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Especificación de soluciones de iluminación LED para entornos industriales

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Figura 1: Las luminarias LED están disponibles en una gama de formatos optimizados para una amplia variedad de aplicaciones. (Fuente de la imagen: Banner Engineering)

La iluminación es un elemento crítico en el diseño de entornos industriales seguros, eficientes y rentables en diversas actividades, como la logística, el funcionamiento de las máquinas, los armarios de control, los puestos de trabajo y las líneas de fabricación. En un número cada vez mayor de casos, los LED pueden ofrecer soluciones de iluminación superiores. En comparación con los fluorescentes tradicionales, los halogenuros metálicos, el sodio de alta presión y otras tecnologías de iluminación, las luminarias LED son más eficientes desde el punto de vista energético, lo que reduce los costos de funcionamiento, y son más duraderas, lo que reduce los costos de mantenimiento. Las luminarias industriales se utilizan a menudo en entornos difíciles y se les puede exigir que incluyan protección contra la entrada y niveles específicos de calidad de la energía, además de apoyar la seguridad laboral y el saneamiento. Equilibrar estos diversos requisitos complica el proceso de selección de luminarias.

Este artículo revisa las métricas de rendimiento, como los lúmenes, la potencia, la eficacia, los luxes, la distribución zonal de los lúmenes, la temperatura de color correlacionada, el índice de reproducción cromática, la vida útil nominal y los costos asociados a las luminarias industriales, con especial atención a los LED. A continuación, detalla las consideraciones medioambientales, incluidos los requisitos de protección contra la entrada, la distorsión armónica total y las exigencias de calidad de la energía, así como la iluminación para entornos peligrosos. Por último, el artículo concluye presentando soluciones específicas de Banner Engineering para la iluminación de los sistemas pick-to-light, el guiado de carretillas elevadoras y la iluminación general de los puestos de trabajo, la iluminación de las máquinas y los armarios de control (Figura 1).

Métricas de rendimiento

La especificación del nivel de iluminación es la base para seleccionar la luminaria óptima para una aplicación determinada. Hay que tener en cuenta numerosos parámetros, desde la eficiencia operativa de la luminaria hasta la imitación de la luz blanca estándar. Comienza con una sola vela o candela (Cd). El Cd es una unidad básica del SI que mide la intensidad luminosa de la luz visible emitida por una fuente específica (vela estándar) en una dirección concreta. Partiendo del concepto de Cd, las métricas importantes para comparar las luminarias incluyen:

  • Lumen (lm): Flujo luminoso igual a la luz emitida en un ángulo sólido unitario por una fuente puntual uniforme de un Cd, teniendo en cuenta la salida de luz en todas las direcciones.
  • Vatios (W): Consumo de energía eléctrica: para los circuitos de CC, W = VCC x amperios; para los circuitos de CA, W = VRMS x amperios.
  • Eficacia (lm/W): La eficiencia con la que una fuente luminosa produce luz visible.
  • Lux (lm/m2): Intensidad de la luz que incide sobre una superficie, percibida por el ojo humano.
  • Distribución zonal del lumen: Distribución de los lúmenes emitidos por una luminaria en zonas en planos verticales discretos. Se utiliza para determinar los requisitos de separación de una luminaria.
  • Temperatura de color correlacionada (CCT): Temperatura, en grados Kelvin (K), de un radiador de cuerpo negro con una cromaticidad igual a la de la fuente de luz. El CCT de la luz blanca va de 2700K a 6500K.
  • Índice de reproducción cromática (IRC): capacidad de una fuente de luz para revelar fielmente los colores de diversos objetos en comparación con una fuente de luz ideal o natural. Los CRI van de 0 a 100. Las bombillas incandescentes tienen un CRI de 100, los LED tienen CRI que van de 80 a 90+.

A medida que las tecnologías de iluminación han evolucionado, el proceso de especificación de la solución óptima se ha vuelto más complicado. Por ejemplo, la eficacia de los LED es sustancialmente mayor que la de los fluorescentes y las lámparas de descarga de alta intensidad (HID). Mientras que los fluorescentes y los HID emiten luz en todas las direcciones, los LED son direccionales. La conclusión es que las métricas son más útiles para comparar LED con LED, fluorescentes con fluorescentes, etc. Para comparar diferentes tecnologías de iluminación, los usuarios suelen tener que evaluar muestras una al lado de la otra para determinar cuál es la mejor.

Además de la calidad de la luz producida, los usuarios deben tener en cuenta la distorsión armónica total (THD) y el factor de potencia (PF) del balasto o del driver que alimenta la luminaria. La THD es una medida de la distorsión de la corriente eléctrica que llega a un convertidor electrónico de potencia. Una menor THD significa menores corrientes de pico y una mayor eficiencia en la red de distribución de electricidad de un edificio, así como una menor demanda a la compañía eléctrica local. La norma IEEE 519-2014 es una referencia útil para entender los armónicos y aplicar los límites de armónicos en los sistemas de energía. Normalmente se requieren THDs del 20% o menos. La FP es una métrica igualmente importante. Una carga (lastre o conductor) con un FP bajo consume más corriente que una carga con un FP alto para una potencia de salida igual. PF es un número adimensional entre 0 y 1. Los balastos y los conductores deben tener un FP de al menos 0.9.

Consideraciones sobre la vida útil y el coste

Los LED suelen tener una vida útil superior a las 25.000 horas, pero su eficacia y luminosidad disminuyen a medida que envejecen. La vida útil de las luminarias LED se basa en el número de horas que tarda en bajar al 70% de la potencia luminosa inicial y se denomina parámetro L70. Las tecnologías de iluminación no LED sufren fallos catastróficos en algún momento; su vida útil se define como el número de horas de funcionamiento en las que se espera que el 50% de las unidades hayan fallado. Las tecnologías no LED también experimentan una disminución de los valores lumínicos a medida que envejecen. Este efecto, denominado depreciación del flujo luminoso de la lámpara (LLD), varía según las tecnologías de iluminación (cuadro 1).

Tecnología de la iluminación Vida útil nominal (horas) Depreciación del Lumen de la lámpara (LLD) al final de la vida nominal
Halógena incandescente De 3,000 a 5,000 5%
Fluorescente lineal 15,000 a 45,000 10%
Sodio de alta presión 15,000 a 40,000 30%
LED De 20,000 a más de 50,000 N/A

Tabla 1: Comparación de la depreciación del lumen de la lámpara y de la vida útil nominal. (Fuente de la tabla: Banner Engineering)

Para comparar el costo de las tecnologías de iluminación, los usuarios deben tener en cuenta el costo inicial de la mano de obra y el equipo, más los costos de energía, mano de obra de mantenimiento y equipo durante la vida útil de la luminaria (Figura 2). Los costos iniciales de mano de obra y equipos pueden superarse gracias a la mayor eficiencia energética y a las menores necesidades de mantenimiento, y los LED más duraderos y eficientes pueden producir un importante ahorro durante su vida útil.

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Figura 2: Comparación de costos de iluminación basada en un ciclo de vida de 15 años. (Fuente de la imagen: Banner Engineering)

Requisitos medioambientales

Las luminarias utilizadas en las instalaciones industriales deben estar diseñadas para soportar condiciones peligrosas. El Código Eléctrico Nacional define tres tipos de lugares peligrosos:

  • Clase I: gases o vapores inflamables
  • Clase II: polvo combustible
  • Clase III: fibras o volantes fácilmente inflamables

Las regulaciones federales de los Estados Unidos requieren: «el equipo deberá estar marcado para mostrar la clase, el grupo y la temperatura de funcionamiento o el rango de temperatura, basado en el funcionamiento a una temperatura ambiente de 40 °C para el que está aprobado»

Los grados de protección contra el ingreso (IP) son importantes y se indican con dos números. El primero describe la resistencia del equipo a los objetos extraños sólidos, como el polvo, y el segundo describe el grado de protección contra el agua. Las luminarias con grado de protección IP67 son resistentes al polvo y al agua, por lo que son adecuadas para muchos entornos industriales, y pueden soportar inmersiones breves en el agua. Las luminarias con clasificación IP68g ofrecen una protección adicional y son más resistentes a la penetración de aceite y agua.

Las vibraciones y las temperaturas extremas son frecuentes en los entornos industriales. Los finos filamentos, los delicados componentes y las envolturas de vidrio que se utilizan en algunas tecnologías de iluminación pueden ser especialmente vulnerables a los daños causados por las vibraciones. Los LED no tienen componentes delicados y son mucho más resistentes a las vibraciones y los impactos. Aunque son mecánicamente resistentes, las altas temperaturas ambientales tienden a reducir la eficacia y la vida útil de los LED. Por otro lado, en comparación con otras tecnologías de iluminación, los LED son más adecuados para los almacenes refrigerados y otras instalaciones donde se dan temperaturas de hasta -40 °C.

Luminarias para pick-to-light

Los sistemas Pick-to-light pueden reducir los costes de las operaciones de picking del almacén gracias a una mayor eficiencia, productividad y precisión. Para las instalaciones pick-to-light, Banner ofrece la serie EZ-LIGHT® K50L, incluyendo el K50LGRASXPQ (Figura 3). Las luminarias K50L se ofrecen con un LED (verde), dos LED (verde y rojo) o tres LED (verde, rojo y amarillo), según el modelo, y son resistentes a las vibraciones. El K50LGRASXPQ ofrece iluminación LED verde y roja, además de una alarma sonora de varios tonos. Las características de la serie K50L incluyen:

  • Fácil de instalar con indicadores LED brillantes y alarma sonora
  • Resistente y totalmente sellado. Con grado de protección IP67 o IP69K según la norma DIN 40050-9, según el modelo
  • Estas luminarias autónomas no necesitan un controlador externo
  • Inmunidad a las interferencias de radiofrecuencia (RFI) y electromagnéticas (EMI)
  • La alarma sonora en los modelos IP67 tiene una intensidad ajustable que puede ser continua o staccato
  • Instalación flexible con entradas de 12 VCC a 30 VCC y protección contra polaridades inversas
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Figura 3: Las luminarias pick-to-light de la serie K50 de Banner Engineering funcionan con corriente continua, con indicación sonora constante o en staccato y con una selección de indicadores LED de 1, 2 o 3 colores, según el modelo. (Fuente de la imagen: Banner Engineering)

Luminarias y sensores de guiado de carretillas

Los conductores de carretillas elevadoras pueden tener la vista obstruida, lo que les obliga a desmontar varias veces al colocar cargas difíciles. La eficacia de las operaciones de manipulación de materiales puede aumentarse mediante el uso de luminarias y sensores de guiado de carretillas. Por ejemplo, la luminaria modelo WLS27PXRGBW285DSQ de Banner forma parte de la serie WLS27 Pro y tiene una longitud de 285 mm, cuenta con clasificaciones ambientales IP66, IP67 e IP69K, e incluye LEDs rojos, verdes, azules y blancos (Figura 4).

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Figura 4: Esta luminaria de 285 mm de longitud incluye LEDs rojos, verdes, azules y blancos y puede utilizarse para el guiado de carretillas. Tiene las calificaciones ambientales IP66, IP67 e IP69K. (Fuente de la imagen: Banner Engineering)

Todas las luminarias de la serie WLS27 Pro pueden mostrar animaciones multicolor a distintas velocidades y patrones y ser segmentadas, lo que las hace muy adecuadas para los sistemas de guiado de carretillas. Con carcasas de copoliéster irrompibles en marcos de aluminio, las unidades WLS27 Pro son resistentes a las roturas y a los impactos. Su grado de protección IP69K les permite funcionar durante duros lavados y en entornos exteriores. Las funciones de temporizador y contador integradas les permiten mostrar información de tiempo o de cantidad, incluyendo la distancia y la posición, utilizando la señalización por pulsos.

Las luminarias WLS27 Pro pueden combinarse con el sensor láser multifunción Q5X para implementar sistemas de guiado de carretillas (Figura 5). El Q5X tiene un alcance de 50 mm a 5 m. Otras características son:

  • Detección fiable de objetos claros y reflectantes, objetivos multicolor, objetivos negros sobre fondo metálico brillante, objetivos negros sobre fondo negro y objetos oscuros (objetivos negros reflectantes de <0,1%)
  • El modo de aprendizaje dual mide tanto la intensidad de la luz como la distancia
  • Giro de 270 grados para adaptarse a una variedad de limitaciones de montaje
  • Programable a través de IO-link, teach remoto, interfaz de usuario a bordo o pantalla de sensor remoto opcional
sensor laser
Figura 5: Los sensores láser multifunción como el Q5X de Banner Engineering pueden utilizarse para implementar sistemas de guiado de carretillas. (Imagen: Banner Engineering)

Opciones de iluminación general

El WLB32ZC285PBQMB de Banner es una luminaria LED ultrabrillante de 285 mm de longitud que ofrece una salida de luz uniforme de 750 lm con un «brillo» sin reflejos (Figura 6). Forma parte de la familia WLB32, que incluye luminarias de 285 a 1130 mm de longitud con potencias de iluminación de 750 a 3000 lm. Estas luminarias están diseñadas para puestos de trabajo, iluminación de máquinas, armarios de control y líneas de fabricación.

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Figura 6: El modelo WLB32ZC285PBQMB de Banner es una barra de luz LED ultrabrillante de 285 mm de longitud para necesidades de iluminación general. (Imagen: Banner Engineering)

Las barras luminosas WLB32 están disponibles para formar una longitud continua de iluminación mediante una «cadena de margaritas» con un mínimo de cableado, manteniendo el funcionamiento independiente de cada barra luminosa. Otras características son:

  • Interruptor de alta/baja/apagado
  • Ventana inastillable y carcasa metálica
  • Instalación flexible con soportes magnéticos o angulares o clips a presión
  • La pantalla bloquea el deslumbramiento lateral en algunos modelos
  • Detección de movimiento en algunos modelos

Resumen

Existe una amplia gama de factores de rendimiento, coste y medio ambiente que hay que tener en cuenta a la hora de especificar soluciones de iluminación industrial. En un número creciente de casos, las luminarias LED son una opción atractiva. En comparación con las tecnologías de iluminación tradicionales, las luminarias LED ofrecen una mayor flexibilidad y fiabilidad lumínica, y los LED ofrecen una mayor eficiencia energética, una vida útil más larga y una menor necesidad de mantenimiento. Por ello, aunque los costes iniciales de instalación de los LED pueden ser mayores que los de otras tecnologías de iluminación, los LED ofrecen costes más bajos durante su vida útil, además de soluciones de iluminación superiores.

Fuente de información: https://www.digikey.com/es/articles/specifying-led-lighting-solutions-for-industrial-environments