Una de las máquinas más importantes en la industria minera a cielo abierto es la pala mecánica o excavadora frontal PC8000, de grandes dimensiones, diseñada principalmente para la remoción de gran cantidad de tierra estéril así como del suelo y el subsuelo que cubren el carbón.
Esta pala, que cuenta con un brazo hidráulico muy potente para remover la tierra y los escombros, como toda máquina está sujeta a continuos recalentamientos de sus partes, así como a desajustes, desgastes y demás inconvenientes, pues se trata de un conjunto de piezas engranadas unas con otras, sujetas a continuas fricciones o rozamientos y, a veces, a altas presiones.
Esto obliga al personal minero a frenar el trabajo y desviarse del objetivo principal (obtener determinado mineral) para supervisar, realizar mantenimientos o calibraciones, hacer cambios de repuestos y demás dentro de las máquinas, y así mantener su buen funcionamiento.
Se necesita entonces minimizar el consumo de tiempo en la calibración de la pala y brindar mayor disponibilidad para el trabajo minero, garantizando óptimo uso de recursos y la fuerza suficiente que necesita para su labor, y al mismo tiempo evitar posibles recalentamientos en sus motores y demás partes. Para ello, los ingenieros electrónicos de la Universidad Popular del Cesar, Miguel Aroca Cervantes y Dirceu Campo Correa, bajo la dirección del ingeniero Giovanni Bracho Tovar, diseñaron en su trabajo de grado un equipo de calibración automatizada, es decir, asistida por micropiezas electrónicas, que busca menor intervención humana, menor tiempo en el proceso obligatorio de calibración y mayor precisión al calcular las indicaciones que la pala necesita para su buen funcionamiento.
Se trata del Electrocalibrador PC8000, dispositivo electrónico portátil para la calibración automática de la presión de pilotaje de la pala PC8000-6e de Komatsu.
El Electrocalibrador PC8000, aparte de contar con un cable puente que permite conectar uno de los módulos a la máquina, consta de dos unidades de comunicación inalámbrica bien definidas:
La interfaz de mando, conformada por un teclado desde donde se calibra la pala, y una pantalla donde se visualiza todo el proceso. Es la unidad de control llevada por el usuario y que opera en forma similar a un control remoto que envía señales sin cable a un equipo de sonido, a un televisor o al motor eléctrico que controla el portón de una cochera.
El dispositivo de enganche, que gracias a un cable denominado cable de enganche, se conecta y reposa en la pala y ejecuta las órdenes emitidas por la interfaz de mando sobre la máquina.
Resolver interrogantes
Este dispositivo es la respuesta a la pregunta hecha tal vez por muchos de los técnicos encargados del mantenimiento de la pala PC8000-6e, con respecto a la calibración manual que se venía ejecutando: ¿No será posible hacer dichas calibraciones de una manera más rápida y confiable? Cuando llegó dicha inquietud a los investigadores y desarrolladores de este proyecto, supimos de inmediato que sí era posible, aunque aún no se conocían las variables que estaban en juego ni todos los elementos necesarios. Pero antes de iniciar cualquier tipo de investigación pertinente, era para nosotros más relevante responder primero a la pregunta: ¿Por qué una máquina tan sofisticada posee una calibración tan anticuada? Descubrimos que Komatsu sí tenía mejores métodos de calibración pero que Drummond (la mina donde desarrollamos nuestra investigación) utilizaba el más tedioso. Entonces la nueva pregunta era ¿por qué los técnicos de Drummond utilizan un método tan anticuado, si hay otros mejores? Las respuestas a estas preguntas nos permitieron justificar e iniciar todo este proyecto.
La compañía proveedora de las palas diseñó tres métodos de calibración:
- Por medio del software BODEM, creado por ella para este proceso, en un computador conectado a un puerto ya establecido dentro de la pala.
- Por medio de equipo electrónico sofisticado (EST- BB-3), diseñado por los alemanes y conectado al mismo punto.
- Y manualmente, a través de inducción de voltaje de 24 VDC (veinticuatro voltios de corriente directa) por determinados puntos de la máquina, como si conectáramos dos baterías de automóviles en serie, es decir, una detrás de otra, a determinados puntos de la pala según lo indique el manual.
De las tres opciones, las dos primeras, aunque asequibles y más eficientes en cuanto al tiempo empleado en el proceso, representan un costo muy elevado para las empresas mineras, por ser de uso exclusivo de la compañía Komatsu Ltda., y, por tanto, si la empresa minera requiere sus servicios, además de pagar un costo más elevado debe esperar que los técnicos de la proveedora se desplacen hasta las instalaciones. Esto implica un freno considerable en la producción. De tal manera que solo el proceso de inducción de voltaje de 24 VDC, aunque más tedioso por artesanal, se convierte en el procedimiento del personal encargado de la pala, por ser más económico.
El proceso de calibración consta de tres etapas: calibración de presión de motores, calibración de fuerza exigida y calibración de factor PID (proporcional integral derivativo), los cuales aclararemos con analogías más adelante; se desarrollan, sin automatizar, mediante los siguientes pasos:
- Calibración de presión de motores. El objetivo de este proceso es establecer la presión de los motores dentro del rango permitido de trabajo para que no haya recalentamiento de ninguno de los motores.
Para ello se escogen los motores por medio de una secuencia que ofrece el proveedor de las palas en el manual de operación. Son dos motores eléctricos para mover la pala y levantar su brazo (estructura con la que excava).
- Para motor 1: Se aplica una determinada secuencia, conectando y desconectando cables de prueba, según el manual, desde el módulo fuente a una serie de puntos dentro de la pala. Posteriormente se conecta un manómetro para medir la presión del motor 1 y se induce voltaje con un cable a cierto punto de la pala, que permite subir la presión si está por debajo de lo establecido; o a otro punto, que permite bajar la presión si es el caso contrario.
- Para motor 2: se aplica otra determinada secuencia, según el manual, para acceder a él. Posteriormente se opera bajo los mismos pasos dados en el motor 1.
- Calibración de fuerza exigida. Su objetivo es proporcionar a la máquina la fuerza necesaria para hacer un trabajo con determinadas exigencias, de modo que, por ejemplo, si se necesita poca fuerza para mover un escombro, los motores no tengan que ir a toda marcha, y si, por el contrario, el trabajo amerita toda la fuerza, se haga trabajar los motores hasta un tope permitido. Para ello, a) se conectan los manómetros a los puntos de control específicos de la pala para ir verificando las presiones del sistema, b) se desconectan ciertas válvulas de la pala que alteran el proceso, c) se enciende uno de los dos motores y se acelera al máximo, d) se ajustan los parámetros mediante la inducción de voltaje y bajo una secuencia de conexiones y desconexiones de cables a puntos específicos de la pala, para así lograr un equilibrio entre la fuerza que necesita la pala para excavar bien y la presión máxima permitida por el sistema y e) todos los cambios se guardan en la memoria de la pala, conectando y desconectando otros cables, para su uso posterior. Finalmente, se apaga el motor.
Una vez terminado todo el proceso, se enciende el motor faltante, y se opera de la misma forma anteriormente explicada.
- Calibración de factor PID (proporcional integral derivativo). Es el encargado de no permitir la descompensación (pérdida de fuerza) de uno de los dos motores, cuando la pala, aparte de usar su brazo para excavar, da también giros o se desplaza a través del terreno. Es decir, si la pala mueve su brazo y comienza al mismo tiempo a girar, el factor PID hace que la energía de los motores pueda ser bien distribuida.
La secuencia para calibrar el factor PID es la siguiente: a) se levanta el brazo de la pala y se gira toda la máquina al mismo tiempo, b) se conecta un cable a un punto específico y se induce voltaje para activar el modo de ajuste PID, c) se conecta un voltímetro a un punto determinado y se mide el voltaje existente, d) mediante otros cables y bajo la secuencia de Komatsu, se baja o se sube el voltaje hasta que el sistema funcione suavemente (tan cerca como sea posible al límite) y e) después de terminados los ajustes, se retiran los cables de prueba y el multímetro, y se detienen los motores.
Todo el proceso descrito anteriormente es un resumen en el que se omiten detalles de todo el proceso manual de calibración de la pala, que se demora alrededor de dos horas y media (Presentación del porceso de ajuste de presión X1)
Nuestro dispositivo
El Electrocalibrador PC8000, diseñado con base en un
cerebro electrónico, analiza las señales de la pala y actúa sobre ella bajo el mismo principio de operación del método tres de calibración, manteniendo los costos pero reduciendo el tiempo, por ser un proceso automático en el cual el técnico pasa de conectar medidores, cables y demás partes, a simplemente presionar botones cuando el aparato le indique.
Este proyecto no consiste en la innovación de un aparato; se trata de la creación de un aparato de calibración que parece un control remoto y que, al presionar alguna de sus teclas, mide por sí solo las presiones y los voltajes, y lleva a cabo todo el proceso descrito anteriormente, sin necesidad de conectar un solo cable, manómetros, voltímetros o ninguna otra parte. Este aparato resume todas las indicaciones en su pantalla y le va indicando al técnico de mantenimiento los pasos a seguir.
Mediante este nuevo diseño se pasa a un tiempo de consumo de 30 minutos como máximo en el proceso de calibración; se evita el alto riesgo de cortos circuitos al tratar de conectar cables (con la calibración manual) y se logra mayor portabilidad, por tratarse de un dispositivo con tecnología inalámbrica, que permite mirar otros procesos. Ahora solo es necesario conectar una vez el dispositivo de enganche en su lugar, dejarlo encendido, y utilizar el control.
Al final, el Electrocalibrador PC8000 ajusta los tres esquemas indispensables de la pala mediante su menú de operaciones: ajusta la presión de la pala (calibración de presión de motores), enfoca la fuerza requerida (calibración de fuerza exigida) y ajusta el factor PID (calibración de factor PID). El primero de estos pasos provee la energía necesaria para los movimientos, lo cual se puede comparar con la toma de aire en los pulmones para soplar fuerte y dar sonido a una trompeta; el segundo libera toda esa energía para levantar los escombros (es decir, la música anhelada por fin suena), y el tercero permite girar la pala (lo que se puede traducir en no perder el ritmo durante la interpretación).
En pocos palabras, se tiene una herramienta de calibración igual de eficiente que los otros dos métodos mencionados: por medio de un laptop o por medio de la herramienta de servicio electrónico (EST) BB-3, pero con el mismo costo del método manual antes empleado, y sin sus limitaciones. Se ofrece así una solución rápida y a la vez económica, con mayor seguridad para los operarios, lo cual evita muertes o daños innecesarios y les ofrece un mejor desplazamiento a los técnicos, con la posibilidad de realizar el trabajo incluso sin subirse a la pala (Ctrl + clic aquí para ver el aparato trabajando).
