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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 />

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