Diseño eléctrico del armario de control de puente grúa

El armario de control del puente grúa constituye el soporte físico del sistema eléctrico: en él se integran el PLC, el variador de frecuencia, la fuente de alimentación, los relés de seguridad, los bloques de terminales y el sistema de refrigeración en un armario normalizado, asegurando que los equipos eléctricos operen de forma segura y fiable en las duras condiciones del taller. Kelude Industrias Pesadas ha desarrollado un diseño estandarizado para los armarios de control de puentes grúa conforme a las normas GB/T 7251.1-2020 e IEC 61439, que abarca la selección del armario, el diseño de distribución eléctrica, la disposición de componentes, el cableado interno, el cálculo de disipación térmica y la protección EMC. Este artículo expone de forma sistemática estas prácticas de ingeniería, desde el diseño eléctrico hasta el ensamblaje y la puesta en marcha.

Diseño del armario de control y grado de protección IP

El diseño del armario de control del puente grúa comienza con la selección de la envolvente y la determinación del grado de protección IP. Los armarios estandarizados de Kelude Industrias Pesadas se fabrican en acero inoxidable o chapa de acero laminada en frío (espesor 2,0 mm), con dimensiones de 1200 mm (alto) × 800 mm (ancho) × 400 mm (fondo), lo que proporciona un espacio libre interior aproximado de 0,38 m³. El grado de protección se selecciona según la ubicación de instalación: los armarios instalados en la cabina del operador del puente grúa adoptan el grado IP54 (antipolvo y resistente a salpicaduras de agua); los instalados a nivel del suelo del taller o sobre columnas emplean el grado IP55 (antipolvo y resistente a chorros de agua); y los destinados a fundiciones o aplicaciones siderúrgicas alcanzan el grado IP65 (antipolvo y resistente a chorros de agua a presión), incorporando además un sistema de ventilación con presión interna positiva para impedir la entrada de gases corrosivos. La puerta del armario utiliza un diseño de bisagras con cierre de tres puntos, y la junta de sellado perimetral está fabricada en espuma de caucho EPDM de celda cerrada, con resistencia a la temperatura de -40 °C a 120 °C y una vida útil no inferior a 5 años.

El interior del armario se organiza por zonas funcionales. El lado izquierdo aloja la zona de entrada de alimentación (200 mm de ancho), donde se instalan el disyuntor de entrada, el filtro EMC, la fuente de alimentación conmutada y el SAI. La zona central corresponde al área de control y accionamiento (430 mm de ancho), con dos filas verticales que albergan el bastidor del PLC S7-1500 y el variador de frecuencia G120, el grupo de relés de seguridad y el grupo de relés intermedios. El lado derecho se destina a la zona de conexiones y salidas (170 mm de ancho), con el bloque de terminales de salida y canales de cableado reservados. Las tres zonas están separadas físicamente mediante diafragmas metálicos o canaletas, y los cables de alimentación y de señal se enrutan en niveles diferenciados. La parte inferior del armario dispone de los orificios de entrada de cables (4 perforaciones de 32 mm de diámetro) y de la barra colectora de cobre de puesta a tierra PE (sección 30 mm × 5 mm), mientras que la parte superior aloja las salidas de cables y el ventilador de refrigeración.

Sistema de alimentación y diseño de distribución eléctrica

El sistema de alimentación del armario de control del puente grúa se estructura en cuatro niveles: protección de entrada, filtrado y purificación, alimentación en corriente continua y alimentación de respaldo. El nivel de protección de entrada emplea un disyuntor de caja moldeada tripolar (corriente nominal 400 A, poder de corte 50 kA, modelo NSX400F o TM400D). El cable de alimentación de entrada es un cable de cobre tipo YJV-0,6/1 kV 4×185+1×95 mm², con una capacidad de transporte aproximada de 370 A en instalación al aire. El disyuntor de entrada incorpora un disparador termomagnético —el disparo térmico se ajusta a 400 A y el magnético a 3200 A (8 veces la corriente nominal)— con un tiempo de interrupción en cortocircuito inferior a 20 ms. Este disyuntor actúa además como seccionador general del armario, e incluye contactos auxiliares para que el PLC pueda supervisar su estado.

El filtro EMC se instala aguas abajo del disyuntor de entrada; se trata de un filtro trifásico de tres hilos (corriente nominal 400 A, con una atenuación de inserción superior a 60 dB en el rango de frecuencia de 150 kHz a 30 MHz). El borne de puesta a tierra del filtro EMC se conecta directamente a la barra colectora de cobre PE mediante un cable de puesta a tierra verde-amarillo de 6 mm², con una longitud de conexión no superior a 300 mm. Los cables de alimentación del variador de frecuencia situados aguas abajo del filtro pasan a través de un núcleo de ferrita (3 vueltas) con diámetro interior de 32 mm, lo que suprime adicionalmente las interferencias de modo común de alta frecuencia generadas por el variador. La fuente de alimentación conmutada es de tipo carril DIN, 24 V DC/10 A (entrada AC 380 V trifásico cuatro hilos, salida DC 24 V/10 A, potencia 240 W), y suministra energía al PLC, la HMI, los relés de seguridad y los sensores. En el lado de entrada de la fuente conmutada se instala un disyuntor miniatura C20 (unipolar, curva C), y en el lado de salida, fusibles en ambos polos (corriente nominal 12 A).

La fuente de alimentación ininterrumpida (UPS) se instala en la capa de alimentación de respaldo, con una capacidad de 1500 VA (equivalente a aproximadamente 1050 W de potencia de salida) y una autonomía de unos 15 minutos con carga de 24 V DC. El lado de entrada de la UPS se conecta mediante un disyuntor miniatura a la etapa previa de la fuente de alimentación conmutada, mientras que el lado de salida alimenta el módulo CPU y el HMI del PLC. El tiempo de conmutación automática de la UPS es inferior a 5 ms, lo que garantiza que el PLC no se reinicie ante una interrupción breve de la alimentación externa. El estado de la batería de la UPS (descarga en línea, carga o batería baja) se transmite al módulo de entrada digital del PLC mediante contactos secos pasivos; cuando la batería está baja, el PLC ejecuta automáticamente un procedimiento de parada segura y guarda los datos de operación.

Integración y montaje del PLC y el variador de frecuencia

La posición de montaje y la separación entre el PLC S7-1500 y el variador G120 influyen directamente en la disipación térmica y la compatibilidad electromagnética del armario de control. El bastidor del PLC se instala en la zona izquierda de la parte central del armario, a una altura de instalación de aproximadamente 400 mm desde la base (para facilitar la visualización de la luz indicadora LED y la pantalla de visualización del panel de la CPU). El bastidor del PLC aloja, de izquierda a derecha, la fuente de alimentación PS 60 W, la CPU 1516-3 PN/DP, el módulo DI 32×24V DC, el módulo DO 32×24V DC/0.5A y el módulo AI 8×U/I, conectados entre sí mediante conectores de bus en U, con una separación entre módulos de 0 mm.

La separación horizontal entre el PLC y el variador no será inferior a 100 mm. El variador emplea la unidad de control G120 CU250S-2 DP con el módulo de potencia PM240-2. La unidad de control se monta verticalmente, con la CU250S-2 DP sobre el PM240-2, conectadas mediante cable Drive-CLiQ. Las aletas de disipación del variador quedan orientadas hacia el frente (dirección de la puerta del armario), asegurando que el aire caliente ascienda sin obstáculos por la parte frontal del armario. Se reserva un espacio de 200 mm bajo el variador para la salida de cables (conductores trifásicos U/V/W y cable de la resistencia de frenado). Los cables U/V/W no deben compartir canaleta con los cables de señal DI/DO del PLC, manteniendo una separación mínima de 200 mm. El terminal de puesta a tierra (PE) del variador se conecta directamente a la barra colectora de cobre de PE mediante un cable de puesta a tierra de 10 mm² con aislamiento amarillo-verde, con una longitud de recorrido rectilíneo no superior a 500 mm.

La selección de conductores dentro del armario de control sigue la Norma IEC 60204-32. Los cables de señal DI/DO del PLC son cables blindados RVVP 4×0,5 mm², con el blindaje conectado a tierra en un solo extremo, en el lado del PLC (conexión a la riel de puesta a tierra del PLC). Los cables de señal analógica (AI 4~20 mA) son cables blindados de pares trenzados RVVP 2×0,75 mm², con el blindaje puesto a tierra en un solo extremo, en el lado del sensor. Los cables de comunicación PROFINET son cables blindados CAT6A S/FTP, con conectores RJ45 IP20 en ambos extremos, tendidos por la canaleta lateral izquierda del armario, con una separación mínima de 200 mm respecto a los cables de alimentación. Los cables de potencia del variador (U/V/W) son cables de cobre YJV-0,6/1kV 3×16 mm²+1×10 mm², con un diámetro exterior aproximado de 22 mm y un radio de curvatura no inferior a 5 veces el diámetro del cable.

Cableado del relé de seguridad y del relé intermedio

La zona de montaje del relé de seguridad y del relé intermedio se sitúa en la parte central derecha del armario de control, junto al bastidor del PLC. El relé de seguridad es el modelo ampliable Siemens 3SK1121-1AB41. Cada puente grúa incorpora 3 módulos de relé de seguridad: K1 ejecuta la función STO (parada segura de par) mediante conexión PROFIsafe al variador; K2 ejecuta la función SBC (control de freno de seguridad), controlando de forma independiente los electroimanes del freno doble; K3 ejecuta la función SS1 (parada segura 1), supervisando el tiempo de desaceleración hasta la detención. Cada módulo de relé de seguridad tiene un ancho de 22,5 mm y se monta sobre riel DIN, con una separación de 10 mm entre módulos para facilitar la disipación de calor y el cableado.

El cableado de control entre el relé de seguridad y los relés intermedios se pre-cablea completamente en fábrica dentro del armario de control del puente grúa. Una vez completado el pre-cableado, se realiza la verificación de la lógica F-LAD y la comprobación de la correspondencia entre los puntos de salida DO del PLC y las bobinas de los relés intermedios mediante la herramienta Safety Admin de TIA Portal. Ambos extremos de cada conductor se identifican con tubos marcadores de cable (el tubo imprime la designación del equipo y el número de terminal, por ejemplo, K1-A1 indica el terminal de la bobina del relé K1 A1). Los tubos marcadores son de PVC termorretráctil (diámetro interior de 3 mm, relación de contracción 2:1), impresos con una impresora de marcadores (como la THERMOMARK ROLL de Phoenix Contact), con una altura de fuente no inferior a 2 mm.

Borne de conexión y diseño de salida de cables

El borne de salida del armario de control es la interfaz de conexión entre el cableado interno y los cables de los equipos externos. Kelude equipa el armario de control del puente grúa con tres grupos de bornes: XT1 es el borne de alimentación (instalado en el lado de entrada, para la conexión de la alimentación principal), XT2 es el borne de señales de control (instalado en la parte central derecha del armario, para la conexión de DI/DO del PLC, señales de sensores y cables de comunicación), y XT3 es el borne de salida del motor (instalado en el lado de salida, para la conexión de las salidas U/V/W del variador de frecuencia y los cables del freno). Los bornes XT1 son de Phoenix Contact PT 35/3-3P (corriente nominal 125 A, voltaje nominal 1000 V), los bornes XT2 son de Phoenix Contact PT 2.5-2P (corriente nominal 24 A, voltaje nominal 800 V), y los bornes XT3 son de Phoenix Contact PT 16-4P (corriente nominal 76 A, voltaje nominal 1000 V).

Especificación de identificación de bornes. En el extremo inicial de cada grupo de bornes se instala un soporte de identificación (soporte de placa de identificación tipo carril), en el que se imprime el nombre del grupo y el rango de numeración, como XT2:001-050 (borne de señales de control, terminales 1 a 50). La identificación de cada terminal sigue la regla de numeración del cable, por ejemplo, "XT2:023" indica el terminal número 23 del borne XT2. El orden de cableado del borne sigue el principio de "entrada superior, salida inferior": los cables de los dispositivos internos se conectan desde la parte superior del borne, y los cables de los equipos externos se conectan desde la parte inferior.

Diseño de sellado de la entrada de cables. La entrada de cables en la parte inferior del armario utiliza una combinación de orificios rompibles y prensaestopas para cables (tipo PG29 o PG36). El grado de protección (IP) del prensaestopas no debe ser inferior a IP68, y el diámetro interior del prensaestopas debe coincidir con el diámetro exterior del cable (se utilizan anillos de sellado reductores para adaptarse a diferentes diámetros de cable). Se debe dejar un margen de mantenimiento de no menos de 500 mm para los cables de entrada dentro del armario. Los cables se fijan en el punto de entrada (utilizando abrazaderas para cables o bridas fijadas a la placa de montaje del armario), y el punto de fijación no debe estar a más de 100 mm del punto de entrada. Se reservan 3 orificios rompibles para el paso de cables de reserva, sellados con placas de cubierta, con un diámetro de 32 mm.

Enfriamiento, compatibilidad electromagnética y puesta en marcha

El diseño de enfriamiento y la protección EMC del armario de control son cruciales para garantizar la estabilidad a largo plazo de los equipos eléctricos. Cálculo de disipación de calor: los principales elementos generadores de calor en el armario son el variador de frecuencia G120 (aproximadamente 1200 W a plena carga), la fuente de alimentación conmutada (aproximadamente 30 W), los módulos PLC (aproximadamente 20 W en total) y el grupo de relés intermedios (aproximadamente 15 W en total). La disipación total de calor del armario es de aproximadamente 1265 W. Según la superficie del armario (aproximadamente 2,6 m²), la capacidad de enfriamiento natural es de aproximadamente 200 W, por lo que el déficit de 1065 W requiere enfriamiento forzado. Solución de enfriamiento: se instalan dos ventiladores axiales en la parte superior de la puerta del armario (modelo SANYO DENKI 9GV1212P1G03, 120 mm × 120 mm × 38 mm, flujo de aire 94 CFM cada uno, ruido 45 dB(A)). Cada ventilador está equipado con una rejilla de protección de acero inoxidable y un filtro (precisión de filtración de 10 micras). Los ventiladores soplan hacia abajo (entrada de aire) y el aire caliente se expulsa naturalmente a través de la rejilla de ventilación superior.

Medidas de protección EMC. El propio armario actúa como blindaje: todas las puertas, paneles laterales y el panel superior están conectados eléctricamente mediante juntas de espuma conductora (EMC Gasket), con una resistencia de contacto inferior a 10 mΩ por metro. Los cables de alimentación del variador de frecuencia (U/V/W) pasan a través de un núcleo de ferrita (3 vueltas) antes de salir; el diámetro interior del núcleo es de 32 mm y la impedancia no es inferior a 200 Ω a 30 MHz. Los cables de señal DI/DO del PLC pasan a través de una abrazadera de blindaje de cable antes de entrar en el PLC (la abrazadera metálica fija el blindaje y lo conecta a tierra en el punto de puesta a tierra del carril de montaje del PLC). La distancia desde la abrazadera de blindaje hasta el módulo PLC no debe superar los 50 mm. La resistencia de puesta a tierra punto a punto de la barra colectora de cobre PE es inferior a 0,5 Ω. La barra colectora de puesta a tierra se conecta a la red de tierra del taller mediante un cable de puesta a tierra de 16 mm² de color amarillo/verde, con una resistencia de puesta a tierra inferior a 4 Ω (conforme a la norma IEC 62305).

Procedimiento de puesta en marcha en fábrica. Tras el ensamblaje del armario de control, se ejecuta una prueba de puesta en marcha en cinco pasos: Primer paso, prueba de aislamiento: se utiliza un megóhmetro de 500 V para medir la resistencia de aislamiento de las líneas de entrada L1/L2/L3 a PE, que debe ser superior a 1 MΩ; la resistencia de aislamiento de las líneas de señal DI/DO a PE debe ser superior a 5 MΩ. Segundo paso, prueba de alimentación: después del cierre del interruptor, se verifica el voltaje de entrada (trifásico 380 V ± 10%), el voltaje de salida de la fuente de alimentación conmutada (24 V ± 0,5 V) y el estado de carga del SAI. Tercer paso, prueba punto a punto de E/S: se utiliza la función de forzado de TIA Portal para probar cada punto de entrada DI y salida DO. Todos los puntos de entrada deben reflejar la señal correcta en el PLC tras la activación manual, y todos los puntos de salida deben activar el relé correspondiente y la luz indicadora. Cuarto paso, prueba de comunicación: se verifica que el PLC, el variador de frecuencia y las estaciones de E/S remotas en la red PROFINET estén en línea, y que el servidor OPC UA pueda leer correctamente los 26 nodos de datos estándar. Quinto paso, envejecimiento de la unidad completa: el armario de control se somete a una operación sin carga durante 24 horas, registrando la temperatura interna cada 30 minutos (que no debe superar la temperatura ambiente + 15 K). Si se detecta una temperatura anormal, se verifica el estado de funcionamiento de los ventiladores y la fluidez del conducto de enfriamiento.

Preguntas frecuentes (FAQ)