Las modernizaciones a los accionamientos digitales permiten a palas más antiguas trabajar en el banco sin problemas, mejorando la seguridad y la confiabilidad

Por Steve Fiscor, Editor-en-Jefe

Si en una faena minera se busca optimizar la producción camión-pala, o mover el máximo de roca posible, parece lógico implementar modernizaciones eléctricas en sus palas mineras más antiguas. Tiempos de ciclo más rápidos y una mayor confiabilidad son elementos clave para aumentar la productividad. Sin embargo, al buscar formas de mejorar el rendimiento de la pala, muchas faenas han descubierto que las modernizaciones de accionamiento digital ofrecen ciclos de operación más eficientes y sin problemas, que normalmente superan los aumentos al por mayor de los caballos de fuerza.

Desde que realizó su primera modernización en una faena minera de carbón en Wyoming en 1993, Flanders Electric ha tenido como misión mejorar la productividad de las palas y la capacidad de la mina para mantener sus equipos. “Hemos tenido mucho éxito aumentando la producción de la máquinas DC,” dijo Mike Casson, director de operaciones internacionales de Flanders Electric. “Los accionamientos que están disponibles hoy en día, son mucho más rápidos y tienen muchas más capacidades para controlar la máquina.”

Las modernizaciones Flanders Electric específicamente apuntan a mejorar la seguridad, confiabilidad, y productividad de las palas eléctricas. Estas modernizaciones pueden incluir el reemplazo de motores de movimiento existentes, el reemplazo de accionamientos estáticos o grupos motogeneradores (MG), el reemplazo del sistema de control completo, o cualquier combinación de ellos. Hay muchas opciones posibles, dependiendo del tipo y de la edad de la pala. Las candidatas más comunes para las modernizaciones son palas antiguas con sistemas de control análogos y algunos modelos posteriores que requieren mejoramientos específicos.

Flanders Mine Technology Group ha impulsado un esfuerzo en ofrecer arquitectura abierta para componentes eléctricos de palas. Luego de numerosas modernizaciones en todo el mundo, el grupo se ha ampliado para incluir profesionales ubicados en los Estados Unidos—Wyoming, Utah, Nevada y Arizona, y en Australia y Chile.  Actualmente están trabajando en la tercera de cinco modernizaciones de palas en el Complejo Asarco Ray en Arizona.

“Las primeras dos modernizaciones tardaron seis días, y se espera que la tercera tarde cinco días,” dijo Nathan Wright, gerente eléctrico del Complejo Asarco Ray. “Cuando se realizan las modernizaciones, las palas trabajan notoriamente más rápido que antes.” Wright es el encargado del Complejo Ray-Hayden de Asarco—de la mina y de las instalaciones de procesamiento de mineral.

Asarco es una empresa extractora de cobre líder en los EEUU. Las modernizaciones a las palas mineras eléctricas de la compañía equivalen a un completo sistema de control abierto que consta de motores fabricados por Flanders Electric, PLCs Allen-Bradley (A-B), y la modernización del Accionamiento Digital con Rendimiento de Energía. Con un sistema abierto, o arquitectura abierta, los operadores de la mina pueden dar servicio y hacer mantención a las máquinas donde un sistema cerrado limitaría a los electricistas a trabajar exclusivamente con los OEM.

Para aprovechar al máximo la arquitectura abierta, los electricistas de la mina deben entender lo que se ha instalado en las palas. Por esta razón, Flanders Mine Technology Group prefiere trabajar con los electricistas de la mina durante la modernización. Así ellos aprenden de primera mano cómo funciona el sistema. La compañía también ofrece una clase de capacitación formal a la que el personal de mantención puede asistir antes o después de la poner en marcha la pala.

“Uno de los aspectos más llamativos de este sistema es su facilidad de uso,” dijo Wright. “Nuestro personal de mantenimiento está dividido de manera uniforme. La mitad de ellos tiene 25 o más años de experiencia, y la otra mitad ha estado trabajando por dos años o menos. Tan pronto como instalamos estos accionamientos, la brecha entre los niveles de experiencia desapareció porque estos accionamientos ayudan a los técnicos. Los sistemas de diagnóstico son tan exactos que pueden hacer que el personal nuevo sea tan efectivo como el personal experimentado.” 

Modernizando la Tecnología
Las modernizaciones eléctricas son diferentes a las modernizaciones pala-a-pala y a las modernizaciones mina-a-mina. “Normalmente, reemplazamos el viejo accionamiento análogo, o uno digital más antiguo, con una nueva modernización de Accionamiento Digital de Rendimiento de Energía,” dijo Casson. “Si fuéramos a reemplazar un juego MG, la pala debe tener un acumulador nuevo. En muchas máquinas estáticas existentes, puede que el acumulador aún esté bueno y sólo instalemos un procesador frontal nuevo.” Un procesador frontal nuevo, explicó Casson, es un nuevo controlador de accionamiento que usa rectificadores controlados de silicio (SCR) existentes. Los SCR convierten la energía AC en energía DC.

La modernización eléctrica normalmente tarda siete días. “Las hemos realizado en apenas cuatro días,” dijo Manuel Treviño, gerente del Mine Technology Group de Flanders Electric. “Normalmente se necesitan de cinco a siete días trabajando turnos de 10 horas para realizar el cambio completo. Podemos hacerlo llave en mano, pero preferimos trabajar con los electricistas de la mina en la instalación, usando un par de nuestros técnicos para supervisar y para la puesta en servicio. Es una valiosa capacitación y ahorra algo de dinero a la mina.” Treviño ha tenido un papel decisivo en el desarrollo de tecnología específica de palas. Además de las modernizaciones, el grupo está trabajando en el posicionamiento de camiones de extracción con GPS, en que los camiones puedan retroceder automáticamente hasta el área de carguío.

“Las máquinas de Asarco tienen tecnología de finales de los años ’70, o de principios de los años ’80,” dijo Treviño. “El sistema es confiable. Este tipo de control ha estado en el mercado por 30 años, pero es tiempo de cambiar, y ellos han decidido pasar a accionamientos digitales.

“Tenemos arquitectura abierta, no cajas negras,” dijo Treviño. “La mina posee el sistema y no necesitan llamarnos para reparar las máquinas. Si se llega a un punto en que necesiten nuestra ayuda, estaremos allí, pero los accionamientos con Rendimiento de Energía son confiables. Ellos mantienen un suministro de partes de 20 años, que corresponde a la vida útil de la pala. Nosotros hemos instalado PLC Control Logix A-B listo para usar. Ellos pueden comprarlo directamente a A-B. Nosotros no ganamos dinero vendiendo partes, sólo queremos que el cliente esté feliz, y tener un sistema confiable para ellos.”

“El sistema abierto es realmente innovador en la industria,” dijo Casson. “Los A-B son los PLC más comunes. La mayoría de los electricistas saben cómo arreglar sus desperfectos. Es mucho más amigable con el usuario, y el personal de mantención puede trabajar en el equipo. Las cajas negras frustran a los ingenieros eléctricos.”

La arquitectura abierta fue un gran atractivo para Asarco. “El único otro accionamiento digital que ya está en el mercado es justo lo opuesto, completamente exclusivo,” dijo Wright. “Nuestros técnicos están calificados por A-B y han recibido capacitación en los accionamientos con Rendimiento de Energía. De esta forma, tenemos acceso a cada parte de la máquina.”

El sistema puede ser tan avanzado como lo requiera la faena minera. Algunas minas ahora están usando diagnóstico remoto. Si la mina posee LAN inalámbrica, los ingenieros de la mina podrían vigilar la excavación de la pala desde sus escritorios. Ellos pueden no solamente solucionar problemas del sistema PLC desde cualquier parte con una conexión, sino que también podrían extraer los informes de producción. Por ejemplo, si en la mina se está usando el sistema Accu-Weigh, este podría sacar todos los datos hasta un servidor SQL y generar informes de producción para cada una de las máquinas.

Ciclos de Operación Sin Contratiempos
Las máquinas modernizadas operan más eficientemente y cargan más camiones en el mismo periodo de tiempo. La modernización del Accionamiento Digital con Rendimiento de Energía le da al operador la sensación que la pala no se está moviendo tan rápidamente porque no hay rebote. “Al principio los operadores reclamaban que la pala no se movía tan rápido,” dijo Wright. “Nos subimos  la pala con ellos y preguntamos, ‘¿A que se refieren?’ Ellos dijeron que sólo se movía a través del banco. Les explicamos que el movimiento continuo era el resultado de un control mejorado y más efectivo, por cuanto aumenta la productividad y reduce la fatiga del operador.”

El accionamiento digital controla los motores para garantizar el máximo de potencia durante el proceso de excavación. La corriente y el voltaje son regulados para asegurarse que el accionamiento proporcione la potencia que el motor necesita para trabajar sin problemas en el banco, mientras controlan que el motor permanezca dentro de los límites mecánicos de la máquina, explicó Casson. Los sistemas más antiguos básicamente son regulados por la velocidad. “Una vez que la corriente de armadura llega a corriente de atasco, el voltaje simplemente se reduce para intentar ojalá reducir la corriente,” dijo Casson. “Esto hace que la máquina avance a “tropezones”, lo cual pone a prueba los componentes mecánicos de la pala.”

Como el sistema de control antiguo no tiene ese nivel de precisión, se hace necesario un enfoque conservador para el límite de atasco. Los motores Flanders son más robustos, explicó Casson, lo cual permite a los accionamientos digitales regular la verdadera potencia de la máquina—voltaje y amperaje—y controlar la máquina a potencia máxima. “Los tiempos de aceleración y desaceleración en realidad se reducen con la modernización del Accionamiento Digital con Rendimiento de Energía,” dijo Casson. “Estos se hacen con una función de curva en “S” para hacer que los cambios de velocidad sean más sutiles. Hacer esto al mismo tiempo que se controla la potencia máxima permite al balde excavar sin problemas y en forma continua a través del banco. Esto reduce la tensión mecánica en la pala y mejora el tiempo de ciclo. Los controles más eficaces facilitan un tiempo de ciclo más repetible entre diferentes operadores. El operador no necesita tener una vasta experiencia en la pala para controlarla con mayor facilidad. El sistema también hace que el ciclo de la máquina sea más rápido.”

La coordinación de los movimientos de levante, empuje y giro es crítica para tener una máquina eficaz. “Si usted puede levantar muy rápido, pero el giro tarda el doble, no hay ningún beneficio,” dijo Casson. “Todos los movimientos tienen que estar en equilibrio con lo que la pala está escavando y lo que los camiones están cargando.”

Con el sistema análogo, el empuje era realmente lento comparado con la velocidad de levante, explicó Wright. Muchas veces el operador está esperando que el movimiento alcance al otro. “Con el accionamiento digital, todas las velocidades se igualan,” dijo Wright. “Cuando el operador baja y retrae para volver a la posición encogida para excavar, no tiene que esperar para poder “encoger” la pala. Está bajando y retrayendo a la misma velocidad, así el operador no tiene que esperar por una o por la otra. Los accionamientos están todos coordinados. Cuando él comienza a excavar, el movimiento es suave y sin problemas.”

Esto se cumple mediante algo que Wright llama regulación continua de campo. “Pueden acelerar el movimiento cuando el balde está vacío reduciendo la intensidad de campo,” dijo Wright. “Con el sistema análogo, había solamente dos alternativas: campos fuertes o campos débiles. Estos accionamientos equiparan eso para lograr operaciones más eficaces.”

Muchos de estos mejoramientos se pueden atribuir a un metodología de “Vuelo-por-Cables” para la ingeniería eléctrica. Vuelo-por-Cable (Fly-by-Wire) es un término que se refiere al sistema de control con joystick que permite a los aviones caza interpretar lo que el piloto quiere hacer. “En una pala, cuando el operador levanta y empuja, puede tenerlo completamente activado, pero los accionamientos digitales saben qué tipo de corriente se necesita para atacar el banco,” dijo Wright “Se regula automáticamente. Así, incluso cuando el operador le dice al sistema que aplique más potencia, este sabe lo que se necesita para mover el balde ininterrumpidamente en el banco. Sin el atasco, la mina ahorra dinero en la vida útil del motor.”

Flanders ha automatizado algunas de las funciones de excavación. “Cuando el operador levanta el balde a través del banco, la pala hará el movimiento de empuje por sí misma para mantener una carga llena en el balde,” dijo Casson.

“Es un control intuitivo,” dijo Wright. “Los accionamientos saben, por la forma en que el operador mueve el joystick, que él quiere llenar el balde y llena el balde basándose en la sumatoria de la información del operador y en la programación de los accionamientos. La orden que entiende es “sí, el operador podría estar diciéndome que continúe empujando”, pero sabe que se atascará pronto. Así que se dispara, para mantener el balde moviéndose a lo largo del banco. No es completamente autónomo. Si el operador suelta el joystick, la pala se detiene.”

Reconocimiento de Fallas
El nuevo sistema también usa el Reconocimiento Inteligente de Fallas para cortar la energía de una forma controlada. “El área donde realmente hemos mejorado es la de las fallas, y cómo cortar la energía de la máquina en lugar de hacer solamente una parada de emergencia en los contactores principales,” dijo Casson. “Por la forma en que algunos sistemas están instalados, con cualquier falla, apagan toda la máquina automáticamente en los contactores principales. Con toda esa energía en movimiento, a menudo lo que era un pequeño problema deriva en una falla diferente, no en la que realmente hizo fallar la máquina.”

El sistema de Reconocimiento Inteligente de Fallas desactiva el movimiento que tiene la falla mientras los otros movimientos permanecen activos. Si los motores de giro fallan, explicó Casson, cuando la pala aún está levantando, el sistema automáticamente controla el levante hasta un tope. “La máquina se detiene, pero no llega de golpe hasta un tope,” dijo Casson. “Es un corte de energía de emergencia, no una falla del tipo abrir-el-contactor-principal.”

En el caso de una falla catastrófica, este apagará la máquina. “Si la pala tiene una sobrecorriente en modo levante, y el operador comienza a girar, el sistema OEM desactivará todos los movimientos, incluso cuando el modo giro no tenga fallas,” dijo Treviño. “Esa energía en los motores tendrá que ir a alguna parte, y normalmente viene como un destello.”

“Con las máquinas análogas, podíamos elegir entre una detención instantánea o a los 30 segundos,” dijo Wright. “La máquina modernizada identifica áreas específicas comienza a detener la máquina de una forma controlada y sistemática. En lugar de una detención que fuera como golpear el interruptor de emergencia, es más como presionar un botón de parada. Retarda los convertidores por fase y todo se apaga secuencialmente.”

Una detención instantánea siempre causará daños a los componentes. Ese era un gran problema en las palas de Asarco antiguamente. “Cuando detenemos un movimiento a plena carga, vamos a perder unidades SCR, fusibles, o una variedad de nuestros componentes mecánicos y eléctricos,” dijo Wright. “Los SCR cuestan entre $800 y $1.000 cada uno. Todo depende de lo que esté haciendo el operador cuando la máquina reciba la falla.

“Si fuéramos lo suficientemente afortunados y se quemaran solamente componentes que tenemos en bodega, aislar y reparar nos costaría de cuatro a seis horas de detención no programada,” dijo Wright. “De otro modo, la mina tendría que esperar a lo menos un día para recibir partes desde Milwaukee.”

Palas Más Inteligentes
La pala ahora conoce la geometría de la máquina, donde está ubicado el balde, y su posición en relación a la máquina. Si la mina está tratando de mantener una pendiente nivelada, ellas pueden incorporar GPS y tecnología de posición del balde para evitar que la pala opere demasiado alto o demasiado bajo. Esta tecnología también es muy útil para la protección de plumas y orugas.

Un sistema de límite BoomPro evita que la caja de torsión golpee la pluma durante la operación de la máquina. “Si la caja de torsión se acerca demasiado a la pluma, el sistema eliminará la referencia del operador en la cualquier movimiento que esté usando dará una referencia negativa para cambiar la ubicación de la caja de torsión,” dijo Treviño.

El sistema de perfil de la pluma en la máquina análoga original, explicó Wright, es una protección escalonada. “Por la forma en que está instalada, se podría proteger la pluma o excavar,” dijo Wright. “No había mucha libertad. Si lo ajustabas para proteger la máquina, no podías llenar el balde.”

Con este perfil de pluma, los accionamientos conocen la geometría de la pluma. “Podemos llegar cerca de la pluma y el accionamiento la protegerá,” dijo Wright. “Cuando el operador le ordena retraerse hacia la pala y esta se acerca, los acciona-
mientos contrarrestan ese efecto porque conocen la geometría de la pluma. Comienzan a empujar hacia afuera en lugar de dejar que la caja de torsión se cuaje en la máquina.”

Una pluma de reemplazo cuesta $1 millón. Wright lo sabe. Asarco sólo reemplazó una en una de estas palas debido a esa misma razón. “La caja de torsión seguía golpeando la pluma,” dijo Wright.

Mejoramientos en los Tiempos de Ciclo
Flanders obtuvo datos de una máquina modernizada que está trabajando en Australia, y estos mostraban que estaban ahorrando 3,5 segundos por ciclo. “Si la mina tiene los camiones, esto se transforma en un número masivo al final de año,” dijo Casson.

Además de trabajar con más eficiencia, las palas modernizadas pueden pasar de excavación a avance mucho más rápido. El cambio a modo avance es casi instantáneo, según Wright. “Los operadores entran y salen de modo avance mucho más rápido, lo cual reduce el tiempo que tienen que esperar para moverse y el tiempo no productivo.”

“Somos capaces de disminuir el tiempo de la máquina para pasar de avance a excavación hasta dos segundos en cada dirección,” dijo Treviño. “En Wyoming Coal, donde cargan desde un costado de la pala, tienen que hacerla avanzar cada tres camiones cargados, y pagaron por los ahorros de tiempo mediante que logra el sistema.”

De la forma en que estaban instalados los sistemas de control antiguos, la pala tardaría 10 u 11 segundos para pasar de modo excavación a modo de avance. “No parece mucho,” dijo Casson. “Si una mina pasa a modo de avance cada cinco camiones y está cargando 250 camiones por turno, esos números comienzan a sumar.

“Este es un beneficio específico para esa faena,” dijo Casson. “Si el número de camiones es limitado en la mina, no es tan importante donde esté la pala esperando camiones siempre. Pero, si hay suficientes camiones para mantener en alto la eficiencia de la pala, esto se transforma en una preocupación importante cuando una mina tiene un número limitado de palas.”

Casson admite sin problemas que ninguna modernización es ideal para cada pala en cada mina. La mina debe determinar sus necesidades en cuanto a sus metas de producción. “Si tienen pocos camiones, aún hay formas de mejorar la confiabilidad de la pala para reducir los costos de mantención,” dijo Casson. “Para lograr una reducción aún mayor en los cotos de mantención, nuestro avance más reciente es un completo reemplazo AC para los sistemas DC antiguos tanto en palas como en dragas de cable.”

Wright está muy satisfecho con la decisión de la mina de trabajar con Flanders Electric. Asarco estaba en una alianza cuando la compañía solamente compraba motores y partes OEM. Wright y los otros gerentes de Asarco hicieron lo suyo, y Asarco decidió no renovar la alianza. “Le hemos ahorrado a la compañía más de $1 millón solamente en costos de reconstrucción de motores durante los últimos siete meses,” dijo Wright. “Flanders fabricó motores que vienen con una garantía de 12.000 horas. Esto es cuatro veces lo que ofrecen los OEM.”

Según Wright, Flanders abastece motores en terreno, y los OEM no lo hacen. “Flanders está invirtiendo su capital para mantener nuestra faena funcionando. Eso también ahorra seis u ocho horas, siempre y cuando no sea después del horario normal de trabajo, fines de semana, ni feriado, en tiempo muerto a la espera de la llegada de un motor.” Flanders Electric, dijo Wright, ofrece el doble de vida útil del motor a mitad de precio.

La primera para Asarco modernizada entró en operación en Noviembre, y la pala no ha experimentado fallas en el accionamiento. “Cumplieron con todo lo que habían dicho que harían el primer día que los llamamos,” dijo Wright. “Necesitábamos un socio, y Flanders fue la elección correcta. Ellos ha aumentado la disponibilidad de las palas al doble.”

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