Desafío: Obtención de lecturas precisas del consumo de energía de cada máquina de producción individual, así como información adicional para el mantenimiento predictivo.
Solución: El interruptor digital NZM de Eaton con medición de energía integrada
Resultado:En la planta de Eaton en Schrems, el consumo de energía de cada máquina de producción y producto fabricado puede medirse ahora con un nivel de precisión muy alto.
Historia
Hoy en día, todo el mundo habla de cómo reducir las emisiones de CO2 . Mientras tanto, los gobiernos llevan muchos años preocupados por los esfuerzos para aumentar la eficiencia energética. Medidas como los impuestos sobre el carbono o las etiquetas energéticas (incluso para las máquinas) están a punto de aplicarse. En consecuencia, los impuestos sobre el consumo de energía son ahora un factor de coste creciente para las empresas de varios países; en Alemania, por ejemplo, los gravámenes gubernamentales ya representan más del 50 % de los costes de electricidad. Al mismo tiempo, sin embargo, muchos Estados miembros de la UE han creado oportunidades para que los operadores de plantas reduzcan su carga fiscal. Para poder beneficiarse de estas reducciones, las empresas deben implantar primero un sistema de gestión energética certificado según la normativa ISO 50001 (o un sistema alternativo), que exige, entre otras cosas, la instalación de equipos de medición. Lo ideal es que la medición de la energía se realice a nivel de cada máquina o planta de producción. Esto permite hacer un seguimiento preciso del uso de la energía en una fábrica, identificar los componentes de la planta que consumen más energía y determinar las medidas para aumentar la eficiencia energética en las máquinas.
Captar el consumo de energía de cada máquina individual también permite a los operadores determinar el consumo de energía y, por tanto, los costes energéticos de cada unidad producida por la máquina en cuestión y, en última instancia, el de toda la fábrica. Esto no sólo facilita unos cálculos más precisos, sino que también permite asignar valores energéticos a cada producto acabado. Al integrar la medición de la energía directamente en sus sistemas, los fabricantes de maquinaria pueden ofrecer a sus clientes un verdadero valor añadido.
Pero la instalación de un sistema de medición de la energía tiene sentido incluso en los sistemas existentes, sobre todo si no hay otra forma de captar el consumo de agua, aire comprimido y, sobre todo, electricidad. E incluso si una máquina ya está equipada con contadores de energía convencionales, puede tener sentido investigar soluciones alternativas. Así lo ilustra un proyecto piloto que la empresa de gestión de la energía Eaton ha puesto en marcha en su planta de Schrems (Austria).
Proyecto piloto en las instalaciones de Eaton en Schrems
En la planta de Schrems, unos 700 empleados producen 360.000 piezas individuales cada hora, que se ensamblan en componentes clave para interruptores magnetotérmicos, interruptores diferenciales y cuadros de distribución de baja tensión personalizados. Cada año, la planta de Eaton en Schrems produce alrededor de 3.000 millones de conjuntos individuales y componentes clave. Para poder controlar los 22.000 metros cuadrados de superficie con 170 líneas de producción distintas, Eaton instaló hace unos 10 años un completo sistema de adquisición de datos operativos: «Como la mayoría de nuestras máquinas son parcial o totalmente automáticas y no siempre hay un empleado in situ, confiamos en el sistema de adquisición de datos operativos para monitorizar y controlar todos nuestros procesos» explica Thomas Graf, director de la planta de Schrems.
Medición de energía a nivel de cada máquina individual
Los datos de proceso que cada máquina envía al sistema de adquisición de datos operativos a través de la red de la fábrica también incluyen información sobre el consumo de agua, aire comprimido y electricidad. Para medir el consumo de energía de cada máquina, la planta de Schrems utilizaba anteriormente contadores de energía independientes de clase de precisión 3. Esto permitió realizar mediciones de potencia con una inexactitud del 3 % a la intensidad nominal, en todo el rango de medición: Así, en el caso de un aparato con una intensidad nominal de 100 A, estos contadores medirían incluso una intensidad de 10 A con un margen de error de 3 A. En consecuencia, su solución no solo conllevaba un alto nivel de inexactitud en las mediciones, sino que además requería mucho cableado. Tomemos el ejemplo de una punzonadora y dobladora automática, que se utiliza, entre otras cosas, para fabricar las cámaras de arco de los interruptores: Dado que los interruptores principales del sistema pueden manejar hasta 160 amperios, pero los contadores de energía sólo hasta 80 amperios, hubo que conectar dos contadores con fusibles en paralelo a esta máquina. A través de una interfaz S0, los contadores transmitían sus datos al PLC de la máquina y luego, a través de éste, al sistema de adquisición de datos operativos.
La instalación de dos contadores no sólo requería un cableado adicional, sino que también ocupaba mucho espacio dentro del armario de control. Además, los contadores sólo medían los kilovatios hora consumidos. Por tanto, el objetivo de la reconversión que se acaba de realizar era doble: obtener lecturas más precisas que puedan utilizarse para un cálculo más exacto, y recoger información adicional sobre la salud del sistema, por ejemplo en el contexto del mantenimiento predictivo.
NZM con medición de energía integrada
Por este motivo, Eaton decidió instalar sus interruptores digitales NZM con medición de energía integrada en la planta de Schrems. Mientras que las generaciones anteriores de interruptores de caja moldeada detectan las sobrecargas y los cortocircuitos mediante unidades de disparo termomagnéticas, los últimos interruptores NZM están equipados con un sistema de disparo electrónico, que en el caso de la versión PXR25 también incluye una función de medición de energía integrada. Así, estos dispositivos permiten medir la intensidad y la tensión con una precisión del 0,5 %. Esto permite calcular la potencia y el consumo de energía con una precisión de clase 1, de acuerdo con la normativa IEC 61557-12, que también se aplica a los amperímetros.
Al sustituir el interruptor de caja moldeada NZM existente en el interior de la punzonadora y dobladora por el último modelo, se pudieron eliminar por completo los dos contadores de electricidad y sus fusibles. Los nuevos dispositivos también cuentan con una interfaz Modbus integrada para poder transmitir las lecturas directamente al PLC.
Múltiples beneficios
El uso del NZM para la medición de la intensidad ofrece una serie de ventajas: Por un lado, esto reduce considerablemente el número de componentes necesarios para el sistema. Además, como demostró el proyecto piloto de Schrems, la nueva solución también requiere un cableado considerablemente menor: Mientras que antes había que conectar dos cables a la interfaz S0, más los cables de los propios contadores de electricidad y los fusibles asociados, ahora sólo se necesita un cable, entre el terminal Modbus y el NZM.
El uso del NZM con medición de energía integrada también tiene efectos positivos dentro del armario de control, pues ya no es necesario contar con contadores separados. Y como la última generación del NZM tiene exactamente las mismas dimensiones que las versiones anteriores, sustituir los dispositivos no podría ser más fácil. La reducción de los requisitos de cableado y el ahorro de espacio en el armario de control hacen que el NZM sea especialmente interesante para su uso en máquinas nuevas. En el caso de la maquinaria nueva, la instalación del NZM con medición de energía integrada se traduce en beneficios de costes directos: En la planta de Schrems, Eaton pudo reducir los costes —tanto de equipos como de mano de obra— en un 27 % aproximadamente.
Ventajas también en las adaptaciones
Más allá del factor coste, la instalación del NZM en la máquina aportó un verdadero valor añadido, lo que hace que esta solución sea interesante también para los proyectos de reequipamiento. En este caso, el aspecto más importante es la precisión significativamente mayor de la medición de energía: Esto permite determinar la energía necesaria para la producción de cada unidad y, por tanto, calcular con precisión los costes finales por artículo, lo que puede incluso suponer una ventaja de precio en el mercado.
Al mismo tiempo, el NZM proporciona mucha más información que un contador de energía convencional. Esto incluye prácticamente todos los datos eléctricos del circuito que protege: Además de la corriente reactiva, la corriente activa y la tensión, ahora también se incluyen los valores de potencia y energía, así como otros datos; asimismo, ya no es necesario calcular el factor de potencia por separado, sino que se puede consultar al instante. Esta información puede utilizarse para verificar el correcto funcionamiento de los equipos y subdistribuidores aguas abajo con el fin de realizar un mantenimiento predictivo. Todo lo que se necesita es una «huella eléctrica» de la máquina, que puede crearse registrando los valores eléctricos durante el funcionamiento normal.
Durante el funcionamiento, esta huella digital se comparará regularmente con los datos en tiempo real suministrados por el NZM. En cuanto se detectan anomalías, es decir, desviaciones de la huella eléctrica, es posible deducir información sobre el proceso real de envejecimiento del sistema.
Si, a pesar de todo, se produce un fallo, el NZM ofrece una serie de opciones de análisis para reducir al mínimo el tiempo de inactividad. Así, los interruptores digitales permiten a los operadores hacer un seguimiento de sus aplicaciones: ¿El dispositivo se ha disparado por un cortocircuito o por una sobrecarga? ¿Cuál fue el flujo máximo de intensidad? Los datos registrados en el período previo al evento de disparo se almacenan en el interruptor y pueden ser recuperados de forma remota. Las funciones analíticas integradas del NZM también pueden utilizarse para identificar problemas que afectan a la red de suministro de la máquina. Esto permite detectar fallos que afectan a toda la planta, como las oscilaciones armónicas.
Mejora de la disponibilidad del sistema
Además de los beneficios de los datos en tiempo real, el interruptor también ofrece ventajas adicionales que contribuyen a mejorar la disponibilidad del sistema. Por ejemplo, el interruptor es capaz de determinar su vida útil restante en cualquier momento. Esto significa que después de cada disparo, independientemente de si se debe a una sobrecarga o a un cortocircuito, los operadores pueden decidir rápidamente si el interruptor necesita ser sustituido o no. Mientras que en el pasado, los interruptores solían sustituirse inmediatamente como medida de precaución, ahora pueden permanecer en funcionamiento mucho más tiempo.
Mantenimiento seguro y sencillo
El mecanismo de disparo electrónico de última generación del NZM también mejora la seguridad del personal de mantenimiento de la planta de Eaton en Schrems. Para muchas tareas, ya no es necesario abrir el armario de distribución: «A través de la interfaz USB del armario de distribución, podemos comunicarnos directamente con el desbloqueo electrónico sin tener que abrir la puerta» dice Wolfgang Strondl, director de la división de producción de piezas metálicas de la planta de Eaton en Schrems. Así, mediante un ordenador portátil y el software Power Xpert Protection Manager, los técnicos pueden acceder fácilmente a la información de la aparamenta y ajustar la configuración en consecuencia. Eaton sigue mejorando el interruptor NZM para que en el futuro también sea posible probar las funciones de protección a través de la interfaz USB. Así, sin necesidad de utilizar costosos equipos de prueba externos, será posible comprobar los parámetros de protección seleccionados por el usuario, el funcionamiento de los convertidores internos o si el dispositivo está correctamente conectado a la unidad de disparo. Además, el software permite a los técnicos simular cualquier intensidad y comparar los tiempos de disparo automáticamente, de acuerdo con la curva de disparo seleccionada.
Valor añadido para las máquinas nuevas y los reequipamientos
«Nuestro proyecto piloto ha demostrado que la instalación del NZM con medición de energía integrada vale la pena en más de un sentido» concluye Wolfgang Strondl. Incluso en el caso de un proyecto de modernización, el NZM no sólo proporciona datos muy precisos, sino que sus características adicionales también mejoran el funcionamiento de la máquina en términos de mantenimiento y disponibilidad. En las máquinas nuevas, el NZM con medición de energía integrada demuestra sus ventajas sobre una solución convencional con contadores de energía: Además de los costes totales significativamente menores de adquisición e instalación, también facilita diseños de máquinas y paneles de control significativamente más compactos. Thomas Graf: «Este proyecto ha confirmado nuestra decisión de utilizar el NZM con medición de energía integrada en todas las futuras máquinas de la planta de Schrems».
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