Caso de Estudio: Actualización de Variadores ABB Eleva el Desempeño de Cortadora-Rebobinadora en una Gran Planta de Papel

Estados Unidos, según la Red Federal para la Sostenibilidad, consume aproximadamente 8 millones de toneladas de papel de oficina cada año —suficiente para construir un muro de 20 pies de alto extendiéndose 6,815 millas. Para mantener el ritmo de esta demanda, los molinos de papel persiguen incansablemente mejoras de eficiencia y calidad. Entre las muchas máquinas involucradas en la fabricación de papel, la cortadora-rebobinadora es indispensable.

Una cortadora-rebobinadora desenrolla rollos masivos de la línea principal de fabricación de papel, los corta en secciones más pequeñas y los rebobina en rollos manejables para distribución. Como paso final de producción, cualquier falla en esta máquina puede detener todo el molino.

Compuesta por múltiples motores y unidades de control, la cortadora-rebobinadora es una de las piezas de equipo más sofisticadas en un molino. Central para su operación es el control de tensión, que dicta la calidad de los rollos de papel. Fuerzas consistentes deben aplicarse a lo largo del proceso para asegurar seguimiento de banda impecable, corte preciso y perfiles de densidad de rollo adecuados.

Más allá del control de nip, la calidad del rollo depende del desempeño del accionamiento. El rebobinador debe funcionar como un sistema coordinado, entregando control estricto de velocidad y par a través de ciclos continuos de parada-a-velocidad-máxima y desaceleración. Inexactitudes menores pueden causar roturas de hoja, bordes rugosos, telescoping, desalineaciones o atascos, resultando en tiempo de inactividad, rollos rechazados y ganancias perdidas.

Objetivo: Producción Continua de Alta Velocidad

Para impulsar productividad y eficiencia, un molino de papel líder en el sureste de Estados Unidos optó por reconstruir su cortadora-rebobinadora e integrar la última tecnología. La actualización apuntaba a mejorar calidad de rollo, aumentar velocidad de máquina al nivel máximo y eliminar paradas costosas.

El molino se asoció con SDS Inc., un integrador de sistemas basado en EE. UU. especializado en diseño de control para papel y manejo de banda. SDS evaluó el sistema existente y entregó una solución rentable que aprovechó motores y componentes actuales, instaló los variadores AC ACS800 de última generación de ABB junto con los nuevos variadores DC DCS800 —el variador DC más avanzado de su clase— y los complementó con Intelli-Wind de SDS, una HMI popular de rebobinador de dos tambores que ofrece control TNT, recetas, puntos de ajuste numéricos y gráficos, permisivos y diagnósticos.

Ingenieros de SDS visitaron la planta múltiples veces para evaluar la situación. Identificaron varios problemas que aquejaban la cortadora-rebobinadora existente.

"Es imperativo entender la perspectiva de cada parte interesada", dice John Parker, ingeniero senior de ventas en SDS. "El equipo de mantenimiento planteó preocupaciones sobre fallas de componentes y la necesidad de control preciso de temperatura en la sala de variadores para prevenir deriva analógica. Producción quería mayor tiempo de actividad, mejor calidad de rollo y equipo moderno. Nuestra asociación con ABB nos permitió cumplir estos objetivos".

Equipo Obsoleto: Ineficiente y Costoso de Mantener

Tanto expertos de ABB como de SDS notaron que el molino operaba con sistemas de variadores de 25-30 años de antigüedad —una tendencia creciente entre fabricantes. El sistema de variadores de la cortadora-rebobinadora se volvía cada vez más costoso de reparar, con componentes obsoletos que ya no podían reemplazarse. El equipo analógico requería atención constante debido a la deriva, y el cableado viejo comenzaba a fracturarse en puntos de bisagra. Los ensamblajes mecánicos que sostenían ensamblajes de tiristores y fusiles estaban más allá de reparación, y los módulos de potencia enfrentaban problemas de integridad estructural.

Craig Tierno, ingeniero senior de aplicaciones en SDS, explicó que reemplazar reguladores analógicos con contrapartes digitales manteniendo el puente de potencia existente era impráctico. Los SCRs dentro de los módulos de potencia ya no eran confiables, por lo que SDS recomendó una actualización completa del sistema de variadores y control para mejorar fiabilidad y desempeño.

"Si un módulo de potencia DC aún está dentro de su ciclo de vida, usualmente sugerimos adaptarlo con un nuevo frente digital de alto rendimiento (DFE) para mejorar la regulación manteniendo los SCRs existentes", dijo Tierno. "En este caso, eso no era viable".

Nueva Tecnología Sinergiza con Variadores

Durante la búsqueda de una solución de variadores, SDS descubrió que ABB estaba desarrollando un nuevo variador DC compatible con sus productos AC, compartiendo las mismas herramientas de software y módulos de comunicación. Esta compatibilidad hizo posible integrar tanto componentes DC como AC sin problemas.

Norteamérica aún alberga una gran base instalada de motores DC en un amplio rango de caballos de fuerza y velocidad. Estos motores pueden vivir largo con mantenimiento adecuado, así que los clientes no suelen estar ansiosos por reemplazarlos. Encontrar un proveedor como ABB que innova continuamente tecnología de control para estos motores dio a SDS una ventaja clara desde el principio.

La adaptación instaló cuatro variadores ABB DCS800. El primero gestionó el motor de desenrollado de 500 caballos que regula tensión para el rollo padre jumbo. El segundo controló el rodillo de entrada de 50 caballos que transporta papel a la cortadora. El tercero y cuarto variadores manejaron los tambores frontal y trasero de 250 caballos, que proporcionan referencia de velocidad de máquina y par de perfilado al rollo rebobinado. Todos los variadores DC fueron dimensionados para tolerar 200% límite de corriente por un minuto debido a los rollos grandes y par demandante.

Dos variadores AC ACS800, cada uno de 15 HP, alimentaron los extremos del rodillo rider, suministrando fuerza vertical para par de aceleración y desaceleración. El tamaño de bastidor del motor se eligió basado en caballos de fuerza y estilo de ventilación, ya que los motores están montados dentro de un bastidor de rodillo rider en movimiento.

Nuevas Celdas de Carga para Control de Tensión

Las celdas de carga viejas en la sección de desenrollado fueron reemplazadas con transductores Pressductor estilo PillowBlock de ABB (unidades PFTL). Estas unidades fueron seleccionadas por su compatibilidad física directa y pre-calibración, mejorando el control de tensión mientras reducen tiempo y costo de instalación.

Plataformas Compatibles; Adaptación con Motores DC Existentes

Los integradores encontraron el DCS800 una combinación ideal para el personal de ingeniería e IT del molino, quienes ya estaban familiarizados con la operación y puesta en marcha de variadores DC. El ACS800 complementario de ABB, con apariencia y sensación similares, hizo la transición a AC suave.

"Asegurar que los variadores DC complementaran el producto AC en la misma plataforma fue crítico", dijo Tierno. "Esta sinergia permite a los adaptadores proporcionar tecnología de vanguardia y regulación sobresaliente a una fracción del costo de un reemplazo completo del sistema de potencia".

Control Maestro a través de Software de Operación de Rebobinador

En tándem con los variadores, SDS instaló su software iWind de operación de rebobinador, diseñado para optimizar perfil y calidad de rollo. El software ofrece parada automática, recetas de producto, puntos de ajuste numéricos y gráficos, permisivos y diagnósticos completos. La interfaz intuitiva fusiona equipo de control directamente con el hardware del variador, simplificando solución de problemas y mantenimiento.

Enfocado en tensión, nip y par (TNT), SDS diseñó una arquitectura que cumplió la necesidad del molino de mejor calidad de rollo. La función de parada automática abordó problemas con longitud y diámetro de producto, mientras que páginas de permisivos y diagnósticos dieron a operadores asistencia rápida, reduciendo llamadas de mantenimiento. El sistema de recetas permitió a operaciones configurar pedidos rápido y mantener consistencia de producto.

Paneles Elevados Pre-construidos Permiten Instalación en Cinco Días

La adaptación aprovechó la construcción existente —un diseño de panel abierto y limpio que requería espacio mínimo de sala de control. En lugar de gabinetes montados en piso, todos los módulos de potencia, interruptores y componentes se dispusieron en paneles elevados. Este enfoque permitió a SDS pre-construir un sub-panel separado para cada variador, probando los variadores individual y colectivamente antes de la demolición del equipo viejo. Pruebas exhaustivas de comunicaciones, software de aplicación y funcionalidad de variadores precedieron instalación y puesta en marcha.

La configuración y puesta en marcha procedieron sin problemas. Ingenieros de SDS pasaron unas cuatro semanas ingenierando esquemas, creando software de variadores y controlador, y construyendo los paneles. Tras una fase de prueba de dos semanas, el equipo instaló el nuevo equipo dentro de la contingencia de cinco días requerida por el molino. Ingenieros permanecieron en sitio varios días después del arranque para asegurar una transición sin problemas para operadores de planta.

Combinación Ganadora Permite Tiempo de Actividad Óptimo

Desde la instalación de los variadores DCS800 y ACS800, complementados por software iWind, el molino ha logrado sus metas: mayor producción, eficiencia a máxima velocidad, calidad superior de rollo, mantenimiento reducido y paradas mínimas. Han eliminado virtualmente las paradas previas causadas por fallas de componentes.

"Estamos complacidos con los productos y soporte de ABB, y planeamos seguir usando ABB para proyectos futuros", dijo Parker. "Actualmente, tenemos ocho proyectos de fabricación de papel en marcha, para los cuales recomendamos ACS800, DCR- o DCS-800 de ABB para diversas aplicaciones".

Tierno añadió: "Nuestra relación con ABB y el equipo en New Berlin ha sido altamente gratificante. Han proporcionado excelente entrega de producto y capacitación en el nuevo DCS800".

Los productos ABB dan a SDS los recursos y flexibilidad necesarios para satisfacer necesidades y presupuesto específicos de cada cliente.

ABB y SDS tienen otra razón para celebrar: esta instalación en molino de papel marca la primera vez que un DCS800 se ha integrado en un paquete de sistema completo en Estados Unidos. Con la escalabilidad casi ilimitada del DCS800, el equipo espera suministrar variadores y software a clientes por muchos años más.

Esquemático de adaptación de variadores DC y AC de cortadora-rebobinadora en instalación de gran molino de papel del sureste.

Panel Maestro, que contiene los Variadores AC ACS800 Rodillo Rider y el Controlador Maestro.

Variador Desenrollado – el nuevo ABB DCS800 durante pruebas de sistema.

De izquierda a derecha: Rollos de Papel, Tambor Frontal, paneles Tambor Trasero con Variadores DC ABB DCS800. Pre-construir los paneles hizo posible instalar toda la adaptación de la cortadora-rebobinadora en cinco días.

Para aprender más sobre este tema, visite www.abb.us/drives o contacte a Thomas Junger, gerente de línea de producto, ABB Inc., al 262-785-3377 o Thomas.junger@us.abb.com.