Ash Grove Cement mejora la confiabilidad y la protección de activos

Antecedentes

Como ingeniero eléctrico en la industria de fabricación de cemento con gran consumo de motores desde hace más de 30 años, Bob Wright lo ha visto todo:la evolución de los motores y variadores de CC a la tecnología de motores y variadores de CA mejoró el acceso a la información y aumentó la presión para reducir el consumo de energía relacionado con el motor.

La primera vez que entró a Ash Grove Cement en Chanute, Kansas, en 1975, Wright habría dicho que era imposible usar un variador de CA de bajo voltaje para controlar un motor de CA de media tensión.Los tiempos y la tecnología ciertamente han cambiado.

Wright supervisa el funcionamiento eléctrico de las instalaciones centenarias de Ash Grove, una de las nueve plantas principales del fabricante de cemento.En conjunto, las plantas tienen una capacidad de producción anual de casi 9 millones de toneladas de cemento.Al igual que otras empresas de la industria del cemento, Ash Grove enfrenta una mayor competencia, la demanda en constante fluctuación y la presión intensa para aumentar la productividad de manera eficiente.

Para maximizar la producción, la planta Chanute fabrica cemento todo el día, todos los días.Casi 1,000 motores generan una potencia combinada de 45,000 caballos de fuerza y permiten producir cinco toneladas de cemento por minuto.

“El éxito o el fracaso de nuestra planta dependen de nuestros motores”, dijo Wright.“Necesitamos equipos confiables y mantenimiento continuo para proteger nuestros motores, controlar la producción y operar de manera eficiente”.

Para resolver problemas con un sistema de control de motores anticuado y poco confiable, Ash Grove invirtió en una solución inusual, pero eficaz: instalar un variador de CA de frecuencia variable de bajo voltaje, con tecnología avanzada en sus actuales motores de CA de media tensión de 2,300 caballos de fuerza.Ash Grove no solo actualizó su tecnología de variadores, sino que modernizó su enfoque sobre el mantenimiento de las inversiones de capital.Los resultados hasta ahora son un ahorro inicial de $250,000 y 90% de tiempo productivo.

“Hace poco tiempo, los fabricantes tenían una mentalidad de 'que funcione hasta que se rompa'.Pero ahora tenemos las herramientas para proteger las inversiones de capital como nuestros motores”, dijo Wright.

El sistema de control de motores anterior de Ash Grove era poco confiable y requería un mantenimiento constante.

Desafío

En Ash Grove, los motores impulsan todo, desde el gigantesco horno rotatorio hasta la molienda de hasta 4,500 toneladas de cemento al día.La demanda sube, lo que implica una mayor necesidad de mantener la planta y, por lo tanto, sus motores, en funcionamiento.Debido a que China dedica la producción de cemento a la construcción de su propia infraestructura, las importaciones del material han disminuido, impulsando la demanda de cemento doméstico.

Para producir el clinker usado en el proceso de cemento, Ash Grove utiliza caliza extraída de canteras in situ, la mezcla con otros ingredientes y calienta el material hasta 2,000 grados Fahrenheit en un horno giratorio de 150 pies de largo.Aún caliente, el clinker, que varía del tamaño del mármol a tres pulgadas de diámetro, pasa por un proceso de enfriamiento antes de que un molino lleno de bolas de acero lo muela y lo convierta en cemento en polvo.

Los trabajadores de Ash Grove tuvieron problemas cuando llegó el momento de dar servicio a estos tres molinos de bolas cada mes.Para que los técnicos entraran en el molino para el servicio, se usó un anticuado motor de generador de 60 caballos de fuerza para girar el molino pulgada por pulgada hasta que alcanzó una posición exacta.

El proceso de posicionamiento manual del equipo, llamado “spotting”, se dificultó debido a que los técnicos no tenían forma eficiente de aplicar con precisión el par de torsión al motor de media tensión directamente desde el sistema de potencia, la técnica utilizada para girar lentamente el molino.“Junto con los problemas que tuvimos al trasladar el voluminoso molino a una posición precisa, la rotación irregular, así como el arranque y parada abrupta del motor, pueden causar daños mecánicos y eléctricos al equipo“, dijo Wright.

El problema interfirió con el objetivo de la compañía de minimizar el tiempo improductivo y maximizar la producción.“Cada hora que suspendemos las operaciones para realizar el mantenimiento rutinario o resolver un fallo se traduce en 300 toneladas de cemento que podría haberse producido”, explicó Wright.

Harto de la frecuencia y el costo del problema, Wright compartió sus frustraciones con su contacto de ventas en Rockwell Automation, proveedor de automatización de Ash Grove para el resto de la instalación.

“Tradicionalmente, esta situación requería un nuevo controlador de spotting y un motor de engranajes o un variador de media tensión”, dijo Wright.“Pero los ingenieros de Rockwell Automation diseñaron una solución de variador de CA que supera a las otras soluciones a una fracción del costo”.

Soluciones

Ash Grove reemplazó los generadores que accionaban el spotting del molino con variadores de frecuencia variable CA de 480 vatios y 450 vatios preconfigurados de Rockwell Automation.Los variadores de CA Allen-Bradley® accionan tres motores de CA existentes de 4,000 voltios y 2,300 caballos de fuerza exclusivamente durante el proceso de spotting para rotar de manera eficiente el molino de bolas, lo que permite encenderlo y detenerlo en forma controlada.Para accionar el molino a toda velocidad, Ash Grove utiliza un arrancador de motor síncrono, que no tiene ningún control de velocidad.

“Con más de 30 años de experiencia en la industria del cemento, me considero un devoto de la CC”, dijo Wright.“Nunca creí que la tecnología de CA pudiera producir un par del 100 por ciento a velocidad cero hasta que Rockwell Automation desarrolló una solución de control de motores de CA para una aplicación de alto par”.

Configurado para reemplazar una aplicación de motor del generador, el variador de CA de baja tensión Allen-Bradley tiene la capacidad de control de par para operar a los seis hertzios requeridos por el molino de bolas para el spotting.El variador puede separar y controlar de forma independiente el flujo del motor y el par que producen, permitiéndole entregar el par completo a velocidad cero.Estas capacidades, junto con un control preciso de la velocidad del motor, permiten al variador de CA manejar aplicaciones de control de motores exigentes, incluidas las aplicaciones típicamente reservadas para motores de CC.

Cuando el variador llegó a Ash Grove, parecía que el diseño requería una instalación más complicada que la norma. Como resultado, Wright se puso en contacto con Rockwell Automation para obtener asistencia.Los ingenieros de servicio de campo de Rockwell Automation proporcionaron servicios de puesta en marcha de variadores para ayudar a Wright a programar y solucionar adecuadamente la aplicación del variador sin problemas.

“Los ingenieros de Rockwell Automation nos ayudaron a poner en marcha el variador y a ponerlo en funcionamiento una hora después de su llegada”, recordó Wright.“Esta rápida y sencilla transición ayudó a reducir el tiempo entre la integración y la operación real de la máquina”.

Al conectar en red el variador a un controlador de automatización programable ControlLogix® de Allen-Bradley, Ash Grove mejoró el rendimiento operativo, obtuvo acceso en tiempo real a datos cruciales de producción y pudo comenzar a proteger activos valiosos a través de capacidades avanzadas de diagnóstico y protección.El enfoque integrado ayuda a Ash Grove a impulsar los resultados finales a través de su operación, mejorando la productividad y reduciendo los costos.

Casi 1,000 motores accionan aplicaciones a través de la instalación de Ash Grove en Chanute, Kansas para producir 150 millones de toneladas de clinker al año.

Resultados

La implementación de la tecnología de variadores de CA de Rockwell Automation le dio a Ash Grove un control de motores confiable, ahorros financieros y una mejor protección de activos.

“El mantenimiento del equipo eléctrico en una instalación que produce cemento durante todo el día y las operaciones de energía con casi 1,000 motores es exigente”, dijo Wright.“La confiabilidad de la tecnología de variadores no solo me da tranquilidad como ingeniero eléctrico, sino que también conduce a un aumento de la producción y un tiempo productivo superior al 90%”.

El conocimiento de la aplicación de los ingenieros de Rockwell Automation, combinado con las capacidades tecnológicas del variador, ayudó a Ash Grove a ahorrar dinero.

”Además de costar menos de la mitad que un variador de media tensión, usar un variador de CA de baja tensión en esta aplicación permite ahorrar dinero en mantenimiento y consumo de energía y, sencillamente, hace mejor el trabajo”, dijo Wright.

Ash Grove tuvo ahorros iniciales de $250,000 al seleccionar un variador de CA de baja tensión, y ahorra miles de dólares al año en mantenimiento.A diferencia del generador anterior, la tecnología uniforme del variador de frecuencia variable ayuda a reducir el desgaste mecánico en el equipo, así como el tiempo y el dinero que se dedican a mantener el motor.En lugar de llevar a cabo el mantenimiento anual del motor, el nuevo variador requerirá mucho menos mantenimiento y rebobinado del motor, si es que lo requiere.La capacidad de operar variadores de CA a muy baja velocidad para un posicionamiento controlado facilita el proceso de spotting requerido para el mantenimiento regular del molino de bolas.

“Creemos en mantener los motores a largo plazo”, dijo Wright.“Dedicar nuestros esfuerzos a la protección de estos motores en lugar de hacerlos funcionar hasta que se rompan nos permite ahorrar más dinero”.

Además de gastar menos dinero en el mantenimiento del motor y la caja de cambios y el reemplazo del equipo, Ash Grove redujo el consumo de energía.

“En el pasado, hacíamos funcionar el motor del generador durante el proceso de spotting”, dijo Wright.“A diferencia del generador, el variador de frecuencia variable consume mucha menos energía eléctrica mientras realizamos servicio a los molinos, lo que dio como resultado un ahorro de energía”.

Para proteger su inversión en tecnología de motores, Ash Grove desarrolló una estrategia de mantenimiento general que complementa los esfuerzos internos con el apoyo de Rockwell Automation, según sea necesario.

“La innovadora técnica de utilizar un variador de CA de baja tensión para alimentar una aplicación de media tensión demostró ser una solución confiable y eficaz en cuanto a costos”, dijo Wright.“Planeamos colaborar con Rockwell Automation en el futuro para desarrollar enfoques originales que alcancen nuestros objetivos”.