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Beckhoff New Automation Technology

Un aumento significativo de las vibraciones en las máquinas puede tener muchas repercusiones negativas, como una reducción del rendimiento del sistema o daños en la máquina y los cimientos. Los sistemas de monitorización de estado (CMS) son capaces de detectar las vibraciones perjudiciales en una fase temprana y optimizar los intervalos de mantenimiento. Con el ejemplo del reequipamiento de una prensa de forja con una fuerza de prensado máxima de 2000 toneladas métricas, Wölfel Engineering explica la eficacia con la que se adaptó e implementó el proceso con la tecnología de control y medición basada en PC de Beckhoff.

Con sede en Höchberg (Baviera, Alemania), Wölfel Engineering GmbH + Co. KG es experta en todos los campos relacionados con las vibraciones, la mecánica estructural y la acústica desde hace más de 50 años. «Nuestros servicios abarcan desde consultas individuales con ingenieros hasta la entrega de soluciones llave en mano para problemas de vibraciones», explica el Dr. Marcus Ries, jefe de Medición y Reducción de Vibraciones. Como ejemplo claro de la monitorización de estado basada en PC, cita la monitorización de estado personalizada de una gran prensa de forja de aproximadamente 150 toneladas métricas, que se puso en funcionamiento en 1989 y se modernizó varias veces en los años siguientes.

Funcionamiento fiable del sistema gracias a la monitorización del estado

Los primeros 15 años de funcionamiento de la prensa estuvieron marcados por un claro aumento de los niveles de vibración, que dañaron tanto la máquina como los cimientos. Al renovar los cimientos en 2004, los ingenieros revisaron por completo la forma en que la prensa estaba instalada y acoplada a sus cimientos. Aunque esto redujo inicialmente la tendencia al aumento de las vibraciones, las fuerzas dinámicas de aplicación siguieron causando problemas en las conexiones mecánicas (por ejemplo, tornillos de expansión arrancados). Esto volvió a provocar un aumento de las vibraciones en 2018, lo que hizo temer una parada de la producción. Para garantizar que la prensa siguiera funcionando de forma fiable hasta la revisión prevista ese mismo año, la empresa revisó provisionalmente la instalación y, al mismo tiempo, efectuó un control de los efectos con un CMS provisional basado en un sistema de medición estándar.

El Dr. Ries explica el éxito de este paso intermedio: «Basándose en un nuevo aumento del nivel de vibración combinado con un nuevo descenso de la frecuencia natural, el CMS detectó que las medidas provisionales estaban fallando y permitió a los operarios implementar contramedidas directamente, como el reapriete o la sustitución de las conexiones rotas». De este modo se evitaron daños adicionales en la base de hormigón como consecuencia de un pretensado insuficiente. Y lo que es más importante, la máquina siguió funcionando las 24 horas del día durante varios meses hasta la reparación programada. Como las piezas se estaban preproduciendo durante ese tiempo, nuestro cliente pudo reservar un extra para el inminente tiempo de inactividad, lo que garantizó su capacidad de suministro».

Tras reparar la prensa y los cimientos, los técnicos instalaron un CMS permanente adaptado al problema de las vibraciones en cuestión, basándose en las conclusiones del comportamiento dinámico de las vibraciones y en los resultados del CMS temporal. Adicionalmente, «nuestro cliente recibió formación in situ sobre cómo utilizar el sistema y recibió ayuda para definir los umbrales de alarma. Gracias a una selección específica de sensores y al CMS con un sistema de control basado en PC de Beckhoff, nuestro cliente ahora puede detectar un cambio en el comportamiento de pretensado de fuerza y vibración con mucha más antelación que antes. A continuación, pueden transmitir esta información al sistema de supervisión de la planta de forma automatizada e integrada».

El sistema descentralizado simplifica el reequipamiento del CMS

Según el Dr. Ries, había un requisito previo para la implementación del mantenimiento predictivo: el CMS permanente debía implantarse como solución reequipada sin modificar el diseño de la prensa y las variables supervisadas debían introducirse en el sistema de supervisión de la prensa existente mediante un bus de datos (Modbus). El carácter abierto del sistema de control basado en PC contribuyó a ello respecto a las interfaces y sistemas de comunicación. Wölfel Engineering lo considera una gran ventaja porque permite al usuario final obtener fácilmente evaluaciones del estado inicial.

Además, la conexión descentralizada de los sensores, que transmite los datos mediante EtherCAT, minimiza las rutas de cableado y aumenta considerablemente la fiabilidad del sistema. De hecho, Wölfel Engineering puede contar con sus componentes estándar industriales probados con un sistema de control basado en PC, lo que se refleja, entre otras cosas, en su excepcional fiabilidad, con un funcionamiento sin fallos desde 2019. Esto incluye también los módulos EtherCAT Box para la adquisición de datos, que permiten la digitalización in situ cuando se instalan directamente en el sistema y evitan largas rutas de señal analógica.

Al seleccionar los sensores adecuados y colocarlos directamente en los componentes críticos transmisores de fuerza, el nuevo CMS ofrece información directa sobre el estado de la instalación y los cimientos de la prensa. Los terminales de entrada analógica EL3114, por ejemplo, recogen datos de los sensores de posición. Esto permite medir la pretensión (tirante) para detectar fisuras en el perno como daño primario. También concluye que un desplazamiento en la unidad de muelle de disco supone la formación de grietas, es decir, daños secundarios en los cimientos. Los módulos EtherCAT Box EP3752-0000 están equipados cada uno con dos acelerómetros de 3 ejes integrados. Proporcionan los datos brutos para calcular la frecuencia natural de todo el sistema como indicador precoz para la renovación de los cimientos. También detectan cualquier posible inclinación de la placa del cabezal. Se utilizan los siguientes componentes de infraestructura: un terminal EtherCAT de 2 puertos EK1122 para la conexión al cabezal de prensado ACC y un acoplador EtherCAT EK1100-0008 (M8) para la conexión a otro armario de control.

El Dr. Ries describe las ventajas del CMS basado en PC y EtherCAT de la siguiente manera: «Un enfoque que incluya el sistema de control basado en PC y la tecnología de sensores distribuidos simplifica la supervisión y el procesamiento de datos para definir los límites de alarma. Aunque estén presentes otras variables (de perturbación), su influencia se reduce al mínimo. El sistema también habría permitido procesar datos complejos mediante modelos, extracción avanzada de características y aprendizaje automático si fuera necesario. Sin embargo, estas opciones no fueron necesarias en este caso. Desde su puesta en servicio, el cliente ha utilizado con éxito el sistema para tareas de mantenimiento predictivo, como la planificación del mantenimiento y la adquisición de piezas de repuesto en función de la demanda».

Un potente PC embebido y el potencial futuro de EtherCAT P

Los datos se recopilan y procesan de forma centralizada –además de supervisar los umbrales de alarma especificados–mediante un PC embebido CX5140 con software TwinCAT (TwinCAT 3 PLC y TwinCAT 3 Modbus TCP). El CX5140 puede transmitir automáticamente por correo electrónico advertencias, alarmas e información relativa a la detección de sensores defectuosos. Para realizar un seguimiento de las tendencias, se puede utilizar Modbus para almacenar y transmitir permanentemente valores estadísticos de los datos de medición (datos de intervalo) al sistema de supervisión interno del cliente. Cuando se superan los límites de alarma, las señales sin procesar se almacenan temporalmente para un posterior análisis de errores. «El proceso de definición de los valores límite de vibraciones y temperaturas es bastante complicado. Estos parámetros difieren de una pieza a otra, incluso en el caso de piezas en buen estado», añade el Dr. Ries. «Sin embargo, cuando se utiliza una plataforma de control basada en PC –-es decir, cuando el control de la máquina y la tecnología de medición están integrados en un solo sistema–, el CMS siempre detecta qué pieza se está procesando en ese momento. Esto significa que los valores límite pueden definirse con precisión para la pieza en cuestión. Además, el PC embebido CX5140 proporciona la capacidad de cálculo necesaria, incluso para aplicaciones de monitorización de estado extensas. Los terminales EtherCAT pueden conectarse directamente al IPC montable en raíl DIN, lo que permite desplegar soluciones CMS extremadamente compactas».

Para futuros proyectos, Wölfel Engineering está examinando actualmente el potencial de eficiencia de la solución de cable único EtherCAT P, que combina la comunicación EtherCAT y la alimentación en un cable Ethernet estándar de 4 núcleos. En este caso, el CMS correspondiente podría implementarse con los módulos EPP3174-0002 o EPP3752-0000 EtherCAT P Box, el terminal EK1322 EtherCAT P o la toma de alimentación EK1310 EtherCAT P.

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