Nuevas soluciones técnicas para transelevadores

Lenze, empresa experta en la tecnología de transelevadores, acaba de presentar un nuevo concepto para este tipo de máquinas. El objetivo es aumentar aún más los ciclos de trabajo, consumir menos energía y aprovechar al máximo el espacio del almacén gracias a un nuevo concepto de seguridad.

Los transelevadores, también conocidos en inglés como SRUs (Storage and Retrieval Units) son una de las máquinas más conocidas en el sector de la logística. Su función es la de introducir y extraer cargas en las estanterías de un almacén, ya sean cajas o paletas, siguiendo las órdenes del software de gestión (SGA).

Un transelevador está compuesto fundamentalmente por tres ejes: traslación, elevación y horquillas. Los ejes de traslación y elevación son los responsables de posicionar la horquilla en la estantería donde se va a introducir o extraer la carga, siendo la horquilla la responsable de dicho proceso.

El objetivo de un transelevador es extraer e introducir las cargas en el almacén de la manera más rápida posible. En los últimos años, las innovaciones en la tecnología de transelevadores han estado destinadas a aumentar los ciclos de trabajo, la eficiencia energética, la seguridad y la simplicidad de puesta en marcha.

Para poder afrontar todos estos retos, Lenze propone un cambio radical en la arquitectura de control de estas máquinas; si durante años la tecnología de control más ampliamente utilizada ha sido el control descentralizado, con un PLC de control de máquina y drivers inteligentes encargados del movimiento de los motores, este último salto tecnológico consiste en utilizar un Motion Control para el control de máquina.

El Motion Control es un sistema de control que centraliza el cálculo del movimiento de todos los ejes en un único dispositivo. Los drivers dejan de ser inteligentes para ser meros seguidores de la trayectoria calculada por el Motion Control, comunicándose con él a través de un bus rápido (EtherCAT). El Motion Control comunica con el sistema de control de instalación a través de bus de E/S como Profinet o EthernetIP.

Existen varios motivos para este gran cambio en la filosofía de control. Por una parte, la creciente complejidad en las horquillas, que han pasado de tener uno o dos motores con movimientos sencillos, a tener múltiples ejes sincronizados entre sí, con movimientos extremadamente complejos en algunos modelos de gestión de cajas.

Estos modelos complejos de horquillas permiten una mayor capacidad para gestionar cargas en un mismo movimiento del transelevador, aumentando el número de cargas gestionadas en un mismo ciclo de máquina.

Mayor eficiencia energética

Asimismo, la demanda de una mayor eficiencia energética necesita de movimientos coordinados de los ejes de elevación y traslación, a fin de aprovechar la energía regenerativa de los ejes. Y por último, y con el objetivo de aumentar al máximo la velocidad de los movimientos, se han desarrollado complejos algoritmos de control que permiten alcanzar dinámicas imposibles de alcanzar hasta la fecha con los sistemas de control descentralizados tradicionales.

Todas estas funcionalidades necesitan de un elemento capaz de controlar las trayectorias coordinadas de un número cada vez más elevado de ejes, así como de procesar una gran cantidad de información en un tiempo muy corto. Estos requisitos no pueden realizarse con la arquitectura tradicional de un PLC coordinando ejes con un bus de campo orientado a E/S; estas funcionalidades sólo pueden conseguirse con un Motion Control.

Este nuevo concepto de arquitectura de control necesita de dos elementos; por un lado, un Motion Control con una potente CPU que gestione los movimientos de todos los ejes de la máquina, y por otro un nuevo modelo de drives, que utilicen toda su inteligencia en el control dinámico de los motores, delegando en el Motion Control el cálculo de los perfiles de movimiento.

Este nuevo tipo de arquitectura presenta grandes ventajas en la simplicidad y rapidez de puesta en marcha. El uso de la arquitectura basada en un Motion Control permite pasar de varios drivers inteligentes y programables para cada motor a un único punto de inteligencia. En otras palabras: de tener que programar un driver inteligente por cada motor en la máquina, a tener un único punto de programación.

Las ventajas del Motion Control

El programador solo tiene que conectarse a un elemento en la máquina: el Motion Control. El programa de control es único, y es el responsable del movimiento coordinado de todos los ejes. Este programa reside únicamente en la CPU del Motion Control, siendo la CPU la responsable de parametrizar los drivers para su funcionamiento, de forma totalmente transparente para el programador. En caso de avería en alguno de los drivers, simplemente es necesario cambiarlo de forma rápida y sin necesidad de programarlo; será la CPU del Motion Control, en la inicialización del sistema, la responsable de hacerlo.

El nuevo concepto para translevadores no es solo software, nuevas CPUs y drivers; con el objetivo de aumentar los ciclos de máquina, Lenze presenta la nueva serie de motoreductores G500. Estos motoreductores presentan varias novedades especialmente diseñadas para este tipo de máquinas. La serie G500 dispone de una gama más amplia de reductores construidos en aluminio; dado que los motoreductores en este tipo de máquinas están embarcados, utilizar reductores de aluminio permite disminuir el peso y conseguir mayores aceleraciones con la misma potencia instalada.

La nueva familia G500 dispone además de un mayor escalado en la talla de reductores, de forma que para un ciclo de trabajo determinado es posible ajustar mejor el tamaño del reductor necesario. El hecho de utilizar un reductor más ajustado permite una reducción adicional del peso embarcado.

Además de las dos novedades anteriores, la nueva familia G500 aumenta la talla de reductores hasta los 20-000 Nm. Este nuevo tamaño de reductor permite afrontar aplicaciones de elevación de paletas de altas prestaciones, donde se requieren pares de salida de este orden de magnitud.

Todos estos nuevos reductores pueden combinarse con todas las familias de motores disponibles en Lenze: desde servomotores síncronos de baja inercia muy útiles en algunas aplicaciones de horquillas, a motores AC mucho más económicos y perfectamente válidos para la inmensa mayoría de movimientos de traslación y elevación.

Una vez seleccionados los motoreductores adecuados, el siguiente punto para alcanzar los máximos ciclos de máquina es conseguir que los movimientos se realicen de la forma más rápida posible. Para ello, no solo la velocidad y la aceleración son importantes; el ajuste óptimo del movimiento es imprescindible para llegar al punto de destino con la precisión requerida en el mínimo tiempo posible.

La importancia de los algoritmos de control de motor

Es aquí donde necesitamos la nueva arquitectura de control, basada en un potente Motion Control. Para poder controlar máquinas de una dinámica tan elevada, los algoritmos de control de motor son fundamentales. Estos algoritmos se basan en un conocimiento exacto del motor y reductor utilizado y es por ello que en las máquinas de mayor dinámica viene siendo prácticamente un estándar el uso de un proveedor mecatrónico único para motores, reductores y driver. Pero para poder dar un paso más allá, los nuevos algoritmos han de conocer también la masa que estamos moviendo, ajustando dinámicamente los parámetros de regulación en función de la misma. El algoritmo utilizado por el nuevo software de Lenze calcula la masa en movimiento de forma automática con un sofisticado sistema de aprendizaje, ajustando de forma óptima el control de motor sin ninguna intervención del programador.

Un efecto adicional que ralentiza la consecución de la posición deseada en los transelevadores es conocido como el efecto péndulo. Un transelevador puede ser una máquina con una altura elevada, de hasta 30m; en el proceso de desaceleración para llegar a la posición destino, la parte superior de la máquina oscila arrastrando todo el conjunto. Este efecto es más importante cuanto mayor es la altura y el ciclo de la máquina (mayor desaceleración); además, cuanto más ligero es el mástil para conseguir un peso menor, menor es la rigidez mecánica, con lo que el efecto péndulo se acentúa.

Para evitar este efecto, las máquinas de altas prestaciones incorporan en la parte superior un motoreductor adicional. Este motor se mueve sincronizado con el motor de traslación inferior, traccionando la parte superior de la máquina al mismo tiempo que la inferior, evitando de esta forma el efecto péndulo. Esta solución tradicional supone un doble inconveniente: necesita de un motoreductor y driver adicional, aumentando el precio y el peso de la máquina, con lo que es necesario utilizar una potencia adicional para el mismo número de ciclos.

El nuevo sistema de control diseñado por Lenze incorpora una funcionalidad que permite eliminar el efecto péndulo sin necesidad de un accionamiento adicional. La forma de eliminar el efecto péndulo consiste en realizar un movimiento de desaceleración con una desaceleración no constante. El eje de traslación realiza un cambio en la desaceleración, siguiendo un modelo matemático que elimina las oscilaciones debidas a la flexión del mástil de la máquina.

Como hemos comentado anteriormente, otro de los objetivos del nuevo concepto de máquina es la realización de los movimientos con la mínima energía posible. Para ello, la sincronización de los ejes de traslación y elevación es fundamental, a fin de superponerlos de forma inteligente. Por ejemplo, el movimiento de traslación se inicia la mismo tiempo que el de elevación cuando el sentido de la carga es hacia abajo, a fin de aprovechar la energía regenerativa de la bajada para acelerar la máquina. Por el contrario, si el sentido de la carga es hacia arriba, la traslación y la elevación no se superponen a fin de minimizar la potencia máxima del sistema.

Para complementar el paquete de ahorro energético, Lenze ofrece las nuevas fuentes regenerativas r700. Estas nuevas fuentes, extremadamente compactas y de bajo coste, permiten utilizar la tecnología regenerativa incluso en los translevadores de cajas, donde las fuentes tradicionales tenían tiempos de amortización excesivamente altos.

Nuevas tarjetas de seguridad SM302

Por último, el nuevo paquete incorpora las nuevas tarjetas de seguridad SM302. Estas nuevas tarjetas añaden la funcionalidad de posición segura a las de velocidad y sentido de giro seguros existentes hasta la fecha. Para ello, Lenze ha implementado una funcionalidad de seguridad exclusiva para transelevadores, denominada PDSS (Position Dependent Safe Speed).

Esta función de seguridad monitoriza la velocidad actual del transelevador y calcula el espacio necesario para desacelerar la máquina con la desaceleración programada. De esta forma, la velocidad actual está siempre limitada en todo el recorrido, asegurando que siempre existe el espacio suficiente para desacelerar la máquina sin impactar con los extremos del pasillo. Esta funcionalidad permite disminuir los topes hidráulicos exigidos por la normativa de este tipo de máquinas, permitiendo aprovechar al máximo el espacio disponible del almacén.

Para poder conseguir una monitorización segura de posición y velocidad, la nueva tarjeta SM302 requiere simplemente de un sensor de posición con protocolo SSI y un encoder en el motor. Estos elementos, que no tienen por qué ser seguros, se instalan de serie en la práctica totalidad de este tipo de máquinas, de forma que las nuevas funciones de seguridad pueden implementarse sin ningún tipo de coste adicional. La seguridad que se obtiene gracias a la redundancia del sensor de posición y el encoder de motor es Ple/SIL3, que es la máxima posible.

Todas las funcionalidades de la nueva tarjeta SM302, como la mencionada PDSS, pueden ser controladas remotamente mediante un maestro Profinet Safety. De esta forma, combinaciones complejas de barreras de seguridad, pestillos de acceso, setas de emergencia, etc… pueden combinarse con el control seguro de la velocidad y posición del transelevador en todos los modos de funcionamiento de máquina.

En definitiva, más ciclos por minuto, menos consumo y menor tiempo de puesta en marcha. La nueva solución mecatrónica para translevadores de Lenze ofrece todas estas posibilidades de la mano de un único proveedor.