (anchuras de rollo)<br />
Rollo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10<br />
Anchura (mm) 1790 1100 825 485 770 750 650 580 580 385<br />
Si un rollo comprende varias zonas de<br />
calidad, se valora de acuerdo con la<br />
calidad peor. A efectos de ilustración<br />
se muestra una distribución de la calidad<br />
en 6a , donde ésta se divide en<br />
calidades A, B y C. Para los problemas<br />
de optimización indicados más abajo,<br />
el valor de cada rollo se calcula a partir<br />
de los supuestos siguientes: longitud<br />
del conjunto = 5.896 m, peso del<br />
papel = 80 g/m 2 , precio = 500 D/tonelada,<br />
calidad A (calidad completa) =<br />
Notación<br />
10 1 9 8 7 4 3 2 6<br />
385 1790 580 580 650 485 825 1100 750<br />
xd rj<br />
= 1, si el rollo r comienza en el punto<br />
de cuadrícula j<br />
c rj<br />
= valor del rollo r en el punto de cuadrícula j<br />
x rm<br />
= 1, si el rollo r está asignado al slot n<br />
x rs<br />
= 1, si el rollo r está situado en el sector s<br />
start<br />
r r<br />
= borde izquierdo del rollo r<br />
W r<br />
= anchura del rollo r<br />
B<br />
W n<br />
= comienzo (borde izquierdo) del slot n<br />
E<br />
W n<br />
= final (borde derecho) del slot n<br />
B<br />
S s<br />
= comienzo (borde izquierdo) del sector<br />
de calidad s<br />
E<br />
S s<br />
= final (borde derecho) del sector<br />
de calidad s<br />
100 por ciento del precio, calidad B<br />
(defectos poco importantes) = 70 por<br />
ciento del precio y calidad C (rechazada)<br />
= 0 por ciento del precio.<br />
Sin optimización, simplemente ordenando<br />
los rollos en el conjunto como<br />
se indica en el Cuadro , resultaría un<br />
beneficio total de 1.236 D. El algoritmo<br />
de recorte basado en la calidad halla<br />
una solución de 1.427 D 6b , que representa<br />
una mejora en torno al 15 por<br />
ciento. La eficiencia de la optimización<br />
se puede ajustar y siempre hay<br />
una alternativa entre calidad y eficiencia<br />
de la solución. Sin embargo, la<br />
estrategia combinada proporciona un<br />
buen resultado en un tiempo razonable.<br />
Eliminación de pérdidas<br />
La solución discutida no eliminará los<br />
problemas de calidad pero minimizará<br />
sus efectos garantizando que la planificación<br />
esté siempre orientada hacia<br />
la opción más rentable, aprovechando<br />
al máximo la calidad real dada. Además,<br />
un mejor conocimiento de la<br />
calidad también permite mejorar la<br />
Menor pérdida de calidad significa:<br />
menores tiempos de producción<br />
menos reciclaje de rollos rechazados<br />
menor consumo de energía y materias<br />
primas<br />
mayor compromiso con los requisitos<br />
de calidad del cliente<br />
fechas de entrega más fiables<br />
mínimo impacto medioambiental<br />
menores costes totales de producción<br />
menos reclamaciones por falta de<br />
calidad<br />
más satisfacción del cliente<br />
Estos aspectos pueden parecer triviales,<br />
pero, en realidad, la solución<br />
propuesta contribuye a integrar este<br />
punto de vista en el pensamiento de<br />
operación de cada día.<br />
Iiro Harjunkoski<br />
<strong>ABB</strong> Corporate Research<br />
Ladenburg, Alemania<br />
iiro.harjunkoski@de.abb.com<br />
Simo Säynevirta<br />
<strong>ABB</strong> Process Industries<br />
Helsinki, Finlandia<br />
simo.saynevirta@fi.abb.com<br />
Notas<br />
1)<br />
QCS: Sistema de Control de Calidad<br />
2)<br />
El problema de la mochila es una tarea de optimización<br />
combinatoria, cuyo objetivo es identificar el<br />
subconjunto de un determinado conjunto de objetos<br />
de modo que la suma de sus valores esté lo<br />
más cerca posible de un límite dado, sin superarlo.<br />
El nombre proviene de un caso en el que hay que<br />
colocar el mayor número posible de objetos dentro<br />
de una mochila de tamaño limitado.<br />
58 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Sensores y control<br />
Rentabilidad del cemento<br />
Hacia la optimización total de las plantas industriales de minerales y cemento<br />
Dario Castagnoli, Michelle Kiener, Eduardo Gallestey<br />
La creciente competencia y el encarecimiento de los recursos están<br />
minando los márgenes de beneficio de muchas industrias de procesos<br />
de transformación. Estas industrias han de optimizarse para<br />
sobrevivir, pero la constante modernización de los procesos conlleva<br />
sus propios problemas para los operarios. Las herramientas de<br />
control de automatización pueden reducir estos problemas y ya se<br />
dispone de soluciones gracias a los avanzados algoritmos y a los<br />
superpotentes ordenadores de hoy día. <strong>ABB</strong> ha desarrollado Expert<br />
Optimizer V5, un sistema informatizado diseñado para controlar,<br />
estabilizar y optimizar procesos industriales. El sistema, que ha<br />
demostrado ser muy eficiente, se utiliza actualmente realizando<br />
procesos industriales en más de 300 instalaciones de referencia.<br />
En respuesta a la creciente demanda<br />
de eficiencia en los procesos<br />
industriales, <strong>ABB</strong> ha aprovechado los<br />
últimos avances en algoritmos matemáticos<br />
y en potencia de cálculo<br />
informático para crear una versátil<br />
herramienta de ingeniería capaz de<br />
combinar las necesidades de una<br />
óptima planificación de la producción<br />
con las del control avanzado clásico<br />
de procesos. Para garantizar el éxito<br />
comercial de esta herramienta y<br />
proporcionar a <strong>ABB</strong> una ventaja<br />
competitiva, se han integrado las<br />
características siguientes:<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
59
Rentabilidad del cemento<br />
Sensores y control<br />
Compatibilidad total con todas las<br />
técnicas modernas de optimización;<br />
Suficiente flexibilidad para gestionar<br />
aplicaciones en diversas industrias<br />
con diferentes objetivos;<br />
Facilidad de operación, para permitir<br />
su uso por usuarios no especialistas;<br />
Modularidad, capacidad de reutilización<br />
y escalabilidad para acelerar<br />
el desarrollo<br />
Expert Optimizer v5 con caja de<br />
herramientas de Sistemas Híbridos<br />
Expert Optimizer es un sistema informatizado<br />
diseñado para controlar,<br />
estabilizar y optimizar procesos industriales.<br />
Consigue sus objetivos con la<br />
más moderna tecnología de control,<br />
garantizando en todo momento la<br />
ejecución de las mejores acciones<br />
posibles de manera precisa, incansable<br />
y coherente. Sus éxitos comerciales se<br />
reflejan en más de 300 instalaciones<br />
de referencia en todo el mundo.<br />
La visión de <strong>ABB</strong>, integrar en un producto<br />
todas las funciones necesarias<br />
para satisfacer las más diversas necesidades<br />
comerciales de soluciones<br />
de optimización, ha llevado<br />
al desarrollo de Expert<br />
Optimizer. La unidad de <strong>ABB</strong>,<br />
Minerals – Automation & IT<br />
Solutions, ha colaborado estrechamente<br />
con el grupo de<br />
Control y Optimización de<br />
<strong>ABB</strong> Swiss Corporate Research.<br />
En 2004 se empezó a desarrollar<br />
una nueva funcionalidad<br />
basada en modelos sin<br />
perder de vista los requisitos<br />
comerciales y tecnológicos ya<br />
mencionados.<br />
Técnicas matemáticas<br />
El entorno del nuevo Expert<br />
Optimizer, conocido como<br />
Herramienta de Sistemas Híbridos<br />
o HST (Hybrid Systems<br />
Toolbox) 1 , se basa en modelos<br />
y adopta el tipo de modelación<br />
MLD (Mixed Logical<br />
Dynamical) [1]. Recientemente<br />
se han desarrollado sistemas<br />
MLD en el Laboratorio de<br />
Control Automático de las<br />
Escuela Politécnica Federal<br />
Suiza de Zürich (ETH), que<br />
colabora estratégicamente con<br />
<strong>ABB</strong> desde el año 2000 [2].<br />
Los sistemas MLD generalizan un amplio<br />
conjunto de modelos, sistemas híbridos<br />
entre ellos, en los que interaccionan<br />
procesos discretos y continuos.<br />
En 2 se presenta un sistema MLD simple<br />
en el optimizador Expert.<br />
Un buen ejemplo de sistema híbrido<br />
es un termostato electrónico, en el<br />
cual la temperatura, una magnitud<br />
física, se modela como variable continua,<br />
mientras que el estado del interruptor<br />
del calefactor (on/off) se<br />
modela como variable discreta. La<br />
capacidad de modelar sistemas híbridos<br />
amplía notablemente el campo de<br />
aplicabilidad de Expert Optimizer (los<br />
sistemas híbridos son muy frecuentes<br />
en la industria de procesos de transformación).<br />
Además, a diferencia de<br />
los modelos industriales estándar, los<br />
sistemas MLD pueden modelar limitaciones<br />
tales como las relaciones lógicas<br />
del tipo ‘si la unidad Uno está<br />
activada, la unidad Dos ha de estar<br />
desactivada’ y limitaciones de producción<br />
como ‘o no hay producción o la<br />
producción ha de estar entre un mínimo<br />
y un máximo’. Por último, aunque<br />
1 Esquema de caja de herramientas para sistemas híbridos<br />
Modelo<br />
del proceso<br />
MLD<br />
Librerías<br />
Solucionador<br />
Arrastrar<br />
y soltar<br />
Optimización<br />
Solucionadores MILP<br />
2 Un sistema MLD simple en Expert Optimizer<br />
Modelo de la planta<br />
Simulación<br />
y visualización<br />
no en importancia, los sistemas MLD<br />
manejan modelos matemáticos lineales<br />
en el nivel de componentes. Esta<br />
es una buena alternativa entre la gran<br />
complejidad general de los modelos<br />
no lineales y la facilidad de uso de la<br />
teoría lineal.<br />
Entre las ventajas del marco MLD está<br />
la existencia de un método estandarizado<br />
para manejar el control predictivo<br />
de modelos (MPC), una técnica<br />
óptima de control muy conocida. La<br />
combinación de MLD y MPC proporciona<br />
la solución a problemas de<br />
optimización a gran escala, donde se<br />
minimiza un índice de costes-ingresos<br />
(función de costes) para un horizonte<br />
de predicción dado, cumpliendo al<br />
mismo tiempo las limitaciones de operación.<br />
Dependiendo de los requisitos<br />
se puede aplicar el mismo marco como<br />
una herramienta de toma de decisiones<br />
(programación), de bucle<br />
abierto, o como una herramienta de<br />
rechazo de perturbaciones (reprogramación),<br />
de bucle cerrado [3].<br />
Flexibilidad de modelación, tiempos<br />
de computación aceptables y óptimo<br />
rechazo de perturbaciones<br />
son las ventajas fundamentales<br />
del método.<br />
Datos<br />
DB<br />
Concepto de implantación<br />
El inconveniente del método<br />
MLD-MPC, como ocurre con<br />
otras técnicas basadas en<br />
modelos, es la gran complejidad<br />
de la teoría, que hace<br />
difícil modelar y mantener<br />
sistemas industriales complejos.<br />
Un objetivo principal del<br />
desarrollo del nuevo Expert<br />
Optimizer era hacer accesible<br />
la metodología MLD-<br />
MPC a usuarios no especialistas,<br />
con la idea de conseguir<br />
un estándar para proyectos<br />
de optimización basados<br />
en modelos, tanto en<br />
<strong>ABB</strong> como para los clientes.<br />
Consideremos un proceso<br />
traducible en componentes<br />
menores. Una central<br />
hidroeléctrica, por ejemplo,<br />
podría dividirse en el embalse,<br />
la presa, la turbina, el<br />
generador, la red, etc. La<br />
idea es modelar cada parte<br />
independientemente de las<br />
otras en el marco MLD y re-<br />
60 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Rentabilidad del cemento<br />
Sensores y control<br />
presentarla gráficamente como bloque<br />
que almacena las limitaciones y la dinámica<br />
del modelo; sus puertos de<br />
entrada y salida corresponden a las<br />
entradas y salidas del modelo MLD. A<br />
continuación, el modelo del proceso<br />
completo se obtiene gráficamente conectando<br />
los puertos de entrada/salida<br />
de los diversos bloques. La siguiente<br />
innovación es representar la<br />
función de costes que define el problema<br />
de control óptimo como un<br />
segundo bloque gráfico MLD. En el<br />
ejemplo de la central hidroeléctrica, el<br />
objetivo podría ser maximizar los beneficios<br />
obtenidos de la venta de electricidad.<br />
La salida del bloque del generador,<br />
que representa la energía<br />
producida, debe estar relacionada con<br />
el bloque de la función de costes,<br />
donde podrían almacenarse las diferentes<br />
tarifas horarias de electricidad.<br />
Merece la pena destacar que cada bloque,<br />
inclusive la función de costes, es<br />
un sistema genérico MLD. El resultado<br />
es una flexibilidad completa para la<br />
creación de modelos.<br />
La modularidad de este enfoque simplifica<br />
la fase de modelación y facilita<br />
el diseño, modificación y mantenimiento<br />
de los modelos. También<br />
permite crear bibliotecas de bloques<br />
estándar, que se pueden reutilizar en<br />
otros procesos sin más que arrastrarlos<br />
y bajarlos desde una biblioteca 3 .<br />
Una vez que el usuario ha creado el<br />
modelo de planta, los complejos<br />
procedimientos de combinación de<br />
bloques del modelo MLD y la formulación<br />
y solución del problema de<br />
control óptimo se ejecutan automáticamente<br />
en la sombra, invisibles<br />
para el usuario. Éste sólo ha de<br />
preocuparse de conectar bloques de<br />
la biblioteca o, en caso de nuevas<br />
aplicaciones, desarrollar nuevos<br />
bloques básicos.<br />
Estas características hacen que la<br />
implantación de nuevas aplicaciones<br />
robustas sea más rápida que nunca.<br />
Un trabajo que hasta ahora requería<br />
varios meses, con Expert Optimizer v5<br />
se realiza en unas pocas semanas.<br />
Innovación continua<br />
Los científicos del centro suizo <strong>ABB</strong><br />
Corporate Research han contribuido<br />
activamente a desarrollar y perfeccionar<br />
nuevas funciones de control y<br />
planificación avanzados en el marco<br />
MLD-MPC. La participación de este<br />
centro y las estrechas relaciones con<br />
el mundo académico garantizan que<br />
Expert Optimizer se mantenga al día<br />
con las últimas innovaciones.<br />
Nuevas aplicaciones típicas<br />
Desde que se dispone de las nuevas<br />
capacidades de optimización basadas<br />
en modelos ya se han instalado varios<br />
proyectos Expert Optimizer en distintos<br />
campos, con excelentes resultados.<br />
Los más significativos trabajan en<br />
el control de procesos de bucle cerrado<br />
(mezcla de materias primas, control<br />
de molinos e instalaciones de<br />
precalcinación), en la planificación y<br />
programación de la producción (programación<br />
de molinos de trituración<br />
de cemento, programación de producción<br />
de dióxido de titanio y distribución<br />
de agua) y en la optimización<br />
económica de procesos (gestión de<br />
combustibles alternativos y optimización<br />
de centrales térmicas).<br />
Dosificación de mezcla original<br />
El módulo Raw Mix Proportioning<br />
(dosificación de mezcla original) de<br />
Expert Optimizer aplica nuevas capacidades<br />
basadas en modelos para<br />
ayudar a los fabricantes de cemento a<br />
mejorar la calidad de sus mezclas originales<br />
de materias primas y, por<br />
consiguiente, ahorrar dinero en las<br />
siguientes fases de proceso. La mezcla<br />
de los componentes se basa en varias<br />
importantes decisiones con gran impacto<br />
en las fases de proceso posteriores.<br />
La corrección posterior de las<br />
desviaciones de calidad en la mezcla<br />
es costosa y provoca pérdidas de<br />
producción y un mayor consumo de<br />
energía.<br />
El módulo de dosificación aplica sistemas<br />
MPC y MLD, que permiten hacer<br />
predicciones sobre el proceso y la<br />
química del mismo. Para ello, el modelo<br />
predice la calidad del producto<br />
a la salida del molino y/o de los silos.<br />
A partir de la información de los analizadores<br />
en línea y/o de toma de<br />
muestras, el modelo compara las predicciones<br />
con los objetivos de optimización<br />
de coste y calidad. A continua<br />
ción se selecciona una serie de óptimos<br />
‘movimientos’, actuales y futuros,<br />
y se aplica la decisión. Finalmente, los<br />
efectos de la imprevisibilidad y de la<br />
dinámica del proceso son absorbidos<br />
y suministrados al modelo para refinar<br />
las predicciones y decisiones. Véase<br />
en 4 una pantalla de este modelo de<br />
Expert Optimizer.<br />
La toma de decisiones mirando hacia<br />
el futuro, y no hacia el pasado, tiene<br />
varias ventajas:<br />
óptimo balance entre objetivos de<br />
calidad y coste de los materiales<br />
amortiguación temprana de perturbaciones<br />
a medio y largo plazo<br />
satisfacción de las condiciones para<br />
el uso maximizado de combustibles<br />
alternativos<br />
compensación de los retrasos de las<br />
cintas transportadoras<br />
gestión completa de la dinámica del<br />
proceso<br />
minimización de movimientos de<br />
alimentadores<br />
El módulo de dosificación de la mezcla<br />
original no es una ‘caja negra’; el<br />
cliente puede modificar las prioridades<br />
y la ponderación de varios parámetros<br />
sin necesidad de intervención<br />
de la ingeniería de <strong>ABB</strong>.<br />
Programación de la instalación<br />
trituradora<br />
El proceso de trituración final en la<br />
producción de cemento y el transporte<br />
de los cementos de diversas calidades<br />
a los correspondientes silos depende<br />
de la cuidadosa programación<br />
del molino. Utilizando las previsiones<br />
de pedidos de clientes y del precio de<br />
la energía, Expert Optimizer puede<br />
contribuir en este caso ejecutando iteraciones<br />
MPC periódicas, de modo<br />
que su salida sirve como programa de<br />
referencia para el funcionamiento de<br />
los molinos 5 . Aquí, la función de<br />
costes representa los costes asociados<br />
al consumo de electricidad y a la cantidad<br />
producida de cemento de baja<br />
calidad (cemento producido durante<br />
el cambio de una calidad a otra). El<br />
3 Biblioteca de bloques MLD (Atomic Mixed<br />
Logic Dynamical)<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
61
Rentabilidad del cemento<br />
Sensores y control<br />
coste de electricidad se reduce<br />
asignando la producción<br />
a los períodos de baja<br />
tarifa eléctrica y gestionando<br />
los molinos para que no se<br />
excedan los umbrales contratados<br />
de máxima potencia<br />
eléctrica. La producción de<br />
cemento de baja calidad se<br />
minimiza reduciendo el número<br />
de cambios en la producción.<br />
Obsérvese que este ‘problema<br />
de control’ está relacionado<br />
más estrechamente con<br />
la optimización económica<br />
del proceso que con el control<br />
regulador: trata de explotar<br />
grados de libertad<br />
para aumentar la rentabilidad<br />
de la instalación.<br />
4 Estrategia de proporciones de mezcla<br />
5 Programación de la instalación trituradora<br />
componentes reutilizables.<br />
Las decisiones acerca de qué funciones<br />
son necesarias para desarrollar<br />
una solución dependen del grado de<br />
conocimientos disponibles y de la<br />
comprensión del proceso. Gracias a la<br />
gran experiencia de sus ingenieros de<br />
procesos, <strong>ABB</strong> puede desarrollar el<br />
modelo y la estrategia de control necesarios<br />
para optimizar el proceso dinámico;<br />
no obstante, los usuarios finales<br />
seguirán teniendo la opción<br />
de registrar sus propios<br />
conocimientos del proceso. La<br />
facilidad de uso de Expert<br />
Optimizer v5 y la amplia formación<br />
y el soporte de <strong>ABB</strong>,<br />
pueden ayudar a los usuarios<br />
finales a desarrollar e implementar<br />
más rápidamente su<br />
propia aplicación.<br />
La metodología desarrollada<br />
permitirá a un propietario explotar<br />
el activo de forma rentable<br />
y respetuosa con el medio<br />
ambiente. Gracias a esta<br />
herramienta <strong>ABB</strong>, el ingeniero<br />
de control está en condiciones<br />
de combinar estrategias<br />
de teoría de control óptimo<br />
con modelos econométricos<br />
de activos industriales.<br />
Conclusiones<br />
Este trabajo de investigación<br />
y desarrollo ha dado resultados<br />
excelentes: veinte años<br />
de experiencia en la industria<br />
de procesos de transformación<br />
con conocimientos<br />
de técnicas acreditadas de<br />
control, como lógica difusa,<br />
control basado en normas y<br />
Neuro-Fuzzy, se combinan<br />
ahora con las más modernas<br />
técnicas de optimización basadas<br />
en modelos. Ahora es<br />
posible abordar con un solo<br />
producto aplicaciones complejas,<br />
reales, en los campos<br />
del control de procesos de<br />
bucle cerrado, del soporte<br />
de decisiones de bucle abierto, como<br />
la planificación y programación avanzadas<br />
de la producción, y la optimización<br />
económica. Las capacidades de<br />
modelación, optimización y simulación<br />
son accesibles con la interfaz<br />
gráfica de Expert Optimizer. La complejidad<br />
es invisible para el usuario,<br />
cuya única tarea es modelar el proceso.<br />
La flexibilidad se garantiza con la<br />
estructura modular y las bibliotecas de<br />
Los resultados descritos en este<br />
artículo son fruto de la colaboración<br />
a largo plazo entre<br />
<strong>ABB</strong> Minerals y <strong>ABB</strong> Corporate<br />
Research en el programa<br />
Control y Optimización, un<br />
claro ejemplo de las ventajas<br />
que resultan de unas estrechas<br />
relaciones entre la industria<br />
y los programas de<br />
investigación.<br />
Dario Castagnoli<br />
Michelle Kiener<br />
Eduardo Gallestey<br />
<strong>ABB</strong> Corporate Research,<br />
Baden-Dättwil, Suiza<br />
dario.castagnoli@ch.abb.com<br />
michelle.kiener@ch.abb.com<br />
eduardo.gallestey@ch.abb.com<br />
Bibliografía<br />
[1] Bemporad, A. and Morari, M. (1999). Control of Systems Integrating Logic, Dynamics, and Constraints, Automatica 35, no. 3, 407–427.<br />
[2] Poncet, A. and Morari, M. (2005). Dinero bien empleado, <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/2005<br />
[3] Gallestey, E., Stothert, D., Castagnoli, D., Ferrari-Trecate, G. and Morari, M. (2002). Using model predictive control and hybrid systems for optimal scheduling of industrial<br />
processes, Automatisierungstechnik 6, 285–293.<br />
[4] Castagnoli, D. Gallestey, E. and Frei, C. (2003). Cement mills optimal (re)scheduling via MPC and MLD systems, Proceedings of conference on the Analysis and Design<br />
of Hybrid Systems (ADHS 03), 82–87.<br />
62 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Sensores y control<br />
Conocimiento de los activos<br />
Laminador de Outokumpu Steckel, mantenimiento basado en el estado<br />
de los equipos<br />
Magnus Tunklev, Per-Olov Gelin, Anders Bohlin<br />
Los tiempos muertos imprevistos pueden<br />
suponer un gran coste para una<br />
instalación de producción que funciona<br />
24 horas cada día. Ni que decir tiene<br />
que un adecuado mantenimiento<br />
tiene una influencia enorme, no sólo en<br />
el rendimiento de producción, sino<br />
también en la calidad del producto.<br />
Por consiguiente es de suma importancia<br />
tener una clara estrategia de mantenimiento<br />
que garantice gran fiabilidad<br />
y disponibilidad del proceso.<br />
La clave para planificar mejor el mantenimiento<br />
es conocer en tiempo real el<br />
‘estado de salud’ de cada activo, así<br />
como el tiempo estimado de buen funcionamiento.<br />
Obtener esta información<br />
en un sistema complejo no es sencillo.<br />
De hecho existen varios sistemas que<br />
supervisan el estado de un equipo y<br />
predicen el tiempo de vida restante,<br />
pero lo que ha faltado hasta ahora en<br />
el mercado es un paquete completo de<br />
soluciones basadas en una plataforma<br />
de software industrial y aplicables a<br />
cualquier tipo de activo.<br />
Ahora ya existe un sistema de este tipo,<br />
que proviene de una estrecha colaboración<br />
entre <strong>ABB</strong> y la empresa de<br />
laminación Outokumpu Steckel de la<br />
localidad sueca de Avesta. El sistema<br />
proporciona la información necesaria<br />
sobre el desgaste de los equipos y el<br />
tiempo de vida residual de determinados<br />
activos críticos, como pueden ser<br />
los cojinetes en una cadena de producción.<br />
El sistema puede predecir<br />
el tiempo de buen funcionamiento<br />
de un activo y mejorar significativamente<br />
la planificación del mantenimiento<br />
total.<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
63
Conocimiento de los activos<br />
Sensores y control<br />
Durante muchos años, la optimización<br />
y puesta a punto ha estado totalmente<br />
generalizada en el control y<br />
automatización de procesos. Por eso, los<br />
márgenes de mejora en este campo son<br />
muy reducidos. Un mayor valor OEE 1)<br />
se ha convertido rápidamente en esencial<br />
para la mayor parte de las fábricas.<br />
Puesto que los tiempos muertos imprevistos<br />
resultan sumamente caros para<br />
cualquier instalación de producción, es<br />
necesario concentrarse en optimizar los<br />
activos y planificar el mantenimiento.<br />
Una eficiente organización del mantenimiento<br />
es vital para aumentar la rentabilidad<br />
del capital invertido (ROI).<br />
El mantenimiento basado<br />
en el estado del equipo es<br />
un proceso automático<br />
que trata de identificar los<br />
fallos incipientes antes de<br />
que lleguen a ser críticos.<br />
Este proceso, a su vez,<br />
conduce a planificar con<br />
más precisión el mantenimiento<br />
preventivo.<br />
1 Laminador de Outokumpu Steckel en Avesta<br />
El mantenimiento basado en el estado<br />
del equipo es un proceso automático<br />
que trata de identificar los fallos incipientes<br />
antes de que lleguen a ser críticos.<br />
Este proceso, a su vez, conduce a<br />
planificar con más precisión el mantenimiento<br />
preventivo. Existen varios sistemas<br />
diferentes para supervisar el estado<br />
de los equipos, unos basados en estadísticas<br />
de fallos y otros en la creación<br />
de modelos según principios básicos.<br />
Sin embargo, para el laminador Outokumpu<br />
2) Steckel de Avesta 1 , estas<br />
soluciones no cubrían la necesidad de<br />
disponer de un sistema completo de<br />
programas de supervisión de estado,<br />
operando en línea y aplicable a cualquier<br />
activo de una fábrica para proporcionar<br />
información sobre el estado, el<br />
desgaste acumulado y el tiempo de vida<br />
residual de dicho activo. El sistema también<br />
debía mejorar significativamente la<br />
planificación del mantenimiento para<br />
evitar los costosos tiempos muertos o<br />
un mantenimiento preventivo innecesario.<br />
La compañía recurrió a <strong>ABB</strong> para<br />
desarrollar conjuntamente un sistema<br />
que satisface todos los requisitos anteriores<br />
pero que, además, es completamente<br />
genérico y aplicable a cualquier<br />
planta industrial.<br />
La solución de <strong>ABB</strong> y Outokumpu se<br />
basa en gran parte en el sistema de automatización<br />
ampliada 800xA 3) de la plataforma<br />
Industrial IT de <strong>ABB</strong>, que permite<br />
una integración eficiente y sin fisuras de<br />
soluciones patentadas por <strong>ABB</strong> y de<br />
otras soluciones, ajenas, como los sistemas<br />
CMMS (Computerized Maintenance<br />
Management Systems). La plataforma de<br />
control 800xA proporciona la funcionalidad<br />
básica necesaria para un eficiente<br />
desarrollo e integración de soluciones<br />
para la supervisión automática del estado<br />
de equipos como complemento del<br />
tradicional control de procesos.<br />
Los párrafos siguientes describen con<br />
mayor detalle esta solución de optimización<br />
y supervisión del estado de los activos.<br />
Descripción general del sistema<br />
La solución global consta de una serie<br />
de aplicaciones listadas en el Cuadro .<br />
Además de integrar en ella herramientas<br />
de software de <strong>ABB</strong> ya existentes, se<br />
han desarrollado otras nuevas para determinar<br />
el desgaste y la vida útil de los<br />
activos. Este paquete de soluciones<br />
aporta las funciones siguientes: cálculo<br />
del desgaste acumulado de cojinetes,<br />
detección de averías de cojinetes, estimación<br />
del tiempo de vida residual, detección<br />
de anomalías de comportamiento,<br />
diagnósticos de sensores y mensajes<br />
SMS y de correo electrónico.<br />
Este sistema de optimización<br />
de activos y de<br />
supervisión de estado<br />
es aplicable a cualquier<br />
planta industrial.<br />
En la figura 2 vemos una instantánea<br />
típica (vista auxiliar, de subnivel) del estado<br />
de los activos. Todos los diagnósticos<br />
se basan en señales verdes (estado<br />
correcto), amarillas (aviso) o rojas (alarma)<br />
y el tiempo de vida restante de los<br />
activos se indica en horas de tiempo de<br />
ejecución. Si se presenta un problema,<br />
los datos se pueden ver y analizar entrando<br />
en varios subniveles que contienen<br />
información más detallada. Una característica<br />
destacable de este sistema es<br />
la función que trata el desgaste acumulado.<br />
Es una función particular para piezas<br />
–como los rodillos de presión– que<br />
se desmontan por una razón u otra y se<br />
Cuadro Componentes del sistema instalado en<br />
el laminador Outokumpu Steckel<br />
800xA SV 3.1<br />
Optimizador de activos con monitores de<br />
activos<br />
Inform IT<br />
Sistema de aspectos de desgaste (nuevo)<br />
Sistema de aspectos de gravedad de<br />
estado) (nuevo)<br />
DriveMonitor para el diagnóstico de cojinetes<br />
Argus CC4 para recogida de datos<br />
Servidor Argus OPC (nuevo)<br />
Herramienta modeladora PCA (novedad)<br />
64 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Conocimiento de los activos<br />
Sensores y control<br />
reinstalan en posiciones diferentes.<br />
El operador activa manualmente<br />
una función de<br />
identificación (ID) de almacenaje<br />
para cada activo 3 desde<br />
el sistema de aspectos de desgaste.<br />
Si un activo antiguo se<br />
instala en una nueva posición,<br />
se recuperará el desgaste anterior<br />
y el cálculo del desgaste<br />
continuará desde el punto donde<br />
se detuvo.<br />
Es importante entender cómo<br />
se determina el tiempo de vida<br />
de un activo. Hay varias formas<br />
diferentes de hacerlo, pero es<br />
fundamental la definición de<br />
fallo, que se define como el<br />
punto en el que normalmente<br />
se sustituye el activo debido al<br />
ruido, a las vibraciones o al mal<br />
funcionamiento, antes de la rotura<br />
mecánica.<br />
El tiempo de vida residual se<br />
puede calcular si se conoce el<br />
índice de desgaste por tiempo<br />
de ejecución. Para estimar el<br />
tiempo de vida de un cojinete<br />
con una carga específica, se<br />
aplica la famosa teoría L10 [2]<br />
de desgaste de cojinetes de<br />
SKF. La parte más compleja es<br />
seguir el curso de las variaciones<br />
de la carga y de la velocidad<br />
de giro e integrar el desgaste<br />
total acumulado a lo largo<br />
del tiempo.<br />
En primer lugar, un sistema de registro<br />
de datos llamado Argus 4) toma continuamente<br />
muestras de la carga y velocidad<br />
de giro. Estos datos se entregan luego<br />
como valores OPC al sistema 800xA de<br />
<strong>ABB</strong>. El tiempo de vida residual calculado<br />
con el valor del desgaste acumulado<br />
sólo es una orientación aproximada sobre<br />
el grado de desgaste cotidiano del<br />
activo. Esto se debe a que el valor absoluto<br />
del desgaste de los cojinetes puede<br />
2 Vista auxiliar del rodillo de presión superior con detección de fallos de<br />
cojinete y de anomalías, cálculo del desgaste y supervisión de sensores<br />
3 Pantalla con la configuración del cojinete y selección de ID<br />
no ser muy exacto, ya que depende de<br />
variables ambientales como desalineamiento,<br />
corrientes, grietas y holgura de<br />
cojinetes.<br />
Por razones prácticas, el desgaste de cojinetes<br />
se divide en cuatro partes o intervalos:<br />
prehistórico, antiguo, nuevo y<br />
predictivo 4 . El intervalo prehistórico se<br />
define como el tiempo previo al inicio<br />
del registro y se aplica en particular a<br />
cojinetes antiguos, ya muy utilizados antes<br />
de la instalación del sistema.<br />
Un cojinete nuevo, instalado<br />
estando activo el sistema<br />
de registro, tendrá un tiempo<br />
prehistórico igual a cero. El<br />
intervalo antiguo comienza en<br />
el instante del registro y se<br />
extiende hasta el segundo último<br />
lote, el intervalo nuevo<br />
corresponde al último lote y,<br />
finalmente, el intervalo predictivo<br />
estima el desgaste futuro<br />
a partir de promedios del<br />
desgaste actual.<br />
Desgaste prehistórico<br />
Es muy probable que muchos<br />
cojinetes lleven funcionando<br />
varios meses antes de implementar<br />
el sistema de registro<br />
de datos para los cálculos de<br />
desgaste, y esto ha de tenerse<br />
en cuenta en los cálculos. En<br />
el sistema <strong>ABB</strong>/Outokumpu,<br />
el tiempo de funcionamiento<br />
antes del registro se representa<br />
con el parámetro T0 en 3 .<br />
Los desgastes futuro y prehistórico<br />
se estiman entonces<br />
usando valores medios del intervalo<br />
antiguo. La razón de<br />
ello es que el desgaste puede<br />
variar notablemente de un lote<br />
a otro y es necesario que<br />
converja hacia un índice medio<br />
razonable. Los valores<br />
medios usados son el tiempo<br />
de ejecución por tiempo total,<br />
el desgaste por revolución y<br />
la revolución por tiempo de ejecución.<br />
Puesto que los datos se recogen en el<br />
intervalo antiguo, los valores medios se<br />
actualizan continuamente en línea y<br />
convergirán al cabo de unas semanas 5) .<br />
El desgaste acumulado total se calcula<br />
sumando los diferentes intervalos. El<br />
tiempo de ejecución residual y el tiempo<br />
total residual se pueden calcular ahora a<br />
partir de los valores medios convergentes<br />
del intervalo antiguo.<br />
Notas<br />
1)<br />
OEE (Overall Equipment Effectivesness): herramienta aceptada por la industria para medir y supervisar el rendimiento de la producción.<br />
2)<br />
Outokumpu es una compañía internacional de fabricación de acero inoxidable y de tecnología establecida en Espoo (Finlandia).<br />
3)<br />
El sistema 800xA es una plataforma de automatización que integra el sistema básico de automatización en una planta (el sistema de control del proceso) con todas las demás<br />
aplicaciones esenciales para la productividad y eficiencia de la planta, como son la ingeniería, documentación, control de calidad, seguridad, instrumentación inteligente, optimización<br />
de activos y gestión de mantenimiento. Para más información véase http://www.abb.com. Seleccione Product Guide. En Control Systems seleccione 800xA.<br />
4)<br />
Argus ha sido desarrollada por <strong>ABB</strong> Service.<br />
5)<br />
Una breve parada al comienzo de la producción reducirá significativamente la media del tiempo de ejecución por tiempo total y afectará a los cálculos. Sin embargo, este<br />
efecto dejará de apreciarse al cabo de unas semanas.<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
65
Conocimiento de los activos<br />
Sensores y control<br />
Detección de anomalías<br />
Los sensores son los ojos y<br />
oídos del control del proceso<br />
y las fábricas modernas están<br />
muy atentas para observar cada<br />
aspecto de la actividad de<br />
la planta. Sin embargo, de hecho<br />
se producen fallos muy<br />
poco frecuentes; si estos fallos,<br />
nuevos o extremadamente<br />
raros, no se localizan a<br />
tiempo y con suficiente precisión,<br />
surgen los problemas.<br />
Este aspecto ha de considerarse<br />
en todo nuevo diseño de<br />
sistemas.<br />
El método preferido para detectar<br />
las desviaciones consiste<br />
en entrenar el sistema utilizando<br />
datos normales. Para<br />
modelar el comportamiento<br />
normal se ha elegido un método<br />
de reducción variable<br />
lineal, el llamado Análisis de<br />
Componentes Principales<br />
(PCA) 6) . La herramienta del<br />
modelo PCA desarrollada en<br />
el proyecto es genérica y se<br />
puede aplicar a cualquier tipo<br />
de datos de proceso. En el laminador<br />
de Outokumpu, esta<br />
herramienta se ha aplicado<br />
para los datos de vibraciones.<br />
Puesto que una avería evoluciona<br />
con el tiempo, la desviación<br />
respecto al comportamiento<br />
normal –en espacio<br />
PCA– se observa en el valor Q<br />
residual de los nuevos datos<br />
proyectados en el modelo<br />
PCA. Conforme aumenta el<br />
valor Q, la velocidad de cambio<br />
se puede usar para predecir<br />
el tiempo que ha de transcurrir<br />
antes de alcanzar un<br />
límite de alarma prefijado.<br />
Bobina de fleje terminada<br />
4 Los diferentes intervalos de desgaste<br />
Desgaste por revolución<br />
Instalación<br />
del cojinete<br />
Intervalo prehistórico:<br />
antes de iniciar registro en<br />
el instante = T0.<br />
Comienzo del registro<br />
Viejo intervalo:<br />
Desde el comienzo del<br />
registro hasta la segunda<br />
carga.<br />
Nuevo intervalo:<br />
Desgaste desde el último cálculo,<br />
añadido al último intervalo "viejo".<br />
Expectativa<br />
de fallo<br />
5 DriveMonitor visualizando un espectro FFT de aceleraciones del<br />
ventilador extractor con probable avería de cojinete en el lado<br />
de la hoja<br />
Tiempo<br />
Intervalo de predicción:<br />
Desgaste futuro estimado a<br />
partir del desgaste medio actual.<br />
Si se aplica el modelo PCA a<br />
un cojinete nuevo, sin defectos,<br />
el tiempo de vida residual<br />
obtenido será infinito. Por<br />
tanto, el tiempo de vida residual<br />
calculado a partir del valor<br />
del desgaste acumulado se<br />
toma como directriz. El modelo<br />
PCA determinará un valor<br />
realista sólo cuando se haya<br />
detectado un fallo. Cuando<br />
ocurre realmente un fallo, el<br />
valor del tiempo de vida residual<br />
se considera más fiable, ya<br />
que el modelo PCA es apreciado<br />
como un estimador mejor<br />
de la evolución de los fallos.<br />
Detección del estado de los<br />
activos<br />
Es necesario configurar cada<br />
cojinete; las frecuencias de fallos<br />
específicos de cojinetes se<br />
calculan con la documentación<br />
del fabricante. Un módulo de<br />
diagnósticos llamado DriveMonitor<br />
[1] detecta el estado actual<br />
y real de los cojinetes (en buen<br />
estado o averiados). La solución<br />
DriveMonitor detecta en<br />
línea los fallos de los anillos de<br />
rodadura exterior e interior y<br />
de los rodillos. Con esta herramienta<br />
se pueden configurar<br />
también algoritmos de detección<br />
para otros activos. Por<br />
ejemplo, para detectar el fallo<br />
de sensores en los acelerómetros<br />
(véase 5 ) se calculan la variación<br />
y la desviación estándar<br />
de la señal. Dependiendo del<br />
resultado, se emite una alarma<br />
si se excede un nivel umbral<br />
prefijado. Para garantizar que<br />
se disparen las alarmas si se exceden<br />
los niveles umbrales, se<br />
aplican monitores de activos<br />
directamente a algunas señales<br />
que quedan fuera del ámbito<br />
de la herramienta DriveMonitor<br />
(como las señales de los sensores<br />
de carga y velocidad usadas<br />
para el cálculo del desgaste).<br />
Resultados experimentales<br />
El sistema de optimización y<br />
supervisión del estado de los<br />
activos ha sido instalado en<br />
cuatro componentes del laminador:<br />
rodillo de presión superior,<br />
rodillo de presión inferior,<br />
mesa de tres rodillos y ventilador<br />
extractor de aire 7) . El párrafo<br />
siguiente examina los datos<br />
adquiridos (con el PC Argus)<br />
de los cojinetes de rodillos de<br />
presión superiores.<br />
La duración del proceso para<br />
cada plancha de material es<br />
normalmente del orden de cinco<br />
a siete minutos. Para las<br />
planchas de este ejemplo, las<br />
cargas de los cojinetes, que se<br />
66 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Conocimiento de los activos<br />
Sensores y control<br />
6 Carga radial en los cojinetes de rodillos de presión superiores para el<br />
lado de conducción ( DS) y de no conducción ( NDS)<br />
7 Una tendencia Q de los datos de vibración del ventilador, usando la<br />
herramienta del modelo PCA<br />
2.5<br />
x 10 5<br />
Radial load<br />
2<br />
1.5<br />
Load (N)<br />
1<br />
0.5<br />
0<br />
-0.5<br />
0 50 100 150 200 250<br />
Time (s)<br />
muestran en 6 , y las velocidades de giro<br />
fueron medidas con la unidad Argus y<br />
almacenadas en un archivo. A continuación,<br />
los datos del archivo fueron convertidos<br />
en una matriz OPC por el servidor<br />
OPC de Argus. Los pronunciados picos<br />
de carga observados en 6 se producen<br />
debido a que cada extremo de la<br />
plancha golpea el rodillo de presión<br />
cuando el lado que está enganchado es<br />
liberado del bobinador. Los ingenieros<br />
han calculado que si estos picos se redujeran<br />
a la mitad, es decir, a 1,2 × 10 5 N,<br />
el tiempo de vida del cojinete podría<br />
multiplicarse por cinco. El cálculo del<br />
desgaste acumulado muestra la diferencia<br />
de desgaste para diferentes planchas.<br />
Esto se debe, probablemente, al grosor<br />
de la plancha, al tiempo que se requiere<br />
para enrollarla y al material específico<br />
utilizado. Queda por estudiar con más<br />
detalle la influencia de diversas variables.<br />
Considerando los resultados obtenidos<br />
hasta ahora sería razonable ampliar el<br />
tiempo entre paradas de mantenimiento<br />
y tener más tiempo útil para la producción.<br />
El algoritmo se probó en el lado<br />
de conducción (DS) del rodillo de presión<br />
superior (DS). El desgaste por lote<br />
es notablemente diferente y puede variar<br />
según un factor de hasta cinco. Esto<br />
afecta linealmente al tiempo de ejecución<br />
restante. En 7 se muestra la tendencia<br />
Q usando la herramienta del modelo<br />
PCA en los datos de vibraciones<br />
del ventilador.<br />
Todo el mundo gana<br />
Las soluciones de optimización y<br />
supervisión del estado de activos<br />
ofrecen a <strong>ABB</strong> nuevas y apasionantes<br />
oportunidades de negocio. Sin embargo,<br />
si el sistema se comercializa y vende sólo<br />
en el ramo de laminadores, se estima<br />
que la inversión de <strong>ABB</strong> en desarrollo<br />
se amortiza en seis años. Anders Bohlin,<br />
jefe de proyectos en Outokumpu, afirma<br />
que el plazo de amortización para<br />
Outokumpu será muy corto si el sistema<br />
funciona de acuerdo con las expectativas.<br />
Como ya hemos dicho, el sistema es extraordinario,<br />
ya que es completamente<br />
genérico para cualquier planta industrial,<br />
no sólo para trenes de laminación.<br />
Esto significa que el verdadero potencial<br />
comercial será mucho mayor si el sistema<br />
se comercializa en otros sectores industriales<br />
como el de la pulpa de papel<br />
y del papel, el petroquímico y minero y<br />
el del cemento, así como en los sectores<br />
alimentario y de bebidas, y en el farmacéutico.<br />
Magnus Tunklev<br />
<strong>ABB</strong> Corporate Research<br />
Västeras, Suecia<br />
magnus.tunklev@se.abb.com<br />
Per-Olov Gelin<br />
<strong>ABB</strong> Industrial Solutions<br />
Västeras, Suecia<br />
per-olov.gelin@se.abb.com<br />
Anders Bohlin<br />
Outokumpu Stainless<br />
Avesta Works Steckel Mill<br />
Avesta, Suecia<br />
anders.bohlin@outokumpu.com<br />
Notas<br />
6)<br />
El análisis de los componentes principales o PCA (Principal Components Analysis) es una poderosa forma de identificar patrones en los datos y expresarlos destacando<br />
sus similitudes y diferencias. Una vez encontrado un patrón, los datos se pueden comprimir sin gran pérdida de información.<br />
7)<br />
Con lado de conducción y lado de no conducción inclusive.<br />
Bibliografía<br />
[1] Wnek, Maciej; Orkisz, Michal; Nowak, Jaroslaw; Legnani, Stefano; DriveMonitor: Embedded product intelligence that enhances lifecycle management and performance<br />
in drive systems; http://www.abb.com<br />
[2] SKF product documentation ‘SKF spherical roller bearings – setting a new standard for performance and reliability’<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
67
Sensores y control<br />
Microsistemas en<br />
funcionamiento<br />
Sensor rápido de oxígeno para el análisis continuo de gas<br />
Peter Krippner, Berthold Andres, Paul Szasz, Thomas Bauer, Manfred Wetzko<br />
Basada en 40 años de experiencia en el diseño y desarrollo de analizadores continuos<br />
de gases, la compañía <strong>ABB</strong> ha desarrollado una solución más eficaz, más<br />
resistente y de menos coste partiendo de cero. Combinando nuevos materiales con<br />
la avanzada tecnología de microsistemas electromecánicos, la compañía ha conseguido<br />
un sistema sensor radicalmente nuevo, plenamente competitivo en términos<br />
de prestaciones, durabilidad y coste.<br />
Esta reducción de costes, debida en gran medida a la fabricación en serie del nuevo<br />
instrumento, al menor tiempo de respuesta y a la capacidad de tratar caudales<br />
variables de gas, tendrán una gran influencia en el futuro de la medición de la concentración<br />
de oxígeno.<br />
68 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Microsistemas en funcionamiento<br />
Sensores y control<br />
Los analizadores continuos de gases<br />
de <strong>ABB</strong>, las series Advance Optima<br />
1 y EasyLine, utilizan tecnología de<br />
altas prestaciones para medir la concentración<br />
de gases en diversos aspectos<br />
de las industrias de transformación.<br />
Estas mediciones son vitales<br />
para la protección medioambiental, la<br />
optimización de procesos, la garantía<br />
de calidad y la reducción de costes.<br />
Los analizadores se utilizan para la<br />
supervisión continua de emisiones de<br />
centrales eléctricas e incineradoras de<br />
basuras 2 y, entre otras aplicaciones,<br />
para garantizar la pureza de los gases<br />
en plantas de separación de aire, medir<br />
los gases inflamables en lugares<br />
peligrosos, proteger los filtros de polvo<br />
electrostático y optimizar los procesos<br />
de combustión en entornos tan<br />
duros como las fábricas de cemento.<br />
Tanto los analizadores de gases<br />
Advance Optima como EasyLine se<br />
basan en la avanzada tecnología de<br />
analizadores modulares que utiliza la<br />
más avanzada electrónica, algoritmos<br />
inteligentes y una mejor tecnología de<br />
medición continua.<br />
(por ejemplo, los compuestos de azufre,<br />
cloro y flúor) limitan, en general,<br />
su uso a aplicaciones en que se conocen<br />
bien los componentes de las mezclas<br />
de gases. Los sensores paramagnéticos,<br />
a pesar de su coste, ofrecen<br />
varias ventajas frente a las pilas electroquímicas.<br />
En estos sensores, la interacción<br />
del gas con el sensor es física<br />
en vez de química, de modo que<br />
no se produce el envenenamiento típico<br />
de los sensores electroquímicos.<br />
En atmósferas no corrosivas, los sensores<br />
paramagnéticos tienen, en principio,<br />
un tiempo de vida ilimitado.<br />
Pero incluso en atmósferas corrosivas<br />
es posible prolongar la vida útil si<br />
se eligen los materiales apropiados.<br />
Además, la sensibilidad cruzada de los<br />
sensores paramagnéticos es insignificante.<br />
Superar los inconvenientes actuales<br />
de producción y potenciar el<br />
rendimiento de los sensores de oxígeno<br />
paramagnéticos abrirá nuevos segmentos<br />
de mercado y permitirá aumentar<br />
el volumen de producción.<br />
Fundamentos de la medición<br />
paramagnética de oxígeno<br />
Los sensores de oxígeno paramagnéticos<br />
se utilizan para evaluar las propiedades<br />
magnéticas de las mezclas de<br />
gases. A diferencia de casi todos los<br />
demás gases, las moléculas de oxígeno<br />
presentan una susceptibilidad positiva<br />
relativamente fuerte y son, por<br />
tanto, paramagnéticos. Puesto que<br />
casi todos los demás gases presentan<br />
una baja susceptibilidad diamagnética,<br />
la susceptibilidad magnética de una<br />
mezcla de gases depende estrechamente<br />
de su contenido de oxígeno.<br />
2 Campo típico de aplicación de los sensores de oxígeno: control de emisiones en centrales eléctricas<br />
Un gas con gran interés en casi todos<br />
los procesos industriales es el oxígeno.<br />
Su concentración se suele medir<br />
utilizando pilas electroquímicas o sensores<br />
paramagnéticos. Las pilas electroquímicas<br />
ofrecen una gran ventaja<br />
de coste en comparación con los sensores<br />
paramagnéticos, pero su tiempo de<br />
respuesta es mayor (más de 20 segundos)<br />
y su vida útil se reduce si están<br />
expuestas a gases secos. Su alta sensibilidad<br />
cruzada (sensibilidad a otros<br />
gases, distintos del oxígeno) y su baja<br />
compatibilidad con gases corrosivos<br />
1 Serie de analizadores continuos de gases Advance Optima<br />
3 Disposición del cuerpo de desplazamiento en un sensor paramagnético<br />
Concentrador de<br />
campo magnético<br />
Espejo<br />
N<br />
Cuerpo de desplazamiento<br />
Bobina de compensación<br />
Concentrador de<br />
campo magnético<br />
S<br />
Fotodetectores<br />
Fuente luminosa<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
69
Microsistemas en funcionamiento<br />
Sensores y control<br />
Esta propiedad es aprovechada por<br />
los llamados sensores de oxígeno<br />
magnetomecánicos, que miden la susceptibilidad<br />
magnética de una mezcla<br />
y determinan consecuentemente la<br />
proporción de oxígeno presente. Las<br />
mediciones se realizan con un cuerpo<br />
de desplazamiento situado en un fuerte<br />
gradiente de campo magnético y<br />
una estructura de medición del par 3 .<br />
En resumen, el par generado en el<br />
cuerpo de la sonda en presencia de<br />
oxígeno es compensado por una pequeña<br />
corriente en una bobina fijada<br />
al cuerpo mismo de la sonda. Para<br />
mantener esta compensación en equilibrio,<br />
una unidad de detección óptica<br />
mide la posición del cuerpo de la sonda.<br />
La electrónica del controlador del<br />
sensor elige la corriente de compensación,<br />
de modo que la posición del<br />
cuerpo de la sonda se mantenga constante<br />
en todo momento. La corriente<br />
necesaria para compensar el par generado<br />
por el oxígeno es una medida<br />
directa de la concentración de oxígeno<br />
en la celda del sensor.<br />
Sensores de oxígeno paramagnéticos<br />
convencionales<br />
La geometría de los elementos utilizados<br />
en los sensores de oxígeno paramagnéticos<br />
convencionales se muestra<br />
en 4 . El sensor en sí consta de piezas<br />
mecanizadas clásicamente, que se<br />
montan manualmente. El núcleo del<br />
sensor, con cuerpo de prueba adelgazado<br />
en el centro (de unos 2 mm de<br />
diámetro y 20 mm de longitud), se<br />
representa en 5 . Para fabricar este elemento<br />
con suficiente reproducibilidad,<br />
se requiere personal altamente cualificado.<br />
La construcción e instalación de<br />
las pequeñas ampollas de vidrio exige<br />
tiempo, y los materiales utilizados para<br />
los soportes de montaje no son compatibles<br />
con gases muy corrosivos. No<br />
obstante, el rendimiento de los sensores<br />
actuales es excelente para muchas<br />
aplicaciones, especialmente para supervisar<br />
emisiones en centrales eléctricas<br />
alimentadas por combustibles fósiles.<br />
Basándose en este principio paramagnético,<br />
<strong>ABB</strong> ofrece un módulo para<br />
la medición de la concentración de<br />
oxígeno, que puede utilizarse en las<br />
series Advance Optima y EasyLine de<br />
analizadores de continuos de gases.<br />
Las principales características de los<br />
sensores son las siguientes:<br />
Rango mínimo de medición de 0 .. 1<br />
Vol% (volumen porcentual) de O 2<br />
Límite de detección de 50 ppm de O 2<br />
Tiempo de respuesta de 3 s<br />
Las sensibilidades cruzadas para otros<br />
gases se indican en el Cuadro informativo.<br />
La tabla muestra el desplazamiento<br />
del punto cero de la señal de<br />
salida cuando existen gases no diluidos.<br />
Los valores indican que esta desviación<br />
del punto cero se debe a las<br />
propiedades magnéticas de los gases<br />
y son los inevitables errores remanentes<br />
–y, por tanto, admitidos– del<br />
punto cero para sensores de oxígeno<br />
paramagnéticos.<br />
Entre los inconvenientes de las prestaciones<br />
de los sensores paramagnéticos<br />
clásicos están una compatibilidad insuficiente<br />
con ciertos medios (por<br />
ejemplo, cloro o ácidos inorgánicos,<br />
como el clorhídrico) y el largo tiempo<br />
de respuesta causado por el gran<br />
volumen del sensor interno.<br />
La evaluación de las propiedades<br />
magnéticas de<br />
las mezclas de gases se<br />
utiliza en los sensores paramagnéticos<br />
de oxígeno.<br />
Cambio completo: materiales,<br />
geometría y fabricación<br />
<strong>ABB</strong> lleva más de 40 años perfeccionando<br />
los sensores paramagnéticos<br />
convencionales para obtener máximas<br />
prestaciones con costes mínimos. La<br />
compañía ha vuelto al tablero de dibujo<br />
para iniciar un nuevo desarrollo<br />
desde cero, una empresa arriesgada<br />
Cuadro Desplazamiento del punto cero (en<br />
vol% de O 2<br />
) de la señal de salida del<br />
nuevo sensor en presencia de gases<br />
no diluidos (100 vol%)<br />
Argón -0.26<br />
Monóxido de carbono -0.01<br />
Hidrógeno +0.28<br />
Sulfuro de hidrógeno -0.45<br />
4 Sensor de oxígeno paramagnético convencional: los componentes<br />
se montan a mano<br />
5 Núcleo del sensor convencional: la fabricación de este elemento<br />
exige un personal muy bien formado<br />
70 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Microsistemas en funcionamiento<br />
Sensores y control<br />
que deberá conseguir aún<br />
más mejoras. Este ejercicio tenía<br />
como objetivo conseguir<br />
una notable reducción de los<br />
costes, mejorando al mismo<br />
tiempo las prestaciones de los<br />
sensores. Con estos presupuestos,<br />
los desarrolladores<br />
modificaron tanto el elemento<br />
sensor como su celda circundante,<br />
manteniendo solamente<br />
el principio de detección.<br />
Las modificaciones fueron las<br />
siguientes:<br />
Materiales utilizados<br />
(silicio y cerámica en lugar<br />
de vidrio y acero)<br />
Geometría<br />
(una estructura plana sustituye<br />
a una compleja disposición<br />
tridimensional)<br />
Fabricación<br />
(grabado químico de silicio<br />
y proceso automatizado de<br />
producción por lotes, en<br />
lugar de mecanizado metálico<br />
y montaje manual)<br />
El resultado de estos trabajos<br />
se muestra en 6 . Comparando<br />
este nuevo sensor con el sensor<br />
de corriente mostrado en<br />
4 , es evidente que el nuevo<br />
diseño y tecnología utilizados<br />
representan un cambio de<br />
modelo en la detección paramagnética<br />
de oxígeno.<br />
El ‘corazón’ de este nuevo<br />
sensor es un chip de silicio<br />
micromecanizado 7 que proporciona<br />
cortos tiempos de<br />
respuesta y una fabricación<br />
reproducible en grandes volúmenes<br />
de producción. La gran<br />
ventaja respecto del antiguo<br />
sensor es, obviamente, la ausencia<br />
de estructura tridimensional<br />
de montaje manual.<br />
En lugar de ello hay un único<br />
chip plano. No obstante, este<br />
chip utiliza el mismo principio<br />
de medición: transformación<br />
de la concentración de<br />
oxígeno en un movimiento de<br />
rotación que es interpretado<br />
por un haz de luz.<br />
La nueva configuración consiste<br />
en un sistema de capas<br />
6 El nuevo módulo sensor, altamente integrado, es un cambio de<br />
paradigma en el campo de sensores paramagnéticos de oxígeno.<br />
7 Nuevo sistema micro electromecánico (MEMS) plano de chip de<br />
sensor (volumen interno 100 mm 3 aproximadamente)<br />
8 El concepto de capas para crear una estructura tridimensional<br />
con componentes ‘bidimensionales’<br />
a<br />
b c<br />
d<br />
f<br />
e<br />
c<br />
g<br />
a<br />
a Circuito magnético<br />
b Sistema de entrada de gas<br />
c Portador magnético<br />
d Célula de sensor<br />
e Interfaz eléctrica<br />
f Chip de sensor<br />
g Sistema optoeléctrico<br />
sumamente compacto. El<br />
sensor comprende esencialmente<br />
estructuras planas,<br />
unidas para formar la celda<br />
del sensor 8 . Se utilizan piezas<br />
cerámicas para conseguir<br />
estabilidad térmica y un alto<br />
grado de compatibilidad con<br />
distintos medios. En algunas<br />
de las piezas cerámicas se<br />
han integrado funciones<br />
eléctricas, como la preamplificación.<br />
Rompiendo las reglas:<br />
medición de oxígeno con chip<br />
de silicio<br />
La principal decisión tomada<br />
por los desarrolladores de<br />
<strong>ABB</strong> fue combinar un principio<br />
de medición probado y<br />
bien conocido, con avanzada<br />
tecnología de microsistemas<br />
electromecánicos (ME-<br />
MS) y aplicar la tecnología<br />
MEMS para un uso totalmente<br />
nuevo. La principal ventaja<br />
en prestaciones de la solución<br />
del chip en comparación<br />
con la clásica solución<br />
paramagnética es la gran reducción<br />
del volumen de gas<br />
dentro del sensor. El resultado<br />
es un sensor mucho más<br />
rápido, con tiempos de respuesta<br />
en torno a un segundo,<br />
lo que representa una<br />
gran mejora frente a los tres<br />
segundos de tiempo de respuesta<br />
de los sensores convencionales.<br />
Esta solución<br />
abre nuevos segmentos de<br />
mercado en los que la velocidad<br />
es esencial (por ejemplo,<br />
la supervisión de motores<br />
de combustión).<br />
El chip sensor de tipo plano<br />
se puede integrar fácilmente<br />
en la estructura de capas del<br />
sensor, permitiendo un montaje<br />
sencillo y automatizado,<br />
como se requiere para grandes<br />
volúmenes de producción<br />
a un coste admisible.<br />
Pasar de la configuración tridimensional<br />
convencional a<br />
un chip plano fue posible<br />
gracias a una ingeniosa idea<br />
y a un gran esfuerzo de de-<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
71
Microsistemas en funcionamiento<br />
Sensores y control<br />
sarrollo de la tecnología de fabricación<br />
de chips.<br />
Estos trabajos han dado como resultado<br />
algunas características notables:<br />
Durabilidad en gases agresivos (debido<br />
a una estructura de silicio en<br />
su mayor parte, con pistas metálicas<br />
resistentes a la corrosión)<br />
Alta reproducibilidad (debido al<br />
proceso de grabación utilizado,<br />
sumamente preciso)<br />
Rápido tiempo de respuesta<br />
(en torno a un segundo,<br />
gracias al poco grosor del<br />
chip)<br />
Importantes ventajas de<br />
costes en la fabricación en<br />
serie<br />
Este desarrollo proporcionará<br />
a nuestros clientes un<br />
nuevo sensor paramagnético<br />
con excelente compatibilidad<br />
con diversos medios y<br />
otras ventajas. Los largos períodos<br />
de servicio y la economía<br />
de los repuestos reducirán<br />
notablemente los<br />
costes del ciclo de vida. La<br />
mayor fiabilidad de las mediciones<br />
de los parámetros<br />
de proceso en medios muy<br />
corrosivos mejorará la calidad<br />
y seguridad del producto.<br />
El uso de la tecnología de chip plano<br />
fue posible gracias al desarrollo de un<br />
nuevo sistema de suspensión del<br />
cuerpo de desplazamiento. No hay<br />
una forma evidente de crear una estructura<br />
plana que gire fácilmente y<br />
que además sea relativamente resistente<br />
a la aceleración lineal. En 9 se<br />
muestra el comportamiento mecánico<br />
simulado del sistema de suspensión<br />
9 Simulación del comportamiento mecánico del nuevo sistema de suspensión<br />
del sensor de silicio<br />
10 Simulación de la distribución de velocidad del<br />
gas en la célula del sensor<br />
recientemente desarrollado, incluido<br />
en el chip sensor de silicio.<br />
Se perfeccionó expresamente una<br />
herramienta de simulación de campo<br />
magnético patentada por <strong>ABB</strong> para<br />
simular no sólo las distribuciones del<br />
campo, sino también su influencia<br />
sobre el cuerpo de desplazamiento<br />
teniendo en cuenta las propiedades<br />
magnéticas del gas. El circuito<br />
magnético ha sido optimizado<br />
para generar un gradiente<br />
máximo de campo en la zona<br />
del cuerpo de desplazamiento.<br />
Las simulaciones de fluidez<br />
contribuyeron a conseguir el<br />
rápido tiempo de respuesta<br />
de los nuevos sensores. El<br />
problema consistía en llevar<br />
un gran flujo volumétrico<br />
(hasta 100 l/h) cerca del microsensor<br />
y cambiar el gas<br />
dentro de la celda del sensor<br />
con la mayor rapidez posible.<br />
Al mismo tiempo había que<br />
minimizar la influencia del<br />
flujo de gas en el cuerpo de<br />
desplazamiento. La figura 10<br />
muestra el resultado de simular<br />
la distribución de velocidad<br />
de un flujo de gas en la<br />
célula del sensor.<br />
El sensor está formado<br />
fundamentalmente<br />
por estructuras<br />
planas que<br />
consituyen la célula<br />
sensora.<br />
Herramientas de desarrollo<br />
Dejar de lado 40 años de experiencia<br />
e iniciar un nuevo<br />
desarrollo partiendo de cero<br />
sería imposible sin el uso de<br />
potentes herramientas de<br />
simulación para acelerar el<br />
trabajo. Durante el proceso<br />
de desarrollo se utilizaron<br />
herramientas de simulación<br />
numérica para optimizar las<br />
propiedades mecánicas, fluídicas,<br />
magnéticas, térmicas,<br />
eléctricas y ópticas del sensor.<br />
11 Oblea de silicio con sensores de oxígeno<br />
La principal ventaja<br />
funcional de la solución<br />
con chip es la<br />
gran reducción del<br />
volumen de gas<br />
dentro del sensor.<br />
Tecnología de fabricación de<br />
chips<br />
El chip de silicio de los nuevos<br />
sensores se fabrica en<br />
dos fases fundamentales. Primeramente,<br />
la bobina que<br />
compensa la fuerza generada<br />
por las moléculas de oxígeno<br />
se forma en la superficie de<br />
la oblea mediante deposición<br />
metálica y estructuración. En<br />
la segunda fase se lleva a cabo<br />
un profundo ataque químico<br />
iónico reactivo (DRIE,<br />
Deep Reactive Ion Etching)<br />
72 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Microsistemas en funcionamiento<br />
Sensores y control<br />
12 Tiempo de respuesta del nuevo sensor<br />
13 Error absoluto de medición como función del flujo de gas para el aire<br />
Concentración [vol% O 2<br />
]<br />
25<br />
T 90-10<br />
= 1.3 s<br />
20<br />
90%<br />
15<br />
10<br />
5<br />
10%<br />
0<br />
4 4.5 5 5.5 6 6.5 7<br />
Tiempo [s]<br />
Error absoluto [vol% O 2<br />
]<br />
0.005<br />
0.000<br />
-0.005<br />
-0.010<br />
-0.015<br />
20 25 30 35 40 45 50 55 60<br />
Tasa de flujo de gas [l/h]<br />
para atravesar la oblea. El resultado<br />
de este proceso se muestra en 11 . En<br />
comparación con los procesos DRIE<br />
estándar que se utilizan a menudo en<br />
la producción de giroscopios micromecánicos,<br />
los requisitos de esta aplicación<br />
son bastante más especializados.<br />
Las simulaciones fluídicas<br />
contribuyen a conseguir la<br />
gran rapidez de respuesta<br />
de los nuevos sensores.<br />
Cuadro Patentes resultantes de este trabajo<br />
Patente USA 20020075007<br />
Dispositivo de medición de la concentración<br />
de oxígeno en gases.<br />
Patente europea 1 202 051<br />
Dispositivo para la medición de la<br />
concentración de oxígeno en gases por<br />
medio de un campo magnético no<br />
homogéneo.<br />
Patente USA 20040108442<br />
Dispositivo para la suspensión de un<br />
cuerpo de muestra.<br />
Patente europea 1 424 553<br />
Dispositivo para la suspensión de un<br />
cuerpo de muestra.<br />
La estructura atacada químicamente<br />
forma el sistema de suspensión para<br />
el cuerpo de desplazamiento con una<br />
anchura mínima de unos 20 µm sobre<br />
el grosor total de la oblea, de varios<br />
cientos de micras. Puesto que las paredes<br />
laterales atacadas se utilizan<br />
también como espejo, para reflejar el<br />
haz luminoso, existen otros requisitos<br />
extremos de rugosidad. La optimización<br />
del desarrollo y del diseño del<br />
proceso permitió conseguir una pared<br />
lateral suficientemente homogénea y<br />
perpendicular para fabricar el fino sistema<br />
de suspensión y el cuerpo de<br />
desplazamiento con su pared lateral<br />
reflectante, haciendo posible un proceso<br />
rentable de ataque químico en<br />
un solo paso.<br />
La compatibilidad del silicio y del óxido<br />
de silicio con distintos medios es<br />
suficiente para la mayoría de los gases,<br />
incluso los que son muy corrosivos<br />
para otros materiales. Los puntos<br />
sensibles a la corrosión son las pistas<br />
metálicas de estos nuevos sensores.<br />
Utilizando metales resistentes a la corrosión,<br />
utilizados comúnmente en la<br />
tecnología MEMS (por ejemplo, aluminio<br />
y oro), y recubrimientos protectores<br />
especialmente adecuados en los<br />
hilos de conexión, se obtiene un sensor<br />
que puede resistir atmósferas húmedas<br />
de cloro durante varios meses,<br />
en contraste con la vida útil, de menos<br />
de un día, de otros sensores ‘modernos’.<br />
El desarrollo de este nuevo<br />
sensor paramagnético<br />
para medir la concentración<br />
de oxígeno es un<br />
gran logro del análisis<br />
continuo de gases.<br />
Características y prestaciones<br />
El nuevo sistema sensor ofrece importantes<br />
mejoras en cuanto a tiempo de<br />
respuesta y resistencia a la corrosión.<br />
El tiempo de respuesta (cambio de nitrógeno<br />
a aire en un caudal de 60 l/h)<br />
del nuevo sensor se redujo a 1,3 s<br />
(véase 12 ). Más importante aún que<br />
una rápida respuesta es la estabilidad<br />
de la señal en caso de caudal de gas<br />
variable ( 13 ). Un caudal de entre 20 y<br />
60 l/h origina un desplazamiento del<br />
punto cero de sólo 150 ppm de O 2<br />
,<br />
sin ninguna corrección de la señal original.<br />
Observaciones finales<br />
El desarrollo de este nuevo e ingenioso<br />
sensor paramagnético para medir la<br />
concentración de oxígeno es un avance<br />
importante en el campo del análisis<br />
continuo de gases. El nuevo sensor<br />
combina las altas prestaciones de los<br />
sensores paramagnéticos clásicos y los<br />
menores costes de los sensores electroquímicos.<br />
El nuevo sensor proporcionará<br />
a <strong>ABB</strong> y a sus clientes una importante<br />
ventaja competitiva e influirá<br />
significativamente en el futuro de la<br />
medición de la concentración de oxígeno.<br />
Peter Krippner<br />
Paul Szasz<br />
Manfred Wetzko<br />
<strong>ABB</strong> AG<br />
Ladenburg, Alemania<br />
peter.krippner@de.abb.com<br />
paul.szasz@de.abb.com<br />
manfred.wetzko@de.abb.com<br />
Berthold Andres<br />
Thomas Bauer<br />
<strong>ABB</strong> Automation GmbH<br />
Frankfurt, Alemania<br />
berthold.andres@de.abb.com<br />
thomas.l.bauer@de.abb.com<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
73
página 23<br />
página 9<br />
page 6<br />
página 39<br />
page 26<br />
página page 50 43<br />
<strong>Revista</strong> técnica<br />
del Grupo <strong>ABB</strong><br />
www.abb.com/abbreview<br />
1 / <strong>2006</strong><br />
<strong>Revista</strong> técnica<br />
del Grupo <strong>ABB</strong><br />
www.abb.com/abbreview<br />
2 / <strong>2006</strong><br />
página 6<br />
page 6<br />
página 15<br />
page 26<br />
página page 40 43<br />
<strong>Revista</strong> técnica<br />
del Grupo <strong>ABB</strong><br />
www.abb.com/abbreview<br />
3 / <strong>2006</strong><br />
<strong>Revista</strong> técnica del<br />
Grupo <strong>ABB</strong><br />
www.abb.com/abbreview<br />
4 / <strong>2006</strong><br />
ÍNDICE <strong>2006</strong><br />
<strong>Revista</strong><br />
<strong>ABB</strong><br />
<strong>Revista</strong><br />
<strong>ABB</strong><br />
Los retos<br />
de la fabricación<br />
actual<br />
Derroche<br />
de ingenio<br />
La ciencia de la fabricación<br />
página 6<br />
Más allá del cielo<br />
página 6<br />
Explorando tierras<br />
desconocidas<br />
NOKIA y <strong>ABB</strong> trabajan juntos<br />
página 39<br />
1/<strong>2006</strong>:<br />
Los retos de la fabricación actual<br />
Aplicaciones médicas<br />
página 21<br />
El reto ártico<br />
página 41<br />
3/<strong>2006</strong>:<br />
Derroche de ingenio<br />
a<br />
a<br />
La ciencia de la fabricación 6<br />
El ritmo de fabricación 12<br />
Abróchense los cinturones de seguridad 16<br />
Negocio sin riesgos 19<br />
Explorando tierras desconocidas 23<br />
El camino más corto a China 28<br />
Fuerza motriz 30<br />
La Línea Express 33<br />
La fábrica de interruptores del futuro 36<br />
Fabricación inteligente 39<br />
Más colores, menos pérdidas 43<br />
A punto 47<br />
Excelencia operacional 52<br />
La simplicidad recompensa 55<br />
NÉMESIS 59<br />
Éxito de la simulación 65<br />
Ojo avizor 68<br />
Más alla del cielo 6<br />
El Elefante de plata 10<br />
Problemas especiales, soluciones usuales 14<br />
Robots para los pacientes 21<br />
La respiración, el Sherlock Holmes<br />
de la gastroenterología 25<br />
Una nueva ola de energia renovable 29<br />
Presa de Guri 32<br />
La vía ‘costera’ hacia la energía limpia 37<br />
El reto ártico 41<br />
Electrificación de Londres 46<br />
Nacido para adaptarse 49<br />
El convertidor compacto 52<br />
Grúas inteligentes 56<br />
Elevación y tracción 60<br />
Romper límites 64<br />
Espectroscopia de gases 68<br />
AquaMaster TM 75<br />
Los hacedores de noticias 78<br />
<strong>Revista</strong><br />
<strong>ABB</strong><br />
<strong>Revista</strong><br />
<strong>ABB</strong><br />
Pioneering<br />
Tecnologías spirits<br />
de sistemas<br />
integrados<br />
Soluciones de aplicación enlatadas<br />
Pioneering<br />
spirits<br />
Las innovaciones<br />
más brillantes<br />
Tendencias A revolution de los sistemas in high integrados dc current<br />
measurement<br />
Team-mates: Redes MultiMove de sensores functionality inalámbricos heralds<br />
a new era in robot applications<br />
El canto de Best las innovations líneas eléctricas 2004<br />
2/<strong>2006</strong>:<br />
Tecnologías de sistemas integrados<br />
Los robots desafían A revolution a la mano in high de obra dc current barata<br />
measurement<br />
Team-mates: Las MultiMove mejores innovaciones functionality de heralds <strong>2006</strong><br />
a new era in robot applications<br />
Reflexionando Best innovations sobre el 2004 color<br />
4/<strong>2006</strong>:<br />
Las innovaciones más brillantes<br />
a<br />
a<br />
El reto de los sistemas integrados 6<br />
Tendencias de los sistemas integrados 9<br />
Tecnologías de sistemas integrados en <strong>ABB</strong> 14<br />
Protección integrada de energía 18<br />
Los motores del cambio 23<br />
Laminación y control 26<br />
Los sistemas integrados amplían la automatización 30<br />
Control de accionamientos 35<br />
Redes de sensores inalámbricos 39<br />
Ethernet de alto rendimiento 43<br />
Buses de campo para accionamientos 46<br />
Medicina de motores 48<br />
El canto de las líneas eléctricas 50<br />
Ideas brillantes 54<br />
Robótica do-it-yourself 58<br />
Patrones de diseño 62<br />
Energía inalámbrica en productos sin cables 66<br />
Hacia la mayoría de edad 70<br />
Procesamiento de señales en sistemas integrados 75<br />
FlexLean 6<br />
Dominio de los robots 11<br />
Las mejores innovaciones de <strong>2006</strong> 15<br />
Una visión de red eléctrica autocorrectora 21<br />
Conducción de datos 26<br />
Más allá de la primera impresión 30<br />
Semiconductores de potencia: primera parte 34<br />
Reflexionando sobre el color 40<br />
Cocina de color 44<br />
Poniendo en claro el color 46<br />
Control del color en tiempo real 49<br />
El corte más avanzado 53<br />
Rentabilidad del cemento 59<br />
Conocimiento de los activos 63<br />
Microsistemas en funcionamiento 68<br />
74 <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong>
Consejo editorial<br />
Peter Terwiesch<br />
Group R&D and Technology<br />
Adam Roscoe<br />
Corporate Communications<br />
Ron Popper<br />
Group Editorial Services<br />
Corporate Communications<br />
Friedrich Pinnekamp<br />
Group R&D and Technology<br />
Nils Leffler<br />
Chief Editor<br />
nils.leffler@ch.abb.com<br />
Avance 1/2007<br />
Editorial<br />
<strong>ABB</strong> Schweiz AG<br />
Corporate Research<br />
<strong>ABB</strong> Review/REV<br />
CH-5405 Baden-Dättwil<br />
Suiza<br />
La <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> se publica cuatro veces al<br />
año en inglés, francés, alemán, español,<br />
chino y ruso.<br />
La reproducción o reimpresión parcial está<br />
permitida a condición de citar la fuente. La<br />
reimpresión completa precisa del acuerdo<br />
por escrito del editor.<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> es una publicación gratuita<br />
para todos los interesados en la tecnología<br />
y objetivos de <strong>ABB</strong> y para aquellas personas<br />
que ocupan puestos directivos y necesitan<br />
estar informados sobre los últimos<br />
avances de la tecnología. Si usted desea<br />
una suscripción gratuita puede ponerse en<br />
contacto con la representación <strong>ABB</strong> más<br />
próxima o directamente con la editorial.<br />
Editor © <strong>2006</strong><br />
<strong>ABB</strong> Ltd, Zurich/Suiza<br />
Impresión<br />
Vorarlberger Verlagsanstalt GmbH.<br />
AT-6850 Dornbirn/Austria<br />
Design<br />
DAVILLA Werbeagentur GmbH<br />
AT-6900 Bregenz/Austria<br />
Traducción<br />
Brugos Übersetzungen<br />
Berna, Suiza<br />
jesus@brugos.ch<br />
Exención de responsabilidad:<br />
Las informaciones contenidas en esta revista<br />
reflejan el punto de vista de sus autores y<br />
tienen una finalidad puramente informativa.<br />
El lector no deberá actuar con base en las<br />
afirmaciones contenidas en esta revista sin<br />
contar con asesoramiento profesional.<br />
Nuestras publicaciones están a disposición<br />
de los lectores sobre la base de que no implican<br />
asesoramiento técnico o profesional<br />
de ningún tipo por parte de los autores, ni<br />
opiniones sobre materias o hechos específicos,<br />
y no asumimos responsabilidad alguna<br />
en relación con el uso de las mismas. Las<br />
empresas del Grupo <strong>ABB</strong> no garantizan<br />
ni aseguran, explícita o implícitamente, el<br />
contenido o la exactitud de los puntos de<br />
vista expresados en esta revista.<br />
ISSN: 1013-3119<br />
www.abb.com/abbreview<br />
El factor humano como parte de importantes<br />
sistemas es un tema de gran<br />
interés académico y práctico. En ciertas<br />
aplicaciones de sistemas complejos,<br />
el factor humano puede ser el<br />
eslabón más débil y la mayor responsabilidad<br />
del sistema. En muchos sistemas<br />
es intolerable que se produzcan<br />
averías por error humano, pues peligraría<br />
el rendimiento de producción y,<br />
lo que es más grave, la vida humana.<br />
La primera categoría comprende la<br />
fabricación industrial y la generación<br />
y distribución de energía eléctrica.<br />
La última incluye cabinas de pilotos<br />
de avión, ciertos procesos industriales<br />
(por ejemplo, químicos o nucleares),<br />
diferentes tipos de sistemas de emergencia<br />
y sistemas de control de tráfico.<br />
Se han adoptado muchos métodos<br />
para minimizar el riesgo asociado a la<br />
intervención directa de la persona en<br />
el ciclo y, de hecho, para una sociedad<br />
moderna es fundamental que estos<br />
sistemas funcionen de forma segura<br />
y fiable. Cuanto más se automatizan<br />
estas aplicaciones, tanto más importante<br />
es el factor humano. Los procesos<br />
muy rápidos, como los que se desarrollan<br />
en las redes eléctricas, u<br />
otros mucho más lentos tienen complejidades<br />
específicas que se han de<br />
tratar adecuadamente.<br />
Áreas de gran interés son el soporte<br />
de decisiones (inclusive la generación<br />
de alarmas inteligentes), la visualización<br />
de información y la presentación<br />
ergonómica de datos, así como la facilidad<br />
de uso, desde el diseño hasta la<br />
implementación. En el próximo número<br />
de <strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong>, dedicado a ‘Human<br />
in the loop’ (Persona en el ciclo), exploramos<br />
la investigación académica y<br />
la implantación práctica de las recientes<br />
innovaciones en estos campos. Estos<br />
temas son de gran relevancia para<br />
las actividades de <strong>ABB</strong>. Como destacada<br />
proveedora mundial de sistemas de<br />
automatización, nuestra compañía ha<br />
de estar siempre a la vanguardia del<br />
progreso.<br />
<strong>Revista</strong> <strong>ABB</strong> 4/<strong>2006</strong><br />
75
We help<br />
customers use<br />
less energy to be<br />
more productive.<br />
© 2005 <strong>ABB</strong><br />
Automation and control systems that boost productivity<br />
and reduce energy costs. Visit us www.abb.com<br />
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