Memorias de OEMs - Armarios de control
Pere Garriga nos habla respecto de todo lo que tiene relación con la fabricación del armario de control y cómo mejorar para optimizar el proceso
A lo largo de los muchos años de trabajo con todo tipo de fabricantes de maquinaria, con los que he colaborado estrechamente, he visto y he vivido la forma en que trabajan; desde los más pequeños, hasta los más grandes y desde las aplicaciones más simples a las más complejas.
En esta tercera parte pretendo compartir experiencias al respecto de todo lo que tiene relación con la fabricación del armario de control. Simplemente voy a exponer una serie de puntos genéricos y mi opinión de cómo se podrían mejorar para optimizar el proceso .
Esquemas eléctricos
He encontrado de todo, desde algún cliente que no hace esquemas, desde esquemas hechos “a mano” dibujando rectángulos y trazando líneas con la regla y el cartabón, hasta infinidad de sistemas basados ya en ordenador.
Me remonto a finales de los 80, en aquella época un verdadero CAD eléctrico tenía un coste muy elevado, por lo que muchos OEMs, Integradores y cuadristas optó por utilizar AutoCAD, u otro CAD mecánico, creando bloques para cada componente (Variadores, PLCs, Térmicos, Transformadores, Etc.) que luego se unían mediante líneas que representaban el cableado. En este caso los esquemas, en función del gusto de quien había dibujado los bloques, tenían un aspecto bastante profesional. Pero no era más que un dibujo que servía para hacer el armario eléctrico, no se podía generar ni la lista de materiales, ni mucho menos el listado de conexiones. También había quien intentaba sacar algo más mediante el lenguaje de programación AutoLisp.
En aquella época corría también el programa Orcad para la realización de esquemas electrónicos y que en este caso sí que generaba listado de materiales, dicho programa permitía la creación de circuitos integrados customizados con el número de pines deseado y contemplando si se trataba de entradas o salidas llegaba a detectar errores de conexionado; por lo que resultaba fácil crear un variador de frecuencia como si fuese un chip con entradas y salidas. El mismo proceso se aplicaba para el resto de los componentes y siempre había un posible Workaround para que, incluso los bornes de conexión apareciesen en el listado de materiales. El resultado final no quedaba tan profesional, era un esquema eléctrico “electrónificado”, pero cumplía sobradamente su cometido y casi mejor que en el caso anterior.
En la actualidad no he conocido ninguna empresa que no tenga bien resuelto este apartado empleando alguno de los múltiples programas de CAD Eléctrico disponibles, siendo Eplan el que predomina, por lo que los esquemas son muy, muy profesionales y con toda la información y listados que el programa ofrece facilita notablemente la fabricación del cuadro eléctrico.
En este punto solo se me ocurre, como punto de mejora, que se podría obtener algo más de los programas de diseño y sacar más provecho de toda la información que llegan a ofrecer.
1. Distribución y montaje de los equipos en el armario.
Aquí lo primero que tengo que decir es que para hacer una correcta distribución de los equipos hay que leer los manuales de instalación del fabricante, donde se habla de distancias, ubicaciones y buenas prácticas para prevención de problemas relacionados con la inmunidad electromagnética (CEM).
Pero, con los dedos de una mano puedo contar a los clientes que se leen los manuales y respetan las recomendaciones del fabricante, a la mayoría les resulta más fácil llamar para preguntar y luego queda una minoría que ni se leen los manuales ni preguntan y que luego se extrañan de que al dar tensión haya más fenómenos extraños en su armario, que en la película Poltergeist.
Actualmente la mayoría de los armarios eléctricos obtienen notas superiores a un 6,5 y algunos llegan casi al 10, pero siempre hay algunos detalles, sobre todo en el aspecto CEM (se habla en el siguiente punto), que no se contemplan y creo que es porque se piensa que de la forma que se hace ya va a funcionar sin problemas.
Después están las máquinas con el cuadro eléctrico integrado en su bancada o en su interior donde haya un mínimo espacio. Esto facilita la instalación de la máquina en casa del cliente final, pero suele complicar la puesta en marcha y el mantenimiento por la falta de accesibilidad. En estos casos el espacio es limitado y el objetivo es el de hacer que todo quepa en el espacio disponible; He encontrado casos con equipos montados hasta en las paredes laterales del armario.
Pero el armario eléctrico más “curioso” que he visto, fue uno con siete variadores de frecuencia que estaban repartidos por la placa de montaje de forma que la distancia entre cada uno de ellos fuese lo más equidistante posible y el cableado, sin canaletas, al aire y sujetado por bridas. ¡Muy artístico!
Hay que leer más los manuales de instalación de los fabricantes de los componentes y procurar dimensionar los armarios de forma que se cumplan todas las recomendaciones.
2. Temas relacionados con la inmunidad electromagnética.
En primer lugar, tengo que decir que no hay fantasmas, quien no conoce nada del tema puede llegar a pensarlo, pero todo lo que ocurre en los cuadros de control, por cuestiones de interferencia electromagnética, tiene su causa, su explicación y su solución.
¿Cómo se generan los ruidos electromagnéticos? Explicado de una forma muy, muy básica, cualquier señal que conmute muy rápidamente (del orden de µSeg o nSeg), como los IGBT de un VDF, genera armónicos de muy alta frecuencia, estas señales de radiofrecuencia se inducen en los cables y/o se acoplan capacitivamente y pueden generar problemas aleatorios en los equipos instalados en el armario de control. Por tanto, hay que derivar estas señales de radiofrecuencia, por el camino más directo, al plano de masa del armario, que es la placa de montaje y que tiene que estar conectada a una buena toma de tierra.
Hay que decir que un buen conductor, de baja impedancia, para las señales de radiofrecuencia requiere mucha superficie, no mucha sección. Por ello un cable de tierra de 6 mm² es bueno para derivar fugas a tierra cuando se trata de una señal de 50Hz, pero es malo para las señales de alta frecuencia. Un trozo de papel de aluminio de unos pocos cm² de superficie es muy bueno para derivar al plano de masa las señales de radio frecuencia, pero es malo para derivar una fuga de una señal de 50Hz a tierra.
Si nos remontamos a los años 80 no se hablaba demasiado de CEM, los cables de potencia a la salida de los variadores de frecuencia no se apantallaban, como mucho se protegían los cables con señales analógicas, pero poco más y no había problemas. Además, se empleaban placas de montaje pintadas (típico color naranja) por lo que los equipos instalados no quedaban conectados a un plano de masa común. La razón por la que no solía haber problemas es porqué los tiempos de conmutación de los IGBTs de aquella época eran mucho más lentos y no generaban tanto “ruido”, por otra parte, los circuitos de control funcionaban a frecuencias mucho más bajas y eran inmunes a tan altas frecuencias por la tecnología empleada en su fabricación, podríamos hablar de inmunidad de forma nativa.
Con la evolución, tan rápida, de la tecnología, las velocidades de las CPUs, DSPs, IGBTs han aumentado de forma increíble, de MHz a GHz y ahí sí que hay que tener precauciones y seguir todas las recomendaciones del fabricante.
Problemas por malas prácticas EMC, referidos a:
- Cables de feedback. A medianos de los ochenta, cuando la oferta de servomotores era bastante limitada, el coste de los cables de feedback era relevante y muchos optaban por fabricárselos por sus propios medios. Había desde quien no le daba importancia a que los cables tenían que ser de pares trenzados y apantallados, hasta quien empleaba conectores del tipo Sub-D de plástico, sin mantener el apantallamiento, para poder conectar el cable del armario a la máquina. Incluso he llegado a ver cables pelados empalmados a mano y protegidos con cinta aislante o emplear regletas y/o bornes de conexión.
Para entender mejor el tema del apantallamiento, podemos imaginar que en el ambiente hay un contaminante que, si alcanza los conductores del interior de la manguera, estos pierden su aislamiento y sus señales se cortocircuitan y ello provoca fallos esporádicos de lo más diverso. ¿Cómo evitamos que el contaminante no entre en contacto con los conductores internos? Muy fácil, protegiéndolos con un tubo metálico resistente al contaminante, que podríamos decir que es el apantallamiento de la manguera, si empezando por el conector del extremo del servodrive empleamos un conector metálico que envuelve la pantalla 360º y lo mismo en el extremo del conector del lado motor, dicho supuesto contaminante no habrá podido entrar en contacto, en ningún momento, con los cables internos de la manguera y por tanto las señales que estos transmiten no se habrán alterado. Si empleamos un conector no metálico o que no envuelva la pantalla de la manguera 360º, el contaminante entrará en contacto con los cables. Lo mismo ocurrirá si cortamos el cable y lo empalmamos con bornes de conexión u cualquier otro medio que no sean unos conectores adecuados para tal fin.
En este símil el contaminante seria la radiación electromagnética.
Con los cables prefabricados que ofrecen todos los proveedores esto ya está contemplado y no se presentará ningún problema. Algunos clientes que optaron por fabricar sus propios cables gastaron muchísimo tiempo y dinero hasta que los fabricaron de forma correcta.
- Derivación del ruido electromagnético al plano de masa. En este caso se me ocurre poner el símil de un pararrayos para proteger a cada uno de los equipos en un armario de control. La mejor protección es la de tener una buena conexión, contra mayor la superficie mejor, con el plano de masa para derivar tanta energía de la forma más rápida e inmediata. Imaginemos una placa de montaje de las de antaño, pintadas de naranja y por tanto aislantes, había que conectar el equipo mediante un cable de tierra al colector de tierras, por lo que por dicho cable circulaba una corriente que generaba caídas de tensión, ya si los cables de tierra iban de un equipo a otro, había un “baile” de tensiones que podía generar muchos poltersgeist (fenómenos extraños). Con una placa de montaje galvanizada, el chasis de los equipos está directamente unida al plano de masa y la energía del “rayo” se deriva directamente a tierra y no afecta a otros equipos.
Recuerdo una instalación en la que perdimos días en busca de fantasmas, llegamos a pensar que el problema ocurría al arrancar aquella u otra máquina, de las instalaciones del cliente, e incluso llegamos a creer que era culpa de un ventilador del sistema de calefacción. Todo se arregló al rascar la pintura de la placa de montaje de forma que el chasis del equipo quedo en contacto directo con la placa de montaje.
Para aprender más de CEM:
Para mí una de las mejores guías es la de Rockwell Automation, que se puede descargar en:
> Diseño de Sistemas para Control de Ruido Eléctrico
También estas de Schneider Electric.
https://community.exchange.se.com/t5/Building-Automation-Knowledge/Installation-Guidelines-for-Electromagnetic-Compatibility-EMC/ta-p/4187
Lo más importante para prevenir problemas:
1. Puesta a tierra para protección de fugas de los equipos. Hay que disponer de un solo punto de conexión a tierra (colector de tierra) y cada dispositivo que tenga que estar conectado a tierra se unirá, con un cable de suficiente sección, directo al colector de tierras, podríamos llamarlo conexionado en estrella. Nunca conectar el cable de tierra de un equipo a otro y al colector de tierra, lo que sería como una conexión en Daisy Chain, o una conexión en serie.
2. Derivación del ruido electromagnético al plano de masa. Lo más habitual es que todos los equipos que están instalados en el armario ya quedan conectados al plano de masa (placa de montaje) a través de su “chasis”, con una gran superficie de contacto que supone una impedancia muy baja para la radiofrecuencia. Por tanto, no hay mucho más que hacer, salvo que el manual de instalación especifique alguna conexión adicional o la instalación de algún accesorio adicional.
Cuando se trata de la conexión entre varias placas de montaje, en armarios grandes, no vale la conexión entre placas con cables de tierra por mucha sección que tengan. Hay que emplear las trenzas planas que ya suministra el fabricante del armario, por lo que ya se ha mencionado que la radiofrecuencia necesita superficie y no sección para que presente una muy baja impedancia.
3. Cables de potencia y de feedback. Hoy en día casi nadie se plantea fabricarse sus propios cables y se emplean los cables prefabricados que suministran los proveedores de los equipos, que si se instalan correctamente no habrá ningún problema. Los cables de feedback, más si su longitud es superior a 15 Mt., son relativamente delicados y no se deben cortar y empalmar, a no ser que se haga con conectores específicos para tal fin, que mantienen intacto el apantallado de las señales.
4. Conexionado de las mallas de cables de potencia.
Los VDF y los servodrives son auténticas emisoras de radiofrecuencia y los cables de potencia las antenas, por ello hay que poner especial cuidado es su apantallamiento. Además de emplear un cable de potencia apantallado, hay que conectar la pantalla y el cable de tierra según indique el fabricante del dispositivo, normalmente hay que unir la pantalla y el cable de tierra en el lado del motor. En el lado del VDF o del servodrive hay que “pelar” un trozo de la manguera para dejar al descubierto un par de cm de la pantalla y sujetarla en la “abrazadera” que cada dispositivo tiene prevista para tal fin. Puede que en algunos equipos haya que pedir la “abrazadera” como accesorio aparte o en otros se suministre con el producto, pero haya que instalarla en el plano de masa.
Hay quien muestra cierto escepticismo en lo referente al conexionado de la pantalla mediante la “abrazadera”, en este apartado podría contar muchísimas anécdotas de infinidad de Poltergeist por la incorrecta conexión de la pantalla. Pero de forma genérica diré que hay clientes que diseñaron el armario sin tener en cuenta la instalación de las “abrazaderas” y por el trabajo que les supone la modificación se empeñan en no modificarlo.
Pero las leyes de la física del electromagnetismo se siguen cumpliendo y sufren todo tipo de fallos esporádicos, hasta que finalmente conectan la pantalla como se debe y desaparecen todos los problemas.
5. Segregación de los cables de potencia con los de señal. Cuando se trata de VDF y servodrives hay que procurar que el trazado de los cables de potencia y feedback vaya por caminos lo más separados posibles, también los de señales analógicas y comunicaciones. De esta forma evitamos posibles acoplamientos directos capacitivos.
Para mejorar un armario en lo referente a CEM, basta con cumplir todas las recomendaciones de los fabricantes de los equipos y emplear los cables prefabricados en el caso de servo accionamientos.
CONCLUSIÓN / RESUMEN
1. Formación para “exprimir” al máximo las herramientas de diseño de esquemas eléctricos.
2. Instalar los equipos de acuerdo con los manuales de instalación del fabricante.
3. Pasar de la fase de ignorancia inconsciente al conocimiento consciente, en lo referido a CEM
Motion Control
Blog dedicado a la introducción en los conceptos de Motion Control (Control de movimiento) en sistemas de automatización
