Caso de estudio:Accionamientos y modificaciones en una cortadora-rebobinadora de fábrica de papel

Estados Unidos, según The Federal Network for Sustainability, utiliza aproximadamente 8 millones de toneladas de papel de oficina al año. Eso es suficiente para construir un muro de 20 pies de alto y 6,815 millas de largo. Para satisfacer la demanda, las fábricas de papel buscan constantemente formas de mejorar la eficiencia y la calidad. Si bien hay muchas máquinas y procesos diferentes involucrados en la fabricación de papel, una parte vital de cualquier fábrica de papel es la cortadora-rebobinadora.

Una máquina cortadora-rebobinadora es responsable de desenrollar rollos enormes recién hechos de la máquina principal de fabricación de papel, cortarlos en secciones más pequeñas y rebobinarlos como rollos más manejables para la distribución. Como uno de los puntos finales de producción en una fábrica de papel, cualquier problema con la cortadora-rebobinadora puede detener la producción de toda la fábrica.

La cortadora-rebobinadora, que consta de varios motores y controles, es uno de los equipos más avanzados de un molino. En el corazón del proceso de esta máquina está la tensión, que determina la calidad de los rollos de papel. Es necesario aplicar fuerzas precisas y consistentes durante todo el proceso para garantizar un seguimiento perfecto de la banda, un corte preciso y perfiles de densidad de rollo adecuados.

Excepto por el control de la línea de contacto, la calidad del rollo se rige, en gran medida, por el rendimiento de los accionamientos. La bobinadora debe funcionar como un sistema coordinado y proporcionar un control estricto de la velocidad y el par a lo largo de los ciclos continuos, desde la parada hasta la velocidad máxima y el retroceso hasta la velocidad cero. Incluso pequeñas inexactitudes en el rendimiento pueden causar problemas, como roturas de la hoja, bordes ásperos, deformaciones telescópicas, compensaciones y atascos, lo que resulta en tiempo de inactividad, rollos rechazados y, en última instancia, pérdida de beneficios.

Objetivo:producción continua de alta velocidad
Para aumentar la productividad y la eficiencia, una fábrica de papel líder en el sureste de los Estados Unidos decidió reconstruir su cortadora-rebobinadora e incorporar la última tecnología. El objetivo de la actualización era mejorar la calidad de los rollos, aumentar la velocidad de la máquina al nivel más alto posible y eliminar costosas paradas.

La fábrica recurrió a SDS Inc, un integrador de sistemas con sede en EE. UU. Que se especializa en diseños de control para las industrias de manipulación de papel y bobinas. SDS analizó el sistema existente y proporcionó una solución rentable que utilizó motores y componentes existentes, integró los variadores de CA ACS800 de última generación de ABB y los nuevos variadores de CC DCS800, el variador de CC más avanzado de su tipo. El hardware de la unidad se completó con Intelli-Wind de SDS, una popular HMI de bobinadora de dos tambores que proporciona control TNT, recetas, puntos de ajuste numéricos y gráficos, permisivos y diagnósticos.

El personal del integrador de sistemas realizó varias visitas a la instalación para inspeccionar la situación. Aprendieron que había una variedad de problemas con la cortadora-rebobinadora existente.

"Es imperativo obtener la perspectiva de todos los afectados por esa rebobinadora", dice John Parker, ingeniero de ventas senior de SDS. “Al equipo de mantenimiento le preocupaban las fallas de los componentes y una sala de transmisión que requería un control preciso de la temperatura para evitar que los componentes analógicos se desviaran. El departamento de producción deseaba aumentar el tiempo de actividad, mejorar la calidad de los rollos y ofrecer a sus clientes un producto rentable, y deseaba utilizar equipos tecnológicamente avanzados. Nuestra asociación con ABB nos permitió abordar y lograr estas ventajas ”.

Equipo obsoleto:ineficaz y costoso de mantener
Esta fábrica de papel, según ABB y los expertos en integradores de sistemas, se encontraba entre un número cada vez mayor de fabricantes que todavía operan con sistemas de accionamiento que tienen entre 25 y 30 años. El sistema de accionamiento de la cortadora-rebobinadora se estaba volviendo cada vez más caro de reparar y mantener. Varios componentes se han vuelto obsoletos y no se pueden reemplazar. Algunos de los equipos analógicos necesitaban atención constante debido a la deriva, y el cableado antiguo comenzó a mostrar signos de fractura y ruptura del aislamiento en los puntos con bisagras. Los conjuntos mecánicos que sostenían los conjuntos de tiristores y fusibles en su lugar estaban más allá de la reparación; y, además de todo lo demás, hubo problemas con la integridad estructural de los módulos de potencia.

Craig Tierno, ingeniero de aplicaciones senior de SDS, explica que, con estos múltiples problemas, una modificación que reemplazaría los reguladores analógicos con contrapartes digitales, manteniendo su puente de alimentación existente, no era práctica. Los SCR dentro de los módulos de potencia no serían confiables. Por lo tanto, el integrador recomendó una actualización completa del sistema de control y accionamiento para mejorar la confiabilidad y el rendimiento.

“A menudo, si los módulos de alimentación de CC de una empresa aún se encuentran dentro de su ciclo de vida, recomendaremos adaptarlos con nuevos frontales digitales de alto rendimiento (DFE) para mejorar el rendimiento de la regulación mientras se activan los SCR existentes”, dice Tierno, “En en este caso, no podríamos hacer eso ".

La nueva tecnología, en concierto con las unidades, proporciona una sinergia valiosa
En su búsqueda de una solución de accionamiento, el integrador encontró una respuesta en ABB.

“Nuestra mayor preocupación era que los proveedores de convertidores de frecuencia no estaban haciendo nada nuevo con DC. La mayoría de los proveedores estaban sentados en productos que tenían entre 10 y 20 años ”, dice Tierno.

Se enteró de que ABB estaba desarrollando un nuevo variador de CC, diseñado con algunas de las mismas herramientas de software y módulos de comunicación que sus productos de CA. Eso hizo factible el uso e integración de productos de CC y CA en el proyecto.

Todavía hay una gran base instalada de motores de CC en toda América del Norte con una amplia variedad de rangos de potencia y velocidad.

“Estos motores tienen una larga vida útil con un mantenimiento adecuado y reparaciones ocasionales, por lo que los clientes no están ansiosos, necesariamente, por reemplazarlos”, dice Tierno. “Encontrar un proveedor como ABB, que continúa inventando e introduciendo nueva tecnología para controlar estos motores, nos dio una ventaja desde el principio”.

Para este sistema, se instalaron cuatro convertidores ABB DCS800. La primera impulsión controla el motor de desenrollado de 500 caballos de fuerza que regula la tensión del rollo principal gigante. La segunda unidad DCS800 se instaló en el rollo de papel de entrada de 50 caballos de fuerza que se utiliza para transportar el papel a la sección de la cortadora. Los accionamientos tercero y cuarto se instalaron en los tambores delantero y trasero de 250 CV, componentes que son responsables de proporcionar la referencia de velocidad de la máquina y el par de perfilado al rollo rebobinado.

Debido al tamaño de los rollos y al par exigente requerido para acelerar y desacelerar, todos los variadores de CC fueron dimensionados para manejar un límite de corriente del 200 por ciento durante un minuto.

Se conectaron dos motores y variadores de velocidad ACS800 con una potencia nominal de 15 HP a los dos extremos del rodillo conductor para proporcionar fuerza vertical para el par de aceleración y desaceleración. Desde un punto de vista mecánico, el tamaño del bastidor del motor se basó en la potencia de la aplicación y el estilo de ventilación, ya que los motores están montados dentro de un bastidor rodante móvil.

Nuevas celdas de carga para control de tensión
Las celdas de carga, que miden la tensión de la banda en la sección de desenrollado de la máquina, fueron reemplazadas por transductores Pressductor estilo ABB PillowBlock. Las unidades PFTL seleccionadas se basaron en los requisitos del sistema y en el hecho de que eran un reemplazo físico directo de las antiguas celdas de carga. Las celdas de carga de nueva tecnología de ABB, que vienen precalibradas para la aplicación, mejoran el control de la tensión y reducen el tiempo y el costo de instalación.

Plataformas compatibles; Reequipamiento y uso de motores de CC existentes
El personal del integrador consideró que el DCS800 encajaba perfectamente con el personal de ingeniería y TI de la fábrica de papel, que ya estaba familiarizado con las funciones de operación y puesta en servicio de los variadores de CC. El ACS800 complementario de ABB, con una apariencia similar al producto de CC, facilitó la transición del molino a CA.

“Asegurarnos de que los variadores de CC fueran completamente complementarios, de la mano, paso a paso, con lo que íbamos a hacer con el producto de CA, fue realmente importante; tener esos dos en la misma plataforma ”, dice Tierno.

Explica que los nuevos variadores de CC permiten a los reequipadores proporcionar tecnología actualizada y una excelente regulación a una fracción del costo de reemplazar todo el sistema de energía. “Muchos de nuestros clientes no buscan cambiar motores y pasar por un proceso de instalación enorme. Si hay un método más rentable, quieren saberlo ".

Control maestro a través del software operativo Winder
En coordinación con los variadores, el integrador de sistemas instaló su propio software de operación de bobinadora, llamado iWind, que está diseñado para optimizar el perfil y la calidad del rollo al tiempo que ofrece parada automática, recetas de productos, puntos de ajuste numéricos y gráficos, permisivos y diagnósticos completos. Una interfaz elegante y fácil de usar, iWind fusiona los diversos equipos de control directamente con el hardware del variador, lo que da como resultado un sistema menos complejo que proporciona un mayor rendimiento. También es más fácil solucionar problemas y mantener.

Principalmente centrado en la tensión, la línea de contacto y el par (TNT), SDS pudo crear una arquitectura que satisfacía la necesidad del cliente de mejorar la calidad del rollo. La función de parada automática resolvió el problema del molino de longitud y diámetro del producto. Las páginas permisivas y de diagnóstico proporcionaron a los operadores una ayuda rápida para mantener la bobinadora en funcionamiento y redujeron las llamadas de asistencia para el mantenimiento. El sistema de recetas permitió a las operaciones configurar pedidos rápidamente y mantener la consistencia del producto.

Los paneles elevados prediseñados aceleran la instalación en cinco días
La modernización utilizó la construcción existente:un diseño de panel abierto que requería un espacio mínimo y espacio libre en la sala de control. En lugar de usar gabinetes montados en el piso, todos los módulos de potencia, disyuntores y otros componentes se colocaron en paneles elevados. ¡Esto permitió al integrador preconstruir un subpanel separado para cada unidad, lo que permitió tiempo antes de la demolición del equipo antiguo para probar las unidades individualmente y como grupo! Esto hizo posible que todas las comunicaciones entre los variadores y gran parte del software de aplicación y la funcionalidad del variador se probaran minuciosamente antes de la instalación y puesta en servicio.

La configuración y puesta en servicio del programa de aplicación fue un proceso sencillo. El equipo de integradores de sistemas tardó aproximadamente cuatro semanas en diseñar los esquemas, crear el software del variador y del controlador y construir los paneles. Después de un exhaustivo proceso de prueba de dos semanas, el equipo pudo instalar el nuevo equipo dentro de la contingencia de cinco días que requería la planta. Los ingenieros permanecieron en el sitio durante unos días después de la puesta en marcha para garantizar una transición sin problemas para los operadores de la planta.

La combinación ganadora permite un tiempo de actividad óptimo
Desde la instalación de los variadores DCS800 y ACS800, en complemento con el software iWind, el molino ha podido lograr sus objetivos de mayor producción, eficiencia de velocidad máxima, mejor calidad de rollo, mantenimiento reducido y paradas mínimas. De hecho, han podido eliminar virtualmente las paradas que ocurrían anteriormente debido al mal funcionamiento de los componentes.

"Estamos satisfechos con los productos y el soporte de ABB, y planeamos seguir utilizando los productos de ABB para proyectos futuros", dijo Parker. "Y, en este momento, tenemos ocho proyectos de fabricación de papel frente a nosotros para los que estamos recomendando ABB, ya sea ACS800, DCR- o DCS-800 para diversas aplicaciones".

Tierno añade:“Nuestra relación con ABB y la gente de New Berlin ha sido muy gratificante. Han sido de gran ayuda con la entrega del producto y con la capacitación sobre los nuevos productos, especialmente el DCS800 ”.

Los productos ABB ofrecen al integrador de sistemas los recursos y la flexibilidad que necesitan para ayudar a satisfacer a cada cliente de acuerdo con sus necesidades específicas y su presupuesto.

ABB y SDS tienen otro motivo para celebrar:la instalación de la fábrica de papel marca la primera vez que un DCS800 se integra en un paquete de sistemas total en los Estados Unidos. Con la escalabilidad casi ilimitada del DCS800, todo el equipo espera poder suministrar a los clientes unidades y software durante muchos años.

Esquema de la adaptación de variadores de CC y CA de la cortadora-rebobinadora en las instalaciones de una gran fábrica de papel del sureste.

Panel maestro, que contiene los variadores de CA Rider Roll ACS800 de ABB y el controlador maestro.

Unwind Drive:el nuevo ABB DCS800 durante las pruebas del sistema.

De izquierda a derecha:Paneles de rollo de papel, tambor delantero y trasero con variadores de CC ABB DCS800. La preconstrucción de los paneles hizo posible instalar toda la modernización de la cortadora-rebobinadora en cinco días.

Para obtener más información sobre este tema, visite www.abb.us/drives o comuníquese con Thomas Junger, gerente de línea de productos, ABB Inc., al 262-785-3377 o [email protected].