Control servo propio para grúas con algoritmo 100% nacional
Sistema de control servo específico para grúas de desarrollo propio, con un 100% de sustitución nacional del algoritmo de control principal. Kelude Industrias Pesadas ha superado la aceptación interna de su sistema de control servo para grúas, logrando una sustitución nacional completa del algoritmo de control principal, lo que marca el fin de la dependencia de marcas importadas en el ámbito del control eléctrico central de grúas.
Kelude Industrias Pesadas ha superado la aceptación interna de su sistema de control servo específico para grúas, logrando una sustitución nacional completa del algoritmo de control principal, un hito que libera a la empresa de la dependencia de marcas extranjeras en el núcleo del control eléctrico de grúas. El sistema emplea un servoaccionamiento y un algoritmo de control de movimiento con propiedad intelectual totalmente propia, que abarca el control de sincronización de tres ejes: mecanismo de elevación, mecanismo de carro y mecanismo de traslación del puente. Es aplicable a modelos principales como el puente grúa tipo QD, el puente grúa de cuchara tipo QZ y la Grúa Pórtico tipo MG.
Origen del desarrollo y enfoque técnico
El sistema de control eléctrico central de las grúas dependía durante mucho tiempo de marcas importadas como Siemens, ABB o Schneider, lo que suponía desventajas significativas en cuanto a seguridad del suministro, desarrollo a medida y control de costos. En 2023, Kelude Industrias Pesadas inició el proyecto de desarrollo propio de su sistema de control servo para grúas. La ruta técnica se basa en un chip DSP doméstico de alto rendimiento como núcleo principal, complementado con un algoritmo de control vectorial y una estrategia de modulación SVPWM desarrollados internamente, junto con módulos IGBT nacionales y placas de accionamiento de diseño propio. El desarrollo del sistema, que abarcó desde la selección de la solución de hardware, el diseño y fabricación de PCB, el desarrollo del firmware de bajo nivel, la validación del algoritmo de control hasta la puesta en marcha integrada de la máquina completa, requirió 18 meses y una inversión en I+D superior a 4 millones de CNY (aprox. 508.400 €).
Arquitectura del sistema
El sistema de control servo adopta una arquitectura de bus distribuida, compuesta por cuatro partes: el controlador principal, el servoaccionamiento, el terminal de operación y la realimentación de sensores. El controlador principal se basa en un chip doméstico de la serie GD32 con núcleo ARM Cortex-M7 y una frecuencia principal de 480 MHz. Gestiona la planificación de movimiento, el control lógico y la comunicación, logrando un ciclo de control de sincronización de tres ejes de 1 ms. El servoaccionamiento utiliza una solución de doble chip doméstico DSP+FPGA: el DSP se encarga del control vectorial y del algoritmo del lazo de corriente, mientras que el FPGA procesa las señales del encoder y las respuestas IO de alta velocidad. El ancho de banda del lazo de corriente es de 2 kHz y el del lazo de velocidad de 200 Hz. El terminal de operación cuenta con una Interfaz Hombre-Máquina (HMI) de pantalla táctil de 7 pulgadas, basada en el procesador doméstico Allwinner R16 y sistema Linux, que admite programación en diagrama de escalera y ajuste de parámetros en línea. El sistema de realimentación por sensores utiliza encoders absolutos domésticos con una resolución de 23 bits, y junto con el circuito de procesamiento de señales desarrollado internamente, alcanza una precisión de detección de posición de 0.001 revoluciones.
Algoritmos principales
El mayor avance técnico del sistema de control reside en sus tres algoritmos de control principales, desarrollados íntegramente en casa. El algoritmo de control vectorial sin sensor estima en tiempo real la posición del flujo del rotor y la velocidad mediante el modelo matemático del motor, eliminando la dependencia del encoder en el lazo de velocidad. En el mecanismo de elevación, la precisión del control de par en todo el rango de frecuencia (0.5 Hz a 120 Hz) es de ±3%. El algoritmo de control anti-oscillación se basa en la técnica de conformación de entrada, que descompone las instrucciones de elevación y movimiento del carro en pulsos principales y pulsos retardados superpuestos para suprimir la oscilación de la carga durante la aceleración y desaceleración. La amplitud de balanceo de la carga se controla dentro de ±3 cm, lo que representa una mejora de la eficiencia del control anti-oscilación de aproximadamente un 40% en comparación con los métodos de operación tradicionales. El algoritmo de equilibrio de potencia para múltiples motores está diseñado para la solución de motor doble en grúas de gran tonelaje. Mediante el control de lazo cerrado de par, la desviación del par de salida entre los dos motores no supera el ±2%, resolviendo los problemas de carga estructural desequilibrada y los impactos en el sistema de transmisión causados por la falta de sincronización de los motores dobles.
Autosuficiencia en hardware
El diseño del hardware del servoaccionamiento se ha completado íntegramente en casa, alcanzando una tasa de nacionalización de los componentes centrales del 100%. La sección de potencia utiliza módulos IGBT domésticos y un circuito rectificador-inversor trifásico de diseño propio, con corrientes nominales que cubren 5 niveles de potencia desde 50 A hasta 600 A, adaptándose a los requisitos de accionamiento de grúas de 5 a 100 toneladas. La placa de control emplea un diseño de PCB de 4 capas, integrando circuitos de muestreo ADC de alta velocidad (16 bits, frecuencia de muestreo de 1 MHz), circuitos de accionamiento aislados y protección triple contra sobrecorriente, sobretensión y sobrecalentamiento. La interfaz de comunicación admite los protocolos EtherCAT (esclavo) y CANopen, permitiendo la conexión a sistemas de control de Ethernet industrial convencionales. El sistema de refrigeración utiliza un diseño de conducto de aire independiente junto con un radiador de aluminio extruido, manteniendo la elevación de temperatura del variador dentro de 45 K en condiciones nominales. El diseño de compatibilidad electromagnética (EMC) cumple con la norma IEC 60204-32, con una inmunidad a la descarga electrostática de ±6 kV por contacto y ±8 kV por aire.
Pruebas y verificación
El sistema de control servo ha superado rigurosas pruebas de laboratorio y verificación en campo. La fase de pruebas de laboratorio incluyó 62 pruebas funcionales, 38 pruebas de rendimiento, 15 pruebas de fiabilidad y 8 pruebas EMC. Las pruebas funcionales cubrieron operaciones básicas como elevación/descenso/parada/parada de emergencia, desplazamiento lateral del carro y desplazamiento longitudinal del puente, así como modos de control precisos como el modo de impulso, el movimiento incremental y la parada posicionada. Las pruebas de rendimiento se centraron en verificar el par de arranque a plena carga (150% del par nominal durante 5 segundos), la precisión de control de velocidad (desviación de velocidad en estado estacionario dentro de ±0.5%), la precisión de control de posición (error de posicionamiento dentro de ±2 mm) y el rendimiento de aceleración/desaceleración (aceleración ajustable de 0.2 m/s² a plena carga). Las pruebas de fiabilidad incluyeron 1000 horas de funcionamiento continuo y 5000 ciclos de elevación a plena carga, con un valor estimado de MTBF superior a 15000 horas. Los resultados de las pruebas EMC cumplen con el estándar de grado A para entornos industriales. Todo el proceso de Diseño y Fabricación se ha ejecutado conforme a las normas ISO 4301 / FEM 1.001 (especificación de diseño de grúa) e IEC 60204-32 (sistema de accionamiento eléctrico de velocidad ajustable).
Aplicación en campo
El sistema de control servo ha sido verificado en campo en dos prototipos en la propia fábrica de Kelude Industrias Pesadas. El primer prototipo es un puente grúa tipo QD de 10 toneladas, instalado en el taller de puesta en marcha y ajuste de máquinas completas. El diseño de este sistema de control sigue las especificaciones de control del estándar de visión por IA para grúas, y ha completado una verificación de operación de izaje y transporte continuo de 200 horas, cubriendo cuatro condiciones de operación: en vacío, media carga, plena carga y prueba de sobrecarga. El segundo prototipo es una Grúa Pórtico tipo MG de 20 toneladas, instalada en un patio exterior, sometida a condiciones ambientales adversas como alta temperatura (40 °C), baja temperatura (-5 °C), humedad y polvo, funcionando de manera estable y sin fallos. Los dos prototipos han acumulado más de 8000 ciclos de elevación, con comentarios positivos de los operadores. El sistema ha completado su diseño final y ha entrado en la fase de producción piloto a pequeña escala. Los primeros 20 variadores están en la programación de la producción y se planea que se instalen en equipos de nuevos pedidos que saldrán de fábrica en la segunda mitad de 2026.
Comparativa con marcas importadas
Tras las pruebas comparativas, los indicadores de rendimiento clave del sistema de control servo de desarrollo propio se sitúan al mismo nivel que los de la serie S120 de Siemens en aplicaciones de grúa. El tiempo de respuesta del par es de 4.5 ms en el sistema propio, frente a aproximadamente 3.8 ms en el Siemens S120; esta diferencia es aceptable e imperceptible para el usuario en aplicaciones que no requieren alta velocidad. En cuanto al rendimiento del control anti-oscilación, el sistema propio logra una amplitud de balanceo de la carga de ±3 cm, superior a los métodos de operación tradicionales y al mismo nivel que los módulos antibalanceo de las marcas importadas. El indicador más competitivo reside en el precio y el servicio: para una configuración de potencia equivalente, el costo integral del sistema propio es aproximadamente el 60% del de una solución importada, y el tiempo de respuesta del soporte técnico se ha reducido de las 2 a 4 semanas de las marcas importadas a menos de 48 horas.
Plan de desarrollo futuro
La hoja de ruta de Kelude Industrias Pesadas para el sistema de control servo se centra en tres direcciones. La primera es la serialización de productos: sobre la base de la plataforma DSP existente, se desarrollarán variadores de alta potencia (niveles de 800 A/1000 A) para grúas de mayor tonelaje y variadores de bajo costo (niveles inferiores a 30 A) para aplicaciones ligeras de pequeña tonelaje, formando una matriz de productos con una cobertura de potencia completa. La segunda es la expansión de protocolos de comunicación: las versiones futuras añadirán soporte para los protocolos PROFINET (esclavo) y EtherNet/IP, para ser compatibles con los sistemas de control PLC de más marcas y reducir aún más las barreras de protocolo en la integración de sistemas. La tercera es la actualización inteligente: se integrarán interfaces de detección de vibración y funciones de análisis de armónicos de corriente en la plataforma del variador, permitiendo el monitoreo en línea de la salud del motor y del sistema de transmisión, y dotando al variador de capacidades de Mantenimiento Predictivo.
Preguntas frecuentes (FAQ)
P: ¿Cuál es la diferencia entre el sistema de control servo de desarrollo propio de Kelude y las soluciones tradicionales con variador de frecuencia?
P: ¿Cuáles son las principales diferencias entre el sistema de control servo desarrollado internamente y un variador de frecuencia tradicional?
R: La solución tradicional con variador de frecuencia emplea variadores de uso general combinados con un PLC externo para el control lógico, donde los distintos mecanismos se coordinan mediante comunicación por bus. Esto hace que la integración del sistema sea compleja y que el tiempo de respuesta sea elevado. El sistema de control servo de desarrollo propio integra el control de movimiento, el accionamiento y la comunicación en una única plataforma de hardware, reduciendo el ciclo de control de sincronización de los tres ejes a 1 ms. Además, se ha optimizado específicamente para el funcionamiento en cuatro cuadrantes y el frenado regenerativo del mecanismo de elevación de la grúa, logrando una mejora de la eficiencia regenerativa de aproximadamente el 15%. En cuanto a coste y plazo de entrega, las diferencias entre ambas opciones son menores, pero la solución propia ofrece ventajas claras en rendimiento de control, grado de integración del sistema y desarrollo de adaptaciones personalizadas.
P: ¿Qué requisitos de formación implica el sistema de control servo para el operador?
R: La interfaz hombre-máquina del sistema de control servo utiliza una pantalla táctil en español, con una disposición que replica la del puesto de mando tradicional de la cabina. Las empuñaduras de control para elevación, carro y puente mantienen la distribución estándar, por lo que el operador puede manejarlo sin necesidad de formación adicional. El sistema incorpora funciones de restauración de parámetros con un solo toque y autodiagnóstico de fallos. Los fallos más comunes —como los de encoder, sobrecorriente o pérdida de comunicación, entre más de una docena de tipos— se muestran claramente en la interfaz con su localización y las recomendaciones para la solución de problemas. El personal de mantenimiento puede adquirir las habilidades necesarias para la resolución de fallas comunes en aproximadamente 2 días laborables.
P: ¿Es compatible el sistema de control servo de desarrollo propio con equipos existentes de otros fabricantes?
R: Sí. El sistema se ha diseñado teniendo en cuenta la compatibilidad en escenarios de uso mixto, admitiendo la integración en red con variadores de frecuencia de marcas importadas mediante PROFIBUS DP o bus de campo CANopen. En proyectos de modernización, se puede optar por sustituir únicamente el driver del mecanismo de elevación o reemplazar los tres ejes por completo, según el presupuesto del cliente. No es necesario cambiar el motor: el driver propio es compatible con motores asíncronos y síncronos de imanes permanentes de las principales marcas nacionales e importadas, y la interfaz del encoder admite tanto tipos incrementales como absolutos. Hasta la fecha, ya se ha completado el diseño de la solución para dos proyectos de modernización de equipos existentes.
P: ¿Cuál es el plazo de entrega y el soporte posventa del sistema de control servo?
R: El servoaccionamiento de desarrollo propio se fabrica en la planta de Kelude Industrias Pesadas. El plazo de entrega para productos estándar es de 15 días laborables desde la recepción del pedido. Todos los drivers se someten a un envejecimiento a plena carga de 4 horas y a una prueba funcional completa antes de la entrega. El equipo incluye una garantía de un año y soporte técnico de por vida. El soporte técnico se ofrece a través de tres canales: línea telefónica 400, plataforma de diagnóstico remoto y servicio en sitio. El tiempo de respuesta a fallos urgentes no supera las 4 horas. En cuanto a repuestos, se dispone de stock de los módulos IGBT, placas de control y placas de alimentación más habituales, con un plazo de reparación no superior a 3 días laborables.
