Especificação de soluções de iluminação LED para ambientes industriais

A iluminação é um elemento crítico na concepção de ambientes industriais seguros, eficientes e econômicos em várias atividades, incluindo logística, operação de máquinas, gabinetes de controle, postos de trabalho e linhas de fabricação. Em um número crescente de casos, os LEDs podem fornecer soluções de iluminação de qualidade superior. Em comparação com as tradicionais tecnologias fluorescentes, iodetos metálicos, sódio de alta pressão e outras tecnologias de iluminação, as luminárias LED são mais eficientes em termos energéticos, reduzindo os custos operacionais, e são mais duradouras, reduzindo os custos de manutenção. As luminárias industriais são frequentemente usadas em ambientes desafiadores e podem ser necessárias para incluir proteção contra ingressos e níveis especificados de qualidade de energia, além de auxiliar a segurança e a higiene ocupacional. O balanceamento destas diversas exigências complica o processo de seleção das luminárias.

Este artigo revisa métricas de desempenho incluindo lúmens, potência, eficácia, lux, distribuição zonal do lúmen, temperatura de cor correlacionada, índice de reprodução de cor, vida útil nominal e custos associados a luminárias industriais, com um foco especial em LEDs. Em seguida, ele detalha considerações ambientais, incluindo requisitos de proteção contra ingressos, distorção harmônica total e exigências de qualidade de energia, e iluminação para ambientes perigosos.  Finalmente, o artigo encerra apresentando soluções específicas da Banner Engineering para iluminação em sistemas pick-to-light, orientação de empilhadeiras e iluminação geral em postos de trabalho, iluminação de máquinas e gabinetes de controle (Figura 1).

Figura 1: As luminárias LED estão disponíveis em diversos formatos otimizados para uma ampla variedade de aplicações. (Fonte da imagem: Banner Engineering)

Métricas de desempenho

Especificar o nível de iluminação é a base para selecionar a luminária ideal para uma determinada aplicação. Há inúmeras métricas a serem consideradas, desde a eficiência operacional da luminária até como ela imita bem a luz branca padrão. Começa com uma única vela ou candela (Cd). O Cd é uma unidade básica do SI que mede a intensidade luminosa da luz visível emitida por uma fonte específica (vela padrão) em uma direção específica. Com base no conceito de um Cd, as métricas importantes para comparar luminárias incluem:

• Lúmen (lm) – Fluxo luminoso igual à luz emitida em um ângulo sólido unitário por uma fonte pontual uniforme de um Cd, levando em conta a saída de luz em todas as direções.
• Watts (W) – Consumo de energia elétrica: para circuitos CC, W = V_CC x amperes; para circuitos CA, W = V_RMS x amperes.
• Eficácia (lm/W) – Quão eficientemente uma fonte de luz produz luz visível.
• Lux (lm/m²) – Intensidade da luz que atinge uma superfície como percebida pelo olho humano.
• Distribuição zonal do lúmen - Distribuição dos lúmens emitidos por uma luminária em zonas em planos verticais discretos. Utilizado para determinar os requisitos de espaçamento de uma luminária.
• Temperatura de cor correlacionada (CCT) – Temperatura, em graus Kelvin (K), de um radiador de corpo negro com uma cromaticidade igual à fonte de luz. O CCT de luz branca varia de 2.700 K a 6.500 K.
• Índice de reprodução de cores (CRI) – Capacidade de uma fonte de luz para revelar fielmente as cores de vários objetos em comparação com uma fonte de luz ideal ou natural. Os CRIs variam de 0 a 100. As lâmpadas incandescentes têm um CRI de 100, os LEDs têm CRIs que vão de 80 a mais de 90.

Com a evolução das tecnologias de iluminação, o processo de especificação da solução ótima se tornou mais complicado. Por exemplo, a eficácia dos LEDs é substancialmente maior do que a eficácia das lâmpadas fluorescentes e de descarga de alta intensidade (HID). Enquanto os fluorescentes e HIDs emitem luz em todas as direções, os LEDs são direcionais. O resultado final é que as métricas são mais úteis para comparar LEDs com LEDs, fluorescentes com fluorescentes, e assim por diante. Para comparar diferentes tecnologias de iluminação, os usuários frequentemente precisam avaliar amostras lado a lado para determinar qual é a melhor.

Além da qualidade da luz produzida, os usuários precisam estar cientes da distorção harmônica total (THD) e do fator de potência (PF) do reator ou controlador que alimenta a luminária. O THD é uma medida da distorção da corrente elétrica que entra em um conversor eletrônico de potência. Menor THD significa menores correntes de pico e maior eficiência na rede de distribuição de eletricidade em um edifício e redução da demanda da concessionária local. O IEEE 519-2014 é uma referência útil para compreender os harmônicos e aplicar limites harmônicos em sistemas de energia. Normalmente são necessários THDs de 20 % ou menos. O PF é uma métrica igualmente importante. Uma carga (reator ou controlador) com um PF baixo consome mais corrente que uma carga com um PF alto para igual potência de saída. PF é um número adimensional entre 0 e 1. Os reatores e controladores devem ter PFs de pelo menos 0,9.

Considerações de via útil e custo

Os LEDs geralmente têm uma vida útil superior a 25.000 horas, mas sua eficácia e brilho diminuem com o envelhecimento. A vida útil das luminárias LED é baseada no número de horas que leva para cair para 70 % da saída de luz inicial e é chamada de parâmetro L70. As tecnologias de iluminação não-LED sofrem falhas catastróficas em algum momento; suas vidas úteis são definidas como o número de horas de operação em que se espera que 50 % das unidades tenham falhado. As tecnologias não-LED também experimentam declínios nos valores de lúmen à medida que envelhecem. Chamada depreciação do lúmen da lâmpada (LLD), este efeito varia entre as tecnologias de iluminação (Tabela 1).

Tabela 1: Depreciação do lúmen da lâmpada e comparação das vidas úteis nominais. (Fonte da tabela: Banner Engineering)

Para comparar o custo das tecnologias de iluminação, os usuários precisam considerar o custo inicial de mão-de-obra e equipamento mais os custos de energia, manutenção e equipamento ao longo da vida útil da luminária (Figura 2). Os custos iniciais de mão-de-obra e equipamentos podem ser superados pelo aumento da eficiência energética e menores necessidades de manutenção, e LEDs mais duradouros e eficientes podem produzir economias significativas por toda a vida útil.

Figura 2: Comparação dos custos de iluminação com base no ciclo de vida de 15 anos. (Fonte da imagem: Banner Engineering)

Exigências ambientais

As luminárias usadas em instalações industriais precisam ser projetadas para resistir a condições perigosas. O Código Eléctrico Nacional dos EUA define três tipos de áreas de risco:

• Classe I – gases ou vapores inflamáveis
• Classe II – poeira combustível
• Classe III – fibras ou moscas facilmente inflamáveis

Os regulamentos federais dos EUA exigem: "o equipamento deve ser marcado para mostrar a classe, grupo e temperatura de operação ou faixa de temperatura, com base na operação em uma temperatura ambiente de 40 °C para a qual ele é aprovado".

As classificações de proteção contra ingressos (IP) são importantes e são indicadas por dois numerais. O primeiro descreve a resistência do equipamento a objetos sólidos estranhos, como poeira, o segundo descreve o grau de proteção contra a água. As luminárias com classificação IP67 são resistentes à poeira e à água, tornando-as adequadas para muitos ambientes industriais, e podem resistir a imersão de curto período na água. As luminárias com classificação IP68g oferecem proteção adicional e são mais resistentes à penetração de óleo e água.

Vibração e temperaturas extremas são frequentemente encontradas em ambientes industriais. Os filamentos finos, componentes delicados e ampolas de vidro usados com algumas tecnologias de iluminação podem ser especialmente vulneráveis a danos causados por vibrações. Os LEDs não têm componentes delicados e são muito mais resistentes à vibração e ao impacto. Embora sejam mecanicamente robustos, as altas temperaturas ambientes tendem a reduzir a eficácia e a vida útil dos LEDs. Por outro lado, em comparação com outras tecnologias de iluminação, os LEDs são mais adequados para armazéns refrigerados e outras instalações onde são encontradas temperaturas de até -40 °C.

Luminárias para pick-to-light

Os sistemas Pick-to-light podem reduzir os custos das operações de coleta em armazéns através de maior eficiência, produtividade e precisão. Para instalações pick-to-light, a Banner oferece a série EZ-LIGHT® K50L, incluindo o K50LGRASXPQ (Figura 3). As luminárias K50L são oferecidas com um LED (verde), dois LEDs (verde e vermelho), ou três LEDs (verde, vermelho e amarelo), dependendo do modelo e são resistentes à vibração. O K50LGRASXPQ oferece iluminação LED verde e vermelho, além de um alarme sonoro de vários tons. As características da série K50L incluem:

• Fácil de instalar com indicadores LED brilhantes e alarme sonoro
• Robusto e totalmente selado. Classificado como IP67 ou IP69K de acordo com DIN 40050-9, dependendo do modelo
• Nenhum controlador externo é necessário para estas luminárias independentes
• Imunidade à interferência de radiofrequência (RFI) e interferência eletromagnética (EMI)
• O alarme audível nos modelos IP67 tem uma intensidade ajustável que pode ser contínua ou staccato
• Instalação flexível com entradas de 12 V_CC a 30 V_CC e proteção contra polaridades invertidas

Figura 3: As luminárias pick-to-light da série K50 da Banner Engineering são operadas em CC com indicação sonora constante ou staccato e uma escolha de 1, 2 ou 3 indicadores LED coloridos, dependendo do modelo. (Fonte da imagem: Banner Engineering)

Sensores e luminárias para orientação de empilhadeiras

Os operadores de empilhadeiras podem ter as vistas obstruídas, exigindo que eles desmontem várias vezes ao colocar cargas difíceis. A eficiência das operações de manuseio de material pode ser aumentada através do uso de sensores e luminárias para orientação de empilhadeiras. Por exemplo, a luminária modelo WLS27PXRGBW285DSQ da Banner faz parte da série WLS27 Pro e tem 285 mm de comprimento, tem classificação ambiental IP66, IP67 e IP69K e inclui LEDs vermelhos, verdes, azuis e brancos (Figura 4).

Figura 4: Esta luminária de 285 mm de comprimento inclui LEDs vermelhos, verdes, azuis e brancos e pode ser usada para orientação de empilhadeiras. Possui classificação ambiental IP66, IP67 e IP69K. (Fonte da imagem: Banner Engineering)

Todas as luminárias da série WLS27 Pro podem exibir animações multicoloridas a velocidades e padrões variados e ser segmentadas, tornando-as bem adequadas para sistemas de orientação de empilhadeiras. Com carcaças de co-poliéster à prova de estilhaços em armações de alumínio, as unidades WLS27 Pro são resistentes a quebras e impactos. Sua classificação IP69K permite que funcionem durante lavagens difíceis e em ambientes externos. As funções integradas de temporizador e contador permite que exibam informações de tempo ou quantidade, incluindo distância e posição, usando sinalização pulsada.

As luminárias WLS27 Pro podem ser combinadas com o sensor laser multifuncional Q5X para implementar sistemas de orientação de empilhadeiras (Figura 5). O Q5X tem um alcance de 50 mm a 5 m. Outras características incluem:

• Detecção confiável de objetos claros e refletivos, alvos multicoloridos, alvos pretos contra um fundo metálico brilhante, alvos pretos contra um fundo preto e objetos escuros (<0,1 % de alvos pretos refletivos)
• O modo de aprendizagem dupla mede tanto a intensidade da luz quanto a distância
• 270 graus de rotação para atender a uma variedade de restrições de montagem
• Programável através de IO-link, aprendizagem remota, interface de usuário na placa ou display de sensor remoto opcional

Figura 5: Sensores laser multifuncionais como o Q5X da Banner Engineering podem ser usados para implementar sistemas para orientação de empilhadeiras. (Imagem: Banner Engineering)

Opções gerais de iluminação

O WLB32ZC285PBQMB da Banner é uma luminária LED ultrabrilhante de 285 mm de comprimento que apresenta uma saída de luz uniforme de 750 lm com um 'brilho' sem ofuscamento (Figura 6). Faz parte da família WLB32, que inclui luminárias de 285 a 1130 mm de comprimento com dimensionamentos de iluminação de 750 a 3000 lm. Estas luminárias são projetadas para postos de trabalho, iluminação de máquinas, gabinetes de controle e linhas de fabricação.

Figura 6: O modelo WLB32ZC285PBQMB da Banner é uma barra de luz LED ultrabrilhante de 285 mm de comprimento para as necessidades gerais de iluminação. (Imagem: Banner Engineering)

Estão disponíveis barras de luz WLB32 que podem formar um comprimento contínuo de iluminação por "ligação em cascata" com um mínimo de fiação, mantendo a operação independente de cada barra de luz. Outras características incluem:

• Interruptor de máximo/mínimo/desligado
• Janela à prova de estilhaços e carcaça metálica
• Instalação flexível com suportes magnéticos ou angulares ou clipes de pressão
• A proteção ocular bloqueia o ofuscamento lateral em alguns modelos
• Detecção de movimento em alguns modelos

Resumo

Há uma ampla gama de fatores de desempenho, custo e meio ambiente a serem considerados ao especificar soluções de iluminação industrial. Em um número crescente de casos, as luminárias LED são uma opção atraente. Em comparação com as tecnologias tradicionais de iluminação, as luminárias LED oferecem maior flexibilidade de iluminação e confiabilidade, e os LEDs proporcionam maior eficiência energética, maior vida útil e menor necessidade de manutenção. Como resultado, embora os custos iniciais de instalação dos LEDs possam ser maiores do que outras tecnologias de iluminação, os LEDs oferecem custos mais baixos por toda a vida útil, além de soluções superiores de iluminação.