Revista ABB_2_09_72dpi

2/2009

La revista técnica corporativa del Grupo ABB

www.abb.com/abbreview

Revista ABB

Pioneering spirits

A revolution in high dc current measurement

page 6

Team-mates: MultiMove functionality heralds a new era in robot applications

page 26

Best innovations 2004page 43

a

Verde es crecimiento

El reciclado hace que los productos sean más ecológicos

página 10

Hacia una mayor eficienciapágina 25

Productos de ABB hechos por robots de ABBpágina 47

Los tradicionales arrozales asiáticos que embellecen la portada de la pre-sente edición de la Revista de ABB llevan generaciones garantizando la supervivencia de las comunida-des locales. Aunque las emisiones de gases de efecto invernadero son causa de preocupación, los agricultores que trabajan en estos campos lo hacen de una manera que mantiene y respeta la base de su producción, permitiendo que las futuras generaciones sigan explo-tándolos. Al igual que estos agricul-tores, la sociedad en su conjunto es custodia de un frágil sistema. Aparte de optimizar la rentabilidad, las empresas de hoy deben proteger los factores elementales en los que se fundamenta su éxito: el medio ambiente y los recursos naturales.

3Revista ABB 2/2009

Editorial

En los primeros tiempos de la industrialización, la humani-dad disponía aparentemente de unas fuentes de materias primas inagotables. La escala de la actividad era entonces lo suficientemente pequeña como para no tener en consi-deración los efectos negativos de los residuos o la conta-minación. Los efectos antropogénicos en el medio ambien-te han aumentado desde entonces hasta el punto de que la correlación entre el uso de los bienes y su disponibilidad no puede ya pasarse por alto. De hecho, ni siquiera puede darse por descontada la disponibilidad del agua y el aire limpios que necesitamos para vivir. Los empresarios actua-les deben no sólo optimizar el rendimiento de sus propias empresas, sino también considerar las posibles repercusio-nes, en un sentido más amplio, de las actividades que desarrollan.

El lema de ABB “Power and productivity for a better world” (Energía y productividad para un mundo mejor) refleja la visión de que nuestros productos y servicios deben no sólo respaldar a nuestros clientes en sus objeti-vos empresariales, sino también estar integrados simbióti-camente en una perspectiva más amplia de la sociedad y del mundo en el que vivimos. Sólo si pensamos de manera sostenible y si protegemos las bases de nuestro éxito podremos garantizar su continuidad. El compromiso de ABB con la sostenibilidad se refleja en el hecho de que el 50% de su presupuesto corporativo para I+D se invierte ahora en soluciones para el ahorro energético.

ABB ofrece numerosos productos con una gran eficiencia energética. Éstos reducen la huella de carbono de sus apli-caciones, al convertir, transportar o usar la energía con mayor eficiencia que la que era viable anteriormente. Entre los ejemplos de conversión de energía eficiente que se ofrecen en este número de la Revista ABB se incluye un nuevo turbocompresor A100 y el convertidor BORDLINE® M para aplicaciones de tracción auxiliares.

Los accionamientos de velocidad variable de ABB suelen figurar entre los productos estrella de la empresa por lo que respecta a ahorro de energía. Un equilibrio medioam-biental objetivo no se centra únicamente en la energía, sino que considera un abanico más amplio de factores. En un artículo de este número de la Revista ABB se mues-tra que el impacto global en el medio ambiente en todos los ciclos de vida de estos accionamientos es también sumamente favorable.

En una línea parecida, otro artículo examina la reducción de residuos que permite el mejor reciclado de los materia-les de aislamiento.

La utilización de imanes permanentes en los grandes moto-res constituye desde hace tiempo un objetivo difícil de alcanzar, pero los avances realizados en los materiales magnéticos significan que tales aplicaciones son factibles en la actualidad. Además del ahorro en energía y compleji-dad que ha permitido la eliminación de los equipos de excitación, la gama de velocidades bajas que pueden alcanzar estos motores significa que también se puede prescindir de las cajas de engranajes. Aparte de mejorar la eficiencia energética, resulta positivo también por lo que respecta al espacio, la fiabilidad y el coste del ciclo de vida. Tales soluciones son importantes tanto para las apli-caciones de accionamiento industriales como para los generadores de las turbinas eólicas.

Los ahorros de energía pueden lograrse asimismo mediante mejoras en los conceptos de control asociados. cpmPlus Expert Optimizer ayuda a ejecutar procesos industriales con eficiencia. En otro de los artículos de esta revista se investiga el modo en que puede diseñarse el software para que contribuya a mejorar la eficiencia energética.

Los robots son no sólo un símbolo de productividad, sino también una herramienta poderosa para la sostenibilidad. Pueden trabajar en entornos que no serían seguros para las personas y, además, la precisión y la repetibilidad de sus acciones generan menos residuos. La mayoría de las aplica-ciones de los robots que se presentan en este número de la Revista ABB se centran en los robots de ABB que hay en funcionamiento en las instalaciones de los clientes. Uno de los artículos de esta edición adopta un enfoque distinto y demuestra que ABB utiliza también sus propios robots: véalos a pleno rendimiento para fabricar los motores de ABB.

Espero que estos artículos le sirvan para tener una idea más completa de cómo contribuye ABB a la sostenibilidad y para mostrarles que los continuos esfuerzos que realiza la empresa conducen a mayores mejoras.

¡Que disfrute de su lectura!

Peter TerwieschDirector general de tecnologíaABB Ltd.

La sostenibilidad importa

4 Revista ABB 2/2009

Revista ABB 2/2009Verde es crecimiento

Índice

Perspectiva global

6Problemas energéticos mundialesUna entrevista a Ernest Moniz, profesor del MIT,

que arroja luz sobre las causas de la crisis energética

mundial.

Procesos sostenibles

10Por un medio ambiente mejorLos productos de transmisión y distribución de electrici-

dad cuentan con un verdadero potencial de reciclaje.

17Compromisos óptimosExpert Optimizer ayuda a las empresas de control de

procesos a responder a unas condiciones de mercado

complejas y en continuo cambio.

23Un Modelo Gate más verdeEl hacer más ecológico un producto debería ser cuestión

de abrir puertas, no de superar obstáculos.

25Una inversión que merece la penaLos accionamientos de velocidad variable adquieren

protagonismo en la batalla contra las emisiones nocivas

y el desorbitado aumento de los costes energéticos.

La sostenibilidad y la energía

29El atractivo de la sencillezLos imanes permanentes en los motores permiten lograr

atractivos ahorros en complejidad, espacio y energía.

35Bordline® MUn convertidor auxiliar para trenes que aúna unos

innovadores conceptos de conmutación con una elevada

eficiencia energética.

42Un giro positivoLos turbocompresores de ABB han provocado una

revolución en el diseño de motores moderno.

47Predicar con el ejemploRobots de ABB que fabrican los productos de ABB.

50Cada pequeña aportación cuentaPoco a poco, se están logrando mejoras de la eficiencia

a través de la mejora del software.

5

6

10

25

58

Resultados sostenibles

55Servicio de gestión interna inteligenteTodo el mundo gana gracias al sistema de control de

edificios i-bus KNX®.

58MetamorfosisABB ha descubierto el método IDEAL de gestionar el

cambio.

64Análisis de fiabilidadLos datos y el software de modelización ponen de

manifiesto el valor de las mejoras.


Revista ABB 2/2009


Perspectiva global

Habida cuenta del continuo crecimiento de la demanda energética, de la rápida disminución de los recursos y del cambio climático, el mundo se enfrenta a multitud de problemas. ABB entrevistó a Ernest Moniz, profesor de física del Massachusetts Institute of Technology y direc-tor de la MIT Energy Initiative y le preguntó cuál es su postura acerca de la crisis energética mundial.

Problemas energé-ticos mundialesEntrevista con Ernest Moniz en la que se analizan ciertos problemas de carácter conflictivo que exigen atención inmediata

7Revista ABB 2/2009

Problemas energéticos mundiales

Perspectiva global

tar emprender medidas de adaptación de gran alcance.

¿Se enfrentan las economías desarrolla-das y las economías en desarrollo básicamente a los mismos problemas?El problema común más evidente es el del cambio climático, ya que tiene repercusiones globales. Sin embargo, la naturaleza de las repercusiones diferirá según el lugar de que se trate. En China están creciendo los desiertos, mientras que Oriente Medio se enfrenta a graves problemas relacionados con el agua. Observamos una peligrosa reducción de las precipitaciones de nieve y de la masa de hielo de los glaciares del Himalaya y a menudo olvidamos que los principales cursos de agua de la región, desde el río Ganges hasta el Mekong, dependen de ello. Si se reduce el caudal de tales cursos, ¿se puede ima-ginar las consecuencias que ello tendría para los más de mil millones de perso-nas que viven en dicho arco?También se presentan oportunidades. Los países en desarrollo quedarán reza-gados con respecto a los desarrollados a la hora de dar una respuesta seria al cambio climático, pero el ritmo de crecimiento de sus infraestructuras ener-géticas será mucho mayor, lo que les brindará una mayor oportunidad de emplear nuevas tecnologías. Tenemos que cerciorarnos, no obstante, de que las sociedades en desarrollo puedan permitirse estas tecnologías. El cambio llevará mucho tiempo pero, si tales sociedades desarrollan sus infraestructu-

El tercer gran problema es el riesgo asociado al cambio climático. Éste es, en mi opinión, el más grave de los tres problemas, ya que disponemos de un sistema energético mundial que depen-de en, más o menos, un 85% de los combustibles fósiles. Así pues, cuando pedimos que se logre una importante reducción del uso de carbono en un sistema que se basa fundamentalmente en dicho elemento, nos estamos refi-riendo a una transformación muy drásti-ca. Ahora bien, ¿por qué se trata de una “tormenta perfecta”? Porque exis-ten, de manera inherente, ciertas tensio-nes en las respuestas a estos tres pro-blemas.

¿Cuál es el problema que plantea la estrategia de seguir actuando como hasta la fecha y adaptarse, según sea necesario, cuando llegue la hora? Las incertidumbres no resueltas aún en cuanto a la comprensión de las repercu-siones del cambio climático representan una fuerte motivación para limitar, en la medida de lo racionalmente posible, la acumulación de gases de efecto inverna-dero. Nos enfrentamos a la gran preocu-pación de que podamos experimentar cambios considerablemente más abrup-tos y no lineales en nuestro clima, los cuales depararían unos resultados bas-tante catastróficos. Tenemos que impul-sar las medidas de mitigación del riesgo frente al cambio climático con todo el vigor que sea posible, siendo conscien-tes de que, desde la situación en que nos encontramos hoy, no podremos evi-

¿Cuáles son a su juicio los principales problemas mundiales en materia de energía?Se ha formado una “tormenta perfecta” compuesta por tres problemas principa-les. El primero se refiere a la cuestión de la oferta y la demanda mundiales en su totalidad. Tal vez experimentemos una ralentización durante el próximo par de años, aunque se tratará de una respuesta temporal a la contracción eco-nómica global frente al gran crecimiento futuro de la demanda de energía, impul-sado en su mayor parte por las econo-mías emergentes. La demanda de electri-cidad es el componente de más rápido crecimiento en este contexto y se espera que, aproximadamente, se triplique entre 2000 y 2050. Hemos de tener en cuenta, sin embargo, que dicho incre-mento representa apenas que el consu-mo de electricidad per cápita de la población mundial que, según las pro-yecciones, alcanzará los 9.000 millones de personas en 2050, se eleve hasta alcanzar un nivel relativamente bajo conforme a los cánones actuales de la OCDE. Dicho de otro modo, existe una presión muy real que impulsa el creci-miento.El segundo problema, diría, lo represen-ta toda la serie de cuestiones vinculadas a la seguridad energética, incluidas la dependencia de unos pocos proveedo-res de petróleo y gas y la preocupación que genera la proliferación nuclear. Desde luego, estos problemas los perci-ben de un modo acusado las poblacio-nes de los países ricos.

Ernest Moniz es profesor de física del

Massachusetts Institute of Technology

(Estados Unidos) y director de la MIT

Energy Initiative, un programa de ámbito

institucional concebido para contribuir a la

transformación del sistema energético

mundial, con objeto de que éste responda

a los problemas del futuro. Ocupó el cargo

de Subsecretario del Departamento (Minis-

terio) de Energía de los Estados Unidos

entre 1997 y 2001. ABB y la MIT Energy

Initiative celebraron en 2008 una asociación

de investigación.

Cuadro Acerca del Profesor Ernst Moniz



Perspectiva global

electricidad consumida en el mundo. En unas pocas regiones concretas, la ener-gía hidroeléctrica puede seguir gozando de ciertas oportunidades; después viene el resto de fuentes de energía renova-bles. La eólica está empezando a efec-tuar una aportación sustancial, a unos costes razonables y en emplazamientos adecuados, mientras que la solar está logrando unas rápidas reducciones de los costes y cuenta con un considerable potencial. La mejora del suministro de electricidad será un importante factor de capacitación. Así pues, existen múltiples sendas tecnológicas desde las que abor-dar los problemas del sector de la ener-gía. El verdadero problema consiste en continuar el trabajo emprendido.

Al sector político le corresponde, obvia-mente, una importante función en todas estas estrategias pero, ¿cómo pue-den ayudar los gobiernos, absteniéndo-se de elegir las tecnologías vencedoras? En principio se antoja bastante simple, aunque, conforme a lo observado, pare-ce que resulta, políticamente, bastante complicado. En primer lugar, una políti-ca para incentivar tecnologías de bajas emisiones debería limitarse justo a eso, sin seleccionar la tecnología concreta. En segundo lugar, el desarrollo y la demostración de la tecnología deberían ser, desde el punto de vista tecnológico, lo más neutrales posibles. Habría que adoptar decisiones al financiar proyectos de demostración, aunque es preciso que financiemos de un modo mucho más agresivo una cartera de proyectos que nos impulsen en la dirección de unas tecnologías de bajas emisiones.

te, simplemente, en pasar de unos com-bustibles que emiten grandes cantidades de dióxido de carbono a otros que emi-ten menos: del carbón al gas natural, por ejemplo. Existe asimismo la posibili-dad que ofrecen la captura y el almace-namiento de dióxido de carbono en las centrales de carbón. La viabilidad comercial de esta tecnología ha de demostrarse aún de un modo práctico, aunque representa una opción impor-tante. A continuación, por supuesto, cabe citar la posibilidad de que la ener-gía nuclear experimente un gran creci-miento; aquélla, junto a la hidroeléctrica es la única fuente de energía actual exenta de emisiones de dióxido de car-bono y suministra una sexta parte de la

ras energéticas haciendo uso de tecnolo-gías caducas, estaremos hipotecando aún más el futuro.

Entonces, ¿qué estrategias son, según su opinión, las más prometedoras para responder a los problemas que hemos referido?El objetivo número uno debería consistir en aumentar la eficiencia energética en los edificios residenciales y comerciales: el fruto al alcance de la mano al que se alude en el proverbio.“Descarbonizar” el sector eléctrico pue-de constituir muy probablemente otro de los principales focos de atención a muy corto plazo. Se plantean múltiples oportunidades, una de las cuales consis-

Generación de energía eléctrica en el mundo por regiones. (Fuente: Informe mundial de la energía de la AIE 2007)

Miles de millones de kW

año

histórico

OCDE

No OCDE

previsiones20,000

15,000

10,000

5,000

01980 1995 2004 2015 2030

Tasas de crecimiento previstas de generación de electricidad en países OCDE y no OCDE. (Fuente: Informe mundial de la energía de la AIE 2007)

OCDE

Norteamérica

Europa

Asia

No OCDE

Europa/Eurasia

China

India

Otros países asiáticos

Oriente Medio

África

América Central y del Sur

Variación media porcentual anual

1.5

1.4

2.3

4.4

3.9

3.8

2.9

3.5

2.9

0.8

9Revista ABB 2/2009


Perspectiva global

¿Es un sistema de fijación de límites máximos e intercambio de los derechos de emisión, hacia el que muchos mer-cados parecen estar evolucionando, lo bastante neutral como para lograr el objetivo de reducir las emisiones de dióxido de carbono?Un sistema tal será, en principio, neutral, si se trata de unos límites referidos ver-daderamente a toda la economía y si, en último extremo, se subastan los créditos de emisión. Si se concibe un sistema efi-ciente para la recaudación de ingresos y para su devolución a la población –reducción de los impuestos sobre la nómina y la renta, verificación por uni-dad de población– el PIB no debería verse afectado de un modo significativo. Sin embargo, diversas regiones e indus-trias se ven afectadas de modos muy diversos y ello conduce, inevitablemen-te, a que el sistema político considere el modo de compensar tales efectos. Ello entraña un alejamiento con respecto a la neutralidad en las emisiones y al sistema económicamente más eficiente, aunque aborda las realidades que debe tratar cualquier sistema político.

¿Por qué la demanda de electricidad ha aumentado mucho más deprisa que la demanda energética en general?La electricidad entraña una enorme sen-cillez y limpieza de uso: pulsas un inte-rruptor y obtienes energía y, además, no tienes que quemar localmente ningún combustible. Es, además, un indicador muy importante de la calidad de vida, por lo que existe una enorme presión de modernización a través de la electrifica-ción de la sociedad. No discuto que se deba lograr una electrificación total, aun-que creo que existe un fuerte impulso al que se debe el rápido crecimiento. La National Academy of Engineering de los Estados Unidos consideró, acertadamen-te, la electrificación como el mayor logro en materia de ingeniería del siglo XX.

Así pues, si la demanda de electricidad va a seguir experimentando un fuerte aumento, ¿podrán nuestras infraestruc-turas dar abasto a la misma?Obviamente, disponemos de unas infra-estructuras inadecuadas para el futuro. En los EE.UU., estamos funcionando básicamente con un sistema de 50 años de antigüedad que adolece de múltiples deficiencias, aunque creo que es aquí donde una nueva generación de tecno-logías de suministro de tecnologías pue-

de marcar la diferencia. Por ejemplo, las redes de corriente continua de alta ten-sión (HDVC) y larga distancia compen-san las fluctuaciones causadas por las renovables intermitentes y es posible asimismo integrar la tecnología informá-tica en la red de un modo mucho más sofisticado. Ello mejorará la fiabilidad y la eficiencia de la distribución. Básica-mente, las tecnologías necesarias para ello ya existen. Seguramente, existen oportunidades para emprender nuevas actividades de I+D aunque, francamen-te, con las tecnologías de las que ya dis-ponemos hoy y con un programa espe-cífico, podríamos lograr una drástica transformación del sistema de suministro de energía dentro de diez años. En los EE.UU., el nuevo Gobierno ha concedi-do a esta cuestión una gran prioridad y espero que exista un claro compromiso nacional a la hora de llevar tales objeti-vos a la práctica.

Esto nos lleva a otro punto. ¿Qué reper-cusiones cree que tendrá la recesión económica en el sector de las infraes-tructuras energéticas?La recesión ha reducido ya los precios y la demanda de la energía. La cuestión es si estos factores nos llevarán a repetir el error cometido en los ochenta, reanu-dando nuestras actividades tal cual y postergando de nuevo el trabajo pen-diente. Creo que en esta ocasión podre-mos evitar en gran medida que esto suceda, sobre todo porque las poblacio-nes del mundo, incluida la de los EE.UU.,

han adquirido un grado sensibilización mucho mayor con respecto al problema del cambio climático. Se están presen-tando grandes paquetes de estímulo en los EE.UU., Europa, China y la India y no sorprende que aquéllos se centren en la conservación del empleo a corto plazo y en la creación de puestos de trabajo. En todos estos países, una parte sustancial del debate al respecto se está centrando en el crecimiento y la trans-formación de las infraestructuras energé-ticas, lo que es estupendo. Si se actúa adecuadamente, ello constituirá una buena inversión y apoyará el empleo, al igual que nuestros objetivos en materia de energía, seguridad y cambio climático.

Para concluir, ¿si hoy fuera usted a emprender una carrera en el sector de la energía, cuál elegiría?En primer lugar, comenzaría adquirien-do una sólida base en materia de cien-cia y/o ingeniería. Creo que la misma constituye un fundamento crucial para poder influir en el sistema, y no sólo en un sentido tecnológico. Unos análisis sólidos, dotados de fundamento técnico, en la intersección entre la tecnología energética y la política constituyen una importante oportunidad de ejercer influencia en el sistema de manera posi-tiva y representan uno de los principales focos de atención de nuestra MIT Energy Initiative.

Entrevista realizada por Malcolm Shearmur,

Servicios Editoriales de ABB



La transmisión de electricidad y los servicios de suministro generan importan-tes cantidades de residuos de epoxi, silicona y porcelana, especialmente durante el proceso de renovación de infraestructuras obsoletas. En un futuro próximo, la introducción de la tecnología de red inteligente, aparte de contribuir a la creación de una red eléctrica eficiente, vendrá a añadirse inevitablemente a este problema de eliminación de residuos, ya que los equipos antiguos se sustituirán por otros nuevos. Actualmente no existen tecnologías bien definidas que puedan utilizarse para reciclar los componentes aislantes que han llegado al final de su vida útil. Este tipo de residuos acaba con frecuencia en el vertedero.

Con vistas a reducir el impacto de los produc-tos de ABB en el medio ambiente y satis-facer las exigencias de los clientes de cumplir una normativa medioambien-tal cada vez más rigurosa, ABB ha llevado a cabo varios estudios de viabilidad relativos al reci-claje de productos. Estos estudios han identificado el potencial de reciclaje o las opciones de reutilización de los componentes aislantes que podrían desarrollarse para dotar de una mayor sostenibilidad a la transmisión de elec-tricidad y a los pro-ductos de distribución.

Por un medio ambiente mejorOpciones de reciclaje de componentes aislantesRobert Sekula, Till Ruemenapp, Marlene Ljuslinder, Bernhard Doser

11Revista ABB 2/2009

Por un medio ambiente mejor


ciones más recientes se incluyen las siguientes:Austria: restricciones adicionales del uso de vertederos (2004)Dinamarca: prohibición de verter resi-duos combustibles aptos para su incine-ración en vertederos (1997)Francia: prohibición de verter desechos no residuales en vertederos (2002)Alemania: prohibición de verter residuos no tratados (1993) y residuos combusti-bles (2001) en vertederos Países Bajos: prohibición de verter cualquier residuo que pueda volver a utilizarse o que pueda recuperarse en vertederos (1995)Suecia: prohibición de verter residuos sólidos municipales no tratados (1996), residuos combustibles (2002) y residuos orgánicos (2005) en vertederos.

Otras directivas similares, por ejemplo, la Directiva 2002/96/CE del Parlamento Europeo y del Consejo sobre residuos de aparatos eléctricos y electrónicos (RAEE) establece la obligatoriedad de reciclar los “aparatos eléctricos y electró-nicos” (AEE)2) y prohíbe el vertido de tales residuos eléctricos en vertederos

energía constituirá, probablemente, el tratamiento más adecuado. La ventaja de utilizar los residuos poliméricos como combustible para la generación de ener-gía o de calor consiste en que la mayo-ría de los polímeros tienen un alto con-tenido energético. Sin embargo, es importante que la incineración se lleve a cabo, en condiciones controladas, en plantas que dispongan de unos dispo-sitivos de control de la contaminación del aire eficaces, ya que los polímeros contienen a menudo cloro, flúor, bromo, azufre u otros aditivos que, en el proce-so de combustión, pueden producir emisiones perjudiciales. El tratamiento preferible de los residuos poliméricos que contienen aditivos orgánicos noci-vos consiste en controlar atentamente su incineración para que estos com-puestos se destruyan y se eliminen. La decisión sobre si un producto o parte del mismo debe reciclarse o incinerarse es complicada y debe considerarse caso por caso.

En la industria de la energía, muchos productos contienen metales incrustados en otros materiales termoendurecibles. Tales metales pueden estar contenidos en el interior de recubrimientos de epoxi o silicona 1 . La viabilidad de recuperar los componentes valiosos recubiertos por dichos aislantes polimé-ricos se está investigando actualmente en el laboratorio.

Las directivas europeas en materia de gestión de residuos han promovido un aumento de los índices de recuperación y reciclaje mediante la restricción del uso de los vertederos. Entre las restric-

Las gomas de silicona1) y otros mate-riales termoendurecibles se usan con

frecuencia en aparatos eléctricos debido a sus excelentes propiedades dieléctri-cas y a su robustez. Tanto los fabrican-tes como los servicios públicos generan cada año enormes cantidades de resi-duos de componentes aislantes. Debería aplicarse una política de gestión de resi-duos, de manera que estos componen-tes no acabaran en vertederos sino que, en lugar de ello, se reciclaran o se reuti-lizaran.

Ciertos cálculos efectuados recientemen-te indican que el consumo anual de productos de plástico en Europa Occi-dental equivale a 40 millones de tone-ladas [1], de las cuales un 20% se com-pone de materiales termoendurecibles. Tal consumo ingente de plástico da lugar inevitablemente a unas enormes cantidades de residuos, cuyo volumen se ha calculado en unos 22 millones de toneladas, de entre las cuales menos del 40% se reutiliza [1]. Los residuos polimé-ricos pueden reciclarse, incinerarse o verterse en un vertedero. Los resultados de varios estudios de análisis del ciclo de vida demuestran que el reciclaje y la incineración con recuperación de ener-gía son las formas más eficaces de tratar estos residuos. Se debería evitar el verti-do de residuos en el vertedero, ya que aquél no permite recuperación alguna de materiales o de energía de los resi-duos. Si el material de desecho es “lim-pio” y está bien definido, se podrá agru-par, desmantelar y reprocesar con facili-dad para su uso en nuevos productos. Si, en cambio, no se dan estas condicio-nes, la incineración con recuperación de

Notas a pie de páginas1) Las siliconas son polímeros que contienen silicio,

aparte de carbono, hidrógeno, oxígeno, materiales

de relleno y otros elementos químicos. Las gomas

de silicona líquida (LSR) son un tipo de silicona.2) Por “AEE” se entienden todos los aparatos que

para funcionar debidamente necesitan corriente

eléctrica o campos electromagnéticos, y los apara-

tos necesarios para generar, transmitir y medir tales

corrientes y campos pertenecientes a las catego-

rías indicadas en el anexo I A y que están destina-

dos a utilizarse con una tensión nominal no superior

a 1.000 voltios en corriente alterna y 1.500 voltios

en corriente continua.

1 Desechos de los productos termoendurecibles




nuevos métodos de desvulca-nización que, de consolidarse, mejorarán considerablemente la gama de usos de los mate-riales de goma reciclada.

La recuperación de energía de los materiales termoendureci-bles representa una atractiva alternativa al reciclaje. En general, el contenido energéti-co de los materiales termoen-durecibles es alto, con un

poder calorífico bajo [LHV, por sus siglas en inglés] de 10 a 20 MJ/kg, en función del contenido de material de relleno, lo que convierte a este tipo de materiales en un combustible atractivo para la calefacción y la generación de energía eléctrica. El inconveniente con-siste en que la combustión de materiales termoendurecibles daría lugar a la pro-ducción de grandes cantidades de sus-tancias inorgánicas, en forma de mate-rial de relleno, que habría que eliminar de manera económica y con una reper-cusión mínima en el medio ambiente. Como nota positiva, la contaminación atmosférica derivada de la combustión de materiales termoendurecibles es rela-tivamente inocua: una combustión ges-tionada de manera rigurosa no genera emisiones nocivas [3].

La degradación de los plásticos en mate-riales de menor peso molecular median-te fotodegradación, degradación química o biodegradación también representa una opción atractiva para el reciclaje de polímeros termoendurecibles. La piróli-sis es una forma específica de degrada-ción química que reviste un especial

dado que aquéllos se hallan geográfica-mente dispersos en una zona amplia, el incentivo económico de su reutilización en materiales de construcción es bajo. Por otra parte, el material con base de epoxi se utiliza de manera generalizada para aislar equipos eléctricos, lo que supone que deben extraerse diversos componentes internos (núcleos, devana-dos) hechos de metales antes de que pueda volverse a utilizar. Algunas empresas aplican técnicas criogénicas para reciclar los componentes incrusta-dos, pero la calidad de tales componen-tes es deficiente.

El reciclaje de materiales de goma, incluidas las gomas de silicona líquida (LSR, por sus siglas en inglés), se ha limitado hasta la fecha a métodos de separación mecánica tales como el recti-ficado. Las gomas son materiales poli-méricos y entrecruzados (vulcanizados) muy elásticos que, debido a dicha natu-raleza entrecruzada, no pueden fundirse y reprocesarse. Esta característica ha res-tringido su reutilización a la producción de asfalto o materiales de pista de atle-tismo, aunque se están desarrollando

[2]. Unas mayores restricciones impuestas sobre los residuos eléctricos actuales y futuros se traducen en la obligación de los fabricantes y los usuarios finales de aparatos de alta ten-sión de identificar métodos de gestión de residuos alternati-vos.

Métodos de eliminación de residuos termoendureciblesLos materiales termoendureci-bles no se consideran peligrosos y pue-den verterse en vertederos. De hecho, más del 90% de dichos residuos se elimina de tal modo [1]. Sin embargo, el incremento de las cantidades de materiales de desecho y la limitación del espacio disponible para su vertido han generado la necesidad de unas tecnologías más sofisticadas y sosteni-bles para la reutilización de estos mate-riales.

Se han propuesto varias opciones de reutilización de los residuos de materia-les termoendurecibles que evitarían el uso del vertedero: reutilización como material de cons-trucción

reciclaje mecánico recuperación de energía degradación

Una forma sencilla de reutilizar los resi-duos con base de epoxi curado consiste en añadirlos a materiales de construc-ción de hormigón o asfalto. Sin embar-go, ya que sólo se generan cantidades pequeñas de residuos, en relación con el material de construcción necesario, y

b

2 Productos de la pirólisis de productos epoxi

Residuos sólidos Gas Residuos líquidos

3 Configuración de pirólisis experimental a ; instalación piloto para utilización térmica pirolítica b

Sistema de control automático

Gas de pirólisis

Reactor de pi-rólisis

Condensador

Separador de

partículas

Tanque del condensado

Tanque del condensado

Cámara de combustión

Aire

Gases de combustión

Analizador de gases de combustión

para análisis cromatográficoTermómetro

Rot

ámet

ro

Ciclón

a




combustibles, recuperándose así la energía contenida en el interior de antiguos productos desechados.

Nuevo enfoque: el proceso del cementoUn uso alternativo de los resi-duos con base de epoxi consis-te en incinerarlos para calentar los hornos de la industria del cemento. Gracias a su conteni-do de energía relativamente alto, el epoxi puede utilizarse como fuente de calor adicional en un proceso de combustión

de un clínker. Por otra parte, el material de relleno inorgánico (SiO

2 o Al

2O

3 en la

mayoría de las formulaciones) podría incorporarse al propio clínker. El epoxi en polvo triturado y curado se inyectaría a la llama (preferiblemente como parte de una mezcla con carbón pulverizado) en el interior del horno rotatorio de cemento 5 . Durante el funcionamiento normal de un horno de cemento, se generan óxidos de nitrógeno peligrosos. Éstos se derivan de la oxidación del nitrógeno químicamente ligado presente en el combustible (óxidos de nitrógeno del combustible) y por la fijación térmi-ca del nitrógeno presente en el aire (óxidos de nitrógeno térmico). Es posi-ble que los óxidos de nitrógeno puedan reducirse de resultas de la introducción de epoxi en polvo de curado en el com-

En el laboratorio, llevó entre tres y cinco horas degradar pirolíticamente los mate-riales de desecho de epoxi según la cantidad de residuos procesados y la temperatura en que se realizó la piróli-sis. La pirólisis a baja temperatura se realizó a 450 °C, mientras que los proce-sos de alta temperatura se realizaron a 750 °C u 850 °C.

En total, se realizaron tres series distin-tas de experimentos. En condiciones óptimas, los materiales orgánicos deben descomponerse adecuadamente (es decir, el objetivo consiste en reducir al mínimo el contenido de dióxido de car-bono de los residuos sólidos), al tiempo que se conservan componentes metáli-cos de buena calidad metálica para su reciclaje 4 .

Los resultados de estos experimentos demostraron que se puede utilizar la pirólisis para degradar térmicamente los residuos de resina y recuperar los com-ponentes metálicos para su reciclaje. El gas y el petróleo producidos por la pirólisis pueden volver a utilizarse como

interés, ya que es atractiva tanto desde el punto de vista medioambiental como desde el económico y no requiere la separación previa de compo-nentes para recuperar materia-les y energía.

Soluciones que está investi-gando ABBABB está investigando varias estrategias alternativas para la reutilización de componentes aislantes.

PirólisisLa pirólisis es una propuesta atractiva para la reutilización de materiales ter-moendurecibles. Es un proceso de degradación térmica, llevado a cabo en un entorno sin oxígeno, que da lugar a tres categorías de productos 2 : gas pirolítico productos líquidos sólidos (residuo de carbón, minerales de relleno, metales)

En experimentos llevados a cabo en el laboratorio, se desarrolló un reactor pirolítico compuesto principalmente por calentadores eléctricos y por un termo-par 3 . El aparato estaba diseñado para poder regular una amplia gama de tem-peraturas dentro del reactor.

El gas producido por la degradación térmica pirolítica de materiales termoen-durecibles debe purificarse, antes de la combustión, en la cámara de combus-tión. La purificación se logró haciendo uso de un separador de partículas3) y un ciclón4), que condensan las impure-zas del gas para crear productos líqui-dos.

Notas a pie de páginas3) Un separador de partículas (demister) es un

dispositivo de eliminación de gotas de líquido

de un caudal de gas.4) Un ciclón es un dispositivo de eliminación de

partículas de aire, gas o vapor de agua mediante

separación de torbellino.

4 Condiciones experimentales para la pirólisis a diferentes temperaturas

Proceso Pirólisis a baja temperatura

Pirólisis a alta temperatura

Pirólisis a alta temperatura

Residuo termofraguado 1.820 g 4.390 g 1.270 g

Tiempo de pirólisis 3 horas 3 horas 5,5 horas

Temperatura de pirólisis 450 °C 750 °C 850 °C

Productos

Gas Residuo de resina de 97 dm3/kg

Residuo de resina de 103 dm3/kg

Residuo de resina de 98 dm3/kg

Líquido Residuo de resina de 43,96 g/kg

Residuo de resina de 62,19 g/kg


Sólido Residuo de resina de 854,40 g/kg



5 Concepto de utilización de residuos de epoxi en un horno rotatorio de cemento (se muestra aquí el extremo caliente del horno)

Materias primas

Polvo de epoxi

Horno rotatorio de cemento

Inyección de polvo de epoxi

Combustible primario

6 Configuración experimental para la utilización de aislantes de porcelana

a

b

e

c

d

a Tanque de aceite y polvo cerámicob Motorc Quemadord Hornoe Bomba de aceite




tión de ambos tipos de combustible. La magnitud de la reducción de las concen-traciones de NO

x correspondientes se

expone en 7 . Las concentraciones de NO

x en 7a son un orden de magnitud

mayores que las de 7b , ya que la prime-ra, además de los óxidos de nitrógeno térmico, incluye también los óxidos de nitrógeno de combustible derivados de la adición de piridina. Es interesante señalar que la magnitud de la reducción de la concentración de NO

x en 8a

aumenta según se incrementa la distan-cia con respecto al quemador, mientras que en 8b se observa la tendencia opuesta. Se trata de un efecto de los diversos perfiles de distribución de tem-peraturas de ambos combustibles y del distinto mecanismo resultante de forma-ción de óxidos de nitrógeno en la región de la llama dentro de la cámara de combustión. Al margen de estas ten-dencias, 7 y 8 sugieren que la adición de polvo cerámico a los combustibles, tanto al gasóleo como al gas natural, puede ayudar a reducir las emisiones de NO

x durante la combustión.

nido mediante la rectificación de aislan-tes de porcelana usados, puede reducir las emisiones de óxidos de nitrógeno al suministrarse al quemador.

Para aumentar de forma experimental la cantidad de óxidos de nitrógeno produ-cidos en el proceso, se añadió al gasó-leo hasta un 10% de peso por unidad de volumen de piridina C

5H

5N. Ello permi-

tió que las concentraciones de óxidos de nitrógeno en los gases de combus-tión superaran los 2.000 mg/m3. Dichas concentraciones facilitaron el registro de los efectos de añadir polvo cerámico al gasóleo en la concentración de los óxi-dos de nitrógeno producidos. Para veri-ficar el efecto del proceso en los óxidos de nitrógeno térmicos, se llevaron a cabo pruebas adicionales, utilizándose el mismo material de laboratorio pero sustituyendo el gasóleo por gas natural como combustible. En este caso, se eli-minó el quemador de aceite pesado y se instaló un quemador de gas natural (de 6 kW de capacidad térmica) junto al sistema de inyección de polvo 6 . Vol-vieron a calcularse todas las concentra-ciones de NO para un nivel de oxígeno del 3%, con el fin de comparar los resul-tados de las pruebas de combustión con y sin inyección de polvo.

Los resultados indican que la introduc-ción de polvo cerámico dio lugar a una reducción significativa de los óxidos de nitrógeno formados durante la combus-

bustible mientras éste arde. El tipo de combustible utilizado afecta a la canti-dad y al tipo de NO

x generado, al igual

que la temperatura a la que arde (por encima de 1.400 ºC aumenta considera-blemente la cantidad de óxidos de nitró-geno generada). En el proceso de fabri-cación de cemento, la zona de combus-tión del horno y la zona de combustión del horno de precalcinación alcanzan temperaturas superiores a 1.500 °C. Estas temperaturas potencian la formación de NO

x. Las propiedades catalíticas de la

incorporación de epoxi en polvo de curado a la llama pueden favorecer la reducción de NO

x a nitrógeno. Los óxi-

dos de nitrógeno son los componentes más peligrosos producidos en un horno de fabricación de cemento y represen-tan un importante problema ambiental para los fabricantes de cemento. En la tecnología en mojado5), las emisiones de NO

x pueden superar los 4 kg/tonelada

de clínker [4].

No se ha demostrado la validez de esta propuesta de utilización de residuos de epoxi para reducir las emisiones de óxidos de nitrógeno, aunque diversas investigaciones de laboratorio sobre la eliminación de aislantes de porcelana usados han demostrado que éstos poseen una utilidad similar en la reduc-ción de las emisiones de óxidos de nitrógeno [5]. Ciertos experimentos de laboratorio han demostrado que el gasó-leo mezclado con polvo cerámico, obte-

Nota a pie de páginas5) La producción de cemento se lleva a cabo “en

mojado” o “en seco”, en función del contenido de

agua de las materias primas utilizadas. La tecnolo-

gía en mojado procesa lechadas en lugar de polvos

secos. Aunque la química es más fácil de controlar,

dicho proceso exige mucha más energía para elimi-

nar el agua de la lechada mediante evaporación.

El consumo de energía de la tecnología en seco es

mucho menor.

a Gasóleo complementado con piridina

7 Concentración de NO durante la inyección de polvo cerámico:

b Gas natural

2.600

2.400

2.200

2.000

1.800

1.600

1.400

1.200

1.000

800

600

400

200

0

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

Con

cent

raci

ón d

e N

O (m

g/m

3 )

Con

cent

raci

ón d

e N

O (m

g/m

3 )

Distancia desde el quemador (m) Distancia desde el quemador (m)

sin inyección de polvo con inyección de polvo nº 120

con inyección de polvo nº 130 sin inyección de polvo con inyección de polvo nº 110

con inyección de polvo nº 120 con inyección de polvo nº 130

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2




das y terminales metálicos hechos de aluminio, acero o cobre (los bloques de varistores de óxido metálico7) son los principales componentes de los descar-gadores de sobretensiones).

Los varistores de óxido metálico son cuerpos sinterizados8) compuestos prin-cipalmente de ZnO (90%) y de otros óxidos, sobre todo de metales pesados. Puesto que este tipo de material de goma de silicona es relativamente nuevo, no hay ningún método comercial para el reciclaje eficaz de los descarga-dores de sobretensiones usados.

de hoy, no se comprende adecuada-mente la influencia de las concentracio-nes de óxidos metálicos en la cinética de las reacciones de reducción de NO y CO en la superficie del polvo cerámico. Se espera lograr un efecto positivo simi-lar en la reducción de las emisiones de NOx mediante el uso de epoxi en polvo que contenga material de relleno mine-ral. Es importante señalar que el Fe

2O

3,

que se utiliza normalmente como colo-rante en las mezclas de epoxi, es cono-cido por su fuerte efecto catalítico.

Eliminación de los descargadores de sobretensionesDe un tiempo a esta parte se ha gene-ralizado el uso de descargadores de sobretensiones con revestimiento de sili-cona en una amplia gama de sistemas de media y alta tensión. Un descargador de sobretensiones polimérico consta de un revestimiento polimérico y unas bri-

Las reducciones de las emisiones de NO

x observadas pueden explicarse

sobre la base del efecto catalítico de los componentes de polvo cerámico. Se trata probablemente del mismo efecto observado por DeSoete 6 , quien señaló que es posible destruir NO en presencia de un agente reductor (por ejemplo, CO) en ambas cenosferas6) e incluso en la pared de un reactor de cuarzo vacío. DeSoete propuso modelos cinéticos de reacciones relativos a la destrucción de NO y HCN en cenizas volátiles, hollín formado en fase gaseosa y hollín cenos-férico. En todos los casos, la especie nitrogenada se destruyó de manera efi-caz. Los componentes presentes en los aislantes cerámicos son similares a los componentes presentes en las cenizas volátiles, lo que sugiere la existencia de un mecanismo similar para el fomento de la reducción del NO mediante el uso de polvo cerámico. Sin embargo, a día

9 Componentes reciclados procedentes de descargadores de residuosa b

10 Productos después de un procedimiento de reciclado inadecuado

Notas a pie de páginas6) Una cenosfera es una esfera hueca, inerte y ligera

llena de aire inerte o gas que se genera normal-

mente como subproducto de la combustión de

carbón.7) Un varistor es un tipo de resistencia que presenta

unas características de tensión de corriente acusa-

damente no lineales.8) La sinterización es un método de fabricación de

objetos a partir de polvo, mediante el calentamiento

del material por debajo de su punto de fusión hasta

que sus partículas se adhieren entre sí.

a Gasóleo complementado con piridina

8 Reducción de la concentración de NO durante la inyección de polvo cerámico:

b Gas natural

80

70

60

50

40

30

20

10

0

50

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

Red

ucci

ón d

e N

O (%

)

Red

ucci

ón d

e N

O (%

)Distancia desde el quemador (m) Distancia desde el quemador (m)

con inyección de polvo nº 110 con inyección de polvo nº 120 con inyección de polvo nº 130

con inyección de polvo nº 110 con inyección de polvo nº 120 con inyección de polvo nº 130

0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,40 0,50 0,70 1,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,40 0,50 0,70 1,00




Perspectivas a largo plazoLas investigaciones realizadas por ABB a través de experimentos de laboratorio confirman la disponibilidad de tecnolo-gías de reutilización (reciclaje) de diver-sos tipos de componentes termoendure-cibles. Estas técnicas han sido patenta-das por ABB y representan una oportu-nidad de comercialización. Sin embargo, para alcanzar el éxito en este empeño, las organizaciones responsables de la eliminación de los residuos deberían empezar a aplicar una política adecuada con respecto a la recogida eficaz de componentes de desecho, contando con el apoyo de las administraciones locales. Ello dará lugar, en última instancia, a una cantidad menor de residuos de materiales termoendurecibles que aca-ben en el vertedero y a una mayor pro-porción de recuperación de componen-tes valiosos para su reutilización por parte de los fabricantes.

Robert Sekula

ABB Corporate Research

Cracovia, Polonia

[email protected]

Till Ruemenapp

ABB Power Products

Ratingen, Alemania

[email protected]

Marlene Ljuslinder

Bernhard Doser

ABB Power Products

Wettingen, Suiza

[email protected]

[email protected]

ceso de la pirólisis para degradar térmi-camente la silicona. Se aplicó el mismo planteamiento experimental a los resi-duos de epoxi. Se probó con distintas temperaturas con el fin de optimizar los parámetros del proceso, de modo que los componentes internos de buena calidad (sobre todo los varistores de óxido de zinc y otros componentes de metal) pudieran recuperarse para su reciclaje 9 . En condiciones subóptimas, los componentes quedaron destruidos y no fue posible reutilizarlos en otras apli-caciones 10 . Debe señalarse que en esta fase del estudio no se habían llevado a cabo investigaciones pormenorizadas para determinar el rendimiento eléctrico de los bloques de varistores reciclados y su posible reutilización.

Se han realizado investigaciones sobre posibles métodos de reciclar los aislan-tes de LSR. Los métodos de descomposi-ción de los materiales de goma de sili-cona son limitados. El método de elimi-nación más frecuente es la combustión (incineración). Sin embargo, la combus-tión de las gomas de silicona está aso-ciada a temperaturas de más de 900°C, lo que puede dar lugar a la emisión de metales pesados. La propia goma de sili-cona presenta un calor de combustión relativamente alto (17.000 kJ/kg) y se sitúa en un ámbito no muy alejado del correspondiente al carbón antracitoso (de 25.000 a 30.000 kJ/kg).

Teniendo en cuenta todos los criterios de reciclaje, se realizaron pruebas de laboratorio en las que se recurrió al pro-

Referencias

[1] Association of Plastic Manufacturers in Europe (2004). An analysis of plastics consumption and recovery in Europe 2002–2003, Bruselas.

[2] Directiva 2002/96/CE del Parlamento Europeo sobre RAEE (2003), Bruselas.

[3] Pickering, S. J.; Benson, M. (1991) The recycling of thermosetting plastics in Plastic Recycling Meeting, Londres.

[4] European Environment Agency (1996). Atmospheric Emission Inventory Guidebook, Copenhague.

[5] Sekula, R.; Wnek, M.; Slupek, S. (1999) Potential utilization method for scrap ceramic insulators. Journal of Solid Waste Technology and Management, 26 (2).

[6] DeSoete, G. G. (1980) Heterogeneous nitric oxide reduction on flame borne solid particles. Proceedings of Sixth Members Conference. IFRF, Noordwijkerhout.

Compromisos óptimosLograr una mayor eficiencia energética y el cumplimiento de la normativa medioambiental no representa un problema gracias al control avanzado de procesosKonrad S. Stadler, Eduardo Gallestey, Jan Poland, Greg Cairns

La industria moderna trabaja duro para conseguir una producción eficiente. Sin embargo, ello puede ser, a menudo, muy complicado, ya que muchas empresas deben satisfacer unos complejos requisitos contractuales y medioambientales. Esto, a su vez, aumenta la complejidad de las operacio-nes, tanto para los operarios que llevan a cabo el proceso como para los directores de la planta que establecen los objetivos de producción, lo que les obliga a alcanzar compromisos entre la cantidad y el tipo de producción, la disponibilidad de la energía y la volatilidad de sus costes.Las industrias de transformación están ahora en situación de tornarse en prácticamente cualquier cosa que deseen en cualesquiera condiciones de mercado. Gracias al producto cpm Plus Expert Optimizer de ABB, los clien-tes tienen todas las herramientas de control automático necesarias para estabilizar y controlar un proceso y gestionar de forma eficaz la complejidad derivada de las nuevas condiciones de mercado. Por otro lado, el producto incluye asimismo unos algoritmos matemáticos de vanguardia para solucio-nar fácilmente ciertos problemas de optimización y control que hasta hace unos pocos años eran insolubles.



Es fácil de usar, ya que no muestra los elementos complejos, de modo que permite el manejo por parte de usua-rios que no sean especialistas.

Reduce el tiempo de instalación gra-cias a su modularidad, su reusabilidad y su escalabilidad.

Uso experto de los conocimientos sobre procesosUno de los puntos fuertes de cpm Plus Expert Optimizer de ABB consiste en que puede utilizar la lógica difusa y herramientas neurodifusas para desarro-llar aplicaciones. Los sistemas de infe-rencia de lógica difusa incorporan cono-cimientos humanos para tomar y aplicar decisiones eficaces durante un proceso, mientras que las redes neurodifusas se emplean para identificar las relaciones entre las variables clave del proceso. La integración de estas técnicas de control complementarias, en combinación con los vastos conocimientos especializados y la experiencia en materia de procesos de que disponen ABB y sus clientes, permite el desarrollo de soluciones robustas y potentes que proporcionan a la fábrica importantes beneficios econó-micos durante periodos prolongados.

Un experto en control predictivo basado en modelos Además de las herramientas de inteli-gencia artificial clásicas, cpm Plus Expert Optimizer cuenta con un consolidado conjunto de herramientas de control predictivo basadas en modelos (MPC).¿Cómo funciona el MPC? Sobre la base de las capacidades predictivas de un modelo matemático se obtiene una secuencia de futuras acciones de control óptimas1). El primer término de la secuencia se aplica a la planta. Cuando se dispone de las mediciones (o de nue-va información), se establece una nueva secuencia. Cada secuencia se calcula por medio de un procedimiento de opti-mización que persigue dos objetivos: Optimizar el rendimiento Proteger el sistema frente a la vulnera-ción de las limitaciones

Expert Optimizer permite la elaboración de modelos lineales, no lineales e híbri-dos con variables continuas y boolea-nas. Se trata de una característica muy notable. De hecho, aunque los modelos matemáticos lineales están bien contras-tados en lo que atañe al control de los procesos industriales, los modelos no lineales e híbridos (es decir, los modelos

Expert Optimizer incorpora todas las técnicas de control modernas y facilita la instalación rápida de controladores para satisfacer unos criterios de proyec-to exigentes.El cpm Plus Expert Optimizer utiliza las mediciones disponibles para ajustar de manera automática los actuadores de planta, con el fin de potenciar la eficien-cia en un contexto de calidad determi-nado. Además de incrementarse la efi-ciencia de los procesos, se mejoran asimismo la rentabilidad y la fiabilidad. Al igual que el piloto automático de un avión, Expert Optimizer consigue resul-tados garantizando la aplicación en todo momento de las mejores medidas posi-bles, de manera precisa, infatigable y coherente. Además, su implantación se ciñe a unos rigurosos procedimientos de normalización que garantizan un alto nivel de satisfacción y una mantenibili-dad a largo plazo. El cpm Plus Expert Optimizer tiene un historial de éxitos en el mercado, con más de 300 centros de referencia en todo el mundo.Esta herramienta de software incluye las siguientes características: Combina técnicas de programación de la producción óptimas con las técni-cas de control avanzado de procesos e inteligencia artificial clásicas.

Es lo bastante flexible como para gestionar aplicaciones de industrias distintas con requisitos diferentes.

En unas condiciones de mercado en continuo cambio, las empresas no

están en disposición de relajarse y vivir de las rentas de éxitos pasados. En reali-dad, según Akira Mori, uno de los empresarios de más éxito de Japón, “los éxitos del pasado no suelen ser aplica-bles a las nuevas situaciones. Debemos reinventarnos continuamente, responder a unos tiempos cambiantes con modelos de negocio nuevos e innovadores”. Ade-más de los modelos de negocio, serán necesarios productos, procesos y servi-cios innovadores si las empresas y sus clientes desean sobrevivir en unos tiem-pos que no pueden por menos de denominarse difíciles. En lugar de espe-rar a que el cambio se produzca, las empresas deberían buscar cambios en el mercado que puedan constituir una tendencia en ciernes. Determinar con antelación suficiente si es probable que tal tendencia repercuta a largo plazo en el éxito de una empresa permitirá hallar la solución óptima.Los eficaces equipos de ingeniería de ABB llevan algún tiempo empleando a diario técnicas de optimización, con objeto de prestar un servicio a sus clien-tes. Anticipándose al cambio de las con-diciones de mercado y a la necesidad de los clientes de enfrentarse a tales cambios en el futuro, ABB desarrolló una completa herramienta de ingeniería denominada cpm Plus Expert Optimizer.


Compromisos óptimos





Programación por medio de sistemas MLDEl entorno basado en modelos del nuevo Expert Optimizer ha adoptado la clase de modelización de dinámica de lógica mixta (MLD, por sus siglas en inglés) [1]. Los sistemas MLD, desarrolla-dos en el Laboratorio de Control Auto-mático del Instituto Federal de Tecnolo-gía suizo2) (ETH) de Zúrich, generalizan una amplia gama de modelos, en con-creto aquéllos que presentan un com-portamiento continuo y discreto, es decir, los modelos que describen un sistema híbrido. La capacidad de mode-lar sistemas híbridos incrementa consi-derablemente la aplicabilidad de Expert Optimizer de ABB. Ello se debe a que, a diferencia de los modelos lineales, los sistemas MLD pueden modelar limitacio-nes tales como relaciones lógicas del tipo “si la unidad 1 está activada (ON), entonces la unidad 2 está apagada (OFF)” o limitaciones de producción del tipo “o NO hay producción, o la pro-ducción se sitúa entre MÍN y MÁX”.Cuando se emplean sistemas MLD, la tarea de la optimización se transforma en un problema lineal entero mixto o cuadrático para el que existen solucio-nadores computacionalmente eficientes. Según las necesidades, puede aplicarse el mismo marco bien como herramienta de toma de decisiones (programación) de bucle abierto, o bien como herra-mienta de rechazo de perturbaciones (reprogramación) de bucle cerrado [2].En resumen, entre las principales venta-jas que ofrece el método combinado MLD/MPC se incluyen la flexibilidad en la modelización y unos requisitos com-putacionales aceptables.

Establecimiento del modelo, gráficamenteUno de los objetivos de Expert Optimi-zer consiste en hacer la metodología MPC accesible a personas que no sean especialistas. El método MPC plantea un inconveniente, a saber, la necesidad de crear un modelo de proceso lo bastante preciso. Para solucionarlo, ABB propone dividir el proceso en componentes más pequeños pero igualmente sólidos. Por ejemplo, una central de energía hidro-

inglés). El MHE considera el pasado más reciente (el horizonte a partir del que se consideran las mediciones) para calcular los estados actuales del modelo como las condiciones de inicio que minimizan un compromiso (función de coste) entre el sensor y el ruido del proceso. Este método puede emplearse para calcular parámetros empleando el método de estado aumentado.Simulación de procesos. Haciendo uso de una condición inicial determinada para los estados del modelo, esta tarea simula el modelo para proporcionar una visión de futuro mientras las variables manipuladas se mantienen en sus valo-res actuales. El resultado final es una representación del comportamiento de bucle abierto del sistema en las condi-ciones actuales.Optimización de procesos. Con una condición inicial determinada para los estados de modelo y una función de coste, este modo calcula los valores óptimos para las variables manipuladas que reducen al mínimo la función de coste en un horizonte móvil. Las trayec-torias asociadas a las variables manipu-ladas, los estados de modelo y los resul-tados del modelo (variables controladas) pasan a estar disponibles para su visua-lización y tratamiento posterior.

con estados continuos y binarios mix-tos) están empezando a aplicarse ahora a procesos que interesan a los clientes de ABB.El MPC no sólo exige el desarrollo de un modelo matemático para describir el proceso, sino que también requiere la selección –o el diseño– de un índice de gastos-ingresos adecuado (denominado asimismo función de costes) que tenga en cuenta los objetivos que se deben conseguir. Dependiendo de su diseño, la función puede penalizar las desvia-ciones con respecto a unos puntos de funcionamiento determinados o puede limitarse a representar los costes de fun-cionamiento. Las aportaciones óptimas al sistema se calculan mediante la mini-mización de esta función en el marco de las limitaciones definidas por el modelo del proceso. Para ser eficaces, los algo-ritmos de minimización deben sacar par-tido de la estructura del problema tal como se describa en el tipo de modelo (lineal, no lineal, híbrida, etc.) y de las características de la función de optimiza-ción.En Expert Optimizer, se emplea el mis-mo marco de MPC para llevar a cabo tres tareas complementarias importantes para el control avanzado de procesos:Estimación de estado. Esta tarea ejecuta un proceso denominado cálculo de horizonte móvil (MHE, por sus siglas en

1 Biblioteca de Expert Optimizer para bloques mixtos dinámicos-lógicos (MLD) genéricos

Notas a pie de página1) Un ámbito típico es el de la evolución a medio

plazo del sistema.2) ABB inició una colaboración estratégica con el ETH

hace cerca de nueve años.

2 Modelización de un sistema simple bomba-depósito en Expert Optimizer

nivel-depósito-sp-in

flujo de entrada-depósito-sp-in

d-flujo de salida depósito bomba

depósito nivel depósito

nivel-cuba-coste

u

y

u

u

X $$

y




Planificación y programación de la producción, es decir, programación de fábricas de cemento [4], la programa-ción de la producción de dióxido de titanio y distribución de agua

Optimización de procesos económi-cos, a saber, gestión de combustibles alternativos

Optimización de centrales termoeléc-tricas [5]

Control de hornos de cementoUna aplicación estándar de Expert Opti-mizer es el control de hornos en el pro-ceso de producción de clínker de ce-mento. En 3 se muestra una unidad de producción de clínker. Los minerales del clínker se forman en torno a 1.400 °C en el interior del horno rotatorio. Este proceso exige mucha energía térmica, que se obtiene a partir de combustibles fósiles y, en una medida considerable, de otros combustibles alternativos (neu-máticos, plástico, etc.). Para que el pro-ceso sea más eficiente desde el punto de vista energético, los gases de escape calientes se desplazan hasta el horno y siguen ascendiendo hasta la torre de precalentamiento. La harina cruda se desplaza en la dirección contraria y acumula energía procedente del gas en su camino descendente a través de la torre de precalentamiento y en el inte-rior del horno rotatorio. A medida que se calienta, la harina sufre reacciones químicas, como la calcinación, que la pretratan antes de entrar en la fase de mineralización en el tercer, y último, horno rotatorio. El enfriador introduce aire ambiente en el lecho de clínker, lo que garantiza un intercambio de calor eficaz y la rápida refrigeración del clínker. A su vez garantiza que los mine-rales formados conserven la forma nece-saria.El proceso de producción de clínker está muy interconectado, en la medida en que el cambio de uno de los actua-dores principales (tasa de alimentación de la harina cruda, velocidad de flujo de los gases de escape, entrada de combus-tible, velocidad del horno rotatorio) afecta a los indicadores principales del proceso en su totalidad (temperatura en la zona de combustión, temperatura en la segunda etapa del ciclón, nivel de oxígeno en el horno). Por otro lado, la estabilización del proceso depende en gran medida de la composición de la harina cruda, ya que los requisitos de energía en las diversas etapas del proce-

incluye elementos básicos, como varia-bles de entrada/salida, demoras de pro-cesos, ganancias, modelos de estado-espacio, recopilaciones de variables MLD y limitaciones del software y del hardware. Existen bibliotecas similares para modelizar la parte lógica de un sis-tema híbrido. En general, cualquier pro-ceso puede ser modelizado mediante la conexión de estos bloques MLD, tal como ilustra el sencillo sistema de cuba-bomba en 2 . Las funciones de coste se crean utilizando los mismos bloques que constituyen las operaciones por piezas o lineales. El usuario puede, por supuesto, importar sus propios modelos MLD (por ejemplo, los que se originan a partir de algoritmos de identificación de cajas negras) a Expert Optimizer. De hecho, Expert Optimizer 6.1 ofrece una completa herramienta de identificación de modelos.

Expert Optimizer en funcionamientoSe han desarrollado varios proyectos que ponen en práctica las nuevas capa-cidades de optimización basadas en modelos de Expert Optimizer y aquéllos están funcionando con éxito en distintos ámbitos. Los ejemplos más significativos son los siguientes: Control de procesos de bucle cerrado, es decir, control de una fábrica de cemento, optimización de la mezcla y control del horno de precalcina-ción [3].

eléctrica podría dividirse en embalse, presa, turbina, generador y red. La idea consiste en modelizar cada parte con independencia de las demás y represen-tarla gráficamente con un bloque. Cada bloque gráfico registra sus propias limi-taciones y su correspondiente dinámica y sus puertos de entrada y salida (I/O) se adecuan a las entradas y salidas del modelo matemático. El modelo del pro-ceso completo se obtiene, pues, conec-tando gráficamente los puertos I/O de los diversos bloques. La función de cos-te que define el problema del control óptimo se representa también como un bloque gráfico. Si, por ejemplo, el objetivo de la central hidroeléctrica con-siste en maximizar los beneficios obte-nidos por la venta de electricidad, la salida del bloque del generador –que representa la electricidad generada– debería vincularse al bloque de la fun-ción de coste, en el que se almacenarían las tarifas de electricidad que varían con el tiempo.La modularidad del método simplifica la fase de modelización y facilita diseñar, modificar y mantener los modelos. Ade-más, permite la creación de bibliotecas que contienen bloques estándar que pueden volver a utilizarse en distintos procesos mediante el sencillo método de arrastrar y soltar.En 1 se muestra un ejemplo de la biblioteca de Expert Optimizer para blo-ques MLD genéricos. Esta biblioteca

3 Unida de producción de cemento de clínker: el flujo de gas se indica mediante las flechas rojas y el de harina mediante las azules.

Gases de escape

Fase 4 de ciclón

Fase 3 de ciclón

Precalentador

Fase 2 de ciclón

Alimentador de harina cruda

Combustibles primarios

Enfriador

Horno rotatorio

Flujo de harina

Flujo de aire/gas

Fase 1 de ciclón




notables dificultades, ya que debe apli-carse la mezcla correcta de aditivos quí-micos en el momento adecuado y en las condiciones correctas para satisfacer unos rigurosos requisitos de calidad.El esquema del MPC no lineal de ABB permite mejorar la explotación de una fábrica, al someter a ésta a un control continuo de su estado actual y propor-cionar apoyo a la toma de decisiones en tiempo real, con el objetivo de obtener máximos beneficios con un coste míni-mo. La herramienta optimiza el funcio-namiento de la fábrica, equilibrando la oferta y la demanda entre subsistemas. Cada subsistema o sistema intermedio tiene que recibir su correspondiente suministro de materiales y debe dispo-ner de una cantidad de suministro sufi-ciente para producir lo necesario.

promiso entre maximizar la producción (ALIMENTACIÓN) y mantener las varia-bles de proceso críticas dentro de unos intervalos aceptables. Normalmente, el controlador ajusta la entrada de com-bustible (ENERGÍA).Sin embargo, cuando las temperaturas del proceso indican que el sistema se va a enfriar rápidamente, el controlador reduce la velocidad de alimentación (ALIMENTACIÓN) para favorecer una recuperación más rápida.

Programación de fábricas de pasta de papel y de papelLas fábricas de pasta de papel y de papel constituyen entornos ideales en los que demostrar la potencia del MPC no lineal y de Expert Optimizer. El pro-ceso aplicado en dichas plantas entraña

so dependen de los distintos componen-tes de la harina. Para reducir el consu-mo de combustibles fósiles, hasta un 70% de los combustibles utilizados (en función de la configuración del proceso) son alternativos, por ejemplo, residuos. Ello, a su vez, supone un elevado grado de variabilidad en la entrada del calor generado por la quema de combustible. Es importante, por tanto, saber cómo se ven afectadas las condiciones de reac-ción en cada fase del proceso. La cali-dad del clínker depende de ello. En otras palabras, si el sistema no puede compensar a tiempo, mientras la harina fría se desplaza por el mismo, es posible que no se produzcan las reacciones quí-micas necesarias para formar el clínker.El proceso se divide, por lo tanto, en compartimentos o zonas y cada zona influye en la adyacente. Esto permite hacer predicciones relativas a la evolu-ción de la energía dentro de una zona y, por lo tanto, sobre el perfil de tempera-tura a lo largo del proceso de produc-ción en su totalidad. Hasta hace poco, se empleaba un controlador basado en la lógica difusa, pero éste se ha sustitui-do ahora por el método MPC basado en modelos.La predicción de los perfiles de tempe-ratura de la alimentación (azul) y del gas (rojo), tal como se muestra en 4 , proporciona información valiosa cuando se trata de estabilizar el proceso para garantizar la calidad del clínker y la velocidad de producción deseadas. El problema consiste en que los perfiles de temperatura tienen que deducirse de un número limitado de mediciones tomadas en unos pocos puntos a lo largo del proceso (puntos azul oscuro en 4 ). Para superar esta limitación, se utiliza el MHE. Reformulando el problema de optimización para realizar un análisis retrospectivo, en lugar de prospectivo –como en el MPC–, es posible calcular un perfil de temperatura preciso. Esta estimación forma la base del algoritmo de MPC a partir del que se deriva la secuencia óptima para modificar las variables manipuladas de tal modo que los objetivos del proceso se logren de manera igualmente óptima.El rendimiento del controlador se ilustra en 5 , donde la temperatura de la zona de sinterizado (BZT) se mantiene próxi-ma a su objetivo, al tiempo que se man-tiene la temperatura de la torre de pre-calentamiento (BET) dentro de un inter-valo estrecho. Es fácil identificar el com-

4 Perfil de temperaturas de la alimentación (harina) y el gas (aire) con las principales zonas características del proceso de producción

Las flechas correspondientes proporcionan información cualitativa sobre la dirección de flujo y la velocidad del gas y la alimentación. Los puntos azul claro y azul oscuro indican respectivamente dónde se puede medir la temperatura o dónde debe calcularse.

Zona de Zona de Zona de Zona de Zona de calentamiento calcinación transición quemado enfriamiento

Temperatura

Perfil de temperaturas del gas

Perfil de temperaturas de la alimentación

Dirección de avance y velocidad de la alimentación

Dirección de flujo y velocidad del gas

5 Rendimiento de un controlador de horno de cemento MPC

17–19 de marzo de 2009

1.455

1.450

1.445

1.440

110

100

90

80

780

760

740

06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 06:00 12:00

06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 06:00 12:00

06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 06:00 12:00

Objetivo BZT

Alimentación Energía

BET alta BET BET baja

°C

tiempo (horas)

tiempo (horas)

tiempo (horas)

%

°C




bibliotecas de componentes reutilizables.El desarrollo de cpm Plus Expert Opti-mizer 6.1 es el resultado de una fructífe-ra colaboración a largo plazo entre las unidades de negocio y el departamento de investigación corporativa de ABB. De hecho, esta colaboración sirve para poner de manifiesto las ventajas que se desprenden de conjugar las necesidades industriales con los logros de la investi-gación a largo plazo.

Eduardo Gallestey

Greg Cairns

ABB Process Automation

[email protected]

[email protected]

Konrad S. Stadler

Jan Poland


Baden-Dättwil, Suiza

[email protected]

[email protected]

Las relaciones se convierten en no linea-les porque deben comprender una amplia gama operativa de puntos de consigna en planta. En muchos casos, una programación adecuada requiere una gama de modelos que describan, por ejemplo, la química del sodio y del azufre, así como el equilibrio de la fibra. Con mucha frecuencia, se desarrollan modelos más detallados en relación con las líneas de fibra para describir, por ejemplo, el valor kappa y el brillo 6 .Los clientes pueden esperar las siguien-tes funciones típicas del esquema de MPC no lineal de ABB: Planificación de la producción en línea

Una herramienta de planificación de paradas (detiene y limita la capacidad de determinadas secciones del pro-ceso)

Funcionalidad de sensores virtuales Diagnósticos para puntos de medición Análisis de cuellos de botella

Haciendo uso de modelos no lineales y de datos en tiempo real procedentes de la planta y teniendo en cuenta sucesos como el mantenimiento de los equipos clave, Expert Optimizer elabora predic-ciones –válidas por un plazo de varios días– de todas las variables críticas. Nor-malmente, se trata de grandes modelos, compuestos de decenas, cuando no cen-tenares, de estados dinámicos y varia-bles manipuladas y controladas. Ade-más, están configuradas de manera específica para predecir las variables del proceso que no se pueden medir direc-tamente.Estas “aplicaciones de control” se rela-cionan en mayor medida con la optimi-zación de procesos económicos que con

Referencias

[1] Bemporad, A.; Morari, M. (1999) “Control of systems integrating logic, dynamics, and constraints”.

Automatica 35(3), pp. 407–427.

[2] Gallestey, E.; Stothert; Castagnoli, D.; Ferrari-Trecate, G.; Morari, M. (2002) “Using model predictive

control and hybrid systems for optimal scheduling of industrial processes”. Automatisierungstechnik 6,

pp. 285–293.

[3] Stadler, K. S.; Wolf, B.; Gallestey, E. (2007) “Precalciner control in the cement production using MPC”.

Proceedings of the 12th IFAC Symposium on Automation in Mining, Mineral and Metal Processing,

pp. 201–206.

[4] Castagnoli, D.; Gallestey, E.; Frei, C. (2003) “Cement mills optimal (re)scheduling via MPC and MLD

systems”. Proceedings, ADHS 03, pp. 82–87.

[5] Ferrari-Trecate, G.; Gallestey, E.; Letizia, P.; et al. (2004) “Modeling and control of co-generation power

plants: A hybrid system approach”. IEEE Trans. Contr. Syst. Tech., 12(5), pp. 694–705.

6 Modelo Modelica en la herramienta de ejecución de Expert Optimizer 7 Interfaz de operador típica de Expert Optimizer

el control de regulación. En otras pala-bras, tratan de sacar partido de los diversos grados de libertad para incre-mentar el rendimiento económico de la planta.

Una asociación modeloVeinte años de experiencia en la indus-tria de transformación y el conocimiento de técnicas de control consolidadas, tales como la lógica difusa, el control basado en reglas y los métodos neurodi-fusos, se han combinado para crear sofisticadas y vanguardistas técnicas de optimización basadas en modelos.Un solo producto puede gestionar ahora complejas aplicaciones reales en los ámbitos del control de procesos de bucle cerrado y el apoyo a la toma de decisiones de bucle abierto, así como de la planificación y la programación avanzadas de la producción y de la optimización económica. La modeliza-ción, la optimización y las funciones de simulación son fácilmente accesibles a través la interfaz gráfica de Expert Optimizer 7 .La flexibilidad está garantizada gracias a una estructura modular y a la oferta de

Un Modelo Gate más verdeHacer productos sostenibles desde el diseñoLennart Swanstrom

Muchas de las tecnologías de ABB son, por naturaleza, respetuosas con el medio ambiente. La electricidad es probablemente uno de los medios menos contaminantes y eficientes de transportar la energía. Los beneficios para el medio ambiente se observan también en otros muchos productos de ABB. Por ejemplo, los sistemas de control de procesos contribuyen a reducir el derroche de residuos de los proce-sos de fabricación. A lo largo de los años, estas tecnologías se han mejorado y desarrollado para aumentar aún más su eficiencia. El moti-vo debe buscarse en la voluntad de aumentar la productividad con la reducción de las pérdidas: los beneficios ecológicos solían ser un pro-ducto derivado de las mejoras económicas.

El aumento de la sensibilización con respecto al medio ambiente ha cambiado este paradigma. Los procesos y los productos se optimizan en la actualidad para que resulten económicos además de “verdes”. En el presente artículo se examina cómo desarrolla ABB productos más verdes teniendo en cuenta la sostenibilidad desde la fase de diseño.



Para ABB, la búsqueda constante de métodos de reducir al mínimo

el impacto medioambiental de sus productos y actividades se ha conver-tido en una prioridad. En la actualidad es un aspecto esencial en todas las actividades de la empresa. ABB reco-noce que deben prestar atención a este aspecto desde los miembros del consejo de administración a los opera-rios de la fábrica. Para lograrlo, la empresa se ha fijado una serie de objetivos de gestión de la sostenibili-dad, entre los que se incluyen los siguientes: Integración de los aspectos relativos a la sostenibilidad en los procesos de toma de decisiones en todos los niveles de gestión

Aumentar la sensibilización y el compromiso de todos los empleados

El objetivo era, por tanto, modificar este modelo con la adición de crite-rios de sostenibilidad. Entre otros, los siguientes: lista de comprobación relativa a cuestiones medioambientales (p. ej., materiales peligrosos, eficiencia energética y reciclado)

herramientas de apoyo

Un objetivo importante era garantizar que la versión ampliada del Modelo Gate se adoptara y se aplicara en el conjunto de la compañía. Un requisito previo era que lo entendieran todos los que necesitaran aplicarlo. Al intro-ducir procesos nuevos a veces se corre el riesgo de que no se pongan en prác-tica porque son demasiado difíciles de aplicar y no cuentan con el respaldo de los trabajadores. Al diseñar la ver-sión “sostenible” del Modelo Gate de ABB se prestó mucho cuidado para garantizar que todas las demandas eran factibles. Las unidades de desarrollo individuales deberían poder aplicar el plan sin necesidad de supervisión.

Para lograrlo, se diseñó un conjunto de herramientas de sostenibilidad que se puso a disposición del personal en la intranet de la empresa. En ellas se enumeran todos los aspectos que es necesario tener en cuenta. Entre ellos los siguientes: eficiencia energética y CO

2

selección de materiales sustancias de uso restringido evaluación del ciclo de vida declaraciones en materia de medio ambiente y clima

cualificación de proveedores


Un Modelo Gate más verde


El proceso de desarrollo de productos debe hacer referencia específica a los puntos siguientes:1) lista de ABB con las sustancias pro-

hibidas o de uso restringido2) legislación en materia de medio

ambiente y de seguridad y salud3) posibilidades de reducción del con-

sumo energético durante el uso del producto

4) riesgos durante la fabricación y/o el funcionamiento del producto

5) cuestiones relativas al reciclado y el fin del ciclo de vida

Se hace referencia a esta lista de com-probación en la puerta 1 del Modelo Gate de ABB, así como en las puertas 2 y 4. En estas dos últimas, se exige otra comprobación más para verificar que se han tomado medidas en rela-ción con los problemas identificados y que los requisitos siguen siendo váli-dos.

Estos aspectos relativos a la sostenibi-lidad son ahora obligatorios en todo el Grupo ABB, y todos los productos nuevos se han desarrollado utilizando esta metodología.

Lennart Swanstrom


Västerås, Suecia

[email protected]

La estrategia medioambiental general de ABB incluye, además, auditorías y revisiones de sus procesos de fabrica-ción, así como la aplicación de siste-mas de gestión de la sostenibilidad en cada planta de fabricación y servicios. Además de los aspectos exclusivamen-te ambientales que incluyen estas medidas, se centran en cuestiones como la gestión de la salud y la segu-ridad.

Plantear los problemas y revisar y debatir los temas ayuda a que perma-nezcan en la mente de las personas e influye en las decisiones que se adop-tan No obstante, para ofrecer los resultados exigidos repetida y conti-nuamente deben afianzarse una serie de medidas verificables en las defini-ciones del proceso. Por fortuna, cual-quier proceso gestionado correcta-mente ya cuenta con una definición de esas características. Sin tal defini-ción, cualquier proceso resultaría difí-cil de gestionar y se perdería el con-trol del riesgo o se superarían los límites de tiempo y presupuesto. La gestión de la calidad resultaría casi imposible. En consecuencia, ya conta-mos con la definición; el reto era modificarla o ampliarla de manera que incluyera medidas relacionadas con la sostenibilidad.

Cuando se trata de desarrollar produc-tos en cualquier parte del Grupo ABB, la compañía utiliza desde hace algún tiempo una definición de proceso denominado el Modelo Gate de ABB Cuadro .

Análisis Planificación CorroboraciónEjecuciónRediseño Pruebas Aplicación

0 1 2 3 4 5 6 7

Acuerdo de comienzo del

proyecto

Definición del alcance del

proyecto

Plan de ejecución del

proyecto

Acuerdo de solución final

Resultados de la prueba

piloto

Entrega del proyecto

Cierre del proyecto

Validación de resultados

Cuadro El Modelo Gate de ABB

El Modelo Gate es la descripción de un proceso de desarrollo en el que éste está organizado en sentido temporal mediante una línea. La línea se divide en secciones separadas por “puertas”. Las puertas marcan hitos importantes, y el proceso no puede pasar ninguna de ellas y seguir a la siguiente fase sin una decisión formal previa. La decisión se basa en una evaluación de la situación del proyecto. Todos los aspectos del proyecto que sean relevantes en esa fase se examinan y se deciden futuras medidas. ABB ha identificado una versión específica del Modelo Gate. Este modelo de ABB se utiliza ahora en todos los procesos de desarrollo de la empresa. Gracias a su aplicación, la actividad de desa-rrollo es metódica, controlable y pueden exigirse responsabilidades en relación con ella.

Una inversión que merece la penaEl impulso de reducir las emisiones y el consumo energéticoJukka Tolvanen, Timo Miettinen

Los accionamientos de velocidad variable (VSD) controlan la velocidad de los las máquinas, las bombas, las mezcladoras, los ventiladores y los compresores para adecuarla a las necesidades del proceso. En múlti-ples aplicaciones, los VSD ahorran tanta energía que su adquisición se amortiza al cabo de unos meses. Un nuevo planteamiento de la evalua-ción de impacto ambiental demuestra que el plazo de amortización medio-ambiental de los VSD puede ser, incluso, más breve, en muchos casos de apenas uno o dos días.



bombas, los ventiladores, los compreso-res, las extrusoras y otras aplicaciones accionadas por motor les corresponde dos terceras partes del consumo eléctri-co industrial, que a su vez representa un 40% del consumo total de electrici-dad en el mundo. Sin embargo, menos de un 10% de los motores funciona mediante accionamientos y, de entre las aplicaciones accionadas por motores de menos de 2,2 kW, nada menos que un 97% carece de cualquier tipo de control de la velocidad. Se ha calculado que si se utilizaran VSD en todos los sistemas accionados por motor del continente europeo, podrían lograrse unos ahorros anuales totales en el consumo de elec-tricidad de 50 millones de MWh. Ello equivale a 25 millones de toneladas de dióxido de carbono1) o, aproximada-mente, a una cuarta parte de las emisio-nes anuales totales de Finlandia.

Plazo de amortizaciónLos beneficios económicos que procu-ran los VSD son relativamente sencillos de calcular, ya que se conocen el coste de la inversión, la reducción del con-sumo energético y el coste de la elec-tricidad. Ello permite a su vez calcular con facilidad el plazo de amortización. Cuantificar las repercusiones medioam-bientales de los VSD resulta, sin embar-go, algo más complicado.La metodología empleada generalmente para estudiar el impacto medioambiental de las actividades de fabricación, utiliza-ción y eliminación de productos es la evaluación del ciclo de vida (ECV). ABB lleva a cabo actividades de ECV con arreglo a las disposiciones de las nor-mas de gestión ambiental de la serie ISO 14000. Las ECV están concebidas para comprender todas las fases del ciclo de vida de un producto: desde la producción de materias primas y com-ponentes hasta su eliminación. Se reco-gen datos sobre todas las entradas y salidas pertinentes y aquéllos se relacio-nan con categorías de impacto ambien-tal como el calentamiento global y la reducción de la capa de ozono. La selección de las categorías de impacto depende de la finalidad de la ECV y las que se tienen en cuenta más frecuente-

do de líquido o gas se logra mediante la restricción de la salida por medio de válvulas, álabes u otros dispositivos de «estrangulamiento» similares. Hacer funcionar el sistema a plena velo-cidad para luego restringir la salida es, obviamente, muy ineficiente. Determina-das aplicaciones han puesto de mani-fiesto que incluso una reducción modes-ta de la velocidad del motor reducirá considerablemente el consumo de ener-gía. Con arreglo a las leyes de afinidad que rigen el rendimiento de las bombas y los ventiladores, una bomba que fun-cione al 80% de su velocidad, por ejem-plo, emplea únicamente el 64% de la energía y poco más del 50% de la elec-tricidad que consumiría si funcionara a plena velocidad.Existe un enorme margen de ahorro de energía y emisiones a través del control de la velocidad mediante VSD. A las

Los accionamientos de velocidad variable en corriente alterna (VSD)

funcionan convirtiendo el suministro continuo de la red en una tensión y una frecuencia variables en respuesta a una señal de control eléctrico. El cambio de frecuencia da lugar a un correspondien-te cambio de velocidad (y del par) del motor acoplado al accionamiento. Ello se traduce en que la velocidad del motor y, por consiguiente, la velocidad del equipo accionado, se puede establecer sobre la base de parámetros externos, tales como el caudal o la temperatura. El control de la velocidad puede poten-ciar de manera significativa la eficiencia de todo el sistema accionado por el motor. En el caso de sistemas conven-cionales como bombas y ventiladores, por ejemplo, el motor eléctrico acciona-la bomba o el ventilador a plena veloci-dad y, a continuación, el caudal desea-


Una inversión que merece la pena


Los accionamientos de velocidad variable ofrecen el método más eficaz de controlar la velocidad de un motor, contribuyendo de este modo al ahorro de energía.

Nota a pie de página1) Este valor se calcula sobre la base del CO2 medio

producido por kWh de electricidad generada. La

media depende de la combinación de centrales de

combustibles fósiles y fuentes de energía renova-

bles en la generación de electricidad.

1 Categorías comunes de impacto ambiental evaluado durante la realización de estudios de evaluación del ciclo de vida (ECV)

Categoría del impacto Descripción

Potencial de calentamiento global

PCG Convierte la cantidad de gases emitidos en una medida común para comparar la contribución de cada sustancia (en relación con el dióxido de carbono) a la absorción de radiación infrarroja de la Tierra sobre la base de un periodo de 100 años.

Potencial de acidificación

PA Convierte la cantidad de dióxido de azufre y óxidos de nitrógeno emitidos en una medida común para comparar la contribución de cada sustancia a la capacidad de liberar iones hidrógeno.

Potencial de eutrofización

PE Convierte la cantidad de nutrientes (nitrógeno y fósforo, principalmente) emitidos en una medida común expresada como el oxígeno necesario para la degrada-ción de la biomasa muerta.

Potencial de agotamiento de la capa de ozono

PAO Convierte la cantidad de clorofluorocarburos (CFC) y halones en una medida común para comparar la contribución de cada sustancia (en relación con el freón CFC-11) a la destrucción de la capa de ozono.

Potencial de creación de ozono fotoquímico

PCOF Convierte la cantidad de compuestos orgánicos volátiles y óxidos de nitrógeno en una medida común para comparar la contribución de cada sustancia (en relación con el etileno) a la formación de oxidantes fotoquímicos.




Las DAP permiten a los usuarios compa-rar de manera directa el rendimiento medioambiental de diversos productos, ya que los datos se exponen conforme a los términos de una unidad funcional (1 kW de potencia de salida nominal en el caso de los datos expuestos en las Tablas 2–4 ). Las DAP también favorecen los esfuerzos emprendidos por los fabrican-tes para mejorar sus productos, ya que establecen un cuadro de indicadores de rendimiento medioambiental.Aunque las DAP se centran en los impac-tos ambientales, ignoran los beneficios medioambientales que se desprenden del uso de productos tales como los accionamientos, en lugar de otras solu-ciones menos eficientes. Con arreglo a la información expuesta en las Tablas 2–4 , por ejemplo, un accionamiento indus-trial de ABB genera su mayor impacto ambiental positivo durante su fase de utilización. De hecho, un VSD puede reducir fácilmente a la mitad el consu-mo energético de numerosas aplicacio-nes, si se efectúa una comparación con el método consistente en hacer funcio-nar el motor a plena velocidad para luego restringir la salida. Desgraciada-mente, la energía ahorrada y las emisio-nes evitadas mediante el uso de un accionamiento no se tienen en cuenta en absoluto en la DAP. Habida cuenta de la magnitud de los beneficios –se ha calculado que, sólo en 2008, la base de accionamientos ABB instalados en todo el mundo procuró el ahorro de 170 TWh o, aproximadamente, 142 millones de toneladas de dióxido de carbono2) –, ello constituye un importante inconve-niente asociado a las DAP. Una solución propuesta para paliar esta deficiencia consiste en determinar el plazo de amor-tización ecológica de los productos.

Plazo de amortización medioambientalLa determinación del plazo de amortiza-ción medioambiental representa un nue-vo planteamiento en cuanto a la evalua-ción de las repercusiones medioambien-tales a lo largo de la vida de los produc-tos que tiene en cuenta sus impactos ambientales, tanto positivos como nega-

de productos (DAP). Las DPA describen los impactos medioambientales más importantes durante las fases de fabrica-ción, utilización y eliminación. Puede certificarlas una organización tercera imparcial, lo que dota a los datos de una credibilidad adicional. ABB elabora DAP para la totalidad de sus productos principales, incluidos los VSD, y la información relativa a la utilización de recursos, el consumo y las pérdidas de energía y las emisiones procedente de la DAP relativa al accionamiento industrial ACS800 de ABB, de 250 kW, se expone en las Tablas 2–4 .

mente en el caso de los VSD se exponen en la Tabla 1 . Se identifican las zonas de mayor impacto y, a continuación, se ana-lizan con el objetivo de reducir la carga medioambiental global. De este modo, los estudios ECV destacan la importan-cia del Diseño para el Medio Ambiente (DfE, por sus siglas en inglés) y otras prácticas de diseño y desarrollo de pro-ductos favorables al medio ambiente.

Énfasis en los impactos ambientalesLa información (o el resultado) que se obtiene a partir de las ECV forman la base de las declaraciones ambientales

Nota a pie de páginas2) Este valor se refiere de manera específica a la ener-

gía generada por centrales eléctricas de combustible

fósil y se determina sobre la base de que la cantidad

de CO2 emitida por una central de este tipo equivale

aproximadamente a 0,84 toneladas/MWh. Las turbi-

nas eólicas y las centrales nucleares o hidroeléctricas

generan una cantidad de CO2 escasa o nula.

2 Datos de la declaración ambiental de producto (DAP) relativa al accionamiento industrial de ABB ACS800, 250 kW: utilización de recursos. Las cifras negativas de la fase de eliminación corresponden a la reutilización o al reciclado.

Fase de fabricación unidad/kW

Fase de utilización unidad/kW

Fase de eliminación unidad/kW

Utilización de recursos no renovables

Carbón kg 0,66 560,8 -0,46

Aluminio (Al) kg 0,06 0,00 -0,00

Cobre (Cu) kg 0,12 0,00 -0,11

Hierro (Fe) kg 0,61 0,00 -0,49

Manganeso (Mn) kg 0,00 0,00 0,00

Gas natural kg 0,18 65,35 -0,02

Uranio (U) kg 0,00 0,02 0,00

Petróleo kg 2,26 58,51 -0,06

Utilización de recursos renovables

Hidroeléctrica MJ 0,04 109 0,00

Madera kg 0,02 28,83 -0,00

3 Datos de la DAP relativa al accionamiento industrial de ABB ACS800, 250 kW: consumo y pérdidas de energía.

kWh / producto kWh / kW

Forma de energía

Fase de fabricación

Fase de uso

Fase de eliminación

Fase de fabricación

Fase de uso

Fase de eliminación

Energía eléctrica

57,0 625.331 – 0,23 2.501 –

Energía térmica

31,1 – – 0,12 – –

4 Datos de la DAP relativa al accionamiento industrial de ABB ACS800, 250 kW: emisiones.

Efectos medioambientales Unidad equivalente Fase de fabricación Fase de uso

Potencial de calentamiento global (PCG) kg CO2 / kW 3,65 1.570

Potencial de acidificación (PA) kmol H+ / kW 0,00 0,27

Eutrofización kg O2 / kW 0,05 18,20

Potencial de agotamiento de la capa de ozono (PAO) kg CFC-11 / kW 0,00 0,00

Oxidantes fotoquímicos (PCOF) kg etileno / kW 0,00 0,27




por regla general, de 200 kW. La estación de bombeo empleaba anteriormente turbi-nas dotadas de álabes con guías de paso pero se llegó a la conclusión de que los VSD representan una solución más económica y más flexible.

Una cementera británica que reduce los costes energéticos y de mantenimientoCastle Cement’s Padeswood que tiene su sede en Gales

Septentrional, Reino Unido, y dispone de uno de los hornos de cemento más modernos de Europa, utiliza acciona-mientos industriales ABB para controlar los ventiladores. Entre éstos se incluyen un ventilador de tiro inducido de 2 MW, un extractor de 750 kW y un ventilador de refrigeración de 560 kW. Los ventila-dores deben someterse a control para adecuarse a las diversas necesidades de caudal vinculadas a las condiciones atmosféricas y de proceso cambiantes y a las necesidades de ventilación asimis-mo cambiantes. Otros cuatro ventilado-res –de 110, 160, 200 y 250 kW de potencia– introducen aire en el enfria-dor de rejilla para reducir la temperatura del clínker caliente hasta alcanzarse un nivel determinado.Los ventiladores se controlaban anterior-mente mediante anillos deslizantes y motores de CC, que precisan un mante-nimiento regular. Con la instalación de los accionamientos industriales ABB y la sustitución de los anillos deslizantes y los motores de CC por motores de corriente alterna exentos de la necesi-dad de mantenimiento, la planta ha logrado ahorros de hasta un 30% de los costes energéticos totales de los ventila-dores, los cuales se suman al ahorro en gastos relativos al mantenimiento de los motores del tipo anterior.

Jukka Tolvanen

Timo Miettinen

ABB LV Drives

Helsinki, Finlandia

[email protected]

[email protected]

Nota a pie de página3) Este cálculo se ha efectuado partiendo del supues-

to de una vida útil típica de 10 años, 6.000 horas

de funcionamiento por año y unos ahorros energéti-

cos medios de en torno al 50%.

Una estación de bombeo de agua que genera electricidadUna empresa de servicio público de Stuttgart, Alemania,utiliza los acciona-mientos industriales de ABB para con-trolar unas bombas que también pueden funcionar en modo de turbina para generar electricidad. El agua se extrae del Lago Constanza, en el sur de Alema-nia, y después de someterla a trata-miento, se transporta a través de 120 km de tuberías hasta una cisterna de alma-cenamiento situada en Rohr, a las afue-ras de Stuttgart. Desde aquí, el agua se canaliza a una estación de bombeo en Gallenklinge, donde atraviesa las bom-bas/turbinas para almacenarse después en una cisterna, antes de incorporarse a la red de suministro de Stuttgart. La dife-rencia de altura (desnivel) entre Rohr y Gallenklinge es de 120 metros.Como parte de un reciente proyecto de modernización, se instalaron tres accio-namientos industriales ABB (ACS800 400 kW) en la estación de bombeo. Se emplearon accionamientos regenerativos que disponen de una unidad de alimen-tación activa para permitir un flujo de energía completo, tanto en modo motor como en modo generador. Los acciona-mientos están dotados asimismo de fil-tros EMC para el primer entorno, en tan-to que la energía generada se suministra a la red normal, y controlan motores de 315 kW y 400 V. Las bombas están dis-puestas en una configuración paralela para lograr la redundancia. El software de control inteligente de la bomba (IPC) de ABB con el que están equipados los accionamientos procura una mayor fun-cionalidad, que incluye optimización energética, cambio principal, control PID, y control de la prioridad de la bomba. Por lo general, las bombas se utilizan en modo turbina y el modo de bombeo sólo se emplea en caso de emergencia. La potencia de salida es,

tivos. El capital natural, esto es, los recursos naturales, se con-sumen durante las fases de fabricación y eliminación. Sin embargo, mediante el uso de productos y procesos ecoefi-cientes, tales como los acciona-mientos, en lugar de soluciones más antiguas e ineficientes, es posible reducir considerable-mente la carga global impuesta al medio ambiente. El valor de amortización ecológica indica durante cuánto tiempo debe utilizarse un producto para compensar la carga medioambiental puntual de su fabricación y eliminación. Básicamente, puede considerarse como la amortiza-ción medioambiental de un producto.En la Tabla 5 se muestra plazo de amorti-zación ecológica –calculado en días– de tres accionamientos ABB distintos. Los plazos de amortización son breves y dis-minuyen con el aumento de la potencia nominal del producto. En el caso de un accionamiento de 250 kW (ACS800), por ejemplo, se ha calculado que el plazo de amortización equivaldría a un día.

Huellas de carbono negativasLos datos de emisión de la DAP de un accionamiento ACS800 de 250 kW ( Tabla 4 ) revelan que la huella de carbo-no correspondiente a su fabricación es de 3,65 kg CO

2/kW o de 912,5 kg CO

2

en total. La información ofrecida en la Tabla 5 con respecto al mismo acciona-

miento indica que la amortización medioambiental expresada en potencial de calentamiento global (PCG) es de 0,5 días. Dicho de otro modo, basta con que funcione apenas durante media jor-nada para que se pueda evitar una can-tidad de emisiones suficiente como para compensar plenamente la huella de car-bono de su fabricación. Esta huella se vuelve entonces “negativa”, ya que el accionamiento seguirá favoreciendo al medio ambiente al ahorrar emisiones a lo largo de todo su ciclo de vida. De hecho, un accionamiento industrial ACS800 permitirá un ahorro total a lo largo de su ciclo de vida de en torno a 7.500 MWh o 3.800 toneladas de emisio-nes de dióxido de carbono.En un mundo en el que los motores de inducción de corriente alterna siguen siendo los “caballos de tiro de la indus-tria”, los VSD pueden desempeñar una función crucial a la hora reducir los cos-tes energéticos y las emisiones de CO

2.

5 RNC (en días) de tres tupos de accionamientos de ABB por categorías de impacto ambiental. Supuestos: el accionamiento procura un ahorro energético del 50% en una aplicación de bomba o ventilador típica haciéndose uso de una combinación media de electricidad de la UE-25.

Fuente: Universidad Tecnológica de Tampere.

Producto Potencia kW PCG PA PE PCOF

ACS140 0,75 6 6 8 15

ACS350 7,5 1,1 0,9 1,2 1,3

ACS800 250 0,5 0,4 0,9 1,0


Sostenibilidad y energía

El atractivo de la sencillezLos motores de imanes permanentes han llegado para quedarseJussi Salo

Es interesante tener en cuenta que muchos componentes del sistema cuya presencia hoy damos por supuesta comenzaron a aplicarse como soluciones temporales. Hace no mucho, la mayoría de los lectores habría dado por descontado que un motor eléctrico grande necesita una caja de engranajes para convertir la velocidad y el par, y, en la mayoría de

los casos, también un sistema de excitación para generar campos mag-néticos.A veces, un rediseño puede ayudar a eliminar estas soluciones temporales y dotar al sistema de una elegante sencillez. Los avances experimenta-dos con los materiales magnéticos se han traducido en que puedan cons-truirse accionamientos de baja veloci-

dad y par elevado con imanes perma-nentes, lo que permite la eliminación tanto del sistema de excitación como de la caja de engranajes.Este enfoque permite ahorrar energía y ofrece otras muchas ventajas en aplicaciones como accionamientos industriales, sistemas de propulsión marítima Azipod y turbinas eólicas.

permanentes montados en el rotor crean un flujo casi constante en el espacio de aire. Éste “se acopla” al flujo rotatorio creado por el devanado del estátor. El motor de IP funciona, por tanto, en sin-cronía.

El tamaño de la maquinaria ofrecida varía entre los motores de 280 mm y los generadores eólicos de 2.500 mm. Los productos de la gama de motores de imanes permanentes M2BJ, M3BJ, AMZ y AMG han dado muestras de su madurez.

Los motores eléctricos con una cifra de polos reducida, diseñados para lograr una velocidad nominal mayor, pueden funcionar a velocidades bajas si se les suministra una frecuencia igualmente baja. Sin embargo, una aplicación de este tipo no es eficaz, ya que la frecuen-cia de salida del convertidor es mucho menor que su gama de frecuencia nomi-nal. A dicha baja frecuencia, los conmu-tadores de potencia tienen que sobredi-mensionarse para soportar las pérdidas de conmutación resultantes. Por lo tan-to, los motores con una cifra elevada de polos suelen ser preferibles para las aplicaciones de baja velocidad.

Las máquinas de inducción diseñadas para funcionar a 750–3.000 rpm no son especialmente aptas para operaciones de accionamiento directo de baja veloci-dad, ya que su eficiencia disminuye a medida que se reduce la velocidad. Es posible que tampoco sean capaces de suministrar un par uniforme en la gama de velocidades bajas.

El factor de potencia de un motor de inducción también disminuye con una cifra de polos mayor (debido a la mayor inductancia de fugas). Por lo tanto, los motores de inducción con una cifra de polos elevada no son muy aptos para los accionamientos directos a baja velo-cidad.

Tales problemas explican por qué se incorporaron las cajas de engranajes a estas aplicaciones, ya que aquéllas permiten que las máquinas funcionen más cómodamente a velocidades supe-riores. El rendimiento superior de los motores de IP en aplicaciones de baja velocidad y par elevado cambia esta situación y permite eliminar la caja de engranajes.

fases en una turbina eólica de 3 MW supone una reducción de la eficiencia global cifrada en un 3%. Además, la eliminación de la caja de engranajes y del árbol secundario de reenvío ahorra espacio en la planta de la fábrica.

Es posible fabricar un motor de IP tan robusto y sencillo como el motor de inducción de jaula de ardilla equivalen-te. Cuando un motor de IP se utiliza con un convertidor de velocidad variable con control directo del par (DTC) de ABB, no hay necesidad de utilizar un codificador de velocidad para propor-cionar realimentación de la velocidad del rotor. La eliminación de este com-ponente potencialmente poco fiable aumenta aún más la fiabilidad de la solución de accionamiento directo de IP. Este tipo de accionamiento puede ofre-cer un mejor nivel de disponibilidad que otras tecnologías existentes actual-mente en la gama de baja velocidad y par elevado. Gracias a este nivel más elevado de disponibilidad, también se pueden reducir los costes del ciclo de vida.

Máquinas de imanes permanentes en la tecnología de accionamiento directoABB lleva ya casi diez años fabricando máquinas de imanes permanentes (IP). Un motor de IP es una máquina síncro-na. Tiene normalmente tres o más fases en el devanado del estátor. Los imanes

Hace tiempo que se desarrolló el concepto de utilizar imanes per-

manentes (IP) para la excitación de motores eléctricos. En los últimos diez años, sin embargo, la tecnología de IP ha avanzado hasta convertirse en una solución técnica y económicamente viable, especialmente para acciona-mientos directos de baja velocidad y par elevado.

La tecnología de IP ofrece una serie de ventajas claras con respecto a otros métodos de excitación en los motores eléctricos. Su utilización generalizada es viable desde hace poco tiempo, sin embargo, gracias a las mejoras logradas en la tecnología de los imanes perma-nentes y a la reducción de sus costes. ABB ha desarrollado productos basados en esta tecnología, en especial para apli-caciones de baja velocidad y par eleva-do tales como las que se encuentran, por ejemplo, en industrias de transfor-mación, en la propulsión naval y en la energía eólica.

Pueden obtenerse beneficios adicionales mediante la adopción de la tecnología de accionamiento directo totalmente eléctrica, eliminando la caja de engrana-jes y sus accesorios 1 . La eliminación de todas estas funciones da lugar a una reducción de las pérdidas y a una mayor fiabilidad del accionamiento en su con-junto. Una caja de engranajes de tres


El atractivo de la sencillez


1 Configuraciones de accionamiento con a un accionamiento por motor de inducción convencional, engranaje y eje secundario y b accionamiento directo (Direct Drive)

Cilindro(s) accionado(s)

Cilindro(s) accionado(s)

600 rpm

600 rpm 600 rpm

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Eje secundario

Partes extraíbles

Reductor

CodificadorMotor

Motor

315 mm

1.200 mm/925 kg

3.500 mm/2.500 kg

(disposición de sección típica)

315 mm

1.040 mm/860 kg (IC 31W)

a

b




Eficiencia y disponibilidad del sistema mayoresYa se ha indicado que la solución de accionamientos directos de motores de IP puede presentar una eficiencia gene-ral del sistema mayor que la que ofrece la combinación convencional de árbol secundario de reenvío, caja de engrana-jes y motor eléctrico, ya que la primera evita las pérdidas asociadas. Sin embar-go, las ventajas en materia de eficacia no concluyen aquí.

La construcción de un motor de PM puede ser tan sencilla y sólida como la de un motor de inducción de jaula. La ausencia de una caja de engranajes, de

los accesorios asociados, de un árbol de reenvío, de acopla-mientos adicionales y de un codificador de velocidad signi-fica que los accionamientos directos de IP cuentan con una cantidad mínima de compo-nentes rotatorios y precisan un mantenimiento mínimo. Esto permite una elevada eficiencia del sistema, si se compara con otras tecnologías disponibles en la actualidad.

Todos estos factores dan lugar a un aumento de la disponibi-lidad, a ahorros de energía y a una reducción al mínimo de los costes relativos a los ciclos de vida.

dinámica. Es posible dar respuesta a las mismas mediante el uso de la tecnología de accionamiento DTC de ABB. Cuando se usa un motor de IP, es posible lograr el funcionamiento de altas prestaciones necesario sin contar con un codificador de velocidad, ya que se puede efectuar un cálculo exacto de la posición angular y de la velocidad del rotor sin ese dis-positivo.

Actualmente, ABB dispone de acciona-mientos de baja tensión (ACS800) y media tensión (PCS6000) capaces de proporcionar control DTC a los motores de IP.

La excitación de imanes permanentes reduce las pérdidasUna importante ventaja del uso de ima-nes permanentes para la excitación con-siste en que no hay necesidad de sumi-nistrar a la máquina una potencia de excitación procedente de la red y canali-zada a través del convertidor, de manera que se ahorra la energía necesaria para la excitación. Además, se reducen las pérdidas de los convertidores, ya que se evita la corriente reactiva de la potencia de excitación. Esto da un margen de capacidad de carga del inversor adicio-nal en comparación con el accionamien-to de una máquina de inducción con la misma potencia de salida.

Los componentes armónicos de la ten-sión del inversor causan corrientes de Foucault en la superficie del rotor IP y en los imanes. Aquéllas pueden reducir-se considerablemente gracias a unos métodos de diseño y a una construcción adecuados. La mayoría de las pérdidas del motor de IP se genera en el devana-do y en el núcleo del estátor. Como consecuencia, la temperatura del rotor de IP en condiciones de carga es muy baja en comparación con la de las máquinas con excitación eléctrica. Por consiguiente, la temperatura de los coji-netes suele ser inferior. Unas temperatu-ras de los cojinetes menores se traducen en una prolongación de la vida tanto del lubricante como del propio cojinete.

DTC sin codificadoresLas aplicaciones de accionamiento direc-to de baja velocidad y par elevado sue-len requerir que se controle el par y la velocidad. La velocidad de una máquina síncrona, como un motor de IP, sólo se puede controlar con un accionamien-to de velocidad variable. Ade-más, el control de los motores de IP debe desarrollarse espe-cíficamente para el control del flujo de los imanes permanen-tes. El método de control directo del par (DTC) de ABB se ha mejorado para aplicarlo a accionamientos de motores de IP de velocidad variable.

Las aplicaciones de acciona-miento directo de baja veloci-dad se presentan a menudo con grandes exigencias en materia de controlabilidad y de

2 Desarrollo de producto energético de imanes permanentes

Fuente: Masato Sagawa, NdFeB magnets: Past, Present and Future, Prizztech Seminar on Advanced Magnetic Materials and their Applica-

tions 10.-11.10.2007 Pori

El producto energético es una medida de la fuerza un imán, expresada como el producto de su flujo, B (medida en gauss) y su intensidad de campo, H (medida en oersteds o amperios por metro). Las unidades del producto energéti-co son el megagauss-oersted (MGOe) o el kJ/m3.

Desarrollo de imanes permanentes

Ferrita (Ba, Sr)

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1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020

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SmCo5 sinterizado

Año

3 Desarrollo de la producción de imanes sinterizados de NdFeB

Fuente: Masato Sagawa, NdFeB magnets: Past, Present and Future, Prizztech Seminar on Advanced Magnetic Materials and their Applications 10.-11.10.2007 Pori

1984 1989 1994 1999 2004

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35.000

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Japón EE.UU. Europa China




senta una densidad de flujo elevada a unos valores de magnetización muy altos. También es muy resistente a la desmagnetización. Además, el NdFeB es menos costoso y quebradizo que el samario-cobalto, otro material pertene-ciente a la categoría de tierras raras que se empleaba de manera generalizada en la década de los ochenta. Por lo tanto, los motores de IP de ABB suelen utilizar imanes de NdFeB.

La producción de metales de tierras raras comenzó en China a mediados de la década de los ochenta. La fuerte pene-tración en el mercado causó que los pre-cios de los metales de tierras raras utili-zados en la producción de imanes per-manentes se desplomara 3 . El NdFeB es actualmente el principal material de los imanes permanentes. Además de Nd, también se precisan disprosio (Dy) y terbio (Tb). El precio de los imanes de NdFeB 4 se ha reducido considerable-mente desde la década de los ochenta pero, ahora, después de haber tocado fondo, los precios están aumentando de nuevo, si bien a un ritmo razonable.

El coste de los imanes de NdFeB de un gran generador de IP de turbina eólica con accionamiento directo de 2–4 MW representa entre un 15 y un 30% de los costes de materiales totales del genera-dor. La disminución de los precios de los imanes de NdFeB al inicio de la década de 2000 ha hecho a los grandes motores de IP más atractivos que nunca para soluciones de accionamiento direc-to de baja velocidad.

Motores de imanes permanentes en la industria de transformaciónLos accionamientos de alta precisión y

motores eléctricos no era común hasta hace dos décadas. Ello se debía, princi-palmente, al precio y a los costes de fabricación relativamente altos de los materiales del imán.

Los imanes de neodimio (Nd), boro (B) y hierro (Fe) se inventaron en 1987. El NdFeB es el material magnético más moderno y potente del mercado. Pre-

Desarrollo de imanes permanentesDesde 1960, el desarrollo de imanes permanentes ha avanzado a un ritmo rápido 2 . Los imanes permanentes se utilizan de manera generalizada en los accionamientos de motores de baja potencia tales como los empleados en las unidades de disco duro y en los aparatos electrónicos de consumo. El empleo de imanes permanentes en los

4 Evolución del precio relativo de los imanes sinterizados de NdFeB

Se utiliza como valor de base el precio de 1983

Fuente: Magnews Summer 2008

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1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

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Año

5 Compact Azipod de ABB utiliza un motor de imanes permanentes

Módulo de propulsión

Módulo de control

Proa del buque

6 Oportunidad de crecimiento: capacidad mundial total de la energía eólica 1990–2007

Fuente: EWEA, Wind Energy Scenarios up to 2030

130.000120.000110.000100.000

90.00080.00070.00060.00050.00040.00030.00020.00010.000

01990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

1.304 1.354 1.477 1.590 1.848 2.324 2.628 2.883 3.700 3.916 4.470 7.133 8.150 10.940 13.248 18.591 23.102 37.587 55.850

438 629 844 1.211 1.683 2.497 3.476 4.753 6.453 9.578 12.887 17.311 13.098 28.491 34.372 40.500 18.031 56.535 64.948

Cap

acid

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(MW

) Resto del mundo UE

7 Hipótesis de inversiones en energía eólica en la UE hasta 2030

Fuente: EWEA, Wind Energy Scenarios up to 2030

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2023

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2025

2026

2027

2028

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Inversiones en instalaciones marítimas

Inversiones en instalaciones terrestres

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den disipar más fácilmente. Ello permite que la tecnología de IP proporcione una densidad de potencia mayor. En las solucio-nes Azipod de IP, el módulo del motor puede refrigerarse mediante el agua de mar cir-cundante, lo que no sería posi-ble con unas pérdidas de rotor elevadas. Además, este enfoque permite que el diámetro de la carcasa de la vaina sea reduci-do, lo que proporciona una mayor eficiencia hidrodinámica. Con esto se incrementa aún más la eficiencia en el consumo de combustible.

Motores de imanes permanentes en la generación de energía eólicaEn los últimos veinte años, el sector de la energía eólica 6 ha experimentado un extraordina-rio auge. Ha pasado de ser un sector pionero experimental a convertirse en una industria mundial consolidada. En la actualidad, la energía eólica es la fuente más prometedora de nuevas energías renovables.

Se espera que la capacidad de generación eólica crezca mucho más rápidamente en

alta mar que en tierra 7 . Hay tres razo-nes para ello: es más fácil encontrar espacio para un gran parque eólico marino que para un gran parque eólico terrestre. Los parques eólicos marinos no producen alteraciones sociales del modo en que podrían hacerlo las insta-laciones terrestres. Aparte, según las previsiones, los recursos eólicos dispo-nibles son considerablemente más importantes en alta mar que en tierra.

Para extraer la máxima energía del viento disponible, el factor de capaci-dad debe ser alto. El factor de capaci-dad (o carga) de una turbina eólica o de un parque eólico mide la cantidad de electricidad generada anualmente en comparación con la capacidad insta-lada. El factor de capacidad no es una indicación directa de la cantidad de viento que sopla en una región o en un lugar determinado. Ello se debe a que el tamaño el rotor de la turbina, la altura de la torre y la disponibilidad de la turbina ejercen asimismo una impor-

baja velocidad se utilizan de manera generalizada en la industria de transformación. Se puede utilizar la tecnología de accionamiento directo de IP para eliminar las cajas de engranajes en una amplia variedad de industrias. Por ejemplo, hay decenas de rodi-llos en una máquina de papel accionada por una solución tradicional: cada accionamien-to de velocidad variable con un motor de inducción de velocidad normal en tal apli-cación tiene un codificador de impulsos, un árbol secundario de reenvío y una caja de engranajes. La solución de accionamiento directo de IP, que no cuenta con estos extras, es especialmente renta-ble para la industria papelera, donde la baja fiabilidad de los dispositivos de realimentación es causa de caídas de produc-ción inesperadas. La mayor disponibilidad del acciona-miento directo de IP tiene la ventaja añadida de permitir una reducción de los costes de inventario, toda vez que son necesarios menos repues-tos.

Tecnología de imanes permanentes en la propulsiónEl concepto “Azipod” de motores de propulsión eléctrica carenados de ABB para buques se comercializa desde hace ya veinte años. Durante este periodo, además de instalarse en grandes buques de crucero, Azipod ha adquirido rápida-mente una gran popularidad en otros tipos de buques tales como cableadores, dragas, buques cisterna lanzaderas, buques cisterna para productos quími-cos y otros, buques de apoyo, yates de motor, buques perforadores y platafor-mas semisumergibles.

En la tecnología Azipod, el motor eléc-trico está montado en una vaina que se acopla al casco del buque para formar conjuntamente el sistema de propulsión principal. La velocidad del motor y la dirección de la fuerza de propulsión se controla en relación con el buque. La gama de potencias típica de estos moto-res oscila entre 400 kW y 20 MW. Un buque está provisto normalmente de

entre una y tres unidades de propulsión, y las plataformas dotadas de sistemas de posición dinámicos pueden emplear hasta 10 unidades. Azipod permite una excelente maniobrabilidad del buque y garantiza unos bajos niveles de vibra-ción y de ruido, una alta eficiencia, bajas emisiones y un elevado nivel de comodidad de los pasajeros.

La tecnología del motor de imanes permanentes se ha utilizado en el desa-rrollo de un concepto modular muy normalizado conocido como “Compact Azipod” 5 , que se ha diseñado para una gama de potencia de propulsión de entre 400 y 5000 kW. Los imanes perma-nentes y el DTC han sido los factores determinantes a la hora de mejorar el rendimiento y ampliar la aplicabilidad de Compact Azipod.

Al no producirse pérdidas de excitación en el rotor de IP, la mayoría de las mis-mas se concentran en el devanado y el núcleo del estátor, desde donde se pue-

8 Disponibilidad, factor de capacidad y velocidad del viento en cuatro centrales eólicas

Fuente: Fabio Spinato, The Reliability of Wind Turbines

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Mes de los tornados en los EE.UU.

Scoby Sands - 30 x V80 (2MW, marítima, Reino Unido) North Hoyle - 30 x V80 (2MW, marítima, Reino Unido) Kentish Flats - 30 x V90 (3MW, marítima, Reino Unido) ?? - 160 x M1000 (1MW, terrestre, EE.UU.)

9 Coste total del proyecto por kWh frente a factor de capacidad

Factor de capacidad (%)

Fuente: Garrad Hassan, European Wind Farm Project Costs History and Projections 2008 Study

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que la fiabilidad de las turbinas más grandes es menor [1]. Este bajo nivel de fiabilidad planteará problemas en las instalaciones marinas, donde no se puede aceptar un índice anual de ave-rías de más de 0,5.

Los problemas de fiabilidad se concen-tran fundamentalmente en el tren de accionamiento y en los subconjuntos eléctricos. Las cajas de engranajes de 3 MW y potencias superiores están adquiriendo una mayor fiabilidad, aun-que las averías de las cajas de engrana-jes son la causa de la mayoría de los periodos de inmovilización y generan asimismo los costes más cuantiosos. Los componentes eléctricos (salvo los generadores) ocasionan relativamente pocos periodos de inmovilización, aun-que su reparación también lleva apareja-dos unos costes elevados, especialmente en ubicaciones marinas.

La cuota de las turbinas de accionamien-to directo ha sido de entre el 13% y el 15% de la capacidad instalada total anual a lo largo de los últimos diez años.

Podría sorprender que un accionamien-to directo no siempre sea intrínsecamen-te más fiable que un accionamiento indirecto. La causa debe buscarse en que la tecnología es aún relativamente nueva y que, en determinados aspectos, aún se halla en fase de desarrollo.

Antes de que resulte viable construir tur-binas eólicas marinas aún más grandes, su nivel de disponibilidad tendrá que aumentar. Probablemente resulte más fácil mejorar la fiabilidad de los sistemas eléctricos que la de los sistemas mecáni-cos. Por lo tanto, es probable que una turbina eólica con accionamiento directo de imanes permanentes presente en últi-ma instancia una disponibilidad intrínse-camente mayor que una turbina eólica eléctricamente excitada y dotada de caja de engranajes.

Jussi Salo

ABB Machines, Technology Center

Helsinki, Finlandia

[email protected]

Referencias

[1] Spinato, F. (2008) “The reliability of wind turbines”.

PhD thesis, Durham University.

tener una gran fiabilidad, pero si no se lleva a cabo rápidamente el manteni-miento adecuado, la turbina eólica pue-de presentar un nivel de disponibilidad bajo.

La disponibilidad se puede definir como una función de MTBF (tiempo medio entre fallos) y MTBF (tiempo medio de reparación), de manera que Disponibili-dad = MTBF/(MTBF+MTTR). MTBF es una medida de fiabilidad mientras que MTTR es una medida del tiempo de reparación, el cual se ve afectado por la disponibilidad de repuestos, personal y equipos necesarios para la reparación y por la accesibilidad de la turbina.

El coste total del proyecto y el coste de la energía se ven afectados por el factor de capacidad 9 . Una turbina más gran-de puede extraer más energía del vien-to, abaratando así el precio de la ener-gía generada 10 .

Existe una tendencia obvia a construir turbinas eólicas cada vez mayores y colocarlas cada vez más lejos de la cos-ta. Sin embargo, estudios recientes han revelado que es común que se produzca más de una avería por turbina al año y

tante influencia en la captación de ener-gía.

Como se puede apreciar en 8 , en los casos en que la disponibilidad de los parques eólicos marinos se sitúa por encima del 90%, su factor de capacidad supera a menudo el de los parques eólicos terrestres.

La disponibilidad depende de la fiabili-dad de la máquina. Un sistema puede

Turbina eólica Zephyros Z72 con un generador PM Direct Drive de ABB (parte verde)

10 Producción energética anual (PEA) por coste como función de la potencia nominal

Fuente: Hui Li, Zhe Chen, Design Optimization and Comparison of Large Direct-drive Permanent Magnet Wind Generator Systems, Proc. ICEMS 2007.

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Bordline® M Serie Bordline® M: una arquitectura de convertidor CA/CC/CC con un rendimiento muy alto para servicios auxiliares de tracciónAntonio Coccia, Francisco Canales, Hans-Rudolf Riniker, Gerold Knapp, Beat Guggisberg

Las necesidades de energía en un tren son numerosas. La propia tracción requiere energía, como también ocurre con muchos elementos auxiliares de consumo que van desde la exci-tación de la tracción a la iluminación, la calefacción y el aire acondicionado a bordo. Las limitaciones de espacio y de costes hacen cada vez más necesario un convertidor único que pueda cubrir todas esas demandas. Un convertidor de ese tipo debe suministrar tanto sali-das de CA como de CC. La salida del convertidor debe cumplir características muy exigen-tes, si bien las condiciones que hay que considerar para la energía de entrada deben ser numerosas y de diversa calidad.

La Revista ABB examina varias de las tecnologías que hay detrás de la serie Bordline® M de convertidores de la compañía y algunas de las dificultades que ha planteado su diseño.



La nueva generación de sistemas de alimentación eléctrica para la

tracción no sólo deben cumplir las exigencias relativas a las característi-cas de carga, sino también poder manejar grandes volúmenes de ener-gía (a causa del creciente número de cargas, debidas por ejemplo a las exigencias de confort dentro del tren, cada vez mayores), y llevarlo a cabo con valores muy elevados de rendi-miento, fiabilidad y densidad de potencia. Además, el coste es un fac-tor muy importante. En los converti-dores modulares de alta densidad de potencia suele ser preciso que los dis-positivos semiconductores trabajen a muy altas frecuencias de conmutación. El inconveniente es que cuanto mayo-res sean las frecuencias de conmuta-ción, mayores serán las pérdidas por conmutación. En el modo de conmu-tación PWM (modulación de amplitud de impulsos) las pérdidas por conmu-tación pueden ser tan altas que hagan irrealizable el funcionamiento del sis-tema a muy altas frecuencias, aunque se empleen técnicas de conmutación suave.

Los suministros de energía en modo resonante1) subsanan todos los proble-


Bordline® M


mas anteriores gracias a sus menores pérdidas por conmutación [1]. El empleo de esas arquitecturas repre-senta una opción interesante para aquellas aplicaciones que exijan la mejora de prestaciones mencionada anteriormente.

En las aplicaciones de tracción actua-les, los IGBT son los dispositivos de conmutación más adecuados para satisfacer los requisitos de tensión e intensidad, y presentan asimismo niveles muy altos de tensión de aisla-miento. Para dispositivos que trabajen a altas frecuencias de conmutación, la conmutación a tensión nula (ZVS) puede representar una opción válida para mejorar el rendimiento del con-vertidor. Este método reduce a cero la energía de conmutación asociada tanto con los altos valores de capaci-tancia parásita que caracteriza a los módulos (lo que afecta a las pérdidas de encendido) y la recuperación inversa de los diodos antiparalelos (asociados al apagado).

Una de las mayores dificultades a las que se enfrentan los diseñadores de fuentes de alimentación para las apli-caciones de tracción es la extensa

gama de tensiones de entrada en los terminales de entrada del convertidor. Esta variación no debería tener nin-gún efecto en las prestaciones y la efi-ciencia generales del sistema durante las distintas condiciones de funciona-miento. En 1 se presentan las diversas tensiones de entrada para todos los posibles sistemas de tracción eléctrica. Para una tensión nominal de entrada de 1.000 Vrms de CA, los valores de trabajo correspondientes varían entre 700 Vrms y 1.200 Vrms: un margen muy amplio.

Si bien se han publicado varios traba-jos sobre los métodos de compensa-ción con tensiones de entrada muy diversas, no hay tantos acerca de cómo abordar tan amplia diversidad de condiciones de funcionamiento.

Para una variación extrema de la tensión de entrada como la que se muestra en 1 , sigue siendo un motivo de preocupación el diseño de optimi-zación del convertidor cuando se emplean topologías resonantes. De hecho, la amplia variación de la ten-sión de entrada se traduce en altos niveles de energía circulante. Esto reduce considerablemente el rendi-miento total, así como la densidad de potencia del convertidor.

Se han propuesto varias soluciones que tratan de responder a esos requi-sitos, así como a las variaciones de la carga en la salida. El convertidor clásico de resonancia en serie trabaja con ZVS para dispositivos activos cuando la frecuencia de conmutación se encuentra por encima de la fre-cuencia de resonancia. Sin embargo, para grandes variaciones de la tensión de entrada y de la carga de salida, el convertidor debe trabajar con grandes

2 Modo de conmutación a conexión: dura a , L en serie b , blanda c

v v vi ii

a b c

3 Modo de conmutación a conexión: dura a , L en serie b , blanda c

i i iv vv

a b c

Nota a pie de página1) Como sugiere su nombre, los circuitos en modo

resonante emplean resonancia para ayudarles a

elaborar su salida en CA.

1 Gama de entradas de línea para sistemas ferroviarios, a partir de la norma internacional EN50163. La amplitud de la gama de entradas crea especiales dificultades.

EN50163, UIC550

Tensión del sistema

No permanente mínima

Tensión permanen-te mínima

Tensión normal

Tensión permanen-te máxima

No permanente máxima

Tensión Umin2 (V) Umin1 (V) Unom (V) Umax1 (V) Tensión Umax2 (V)

Sistema de CC

400 400 600 720 800

500 500 750 900 1.000

1.000 (900UIC 10 min)

1.000 1.500 1.800 1.950

2.000 (1.800 UIC 10 min)

2.000 3.000 3.600 3.900

Sistemas de CA

700 Vrms 800 Vrms 1.000 Yrms 16,67 Hz/50 Hz

1.150 Vrms 1.200 Vrms

1.050 Vrms 1.140 Vrms 1.500 Vrms 50 Hz 1.650 Vrms 1.740 Vrms


Bordline® M


entre la tensión y la corriente, redu-ciendo considerablemente las pérdi-das por conmutación. En 2c se presen-ta una conmutación típica de conmu-tación blanda (ZVS, conmutación a tensión nula). Se utiliza un circuito externo para eliminar prácticamente el solapamiento. El semiconductor no empieza a conducir hasta que la ten-sión entre sus terminales ha llegado a

mente. En este caso, la arquitectura de potencia “front-end” es un convertidor PFC (corrector de factor de potencia) de tres niveles que sigue las variacio-nes de la tensión de entrada, garanti-zando un factor de potencia próximo a uno en cualquier condición de tra-bajo. La segunda etapa del converti-dor se realiza por medio de un con-vertidor resonante aislado LLC2) de tres niveles que funciona en modo ZVS o cuasi ZCS (conmutación a corriente nula).

Conmutación dura frente a conmutación blandaEl modo de conmutación de los dis-positivos semiconductores se suele clasificar en conmutación dura, con-mutación de limitación o conmutación blanda, en función de la magnitud de las pérdidas de energía producidas durante los cambios de estado (encen-dido o apagado).

En 2 se presentan estos tres modos de conmutación. En la conmutación dura 2a existe una zona importante de solapamiento entre la tensión a través del dispositivo semiconductor y la correspondiente corriente conmutada. En 2b se presenta la conmutación típi-ca de un dispositivo con un circuito de limitación tipo L (inductancia) en serie con el semiconductor: el circuito de limitación reduce la velocidad de cambio de la intensidad (dI/dt) y esto ayuda a disminuir el solapamiento

variaciones de la frecuencia de con-mutación. Esto complica la optimiza-ción del convertidor [2–3].

Es más, en el caso de altas tensiones de entrada, como se producen en las aplicaciones ferroviarias, la necesidad de emplear dispositivos con altas ten-siones nominales agrava el problema. Se ha propuesto la conexión en serie de convertidores para reducir los esfuerzos debidos a la tensión en los dispositivos principales [4–5]. Esto permite el empleo de dispositivos con bajas tensiones nominales, mantenien-do al tiempo la característica de con-mutación de los convertidores. Sin embargo, se precisa una estrategia adicional de control para equilibrar la tensión de entrada a través de los condensadores de entrada.

Con vistas a minimizar la complejidad de los diversos procedimientos, el convertidor de la serie Bordline® M presenta una solución novedosa para reducir el impacto de una gama amplia de tensiones de entrada sobre las prestaciones de convertidores aislados CA/CC/CC en los servicios auxiliares de tracción. Las unidades producen una tensión continua cons-tante, aislada galvánicamente, para la carga de baterías, así como una ten-sión trifásica sinusoidal que pueda mover los motores de CA. De forma opcional, la tensión sinusoidal de salida puede estar aislada galvánica-

Nota a pie de página2) Un LLC es un circuito resonante que emplea un

condensador y dos inductancias: ambos pueden

ser los parámetros del devanado del transformador.

4 Comportamiento de conmutación blanda de un IGBT de 1.700 V con ZVS y ZCS:

c Transición a conexión con ZVS

b Transición a desconexión con ZCS

a Ciclo de conmutación

Tensión en el dispositivo Corriente en el dispositivo


Bordline® M


las pérdidas en los semiconductores. Gracias a la posibilidad de entrelazar las señales de disparo enviadas a los semiconductores en el convertidor elevador de tres niveles (180º respecto al periodo de conmutación), se consi-gue que la frecuencia de conmutación equivalente para todo el convertidor de cinco niveles vista desde la red sea mayor de 6,5 kHz. Gracias a este aumento equivalente de la frecuencia de conmutación es posible reducir el tamaño de la inductancia elevadora (lo que representa un cuarto del de un convertidor elevador clásico de dos niveles) y del filtro de entrada EMI, cuyo tamaño viene determinado por el nivel de reducción de los armó-nicos de la corriente exigido por las normas.

Control del convertidor PFCEl sistema de control 6 emplea regu-ladores PI estándar. Un esquema de control en serie estándar garantiza (mediante un bucle “más exterior y más lento”) la regulación de la tensión del enlace de CC que se desee y, por medio de un bucle “más interior y más rápido” un control de la corriente de la inductancia elevadora “boost”. Esto permite conseguir el alto factor de potencia que se precisa en el lado de la línea. La sincronización de la tensión de línea (PLL) necesaria para el control interior de la intensidad se consigue inmediatamente después del puente de diodos de entrada. Se com-para después una señal de referencia de ciclo de trabajo (referencia sinusoi-dal) con dos portadoras triangulares (cuyas frecuencias son iguales a la

del convertidor puede garantizar con-mutación a tensión nula (ZVS) y con-mutación a intensidad casi nula (ZCS) en todas las condiciones de funciona-miento, reduciendo así considerable-mente las pérdidas de conmutación en los dispositivos de silicio. En la tercera etapa se conectan al enlace de CC del secundario un inversor trifási-co de salida y un cargador de baterías CC/CC.

Convertidor elevador PFC de tres nivelesCuando funciona en el modo de conmutación duro, el convertidor elevador de tres niveles PFC recibe una tensión variable de entrada (en este ejemplo, entre 700 Vrms y 1.300 Vrms). Empleando modulación del ciclo de trabajo, se produce una tensión constante prefijada en los terminales de salida. Con ellas se ali-menta la segunda etapa resonante, garantizando en todo momento una intensidad sinusoidal en la línea de entrada, en fase con la tensión en la línea. El convertidor elevador PFC de tres niveles se consigue por medio de un rectificador de puente de diodos y un convertidor CC/CC de tres niveles. Se utiliza una inductancia elevadora (Ls) con vistas a almacenar la energía de la línea para la acción elevadora, al tiempo que se precisa un filtro de entrada EMI (interferencias electro-magnéticas) para cumplir todas las normas actuales de inyección de armónicos.

Se ha fijado una frecuencia de con-mutación IGBT baja a fin de limitar

ser nula. De esa forma se eliminan las pérdidas de encendido.

La transición para el apagado 3 es comparable. El apagado duro 3a es el que genera las mayores pérdidas. El modo de limitación 3b se consigue mediante un dispositivo de protección de tipo C (condensador) conectado en paralelo al dispositivo, lo que dis-minuye la dV/dt de éste. Por último, en 3c se presenta la transición al apa-gado en el modo de conmutación blanda (ZCS, conmutación a intensi-dad nula).

En 4 se muestra la transición encendi-do/apagado en modo de conmutación blanda para un dispositivo IGBT.

Descripción de la topología CA/CC/CCEl diagrama de bloques de la arqui-tectura de potencia de la serie Bord-line® M que se presenta en 5 combina altas prestaciones y alta fiabilidad al tiempo que reduce los costes. Aquí se han adoptado PWM y tecnologías resonantes de forma que se pudiera conseguir un alto rendimiento de con-versión en todos los modos de funcio-namiento.

La primera etapa del convertidor se consigue por medio de un convertidor elevador CA/CC en modo de conmu-tación dura PWM, en tanto que la segunda etapa aislada CC/CC se lleva a cabo con configuración en semi-puente de tres niveles y funciona en modo resonante LLC. Debido a la tec-nología resonante, la segunda etapa

5 Diseño del convertidor

L1_IN L1L2L3N

L2_IN

SV+ / SV-

VBatt+

VB+

VB-

L1_IN / L2_IN

6

13 4

7

8

~

= =

=

=

=

PCB

2

5

=

=

=

=

Ethernet

BatteryTemp

BatteryV

START+UE_OKSV+SV-SV++SV--AC_OKDC_DEFU_DEFDC_OKVDC_OK

6 Diagrama de bloques de la estrategia de control de la corrección del factor de potencia (PFC)

V_out_ref

[V_out]

K-

[I_L]

1

pulsos

P_out /V_out

filtrado_activo

PLL

PI

PIModulador

+

+

+

+

×

×

Control principal


Bordline® M


red. Esta señal de referencia modifica-da se compara a continuación con la corriente amplificada real y posterior-mente se procesa mediante un contro-lador PI. En 8 se compara la intensi-dad compensada en la línea con la tensión de línea.

Semipuente de tres niveles aisladoLa etapa de convertidor resonante que aplica el aislamiento galvánico 9 se compone de varios elementos: un convertidor “front-end” de tres niveles CC/CA de entrada (que recibe una tensión de CC estabilizada), un cir-cuito resonante con tres elementos pasivos (que incorpora condensado-res resonantes externos e impedan-cias parásitas del transformador), un transformador aislado galvánicamente con la relación de transformación deseada a fin de garantizar una salida adecuada de tensión de CC y un puente de diodos de salida que recti-fica la tensión secundaria del transfor-mador.

El circuito tanque resonante se diseña de forma que los dispositivos del con-vertidor “front-end” de tres niveles de CC/CA funcionan en ZVS y casi en

tensiones de entrada, así como unas condiciones de carga ligera (potencia de salida inferior al 20% de la poten-cia nominal) y alta tensión de entrada (mayor de 1.200 Vrms). Con estas con-diciones, las intensidades en la línea presentan un nivel bastante alto de distorsión de armónicos, pero aplican-do una compensación activa de los armónicos no deseados es posible reducir todos los problemas relaciona-dos con ellos y cumplir plenamente las normas internacionales de conta-minación electromagnética en las redes ferroviarias. Se mide la intensi-dad en la línea (también se puede hacer con la intensidad en la induc-tancia elevadora, filtrada adecuada-mente de los armónicos de la frecuen-cia de conmutación) y se suma este valor al de la intensidad sinusoidal de referencia que debe circular por la

deseada para la conmutación de los dispositivos), de forma que se pueda conseguir una señal de disparo entre-lazada para los dispositivos del con-vertidor elevador de tres niveles. Dos acciones adicionales de alimentación hacia delante (una en la corriente de referencia y otra en la frecuencia de referencia de línea) permiten unas respuestas más rápidas para el control a fin de conseguir un modo de fun-cionamiento estacionario.

Se han efectuado simulaciones 7 con las condiciones siguientes: potencia de salida de 50 kW, tensión de entra-da de 700 Vrms y tensión en el punto de consigna del enlace de CC de 2.000 V. El esquema de control aplica-do muestra un comportamiento bas-tante bueno para todas las condicio-nes de carga en todo el abanico de

9 Diagrama de bloques de la segunda etapa del convertidor aplicada

~

~

7 Resultados de la simulación de la PFC a potencia de salida y tensión nominales

a Tensión de línea y corriente b Corriente del convertidor de impulsos debidos y su referencia

Tiempo/ms

Tiempo/ms

Y1 Y1

0 20 40 60 80 100 120

80

60

40

20

0

-20

-40

-60

-80

70

60

50

40

30

20

10

020 ms/div

10 ms/div Tensión de línea Corriente

80 90 100 110 120 130 140 150 160

8 Resultados de la simulación de la PFC en condiciones de carga elevada (30% de potencia de salida) y a una tensión de entrada alta (1.300 Vrms)

30

20

10

0

-10

-20

-30

-40

2

1,5

1

0,5

0

-0,5

-1

-1,5

-2

Y1Y2

Tiempo/ms 20 ms/div

100 120 140 160 180 200 220 240 260 280


Bordline® M


12 Nueva serie Bordline® M

ZCS gracias a que la intensidad preci-sa para su apagado es muy pequeña. En realidad, el modo ZVS garantiza unas pérdidas de encendido nulas para cada uno de los cuatro dispositi-vos activos, y una recuperación inver-sa nula para todos los diodos de rue-da libre asociados. Además, el tanque resonante de tres elementos permite que el rectificador de puente de dio-dos (en la salida del transformador) trabaje con energía de recuperación inversa nula, en tanto que la corriente del tanque resonante con bajo conte-

nido de armónicos 11 permite una fuerte reducción de las pérdidas de componentes pasivos. En resumen, todas las pérdidas de conmutación de la segunda etapa del convertidor se reducen básicamente a cero, mejoran-do considerablemente el rendimiento total del convertidor.

Control del convertidor resonanteUna vez estabilizada la tensión del convertidor de entrada mediante la etapa elevadora PFC de la entrada, la técnica de control adoptada para la etapa resonante es bastante sencilla. De hecho, el convertidor trabaja siempre en un punto único indepen-dientemente de la variación de la tensión de entrada de la línea. Gracias a la función de la corriente de magne-tización del transformador, el compor-tamiento del convertidor será inde-pendiente de la carga. Además, las funciones de conmutación de los dis-positivos del convertidor CC/CA de tres niveles de 9 se desfasan 180º siguiendo el esquema de modulación entrelazada: la frecuencia equivalente recibida por los elementos pasivos del tanque resonante es doble de la fre-cuencia de conmutación del dispositi-vo de silicio. En particular, en la serie Bordline® M todos los elementos pasi-vos del tanque resonante se diseñan para una frecuencia principal de 15 kHz, mientras que los dispositivos de silicio conmutan con un valor de la mitad (7,5 kHz) 11 .

Uno de los aspectos más importantes relacionados con los convertidores resonantes se encuentra en la solidez del sistema frente a la variación de parámetros de los componentes pasi-vos. Por tanto ha sido preciso evaluar la forma en que se veían afectadas las pérdidas en el convertidor a causa de dichas variaciones y si se podían seguir garantizando unos ZVS y ZCS adecuados. 10 presenta el diagrama de las “pérdidas medias por ciclo” de los IGBT, obtenidas mediante simulacio-nes con Simetrix®. El diagrama mues-tra que, fijando por ejemplo la fre-cuencia de resonancia a 15 kHZ (como en esta aplicación), es posible limitar las pérdidas medias por ciclo para cada IGBT del convertidor reso-nante CC/CC, incluso si la frecuencia de trabajo en el tanque se reduce has-ta un 20% del valor de diseño. En una

10 Pérdidas medias por ciclo para los IGBT del convertidor resonante frente a la frecuencia del tanque resonante (producidas por tole-rancias del componente)

100

80

60

40

20

0

Frecuencia (kHz)

11 12 13 14 15 16

32,38 31,9

30,7 32,2339,7

57,6

92,5

Ppé

rdid

a (W

)

11 Corriente de la cuba resonante a carga nominal

150

100

50

0

-50

-100

-150

Tiempo/ms

A

10 µs/div

4,91 4,92 4,93 4,94 4,95 4,96


Bordline® M


hubiera trabajado por encima de la frecuencia resonante. En este caso, se habría perdido el modo de funciona-miento ZCS.

Resultados experimentalesEn 13 y 14 se presentan los resultados experimentales obtenidos durante las pruebas de convertidores en la nueva serie Bordline® M 12 . En particular, la investigación del rendimiento del con-vertidor se ha llevado a cabo conside-rando varios puntos de trabajo de la

totalidad del margen de tensiones de entrada, 700 Vrms–1.300 Vrms, y con distintas temperaturas del disipador de calor.

Antonio Coccia

Francisco Canales



[email protected]

[email protected]

Hans-Rudolf Riniker

Gerold Knapp

Beat Guggisberg

ABB Automation Products

Turgi, Suiza

[email protected]

[email protected]

[email protected]

Referencias

[1] Steigerwald, R. (abril de 1988) “A comparison of half-bridge resonant converter topologies”. IEEE Trans. on Power Electronics 3(2), pp. 174–182.

[2] Sabate, J.; Lee, F. (enero de 1991) “Off-line applications of the fixed-frequency clamped-mode series resonant converter”. IEEE Trans. on Power Electronics, 6,

pp. 39–47.

[3] Raju, G. y Doradla, S. (marzo de 1995) “An LCL resonant converter with PWM control – analysis, simulation, and implementation”. IEEE Trans. on Power Electronics,

10(2), pp. 164–174.

[4] Nomura, Y. (14 de mayo de 2002) “Power supply device for electromotive railcar”. U.S. Patent No. 6,388,904 B2.

[5] Rieux, O.; Ladoux, P.; Meynard, T. (1999) “Insulated DC to DC ZVS converter with wide input voltage range”. EPE Proceedings.

Lecturas recomendadas

Lazar, J. F.; Martimelli, R. (2001) “Steady-state analysis of LLC series resonant converter”. IEEE APEC Rec., pp. 728–735.

Yang, B.; Lee, R.; Chen, y cols. (2001) “LLC resonant converter for front-end DC/DC converter”. CPES Seminar Rec., pp. 44–48.

Canales, F.; Barbosa, P.; Burdio, J.; Lee, F. C. (2000) “A zero voltage switching three-level DC/DC converter”. IEEE Intelec Rec., pp. 512–517.

Canales, F.; Barbosa, P.; Aguilar, C.; Lee, F. C. (15–19 de junio de 2009) “A high-power-density DC/DC converter for high-power distributed power system”.

IEEE 34th Annual Power Electronics Specialists Conference, Acapulco, Mexico, pp. 11–18.

Barbosa, P.; Canales, F.; Jeon, S.-J.; Lee, F. C. (2002) “Three-level front-end converter for distributed power systems”. EPE-PEMC Rec.

Gu, Y.; Hang, L.; Chen, U.; y cols. (2005) “A simple structure of LLC resonant DC-DC converter for multi-output applications”. 20th Annual Meeting of Applied Power

Electronics Conference, 3, pp. 1485–1490.

Coccia, A.; Canales, F.; Barbosa, P.; Ponnaluri, S. (2007) “Wide input voltage range compensation in DC/DC resonant architectures for on-board traction power

supplies”. EPE 2007, Aalborg, Dinamarca.

aplicación real, la frecuencia de con-mutación es estable en el tiempo, pero la frecuencia de la cuba resonan-te RC IG puede variar debido a las tolerancias de los componentes, la temperatura o el envejecimiento. Gra-cias al efecto de la inductancia de magnetización del transformador, el comportamiento del convertidor no se ve afectado por las variaciones de car-ga o de los parámetros del sistema. Por ejemplo, se habrían producido problemas si el tanque resonante

14 Eficiencia del convertidor resonante para distintas temperaturas de funcionamiento del disipador

99

98

97

T_Disipador (ºC)

eta

45 50 55 60 65 70 75 80

13 Comportante de la etapa resonante

RC IGBT2 Pulso

RC IGBT1 Tensión

Corriente de la cuba resonante

Corriente desconectada Corriente

desconectada

RC IGBT2 Tensión

RC IGBT1 Pulso

Un giro positivoLos turbocompresores A100 de nueva generación reducen las emisiones del motorDirk Wunderwald, Tobias Gwehenberger

Aunque los precios del combustible han descendido en respuesta a la crisis económica global, es probable que esta tendencia sea transitoria y, sin lugar a dudas, volverán a subir cuando la economía global se recupere. Por supuesto, tal reducción de la demanda tiene un efecto positivo en la prolongación de la vida de las reservas de combustibles fósiles y en la reducción de las emisiones; sin embargo, la perspectiva general apunta a un aumento continuo del con-sumo de combustible y a unas emisiones mayores.

La nueva serie de turbocompresores A100 de ABB se ha diseñado para satis-facer las futuras exigencias en cuanto a unos coeficientes de presión del com-presor mayores y unas menores emisiones del motor. Esta nueva familia de turbo compresores proporciona una mayor potencia de motor y permite ahorrar combustible, contribuyendo a la reducción de emisiones.




Un giro positivo


bustible específico se ha reducido en aproximadamente un 10% y las emisio-nes del motor en hasta un 80% 1 . Durante el mismo periodo, tomando como referencia la potencia del compre-sor en la etapa de diseño del motor para unos coeficientes de presión del com-presor y una capacidad de flujo determi-nados, las exigencias técnicas impuestas en materia de rendimiento termodinámi-co y mecánico de los turbocompresores se han multiplicado por un factor supe-rior a dos. Existe una tendencia ascen-dente general hacia unas mayores pre-siones efectivas medias y unos mayores coeficientes de presión del compresor para motores diésel y de gas de alta velocidad 2 . Además, los motores de gas suelen necesitar unos mayores coefi-cientes de presión que los motores dié-sel debido a sus mayores pérdidas sisté-micas relacionadas con el control y a las diferencias en la gestión del combusti-ble. Unos coeficientes de presión a ple-na carga de hasta 5,8 durante el funcio-namiento continuo, mediante el uso de unas ruedas compresoras de aluminio, y unos elevados niveles de eficiencia, han establecido unos nuevos puntos de refe-rencia en materia de densidad de poten-cia en la construcción de turbocompre-sores, lográndose un avance sustancial en la turbocompresión de una sola etapa.

De los turbocompresores TPS a los A100-M/HDiez años después de que ABB presen-tara los turbocompresores de la serie TPS, más de 25.000 siguen funcionando satisfactoriamente en pequeños motores diésel de velocidad media y en grandes motores diésel y de gas de alta veloci-dad de potencias de entre 500 kW y 3.300 kW. Aunque estos turbocompreso-res siguen siendo la elección preferida

de la presión del aire a altitud elevada y mantienen por lo general una presión de la toma de aire equivalente a experi-mentada al nivel del mar.La demanda de una mayor potencia de motor se traduce en que los aumentos de la presión efectiva (es decir, la capa-cidad de trabajo del motor), requieren unos coeficientes de presión del turbo-compresor mayores. Sin embargo, el aumento del coeficiente de presión del turbocompresor debe ir de la mano de la optimización de las tecnologías de combustión. Las nuevas mediciones en el interior del motor y los sistemas de postratamiento de los gases de escape deben tenerse en cuenta al desarrollar los modernos sistemas de turbocompre-sión. En resumen, si un motor ha de ser energéticamente eficiente, su sistema de turbocompresión también tendrá que serlo.

Rendimiento: un factor fundamentalDurante la última década, los fabricantes de motores han logrado un importante aumento de su potencia de salida media. En el segmento de los motores de alta velocidad, por ejemplo, este aumento ha sido aproximadamente del 50%, mientras que el consumo de com-

La competencia por unos recursos energéticos escasos, unos precios de

los carburantes impredecibles y una legislación en materia de emisiones más rigurosa están teniendo una influencia importante en el desarrollo de motores diésel y de gas Cuadro 1 . La repercusión de estos factores, junto a la continua tendencia hacia unas mayores densida-des de potencia de los motores (poten-cia por unidad de volumen) y unas potencias de salida más altas también ejercen influencia en la tecnología de la turbocompresión Cuadro 2 .Un turbocompresor es un compresor de gas accionado por los gases de escape del motor. Está diseñado para multipli-car la entrada de aire en el colector de admisión, lo que enriquece el contenido de aire de la mezcla de aire/combusti-ble, de manera que la combustión de éste es más eficaz y genera más energía.Hoy en día son necesarios unos coefi-cientes de presión del compresor eleva-dos1) no sólo para incrementar la poten-cia de salida, lo que tradicionalmente ha sido el principal objetivo del turbo-compresor, sino para reducir asimismo de manera significativa las emisiones. A éstos se les exige incrementar la efi-ciencia, por ejemplo, del proceso de Miller/Atkinson2), que forma la base de casi todos los motores diésel y gas modernos. En los motores diésel, el tur-bocompresor ayuda a reducir las emisio-nes de NO

x, mientras que, en los moto-

res de gas, se utiliza para desplazar el punto en que comienza a producirse ruido de golpeteo3). El funcionamiento de los motores a altitudes elevadas exi-ge asimismo unos coeficientes de pre-sión mayores, que genera el turbocom-presor. Éstos compensan la disminución

La nueva normativa internacional, por ejem-plo, en la industria marítima y en el sector de la generación de energía, establece unos rigurosos límites de emisión de óxidos de nitrógeno (NOx) y óxidos de azufre (SOx) por parte de los motores diésel y de gas y tiene como objetivo lograr una reducción aún mayor de las emisiones de CO2 y hollín (partí-culas en suspensión). Las soluciones incluyen unas presiones de sobrealimentación mayo-res, una mayor eficiencia, unos coeficientes aire/combustible optimizados y un mejor llenado de los cilindros a cargas bajas. Las generaciones de turbocompresores de ABB más recientes cumplen todos estos criterios.

Cuadro 1 Impacto ambiental de los gases de escape de los motores

Para satisfacer las crecientes exigencias en materia de prestaciones y emisiones de un sector marítimo más orientado a la protección del medio ambiente, ABB está introduciendo en este mercado el mayor y más potente miembro de la familia de turbocompresores A100, el A175-L. El A175-L es el primer turbo-compresor de la siguiente generación de la serie A100 desarrollado específicamente para motores diésel de dos tiempos de baja veloci-dad diseñados para ofrecer unos coeficientes de presión del compresor de hasta 4,7 a un nivel de eficiencia del turbocompresor máximo.El programa A100-L se centra especialmente en las generaciones de motores de dos tiem-pos avanzados que se hallan en fase de plani-ficación o desarrollo. ABB comercializa actual-mente su motor TPL en el sector de los moto-res de dos tiempos. .-B gama de turbocom-presores que se emplean en más de 2.600 motores, con una potencia total de más de 60 millones de kW. ABB seguirá manteniendo un compromiso pleno con el suministro de los motores TPL..-B para motores de dos tiem-pos, presentes y futuros, que precisen unos coeficientes de presión del compresor de hasta 4,2.

Cuadro 2 A100-L, la nueva referencia para los turbocompresores de una sola etapa y dos tiempos

Notas a pie de páginas1) CEl coeficiente de presión del compresor es la dife-

rencia entre la presión del aire en el interior y la pre-sión del aire en el exterior y siempre es superior a 1,0. Si la entrada del compresor es pt2 y la salida es pt3; pt3 / pt2 = coeficiente de presión del com-presor.

2) Innovaciones en el proceso de combustión para el motor de combustión interna de cuatro tiempos.

3) El ruido de golpeteo (pinking en inglés del Reino Unido o pinging en inglés de los EE.UU.) se produ-ce cuando la combustión de la mezcla de aire/com-bustible en el cilindro se inicia correctamente en respuesta a la ignición de la bujía, pero una o más bolsas de mezcla de aire/combustible explosionan fuera del período de combustión normal. La pertur-bación en el preciso momento de la ignición crea una onda de choque con un característico sonido de golpeteo metálico.


Un giro positivo


carcasas de distintos materiales en fun-ción de las diferentes temperaturas de entrada de la turbina.Una gama de características de diseño y configuración específicas permite que los turbocompresores radiales A100-M para motores pequeños de velocidad media puedan usarse asimismo en siste-mas de fuelóleo pesado o en sistemas de turbocompresión de impulso4). Pues-to que las temperaturas de los gases de escape de estos motores suelen ser menores que las de los motores de alta velocidad, las carcasas de los turbocom-presores A100-M pueden suministrarse con o sin refrigeración por agua.

Ruedas compresoras de aluminioPara el turbocompresor radial A100, ABB ha desarrollado una tecnología de

cuarse a los turbocompresores de la serie TPS. Esto garantiza que, en caso de desarrollo ulterior de las actuales pla-taformas de motores de turbocompre-sión TPS, se podrá dotar a estos motores de turbocompresores radiales A100 sin necesidad de efectuar cambios impor-tantes en el montaje del turbocompre-sor. El desarrollo de un tamaño de basti-dor menor y mayor para la serie A100-H dependerá de la demanda del mercado en el futuro.

Concepto de diseñoLos turbocompresores radiales A100 son de construcción modular y cuentan con una cifra mínima de componentes dise-ñados para adaptarse a los requisitos especiales de cada aplicación de motor diésel y de motor de gas. Se ofrecen

para los motores de niveles de potencia actuales, la demanda del mercado de motores con niveles de potencia y efi-ciencia cada vez más altos, junto a unas menores emisiones, requiere nuevos conceptos en el diseño de motores y una nueva generación de turbocompre-sores. Es para estos motores avanzados que ABB ha desarrollado la serie A100-M/H de alta presión: la serie A100-H para motores de alta velocidad y la serie A100-M de turbocompresores radiales para pequeños motores de velocidad media 3 .Los tamaños de bastidor de la serie A100-M/H presentan las mismas dimen-siones exteriores que los turbocompre-sores de TPS probados sobre el terreno. Su entrada de aceite y los conductos de salida se integran en el pie para ade-

3 Turbocompresor A140 de la siguiente generación

2 Tendencias en la turbocompresión de los motores de alta velocidad modernos

Coe

ficie

nte

de p

resi

ón d

el c

ompr

esor

π

C (-

)

6

5

4

3

Presión media efectiva (bares)

Futuras aplicaciones de turbocompresión de dos fases

15 20 25

Motores diésel actuales

Motores de gas actuales

Motores diésel de la siguiente

generación

Motores de gas de la siguiente

generación

Motores

diésel de

cuatro tiempos

1 Mayores exigencias impuestas sobre el rendimiento del turbocompresor

Niv

el (%

)

200

150

100

50

Año

RR ..1

TPS ..-D/E

TPS ..-F

A100-H

2000 2004 2008 2012

Potencia de salida del motor

cecf del motor

Potencia del turbocompresor utilizada

Emisiones del motor

(cecf – consumo específico de combustible al freno)

4 Coeficiente de presión frente a caudal volumétrico en turbocompre-sores A100 a plena carga (en el caso de ciertas especificaciones, pueden lograrse incluso valores más altos)

5.5

5.0

Caudal volumétrico (m3/s)

TPS

44-

F

A 1

30

TPS

48-

F

A 1

35

TPS

52-

F

A14

0

TPS

57-

F

A14

5

TPS

61-

F

Coe

ficie

nte

de p

resi

ón d

el c

ompr

esor

π

C (-

)

1.0 2.0 3.0 4.0 5.0


Un giro positivo


mite un ajuste óptimo a cada aplicación. El mapa de compresores de 5 , que se basa en mediciones efectuadas en el tur-bocompresor A140, de reciente comer-cialización, pone de manifiesto el eleva-do nivel de eficiencia, la excelente amplitud del mapa y los más que ade-cuados márgenes de sobrevelocidad logrados. Se puede lograr un 80% de eficiencia del compresor en una línea de funcionamiento típica para un coeficien-te de presión a plena carga de 5,8.

ción de pruebas de contención en los turbocompresores.Además de las especificaciones más exi-gentes de la carcasa, se necesitaba un eje más fuerte para responder al aumen-to de la transmisión de energía. Este tipo de cambio en las especificaciones del eje se tradujo en la necesidad de un montaje de cojinetes más sólido, el cual se basó en la tecnología de cojinetes anterior de la serie TPS. Además, para mantener y garantizar un funcionamien-to del turbocompresor seguro y eficien-te, las turbinas de la serie A100 presen-tan un dispositivo utilizado con éxito en la serie TPS de ABB: los turbocompreso-res .-F, que mantienen el centrado de la turbina dentro de la carcasa.

Rendimiento termodinámicoPara sus nuevos turbocompresores A100 M/H, ABB ha desarrollado tres etapas del compresor totalmente nuevas, cada una de las cuales con un conjunto de álabes de la rueda compresora distinto. Éstos proporcionan unos coeficientes de presión considerablemente mayores, al tiempo que mantienen el nivel de cau-dal de los compresores que ofrecen los TPS actuales. Turbocompresores .-F 4 .El turbocompresor A100 presenta una rueda compresora de aluminio de una sola pieza. Se han desarrollado nuevos difusores de alta presión5) y álabes com-presores, aparte de un nuevo sistema de refrigeración de las ruedas, para garanti-zar que se pueda lograr unos coeficien-tes de presión a plena carga de aproxi-madamente 5,8 con ruedas de aluminio. Se ofrece además una gama de etapas del compresor para cada tamaño de bastidor del turbocompresor, lo que per-

refrigeración que permite el uso conti-nuo de ruedas compresoras de alumi-nio, a pesar de los muy elevados coefi-cientes de presión en que aquéllas deben funcionar actualmente. Esto signi-fica que se puede evitar la utilización de los costosos componentes de titanio, al tiempo que se mantienen una gran fiabi-lidad operativa y los prolongados inter-valos de sustitución de componentes que los usuarios de los turbocompreso-res de ABB esperan.La refrigeración con aire del compresor se ha revelado, a través de un exhausti-vo programa de pruebas, como la solu-ción menos costosa y más eficiente que pueden aplicar los fabricantes de moto-res. El concepto se ha probado ya sobre el terreno, ya que lleva varios años ofre-ciéndose como una función opcional para los turbocompresores de ABB de mayor tamaño: los de la serie TPL..-C.

Prueba de contención de los turbocompresoresLa construcción de la carcasa que rodea los turbocompresores de la serie A100 tiene muy en cuenta las exigencias mecánicas, mucho mayores, a las que aquéllas tienen que responder. Durante su diseño, ABB trabajó en estrecha cola-boración con los fabricantes de motores para garantizar un montaje óptimo de los turbocompresores en la consola del motor y para mantener las dimensiones reducidas de la anterior serie TPS. Las especificaciones de seguridad de la car-casa del turbocompresor, una conside-ración vital en vista del considerable aumento de la densidad de potencia, se han verificado tanto numérica como experimentalmente mediante la realiza-

Notas a pie de páginas4) En la turbocompresión de impulso, la entrada de la

turbina del turbo se acopla por medio de tuberías estrechas a determinados cilindros del motor, de manera que la turbina está sometida a un campo de flujo pulsante sincronizado con la apertura y el cierre de las válvulas del motor.

5) El difusor, ubicado detrás de la rueda compresora, transforma la energía cinética en presión estática.

5 Mapa de compresores (A140-H)

Coe

ficie

nte

de p

resi

ón d

el c

ompr

esor

πC (-

)

6.5

6.0

5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

Caudal volumétrico

ηC rendimiento del compresor

Línea de operador

πC = 5,8 (100 % de carga)

ηC

0,80

0,78

0,74

0,70

0,65

6 Rendimientos de los compresores comparados, A140-H y TPS57-F

Ren

dim

ient

o de

la t

urbi

na (5

% p

or d

ivis

ión)

Coeficiente de expansión de la turbina πT (-)

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

A 140-H TPS 57-F

7 Rendimiento del turbocompresor de A140-H con una especificación optimizada a plena carga

Ren

dim

ient

o de

l tur

boco

mpr

esor

ηTC

(%)

Coeficiente de presión del compresor πC (-)

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5

65

60

55

50

45 A 140-H TPS 57-F

Especificación a plena carga


Un giro positivo


ción de turbocompresores A100 satisfará el requisito de una alta fiabilidad y un funcionamiento con escasas necesidades de mantenimiento. Una red de 100 cen-tros de servicio de ABB en todo el mun-do proporciona el servicio de asistencia técnica y el apoyo logístico necesarios para satisfacer las necesidades de los clientes. Los clientes usuarios de moto-res diésel y de gas avanzados equipados con turbocompresores de la serie A100 pueden estar seguros de que obtendrán los elevados niveles de rendimiento y mantenimiento que ABB ofrece habi-tualmente a propósito de esta nueva generación de turbocompresores.

Programa de introducción y resultados preliminaresA mediados de 2007 se sometieron a examen, con éxito, los primeros prototi-pos de A140 en los bancos de pruebas de ABB. El riguroso programa de prue-bas se completó con éxito en relación con el primer tamaño de bastidor de la nueva serie de turbocompresores y aquél recibió autorización para su fabricación en serie Cuadro 3 . Actualmente, ABB está iniciando la comercialización de nuevos tamaños del turbocompresor A100-M/H.En el periodo previo a la introducción de la serie A100, se realizaron pruebas, en el banco de pruebas, para verificar su rendimiento termodinámico. Los eleva-dos coeficientes de presión y niveles de eficiencia que se pueden conseguir con la serie A100 indican claramente que estos turbocompresores pueden adecuar-

se a las elevadas densidades de potencia que se espera formen parte de los requisitos de los futuros motores. Cientos de horas de funcionamiento conti-nuo en bancos de prueba tam-bién han confirmado el elevado nivel de prestaciones de la serie A100. Estos turbocompresores de nueva generación se hallan actualmente en fase de prueba en determinadas instalaciones de campo. Se están llevando a cabo, con éxito, pruebas relati-vas a nuevos tamaños de basti-dor.

Dirk Wunderwald

Tobias Gwehenberger

ABB Turbo Systems

Baden, Suiza

[email protected]

[email protected]

reciente desarrollo, se sometió a un pro-grama de calificación obligatorio en el que se emplearon bancos de pruebas de combustión para garantizar un funciona-miento fiable en aplicaciones de motor futuras. La exhaustiva serie de pruebas comprendió desde exámenes termodi-námicos de las nuevas etapas del com-presor hasta la calificación mecánica de todos los componentes diseñados recientemente.Los nuevos turbocompresores A100 están diseñados para funcionar en apli-caciones de alta presión y trabajo conti-nuo, a velocidades superiores a las de los turbocompresores TPS. Se realizaron mediciones exhaustivas del movimiento del eje en el montaje de cojinetes radial del A100 a sobrevelocidades de hasta el 120%, para asegurar que el rendimiento dinámico del rotor de los nuevos com-ponentes era óptimo a velocidades superiores a aquéllas en las que operan los actuales TPS. La combinación de un nuevo de montaje de cojinetes radial con las nuevas etapas del compresor y la turbina ha puesto de manifiesto las excelentes características de estabilidad a las elevadas velocidades de funciona-miento necesarias.

Mantenimiento y servicioLos intervalos de mantenimiento de los turbocompresores A100 son similares a los de la gama de turbocompresores TPS. Aunque las exigencias impuestas sobre el rendimiento termodinámico y mecánico son mayores, la nueva genera-

Nuevas etapas de turbinaAdemás de la etapa de turbina de flujo mixto de TPS existente, se ha desarrolla-do una nueva generación de turbinas de flujo mixto para su uso con los turbo-compresores A100.Una característica de esta nueva familia de turbinas es la mayor amplitud de sus condiciones de funcionamiento. Ello permite sacar partido del potencial que ofrece el elevado coeficiente de presión de la nueva etapa del compresor en una gama de aplicaciones aún mayor. El diseño de la turbina se ha optimizado para cada intervalo de caudal específico, lo que se traduce en una eficacia de fun-cionamiento de la turbina mayor que la que correspondiente a las actuales eta-pas de turbina de los TPS. Se han intro-ducido juntas flexibles para reducir aún más las pérdidas de caudal. Ello ha per-mitido una mejora sustancial del rendi-miento de turbocompresión a unas pre-siones de sobrealimentación mayores 6 .

Un salto cualitativo en fase de desarrolloUna amplia gama especificaciones de compresores y turbinas convierte a la serie de turbocompresores A100 de ABB en la solución ideal para los sectores marítimo, industrial y de generación de energía eléctrica, así como para el sector de la tracción. Una comparación entre el A100 y la gama de turbocompresores TPS pone de manifiesto el extraordina-rio potencial termodinámico de la nueva generación de turbocompresores, en el caso de una especificación de turbo-compresor optimizada a plena carga 7 . Esta comparación con la eficiencia de la serie TPS ilustra claramente la ga nancia de rendimiento que se obtiene mediante el uso de turbocompresores A100 en exactamente la gama de coefi-cientes de presión que los nuevos diseños de motores precisan. La nueva generación turbocompresores de la serie A100 representa un salto cuali-tativo en el desarrollo de tur-bocompresores para la turbo-compresión de una sola etapa de motores de media y alta velocidad.

Programa de calificaciónLa familia de turbocompreso-res A100 de ABB, como todos los turbocompresores de

En Luttelgeest, Países Bajos, se ha dotado de turbocompresores A140-H a los generadores de energía de una central combinada de calor y electricidad empleados para calentar grandes invernaderos. Aquí, el CO2 producido por los generadores se utiliza para potenciar el crecimiento de las plantas.

Cuadro 3 El turbocompresor A140-H

Turbocompresores A140-H instalados en los generadores de energía de los grandes invernaderos de Luttelgeest, Países Bajos.

Los robots tienen una importante repercusión en la productividad y la segu-ridad de las industrias manufactureras. Se emplean fundamentalmente en la manipulación de materiales, para trasladar productos por la fábrica de manera segura, y también ofrecen fiabilidad, al desempeñar incansablemen-te tareas muy repetitivas, en ocasiones en entornos peligrosos, lo que supo-ne un aumento de la seguridad en el lugar de trabajo.

ABB es uno de los principales fabricantes de robots industriales y ha des-empeñado una importante función en el fomento de su uso en la industria. De hecho, ABB no sólo recomienda su uso a los clientes, sino que la propia empresa los emplea para mejorar la eficiencia de sus líneas de producción.

La fabricación de productos eficientes empleando métodos de producción asimismo eficientes sigue siendo un importante foco de atención para ABB. La fábrica de motores de baja tensión que ABB tiene en Västerås, Suecia, no sólo ha optimizado su producción gracias al uso de robots ABB, sino que también ha desarrollado recientemente y presentado, en 2008, una nueva generación de motores de gran eficiencia.

Predicar con el ejemploABB fomenta el uso de robots en la fabricación y los emplea para fabricar sus productosÅsa Rylander, David Marshall




Predicar con el ejemplo


en el que una fábrica de motores de baja tensión debe centrarse para man-tener su competitividad. Los produc-tos deben seguir siendo innovadores y competitivos. Los motores se emplean en prácticamente todos los sectores industriales, valga citar como ejemplo bombas, compresores, ventiladores, grúas, fábricas de papel y otras muchas máquinas. Los motores representan en torno al 65% del consumo de elec-tricidad en la industria, de manera que sería posible lograr unos enormes ahorros en emisiones de dióxido de carbono y energía despilfarrada a tra-vés de unas mejoras relativamente reducidas en la eficiencia de los moto-

dura, la fundición, el prensado, el devanado, el montaje y el embalaje 1 y 2 . Desde su introducción, gran par-te de las tareas de elevación de com-ponentes pesados que anteriormente se llevaban a cabo manualmente o mediante grúas, la realizan robots, lo que contribuye a la reducción de los riesgos de lesión de los trabajadores empleados en la línea de producción 3 . La fábrica de motores de baja tensión de Västerås es, hoy en día, una de las más modernas de la división de moto-res de ABB.

Desde luego, la automatización no es el único foco de atención prioritario

ABB lleva fabricando motores de baja tensión en Västerås, Suecia,

desde 1947. Las paredes de un pasillo de la fábrica están cubiertas de gran-des fotografías en blanco y negro, tomadas hace más de 50 años, en las que aparecen decenas de hombres y mujeres atareados en el montaje manual de motores. Hoy, 19 robots mantienen la competitividad de la fábrica de motores de baja tensión de ABB, pese a la aparición de empresas competidoras en países de bajos cos-tes laborales. La fábrica emplea a 210 trabajadores y produce 100.000 moto-res de baja tensión al año. ABB ha adoptado una estrategia doble para conservar su competitividad: no sólo ha hecho hincapié en el desarrollo de productos, presentando nuevas gene-raciones de innovadores motores de gran eficiencia, sino que, además, se ha centrado en la fabricación eficiente de sus productos.

Gracias a la automatización del proce-so de fabricación es necesario emplear a menos personas, lo que reduce los costes de producción y los gastos conexos que se desprenden de las fluctuaciones de la demanda. ABB cuenta con muchos años de experien-cia en el sector de la automatización y está particularmente bien pertre-chada para automatizar los procesos de producción. La aplicación de los robots ABB en la fabricación de moto-res, desde unidades de un peso de 500 kilos hasta unidades de apenas 30 kilos, ha reducido la duración de los ciclos de producción. La duración del ciclo relativo al montaje de moto-res pequeños, por ejemplo, es ahora de únicamente 80 segundos. El acorta-miento de los ciclos y las reducciones de personal han contribuido al éxito de la fábrica de motores de Västerås. Los seis robots de la línea de montaje, por ejemplo, han permitido un ahorro de personal del 30%.

El primer robot de ABB fue un IRB 6, que se instaló en la fundición de la fábrica en 1974; desde entonces se ha procedido a la instalación de una amplia gama de robots1). Fundamen-talmente, estos robots se han emplea-do en el transporte de materiales, aunque también se han utilizado para automatizar buena parte de los proce-sos de producción, incluidos la solda-

1 Devanado efectuado por un IRB 7600

2 Embalaje efectuado por un IRB 6400


Predicar con el ejemplo


res. La eficiencia es la medida de cuán adecuadamente un motor convierte la energía eléctrica en trabajo útil.

Aunque la eficiencia de los diversos motores del catálogo de productos de ABB Motors está valorada en un 95%, ello significa que, aún, un 5% de la electricidad se sigue desperdiciando en forma de calor disipado. Para abor-dar este problema, la división de motores de baja tensión de ABB ha desarrollado una nueva generación de motores. En el nuevo modelo de motor M3BP, las pérdidas se han redu-cido en torno a un 5% con respecto a la generación anterior de motores 3 .

Si la producción de la nueva serie de motores sustituyera la anterior genera-ción en lo que atañe al volumen pro-ducido en la fábrica, la reducción de las emisiones anuales de dióxido de carbono equivaldría a las emisiones de 90.000 automóviles.

La nueva cartera de productos incluye una gama superior, los motores M4BP, cuyas pérdidas de energía son un 10% inferiores a las de los motores M3BP. Si la industria adopta esta gama cabe esperar que se logren mayores reduc-ciones en las emisiones de dióxido de carbono previstas. Aunque las emisio-nes de dióxido de carbono repercuten en la industria, el incentivo más atrac-tivo para la utilización de esta nueva generación de motores consistirá en la reducción de los costes energéticos.

Åsa Rylander

ABB Automation Products

Västerås, Suecia

[email protected]

David Marshall

ABB Robotics

Milton Keynes, Reino Unido

[email protected]

Nota a pie de página1) En la fábrica de motores de baja tensión de

Västerås se han instalado tres robots ABB

IRB 4400, diez robots IRB 6400, tres robots

IRB 7600, un robot IRB 6000, un robot IRB 60 y,

más recientemente, en 2008, un robot IRB 6600.

3 Elevación de cargas pesadas efectuada por un IRB 6600

4 Motores de tipo M3BP

Las renovables, la energía nuclear y el carbón limpio forman parte de la larga lista de términos en boga cuando se aborda el tema del futuro de la energía. En la pugna mundial por ajustar la demanda a la oferta, aquéllas no son sino una parte de la ecuación. El aumento de la oferta exige inevitablemente el consumo de recursos de algún tipo, mientras que la reducción de la demanda da lugar a una reducción del consumo de recursos. Las organizaciones ecologis-tas llevan décadas porfiando por que se limite el consumo de ener-gía. En el pasado, ello entrañaba una reducción del nivel de vida, es decir, obtener menos a partir de lo mismo.

Una idea bastante más convincente es la de obtener lo mismo con menos, es decir, mejorar la eficiencia mediante la aplicación de tec-nologías más eficientes. Un ejemplo bien conocido es el de la susti-tución de las bombillas incandescentes por bombillas fluorescentes compactas o por luces LED. En la industria se dispone ya de equi-pos de gran eficiencia. Se están logrando asimismo mejoras de la eficiencia en la tecnología de la construcción, gracias a la mejora del aislamiento de los centros de producción, la reutilización de la energía térmica generada por el equipo, etc.

En este artículo se da un paso más en lo que concierne a la eficien-cia energética y se defiende que la línea de actuación que hay que seguir consiste en optimizar el uso de los equipos industriales exis-tentes. Ya que, en la mayoría de los casos, el equipo se controla mediante un sistema de automatización, podría lograrse un aumen-to de la eficiencia energética mediante la mejora del software de control, recurriéndose al uso de técnicas avanzadas de optimiza-ción matemática y a procesos optimizados.

Cada pequeña aportación cuenta La mejora del software y la optimización de los procesos están contribuyendo al aumento de la eficiencia energética Christopher Ganz, Alf Isaksson, Alexander Horch




Cada pequeña aportación cuenta


mucha frecuencia, unos importantes ahorros totales.En ocasiones, una solución de control u optimización avanzada se ocupa de la energía más directamente. A continua-ción se citan algunos ejemplos en los que se ha verificado la consecución de importantes ahorros energéticos.

Generación de electricidadUn buen lugar donde empezar a ahorrar energía es, desde luego, el origen de la misma, es decir, el lugar donde se genera.

Cogeneración de vapor y electricidadEn Point Comfort (Texas, EE.UU.), Alcoa Inc. gestiona una gran refinería en la que se convierte bauxita en alúmina 1 . Ya que se trata de un proceso que con-sume una gran cantidad de energía, Point Comfort utiliza su propia planta generadora de electricidad, dotada de múltiples calderas, turbinas y colectores de vapor. La mayoría de la energía nece-saria se produce internamente, aunque también se compra electricidad a la red de distribución local.Con la fluctuación de los precios de la electricidad y el carburante (el gas natu-ral), la primera dificultad consiste en determinar la combinación óptima de energía de producción interna y electri-cidad comprada. Este proceso se lleva a cabo, ahora, mediante la resolución de un programa lineal entero-mixto cada 15 minutos, haciendo uso de los precios actuales del carburante y la electricidad bajados de Internet.

una de sus funciones objetivo, o cotas límite, es el consumo mínimo de ener-gía.Planificación y programación de la pro-ducción. Una planificación adecuada y una programación optimizada pueden reducir los despilfarros de tiempo y de materiales, lo que permite lograr más consumiendo la misma energía.Seguimiento. Para detectar si una planta está funcionando a un nivel de eficien-cia máximo, debe someterse a un estre-cho seguimiento con objeto de identifi-car todo comportamiento anormal que pueda dar lugar a un aumento del con-sumo de energía.

Mejor control, menos energíaMuchas personas acaso no relacionen de manera directa la mejora del control con el ahorro de energía sino, más bien, con la mejora de la calidad del produc-to, el aumento de la productividad y la reducción de la adición de productos químicos. No obstante, sea cual fuere el objetivo del control, uno de sus efectos secundarios positivos es, casi siempre, la reducción del consumo de energía o la producción de más artículos consu-miendo la misma cantidad de energía que antes.El mero reajuste de los bucles de con-trol PID básicos de nivel 1 puede reper-cutir de manera significativa en el con-sumo de energía. Aunque los ahorros de un solo bucle puedan ser modestos, la enorme cantidad de bucles (cientos, si no miles en una planta industrial de transformación) permite lograr, con

Para comprender lo que quiere decir la gestión de una planta mediante

software y procesos optimizados, basta con pensar en la conducción de un automóvil. Es muy probable que un coche que conduzcan dos personas distintas en las mismas condiciones no consuma la misma cantidad de energía. ¿Por qué? Porque las técnicas de con-ducción difieren. En una planta, el funcionamiento y la estrategia rigen el consumo real de energía.Las estrategias para el funcionamiento energéticamente eficiente de una planta se asemejan mucho a las necesarias para una conducción energéticamente efi-ciente:Detener el motor ante un semáforo en rojo. Fabricar productos con arreglo a las especificaciones y gestionar la plan-ta exclusivamente según su capacidad.Cambiar de marcha con antelación. Estar abiertos al cambio.Mantener la presión adecuada de los neumáticos. Gestionar una planta cuyo mantenimiento sea óptimo.No acelerar al aproximarse a un semá-foro en rojo. Gestionar la producción de modo previsible, de acuerdo con los pla-zos de mantenimiento y de producción.Si tales estrategias se aplican adecuada-mente, no habrá necesidad de ralentizar para ahorrar combustible. Las experien-cias extraídas de las modernas activida-des de formación para la conducción ecológica suponen un ejemplo al res-pecto: es posible conducir más deprisa consumiendo menos combustible. En una planta moderna, mucho más com-pleja, la enseñanza es la misma: gestio-nar una planta de manera óptima depa-ra una mayor eficiencia energética.El presente artículo se centra en los dis-tintos niveles jerárquicos de la automati-zación. Las diversas funciones disponi-bles en un sistema de automatización pueden mejorarse para mejorar la efi-ciencia energética de un proceso contro-lado. El alcance de las funciones varía en alcance (desde dispositivos indivi-duales hasta los que comprenden la planta en su totalidad) y plazos (optimi-zación del orden de milisegundos o referida al ciclo de vida de una planta): todas ellas pueden repercutir en la eficiencia de la planta. Se tratarán aquí los tres ámbitos siguientes:Control avanzado. Los controladores avanzados actuales tienen la capacidad de resolver un problema de optimiza-ción en todas las fases y, por lo tanto,

1 Representación gráfica de la central eléctrica de Alcoa en Point Comfort

LP1 LP2

B1 B1 B1 B1 B1 B1

850#

230# 230#475#

PRV-3

40# usuarios de vapor




40# descarga

PRV-5

95#

40#

5#

PRV-2 PRV-1 V1 V2 V3

G

V1 V2 V3

G

V1 V2 V3

G

V1 V2 V3

G

TG2

TG3

TG4

TG1

95# D/A 40# D/A




vapor dentro del refinador y que se emplea en fábricas TMP para el control de la realimentación 3 .Los resultados constatados en la papele-ra Hallsta, perteneciente a la empresa sueca Holmen Paper, dan parte de la obtención de unos ahorros directos de energía de entre 7 y 13 dólares por tonelada de pasta producida y de una mejora de la calidad de la pasta. En el caso de una línea TMP con una produc-ción anual de 100.000 toneladas, los ahorros totales se situarían entre 700.000 y 1.300.000 dólares anuales (nótese que las papeleras suelen disponer de más de una línea). Añádanse a esto los aho-rros derivados de la menor cantidad de paradas de producción en la línea TMP y la menor cantidad de roturas de las láminas de papel en las máquinas pape-leras y se podrán obtener unos ahorros anuales de más de 2 millones de dólares por línea TMP.

Más producción, menos energíaTodo funcionamiento de una planta que no genere un producto de calidad con-forme a lo prevista estará, obviamente, despilfarrando energía. Por ello, los pla-zos de puesta en marcha, los cambios cualitativos y la duración de las pertur-baciones en la planta tienen que mini-mizarse. Aunque éstas no sean solucio-nes novedosas, su gestión ha resultado complicada. Ahora, con los modernos métodos de optimización, es realmente posible lograr un funcionamiento óptimo.El funcionamiento de la planta y las estrategias de programación se basan a menudo en la heurística y la experien-cia. Ello no constituye de por sí una desventaja, aunque sí obstaculiza la

esfuerzo térmico real. Así pues, se desa-rrolló un modelo de caldera –que no puede sobrepasar los límites de esfuerzo térmico– que se empleó para manipular de manera óptima el caudal de carbu-rante y la posición de la válvula del bypass de alta presión (HP).ABB ha instalado esta tecnología en sie-te centrales eléctricas y cuenta con otros tres proyectos de instalación en marcha 2 . Los ahorros habituales de combusti-ble en una sola puesta en marcha se sitúan entre el 10 y el 20%. Contando con entre 50 y 150 puestas en marcha al año, ello equivale a entre 0,8 y 8 millo-nes de KWh por instalación. Para más información sobre esta aplicación, con-súltese [2].

Control de refinadores de pasta termomécanicaUn típico problema de control se plan-tea, por supuesto, en el ámbito del consumidor. La producción de pasta termomecánica (TMP) constituye un ejemplo de proceso que consume una gran cantidad de energía. Una mezcla de astillas de madera y agua se muele en el pequeño espacio (< 1 mm) que queda entre dos discos y en el que rota uno de ellos o incluso los dos. Los roto-res los impulsan grandes máquinas eléc-tricas; en el caso de un refinador TMP moderno, no es raro que se cuente con un motor de 30 MW.Buena parte de la energía eléctrica se destina a la producción de vapor en la zona de refinado, mientras que una parte menor se dedica a propulsar el trabajo mecánico realizado en la made-ra. Existe ahora una novedosa técnica que permite medir la temperatura del

Los resultados de esta optimización de régimen permanente se transmiten a un controlador con modelo predictivo (MPC, por sus siglas en inglés), que fun-ciona con un ciclo mucho más breve (< 10 s). El MPC se basa en un modelo dinámico lineal empírico y proporciona 28 puntos de consigna de control de variables manipuladas.ABB encargó el desarrollo de este siste-ma en 2005 y éste dio lugar de inmedia-to a una considerable mejora de la esta-bilidad de los procesos; por ejemplo, se logró una reducción de la desviación típica de la presión de vapor del 80%. Se constató la consecución de un ahorro global de los costes energéticos de un 1%, lo que supuso para el cliente un plazo de amortización de seis meses. En [1] puede hallarse una presentación más detallada del sistema y de la solución.

Generación de electricidad: puesta en marcha de la caldera de alta presiónOtro ejemplo de ahorro energético se refiere a la optimización de la puesta en marcha de las centrales eléctricas de vapor que funcionan con carburantes fósiles. En el mercado desregulado de la energía, tales centrales se emplean para más fines que el de la carga base, de modo que han de someterse a múltiples paradas y puestas en marcha. El plazo de puesta en marcha de una caldera está limitado en gran medida por los esfuerzos térmicos, ya que unos gra-dientes de temperatura excesivos en las partes de la caldera y de la turbina dota-das de paredes gruesas pueden producir grietas en el material. Partiendo de un modelo y de medicio-nes en línea, es posible calcular el

2 Central eléctrica Weiher III, ubicación de la primera instalación de puesta en marcha de una caldera

3 Segmentos de rectificado del estátor, con un detalle de la serie de sensores empleados en la producción de pasta termomecánica (TMP)




el fin de utilizar las dos plantas de pro-ducción de manera óptima y minimizar el tiempo de permanencia de las plan-chas recién fundidas en el depósito. Se trata de un punto importante, ya que las planchas deben estar calientes antes de entrar en la planta de laminado en caliente. La energía necesaria para calentar cada plancha, cuyo volumen aproximado es de 1.000 m3, equivale a 10.000 kW. Si es posible «cargar en caliente» una de cada diez planchas, es decir, si se puede trasladar directamente de la fundición a la planta de laminado en caliente (evitándose así el recalenta-miento), una planta tipo podría ahorrar-se la emisión de 21.000 toneladas de CO

2 o, expresado en términos económi-

cos, 3,9 millones de dólares anuales.Estos problemas de programación no se pueden resolver manualmente. Sin embargo, el moderno software de opti-mización permite ahora obtener tales resultados y permite a los operarios y los planificadores supervisar y –si es necesario– modificar la programación.

Equipo de control del despilfarro de energíaAunque los controladores, la planifica-ción y la programación de una planta estén optimizados a la perfección, es obvio que, al cabo del tiempo, el rendi-miento se deteriorará debido al enveje-cimiento de la planta y a fallos en los procesos. La avería de un equipo deter-minado sería el caso obvio; en otros muchos, no obstante, el deterioro es gradual o no puede ubicarse con facili-dad en el proceso basándose en herra-mientas de operario tradicionales tales como pantallas de indicación de proce-

Trim Optimization– que calcula la pauta de corte óptima sobre la base de datos de calidad reales 4 . El método patenta-do que aplica es capaz de resolver el problema extremadamente complejo de la optimización en apenas unos segun-dos. De este modo, se logra una mayor cantidad de papel de buena calidad a partir de cada bobina de papel gigante, lo que reduce la cantidad de papel que debe volverse a producir. Sobre la base del consumo energético por tonelada de papel producido, el ahorro de siquiera una fracción del papel reciclado resulta significativo. Partiendo del supuesto de una producción anual de 400.000 tone-ladas, el evitar el reciclado de apenas un 1% del papel puede dar lugar a ahorros de 10.000 MWh de energía (electricidad y gas).

Programación de la producción coordinadaLa programación de un taller de fundi-ción en la producción siderúrgica es un problema complicado ya que la canti-dad de materiales y pedidos distintos es muy elevada. ABB ha desarrollado una solución capaz de simplificar y resolver este complejo problema de un modo óptimo.La misma solución se aplica a la siguien-te fase de la producción siderúrgica: el laminado en caliente 5 . La programa-ción de la producción de laminado en caliente no es tan compleja como la relativa al taller de fundición, aunque presenta considerables dificultades.Una vez resueltas estas dos soluciones de programación, la consecución de unos ahorros energéticos importantes se cifra en la coordinación de ambas, con

transición hacia una producción verda-deramente optimizada con respecto tan-to a la optimización como a la progra-mación.La gestión óptima de los recursos de la planta implica asimismo que tales recur-sos se hallen en unas condiciones ópti-mas para la producción. Una produc-ción no óptima la causan a menudo unos recursos de trabajo que tampoco lo son, lo que da lugar a una reducción de la calidad o del rendimiento.Por último, la programación de la pro-ducción es fundamental para una pro-ducción energéticamente eficiente. Un uso exento de contratiempos (y real-mente óptimo) de los recursos de pro-ducción evita el consumo de un exceso de energía en determinadas ocasiones y el despilfarro de la misma en otras. Por ejemplo, los actuadores de planta requieren energía (bombas, calefacción, refrigeración). Toda desviación evitable de tales variables de proceso se traduce de inmediato en desviaciones evitables de las variables manipuladas.

Optimización del recorte de papelConsideremos el caso de la producción papelera, en el que se ha procedido a calcular de manera óptima una pauta de corte predefinida sobre la base de las indicaciones del cliente. Debido a la variación de la producción, la pauta de corte predefinida suele resultar subópti-ma debido a la calidad real de la bobina de papel gigante. Ello da lugar no sólo a un aumento del despilfarro del papel que ha de reciclarse, sino asimismo a una pérdida de beneficios.Está disponible una nueva solución informática de ABB –Quality-Based Re-

4 Datos de calidad bidimensionales extraídos de la producción de papel

5 Planta de laminado en caliente en una planta siderúrgica. Planchas procedentes del taller de fundición enrollándose para formar bobinas.




correspondan a las señales observadas, se puede obtener información sobre el proceso controlado a través de señales que ya están presentes en el sistema, sin introducir nuevas (y costosas) medicio-nes. 6 muestra el diagnóstico de un compresor mediante el análisis de las señales del sistema de accionamiento.

Lo importante es contar con una perspectiva holísticaAparte de la complejidad técnica, el ahorro de energía mediante la optimiza-ción entraña asimismo una complejidad operativa. Los optimizadores modernos permiten lograr soluciones rápidas y fiables para problemas técnicos comple-jos. Otra dificultad igualmente importan-te consiste en integrar la programación de la producción desarrollada por orde-nador y el funcionamiento de la planta en unos procesos de trabajo de dicha planta.La aceptación de los equipos de planifi-cación de la producción y de funciona-miento de la planta es fundamental para lograr el éxito en la optimización de una planta moderna. Conscientes de este hecho, temas como la usabilidad, la mantenibilidad, la modularidad y la ade-cuada formación se convertirán en pun-tos de interés fundamentales tanto para los vendedores como para los usuarios. Si estas cuestiones se tratan de manera exhaustiva, el éxito en la producción y los ahorros de energía no serán contra-dictorios.

Christopher Ganz

ABB Corporate Research,

Control and Optimization


[email protected]

Alf Isaksson


Västerås, Suecia

[email protected]

Alexander Horch


Ladenburg, Alemania

[email protected]

Referencias[1] Valdez, G.; Sandberg, D. G.; Immonen, P.; Matsko,

T. (noviembre de 2008). “Coordinated control and optimization of a complex industrial power plant”. Power Engineering Magazine, 112, pp. 124–134.

[2] Franke, R.; Weidmann, B. “Puesta en marcha de la caldera. La optimización de la puesta en marcha de las calderas de vapor en las centrales eléctricas de E.ON”. Revista ABB 1/2008, pp. 57–62.

en los se identifican los parámetros, de manera que el modelo se ajuste al rendi-miento (en deterioro) de la planta. Estos parámetros pueden ofrecer una perspec-tiva del comportamiento interno del sis-tema más adecuada que la que procuran las mediciones disponibles en el DCS.

Control del equipo de proceso mediante datos de accionamiento eléctricoUna conclusión común al introducir un control avanzado consiste en introducir asimismo más equipo de detección: a fin de cuentas, la obtención de más información sobre un proceso precisa más mediciones. Sin embargo, muy a menudo se olvida que los sistemas de automatización actuales ya recopilan una ingente cantidad de puntos de datos que pueden revelar mucho sobre una planta. Los datos se recopilan y se analizan continuamente, incluso en lugares que no resultan obvios.Un ejemplo de ello lo constituye el sistema de accionamiento. Aparte de los algoritmos que controlan el sistema, aquél contiene un colector de datos que normalmente se utiliza para elaborar diagnósticos sobre el comportamiento del accionamiento. Sin embargo, los datos recopilados en el mismo revelan mucho acerca del proceso que en últi-ma instancia controla el motor. Cotejan-do las pautas de señal del sistema de accionamiento con el comportamiento del proceso observado o ajustando los modelos de procesos para que aquéllos

sos, curvas de tendencia y listas de alar-mas. Sin embargo, aunque no sean reco-nocibles ni siquiera para un operario competente, un comportamiento anor-mal de los procesos deja su huella en las mediciones recopiladas en la planta.Un análisis minucioso de tales medicio-nes mediante el uso de algoritmos de análisis de señales avanzados puede revelar tal comportamiento de un modo más claro. Determinados indicadores clave del rendimiento (KPI) se calculan fácilmente a partir de las mediciones recopiladas en el sistema de control dis-tribuido (DCS). Las diferencias de tem-peratura, junto a la medición del caudal, pueden, en ciertos casos, ofrecer una indicación bastante adecuada de la ener-gía consumida. Mediante la compara-ción de dicho cálculo con una medición «limpia», efectuada en un momento en que la planta estaba funcionando, evi-dentemente, a un nivel próximo al pre-visto al diseñarla (esto es, en un momento próximo a su puesta en mar-cha o después de una revisión), es posi-ble detectar fácilmente un deterioro de la eficiencia. A continuación, para diag-nosticar la causa del deterioro es a menudo necesario contar bien con un ingeniero de mantenimiento experimen-tado, o bien con otra serie de algoritmos.Los sistemas de control más complejos no sólo llevan a cabo cálculos simples para averiguar los indicadores de rendi-miento, sino que, asimismo, aplican unos modelos de planta más avanzados

6 Mapa de compresores derivado de las señales de accionamiento



Bien sea por experiencia propia o bien a través del relato de amigos y familiares, ¿cuántos de nosotros sabemos lo que significa pasar un rato tratando de ajustar el sistema de aire acondicionado de un hotel para evitar congelarnos, o hemos claudicado ante unas luces, unas contraventanas o unas persianas que parecían tener vida propia? Y mientras los clientes libraban sus propias batallas, eran muchos los hoteles que tenían que hacer frente a unos costes energéticos elevados.

Gracias al sistema de instalaciones inteligentes i-bus® KNX de ABB, los huéspedes de hotel pueden disfrutar ahora de una mayor comodidad con un mínimo esfuerzo. Al tiempo que se potencia la comodi-dad, estos hoteles “inteligentes” se benefician de una considerable reducción de las necesidades ener-géticas y de una mayor eficiencia, lo que se traduce de manera directa en mayores ahorros.

Servicio de gestión interna inteligente Los huéspedes de hotel pueden disfrutar ahora de una mayor comodidad con unas menores necesidades energéticas gracias al sistema de control de edificios i-bus® KNX de ABB.Wang Dajiang

de baño, si es necesario. Después de haberse retirado la tar jeta de su ranura, una vez que el huésped ha abandonado la habitación para pagar, todas las luces se apagan y el aire acondicionado se ajusta automáticamente al modo de habitación vacía (30 ºC en verano y 18 ºC en invierno).

Mejora de la gestión internaEl sistema i-bus de ABB ha contribuido asimismo a mejorar la eficiencia de la gestión interna. Toda la información relativa a las habitaciones vacías y a las llamadas de servicio o emergencia se muestra en un ordenador situado en el departamento de gestión interna. Esta información se recopila mediante senso-res de conmutación en las habitaciones de los huéspedes, que transmiten ins-trucciones, a través del sistema i-bus, al ordenador de gestión interna. El disposi-tivo de control de cada habitación está interconectado con los ordenadores de gestión interna en recepción. Ello per-mite que la iluminación y el aire acondi-cionado de la habitación se enciendan de manera automática al registrarse el huésped y se apaguen tras abandonar éste la habitación. De este modo se ahorra energía sin ocasionar molestias al huésped.

Efectos de iluminación en exterioresSegún la situación, el control de la ilu-minación en las zonas ambientales y en la zona de estacionamiento se logra mediante una combinación de control integral, de divisiones e individual. Por lo general, el control integral se aplica en la mayoría de las zonas ambientales y en la zona de estacionamiento. Ello significa que un temporizador controla cuándo se encienden y se apagan las luces, mientras que la intensidad de la luz se controla mediante un sensor. En primavera, se utiliza asimismo un tem-porizador para el riego, que se ajusta conforme a las condiciones climáticas y del suelo. Durante el transcurso de festi-vales u otros actos importantes, las luces de todas las zonas ambientales y ajardi-nadas se controlan mediante el ordena-dor de la sala de control central. En la zona de estacionamiento, la iluminación de las diversas secciones se puede con-trolar individualmente a través de un panel situado en la sala de servicio. Además, se pueden encender y apagar los ventiladores a horas predetermina-das.

cionado y la iluminación se controlan automáticamente con el fin de ofrecer los niveles de iluminación y temperatura necesarios. Sirviéndose de la luz natural como referencia, un sensor de brillo determina si deben encenderse, y a qué nivel, las luces para mantener una ilumi-nación constante. Las configuraciones de iluminación y temperatura varían a lo largo del día. Las cortinas del vestíbulo se controlan también mediante un sen-sor lumínico.El sistema de control i-bus se ajusta para adecuarse al tránsito de personas por las zonas públicas a lo largo del día. Los detectores de movimiento controlan la cantidad de iluminación en función de la actividad que detecte. Durante periodos ajetreados, se enciende la mayoría o la totalidad de las luces y el aire acondicio-nado se ajusta de manera óptima. A medida que disminuye el tránsito de personas, se apaga una parte de la ilumi-nación y del aire acondicionado. Por la noche, cuando la actividad suele alcan-zar su nivel más bajo, el detector de movimiento controla de manera exclusi-va la iluminación y el aire acondiciona-do, con objeto de mantener el consumo energético a niveles bajos.

Habitaciones inteligentesCuando el huésped del hotel inserta una tarjeta especial en la ranura correspon-diente en la habitación, el sistema i-bus de ABB ajusta la iluminación al modo de bienvenida y el aire acondicionado al modo “confort” (a saber, 23 ºC en verano y 28 ºC en invierno). El huésped puede atenuar la lámpara de lectura, ajustar la cortina eléctrica y llevar a cabo otras operaciones desde la comodidad de su cama 1 .El sistema de aire acondicionado lo con-trola de manera automática un termosta-to del sistema i-bus. Para mantener los ajustes de temperatura requeridos, la velocidad del viento pasa de un nivel alto a otro bajo antes de detenerse. El control del AC está interconectado con la apertura y el cierre de puertas y ven-tanas, de manera que cuando una ven-tana o la puerta de un balcón está abier-ta, el sistema se apaga automáticamente.Antes de acostarse, el huésped puede apagar todas las luces mediante un inte-rruptor situado sobre la mesilla de noche, lo que activa automáticamente el modo nocturno del AC 2 . Un botón de modo de actividad nocturna enciende una luz nocturna y una luz en el cuarto

Para muchas personas que viajan, los hoteles son, casi, un segundo hogar.

Como sucede en sus casas, los huéspe-des desean sentirse seguros y cómodos, por lo que los hoteles han tratado siem-pre de ofrecer un entorno con esas características. Sin embargo, en muchos casos dicha pretensión resulta cara y energéticamente ineficiente.Durante los últimos años, han empeza-do a comercializarse soluciones innova-doras y productos que permiten conec-tar de forma flexible y sencilla –pero inteligente– diversos sistemas eléctricos domésticos y controlarlos por medio de la red eléctrica instalada. Las funciones que ofrece dicho sistema permiten el control de la iluminación ambiental, la calefacción y la ventilación, las ventanas y puertas y las contraventanas y persia-nas. Un sistema tal, el sistema i bus® KNX de control inteligente de edificios de Busch-Jaeger, una empresa pertene-ciente a ABB, permite que diversos dis-positivos eléctricos interactúen donde y cuando lo requiera el usuario [1]. Así como su aplicación para edificios resi-denciales, el sistema de control i-bus® KNX de ABB se utiliza actualmente con frecuencia en edificios públicos tales como museos, aeropuertos, inmuebles de oficinas y hoteles.El sistema de instalaciones inteligentes i-bus® KNX se basa en la tecnología contrastada de KNX, que ahora se acep-ta como la primera norma abierta del mundo, la ISO/IEC14543, para dispositi-vos de control de edificios industriales, comerciales o residenciales. En julio de 2007, la norma KNX se adoptó como Norma Nacional china, la GB/Z 20965-2007, titulada “norma técnica sobre redes de control de sistemas electróni-cos para viviendas y edificios (HBES)”. El uso de los sistemas de control inteli-gente i-bus en hoteles de máxima cate-goría no sólo ha supuesto una mejora de la calidad del servicio en cuanto a confort sino que se ha logrado asimismo el importantísimo fin de ahorrar energía a través del control automático e inteli-gente de la iluminación, las cortinas y persianas, el sistema de aire acondicio-nado y la TV.

Bienvenidos a otro mundoLos servicios inteligentes que emplean el sistema i-bus de ABB empiezan a prestarse en el momento en que el huésped entra en el hotel. En el vestíbu-lo y las zonas públicas, el aire acondi-


Servicio de gestión interna inteligente



Servicio de gestión interna inteligente


instalara el sistema i-bus de ABB era de unos 4,8 millones de RMB (702.000 USD). Ahora, según los cálculos del hotel, se han reducido los costes anuales de fun-cionamiento del sistema de AC en una media de 576.000 RMB (84.200 USD). Esta cifra se ha calculado sobre la base de que, en un periodo de 24 horas, las 220 habitaciones funcionarán a lo largo de ocho horas en modo de ahorro, otras ocho en modo nocturno y el resto en modo normal. La instalación del sistema en el hotel Changbaishan costó 2,2 millones de RMB (322.000 USD). Con unos ahorros anuales estimados en 576.000 RMB (84.200 USD), el plazo de amortización se ha calculado en menos de cuatro años. Sin lugar a dudas, se trata de un dinero bien gastado.

James-Dajiang Wang

ABB Low Voltage Products

Beijing, China

[email protected]

Referencias

[1] Doerstal, B. “El confort como valor añadido. La

tecnología inteligente de instalaciones eléctricas

hace la vida más segura y más fácil y contribuye a

mejorar el aprovechamiento eficaz de la energía”.

Revista ABB 2/2008, pp. 10–14.

[2] Bin, Y.; Baoyi, G.; Xiaoping, M. (1999) “Optimi-

zation of indoor design parameters of comfort air

conditioning”. Heating and ventilation air conditio-

ning, 29 (1), pp. 44–45.

Notas a pie de páginas1) El estilo y el color de los interruptores armonizan

con el entorno en el que están instalados2) Esto puede lograrse: activando el modo “off” o de

ahorro de energía cuando la habitación está vacía,

el modo de ahorro de energía cuando el huésped

está fuera y el modo nocturno cuando el huésped

está durmiendo.

de operaciones se visualiza gráficamente el estado de todas las habitaciones en cuanto a temperatura, presencia, llama-das de servicio, cortinas, iluminación, etc.

Considerables ahorrosEl sistema de control inteligente i-bus de ABB no sólo mejora el elevado nivel de servicio que se ofrece ya en muchos hoteles, sino que además permite un importante ahorro de energía.La eficiencia operativa puede incremen-tarse a través del mantenimiento ordina-rio y de la optimización del sistema. Cuando se trata de ahorrar energía en un sistema central de AC, la reducción del consumo de componentes como el refrigerador, la bomba de agua y los dis-positivos eléctricos de la habitación, p. ej., la unidad ventiloconvectora, contribuye a la consecución de dicho objetivo.Mediante un control adecuado de tales dispositivos eléctricos2), se reducen con-siderablemente la energía consumida y la carga total del sistema de AC. A su vez, se minimiza la energía consumida por las unidades de refrigeración de agua, los ventiladores de tres velocida-des o las calderas. Para ser más concre-to, un aumento de un grado de la tem-peratura en verano o una reducción de un grado en invierno en un ajuste de temperaturas típico permite una reduc-ción del 6% del consumo por parte de un sistema de AC integral [2]. Dicho de otro modo, gracias al ajuste automático de la temperatura de la habitación mediante un termostato inteligente se logra el importantísimo objetivo del ahorro de energía.La factura de la luz anual del hotel inter-nacional Changbaishan antes de que se

Servicio de máxima calidad en PekínEl hotel internacional Changbaishan de Pekín está ubicado cerca del Estadio Olímpico (“el Nido”) y de la Piscina Olímpica (“el Cubo de agua”), en el centro de la zona de negocios olímpica. Este lujoso hotel de cinco estrellas utili-za el sistema inteligente i-bus de ABB para controlar la iluminación y el aire acondicionado en sus 220 habitaciones de lujo, el vestíbulo, la sala multiusos, el centro de negocios, el gimnasio, los pasillos y otras zonas públicas.Los interruptores convencionales1) de las habitaciones son de fácil manejo y, para conectarlos directamente al sistema i-bus, se utiliza un cable de muy baja tensión. Gracias al control inteligente, de manejo sencillo, se logran unos modos de lectura, descanso y visualiza-ción de la televisión cómodos. Pulsando un interruptor concreto situado sobre la mesilla de noche, los huéspedes activan la función de llamada de servicio. La señal correspondiente se muestra en una pantalla situada fuera, junto a la puerta de la habitación, así como en los ordenadores de la sala de servicio de planta y del departamento de gestión interna, lo que minimiza el plazo de res-puesta del servicio.Se cuenta con tres interfaces de visuali-zación diferentes: una para la recepción, otra para el departamento de manteni-miento y una tercera para el departa-mento de gestión interna. Además de las funciones básicas, una función de auto-matización, conectada al sistema de ges-tión del hotel, permite gestionar y pre-parar la habitación eficazmente. Por ejemplo, cuando un huésped abandona la habitación, ésta se ajusta automática-mente al modo de espera. En el centro

1 Operaciones como la atenuación de la lámpara de lectura pueden llevarse a cabo cómodamente desde de la cama.

2 Se pueden apagar todas las luces mediante un interruptor situado sobre la mesilla de noche, lo que activa automáticamente el modo nocturno del aire acondicionado.

MetamorfosisAdaptación rápida a los cambios empleando el modelo de mejora IDEALAldo Dagnino, Andrew Cordes, Karen Smiley



Las compañías deben adaptarse rápidamente a unos mercados en transformación y adoptar nuevas tecnologías para seguir siendo competitivos. Tal adaptación reviste una importancia especial en una situación económica con cambios rápidos. La flexibilidad y la disposición para cambiar son cualidades importantes que se deben fomentar y estimular en todos los niveles si las empresas quieren responder con eficacia a las variaciones de las demandas de productos o a los diferentes requisitos de los clientes. Para fomentar un entorno positivo para tales cambios, el correspondiente proceso debe planificarse cuidadosamente, dirigirse bien, justifi-carse adecuadamente y aplicarse con sensibilidad. ABB emplea el modelo IDEALSM 1.0 como marco para dirigir los procesos de mejora para que los cambios se lleven a la práctica de manera eficaz.


Metamorfosis


Los centros de investigación de ABB han desarrollado diversas herramien-tas de diagnóstico internas con vistas a la evaluación de arquitecturas1), tecnologías y procesos de producto, todos ellos basados en principios de ingeniería bien fundados y metodolo-gías ya probadas, desarrolladas en los ámbitos industrial y académico. Con vistas a evaluar las arquitecturas de

Fase de inicioEn esta fase se establece la base para una serie de acciones de mejoras. La fase comienza cuando los interesados identifican y admiten el desencadenan-te de posibles mejoras. Al finalizar esta fase se desarrolla un plan estratégico de mejoras (SIP) que define el horizon-te temporal y los objetivos globales de la actividad de mejora. Un horizonte temporal típico equivale a lo que duran al menos dos ciclos de mejora. Las tareas primarias asociadas a la fase de inicio se resumen en el Cuadro .

Los centros de investigación de ABB han desarrollado varias herramientas y metodologías que se emplean en la fase de inicio de IDEAL. Se emplea un modelo empresarial de toma de decisio-nes que permite identificar las ventajas empresariales de un proyecto de mejo-ra. Se lleva a cabo una evaluación de la disposición de la BU para los cambios. La evaluación identifica las áreas de posibles resistencias al cambio y pro-porciona un plan que permita preparar el modo en que la organización puede adoptar la mejora propuesta. Se crea un SIP que se diseña para garantizar que toda actividad de mejora en la BU reci-be el apoyo de los recursos adecuados.

Fase de diagnósticoEsta fase del programa de mejora esta-blece la investigación de las tecnolo-gías, los procesos y las interacciones empresariales actuales, que se docu-mentan a fin de crear una base de refe-rencia para la actividad de mejora. Esta información apoya el proceso de plani-ficación y establecimiento de priorida-des en relación con las mejoras, y actúa como indicador que ayuda en el segui-miento y la verificación del impacto de las actividades del programa. Las tareas principales en esta fase son:1) Determinar la cuantía y el tipo de los

diagnósticos que se precisan para definir la base de referencia de la organización con respecto a la activi-dad de mejora planificada.

2) Planificar las actividades, los recursos y los conocimientos precisos para las actividades de diagnóstico.

3) Llevar a cabo la actividad de diag-nóstico para identificar los puntos fuertes y débiles de la BU con res-pecto a los objetivos de la mejora.

4) Comunicar los resultados a la organi-zación oportunamente documentados.

ABB proporciona a sus unidades de negocio (BU) soluciones innovado-

ras que mejoren la introducción de: (a) nuevos productos; (b) nuevas tec-nologías; (c) nuevas metodologías, y (d) procesos innovadores que mejoren sus productos o sus métodos de pro-ducción. Esta asistencia ayuda a las BU de ABB a proporcionar a sus clientes productos y servicios novedosos y a mejorar la posición competitiva de ABB.

El desarrollo de nuevos productos o la introducción en las BU de nuevas tec-nologías, métodos o cualquier tipo de mejoras son actividades interesantes que aportan muchos beneficios. Sin embargo, esas actividades pueden ser perturbadoras y provocar rechazo a los cambios en diversos niveles de la orga-nización. Por lo tanto, es importante disponer de un método sistemático para dirigir un programa de cambios o mejo-ras. Todos los centros de investigación de ABB participan de una u otra forma en la incorporación de cambios a ABB. Los programas de mejoras afectan direc-tamente a las BU e implican normal-mente colaboración para introducir nuevas tecnologías, desarrollar nuevos productos, emplear nuevos materiales, mejorar métodos de producción, perfec-cionar el diseño de los productos exis-tentes, optimizar los métodos de desa-rrollo de productos y promover otras muchas iniciativas. ABB Corporate Research emplea con eficacia un mode-lo de mejora empresarial a fin de esta-blecer, ejecutar y acelerar en colabora-ción los programas de mejora en las BU. Este modelo, llamado IDEALSM 1.0, lo desarrolló inicialmente el Carnegie Mellon® Software Engineering Institute (SEI) y estaba destinado originalmente a mejorar los procesos de desarrollo de software. Sin embargo, ABB ha utilizado IDEAL con buenos resultados para diri-gir otras actividades que produzcan mejoras en las BU de la compañía.

Fases del modelo IDEALEl modelo IDEAL 1.0 incluye cinco fases principales [1] 1 :(1) Inicio(2) Diagnóstico(3) Instauración(4) Ejecución(5) Explotación

A continuación se describe cada una de las cinco fases de IDEAL.

Nota a pie de página1) La arquitectura del producto comprende la estruc-

tura que integra los componentes y los subsistemas

de un producto componiendo un mecanismo cohe-

rente para poder llevar a cabo una función determi-

nada e incluye asimismo los métodos de utilización

y mantenimiento, así como su producción.

1) Definir el método para ejecutar el pro-grama de mejora.

2) Identificar las necesidades empresaria-les y los puntos determinantes de la mejora desde el punto de vista de la gestión.

3) Evaluar la disponibilidad de la organiza-ción hacia el programa de mejora y utilizar esta información para definir estrategias de gestión.

4) Redactar un SIP y conseguir la aproba-ción y la asignación de recursos por parte de la dirección.

5) Concienciar, establecer expectativas y preparar apoyo para el inmediato pro-grama de mejora dentro de la BU.

6) Establecer la infraestructura que pro-porcione visibilidad y apoyo para el programa de mejora.

7) Definir objetivos mensurables para el programa de mejora.

8) Lanzar el programa de mejora.

Cuadro Tareas asociadas a la fase de inicio

1 Ciclo de mejora IDEAL

Iniciar (1)

Diagnosticar(2)

Establecer(3)

Actuar (4)

Aprovechar (5) Modelo IDEAL


Metamorfosis


plazo para garantizar una transición suave.

Durante la fase de ejecución se emplean buenas prácticas de gestión de proyec-tos para garantizar que los proyectos de mejora siguen su calendario, se ajus-tan al presupuesto y proporcionan los resultados esperados.

Fase de explotaciónLos objetivos de esta fase son analizar la forma en que se ha ejecutado el ciclo de mejora a fin de recoger las lecciones aprendidas e incorporarlas al SIP que se aplicará en el siguiente ciclo de mejoras. La fase de explotación des-emboca en la fase de inicio del segun-do ciclo de mejora. Las tareas principa-les en esta fase son:1) Recopilar las lecciones aprendidas

durante el ciclo de mejora.2) Analizarlas y decidir cómo utilizarlas

en los ciclos futuros.

Una vez que se ha finalizado la fase de explotación, se inicia un nuevo ciclo de mejora, comenzando de nuevo con otra fase de inicio que sea coherente con el SIP.

Para garantizar que se aplica eficaz-mente la estrategia de mejora, se asigna autoridad y responsabilidad a un res-ponsable del cambio para que organi-ce, planifique, asigne personal, controle y dirija el programa de mejora, de for-ma que se asegure de que las activida-des de todo el ciclo IDEAL se llevan a cabo con eficacia.

Utilización de IDEAL en ABBEl modelo IDEAL se ha utilizado en muchas de las BU de ABB. Los ejem-plos siguientes ilustran dos casos con-cretos. El primero de ellos, más detalla-do, describe el proyecto de mejora de un proceso de software en una BU de desarrollo de productos. El segundo se refiere a un proyecto centrado en reha-

1) Revisar la imagen, el plan empresa-rial, los aspectos empresariales clave y las motivaciones de la BU identifi-cados en la fase de inicio, y, en su caso, modificar los objetivos del pro-grama de mejora.

2) Actualizar el SIP en caso necesario.3) Basándose en los resultados finales

identificados durante la fase de diag-nóstico y en los objetivos empresa-riales de la BU, seleccionar y priori-zar actividades y desarrollar el plan táctico de mejoras (TIP). Este plan guía la actividad de mejora durante el ciclo.

4) Establecer consensos, revisar, conse-guir la aprobación de la dirección para el TIP y asignar recursos a la acción.

5) Establecer los grupos de trabajo téc-nicos (TWG) (equipos de mejora) que serán responsables de llevar a cabo el TIP.

Fase de ejecuciónEn esta fase se lleva a cabo el TIP. Los TWG desarrollan, dirigen e implantan las mejoras en la BU. Las tareas princi-pales en esta fase son:1) Ejecutar el TIP como un proyecto.2) Desarrollar y dirigir las posibles solu-

ciones identificadas en el TIP.3) Recopilar y analizar los resultados

piloto y extraer las lecciones apren-didas al proyecto de mejora.

4) Desarrollar estrategias de implanta-ción basadas en los resultados de las pruebas y las lecciones aprendidas.

5) Implantar las soluciones selecciona-das, proporcionando apoyo a largo

productos y sistemas, ABB ha prepa-rado un método de arquitectura de software empleando el diseño deter-minado por atributos (ADD) y el Architecture Tradeoff Analysis Method® (método de análisis de compensación de arquitecturas) (ATAM®) desarrolla-do por el SEI [2, 3, 4, 6]. Para evaluar las tecnologías, la compañía ha desa-rrollado una metodología AHEAD (Attribute Hierarchy-based Evaluation of Architectural Designs, o evaluación de diseños de arquitecturas basada en jerarquías de atributos), siguiendo el enfoque Analytic Hierarchy Process (AHP) o proceso analítico de jerar-quías [7]. Para el diagnóstico de los procesos de desarrollo de productos, ABB ha creado un método de evalua-ción interno, basado en el Standard CMMI® Appraisal Method for Process Improvement® (SCAMPI®) o método de evaluación estándar para mejora de procesos CMMI (SCAMPI®) [5].

Fase de instauraciónEsta fase establece la base para las acciones de un ciclo de mejoras especí-fico. El curso de acción adoptado viene determinado por los resultados de la actividad de diagnóstico. A fin de apli-car esta decisión se desarrolla un plan para llevar a cabo los cambios adecua-dos (introducir una tecnología nueva, desarrollar un producto nuevo, efectuar mejoras en los procesos o cambiar la arquitectura de un producto) que hace uso del esquema establecido en la fase de inicio. Las tareas principales en esta fase son:

Notas a pie de páginas2) Modificar software es una labor, posiblemente

evitable, que se requiere para corregir problemas o

ajustar una aplicación.3) El método de medición de metas a través de pre-

guntas (GQM) es un método orientado a la conse-

cución de metas que se sirve de la métrica para

mejorar el proceso de desarrollo de software (y de

los productos resultantes) al tiempo que se mantie-

ne en sintonía con la organización de las activida-

des y los objetivos técnicos.


Metamorfosis


modelo CMMI y el método de evalua-ción CMMI interno de ABB. Esta eva-luación determinó la identificación de los puntos fuertes y las posibles áreas de mejora en los procesos de la BU, lo que reduciría las modificaciones des-pués de la prueba de integración.

ExplotaciónMediante el análisis GQM3) se identifi-caron las áreas prioritarias que contri-buirían al logro del objetivo empresa-rial. Un área seleccionada para la mejora fue la Gestión de Requisitos (REQM)4). Aunque la BU disponía de un potente proceso de Requisitos de Ingeniería (RE), se llevó a cabo manualmente. Las modificaciones natu-rales de los requisitos durante el ciclo de vida del desarrollo no se captaron tan rápido como era de desear, lo que se tradujo en una gran cantidad de remodelaciones de software después de las pruebas del sistema. Con esta información, se estableció un TIP que proporcionara apoyo de automatiza-ción para el proceso de RE y se lanzó un TWG.

EjecuciónDurante esta fase, se ejecutó el TIP creado para mejorar y automatizar el proceso de RE en la BU. El proyecto se centró en el empleo de los elementos básicos del proceso existente y en su mejora para poder automatizarlos. Una

CMMI® v1.2, desarrollado por el SEI. La métrica empleada para medir el éxito del programa de mejora tenía que con-trolar el tiempo requerido para remo-delar el software, es decir, el tiempo necesario para eliminar los defectos del producto de software identificados tras la prueba de integración.

Se llevó a cabo una evaluación de la disposición de la organización para el cambio, considerando diversos factores dentro de cuatro categorías: (1) acepta-ción del cambio por la organización; (2) compromiso con el patrocinador; (3) disposición del responsable del cambio a llevarlo adelante; y (4) expe-riencia disponible en la organización para la incorporación del cambio. Los resultados de esta evaluación se resu-men en 2 .

Un análisis completo de los resultados mostró que el responsable del cambio debía tener formación técnica en CMMI y en la gestión de operaciones de cambio y tenía que aumentar su dedicación temporal al proyecto de mejora. El patrocinador debía dar ejemplo demostrando al resto de la organización su dedicación al proyec-to de mejora. Finalmente, la organiza-ción precisaba una formación técnica para comprender mejor las buenas prácticas de desarrollo que respalda el CMMI.

DiagnósticoPara definir una base de referencia para la mejora del proceso se llevó a cabo un diagnóstico del proceso de desarrollo de la BU empleando el

cer la arquitectura2) de un producto de software en otra BU de ABB.

Mejora de un proceso de softwareEn la concepción de este proyecto, los directivos identificaron varios objetivos empresariales de la organización. Uno de los más importantes era la reduc-ción del coste de remodelación2) en un porcentaje determinado después de una prueba de integración de software. ABB Corporate Research se ha asocia-do a la BU para ayudar a conseguir este objetivo, aplicando el modelo IDEAL como parte fundamental de la actividad de mejora.

InicioDurante la fase inicial, los directivos de la BU han definido como objetivo empresarial reducciones concretas de los objetivos de remodelación del soft-ware. Identificaron un horizonte tem-poral mínimo de dos años en el que se abordara una actividad continua de mejora del proceso del software, no solamente para alcanzar el objetivo empresarial inmediato, sino también para contemplar objetivos futuros rela-cionados con la mejora del proceso del software. Se tomó asimismo una deci-sión para buscar el apoyo de la Corpo-rate Research para esta actividad. A este fin, se constituyó un equipo res-ponsable del proyecto de mejora del proceso, incluyendo un responsable del cambio en la BU, junto con dos expertos de ingeniería de software de la Corporate Research.

Para guiar en el proceso de mejora del desarrollo del software se utilizó

Nota a pie de página4) El desarrollo de requisitos se refiere a la determina-

ción, la preparación y el análisis de todos requisitos

asociados a un proyecto de desarrollo incluyendo

especificaciones técnicas y no técnicas. La gestión

de requisitos trata de la gestión de todas las solici-

tudes de requisitos y cambios recibidas o produci-

das en el proyecto de desarrollo. Los procesos de

ingeniería de requisitos descritos en este artículo es

la combinación de los procesos desarrollo de requi-

sitos y gestión de requisitos.

2 Diagrama de cambio organizativo para el pro-ceso de mejora de los procesos de software

Predisposición al cambio

Predisposición de los agentes de cambio

Aceptación organizativa

Experiencia técnica

organizativa

Compromiso de los

patrocinadores

rend

imie

nto

Inicio Diagnóstico Instauración Ejecución Explotación


Metamorfosis


y el valor de la penetración en el mer-cado. Además, se llevó a cabo una evaluación de la disposición de la BU para rediseñar su producto principal empleando una nueva tecnología. La modificación de la arquitectura de un producto de software empleando una tecnología de software distinta puso de relieve que los encargados del desarro-llo del software podían precisar una formación adicional.

DiagnósticoUna vez definidos los atributos de cali-dad del software precisos que eran más importantes para el producto, se esta-bleció un conjunto de alternativas de arquitecturas que se utilizaron para evaluar el diseño actual del producto empleando el método interno de ABB basado en ADD para la evaluación de la arquitectura del software.

ExplotaciónSe elaboró un plan detallado para eva-luar y seleccionar nuevos diseños de software.

EjecuciónLa evaluación real de las alternativas de diseño del software se llevó a cabo empleando el método AHEAD [7] basa-do en AHP para evaluación de tecnolo-gías, y se desarrolló un prototipo del producto incorporando el diseño selec-cionado.

ExplotaciónSe recopilaron y documentaron las lecciones aprendidas.

En 3 se resumen las actividades princi-pales llevadas a cabo empleando el modelo IDEAL, tanto para la mejora del proceso de software como para la modificación de la arquitectura del pro-ducto.

Ventajas de utilizar el modelo IDEALSe han observado varias ventajas en el empleo del modelo IDEAL 1.0. Se resu-men a continuación.

En primer lugar, el modelo IDEAL garantiza que la introducción de nue-vas tecnologías, productos o mejoras en ABB se basa en impulsores empre-sariales de peso que, a su vez, reflejan demandas del mercado que responden a necesidades de los clientes y al deseo de mejorar continuamente nuestra posi-

Modificación de la arquitectura de un producto de softwareEn un segundo ejemplo, los directivos de una BU de desarrollo de producto de ABB identificaron un importante objetivo empresarial a fin de aumentar su penetración en el mercado en un porcentaje determinado. La BU consi-deró distintas alternativas para lograr este objetivo empresarial. Seleccionó la alternativa de modificar la arquitectura de su principal producto y comenzó por investigar la posibilidad de usar distintas tecnologías de software para su desarrollo.

InicioBasándose en la decisión de la direc-ción de rediseñar el producto, la BU y los centros de investigación desarrolla-ron conjuntamente un plan y un acuer-do de alto nivel, asignando recursos para completar el proyecto dentro de un determinado horizonte temporal. Se identificó un conjunto de patrones de medida que puso de relieve la impor-tancia de los costes de mantenimiento

vez finalizado el nuevo proceso de RE, se puso a prueba y a continuación se implantó en la organización.

ExplotaciónAl finalizar el primer ciclo de actividad relativo a la mejora del proceso con-tinuo de desarrollo de software, el grupo de calidad en la organización de desarrollo recopiló las mediciones e informó de que, a consecuencia de la mejora del proceso de RE, se había conseguido una reducción del 30% del esfuerzo de remodelación del soft-ware. Durante la fase de explotación, el equipo de mejora identificó aspectos del proyecto de mejora que funciona-ban bien y otros que no lo hacían como se esperaba. Se consideró que un área muy importante era la mejora de la comunicación entre el responsa-ble del cambio y el patrocinador. Ade-más, los directivos de la BU decidieron proseguir el proyecto según lo planea-do durante otro ciclo de un año a fin de abordar otras áreas de posible mejora.

3 Resumen de las principales actividades realizadas al utilizar el modelo IDEAL tanto en la mejora de procesos de software como en modificación de arquitectura de productos

Fase IDEALSM 1.0

Mejora de procesos de software Nuevo diseño de producto

Inicio 1. Reducir coste de pruebas de integración en un porcentaje definido

2. Efectuar una mejora continua de los proce-sos de software durante al menos dos años

3. Formar un equipo responsable de la mejora de procesos de software

4. Utilizar CMMI como modelo de mejora5. Seleccionar el tiempo de remodelación como

patrón de medida que debe supervisarse6. La evaluación de la predisposición reveló la

necesidad de aumentar el compromiso de los patrocinadores y de los agentes de cam-bio, así como la formación de la organización

7. Crear SIP para la mejora de procesos

1. Aumentar la penetración en el mercado en un porcentaje definido

2. Rediseñar el producto principal actual e investigar el uso de nuevas tecnologías

3. Utilizar el método ADD para rediseñar el producto

4. Seleccionar los patrones de medida de mayor porcentaje de penetración en el mercado y menor coste de mantenimiento

5. La evaluación de la predisposición reveló la necesidad de impartir formación en la organización sobre nuevas tecnologías

6. Crear SIP para rediseño de productos

Diagnóstico 1. Corporate Research debe realizar una valora-ción de CMMI interna para establecer un cri-terio de referencia de las áreas de proceso en la unidad de negocio

1. Elaborar supuestos de diseño basados en los atributos de calidad del producto

2. Usar ATAM (del SEI) para diagnosticar el diseño del producto actual

Instaura-ción

1. Utilizar el enfoque GQM para priorizar las actividades de mejora

2. Desarrollar plan de mejoras tácticas para mejorar el proceso

3. Crear y asignar grupos de trabajo técnico

1. Crear plan para rediseñar producto y evaluar las tecnologías de software apropiadas para su aplicación

2. Desarrollar plan de mejoras tácticas para rediseñar el proyecto

Ejecución 1. Potenciar y automatizar proceso de requisi-tos técnicos

2. Comprobar de nuevo el proceso en proyecto de desarrollo piloto

1. Elaborar nuevos diseños y prototipos del producto usando tecnologías candidatas

2. Usar AHP para evaluar prototipos y opciones de diseño

Explotación 1. Medir porcentaje de reducción en costes de pruebas de integración (resultado: aún mayor del esperado)

2. Documentar las lecciones aprendidas

1. Documentar las lecciones aprendidas


Metamorfosis


Referencias

[1] Software Engineering Institute (SEI). IDEALSM Model: Initiating, diagnosing, establishing, acting and learning. Consultado en febrero de 2009 en:

http://www.sei.cmu.edu/ideal/

[2] Software Engineering Institute (SEI), Attribute-driven design method (ADD). Consultado en febrero de 2009 en: http://www.sei.cmu.edu/productlines/add_method.html

[3] Software Engineering Institute (SEI), The architecture trade off analysis method (ATAM). Consultado en febrero de 2009 en:

http://www.sei.cmu.edu/architecture/ata_method.html

[4] Bass, L.; Clements, P.; Kazman, R. (2003) “Software architecture in practice”. Addison-Wesley.

[5] Bush, M.; Dunaway, D. (2005) “CMMI Assessments: Motivating positive change”. Addison-Wesley.

[6] Clements, P.; Kazman, R.; Klein, M. (2002) “Evaluating software architectures”. Addison-Wesley.

[7] Smiley, K.; He, Q.; Kielczewski, E.; Dagnino, A. (2009) “Architectural requirements prioritization and analysis applied to software technology evaluation”.

Proceedings of the 24th Annual ACM Symposium on Applied Computing (SAC’09).

Lecturas recomendadas

Börjesson, A.; Mathiassen, L. (2002) “Making SPI happen: The IDEAL distribution of effort”. Proceedings of the 36th Hawaii international conference on system sciences

(HICSS’03).

Kinnula, A. (septiembre de 2001) “Software process engineering systems: Models and industry cases”. Report, Department of Information Processing Science,

University of Oulu.

Mathiassen, L.; Ngwenyama, O. K.; Aaen, I. (2005) “Managing change in software process improvement”. IEEE Software, noviembre-diciembre, pp. 84–91.

McFeeley, R. (1996) “IDEALSM – A user’s guide to software process improvement”. CMU/SEI-96-HB-001, Software Engineering Institute (SEI).

ción competitiva. En segundo lugar, el modelo IDEAL establece sistemática-mente un marco sólido para el cambio en las BU pertinentes, estableciendo una fuerte determinación para lograr la mejora o el cambio deseados. A su vez, esto se traduce en el compromiso con nuestros clientes de ABB de apoyar la nueva tecnología o el nuevo producto y de garantizar que se establecerán las vías adecuadas para la migración correcta. En tercer lugar, el modelo IDEAL supone una gran herramienta para planificar los recursos y los esfuer-zos necesarios con vistas a incorporar la mejora o el cambio, lo que a su vez aumenta la confianza del cliente en que ABB es un socio comprometido en

proporcionar las mejoras del producto o del servicio que precise. En cuarto lugar, el modelo IDEAL ayuda a fomen-tar una cultura de mejoras continuas en la organización. Unas mejoras conti-nuas suponen que nos compromete-mos a buscar constantemente las opor-tunidades para mejorar los productos y los servicios que suministramos a nues-tros clientes y para escuchar sus necesi-dades y actuar en consecuencia. Por último, la fase de explotación del modelo IDEAL aporta un mecanismo útil para reunir las lecciones aprendidas en cada actividad de mejora, que se pueden guardar de forma indexada para poder acceder a ellas cuando se inicie un nuevo ciclo de mejora. Esta

explotación de las lecciones aprendidas ayuda a garantizar que las actividades de mejora tendrán un impacto positivo en los productos y servicios que ABB ofrece a sus clientes.

Aldo Dagnino

Andrew Cordes

Karen Smiley


Raleigh, Carolina del Norte, EE.UU.

[email protected]

[email protected]

[email protected]



Análisis de fiabilidadLos datos y el software de modelización están ayudando a una planta de producción de GNL a determinar métodos de mantenimiento y a mejorar la fiabilidad de los equipos.Fernando Vicente, Hector Kessel, Richard M.Rockwood

En los últimos años, la fiabilidad (es decir, la probabilidad de que un produc-to, un equipo o un proceso cumplan la función que tienen asignada sin fallos y de acuerdo con condiciones determinadas durante un periodo de tiempo dado) se ha convertido en un tema cada vez más importante cuando se trata de conseguir una mejora continua. Una mayor fiabilidad de la planta reduce los costes del proceso (y de los fallos de los equipos) y contribuye a aumen-tar la producción y, en consecuencia, a conseguir un margen bruto mayor. Además, aumenta la seguridad de los puestos de trabajo y disminuye los riesgos medioambientales potencialmente graves.Actualmente, en la cada vez más competitiva industria del petróleo y el gas, las plantas de producción de gas deben trabajar con un nivel de fiabilidad alto sin derrochar capital ni incurrir en costes extraordinarios. ABB está ayudando a esas compañías a lograr tal fin con la aplicación de medidas objetivas y cuantificables que permitan abordar los fallos de los equipos en las fases iniciales en que se producen. Este artículo presenta tres ejemplos concretos de análisis de fiabilidad efectuados en las instalaciones de MEGA en Loma de la Lata, Argentina. Y el resultado se puede resumir en: ¡ahorro!


Análisis de fiabilidad


poral y la gestión completa de los repuestos.

El complejo de MEGA se encar-ga de la recuperación y separa-ción del GNL. Este proceso implica la separación del meta-no de otros componentes del GNL y de la posterior inyec-ción del metano en un gaseo-ducto que suministra al merca-do nacional. Los otros compo-nentes se conducen a otras ins-talaciones en Bahía Blanca para su tratamiento posterior. Es una planta de fracciona-miento en la que se separa el GNL en etano, propano, buta-no y gasolina, que se venden a sus clientes, principalmente al Gobierno argentino y a la ins-

talación de Bahía Blanca 1 .

Satisfacer las expectativas del clienteLa disponibilidad de los equipos se está acercando a niveles de categoría mun-dial 2 . Ahora bien, este indicador refle-ja la disponibilidad de equipos críticos para el proceso, muchos de los cuales disponen de repuestos “offline” y equi-pos de reserva “online”. Como provee-dor de Full Service, se espera que ABB proporcione lo más avanzado en tecno-logía de servicios y en prácticas de ges-tión de vanguardia. De modo que se solicitó a ABB que comenzara a cen-trarse en otros equipos críticos para el proceso y aumentara la disponibilidad hasta niveles que permitieran el funcio-namiento de la planta en función de la demanda del mercado.

ducción de gas situada en Loma de la Lata, Neuquén (Argentina)– ABB es responsable de la gestión mecánica,

eléctrica, de instrumentación y estáti-ca, así como de la inspección estática, la planificación, la programación tem-

Las empresas inteligentes se esfuerzan en conseguir

una cifra de cero en defectos y accidentes. Muchas de esas organizaciones aplican asi-mismo la norma de “toleran-cia cero” para los fallos de los equipos y tienen un obje-tivo de cero para los fallos. Sin embargo, si los equipos se dejan sin vigilancia, aca-barán por fallar. Para luchar contra eso, las empresas de vanguardia están incorporan-do dos estrategias importan-tes para la gestión de equi-pos: el mantenimiento basa-do en la condición y las prácticas de fiabilidad. El factor fundamental es alcan-zar el control de esos fallos anticipándose a ellos desde fases ini-ciales e interviniendo con procedi-mientos planeados y programados.

Las aportaciones de las prácticas de fia-bilidad en esta estrategia de dos frentes son notables, como se muestra en los tres casos prácticos siguientes. El prime-ro examina el análisis de fiabilidad de una junta mecánica de una bomba de gas natural licuado (GNL); el segundo examina la validación de una modifica-ción de un compresor de husillo; y el tercero aborda el análisis de fiabilidad de un transmisor de temperatura (TT).

Asociación entre MEGA y ABB Full Service®

Como parte del contrato de ABB Full Service® con MEGA –planta de pro-

1 Funcionamiento de la planta de gas de MEGA en Loma de la Lata, Argentina

40 M m3/dGas natural

560.000 t/añoetano

220.000 t/añoGasolina de gas natural

35 M m3/dGas residual

620.000 t/añoPropano, butano

Planta de recupera-ción de GNLLoma de la LataNeuquén

Planta de destila-ción fraccionadaBahía BlancaBuenos Aires

600 km5 M m3/d

Componentes ricos del gas

Gasoducto

b

2 Tendencias de fiabilidad del equipamiento a , en las que el objetivo equivale al 99,6%, y tendencias de satisfacción del cliente b , en las que el objetivo consiste en lograr 4,0 de los 5,0 puntos posibles.

a

2002 2003 2004 2005 2006 2007

2003 2004 2005 2006 2007

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov DicJul Ago Sep Oct Nov Dic

100 100 99,75 100 100 100 100 100 100 100 100 99,99

100

99

98

97

5,04,03,02,01,00,0

100908070605040302010

0

99,6

98

99,96 99,96 99,9699,6

2007 2007

Fiab

ilida

d (%

)

Fiab

ilida

d (%

) 2,9

3,9 3,9 3,9 3,9 3,9 3,.9

3,13,6 3,8 3,9

5,04,54,03,53,02,52,01,51,00,50,0

Pun

tuac

ión

de la

sa

tisfa

cció

n

Pun

tuac

ión

de la

sa

tisfa

cció

n

Para competir verdade-ramente en un entorno global, una empresa no solamente precisa una elevada disponibilidad de los equipos, sino también una alta fiabilidad de los mismos.




planta. En concreto, la forma en que se recopilan, se tratan y quién es res-ponsable de su análisis. La mayoría de las instalaciones de la industria petro-lera y del gas han acumulado datos durante muchos años, pero es raro encontrar a alguien que se ocupe de su análisis y de conseguir información que sirva para resolver los problemas.

Entre los ejemplos típicos en plantas de producción de gas se incluyen la utili-zación de herramientas de fiabilidad, como el análisis de Weibull, el análisis de Pareto y las simulaciones con el méto-do Montecarlo.

Los datos de las plantas son un medio perfecto de mostrar lo que funciona y lo que es posible mejorar. Un buen enfoque para iniciar el análisis es localizar los problemas mediante el examen de la frecuencia con que ocurren. La primera herramienta que debe consultarse para disponer de una visión de conjunto es el diagrama de Pareto, en particular los 10 prime-ros puestos. Es un gráfico que sirve para clasificar las oportunidades y centrarse en las que ofrecen los valo-res mayores. Se aplica la norma clási-ca de 80/20: el 80% de los problemas o de las pérdidas están causados por

La asistencia post-evaluación desarro-lla una forma concreta de ir hacia delante, una hoja de ruta única para cada planta. Incluye objetivos, metas e iniciativas concretas del sitio, destina-dos a cubrir defectos en el rendimien-to del centro y las expectativas de los clientes 4 .

La fiabilidad en la prácticaPara la mayoría, las cifras de fiabili-dad, por sí mismas, no tienen un gran significado para realizar mejoras, inde-pendientemente de que se presenten como porcentajes, tiempos medios entre fallos (MTBF) o menos órdenes de trabajo urgente. Para las empresas, el aspecto financiero de la fiabilidad significa controlar los costes de la falta de fiabilidad debida a fallos de los equipos y los procesos, que se traducen en pérdidas económicas y repercuten en la capacidad de pro-ducción.

Desde el punto de vista técnico, la fia-bilidad suele cuantificarse calculando la probabilidad de que se presente un fallo. La medición de la probabilidad implica el empleo de métodos y herra-mientas de estadística y probabilidad. Entre los ejemplos típicos en plantas de producción de gas se incluyen la utilización de herramientas de fiabili-dad, como el análisis de Weibull, el análisis de Pareto y las simulaciones con el método Montecarlo Cuadro 2 .

Un factor clave para el análisis de fia-bilidad es la calidad de los datos de la

Desde la asistencia post-evaluación a las iniciativas de acciónA principios de 2008 se completó en MEGA la evaluación anual Full Service de las instalaciones. Permite identificar las iniciativas que funcionan bien y las que se pueden mejorar. De cada eva-luación se extraen recomendaciones que ayudan al equipo de ABB que tra-baja sobre el terreno a subsanar los defectos de rendimiento que hayan identificado.

El factor clave consiste en obtener control sobre los fallos anticipán-dose a ellos de manera precoz e interviniendo a través de enfoques planificados y programa-dos.

Aunque el proceso de evaluación de las instalaciones en MEGA fue muy eficaz, era evidente que se podía hacer más para ayudar a las plantas a mejorar tanto en calidad como en can-tidad las iniciativas para subsanar los defectos existentes. Entre otras medi-das, mejorar la ejecución de iniciativas con el objetivo de mejorar el valor para los clientes, ABB y el personal, en consonancia con el triángulo de resultados de ABB Full Service 3 . Este enfoque se ha denominado “asistencia post-evaluación” Cuadro 1 .

3 El proceso de evaluación de la planta es una herramienta eficaz que se utiliza no sólo para determinar el rendimiento actual, sino también para desarrollar estrategias con criterios muy avanzados.

Innovación y aprendizaje

Indicadores del rendimiento

Liderazgo Estrategia

Respeto de la asociación

Mantenimiento de la fiabilidad

Operaciones de mantenimiento

Mejora del rendimiento de la planta

Calidad de la SSM*

Gestión del personal

Financiación y costes

Contratistas de materiales

Información

Factores propiciadores Resultados

Eficacia y eficiencia de

la rentabilidad

Valor y satisfacción del cliente

Seguridad y medio ambiente/

Competencia y motivación

* SSM: seguridad, salud y medio ambiente

4 Asistencia post-evaluación

Revisión de la evaluación de la

planta Full Service

Debatir iniciativas concretas

Desarrollar pasos siguientes/plan

de “juego”

Alinear con MMMP (plan maestro de ges-

tión del mantenimiento)

Alinear con KPI concretos

Identificar y priorizar

oportunidades

Comparar con prácticas

preponderantes

Ejecutar, mantener, gestionar

El proceso de gestionar el rendimiento

Mejora continua




gripado, impulsor agarrotado, motor quemado y conducción de aspiración obstruida.

La bomba de GNL es una pieza crítica del equipo del proceso de produc-ción, ya que suministra el producto procesado final a la planta de Bahía Blanca, donde se fracciona para obte-ner otros productos (etano, propano y butano). A partir de los datos recogi-dos para esta bomba en relación con el CMMS, se seleccionó el software para aplicaciones de fiabilidad, por su capacidad para llevar a cabo un análi-sis de Weibull. La fórmula empleada para el cálculo de la fiabilidad es la siguiente:

(sistema informatizado de gestión del mantenimiento) (CMMS) para la bom-ba de GNL 510-P-01C que indicó que el modo de fallo más frecuente estaba asociado con el fallo mecánico de una junta mecánica.

En el ámbito profesional de la fiabili-dad se suele admitir que el manteni-miento se gestiona en el nivel del modo de fallo. Se entiende por modo de fallo cualquier circunstancia que es probable que ocasione el fallo de un determinado equipo (o sistema o pro-ceso). Por tanto, un modo de fallo es un evento que causa un fallo funcio-nal en un determinado elemento. Los modos de fallo usuales son: cojinete

el 20% de los equipos o de los proce-sos 5 .

Análisis de fiabilidad: junta mecánica de una bomba de GNLBasándose en un análisis de Pareto, el equipo técnico de ABB decidió anali-zar la fiabilidad de la bomba de GNL 510-P-01C. El equipo pensaba que el sistema de la bomba tenía una baja fiabilidad porque la condición del proceso había variado en compara-ción con las condiciones del diseño original.

A continuación se realizó una búsque-da en la base de datos del Computeri-zed Maintenance Management System

6 Datos de la bomba de GNL recogidos a través del sistema CMMS

Antigüedad (horas)

Avería (F) o suspensión (S)

9.236 F

2.924 S

2.202 F

12.433 F

11.123 F

2.880 F

Coste de sustitución preventiva (antes de avería) = 4.258 USDTiempo medio de reparación (MTTR) = 5 horasCoste de la avería (producción cesante + coste de sustitución) = 413.403 USD

5 Diagrama de Pareto en el que se muestran las diez oportunidades de mejora principales en MEGA

160.000

140.000

120.000

100.000

80.000

60.000

40.000

20.000

0

Equipamiento

Cos

te ($

)

A B C D E F G H I J

Coste total Coste acumulado

7 Función de fiabilidad de la bomba de GNL demostrada mediante el análisis de Weibull (dos parámetros, regresión lineal)

100959085807570656055504540353025201510

5

Antigüedad (horas)

Fiab

ilida

d (%

) pro

babi

lidad

de

supe

rviv

enci

a

0 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000

Beta = 1,42Eta = 9.365,56

Vida media = 8.518,08 horasPrecisión = 90,41 %

8 Análisis de la política de sustituciones

528.29

493.07

457.85

422.63

387.41

352.19

316.97

281.75

246.53

211.32

176.10

140.88

105.66

70.44

35.22

Antigüedad de sustitución preventiva (en horas)

Cos

te ($

/h)

0 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000

Costes de sustitución:Preventiva = $14.224Avería = $1.500,000La política óptima consiste en sustituir a las 649,28 horas

El coste de la política optima asciende a $73,72/hCoste de sustituciónÚnicamente en caso de avería $176.096/h




Como resultado del análisis de Wei-bull, el equipo de ABB pudo efectuar diversas recomendaciones. Tras un concienzudo examen, MEGA y ABB acordaron que era preferible realizar un nuevo diseño o una modificación, en lugar de aplicar una estrategia de mantenimiento basada en sustituciones periódicas. La modificación acordada fue la de instalar un sistema a presión que activara la junta mecánica 9 .

El coste de la modificación (dos juntas por bomba) es de unos 90.000 dólares.

tución en distintos momentos de fun-cionamiento.

El segundo análisis, realizado a las 4.000 horas de funcionamiento, repre-sentó unos ahorros de 66 dólares por hora de funcionamiento. El equipo lle-vó a cabo después un tercer análisis a las 6.000 horas, con el que se obtuvo un ahorro en los costes de 46 dólares por hora. Por último, un cuarto análi-sis a las 8.000 horas supuso unos aho-rros de 36 dólares por hora.

donde:R(t) = Valor de la fiabilidad (0–1)t = Antigüedad del fallo (horas, ciclos)η = Parámetro de escala (horas, ciclos)β = Parámetro de forma (β<1; β=1; β>1)

Los datos recogidos del sistema CMMS se presentan en 6 . El análisis de Wei-bull mostró los resultados del patrón de fallos que se presenta en 7 .

Una de las ventajas de aplicar el análi-sis de Weibull es el hecho de que pro-porciona un perfil de modelización flexible que cubre los patrones de fallo relativo a juventud, aleatoriedad y desgaste. El MTBF de la junta mecá-nica es de 8.518 horas, lo que indica que el 50% de las juntas mecánicas de las bombas fallan antes de alcanzar este número de horas de trabajo, y el 50%, pasado ese momento. El análisis ha permitido al cliente la actualización del sistema de bombas mejorando la junta mecánica.

Después, el equipo de ABB realizó un análisis de costes para determinar el momento óptimo para proceder a la sustitución de una pieza (junta mecá-nica). En 8 se muestra que el momen-to óptimo para sustituir la junta mecá-nica es a las 650 horas de funciona-miento, lo que representa unos aho-rros por hora de funcionamiento de 103 dólares. Sin embargo, esta fre-cuencia de sustitución se consideró poco práctica, por lo que el equipo de ABB analizó posibles pautas de susti-

Se puede mejorar el análisis de datos utili-zando un software de fiabilidad capaz de llevar a cabo un análisis estadístico. En los tres estudios de caso de este artículo se empleó software de fiabilidad para la toma de decisiones. Cualquiera que sea el soft-ware para aplicaciones de fiabilidad que se seleccione, debe disponer de una función que permita ejecutar el análisis de Weibull. Este método identifica o modeliza la cate-goría del fallo (juventud, aleatoriedad y desgaste) de acuerdo con el tiempo de funcionamiento (es decir, la edad del equi-po) en que se produce el fallo del compo-nente. Puesto que el análisis de Weibull puede adaptarse a la mayoría de los datos mejor que otros métodos, y ya que es efi-caz para disponer de un análisis de fallos preciso con una muestra relativamente pequeña de datos, se trata del método más utilizado para determinar la fiabilidad de los componentes y el favorito para modelizar y analizar los patrones de fallos.

Cuadro 2 Selección del software de fiabilidad

Una vez que el ABB Full Service de una instalación concluye una evaluación, la asistencia posterior examina los resultados y las recomendaciones destinadas a mejo-rar el rendimiento de la planta. A cada planta se le presenta una estrategia perso-nalizada de “hoja de ruta” que refleja sus dificultades propias y las oportunidades de mejora. Después, se consideran las opor-tunidades de mejora siguiendo un plan lógico paso a paso. En MEGA se empleó este proceso y se abordó una de las con-clusiones de la evaluación: mejorar el enfo-que de la planta en relación con la fiabili-dad. ABB trabajó con las instalaciones de MEGA para determinar la forma de aplicar la fiabilidad con vistas a mejorarlas. El equipo de ABB destinado a las instalacio-nes identificó oportunidades concretas a las que aplicar una iniciativa de mejora basada en la fiabilidad.

Cuadro 1 Asistencia post-evaluación

9 Plan real del American Petroleum Institute (API) instalado en bombas a , y nuevo plan propuesto por el API b . Pueden cambiar incluso las condiciones del proceso: la presión en la junta será la condición de diseño.

salidasalida

válvula, normalmente abierta válvula, normalmente cerrada

indicador de presión

indicador de presión

llenado de liquido, normalmente cerrado interruptor de nivel (alto)

interruptor de nivel (bajo)

interruptor de presión (bajo)

serpentines de enfriamiento

enfriamiento entrante

indicador de nivel

interruptor de presión (alto)

fuente de presión, normalmente cerrada

acumulador de vejiga

drenaje, normalmente cerrado

orificio

depósito

enfriamiento saliente indicador de

temperatura

tubería de aletas(depósito alternativo)

llenado de liquido, normalmente cerradodrenaje,

normalmente cerrado

entradaentrada

vista del extremo de

la junta

vista del extremo de

la junta

a b

Rt = e - – β , t > 0t

η � �




la fiabilidad? Se empleó el análisis de Weibull para evaluar el nivel de mejo-ra de la fiabilidad.

Con un MTBF anterior a la modifica-ción de 3.042 horas de funcionamien-to, y con un MTBF posterior a la modificación de 5.000 horas, la mejora real es de unas 2.000 horas: un mejora del 19% en MTBF 12 13 . El equipo de ABB controlará la mejora del MTBF y a continuación abordará el modo de fallo más habitual después de éste.

Análisis de fiabilidad de los transductores de temperaturaLos transductores de temperatura (TT) controlan la temperatura en sistemas de automatización sensibles al proce-so. Se seleccionó este equipo como consecuencia de los numerosos fallos que tuvo el año anterior. Los fallos se presentaron de forma aleatoria (es decir, sin un patrón predominante), lo que hacía difícil realizar mejoras en la fiabilidad.

la planta. Es un paso crucial del pro-ceso de producción porque, si no se suministrara aire, los instrumentos de la planta funcionarían mal y propor-cionarían lecturas erróneas y, en con-secuencia, variaciones en el control de la producción.

Se produjeron algunos fallos inespera-dos en el sensor que detecta la tempe-ratura de las resistencias (RTD). Es un dispositivo que mide la temperatura del aire de descarga; si falla, el com-presor se para. Una vez que se analizó la causa del fallo original (RCFA), el equipo de ABB concluyó que el modo de fallo principal estaba causado por las altas vibraciones producidas cuan-do el compresor estaba en marcha.

El equipo de ABB diseñó un dispositi-vo para absorber las vibraciones con lo que se reducirían los fallos 10 11 . Pero la pregunta seguía en el aire: ¿la modificación ha reducido el modo de fallo por vibración y ha mejorado

La fiabilidad de la modificación se controlará mediante un análisis regular de los datos con el método de Wei-bull, que permitirá determinar la mejo-ra de la fiabilidad gracias a la amplia-ción del MTBF por encima de la base de referencia establecida originalmente.

Análisis de Weibull de un compresor de husilloEl compresor de aire de tipo husillo se considera un equipo crucial para el proceso. Su función es suministrar aire al petróleo para la instrumentación de

10 Se colocó un dispositivo antivibración a b en el sensor RTD c para reducir averías del RTD.

11 Avería en el cable de RTD debido a las ele-vadas vibraciones que actúan en el sistema

12 Función de fiabilidad del RTD antes de la modificación (empleando el análisis biparamétrico de Weibull de precisión máxima) a y después de la modificación (empleando el análisis biparamétrico de Weibull de regresión lineal) b

100959085807570656055504540353025201510

5

100959085807570656055504540353025201510

5

Antigüedad (horas) Antigüedad (horas)0 700 1.400 2.100 2.800 3.500 4.200 4.900 0 1.100 2.200 3.300 4.400 5.500 6.600 7.700

Beta = 0,92Eta = 2.918,85

Vida media = 3.042 horasPrecisión = 97,13 %

R35% = 3.000Antes de modificación

R35% = 5.200Después de modificación

Beta = 1,00Eta = 5.000

Vida media = 5.000 horasPrecisión = 100 %

Fiab

ilida

d (%

) pro

babi

lidad

de

supe

rviv

enci

a

Fiab

ilida

d (%

) Pro

babi

lidad

de

supe

rviv

enci

a

a b

a b c




ción del sistema. En particular, el empleo de un software de aplicaciones basado en la fia-bilidad y con aplicación de los análisis de Weibull, puede proporcionar mejores posibili-dades de adoptar unas deci-siones objetivas.

Para competir verdaderamente en un entorno global, una empresa no solamente precisa una elevada disponibilidad de los equipos sino también una alta fiabilidad de los mismos. Puede ser difícil saber qué táctica implantar para la ges-tión de equipos dadas las posibilidades de elección entre intervalos de sustitución, mantenimiento preventivo, frecuencias de inspección, acciones de mantenimiento según la condición, sustitu-ción de equipos primordiales y necesidad de recursos de mantenimiento. La selección del método óptimo de mante-nimiento puede aumentar la probabilidad de conseguir unos costes de explotación menores y mayores niveles de fiabilidad y disponibilidad, lo que se traduce en una pro-ducción más fiable. El método óptimo puede apoyar iniciati-vas destinadas a proporcionar

resultados positivos provechosos para el cliente, el personal y ABB.

Fernando Vicente

Hector Kessel

ABB Full Service®

Buenos Aires, Argentina

[email protected]

[email protected]

Richard M.Rockwood

ABB Process Automation Full Service,

Oil, Gas, and Petrochemical

Minneapolis, Minnesota, EE.UU.

[email protected]

Lectura recomendada

Desaegher, J. (2008) “Outsourced maintenance: The

ABB Full Service® solution”. ABB Review Special

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ties, pp. 79–83.

Kleine, B. “¿Qué es la fiabilidad? Cambio del paradig-

ma de fiabilidad”. Revista ABB 1/2009, pp. 34–37.

consiguiente mejora de la fiabilidad reducirá los costes generales, no sólo por la falta de fiabilidad de los equi-pos sino también por la falta de fiabili-dad relacionada con el proceso. Ade-más, este enfoque mejorará el rendi-miento empresarial y proporcionará mayores beneficios, y puede generar más negocio dado el aumento de la capacidad de producción que resulta de un mayor tiempo útil de produc-ción o de disponibilidad. Además, la mayor producción compensará los costes de una inversión adicional en equipos, reduciendo de esa forma el coste de su mantenimiento.

Son varias las estrategias y herramientas que se pueden emplear para ayudar a tomar las mejores decisiones en materia de mantenimiento y sustitución. La intención de estas decisiones es deter-minar el tipo de táctica de manteni-miento necesaria para conservar la fun-

El equipo de ABB recogió todos los datos de fallos del historial del CMMS para el equipo a fin de poder llevar a cabo un análisis de fiabilidad. Se recopilaron los datos de fallos relativos al TT a partir del sistema CMMS entre 2001 y 2008. Después, el equipo utilizó la herramienta de apli-caciones de fiabilidad para modelizar una curva de fiabi-lidad a fin de identificar todos los patrones de fallos 14 .

La simple presentación en un gráfico de los datos propor-cionó algunos resultados sor-prendentes. Se calculó el MTBF a los 61 meses, es decir, unos 5 años. Compa-rando con otros equipos simi-lares de la industria, un MTBF típico se encuentra entre 25 y 150 años. Esto motivó al equipo de ABB a emprender otros análisis. Después de ejecutar más aná-lisis de datos y de probar en laboratorio equipos similares, se determinó que el proble-ma se encontraba realmente dentro del instrumento y la causa originaria era el diseño del fabricante del equipo ori-ginal (OEM). Este análisis planteó un debate entre MEGA y el OEM que se tradujo en que MEGA recibió un crédito por los fallos anteriores del equipo TT y también proporcionó datos al OEM para fabri-car una versión mejorada.

La alta fiabilidad es una alta prioridadLa enorme competitividad entre las empresas para asegurarse el negocio y la actual crisis financiera mundial están obligando a las compañías a buscar métodos de reducción de los costes de explotación. Un método muy empleado es el de reducir gastos en el mantenimiento de los equipos. Sin embargo, esto indica una falta de visión, ya que las inversiones que se aplazan suelen resurgir más adelante y pueden costar entre dos y cinco veces más de lo que habrían supuesto en fases iniciales del desarrollo del fallo.

La realización del mantenimiento de los equipos en su momento con la

13 Comparación de curvas de fiabilidad. Tras la modificación del sensor RTD, el valor MTBF mejoró en un 19 %.

Horas de funcionamiento RTD original RTD mejorado

100

80

60

40

20

040 10

0

300

700

1.00

0

1.50

0

2.00

0

3.00

0

4.00

0

5.00

0

6.00

0

7.00

0

8.00

0

Fiab

ilida

d (%

)26 %

45 %

14 Curva de fiabilidad TT

100959085807570656055504540353025201510

5

Antigüedad (meses)

0 15 30 45 60 75 90 105

Beta = 3,06Eta = 68,45

Vida media = 61,19 mesesPrecisión = 96,39 %

Fiab

ilida

d (%

) pro

babi

lidad

de

supe

rviv

enci

a


Avance 3/2009

El vínculo de la energía

La electricidad es un factor impulsor de la economía y, en realidad, de la sociedad humana tal como la conoce-mos. Sin embargo, no sólo se da por supuesta la disponibilidad básica de esta energía: los usuarios tanto indus-triales como domésticos esperan, con razón, que el suministro de la misma se ciña a las normas más estrictas de fiabilidad y previsibilidad.Las infraestructuras vitales que hacen esto posible están experimentando un continuo desarrollo y deben satisfacer unas exigencias que cambian rápida-mente. El aumento del comercio de energía se traduce en un incremento de la distancia a la que se transporta la electricidad, lo que impone nuevas exigencias sobre las infraestructuras. El rápido desarrollo de las economías emergentes está dando lugar a unas ingentes inversiones en materia de transmisión de larga distancia, de modo que las luces de las grandes ciu-dades puedan mantenerse encendidas. Al mismo tiempo, la búsqueda de fuentes de energía alternativas ha

deparado el auge de las renovables. Los diversos grados de disponibilidad de estas últimas generan nuevos pro-blemas relativos, por ejemplo, a la programación o bien relacionados con el hecho de que la generación se con-centra a menudo en zonas escasamen-te pobladas cuyas infraestructuras actuales no se concibieron para dar abasto a un influjo de energía de tal magnitud. Todos estos factores exigen nuevos planteamientos de planifica-ción y funcionamiento en cuanto al suministro de electricidad. Una posible solución estriba en la transición a las «redes inteligentes», en las que ciertos métodos vanguardistas de control y supervisión permiten que las infraes-tructuras de transmisión se utilicen con una flexibilidad que antes no era posible, sin comprometer por ello su fiabilidad y solidez. En la próxima edi-ción de la Revista ABB se estudiarán algunas de las tecnologías necesarias para que esto suceda.Confiamos en que disfruten de una “energética” lectura.

Consejo de redacciónPeter TerwieschDirector general de tecnologíaI+D y tecnología del Grupo

Clarissa HallerResponsable de comunicaciones corporativas

Ron PopperDirector de asuntos de sostenibilidad

Axel KuhrJefe de gestión de cuentas del Grupo

Friedrich PinnekampVicepresidente de estrategia corporativa

Andreas MoglestueJefe de redacción de la Revista ABB,[email protected]

EditorialLa Revista ABB es una publicación de I+D y tecnología del Grupo ABB.

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La Revista ABB se publica cuatro veces al año en inglés, francés, alemán, español, chino y ruso. La Revista ABB es una publi-cación gratuita para todos los interesados en la tecnología y los objetivos de ABB. Si desea subscribirse, póngase en contacto con el representante de ABB más cercano o haga una suscripción en línea en www.abb.com/abbreview.

La reproducción o reimpresión parcial está permitida a condición de citar la fuente. La reimpresión completa precisa del acuerdo por escrito del editor.

Editor © 2009ABB Asea Brown Boveri Ltd.Zürich, Suiza

ImpresiónVorarlberger Verlagsanstalt GmbHAT-6850 Dornbirn, Austria

DiseñoDAVILLA Werbeagentur GmbHAT-6900 Bregenz, Austria

TraducciónCeler Soluciones, S.L.Plaza de España, 12, 1ºE-20008 Madrid – Españawww.celersol.com

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ISSN: 1013-3119


Connect emission-free power to the grid?

Naturally.

ABB is helping construct the world’s largest offshore wind farm. Using our eco-friendly transmission technology, this 400-megawatt plant is expected to avoid 1.5 million tons of CO2 emissions per year and improve the reliability of the power grid. It’s just one of the ways that we, as the biggest supplier of electrical products and services for the wind industry, can use renewable power sources to help combat climate change. www.abb.com/energyeffi ciency

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