Corriendo hacia la seguridad industrial con diseños de relés robustos

Según la Oficina de Estadísticas Laborales de EE. UU., cada año se producen más de 2,8 millones de lesiones y muertes relacionadas con el trabajo. De ellos, los accidentes industriales constituyen una parte importante de esta estadística.1 El predominio de tecnologías de automatización y máquinas más avanzadas en entornos industriales puede generar condiciones de trabajo extremadamente peligrosas. La reducción de riesgos es una prioridad principal para proteger a las personas y reducir la posibilidad de accidentes costosos o reemplazo de equipos. Las máquinas deben funcionar siempre, sin restricciones a la seguridad funcional.

Phoenix Contact, un fabricante líder mundial de componentes y sistemas para la automatización industrial con sede en Blomberg, Alemania, está utilizando el software de simulación de Ansys para construir sus interruptores de relé de seguridad para admitir diseños de seguridad más sólidos. El PSRmini está específicamente optimizado para su uso en la construcción de maquinaria y la industria de procesos, proporcionando el ahorro de espacio que tanto necesitan los entornos industriales para gestionar el aumento drástico de señales, energía y entradas de datos utilizadas durante la producción.

Mantener operaciones industriales seguras, independientemente de la aplicación, requiere un alto nivel de mitigación de riesgos. Cuando se trata de maquinaria pesada en el taller, puede tener un excelente diseño de seguridad, pero cuando introduce errores humanos en un flujo de trabajo industrial, es probable que ocurran accidentes. Para compensar el error ocasional del operador de la máquina o la falla del equipo, se requiere un enfoque a prueba de fallas para el diseño del sistema. Muchas máquinas y robots dependen de circuitos de seguridad independientes alojados en gabinetes eléctricos para interrumpir su funcionamiento en respuesta a eventos de emergencia. Estos circuitos eléctricos suelen formar parte de un sistema de seguridad más grande y pueden interferir con el funcionamiento de una máquina o un robot cuando un operador está muy cerca para evitar lesiones en el taller.

Los relés de seguridad son un elemento esencial altamente especializado en los circuitos de seguridad comunes a los sistemas de seguridad industrial. En caso de peligro, un relé de seguridad ayudará a reducir los riesgos a un nivel aceptable. Cada relé de seguridad está dedicado a la supervisión de una función específica dentro de un circuito de seguridad. Conectándolos entre sí permite la monitorización total de una máquina, un vehículo o una planta. Esencialmente, monitorean los propios circuitos de seguridad, verificando aquellas pérdidas en la función de seguridad que conducen a fallas del sistema relacionadas con roturas de cables, contactores defectuosos, actuadores de seguridad y temporización defectuosos, y son un activo simple y eficiente para cumplir con los estándares de seguridad, lo que da como resultado un funcionamiento seguro. funcionamiento del equipo.

“Los relés de seguridad se encuentran en todas partes en el segmento industrial, y especialmente en las industrias de proceso y construcción de maquinaria”, dice Kay Willerich, directora de Seguridad Funcional en Phoenix Contact. “Se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, básicamente en cualquier lugar donde necesite establecer el estado seguro de una máquina, incluidas las relacionadas con la infraestructura energética, como los molinos de viento. En caso de mal funcionamiento de la máquina o error humano, actúan como una medida de emergencia al regular o cortar la energía de un motor para evitar eventos de seguridad catastróficos”.

Reducción de escala en un 70 % sin compromisos de rendimiento

Para satisfacer las demandas de asequibilidad y escalabilidad de los clientes, los fabricantes de máquinas tienen la tarea de conservar el espacio del gabinete de control sin comprometer la integridad general del diseño de seguridad del sistema. El software de simulación de Ansys permitió a Phoenix Contact simular y construir relés de seguridad PSRmini, que afirman que son los más estrechos del mundo. Los relés ofrecen el rendimiento completo de un relé de seguridad grande en un diseño más delgado y compacto de 6 milímetros, lo que permite un ahorro de espacio de hasta un 70 % en comparación con los diseños de relés más tradicionales.

Las demandas de los clientes por la tecnología de ahorro de espacio eran altas; sin embargo, debido a que los subelementos del diseño del relé compacto no estaban disponibles en el mercado en un tamaño más pequeño, miniaturizarlo sería un desafío. Un componente central crítico en el relé de seguridad, el relé elemental, no existía bajo ciertos requisitos de volumen y tamaño, por lo que Phoenix Contact decidió desarrollar sus propios relés elementales más pequeños en función de estos requisitos. En este caso, los enfoques de diseño típicos para el dimensionamiento serían ineficaces, por lo que el equipo recurrió a tecnologías de simulación para resolver sus desafíos de diseño.

Predicción de resultados de sistemas más seguros con modelado de pedidos reducidos

Los ingenieros de Phoenix Contact adoptaron un enfoque innovador e intersectorial, aplicando las lecciones aprendidas del mercado automotriz para diseñar un componente de relé de seguridad más compacto. El equipo recurrió a las sólidas propiedades de optimización del diseño de Ansys optiSLang, además de las capacidades multifísicas y de Ansys Twin Builder para lograr sus objetivos de diseño. El software fue fundamental para comprender varios sistemas complejos involucrados, considerando todas las interacciones del mundo real relacionadas con las propiedades electromecánicas, estructurales y térmicas del relé.

Twin Builder habilitó el modelado de orden reducido (ROM) para ayudar a los ingenieros de Phoenix Contact a llegar a un gemelo digital completo y ayudarlos a comprender la dinámica de sus sistemas de seguridad.

“Usamos Ansys Twin Builder como una plataforma de integración para obtener las diferentes físicas, como electromecánica, estructural y térmica, junto con la tecnología de modelado de orden reducido (ROM) de Twin Builder”, dice Christian Muller, especialista senior de desarrollo de Electromecánica en Contacto Fénix. “El objetivo es verificar la respuesta dinámica del sistema rápidamente con la ayuda de un modelo de sistema. Esto permite la detección temprana de problemas en los relés, como patrones de rebote, y es un enfoque excelente para identificar las sensibilidades del sistema general y obtener un modelo general del sistema”.

En momentos en que los objetivos del equipo de ingeniería de Phoenix Contact se contradecían, se utilizó optiSLang para ayudar al equipo a cambiar de marcha y descubrir un enfoque alternativo para el diseño. Al aprovechar la robusta optimización del diseño de optiSlang, los ingenieros podrían considerar los valores nominales, así como la distribución de los parámetros fabricados de su diseño de relé más compacto. Al mismo tiempo, pudieron identificar los materiales, los procesos de fabricación, las capacidades y otros factores ambientales que afectan la producción. Básicamente, la simulación de Ansys permitió a los ingenieros de Phoenix Contact tener en cuenta todos estos parámetros y lograr sus objetivos de tamaño al mismo tiempo.

Eliminación de prototipos físicos para obtener resultados más rápidos

Si Phoenix Contact es el único jugador en el mercado que puede ofrecer un relé de seguridad tan pequeño, se debe mucho al uso de la simulación, según el equipo de ingeniería de Phoenix Contact.

“Este proyecto estuvo muy impulsado por la tecnología y, a pesar de los desafíos inherentes a la producción de un diseño de relé único, nuestro equipo de ingeniería pudo desarrollar el componente ideal dentro de un marco de tiempo extremadamente ajustado”, dice Muller. “Sin la simulación, todo el proyecto de diseño simplemente no hubiera sido posible”.

La simulación fue una solución especialmente útil para abordar problemas relacionados con el hardware del sistema. Mediante el uso de simulación y ciertas pautas de la industria de última generación, el equipo pudo demostrar que los relés más pequeños no iban a fallar mecánicamente, algo que no se puede lograr solo con pruebas de hardware reales. Según Muller, lo bueno de la simulación es la capacidad que le brinda al equipo de ingeniería de Phoenix Contact para aplicar múltiples parámetros del peor de los casos a los diseños de seguridad en un entorno digital y ver qué sucede.

“En realidad, nunca se pueden producir suficientes prototipos con los peores parámetros”, dice Muller. “Usando simulación, pudimos probar que bajo ciertas circunstancias, no es posible romper ninguno de los resortes del sistema mientras nos mantenemos dentro de los márgenes de seguridad definidos en las pautas de FKM para la verificación de fuerza computacional de los componentes generales de la máquina. Sin este enfoque, nunca hubiéramos podido crear un relé final tan pequeño sin involucrar una gran cantidad de hardware”.

Gracias a la simulación de Ansys, el equipo pudo crear muchas iteraciones de diseño diferentes rápidamente para reemplazar los millones de prototipos físicos que habrían sido necesarios para examinar a fondo la mecánica de la tensión. En la simulación, podían variar fácil e instantáneamente cualquier parámetro, como el grosor de un resorte de una centésima o dos centésimas de milímetro para ver el impacto directo en la tensión del componente. Alternativamente, para crear un prototipo físico se requerirían materiales de resorte específicos del proveedor, luego pruebas físicas que suman de 5 a 10 años de trabajo para llegar a una solución óptima. Con el software de Ansys, el equipo podría ejecutar tantas simulaciones como necesitara para observar instantáneamente los diversos aspectos de los resultados de las pruebas, no solo si un resultado en particular pasará o no cumplirá con los requisitos de diseño, sino también cómo cumple con esos requisitos.

Poniendo a prueba la durabilidad con Ansys Simulation

Durante el proceso de diseño del relé, Phoenix Contact se ha beneficiado ampliamente de las capacidades de simulación de Ansys para evaluar los sistemas electromagnéticos y estructurales y planea extender sus esfuerzos a las pruebas de durabilidad en un futuro cercano.

“Las pruebas de durabilidad son muy complejas y costosas de realizar; sin embargo, simularlos nos permitirá acelerar el proceso aún más”, dice Muller. “La simulación nos permitirá llegar a los valores exactos que reducirán el tiempo de ingeniería. El siguiente paso es aprovechar Twin Builder para la creación de un demostrador de funcionalidad gracias a los gemelos digitales para obtener comentarios válidos de nuestros clientes».