Cómo diseñar cuadros de control industrial para ganar espacio, eficacia y seguridad

Por Kenton Williston

Colaboración de Editores de DigiKey de América del Norte

Los diseñadores de cuadros de control industrial se enfrentan a multitud de retos. Por ejemplo, espacio y presupuesto limitados, riesgos ambientales como la pérdida de potencia y la exposición a productos químicos, y factores humanos como el uso indebido y la manipulación. A pesar de estas dificultades, los diseñadores deben fabricar un panel que ofrezca seguridad, fiabilidad y cumplimiento de las normas sin concesiones.

Para lograr estos objetivos, los diseñadores necesitan soluciones creativas que simplifiquen la creación, la instalación y el uso del panel de control. En concreto, necesitan componentes hechos a medida para su caso de uso específico, así como herramientas de instalación y mantenimiento que garanticen un funcionamiento correcto.

Este artículo orienta sobre la selección de estos componentes, centrándose en la optimización de costos y espacio. Abarca sistemas de cableado, sistemas de identificación, sistemas de seguridad, controles de acceso y SAI. Utilizando ejemplos de Panduit, explora el papel de cada componente y los criterios de selección. El artículo también explica cómo implantar estos componentes para garantizar la fiabilidad, la seguridad y el cumplimiento de las normas del sector.

Diseño del panel de control que ahorra espacio gracias a la selección del canal de cableado

Para diseñar un panel de control eficaz, los ingenieros de automatización y control deben tener en cuenta una serie de factores, como la segregación de cables, la gestión térmica, la entrada de cables, las interferencias electromagnéticas (EMI), el radio de curvatura de los cables y el futuro espacio de expansión. Los conductos de cableado desempeñan un papel fundamental en este proceso, ya que forman el "esqueleto" del diseño general del panel. Al seleccionar un conducto de cableado para un panel de control industrial, el diseñador debe tener en cuenta los siguientes factores:

  • Diseño del panel: Las dimensiones, el tipo de panel y especificaciones como el tamaño de las barras y la capacidad de refrigeración influyen en el tipo y las características del conducto de cableado necesario.
  • Tamaño: El conducto de cableado debe dejar algo de espacio para futuras adiciones o ajustes. Sin embargo, no debe ser tan grande que ocupe espacio innecesariamente en el panel de control.
  • Tipo de cableado: Los cables con diferentes tamaños y funciones (como los cables de alimentación, control o datos) pueden necesitar diferentes tipos de conductos o canales para un ajuste adecuado.
  • Entorno y materiales: Entre los materiales habituales se encuentran el Cloruro de polivinilo (PVC) y el Acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), pero algunas condiciones como las altas temperaturas, la humedad o las sustancias corrosivas requieren conductos fabricados con materiales específicos o con determinadas características de protección.
  • Instalación y mantenimiento: Debe ser fácil añadir o quitar cables y el conducto debe ser fácil de instalar en el panel de control.
  • Conformidad: El conducto debe cumplir las normas de seguridad aplicables, los códigos eléctricos y las normativas específicas del sector.

Las normas y reglamentos son especialmente importantes, ya que el uso de un conducto de cableado que no cumpla las normas podría provocar riesgos para la seguridad o fallos en el panel de control. Como ejemplo de pieza que cumple las normas, el conducto de cableado ranurado F1X3LG6 de Panduit está fabricado en PVC sin plomo con una temperatura de uso continuo de hasta +50 °C (+122 °F). Cumple la clasificación de inflamabilidad UL 94 de V-0 y satisface los requisitos de la sección 13.3.1 de la norma NFPA 79-2007 sobre materiales ignífugos.

El F1X3LG6 también es idóneo para diseños que ahorran espacio. Dispone de ranuras estrechas que se adaptan a la separación de los componentes de alta densidad, y cuenta con líneas de puntuación que facilitan la creación de orificios más grandes para la ramificación u otro tipo de gestión del cableado (Figura 1). Está disponible con tapas a presión que proporcionan un acceso rápido y seguro a los cables.

Diagrama de F1X3LG6 de Panduit  (haga clic para ampliar)Figura 1: El F1X3LG6 de Panduit presenta ranuras estrechas y poco espaciadas con un diseño de ranura de doble restricción para sujetar los cables. (Fuente de la imagen: Panduit)

Soluciones alternativas de cableado para paneles de control

Por supuesto, los conductos no son adecuados para todas las situaciones. Por ejemplo, puede ser necesario pasar los cables por una zona en la que no se puede taladrar un conducto en el chasis. En este caso, se pueden considerar soluciones como el soporte de ligadura de cable con soporte adhesivo ABM100-A-C. Este soporte de cuatro vías está diseñado tanto para una instalación rápida como para una fiabilidad a largo plazo.

Al igual que con todos los sistemas adhesivos, se debe tener cuidado para garantizar que se selecciona el adhesivo correcto para el entorno de aplicación (Figura 2).

Superficies Soportes de cinta de espuma con base de caucho Montajes con cinta de espuma de base acrílica Soportes adhesivos aplicados con epoxi
Plástico Buena Buena Buena
Madera Buena Buena Buena
Vidrio Buena Buena Buena
Superficies pintadas Buena Buena Justa
Recubrimiento en polvo Buena Justa Buena
Metal Buena1 Buena1 Buena
Papel Buena Buena Justa
Hormigón, piedra, mampostería No recomendado No recomendado Buena
Resistencia química
Agua Buena Deficiente Deficiente
Petróleo Deficiente Justa3 Buena
Gasolina Deficiente Justa3 Justa
Ácidos diluidos Deficiente Justa3 Justa
Álcalis diluidos Buena Justa3 Justa
Disolventes orgánicos Deficiente Justa3 No recomendado
Exposición exterior No recomendado Justa2 Justa2
  1. No se recomienda su uso en cobre o latón.
  2. Soportes fabricados únicamente con material para exteriores. Para aplicaciones específicas, se sugiere realizar pruebas individuales antes de un uso extensivo.
  3. Depende de la concentración, el tiempo de exposición y la composición química.

Figura 2: Debe elegirse un sistema adhesivo que satisfaga las exigencias del entorno de aplicación. (Fuente de la imagen: Panduit)

Protección de los hilos y cables del panel de control contra la abrasión

Cuando los cables se tienden fuera de un conducto, hay que tener cuidado de que no resulten dañados por la abrasión u otros peligros. Por ejemplo, los paneles de control suelen requerir el cableado desde el interior del gabinete hasta el panel frontal. Estos cables deben envolverse para evitar daños. Los ingenieros de control pueden elegir entre varias opciones:

  • Envoltura en espiral: Protección contra la abrasión de uso general para mazos de cables y haces de cables. Permite separaciones fáciles y está disponible en diferentes colores, materiales y tamaños.
  • Envoltura de arnés dividida Pan-wrap: Protección flexible y resistente a la abrasión para mazos de cables y haces de cables. Tiene un patrón de ranuras único y un gran solapamiento que reduce el tiempo de instalación y se adapta a varios diámetros de haz.
  • Fundas trenzadas: Protección continua contra la abrasión para alambres, cables, mangueras y tubos. TIene un tejido abierto flexible que no atrapa el calor ni la humedad.
  • Tubos ondulados: Solución económica con un diseño de pared sólida que proporciona una protección completa de un haz de cables. Está disponible en distintos materiales, algunos con un diseño de pared hendida para facilitar su instalación y extracción.
  • Termocontracción: Buenos para aislar, proteger y codificar por colores hilos y cables. También puede utilizarse con terminales y orejetas para una instalación limpia, segura y protegida. Está disponible en distintos materiales, tamaños y grosores de pared, algunos con revestimiento adhesivo para un cierre hermético.

Son muchos los factores que intervienen en la selección de una envoltura adecuada (figura 3). Por ejemplo, si la aplicación requiere una solución ligera, flexible y capaz de adaptarse a formas irregulares, la envoltura en espiral T25F-C es una buena elección. Esta envoltura de cable está diseñada para facilitar la instalación, pero también es duradera y puede utilizarse hasta +50 °C (+122 °F).

Característica Envoltura
en espiral
Envoltura de bandeja dividida
envoltura de arnés
Manguitos trenzados Tubos ondulados Disipador térmico
Opciones resistentes al clima No
Opciones totalmente cerradas No No
Reconocido por UL No
Posibilidad de añadir cables tras la instalación inicial No No

Figura 3: Existen varios tipos de envolturas de cable para satisfacer distintas necesidades. (Fuente de la imagen: Panduit)

Mejora del mantenimiento y la seguridad del panel de control con la terminación, gestión y etiquetado de cables

Para garantizar la instalación, el uso y el mantenimiento eficaces de un panel de control, los diseñadores deben elegir el método y el material de terminación de cables adecuados (figura 4).

Tabla de ejemplos de tipos de terminación y sus característicasFigura 4: Se muestran ejemplos de tipos de terminadores y sus características. (Fuente de la imagen: Panduit)

La elección óptima depende de varios factores, entre ellos el número de terminaciones necesarias. Por ejemplo, el seccionador hembra DNF14-250FIB-C con aislamiento de nailon puede insertarse y extraerse de la lengüeta macho sin necesidad de herramientas, lo que supone un menor coste de instalación y un mantenimiento más sencillo. Por el contrario, el casquillo aislado FSD80-8-KD6 de un solo cable con manguito DIN está diseñado para su uso con aplicadores automatizados que se adaptan mejor a las terminaciones de gran número de cables.

Las bridas para cables también desempeñan un papel importante en la seguridad y el mantenimiento, ya que mantienen el cableado organizado y seguro. Hay una amplia variedad de lazos para satisfacer distintas necesidades, como muestra la figura 5. Más allá del diseño básico de la corbata, la selección del material es una consideración crítica. Por ejemplo, las ligaduras de cable con bloqueo PLT1.5M-M están fabricadas con Nylon 6.6 y, como tales, son las más adecuadas para su uso en interiores. Para aplicaciones exteriores con riesgos como la sal y la lluvia ácida, sería mejor un material como el propileno.

Tabla de selección de materiales para las ligaduras de cable (haga clic para ampliar)Figura 5: La selección del material para las ligaduras de cable requiere una cuidadosa consideración de una amplia gama de factores medioambientales; las ligaduras de cable con bloqueo PLT1.5M-M utilizan Nylon 6.6 y son las más adecuadas para uso en interiores. (Fuente de la imagen: Panduit)

El uso de herramientas de ligadura de cable adecuadas puede mejorar la productividad, reducir los costes y aumentar la seguridad de los trabajadores. Por ejemplo, la pistola de ligadura de cable GTH-E está diseñada para facilitar el uso (figura 6). TI requiere un 15% menos de fuerza en la empuñadura que otras herramientas similares, y su mecanismo de corte de ligaduras de cable reduce el impacto en la mano del usuario en más de un 40%.

Imagen de las Características principales de la pistola de ligadura de cable Panduit GTH-E (haga clic para ampliar)Figura 6: Características principales de la pistola de ligadura de cable GTH-E, diseñada para facilitar el uso. (Fuente de la imagen: Panduit)

Por último, las etiquetas claras son cruciales para el uso y mantenimiento adecuados de un panel de control. La elección de la etiqueta depende no solo del uso previsto, sino también de los riesgos medioambientales (Figura 7). Si los cables solo van a estar expuestos a líquidos suaves de base acuosa, por ejemplo, una solución como la etiqueta autolaminable de vinilo por transferencia térmica S100X150VATY funciona bien. Estas etiquetas tienen un tamaño específico para aplicaciones con cables y están diseñadas para un uso de hasta +65 °C (+150 °F).

Tabla de muestras de soluciones de etiquetado y su idoneidad para diversos riesgos ambientales (haga clic para ampliar)Figura 7: Se muestran muestras de soluciones de etiquetado y su idoneidad para diversos riesgos ambientales. (Fuente de la imagen: Panduit)

Soluciones como la impresora de transferencia térmica TDP43ME pueden ayudar a garantizar un etiquetado correcto (Figura 8). Esta impresora de transferencia térmica permite colocar etiquetas en cables y alambres a una distancia de hasta 12.7 milímetros (1/2") del extremo de conectores y terminales. La impresora ofrece tiempos de ciclo hasta tres veces más rápidos que la instalación manual tradicional y dos veces más rápidos que las soluciones de la competencia. Su diseño ergonómico reduce la fatiga del operario y minimiza el riesgo de lesiones por movimientos repetitivos.

Imagen de la impresora por transferencia térmica Panduit TDP43MEFigura 8: La impresora de transferencia térmica TDP43ME incluye software y accesorios para un etiquetado eficaz. (Fuente de la imagen: Panduit)

Puesta a tierra y seguridad en aplicaciones de paneles de control

Teniendo en cuenta la elevada potencia presente en los paneles de control industrial, una correcta conexión a tierra es crucial para la seguridad. Por lo tanto, la elección de una barra de tierra es una decisión de diseño fundamental, que puede afectar no sólo a la seguridad, sino también a la rentabilidad y la facilidad de mantenimiento de un panel de control.

La barra de masa universal UGB2/0-414-6 ilustra este punto. Forma parte del sistema de barra de tierra universal (UGB) StructuredGround™ patentado por Panduit, que es compatible con todo tipo de métodos de terminación de cableado y más de 140 conectores. Esta flexibilidad simplifica considerablemente el diseño y el mantenimiento. Además, existen dos opciones de montaje separadas, que ofrecen más espacio para el cableado en espacios reducidos.

A veces, la seguridad y la productividad están reñidas. Por ejemplo, la normativa obliga a realizar una prueba para confirmar la ausencia de voltaje antes de reparar el equipo eléctrico. Este proceso puede llevar mucho tiempo con los instrumentos manuales. El comprobador de ausencia de voltaje VS-AVT-C02-L03 VeriSafe simplifica las cosas automatizando el procedimiento. Una vez instalado este dispositivo en el panel frontal, basta con pulsar un botón para confirmar la ausencia de voltaje (Figura 9).

Imagen del instrumento de pruebas automatizado VeriSafe VS-AVT-C02-L03 de Panduit (haga clic para ampliar)Figura 9: Las pruebas automatizadas con instrumentos como el comprobador de ausencia de voltaje VeriSafe VS-AVT-C02-L03 no solo son más rápidas, sino también más seguras. (Fuente de la imagen: Panduit)

Mantener una red fiable y evitar manipulaciones con soluciones Ethernet industriales y SAI

Las redes de datos ya forman parte de la mayoría de los diseños de paneles de control. Para evitar fallos de seguridad y tiempos de inactividad, ya sea por manipulación o uso indebido, es importante asegurarse de que los cables de red permanecen en su sitio. Para ello se crearon los dispositivos de bloqueo de módulos jack RJ45 PSL-DCJB. Estos dispositivos se insertan en los puertos Ethernet no utilizados y solo permiten el acceso a trabajadores autorizados, que pueden retirar las clavijas con una herramienta especializada. Por el contrario, los dispositivos de bloqueo impiden retirar los cables de red de los puertos Ethernet activos.

En algunos casos, un puerto Ethernet debe ser accesible desde el exterior del panel de control. Aquí, soluciones como el módulo de acoplador RJ45 de mamparo UTP IAEBHC6 IndustrialNet Cat 6 con tapa protectora desempeñan un valioso papel. Este mamparo ofrece un sellado con clasificación IP67 que proporciona protección contra el polvo y la inmersión temporal en agua, lo que lo hace adecuado para celdas de trabajo que requieren lavado.

Para los dispositivos alimentados por red, las clavijas de conexión Ethernet requieren características especiales. Por ejemplo, la clavija RJ45 FPS6X88MTG IndustrialNet, apantallada de Categoría 6A, terminable en campo, está diseñada para Alimentación por Ethernet (PoE) y aplicaciones similares, según IEEE 802.3af/802.3at (PoE/PoE+). Entre otras Características, esta clavija de conexión supera los requisitos de rendimiento de los canales ANSI/TIA 568-C.2 Categoría 6A e ISO 11801 Clase EA, y cumple las normas ANSI/TIA-1096-A (anteriormente FCC Parte 68), IEC 60603-7 e IEC 60529 (IP20).

Independientemente de la fuente de alimentación, muchos paneles de control necesitan un sistema de alimentación ininterrumpida (SAI) para mantener la funcionalidad ante cortes. Al seleccionar un SAI para un panel de control, los ingenieros de control deben tener en cuenta lo siguiente:

  • Capacidad de potencia: La salida debe superar el consumo de energía del panel de control.
  • Mantenimiento: La gestión remota permite supervisar y controlar los parámetros clave, ahorrando costes y tiempo.
  • Montaje: Opciones como el montaje en riel DIN facilitan la integración en cuadros de control.
  • Seguridad y conformidad: Como mínimo, el SAI debe cumplir las normas pertinentes, como UL508.

El SAI de red industrial UPS00100DC demuestra varias formas de ir más allá de estos aspectos básicos. TI utiliza ultracondensadores en lugar de baterías, lo que reduce el riesgo de paradas y evita la posible acumulación de gas hidrógeno. Normalmente abierto (NO), libre de mantenimiento, ofrece un rendimiento de la inversión 2 veces superior y un coste de propiedad entre un 50 y un 70% inferior al de un SAI con batería.

Conclusión:

El diseño de paneles de control industrial es un proceso exigente y complejo que implica equilibrar espacio, seguridad y fiabilidad. Para lograr resultados óptimos, los diseñadores necesitan utilizar soluciones de paneles de control que les ayuden a organizar, cablear y etiquetar sus paneles, así como a protegerlos de peligros externos e internos. Estas soluciones deben adaptarse a los requisitos específicos de las aplicaciones de los cuadros de control industrial e ir acompañadas de herramientas de instalación y mantenimiento que garanticen su correcto funcionamiento. Al utilizar soluciones de paneles de control que cumplen estos criterios, los diseñadores pueden crear paneles eficaces, seguros y conformes con la normativa.

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Kenton Williston

Kenton Williston se licenció en Ingeniería eléctrica en 2000 y comenzó su carrera como analista de referencias de procesadores. Desde entonces ha trabajado como redactor en el grupo EE Times y ha ayudado a lanzar y dirigir múltiples publicaciones y conferencias al servicio de la industria electrónica.

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