Arranqaue de Motor Estrella Delta s7-200

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y SISTEMAS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

“ARRANQUE DE UN MOTOR EN ESTRELLA-DELTA CON EL PLC S7-200 CPU 224xp” CURSO

: AU AUTÓMATAS PROGRAMABLES

PRESEN PRESENTAD TADO O POR POR :      

ÁVILA CORRALES, Kenny A. CHINO CATARI, Ever PACORICONA APAZA, Alex PAMPA VILCA, Wilson José RODRIGO HUANCA, Félix CRUZ CRUZ CARRIÓ CARRIÓN, N, Christian A.

C.U. marzo del 2009

Ing. Electrónica

Autómatas Programables

ÍNDICE Pág. INTRODUCCIÓN

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I. Micro Micro PLC SIMATI SIMATIC C S7-2 S7-200 00 Siemen Siemenss

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1. Módulos CPU CPU 221 CPU 222 CPU 224 CPU 226 2. Funciones 3. Programación 4. Módulos de ampliación digitales 5. Módulos de ampliación analógicos 6. Fuente de alimentación

3 3 3 3 4 5 6 6 7 7 9

II. S7-200-CPU224 XP 1. Partes del CPU 224xp 2. Datos técnicos

10 11

III. SISTEMAS DE ARRANQUE DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS TRIFÁSICOS DE ROTOR EN CORTOCIRCUITO O JAULA DE ARDILLA 1. Arranque Estrella-delta 2. Fotografías del proceso de cableado 3. Fotografías del funcionamiento del arraque estrella delta 4. Programa del arranque estrella delta

15 16 22 23 24

CONCLUSIONES

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BIBLIOGRAFÍA

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INTRODUCCIÓN Los PLC han venido a sustituir el control por relés como se realizaba en décadas anteriores. Los PLC inicialmente fueron dispositivos simples para el control de máquinas, y evolucionaron a lo que son actualmente: la solución a la mayoría de los problemas de automatización en diversos procesos e industrias. La gran aplicabilidad de estos dispositivos en casi todas las áreas se debe a la enorme diversidad de fabricantes y modelos existentes, que pueden ser adaptados para solucionar cualquier problema; además de la facilidad con que pueden ser programados para diversas tareas. Cuando se conecta un motor de jaula de ardilla directamente a la red, éste absorbe una intensidad muy fuerte de la línea en el momento del arranque, lo que puede afectar no sólo a la duración de los aparatos de conexión, sino a las líneas que suministran energía eléctrica. Una forma de reducir la corriente de arranque es reducir la tensión aplicada al motor, existen diferentes métodos para reducir la corriente de arranque disminuyendo la tensión en este caso el arranque Estrella-delta. Para este fin se utilizó el PLC S7-200 CPU224XP, de 14 entradas, 10 salidas digitales y 3 analógicas integradas. Expandible con hasta un máximo de 7 módulos de ampliación de la serie S7-22X.

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I. Micro PLC SIMATIC S7-200 Siemens Este micro-PLC cuenta con una alta escala de integración, aplicable tanto para los controles más simples como también para tareas complejas de automatización. Puede implementarse aislado, interconectado en red o en configuraciones descentralizadas. La familia SIMATIC S7-200 esta compuesta de los siguientes módulos:   

4 equipos básicos diferentes en diversas variantes. 14 módulos de ampliación digitales y analógicos. 2 módulos de comunicaciones para la conexión a PROFIBUS e Interfaz-AS.

Ofrece diferentes posibilidades de comunicación: 





La interfaz punto a punto PPI, MPI (esclavo) y en modo interfaz libremente programable. Acoplamiento a Interfaz AS, actuando como maestro a través del módulo de comunicaciones CO 243-2. Acoplamiento a PROFIBUS-DP como esclavo; a través del módulo PROFIBUS-DP EM 277.

1. Módulos CPU: CPU 221: Cuenta con 10 entradas/salidas, no expandible. CPU 222: Cuenta con 14 entradas/salidas, expandible con máximo 2 módulos de ampliación externos.

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CPU 224: Cuenta con 24 entradas/salidas, expandible con máximo 7 módulos de ampliación externos

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Módulo CPU 224 CPU 226: Cuenta con puerto de comunicación adicional, con 40 entradas/salidas, expandible con máximo 7 módulos de ampliación externos.

Módulo CPU 226

En general estos módulos cuentan con: 1. Una fuente de alimentación de 24 V para sensores y carga, posibilitando la conexión directa de sensores y actuadores. 2. Entradas y salidas digitales 3. Puertos de comunicación 4. Bus de ampliación para la conexión de módulos de ampliación. 4

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5. Entradas de alarma 6. Contadores rápidos 7. Expansión sencilla gracias a los módulos de ampliación digitales y analógicos (EM) 8. Simulador 9. Potenciómetro analógico 10. Salidas de impulsos de alta frecuencia (máx. 20kHz) para resolver tareas de posicionamiento y mando de motores regulados por frecuencia y motores PaP mediante etapas de potencia adecuadas. 11. Reloj de tiempo real. 12. Cartucho de memoria EEPROM que permite cambiar rápidamente de programa y almacenar adicionalmente el programa. 13. Módulo de pila para respaldar los datos durante mucho tiempo (valor típico de 200 días).

2. Funciones: 

Amplio juego de instrucciones como:

-

-

Operaciones básicas como funciones lógicas, asignación de resultados, memorizar, contar, formar tiempos, cargar, transferir, comparar, desplazar, rotar, formar complementos, llamar subprogramas (con variables locales). Instrucciones de comunicación integradas. Funciones sofisticadas como modulación del ancho del impulso, trenes de impulsos, funciones aritméticas, aritmética en coma flotante, regulación PID, funciones de salto y bucle y conversión de códigos facilitan la programación.

Las confortables funciones de contador unidas a los contadores integrados y órdenes espaciales para High Speed Counter ofrecen al usuario otros campos de aplicación adicionales.



Contador:



Tratamiento de alarmas

-



Las alarmas activadas por flancos (disparadas por la subida o bajada de los flancos de las señales del proceso en entradas de alarma) posibilitan una reacción muy rápida ante los eventos del proceso. Las alarmas temporizadas pueden ajustarse con una graduación de 1 ms, en un margen de 1 ms a 255 ms. Las alarmas de contador pueden dispararse al alcanzar el valor establecido o al cambiar de dirección de contaje. Las alarmas de comunicación permiten disfrutar de un intercambio de información rápido y sencillo con las unidades periféricas, como por ej. Impresoras o lectores de códigos de barras.

las entradas y salidas también se pueden consultar y forzar de forma directa, o sea, independientemente del ciclo. De este modo el control puede reaccionar rápidamente a los eventos del proceso. Consulta y forzado directos de entradas y salidas;

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   




la estructura de protección por contraseña a 3 niveles garantiza un alto grado de seguridad para personas con altos conocimientos del dispositivo.

Protección por contraseña;

Funciones de test y diagnóstico. “Forzado” de entradas y salidas en el modo de test y de diagnóstico.

Edición en RUNTIME. Durante el modo RUN es posible editar programas y cargar con un simple clic del ratón los programas modificados en la CPU sin necesidad de interrumpir el programa en ejecución. Funciones matemáticas adicionales como SIN, COS, TAN, LN, EXP.

3. Programación: Las CPU del S7-200 se programan con el software de programación STEP 7Micro/WIN 32. También se puede programar la CPU desde los SIMATIC CP, así como a través del puerto MPI de la PG. En este caso, las velocidades de comunicación pueden ser de hasta 187.5 kbits/s. 4. Módulos de ampliación digitales Los módulos de ampliación digitales complementan la periferia integrada en los módulos CPU. Sirven para adaptar flexiblemente el autómata a la tarea respectiva y para añadir o ampliar posteriormente la instalación con entradas y salidas adicionales.

Módulo de ampliación digital EM 22X

Existen 3 modelos de este tipo, el EM 221, el EM222 y el EM223.

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5. Módulos de ampliación analógicos Los módulos de ampliación analógicos permiten aplicar entradas/salidas analógicas. Éstas sirven para conectar sensores analógicos y actuadores sin necesidad de amplificador adicional.

Módulo de ampliación analógico EM 23

Existen 3 modelos de este tipo, el EM 231, el EM232 y el EM235.

6. Fuente de alimentación: El S7-200 utiliza la fuente de alimentación SITOP power 24 V/3.5A. Esta fuente se utiliza para alimentar consumidores de alto consumo, cuando la alimentación estándar que incorpora la CPU no es suficiente. También es utilizada en CPU con tensión de alimentación de 24 V DC.

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Fuente de alimentación

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II. S7-200-CPU224 XP La CPU 224XP consta de 14 entradas, 10 salidas digitales y 3 analógicas integradas. Expandible con hasta un máximo de 7 módulos de ampliación de la serie S7-22X, con dos potenciómetros analógicos, selector de modo (Stop, term y run) y dos unidades de programación (PG 720 PII, PG 740 PIII), con 256 contadores y temporizadores (más detalles en datos técnicos – apartado I.2) CPU compacta, ampliable, memoria de trabajo 12/16 kbytes de programa, 10 kbytes de datos, tensión de alimentación 100 a 230 V, 14 ED/10 SD (salidas por relé)/2 EA/1 SA integradas.

S7-200 CPU 224xp

Margen de temperatura ambiente  

-25 a +70 °C; -25 a +55 °C (para aplicaciones con homologación cUL), condensación permitida

Condiciones ambientales Apropiado para una exposición medial extraordinaria (p. ej. en una atmósfera de cloro y de ácido sulfúrico). Referencia

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6AG1 214-2AD23- 2XB0 6AG1 214-2BD23- 2XB0

Referencia based on  

6ES7 214-2AD23-0XB0 6ES7 214-2BD23-0XB0

Datos técnicos Los datos técnicos son idénticos con los datos técnicos de los módulos based on. 1. Partes del CPU 224xp

Construcción del S7 200 CPU 224XP

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2. Datos técnicos Tensiones de alimentación Valor nominal • 24 V DC • Rango admisible, límite

inferior (DC) • Rango admisible, límite

superior (DC)

6ES7 214- 2AD230XB0

6ES7 214- 2BD230XB0

Sí 20,4 V 28,8 V Sí Sí 85 V

• 120 V AC • 230 V AC

Rango admisible, límite inferior (AC)

264 V

• Rango admisible, límite

superior (AC) • Rango admisible de

47 Hz

frecuencia, límite inferior

63 Hz

• Rango admisible de

frecuencia, límite superior

Tensiones e intensidades Tensión de carga L+ • Valor nominal (DC) • Rango admisible,

límite inferior (DC) • Rango admisible,

límite superior (DC)

24 V

24 V

20,4 V

5V

28,8 V

30 V

Tensión de carga L1 100 V; 100 a230 V AC

• Valor nominal (AC) 100V; • Rango admisible,

5V

límite inferior (AC) • Rango admisible,

250 V

límite superior (AC) • Rango admisible de

47 Hz

frecuencia, límite inferior • Rango admisible de

63 Hz frecuencia, límite superior Consumo 12 A; con 28,8 V 20 A; con 264 V Intensidad de cierre, máx. De la tensión de alimentación 900 mA; 120 a 900 mA, L+, máx. corriente de salida para tarjetas de ampliación (5 V DC) 660 mA De la tensión de alimentación 200 mA; 30 a 100 mA (240

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L1, máx.

V), 60 a 200 mA (120 V); corriente de salida para tarjetas de ampliación (5 V DC) 600 mA

Pila de respaldo • Tiempo

de respaldo, máx.

100 h; (mín. 70 h a 40 °C); 100 h; (mín. 70 h a 40 °C); 200 días (típ.) con módulo 200 días (típ.) con módulo de batería opcional de batería opcional

Memoria 1; Módulo de memoria enchufable, contenido idéntico a EEPROM integrada, además se pueden guardar recetas, registros de datos y otros archivos.

1; Módulo de memoria enchufable, contenido idéntico a EEPROM integrada, además se pueden guardar recetas, registros de datos y otros archivos.

programa - Memoria de datos, máx. 10 kbytes - Memoria de programs, máx. 16 kbytes; 12 kbytes con Runtime Edit activo Sí; Programa: Respaldo todo el programa sin • existente mantenimiento en EEPROM integrada, programable a través de CPU; datos: todo el DB1 cargado por PG/PC sin Mantenimiento en EEPROM integrada, valores actuales de DB 1 en RAM, marcas remanentes, tiempos, contadores, etc., sin mantenimiento a través del Condensador de alta capacidad; Batería opcional para respaldo de larga duración

10 kbytes 16 kbytes; 12 kbytes con Runtime Edit activo Sí; Programa: todo el programa sin mantenimiento en EEPROM integrada, programable a través de CPU; datos: todo el DB1 cargado por PG/PC sin Mantenimiento en EEPROM integrada, valores actuales de DB 1 en RAM, marcas remanentes, tiempos, contadores, etc., sin mantenimiento a través del Condensador de alta capacidad; Batería opcional para respaldo de larga duración

Memoria • Nº de módulos de memoria

(opcional) • Memoria de datos y

CPU/tiempos de ejecución Para operaciones de bits, máx.

0,22 µs

12

0,22 µs

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Temporizadores/contadores y su remanencia Contadores S7 • Cantidad • de ellos, remanentes

- configurable - Límite inferior - Límite superior

256

256

Sí; a través de condensador Sí; a través de condensador de alta capacidad o batería de alta capacidad o batería 1 256

1 256

- Límite inferior - Límite superior Temporizadores S7

0 32.767

0 32.767

• Cantidad • de ellos, remanentes

256

256

Sí; a través de condensador de alta capacidad o batería 64

Sí; a través de condensador de alta capacidad o batería 64

1 ms 54 min; 4 tiempos, 1 ms a 30 s 16 tiempos, 10ms a 5 min 236 tiempos, 100 ms a 54 min

1 ms 54 min; 4 tiempos, 1 ms a 30 s 16 tiempos, 10ms a 5 min 236 tiempos, 100 ms a 54 min

32 byte(s) Sí; M0.0 a M31.7 • de ellos, remanentes 0 a 255, a través de condensador de alta capacidad o batería, ajustable 0 a 112 en • de ellos, remanentes sin pila EEPROM, ajustable Configuración del hardware Programadoras (PGs)/PCs conectables SIMATIC PG/PC, PC estándar

32 byte(s) Sí; M0.0 a M31.7 0 a 255, a través de condensador de alta capacidad o batería, ajustable 0 a 112 en EEPROM, ajustable

• Rango de contaje

- configurable - Límite superior •Rango de tiempo

- Límite inferior - Límite superior

Áreas de datos y su remanencia Marcas • Cantidad, máx. • Remanencia disponible

13

SIMATIC PG/PC, PC estándar

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Aparatos de ampliación, máx.


7; Solamente pueden utilizarse tarjetas de ampliación de la serie S722x (a consecuencia de la corriente de salida limitada, la utilización de tarjetas de ampliación puede estar sujeta a limitaciones.)

Ampliación de la periferia • Entradas/salidas analógicas,

máx.

• Entradas/salidas digitales,

máx. • Entradas/salidas ASInterface, máx.

Sistema de conexión Bornes de E/S enchufables Interfaz Tipo de interfaz Norma física Funcionalidad

38; 2 entradas y 1 salida on board, además como máx. 28 entradas y 7 salidas (EM) o como máx. 0 entradas y 14 salidas (EM) 168; máx. 94 entradas y 74 salidas (CPU+EM) 62; Esclavos A/B ASInterface (CP 243-2)

38; 2 entradas y 1 salida on board, además como máx. 28 entradas y 7 salidas (EM) o como máx. 0 entradas y 14 salidas (EM) 168; máx. 94 entradas y 74 salidas (CPU+EM) 62; Esclavos A/B ASInterface (CP 243-2)

Si

Si

Interfaz RS485 integrada RS485

Interfaz RS485 Integrada RS485

• MPI

Sí; como esclavo MPI para el intercambio de datos con maestros MPI (CPU S7-300/S7-400, OP, TD, Push Button Panels); posibilidad de comunicación CPU/CPU interna a S7-200 limitada en la red MPI; velocidades de transmisión de 19,2/187,5 kbits/s

• PPI

Sí; con protocolo PPI para funciones de programación, funciones HMI (TD 200, OP), comunicación CPU/CPU interna de S7-200; velocidades de transmisión 9,6/19,2/187,5 kbits/s

• Intercambio serie de datos

Sí; como interfaz libremente programable con posibilidad de interrupciones para intercambio de datos en serie con equipos no Siemens con velocidades de transferencia y protocolo ASCII de 1,2/2,4/4,8/9,6/19,2/38,4/57,6/115,2 kbits/s; el cable PC/PPI puede usarse también como convertidor RS232/RS485 RS232/RS485

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III. SISTEMAS DE ARRANQUE DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS TRIFÁSICOS DE ROTOR EN CORTOCIRCUITO O JAULA DE ARDILLA Cuando se conecta un motor de estas características directamente a la red, éste absorbe una intensidad muy fuerte de la línea en el momento del arranque, lo que puede afectar no sólo a la duración de los aparatos de conexión, sino a las líneas que suministran energía eléctrica.

Motor asíncrono jaula de ardilla

Corte típico de un motor jaula de ardilla pequeño

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Estas fuertes corrientes sobrecargan las líneas de distribución, pudiendo producir caídas de tensión y calentamiento en 1os conductores de las mismas. Por esta razón, las compañías de energía prescriben reglamentaciones para reducir dichas corrientes de arranque a unos valores que sean aceptables. El arranque directo está permitido para motores que posean una potencia inferior a 5.5 Kw. Una forma de reducir la corriente de arranque es reducir la tensión aplicada al motor, con ello también se disminuye el par efectivo de arranque, ya que al disminuir la tensión, el flujo del estator también disminuye y con él la f.e.m. inducida en el rotor y la intensidad rotórica. El par de arranque disminuye con el cuadrado de la tensión. Existen diferentes métodos para reducir la corriente de arranque disminuyendo la tensión: Arranque Estrella-delta

1. Arranque Estrella-delta: Es uno de los métodos más conocidos con el que se pueden arrancar motores de hasta 1 l KW de potencia. Consiste en conectar primero el motor en estrella para, una vez arrancado, conmutar a la conexión en triángulo. Para que esto se pueda llevar a cabo, se debe utilizar un motor que esté preparado para funcionar a la tensión inferior conectado en triángulo. Así, por ejemplo, un motor de 220/380 podrá ser arrancado en una red de 220 V. Si a un motor de las características indicadas se le conecta primero en estrella, cada una de las bobinas del mismo quedará sometido a una tensión, SQRT(3) inferior que si hubiese conectado en triángulo. Con ello se consigue que la intensidad en el arranque quede disminuida a la tercera parte respecto al arranque directo en conexión en triángulo. El par también queda reducido a la tercera parte, lo que conviene tenerlo en cuenta si el motor arranca con toda la carga. Por esta razón, conviene que el motor arranque en vacío o con poca carga.

Conexión en estrella

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Conexión en Delta        

K1.... Contactor de la acometida. K2 ... Contactor punto estrella. K3 ... Contactor de la etapa delta. K7 ... Relevador de tiempo. S1 ... Pulsador “arrancar”. SO... Pulsador “parar”.

F2 ... Relevador bimetálico de sobrecarga. F1.... Protección contra cortocircuito del circuito principal. F10... Fusibles para el circuito de control (en caso de existir).

Circuito principal estrella-delta

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 

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Configuración estrella delta en el panel

En al figura Configuración estrella delta en el panel se muestra la etapa de configuraciones tales como: Linea de alimentación (K1.... Contactor de la acometida), configuración de estrella (K2 ... Contactor punto estrella), configuración delta (K3 ... Contactor de la etapa delta), debidamente cableado hacia el motor jaula de ardilla, al PLC S7-200 CPU 224xp yá cargado con el programa, para el control del motor.

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Comparación esquema – montaje En la figura Comparación esquema – montaje se muestra lo siguiente:    

Línea de alimentación (K1 Contactor de la acometida) -- color azul. Configuración estrella (K2 Contactor punto estrella) -- color verde. Configuración delta (K3 Contactor de la etapa delta) -- color rojo. Motor jaula de ardilla – color 

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 

En la figura     se muestra la fotografía del sistema de arranque estrella-delta de un motor asíncrono jaula de ardilla . En la cual se muentra las diferentes etapas como son: o o o o o

Línea de alimentación (K1.... Contactor de la acometida) Configuración estrella (K2 ... Contactor punto estrella) Configuración delta (K3 ... Contactor de la etapa delta) S7-200 CPU 224xp Motor asíncrono jaula de ardilla

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2. Fotografías del proceso de cableado Cableados en la etapa de la configuración estrella delta

Línea de alimentación

Configurando los bornes del motor

Para el arranque estrella delta

Jaula de ardilla

Cableado del S7-200 cpu224xp

Cableado de los bornes de entrada y

Al tablero de contactores

salida del S7-200

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3. Fotografías del funcionamiento del arraque estrella delta A continuación se muestra las fotografias del funcionamiento del arranque estrella delta del motor jaula de ardiklla (para mejor visualización ver video adjunto en el CD).

Visualización arranque estrella

Visualización arranque delta

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4. Programa del arranque estrella delta

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CONCLUSIONES 













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









Conforme la complejidad de los procesos industriales fueron creciendo, se creó la necesidad de modernizar las técnicas de control de los procesos, lo que llevó al nacimiento del PLC. Los PLC son dispositivos que ofrecen gran versatilidad en el control de las diferentes etapas dentro de los procesos industriales. Tienen la ventaja que todos estos procesos, incluyendo módulos remotos adicionales, pueden ser controlados con un dispositivo central que ocupa un especio reducido. Reducen el tiempo de programación o reprogramación del sistema de control, eliminando los procesos exhaustivos de alambrado que se debían de realizar antes del nacimiento del PLC. Los PLC ofrecen seguridad tanto al usuario como al proceso al cual es aplicado, ya que cuentan con dispositivos mecánicos y de programación con los que restringe el acceso a realizar cambios en el programa de control. Se tiene la opción de un control remoto del sistema global mediante el uso de una red, entre las cuales se pueden mencionar la Modbus Plus, Modbus bus, Ethernet TCP/IP y Web Server. Cuentan con la opción de una interfaz gráfica con la que se logra un mejor entendimiento del proceso en tiempo real y a través del mismo se puede programar o reprogramar directamente con botones incorporados o con una pantalla táctil. Gracias a la implementación de software especializado para la PC, se puede programar el comportamiento de diferentes tipos de sistemas con los distintos lenguajes comerciales de una manera sencilla y eficaz. Los fabricantes ofrecen una gran variedad de configuraciones que pueden ser adaptadas a las diferentes necesidades de la industria y a cualquier aplicación en general. Las aplicaciones de los PLC son muy variadas por las características con que son diseñados, ya que pueden ir desde el control del timbre de una escuela hasta el control de un sistema de generación y distribución de energía eléctrica. En resumen, los Controladores Lógico Programables han llegado a ser una solución rápida, práctica, costo eficiente y versátil para las necesidades de la industria moderna. El método de arranque estrella delta se usa para reducir la corriente de arranque , así disminuyendo la tensión de arranque. El arranque directo está permitido para motores que posean una potencia inferior a 5.5 Kw. Estrella delta es uno de los métodos más conocidos con el que se pueden arrancar motores de hasta 1 l KW de potencia.

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BIBLIOGRAFÍA  

    

http://www.siemens.com Micro PLC Simatic S7-200” Publicación de Siemens, extracto del catálogo ST 70, Septiembre del 2000. http://tvtronica.com.ar/Plc2.htm http://www.modicon.com/whatisaplc/index.htm Manual usuario Manual usuario-Simatic Simatic S7-200 CPU S7-200 CPU 224 SIMATIC S7-200 © Siemens AG 2007 SIMATIC STEP 7 Introducción y ejercicios prácticos.

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