MANUAL DE ENTRENAMIENTO SANTA CRUZ, BOLIVIA
REVISION A AGOSTO DEL 2004
PG A AUTOMATIZACIÓN AUTOMATIZACIÓN SRL
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
TABLA DE CONTENIDO
1.
2.
INTRODUCCION A LA ELECTRICIDAD
PAG.
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
4 4 4 5 6 7 10
SEGURIDAD Y CUIDADOS CON LA ELECTRICIDAD 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7
3.
RIESGO ELECTRICO TIPOS DE RIESGO ELECTRICO TIPOS DE CONTACTO ELECTRICO CAUSAS DE ACCIDENTE EFECTOS DE LOS ACCIDENTES ELECTRICOS REGLAS PARA REALIZAR TRABAJOS ELECTRICOS PRACTICAS REALACIONADAS A LA SEGURIDAD
17 17 18 18 18 19 19
COMPONENTES Y SUS SIMBOLOS 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11
4.
OBJETIVO LA ELECTRICIDAD CORRIENTE ELECTRICA SISTEMA DE UNIDADES CORRIENTE CONTINUA C.C. CORRIENTE ALTERNA A.C. CONVIRTIENDO AC EN DC
CONDESADORES BOBINAS CORRIENTES ELECTRICAS DIODOS FUSIBLES INTERRUPTORES PULSADORES LINEAS Y CONDUCTORES RELES RESISTENCIAS TRANSISTORES SIMBOLOGIA GENERAL
24 26 28 28 31 32 33 35 37 39 41
MANEJO DEL MULTIMETRO 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5
MEDIDA DE INTENSIDADES MEDIDA DE DIFERENCIA DE POTENCIAL MEDIDA DE RESITENCIAS PINZA AMPEROMETRICA PRACTICAS
2
43 44 44 45 45
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
5.
AGOSTO DEL 2004
CIRCUITOS Y LEYES 5.1 5.2 5.3 5.3. 5.4
CIRCUITO ELECTRICO LEY DE OHM CIRCUITO SERIE CIRCUITO PARALELO LEYES DE KIRCHHOFF
55 55 56 56 57
6.
MEDIDAS Y CALCULOS
59
7.
BUSQUEDA DE FALLAS
61
8.
VARIADORES DE FRECUENCIA Y ARRANQUES SUAVES 8.1 8.2
9.
LA EVOLUCION DE LA INDUSTRIA LA EVOLUCION DE LA TECNOLOGIA INFORMATICA LA EVOLUCION DEL CONTROL AUTOMATICO ISNTRUMENTACION ELECTRONICA PLC DCS
67 68 69 70 71 82
INTRODUCCION A REDES DE CONTROL INDUSTRIAL 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 19.6
11.
63 66
INSTRODUCCION A SISTEMAS DIGITALES DE CONTROL DE PROCESOS 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6
10.
VARIADORES DE FRECUENCIA ARRANQUE SUAVE
ETHERNET IP CONTROL NET DEVICE NET MOD BUS DATA HIGHWAY PLUS DH 485
92 93 94 95 97 98
CONSIDERACIONES Y PROCEDIMIENTOS DE INSTALACIONES 11.1 11.2 11.3 11.4
CONDICIONES ESPPECIFICAS PUESTA A TIERRA CABLES Y CONDUITS CONDULETS Y CAJAS DE PASO
3
100 103 103 104
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
1 Introducción a la Electricidad 1.1. Objetivo. Este Curso tiene por objetivo instruir en forma teórica y practica a personal que estará involucrado en las tareas de operación y mantenimiento industrial Al finalizar este curso Usted estará en condiciones de realizar mediciones eléctricas y electrónicas, búsqueda de fallas, reconocimiento de simbología, interpretación de planos eléctricos.
1.2. La Electricidad André Marie Ampere, Georg Ohm y Charles Augustin de Coulomb son tres de los científicos que en el primer tercio del siglo diecinueve empezaron a reconocer los vínculos existentes entre la electricidad y el magnetismo. Más tarde, en 1831, Michel Faraday demostró que el movimiento de un imán en relación a una bobina de cable separada del imán, produce una corriente eléctrica en el cable, lo que fundamentaba su idea de que los fenómenos de la electricidad y del magnetismo podían estudiarse mejor si se los consideraba en términos de campos o regiones de espacio sobre los cuales se ejercían sus fuerzas. La Electricidad, categoría de fenómenos físicos originados por la existencia de cargas eléctricas y por la interacción de las mismas. Cuando una carga eléctrica se encuentra estacionaria, o estática, produce fuerzas eléctricas sobre las otras cargas situadas en su misma región del espacio; cuando está en movimiento, produce además efectos magnéticos. Los efectos eléctricos y magnéticos dependen de la posición y movimiento relativos de las partículas con carga. En lo que respecta a los efectos eléctricos, estas partículas pueden ser neutras, positivas o negativas (Átomo). La electricidad se ocupa de las partículas cargadas positivamente, como los protones, que se repelen mutuamente, y de las partículas cargadas negativamente, como los electrones, que también se repelen mutuamente. En cambio, las partículas negativas y positivas se atraen entre sí. Este comportamiento puede resumirse diciendo que las cargas del mismo signo se repelen y las cargas de distinto signo se atraen.
1.3. Corriente Eléctrica Si dos cuerpos de carga igual y opuesta se conectan por medio de un conductor metálico, por ejemplo un cable, las cargas se neutralizan mutuamente. Esta neutralización se lleva a cabo mediante un flujo de electrones a través del conductor, desde el cuerpo cargado negativamente al cargado positivamente (en ingeniería eléctrica, se considera por convención que la corriente fluye en sentido opuesto, es decir, de la carga positiva a la negativa). En cualquier sistema continuo de conductores, los electrones fluyen desde el punto de menor potencial hasta el punto de mayor potencial. Un sistema de esa clase se denomina circuito eléctrico. La corriente que circula por un circuito se denomina corriente continua (c.c.) si fluye siempre en el mismo sentido y corriente alterna (c.a.) si fluye alternativamente en uno u otro sentido.
4
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
El flujo de una corriente continua está determinado por tres magnitudes relacionadas entre sí. La primera es la diferencia de potencial en el circuito, que en ocasiones se denomina fuerza electromotriz (fem), tensión o voltaje. La segunda es la intensidad de corriente. Esta magnitud se mide en amperios; 1 amperio corresponde al paso de unos 6.250.000.000.000.000.000 electrones por segundo por una sección determinada del circuito. La tercera magnitud es la resistencia del circuito. Normalmente, todas las sustancias, tanto conductores como aislantes, ofrecen cierta oposición al flujo de una corriente eléctrica, y esta resistencia limita la corriente. La unidad empleada para cuantificar la resistencia es el ohmio (Ω), que se define como la resistencia que limita el flujo de corriente a 1 amperio en un circuito con una fem de 1 voltio. La ley de Ohm, llamada así en honor al físico alemán Georg Simon Ohm, que la descubrió en 1827, permite relacionar la intensidad con la fuerza electromotriz. Se expresa mediante la ecuación = I × R, donde es la fuerza electromotriz en voltios, I es la intensidad en amperios y R es la resistencia en ohmios. A partir de esta ecuación puede calcularse cualquiera de las tres magnitudes en un circuito dado si se conocen las otras dos. Véase Medidores eléctricos. Cuando una corriente eléctrica fluye por un cable pueden observarse dos efectos importantes: la temperatura del cable aumenta y un imán o brújula colocado cerca del cable se desvía, apuntando en dirección perpendicular al cable. Al circular la corriente, los electrones que la componen colisionan con los átomos del conductor y ceden energía, que aparece en forma de calor. La cantidad de energía desprendida en un circuito eléctrico se mide en julios. La potencia consumida se mide en vatios; 1 vatio equivale a 1 julio por segundo. La potencia P consumida por un circuito determinado puede calcularse a partir de la expresión P = V × I, o la que se obtiene al aplicar a ésta la ley de Ohm: P = I 2 × R. También se consume potencia en la producción de trabajo mecánico, en la emisión de radiación electromagnética como luz u ondas de radio y en la descomposición química.
1.4. Sistema de Unidades
MAGNITUD
UNIDAD
ABREVIATURA
Carga Eléctrica
Culombio
C
Corriente Eléctrica
Amper
A
Potencial Eléctrico
Voltio
V
Potencia
Vatio
W
Energía
Julio
J
Inductancia
Henrio
H
Capacitancia
Faradio
F
Frecuencia
Hertz
Hz
5
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
1.5. Corriente Continua C.C La corriente continua (CC o DC) se genera a partir de un flujo continuo de electrones (cargas negativas) siempre en el mismo sentido, el cual es desde el polo negativo de la fuente al polo positivo. Al desplazarse en este sentido los electrones, los huecos o ausencias de electrones (cargas positivas) lo hacen en sentido contrario, es decir, desde el polo positivo al negativo. Por convenio, se toma como corriente eléctrica al flujo de cargas positivas, aunque éste es a consecuencia del flujo de electrones, por tanto el sentido de la corriente eléctrica es del polo positivo de la fuente al polo negativo y contrario al flujo de electrones y siempre tiene el mismo signo. La corriente continua se caracteriza por su tensión, porque, al tener un flujo de electrones prefijado pero continuo en el tiempo, proporciona un valor fijo de ésta (de signo continuo), y en la gráfica V-t (tensión tiempo) se representa como una línea recta de valor V. Ej: Corriente de +1v
\
6
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
1.6. Corriente Alterna C.A la corriente alterna (CA o AC), los electrones no se desplazan de un polo a otro, sino que a partir de su posición fija en el cable (centro), oscilan de un lado al otro de su centro, dentro de un mismo entorno o amplitud, a una frecuencia determinada (número de oscilaciones por segundo). Por tanto, la corriente así generada (contraria al flujo de electrones) no es un flujo en un sentido constante, sino que va cambiando de sentido y por tanto de signo continuamente, con tanta rapidez como la frecuencia de oscilación de los electrones. La figura siguiente ilustra una onda de voltaje AC. Esto significa que la señal se eleva y cae con tiempo y tiene polaridad tanto positiva como negativa o medio ciclo. V pk Ô
|Í | |
Un Ciclo Î| | |
ÍMedio Ciclo
ÍMedio Ciclo
Un voltaje típico encontrado en un tomacorriente común es el de 220 VAC. El valor de 220 es en realidad el valor RMS. El voltaje pico (Vpk) de la onda de seno es lo que un osciloscopio leería. AC se reporta como un número positivo incluso cuando el potencial alterna.
Un ciclo de energía se define como el período que una señal AC realiza una elevación ositiva una ne ativa. Un medio ciclo puede describirse como la parte ya sea positiva o negativa de la onda. Pk = Valor Pico, es el valor máximo o punto a lo largo de una onda de seno de voltaje o corriente. El valor de pico aplica ya sea al medio ciclo positivo o negativo.
Vpk = 1.414 x RMS
o
x RMS
RMS = Media Cuadrática, también conocido como el valor efectivo y es el método más común de definir la cantidad de un voltaje de onda de seno o corriente. Esto se hace poniendo su valor en 45 grados, que es 70.7% del valor pico. Los grados eléctricos se explicarán posteriormente en la siguiente página.
RMS = Vpk x .707
o
Vpk /
7
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Ejemplo de Aplicación: 1) Un medidor digital es utilizado para medir el voltaje AC de en un tomacorrientes estándar. El medidor lee 220vac. ¿Es el valor pico o el valor RMS? 2) ¿Cuál es el valor pico?
La escala de tiempo es a veces marcada en grados eléctricos. Hay 360 grados eléctricos en un ciclo de energía.
0º Ô Ñ 360º
El inicio de una onda de seno es el unto de los cero en tanto ue el final del ciclo de ener ía es el unto de los 360 •
La Frecuencia se define como el inverso del período de tiempo. La fórmula para calcular la frecuencia de la onda de seno es: F = 1/T Donde “T” = al tiempo para que un ciclo de energía se complete en segundos (S).
•
La fórmula para calcular el tiempo para un ciclo de energía es : T = 1/F Donde “F” = la frecuencia de la onda de seno en Hertzios (Hz) .
Problema 1: Si el tiempo es 20 mS, ¿cuál es la frecuencia de la onda de seno? Problema 2: Si la frecuencia es de 60 Hz, ¿cuál es el período de la onda de seno?
8
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
AC Trifásica
Observe cómo cada fase es más positiva para 120 grados durante un ciclo de energía trifásica. Lo mismo es cierto para el medio ciclo negativo.
Í
Un Ciclo de Energía Î
Í 120° ÎÍ 120° ÎÍ 120° Î
Ï Punto de Conmutación
En el momento en que las dos fases se intersectan, ambas fases tienen el mismo potencial. Este instante en el tiempo es la fracción de un ciclo de energía. Esto es importante al convertir AC a DC y se llama el punto de conmutación natural en rectificadores trifásicos de puente. El punto natural de conmutación es el punto donde un diodo se enciende y otro se apaga porque la polarización lo causó de forma natural.
9
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
1.7. Convirtiendo AC en DC Ahora que hemos hablado de AC, convirtamos AC a Corriente Directa o DC. Esto puede lograrse utilizando Diodos. Un diodo es un dispositivo de dos terminales que normalmente permite que la corriente fluya en una dirección solamente. Actúa como un interruptor electrónico de luz y está encendido (conduciendo) o apagado (no conduciendo). Puede incluso compararse con un válvula Check mecánica que permite al fluido viajar solamente en una dirección. El diodo tiene una terminal positiva y negativa. El ánodo es (+) y el cátodo es (-).
Ánodo + Cátodo El diodo debe estar “redireccionadamente” polarizado para hacer la conducción. Redireccionadamente polarizado significa que el potencial eléctrico aplicado al ánodo es más positivo que el aplicado al cátodo.
E em lo: Ánodo Cátodo 1) 2) 3) 4)
+10v +5v -4.5v -10v
0v +4.5v +3v +10v
Conduciría el diodo
or ué?
1) Sí, el ánodo es positivo con respecto al cátodo y el ánodo es de .7v, mayor que el cátodo. 2) El diodo está “redireccionadamente” polarizado pero sólo conduciría si está fabricado de Germanio debido a que el ánodo es solamente .5v mayor que el cátodo. 3 &4) No, ambos están inversamente polarizados y no conducirían. Un +3v es mayor que -4.5v y +10v es mayor que -10v.
Existen dos teorías “aceptadas” que explican cómo fluye la corriente en un circuito. Sólo recuerde que, cualquiera que sea la teoría que decida seguir, las mismas reglas para polarización y conducción aplican a ambas:
•
Flujo Convencional
10
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
El Flujo Convencional, también conocido como flujo de orificio, establece que la corriente fluye del potencial positivo hacia el potencial negativo. Esta teoría a menudo es enseñada en la milicia y divisiones del gobierno.
Ánodo + Cátodo Flujo de Corriente Î •
Flujo de Electrones El Flujo de Electrones es más comúnmente enseñado en la universidad. Este indica que el electrón negativamente cargado es atraido o jalado hacia el ánodo positivamente cargado. Esto significa que los electrones fluyen del Cátodo al Ánodo.
Ánodo + Cátodo Í Flujo de Corriente
11
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Rectificación de Media Onda
Î
Entrada de 220v “RMS” AC ó 311,08 Vpk
-
Ï
+ No hay
Í
Í
Ð
Salida DC Resultante
Observe que cuando la rectificación de media onda Ð se utiliza, sólo la mitad de la señal AC llega a la carga (VL).
La fórmula para convertir AC a DC en un rectificador de media onda utilizando el valor pico de osciloscopio es: Vdc “Promedio” = Vpk x .318 =311,08 x .318 = 98.92 Nota: el de arriba no es un valor RMS. Es la elevación y caída promedio de una onda de seno pero sólo para una mitad del ciclo. Cuando el medio ciclo negativo de la señal AC Equivalente de RMS: es aplicado al ánodo de D1, el diodo es Vdc “RMS” = (Vpk x .707)/2 = 109,96 inversamente olarizado no conduce.
Cuando el medio ciclo positivo de la señal AC es aplicado al ánodo de D1, el diodo es redireccionadamente polarizado y hace la conducción. El flujo de corriente se muestra utilizando la teoría del flujo convencional
12
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Rectificación de Onda Completa sin Aislamiento
ÏEntrada de 220v “RMS” AC ó 311.08 Vpk
X +
+Î -Í
Î +
-
Î
Î Î
Î
XÏ Ï
-Í Í +Î + Î-
X -
Ï
Salida DC Resultante
ÐÐ
X +
Í
Ï Í Í Í Í Í
Observe que durante el medio ciclo positivo D1 & D4 están redireccionadamente polarizados, en tanto que D2 & D3 están inversamente polarizados. El flujo de corriente se muestra utilizando la teoría del flujo convencional de (+) a(-)
13
Los dos medios ciclos son rectificados a DC con rectificación de onda completa
Calculando DC utilizando: Osciloscopio: Vdc “Promedio” = Vpk x .636 = 155.54 x .636 = 98.92 Equivalente de RMS : Vdc “RMS” = Vpk x .707 = 110 Nota: Si utiliza usted un medidor digital leeríamos el valor de RMS.
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Rectificación de Onda Completa con Aislamiento
Utilizando un transformador con derivación central, podemos aislar el circuito primario del circuito secundario. Esta técnica es a menudo utilizada para reducir el voltaje como se muestra abajo.
2:1 Entrada de “pico” 311.08 v AC
+ +
Î
+ -
- +
X
Î
Í
Í
Í
Í
Î
X
Dado que el esquema del transformador no muestra un punto de faseo en el secundario, sabemos que la señal del secundario es invertida de ahí al primario. Esto significa que cuando el medio ciclo positivo está en la parte superior del lado primario del transformador, es acoplado de través a la parte inferior del secundario. D2 sería entonces redireccionadamente polarizado en tanto que D1 es Cuando el medio ciclo negativo está en la parte superior del lado primario del transformador, D1 se vuelve redireccionadamente polarizado y D2 es inversamente
14
Ð Señal DC A Través de la Carga
Î La Entrada de 311 voltios fue cambiada a través del transformador 2:1. La fórmula para convertir AC a DC sigue siendo la misma para cualquier tipo de rectificador de onda completa. ¿Cuál es el voltaje DC RMS a través de la carga? 311.08pk/2= 155.54pk 155.54pk x .707 = 110 RMS
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Pruebas de Diodos En tanto que el símbolo esquemático del diodo siempre es el mismo, el empaque real del diodo varía. El empaque puede variar de tablero de circuitos montado en estilo hockey puck. En todos los casos, la prueba del diodo se realiza mejor cuando el dispositivo es removido o aislado del circuito.
Medidor Digital Al utilizar un medido digital, ponga al medidor a checar el diodo y coloque el cable positivo del medidor en el ánodo y el cable negativo del medidor en el cátodo. Esto polariza redireccionadamente el diodo utilizando la energía de la batería del medidor. El .707 indica la caída del voltaje en un diodo tipo silicón. Cuando los cables del medidor son revertidos, un diodo bueno
Medidor Analógico Al utilizar un medidor analógico, ponga el medidor en revisión de ohmnios utilizando la escala x1. Coloque el cable positivo del medidor en el ánodo y el cable negativo del medidor en el cátodo. Esto polarizará redireccionadamente el diodo y hará que el medidor se desvíe hacia la lectura de una pequeña resistencia. Cuando se invierten los cables del medidor, la indicación
15
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Rectificador Trifásico de Puente
Llene la gráfica siguiente utilizando los diagramas que se suministran. “T1 al T8” representan momentos congelados en el tiempo, observe las fases cada vez para ver cuál es más positiva y negativa. Luego aplique lo que usted conoce acerca de las fases al puente y descubra qué diodos están conduciendo. Puede tomarle algunos minutos descubrirlo, así que vaya con calma.
16
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
2. Seguridad Cuidados con la electricidad
3.1. RIESGO ELECTRICO Es la posibilidad de circulación de corriente eléctrica a través del cuerpo humano. Para que esto suceda es necesario: - Que exista un circuito eléctrico - Que este circuito se encuentre cerrado o pueda cerrarse - Que el cuerpo humano sea conductor - Que el cuerpo humano forme parte del circuito - Que exista entre los puntos de entrada y salida una diferencia de potencial mayor que cero V>0
3.1. TIPOS DE RIESGOS ELECTRICOS Hay tres tipos de riesgos eléctricos:
a) CHOQUE - Cuando el cuerpo se convierte en parte del circuito Eléctrico, la corriente entra al cuerpo en un punto y debe salir por otro. - Como se produce: Contacto con ambos cables del circuito. Contacto con un cable del circuito y tierra. Contacto con una parte que está caliente o que está conectada a tierra por la corriente eléctrica.
b) ARCO - Es lo más caliente que hay en la faz de la tierra. - El arco eléctrico se forma entre los metales, puede llegar hasta los 35.000 grados F. - Las personas que se encuentran a varios metros pueden sufrir quemaduras severas o fatales. - Como se produce: Puede ocurrir debido a un contacto eléctrico deficiente o fallas en el aislamiento
c) 3. EXPLOSION Se asocia al arco eléctrico. Lo puede provocar la presión que desarrolla el calentamiento casi instantáneo del aire que rodea el arco y de la expansión del metal a medida que se vaporiza.
17
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
3.1. TIPOS DE CONTACTO ELECTRICO Contacto Directo Se produce cuando la persona entra en contacto con las partes activas de la instalación o equipos. Esto implica el paso de cantidades de corriente importantes, lo que agrava las consecuencias del choque. Contacto Indirecto Se produce cuando la persona entra en contacto con masas que no forman parte del circuito pero de algún modo han sido puestas accidentalmente en tensión. 3.1. CAUSAS DE ACCIDENTES ELECTRICOS Condiciones inseguras Defectos de instalación en líneas de alimentación de alta y baja tensión, circuitos sobrecargados, falta de conexión a tierra, sistemas de protección alterados, instalaciones auxiliares dañadas y/o defectuosas, herramientas impropias, etc. Actos inseguros Trabajar con líneas energizadas, no guardar las distancias mínimas, falta de instrucción en el trabajo, falta de experiencia, concepto errado de la valentía, falta de equipo de protección personal, etc. Un requisito evidente para que ocurra un accidente eléctrico es la existencia del riesgo, como consecuencia de una condición insegura, un acto inseguro o una combinación de ambos
3.1. EFECTOS DE LOS ACCIDENTES ELECTRICOS Estos efectos se pueden clasificar en tres tipos:
- Efectos Fisiológicos Directos 18
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Se refieren a las consecuencias inmediatas del choque eléctrico y su gravedad depende de la intensidad de corriente. Sus manifestaciones van desde sensaciones de hormigueo, asfixia o graves alteraciones del ritmo cardíaco como paros, embolias, fibrilación ventricular y otros.
- Efectos Fisiológicos Indirectos Son los trastornos que sobrevienen a continuación del choque eléctrico, alteran el funcionamiento del corazón o de otros órganos vitales, y producen quemaduras, pudiendo tener consecuencias mortales. - Efectos Secundarios Son los debidos a actos involuntarios de los individuos afectados por el choque eléctrico, como caídas de altura, golpes contra objetos, proyección de objetos, etc. 3.1. REGLAS BASICAS PARA REALIZAR TRABAJOS ELECTRICOS Corte efectivo de todas las fuentes de tensión Con el fin de aislar todas las fuentes de tensión que puedan alimentar la instalación en la que se opere, debe efectuarse la apertura de los circuitos en cada uno de los conductores, incluyendo el neutro. El corte efectivo puede ser visible y cuando ello no es posible, se lo indicará por medio de una señal luminosa u otra similar. Bloqueo de los aparatos de corte Se deben bloquear los aparatos de corte en posición de apertura o cierre según la naturaleza del trabajo, colocando a su vez una señalización de prohibición de maniobras. Comprobación de ausencia de tensión Se debe comprobar mediante los elementos adecuados para los distintos niveles de tensión, la ausencia de la misma, lo más cerca posible del punto de corte y en cada uno de los conductores. Verificación de la ausencia de tensión Control de la puesta fuera de servicio de la instalación donde se va a trabajar, detectar y asegurar por medio de un detector de tensión u otro instrumento para este cometido. Puesta a tierra y en corto circuito La puesta a tierra y en corto circuito se debe colocar lo más cerca posible del lugar de trabajo y en cada uno de los conductores sin tensión, incluyendo el neutro. Señalizar la zona de trabajo Debe señalizarse la zona de trabajo de forma adecuada, con el objeto de evitar errores en su identificación y acceso seguro a zonas colindantes con tensión. Reanudación de fuentes de tensión
19
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
No se debe restablecer el servicio al finalizar los trabajos, sin antes comprobar que no existen otras personas que continúen trabajando en la misma área o con los mismos equipos a energizar. Dar una señal verbal y/o visible de apertura de circuitos.
3.1. PRACTICAS RELACIONADAS A LA SEGURIDAD, LA PREVENCION Y EL CONTROL Tener solo personal capacitado y competente trabajando con los equipos eléctricos. Realizar entrenamientos constantes. Utilizar procedimientos de cierre eléctrico para todos los equipos. Iluminación adecuada y herramientas no conductoras. Utilizar instrumentos de verificación. Utilizar equipo de protección personal adecuado. Hacer inspecciones periódicas a todos los dispositivos de seguridad, para comprobar estado y uso.
CUIDADOS GENERALES - Todo equipo o elemento eléctrico debe ser adecuado para el trabajo a elaborar. - Los cables de energía eléctrica deben cumplir estrictamente las condiciones de seguridad para el servicio que serán destinados, debiendo tener en cuenta la sección de conductor en mm2, su aislamiento y flexibilidad. - Todos los cables conductores de electricidad deben mantenerse libres de aceites, solventes y líquidos, debiendo estar secos y protegidos de agresores mecánicos y atmosféricos. - Se sugiere establecer un sistema de mantenimiento preventivo como medio de control para cualquier equipo eléctrico portátil. -Al poner a tierra las herramientas o sistemas eléctricos se establece deliberadamente un camino de baja resistencia a tierra y por tanto un regreso a la fuente de corriente. Por ello todas las conexiones a tierra deben ser hechas por personal idóneo en electricidad y probar que en cada puesta a tierra, la resistencia sea suficientemente baja para proporcionar protección. - La electricidad y la humedad son enemigos irreconciliables, manténgase a distancia, no manipule nunca ni utilice aparatos eléctricos que se encuentren mojados, o con las manos mojadas, aísle su área de trabajo. - Nunca confíen en la electricidad, ni la vista, ni el olfato, ni el oído la detectan. Si observa alguna anomalía avise a los responsables. - Los aparatos, equipos e instalaciones con los que ha de trabajar, deben encontrarse siempre en buen estado. - Se deben aislar en baja tensión las partes conductoras desnudas bajo tensión, dentro de la zona de trabajo, mediante pantallas, fundas, capuchones, telas aislantes, etc., y en alta tensión siempre que no se cumplan las distancias mínimas de seguridad en instalaciones no protegidas. - No se restablecerá el servicio al finalizar los trabajos, sin comprobar que no existen personas trabajando. -Detenga su labor de trabajo: Si nota sensación de hormigueo al tocar un aparato o cable eléctrico, o si observa presencia de chispas o humo. - Cuando realizamos trabajos en tensión hay que considerar no sólo el riesgo de contacto eléctrico sino también la formación de arcos eléctricos por corto circuito, donde la temperatura del medio se puede elevar hasta 4000ºC.
20
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Se debe emplear en cada caso el E.P.P. o herramienta más adecuada: Ropa Ignífuga Calzados aislantes Gafas Inactínicas Casco Guantes aislantes de goma u homologados de cuero Alfombras o banquetas aislantes Vainas o caperuzas aislantes Comprobadores de tensión Herramientas aislantes homologadas Material de señalización (discos, barreras, etc.) - Cumple escrupulosamente las normas, precauciones de diseño y empleo de los equipos eléctricos que debe utilizar en sus labores de trabajo. - Evite que los cables de alimentación se pisen o se apoyen sobre aristas vivas, además no se debe tirar de los cables para mover o desplazar los aparatos o máquinas eléctricas. - No se deben utilizar herramientas eléctricas en atmósferas explosivas o clasificadas. Para estos casos es recomendable una herramienta neumática o con capacidades anti explosivas, o intrínsicamente seguras según aplique en cada instalación. - Toda herramienta o maquinaria eléctrica debe estar apagada antes de conectar o desconectar la fuente de energía. - Los fuegos producidos por equipo eléctrico, energizado o maquinaria eléctrica, como ser cables, fusibles, interruptores, cajas eléctricas, etc., solo pueden ser contrarestados con extintores de clase C con anhídrido carbónico o CO2, estos son gases no conductores eléctricos
RECUERDE Planifique cada trabajo. Anticipe eventos inesperados. Utilice procedimientos preventivos y correctivos. Identifique el riesgo. Minimice el riesgo. Pretéjase usted y a los que lo rodean.
RESCATE EN CASO DE ACCIDENTE CON CORRIENTE ELECTRICA Jamás debe tomar en forma directa a una persona que está en contacto con un circuito vivo o energizado. Corte la corriente en forma inmediata. Cuando el voltaje en contacto es menor a los 4000v se puede sostener y jalar a la victima con guantes de goma aislantes.
21
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Una vez desconectada la victima en caso de que su ropa este ardida se debe colocar a esta en posición horizontal para poder apagar las llamas. Si la victima no respira se debe aplicar la respiración boca a boca y si se presenta un paro cardiaco se debe complementar con el sistema de RCP (Reanimación cardio pulmonar), hasta que llegue la atención médica especializada.
Algunas heridas causadas por los descuidos con la electricidad
22
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
23
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
3. Componentes y sus símbolos
3.1. Condensadores Es un dispositivo que almacena energía en la forma de un campo eléctrico (es evidente cuando el capacitor funciona con corriente directa) y se llama capacitancia o capacidad a la cantidad de cargas eléctricas que es capaz de almacenar. Consisten básicamente de dos placas metálicas separadas por un material aislante (llamado dieléctrico). Este material dieléctrico puede ser aire, mica, papel, cerámica, etc. El valor de un capacitor se determina por la superficie de las placas y por la distancia entre ellas, la que está determinada por el espesor del dieléctrico, dicho valor se expresa en términos de capacidad. La unidad de medida de dicha capacidad es el faradio (F). Los valores de capacidad utilizados en la práctica son mucho más chicos que la unidad, por lo tanto, dichos valores estarán expresados en microfaradios (1 µF = 1 x 10-6 F), nanofaradios (1 η F = 1 x 10-9 F) o picofaradios (1 ρF = 1 x 10-12 F). Cuando se aplica una tensión continua entre las placas de un capacitor, no habrá circulación de corriente por el mismo, debido a la presencia del dieléctrico, pero se producirá una acumulación de carga eléctrica en las placas, polarizándose el capacitor. Una vez extraída la tensión aplicada, el capacitor permanecerá cargado debido a la atracción eléctrica entre las caras del mismo, si a continuación se cortocircuitan dichas caras, se producirá la descarga de las mismas, produciendo una corriente de descarga entre ambas. Si ahora le aplicamos una tensión alterna se someterá al capacitor a una tensión continua durante medio ciclo y a la misma tensión, pero en sentido inverso, durante la otra mitad del ciclo. El dieléctrico tendrá que soportar esfuerzos alternos que varían de sentido muy rápidamente, y por lo tanto, su polarización deberá cambiar conforme el campo eléctrico cambia su sentido, entonces si aumentamos la frecuencia el dieléctrico ya no podrá seguir estos cambios, produciéndose eventualmente una disminución en la capacidad. En síntesis, la capacidad de un capacitor disminuye conforme aumenta Los condensadores, al igual que las resistencias, se pueden conectar tanto en serie como en paralelo:
La capacidad equivalente serie es: CT = 1/(1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + ... + 1/Cn) 24
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Y la capacidad equivalente paralelo es: CT = C1 + C2 + C3 + ... + Cn Existe mucha variedad de capacitores a lo que a tipos se refiere. Existen los cerámicos, que están construidos normalmente por una base tubular de dicho material con sus superficies interior y exterior metalizadas con plata, sobre las cuales se encuentran los terminales del mismo. Se aplican tanto en bajas como en altas frecuencias. Otro tipo es el de plástico, que está fabricado con dos tiras de poliéster metalizado en una cara y arrolladas entre sí. Este tipo de capacitor se emplea a frecuencias bajas o medias. Con este tipo de capacitor se pueden conseguir capacidades elevadas a tensiones de hasta 1.000 V. También existen capacitores electrolíticos, los cuales presentan la mayor capacidad de todos para un determinado tamaño. Pueden ser de aluminio o de tántalo. Los primeros están formados por una hoja de dicho metal recubierta por una capa de óxido de aluminio que actúa como dieléctrico, sobre el óxido hay una lámina de papel embebido en un líquido conductor llamado electrolito y sobre ella una segunda lámina de aluminio. Son de polaridad fija, es decir que solamente pueden funcionar si se les aplica la tensión continua exterior con el positivo al ánodo correspondiente. Son usados en baja y media frecuencia. Los capacitores electrolíticos de tántalo son muy similares a los de aluminio.
Simbología
25
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
3.2.
AGOSTO DEL 2004
Bobinas
La bobina por su forma (espiras de alambre arrollados) almacena energía en forma de campo magnético. Todo cable por el que circula una corriente tiene a su alrededor un campo magnético generado por la mencionada corriente, siendo el sentido de flujo del campo magnético, el que establece la ley de la mano derecha (ver electromagnetismo). Al estar la bobina hecha de espiras de cable, el campo magnético circula por el centro de la bobina y cierra su camino por su parte exterior Una característica interesante de las bobinas es que se oponen a los cambios bruscos de la corriente que circula por ellas. Esto significa que a la hora de modificar la corriente que circula por ellas (ejemplo: ser conectada y desconectada a una fuente de poder de corriente directa), esta tratará de mantener su condición anterior. Las bobinas se miden en Henrios (H.), pudiendo encontrarse bobinas que se miden en MiliHenrios (mH). El valor que tiene una bobina depende de: • El número de espiras que tenga la bobina (a más vueltas mayor inductancia, o sea mayor valor
en Henrios). • El diámetro de las espiras (a mayor diámetro, mayor inductancia, o sea mayor valor en Henrios). • La longitud del cable de que está hecha la bobina. • El tipo de material de que esta hecho el núcleo, si es que lo tiene.
Aplicaciones Una de la aplicaciones más comunes de las bobinas y que forma parte de nuestra vida diaria es la bobina que se encuentra en nuestros autos y forma parte del sistema de ignición. • En los sistemas de iluminación con tubos fluorescentes existe un elemento adicional que
acompaña al tubo y que comúnmente se llama balastro • En las fuentes de alimentación también se usan bobinas para filtrar componentes de corriente alterna y solo obtener corriente continua en la salida
Símbolo de la bobina
26
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Simbología
27
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
3.3.
Corrientes Eléctricas
3.4.
Diodos
AGOSTO DEL 2004
Es el dispositivo semiconductor más sencillo y se puede encontrar, prácticamente en cualquier circuito electrónico. Los diodos se fabrican en versiones de silicio (la más utilizada) y de germanio. Constan de dos partes una llamada N y la otra llamada P, separados por una juntura también llamada barrera o unión . Esta barrera o unión es de 0.3 voltios en el germanio y de 0.6 voltios aproximadamente en el diodo de silicio. El diodo se puede hacer funcionar de 2 maneras diferentes:
Polarización directa: Es cuando la corriente que circula por el diodo sigue la ruta de la flecha (la del diodo), o sea del ánodo al cátodo. En este caso la corriente atraviesa el diodo con mucha facilidad comportándose prácticamente como un corto circuito.
28
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Diodo en polarización directa
Polarización inversa: Es cuando la corriente en el diodo desea circular en sentido opuesto a la flecha (la flecha del diodo), o se del cátodo al ánodo. En este caso la corriente no atraviesa el diodo, y se comporta prácticamente como un circuito abierto.
Diodo en polarización inversa
Aplicaciones del diodo: Los diodos tienen muchas aplicaciones, pero una de la más comunes es el proceso de conversión de corriente alterna (C.A.) a corriente continua (C.C.). En este caso se utiliza el diodo como rectificador. Simbología
29
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
30
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
3.5.
AGOSTO DEL 2004
Fusibles
El fusible es un dispositivo de seguridad utilizado para proteger, un circuito eléctrico de un exceso de corriente.
31
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
3.6.
AGOSTO DEL 2004
Interruptores Pulsadores
32
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
3.7.
AGOSTO DEL 2004
Líneas y Conductores
33
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
34
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
3.8.
AGOSTO DEL 2004
Reles
El Relé es un interruptor operado magnéticamente. Este se activa o desactiva (dependiendo de la conexión) cuando el electroimán (que forma parte del Relé) es energizado (le damos el voltaje para que funcione). Esta operación causa que exista conexión o no, entre dos o más terminales del dispositivo (el Relé). Esta conexión se logra con la atracción o repulsión de un pequeño brazo, llamado armadura, por el electroimán. Este pequeño brazo conecta o desconecta los terminales antes mencionados.
Ejemplo Si el electroimán está activo jala el brazo (armadura) y conecta los puntos C y D. Si el electroimán se desactiva, conecta los puntos D y E. De esta manera se puede tener algo conectado, cuando el electroimán está activo, y otra cosa conectada, cuando está inactivo
Es importante saber cual es la resistencia del bobinado del electroimán (lo que esta entre los terminales A y B) que activa el relé y con cuanto voltaje este se activa. Este voltaje y esta resistencia nos informan que magnitud debe de tener la señal que activará el relé y cuanta corriente se debe suministrar a éste. La corriente se obtiene con ayuda de la Ley de Ohm: I = V / R. donde: • I es la corriente necesaria para activar el relé • V es el voltaje para activar el relé • R es la resistencia del bobinado del relé
Ventajas del Relé: • Permite el control de un dispositivo a distancia. No se necesita estar junto al dispositivo para
hacerlo funcionar. 35
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
• El Relé es activado con poca corriente, sin embargo puede activar grandes máquinas que
consumen gran cantidad de corriente. • Con una sola señal de control, puedo controlar varios Relés a la vez.
Simbología
36
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
3.9. Resistencias Resistencia, es la propiedad de un objeto o sustancia que hace que se resista u oponga al paso de una corriente eléctrica. La resistencia de un circuito eléctrico determina —según la llamada ley de Ohm— cuánta corriente fluye en el circuito cuando se le aplica un voltaje determinado. La unidad de resistencia es el ohmio, que es la resistencia de un conductor si es recorrido por una corriente de un amperio cuando se le aplica una tensión de 1 voltio. La abreviatura habitual para la resistencia eléctrica es R, y el símbolo del ohmio es la letra griega omega, Ù. En algunos cálculos eléctricos se emplea el inverso de la resistencia, 1/R, que se denomina conductancia y se representa por G. La unidad de conductancia es siemens, cuyo símbolo es S. Aún puede encontrarse en ciertas obras la denominación antigua de esta unidad, mho. La resistencia de un conductor viene determinada por una propiedad de la sustancia que lo compone, conocida como conductividad, por la longitud por la superficie transversal del objeto, así como por la temperatura. A una temperatura dada, la resistencia es proporcional a la longitud del conductor e inversamente proporcional a su conductividad y a su superficie transversal. Generalmente, la resistencia de un material aumenta cuando crece la temperatura. La resistencia es uno de los componentes imprescindibles en la construcción de cualquier equipo electrónico, ya que permite distribuir adecuadamente la tensión y corriente eléctrica a todos los puntos necesarios. El valor de la resistencia se expresa en ohm, al cual representamos con el símbolo .Ω Si sometemos los extremos de una resistencia al paso de una corriente continua se producirá en la misma una caída de tensión proporcional a su valor. La intensidad que la atraviese será también proporcional a la tensión aplicada y al valor en ohms de la resistencia. Para calcular dicha relación no hay mas que aplicar la Ley de Ohm: I=V/R. Hay dos formas de asociar resistencias en un circuito: asociación serie y asociación paralelo:
La resistencia equivalente de la combinación serie es: R T = R 1 + R 2 + R 3 + ... + R n lo cual nos indica que una sola resistencia de valor R T se comportará de la misma forma que las n resistencias R 1, R 2, R 3 ... R n conectadas en serie. Si la combinación es paralelo entonces la resistencia equivalente es: R T = 1/(1/R 1 + 1/R 2 + 1/R 3 + ... + 1/R n)
37
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Igualmente que en la asociación serie, R 1, R 2, R 3 ... R n. Nótese que siempre el valor de la resistencia R T de una asociación paralelo es menor que la menor R n del paralelo. Las resistencias tienen un código de colores que indica su valor. Este código está compuesto por bandas de colores divididas en dos grupos; el primero consiste de tres o cuatro de estas bandas, de las cuales las primeras dos o tres indican el valor nominal de la resistencia y la última es un multiplicador para obtener la escala. El segundo grupo está compuesto por una sola banda y es la tolerancia expresada en porciento, dicha tolerancia nos da el campo de valores dentro del cual se encuentra el valor correcto de la resistencia.
38
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Simbología
3.10
Transistores Un transistor (la contracción de transfer resistor , transferencia de resistencia) es un dispositivo semiconductor con tres terminales utilizado como amplificador e interruptor en el que una pequeña corriente o tensión aplicada a uno de los terminales controla o modula la corriente entre los otros dos terminales. Es el componente fundamental de la moderna electrónica, tanto digital como analógica. En los circuitos digitales se usan como interruptores, y disposiciones especiales de transistores configuran las puertas lógicas, memorias RAM y otros dispositivos; en los circuitos analógicos se usan principalmente como amplificadores. El transistor bipolar tiene tres partes, como el triodo. Una que emite electrones (emisor), otra que los recibe o recolecta (colector) y la tercera, que esta intercalada entre las dos primeras, modula el paso de dichos electrones (base). Su funcionamiento es análogo al del triodo, por lo que es aconsejable leer lo que se dice en dicho artículo.
39
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
En los transistores bipolares, una pequeña señal eléctrica aplicada entre la base y emisor modula la corriente que circula entre emisor y colector. La señal base-emisor puede ser muy pequeña en comparación con la emisor-colector. La corriente emisor-colector es aproximadamente de la misma forma que la base-emisor pero amplificada en un factor de amplificación "Beta". El transistor se utiliza, por tanto, como amplificador. Además, como todo amplificador puede oscilar, puede usarse como oscilador y también como rectificador y como conmutador on-off. El transistor también funciona, por tanto, como un interruptor electrónico, siendo esta propiedad aplicada en la electrónica en el diseño de algunos tipos de memorias y de otros circuitos como controladores de motores de DC y de pasos.
Simbología
40
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
3.4 Simbología General
41
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
42
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
4.
AGOSTO DEL 2004
Manejo del Multimetro y Herramientas
El multímetro digital, también llamado polímetro, es un aparato que permite realizar distintas medidas en un circuito eléctrico. Permite medir la diferencia de potencial (llamado voltaje o caída de tensión) existente entre dos puntos del circuito eléctrico. También se puede utilizar para medir la intensidad de corriente que recorre los circuitos. Todas estas medidas se pueden hacer tanto con corriente continua como con corriente alterna. Otras posibilidades que proporciona es la medida de la resistencia eléctrica de los componentes eléctricos y algunas otras propiedades de algunos dispositivos electrónicos.
4.1.
Medida de Intensidades
La disposición del multímetro en el circuito debe ser la siguiente: El cable negro de entrada se debe situar en la clavija COM (3), y el cable rojo en la conexión marcada con las letras V ΩmA (4) . Colocar el interruptor (1) en la posición de amperímetro A. El multímetro deberá ponerse en serie con el circuito empleado, de manera que toda la corriente que circule por el circuito pase a través del multímetro. La medida que aparece en la pantalla digital será el valor de la intensidad de corriente. Las unidades de la medida serán las de la posición en que se encuentre el selector del tipo de operación. Es decir, si está en la posición de 200 mA, la medida que obtendremos será el número de miliamperios que indique la pantalla. El número 200 del selector indica el valor máximo de intensidad de corriente que se puede medir con esa escala. Si en la pantalla aparece un uno seguido de un punto y de espacios en blanco, esto quiere decir que la escala que utilizamos es pequeña para la medida que hacemos. Se deberá entonces pasar a una escala mayor.
43
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
4.2.
AGOSTO DEL 2004
Medida de diferencias de Potencial
La disposición del multímetro en el circuito debe ser la siguiente: : El cable negro de medida se debe situar en la clavija COM (3), y el cable rojo en la conexión marcada con las letras V ΩmA (4) . Colocar el interruptor (1) en la posición de voltímetro V=. El multímetro deberá ponerse en paralelo con el circuito empleado. La interpretación de la medida que aparece en el polímetro será similar a como se ha indicado para las medidas de intensidad.
4.3.
Medida de Resistencias
La disposición del multímetro en el circuito debe ser la siguiente: : El cable negro de medida se debe situar en la clavija COM (3), y el otro en la conexión marcada con las letras V ΩmA (4) . Colocar el interruptor (1) en la posición de ohmímetro Ω. Para medir la resistencia de un elemento es necesario desconectarlo del circuito. Los cables del polímetro se ponen en los extremos del elemento a medir. La interpretación de la medida que aparece en el polímetro será similar a como se ha indicado para las medidas de intensidad.
Nota: En todos los aparatos de medida hay que empezar utilizando las escalas mayores y posteriormente se va reduciendo hasta que tenemos una medida con un número de decimales suficiente. Después de utilizar el aparato de medida, dejarlo en la posición OFF para evitar que se gaste la pila del instrumento o
o
44
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
4.4 Pinzas Amperométricas
Se utilizan para medir corriente o intensidad, no se requiere desconexión ni intervención del circuito eléctrica, ya que traduce el campo magnético que genera el flujo de corriente en intensidad de corriente
4.5 PRACTICAS Rectificador de media onda P 3.3.1 Montamos el circuito rectificador de media onda siguiendo el esquema:
pero sin el condensador de 22uF. En el channel 1 visualizamos la tensión en bornas del generador y la almacenamos en REF3. 45
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
En el channel 2 hacemos lo mismo con la tensión de salida del circuito. Gráficamente son diferentes. En el menú medidas vemos el Valor medio de la tensión de salida: -168mV Almacenamos la forma de onda de la tensión de salida en REF1
P 3.3.1.2 Ponemos el condensador de 22 uF en el circuito y tras medir la tensión de salida la comparamos con la REF 1 y REF 3. Observamos una variación al cabo de un tiempo y, tras haberla medido, almacenamos en REF 2 la forma de onda de salida. Su valor pico a pico es de: 408 mV El nuevo valor medio (con el condensador) es de: -15,8 mV Como nos salen componentes negativas el profesor sugiere cambiar la sonda, la cambiamos y no varía el resultado, luego puede ser debido a un malfuncionamiento del aparato.
Rectificador de onda completa P 3.3.2.1 Montamos el puente rectificador de onda siguiente
sin el condensador de 22uF.
46
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Recuperamos la forma de onda de la tensión de entrada que guardamos en REF3 y con el canal 1 mostramos la tensión de salida. -El diodo no deja pasar la corriente cuando la polaridad es negativa. -Elimina todos los niveles negativos y por lo tanto aumenta el promedio. El valor medio de la tensión de salida es 2,48V, lo comparamos con el obtenido en 3.3.1.1. y vemos que éste es mayor. Almacenamos esa forma de onda en REF4
P 3.3.2.2 Incluimos ahora el condensador de 22 uF y lo observamos en la pantalla junto con REF3 y REF4. Medimos con los cursores el valor pico a pico: 660 mV El Valor Medio: 2,70 V La V de salida: 4,20V Y lo guardamos en Ref 1. Calculamos ahora la eficiencia de rectificación E(%) y el cociente de rizado R (%) E(%) = E(%) = R(%)=
Prueba de resistencias La medición de resistencias se basa en la medida de la corriente que circula por el componente bajo prueba, cuando se le aplica una tensión conocida; dicho componente no debe estar sometido a tensión alguna, que no sea la generada por el propio instrumento, mientras se este realizando la medición. Leyendo el código de colores del elemento se puede saber cual es la lectura que se debe obtener, al medir el componente con un multímetro, luego se coloca la llave selectora del instrumento en la posición adecuada, se ajusta el "cero ohm" con el potenciómetro del multímetro, juntando las puntas de prueba y se mide el componente colocando una punta de prueba en cada terminal del resistor "sin tocar ambas puntas con las manos" (como requisito indispensable el técnico debe saber manejar el 47
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
instrumento de medida). Si el valor del resistor no coincidiera con el que indica el código de colores, significa que el componente está en mal estado. Los resistores normalmente "se abren", es decir, presentan resistencias muy elevadas al deteriorarse.
Capacitores de bajo valor
La prueba de capacitores de bajo valor se limita a saber si los mismos están o no en cortocircuito. Valores por debajo de 100nf en general no son detectados por el multímetro y con el mismo en posición R×1k se puede saber si el capacitor esta en cortocircuito o no según muestra la figura.
Si el capacitor posee resistencia infinita significa que el componente no posee pérdidas excesivas ni está en cortocircuito. Generalmente esta indicación es suficiente para considerar que el capacitor está, en buen estado pero en algún caso podría ocurrir que el elemento estuviera "abierto", o que un terminal en el interior del capacitor no hiciera contacto con la placa. Para confirmar con seguridad el estado del capacitor e incluso conocer su valor, se puede emplear el circuito de la figura.
Para conocer el valor de la capacidad se deben seguir los pasos que se describen a continuación: 1. Armado el circuito se mide la tensión V1 y se anota.
48
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
2. Se calcula la corriente por el resistor que será la misma que atraviesa el capacitor por estar ambos elementos en serie I = V1 / R 3. Se mide la tensión V2 y se anota. 4. Se calcula la reactancia capacitiva del componente en medición XC = V2 / I 5. Se calcula el valor de la capacidad del capacitor con los valores obtenidos C = 1 / [ XC . 6 , 28 . f ]
Observaciones Se debe emplear un solo voltímetro. La frecuencia será 60Hz para Venezuela, para otros países será la correspondiente a la red eléctrica, ya que el transformador se conecta a la red de energía eléctrica. Elegir el valor de R según el valor del capacitor a medir (ver tabla)
Capacidad a medir 0 , 01uf < Cx < 0 , 5uf Cx orden de los nanofarad Cx mayores hasta 10uf
Resistencia serie 10K 100K 1K
Con este método pueden medirse capacitores cuyos valores estén comprendidos entre 0 , 01uf y 0 , 5uf. Si se desean medir capacidades menores debe tenerse en cuenta la resistencia que posee el multímetro usado como voltímetro cuando se efectúe la medición. Para medir capacidades mayores debe tenerse en cuenta que los capacitores sean no polarizados, debido a que la prueba se realiza con corriente alterna. Capacitores electrolíticos
Los capacitores electrolíticos pueden medirse directamente con el multímetro utilizado como ohmetro. Cuando se conecta un capacitor entre los terminales del multímetro, este hará que el componente se cargue con una constante de tiempo que depende de su capacidad y de la resistencia del multímetro. Por lo tanto la aguja deflexionará por completo y luego descenderá hasta cero indicando que el capacitor está cargado totalmente, ver figura.
49
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
El tiempo que tarda la aguja en descender hasta 0 dependerá del rango en que se encuentra el multímetro y de la capacidad del capacitor. En la prueba es conveniente respetar la tabla I.
TABLA I Valor del capacitor Hasta 5uf Hasta 22uf Hasta 220uf Mas de 220uf
Rango R×1k R×100 R×10 R×1
Si la aguja no se mueve indica que el capacitor está abierto, si va hasta cero sin retornar indica que está en cortocircuito y si retorna pero no a fondo de escala entonces el condensador tendrá fugas. En la medida que la capacidad del componente es mayor, es normal que sea menor la resistencia que debe indicar el instrumento. La tabla II indica la resistencia de pérdida que deberán tener los capacitores de buena calidad.
Capacitor 10uf 47uf 100uf 470uf 1000uf 4700uf
TABLA II Resistencia de pérdida Mayor que 5M Mayor que 1M Mayor que 700K Mayor que 400K Mayor que 200K Mayor que 50K
Se realizar la prueba dos veces, invirtiendo la conexión de las puntas de prueba del multímetro. Para la medición de la resistencia de pérdida interesa la que resulta menor según muestra la figura.
50
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Prueba de diodos Los diodos son componentes que conducen la corriente en un solo sentido, teniendo en cuenta esto se pueden probar con un multímetro en la posición óhmetro. El funcionamiento de tal aparato de medida se basa en la medición de la corriente que circula por el elemento bajo prueba. Es muy importante conocer la polaridad de la batería interna del los multímetros analógicos en los cuales la punta negra del multimetro corresponde al terminal positivo de la batería interna y la punta roja corresponde al terminal negativo de la batería.
Se empleará un multímetro analógico y las medidas se efectuarán colocando el instrumento en las escalas de resistencia y preferiblemente en las escalas ohm x 1, ohm x 10 ó también ohm x 100. Así cuando se intenta medir la resistencia de un diodo, se encontrarán dos valores totalmente distintos, según el sentido de las puntas. Si la punta roja (negativo) se conecta a la zona N (cátodo del diodo) y la punta negra a la P (ánodo), la unión se polariza en directo y se hace conductora. El valor concreto indicado por el instrumento no tiene significado alguno, salvo el de mostrar que por la unión circula corriente.
51
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Por el contrario, cuando la punta roja se conecta a la zona P (ánodo), y la negra a la zona N (cátodo), se esta aplicando una tensión inversa. La unión no conducirá, y esto será interpretado por el instrumento como una resistencia muy elevada.
Prueba de transistores Un transistor bipolar equivale a dos diodos en oposición (tiene dos uniones), por lo tanto las medidas deben realizarse sobre cada una de ellas por separado, pensando que el electrodo base es común a ambas direcciones.
Se empleará un multímetro analógico y las medidas se efectuarán colocando el instrumento en las escalas de resistencia y preferiblemente en las escalas ohm x 1, ohm x 10 ó también ohm x 100. Antes de aplicar las puntas al transistor es conveniente cerciorarse del tipo de éste, ya que si es NPN se 52
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
procederá de forma contraria que si se s e trata t rata de d e un PNP. Para el primer p rimer caso (NPN) se situará la punta negra (positivo) del multímetro sobre el terminal de la base y se aplicará la punta roja sobre las patillas correspondientes al emisor y colector. Con esto se habrá aplicado entre la base y el emisor o colector, una polarización directa, lo que traerá como consecuencia la entrada en conducción de ambas uniones, moviéndose la aguja del multímetro hasta indicar un cierto valor de resistencia, generalmente baja (algunos ohm) y que depende de muchos factores.
A continuación se invertirá la posición de las puntas del instrumento, colocando la punta roja (negativa) sobre la base y la punta negra sobre el emisor y después sobre el colector. De esta manera el transistor recibirá una tensión inversa sobre sus uniones con lo que circulará por él una corriente muy débil, traduciéndose en un pequeño o incluso nulo movimiento de la aguja. Si se tratara de un transistor PNP el método a seguir es justamente el opuesto al descrito, ya que las polaridades directas e inversas de las uniones son las contrarias a las del tipo NPN.
Las comprobaciones anteriores se completan con una medida, situando el multímetro entre los terminales de emisor y colector en las dos posibles combinaciones que puede existir; la indicación del instrumento será muy similar a la que se obtuvo en el caso de aplicar polarización inversa (alta resistencia), debido a que al dejar la base sin conexión el transistor estará bloqueado. Esta comprobación no debe olvidarse, ya que se puede detectar un cortocircuito entre emisor y colector y en muchas ocasiones no se descubre con las medidas anteriores.
53
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
54
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
5. 5.1.
AGOSTO DEL 2004
Circuitos y Leyes
Circuito Eléctrico
Se denomina Circuito eléctrico al trayecto o ruta de una corriente eléctrica. El término se utiliza principalmente para definir un trayecto continuo compuesto por conductores y dispositivos conductores, que incluye una fuente de fuerza electromotriz que transporta la corriente por el circuito. Un circuito de este tipo se denomina circuito cerrado, y aquéllos en los que el trayecto no es continuo se denominan abiertos. Un cortocircuito es un circuito en el que se efectúa una conexión directa, sin resistencia, inductancia ni capacitancia apreciables, entre los terminales de la fuente de fuerza electromotriz.
5.2.
Ley de Ohm
La corriente fluye por un circuito eléctrico siguiendo varias leyes definidas. La ley básica del flujo de la corriente es la ley de Ohm, así llamada en honor a su descubridor, el físico alemán Georg Ohm. Según la ley de Ohm, la cantidad de corriente que fluye por un circuito formado por resistencias puras es directamente proporcional a la fuerza electromotriz aplicada al circuito, e inversamente proporcional a la resistencia total del circuito. Esta ley suele expresarse mediante la fórmula I = V / R, siendo I la intensidad de corriente en amperios, V la fuerza electromotriz en voltios y R la resistencia en ohmios. La ley de Ohm se aplica a todos los circuitos eléctricos, tanto a los de corriente continua (CC) como a los de corriente alterna (CA), aunque para el análisis de circuitos complejos y circuitos de CA deben emplearse principios adicionales que incluyen inductancias y capacitancias.
55
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
3.1. Circuito Serie Se define un circuito serie como aquel circuito en el que la corriente eléctrica solo tiene un solo camino para llegar al punto de partida, sin importar los elementos intermedios. En el caso concreto de solo arreglos de resistencias la corriente eléctrica es la misma en todos los puntos del circuito.
Donde Ii es la corriente en la resistencia R i , V el voltaje de la fuente. Aquí observamos que en general:
3.1. Circuito Paralelo Se define un circuito paralelo como aquel circuito en el que la corriente eléctrica se bifurca en cada nodo. Su característica más importante es el hecho de que el potencial en cada elemento del circuito tienen la misma diferencia de potencial.
56
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
5.3. Leyes de Kirchhoff Si un circuito tiene un número de derivaciones interconectadas, es necesario aplicar otras dos leyes para obtener el flujo de corriente que recorre las distintas derivaciones. Estas leyes, descubiertas por el físico alemán Gustav Robert Kirchhoff, son conocidas como las leyes de Kirchhoff. La primera, la ley de los nudos, enuncia que en cualquier unión en un circuito a través del cual fluye una corriente constante, la suma de las intensidades que llegan a un nudo es igual a la suma de las intensidades que salen del mismo. La segunda ley, la ley de las mallas afirma que, comenzando por cualquier punto de una red y siguiendo cualquier trayecto cerrado de vuelta al punto inicial, la suma neta de las fuerzas electromotrices halladas será igual a la suma neta de los productos de las resistencias halladas y de las intensidades que fluyen a través de ellas. Esta segunda ley es sencillamente una ampliación de la ley de Ohm.
57
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
58
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
6. Mediciones y Cálculos La mayoría de los parámetros eléctricos se pueden calcular con las siguientes tablas
FORMULAS ELECTRICAS PARA DETERMINAR AMPERE, CABALLOS DE FUERZA, KILOWATTS Y KVA
Para encontrar
Corriente Directa
Amperes cuando se conoce HP Amperes cuando se conoce Kw Amperes cuando se conoce KVA
HPx745 Ex%Eff.
Kilowatts KVA
Kw x 1000 E
I xE 1000
Una-Fase HPx 746 Ex%Eff.x P.F.
Corriente Alterna Dos-Fases 4hilos Tres-Fases HPx 746 HPx 746 2xEx%Eff.x P.F. 1.73xEx%Eff.x P.F.
Kw x 1000 E x P.F.
Kw x 1000 2 x E x P.F.
Kw x 1000 1.73 x E x P.F.
KVA x 1000 E
KVA x 1000 2xE
KVA x 1000 1.73 x E
I x E x P.F. 1000 I xE 1000 IxEx% Eff.x P.F 746
I x Ex 2x P.F. 1000 I x Ex 2 1000 I x E x 2x % Eff.x P.F 746
I x E x 1.73 x P.F. 1000 I x E x 1.73 1000 I x E x 1.73x% Eff.x P.F 746
Caballos de I x E x % Eff. Fuerza( 746 Salida ) I = Amperes; E = Voltaje; %Eff. = Porcentaje de Eficiencia; P.F. = Factor de Potencia; Kw = Kilowatts; KVA= Kilovolt-Amperes; HP= Caballos de fuerza.
59
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
TABLA PRACTICA AWG
No. AWG
DIAM. mm
SECCION mm2
500 400 300 250 ´0000 ´000 ´00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44
20.60 18.44 12.27 15.77 11.7 10.4 9.3 8.3 7.3 6.5 5.8 5.2 4.6 4.1 3.7 3.3 2.91 2.59 2.30 2.05 1.83 1.63 1.45 1.29 1.15 1.02 0.19 0.801 0.72 0.64 0.57 0.51 0.456 0.405 0.361 0.321 0.286 0.255 0.227 0.202 0.180 0.160 0.143 0.127 0.113 0.101 0.090 0.080 0.070 0.060 0.050 0.040
253 203.00 152 126.70 107.00 85.00 67.4 53.5 42.4 33.6 26.7 21.2 16.8 13.3 10.5 8.37 6.63 5.26 4.11 3.31 2.62 2.08 1.65 1.31 1.04 0.823 0.653 0.518 0.411 0.326 0.258 0.205 0.162 0.129 0.102 0.0801 0.0642 0.0509 0.0404 0.0320 0.0254 0.0201 0.0160 0.0127 0.0100 0.0080 0.0063 0.0050 0.0038 0.0028 0.0020 0.0013
Km. 25° C Ω
0.164 0.207 0.261 0.329 0.415 0.523 0.659 0.831 1.05 1.32 1.67 2.10 2.65 3.34 4.21 5.31 6.70 8.45 10.7 13.4 16.9 21.4 26.9 34.0 42.8 54.0 68.1 85.9 108.0 137.0 172.0 217.0 274.0 345.0 435.0 549.0 692.0 873.0 1100.0 1390.0 1750.0 2210.0 2780.0 3510.0
60
Kg/K m
953.0 756.0 599.0 475.0 377.0 299.0 237 188.0 149.0 118.0 93.7 74.4 58.9 46.8 37.1 29.4 23.3 18.5 14.7 11.6 9.23 7.32 5.80 4.60 3.65 2.89 2.30 1.82 1.44 1.14 0.908 0.720 0.571 0.453 0.359 0.285 0.266 0.179 0.142 0.113 0.0893 0.0708 0.0562 0.0445
con esmalte mm.
3.41 3.02 2.69 2.41 2.13 1.92 1.73 1.54 1.38 1.24 1.10 0.98 0.88 0.80 0.70 0.63 0.57 0.51 0.45 0.41 0.37 0.34 0.30 0.27 0.24 0.22 0.19 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.09
Capac.Conduct Aprox. En amps.
515 455 375 340 300 213 175 130 110 90 75 70 55 50 45 33 28 25 20 18 16 13 10 8 4 3 2 1.8 1.5 1.2 1.0 0.8 0.6 0.55 0.45 0.40 0.30 0.25 0.20 0.15 0.12 0.11 0.09 0.07 0.06 0.04 0.03 0.02
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
7.
AGOSTO DEL 2004
Búsqueda de fallas
Las fallas que se producen en un Sistema de de Energía Eléctrica se despejan (aíslan) mediante la actuación de sistemas automáticos (Protecciones), los cuales producen la salida de servicio de uno o más segmentos comprometidos por la falla.
Una regla básica de todo diagnóstico es que debemos verificar primero las salidas de un sistema. Si un sistema entrega las salidas correctas entonces la lógica nos dice que las entradas deben ser también correctas. Verificar a través del Multimetro en la entrada de alimentación de voltaje para cerciorarse si el sistema se encuentra energizado revisando previamente la polarizacion de en la entrada de alimentación en cualquier sistema eléctrico-electrónico.
Esquema de de razonamiento El Sistema para analizar la falla y emitir un diagnóstico, necesita conocer los siguientes datos: . Alarmas generadas por el Sistema de Protecciones. . El movimiento de los interruptores. . El tiempo expresado en hora, minuto, segundo y mseg. de los eventos mencionados. Una vez obtenido estos datos, se debe: . Identificar el tipo de falla. . Identificar el probable origen de la falla. . Analizar y diagnosticar el comportamiento de las Protecciones. El primer paso que debe realizar el Sistema luego de ocurrida una falla, es seleccionar sólo los eventos que resulten relevantes para el análisis del fenómeno ocurrido. Los eventos relevantes para el análisis consisten en las alarmas de las protecciones actuantes y el movimiento de los interruptores. El probable origen de la falla, se refiere al fenómeno físico causante de la falla eléctrica. La experiencia ha demostrado que existe cierto comportamiento característico de estos fenómenos, que se ven reflejados en los eventos que registran la falla. Una adecuada lectura de estos patrones permite deducir con cierta aproximación, el fenómeno físico originario de la falla. Este es un conocimiento de tipo especulativo o hipotético que depende en gran medida de la experiencia del experto. El análisis del comportamiento de la protección consiste en definir si la protección actuó en forma correcta ante la falla. Las anormalidades son detectadas analizando el comportamiento del sistema de protección, cuando este actúa para eliminar una falla.
61
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
8.
AGOSTO DEL 2004
Arranque de Motores AC con Variadores de de Velocidad y Arranques suaves A continuación el arranque típico directo de un motor como recordatorio
T3
L3
480
M
480
L2
T2 M
480
L1
Motor
T1
M H1
H2
X1
X2
PARO
ARRANQUE
O.L. M
M 120V
62
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
8.1 Los Variadores de Frecuencia
El suministro de AC a la izquierda de la figura entra al drive cuando el conjunto abierto de contactos se cierra, permitiendo a la energía de AC, entrar al convertidor de diodos. Esto inicia el proceso de pre-carga. El convertidor de diodo es considerado pasivo, no requiere ningún control adicional después de la pre-carga. Cuando los circuitos de control del drive detectan un comando de arranque, a través de una palanca de mando, la “HIM” (interfase humano máquina) o cualquier otro medio, el inversor se vuelve operacional y el motor gira. El convertidor rectifica la energía AC en Energía DC. 3 phase AC DC es aplicada ahora al Bus. Este voltaje de bus es Encoder filtrado por un banco capacitor y aplicado a la sección del
Para que se utiliza el Variador de frecuencia ? El motor de corriente alterna, a pesar de ser un motor robusto, de poco mantenimiento, li viano e ideal para la mayoría de las aplicaciones industriales, tiene el inconveniente de ser un motor rígido en cuanto a su velocidad. La velocidad del motor asincrónico depende de la forma constructiva del motor y de la frecuencia de alimentación. Como la frecuencia de alimentación que entregan las Compañías de electricidad es constante, la velocidad de los motores asincrónicos es constante, salvo que se varíe el número de polos, el resbalamiento o la frecuencia. El método más eficiente de controlar la velocidad de un motor eléctrico es por medio de un variador electrónico de frecuencia. No se requieren m otores especiales, son mucho más eficientes y tienen precios cada vez más competitivos. El variador de frecuencia regula la frecuencia del voltaje aplicado al motor, logrando modificar su velocidad. Sin embargo, simultáneamente con el cambio de frecuencia, debe variarse el voltaje aplicado al motor para evitar la saturación del flujo magnético con una elevación de la corriente que dañaría el motor.
Como está compuesto un variador de frecuencia ? Los variadores de frecuencia están compuestos por :
63
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
• Etapa Rectificadora. Convierte la tensión alterna en continua mediante rectificadores de diodos, tiristores, etc.
• Etapa intermedia. Filtro para suavizar la tensión rectificada y reducir la emisión de armónicos. • Inversor o "Inverter". Convierte la tensión continua en otra de tensión y frecuencia variable mediante la generación de pulsos. Actualmente se emplean IGBT´s (Isolated Gate Bipolar Transistors) para generar los pulsos controlados de tensión. Los equipos más modernos utilizan IGBT´s inteligentes que incorporan un microprocesador con todas las protecciones por sobrecorriente, sobretensión, baja tensión, cortocircuitos, puesta a masa del motor, sobretemperaturas, etc.
• Etapa de control. Esta etapa controla los IGBT para generar los pulsos variables de tensión y frecuencia. Y además controla los parámetros externos en ge neral, etc. Los variadores mas utilizados utilizan modulación PWM (Modulación de Ancho de Pulsos) y usan en la etapa rectificadora puente de diodos rectificadores. En la etapa intermedia se usan condensadores y bobinas para disminuir las armónicas y mejorar el factor de potencia. Los fabricante que utilizan bobinas en la línea en lugar del circuito intermedio, pero tienen la desventaja de ocupar más espacio y disminuir la eficiencia del variador. El Inversor o Inverter convierte la tensión continua de la etapa intermedia en una tensión de frecuencia y tensión variables. Los IGBT envían pulsos de duración variable y se obtiene una corriente casi senoidal en el motor. La frecuencia portadora de los IGBT se encuentra entre 2 a 16kHz. Una portadora con alta frecuencia reduce el ruido acústico del motor pero disminuye el rendimiento del motor y la longitud permisible del cable hacia el motor. Por otra parte, los IGBT´s generan mayor calor. Las señales de control para arranque, parada y variación de velocidad (potenciómetro o señales externas de referencia) estén aisladas galvánicamente para evitar daños en sensores o controles y evitar ruidos en la etapa de control.
Aplicaciones de los Variadores de frecuencia Los variadores de frecuencia tienen sus principales aplicaciones en los siguientes tipos de máquinas:
• Transportadoras. Controlan y sincronizan la velocidad de producción de acuerdo al tipo de producto que se transporta, para dosificar, para evitar ruidos y golpes en transporte de botellas y envases, para arrancar suavemente y evitar la caída del producto que se transporta, etc.
• Bombas y ventiladores centrífugos. Controlan el caudal, uso en sistemas de presión constante y volumen variable. En este caso se obtiene un gran ahorro de energía porque el consumo varía con el cubo de la velocidad, o sea que para la mitad de la vel ocidad, el consumo es la octava parte de la nominal.
• Bombas de desplazamiento positivo. Control de caudal y dosificación con precisión, controlando la velocidad. Por ejemplo en bombas de tornillo, bombas de engranajes. Para transporte de pulpa de fruta, pasta, concentrados mineros, aditivos químicos, chocolates, miel, barro, etc.
• Ascensores y elevadores. Para arranque y parada suaves manteniendo la cupla del motor constante, y diferentes velocidades para aplicaciones distintas.
• Extrusoras. Se obtiene una gran variación de velocidades y control total de de la cupla del motor. • Centrífugas. Se consigue un arranque suave evitando picos de corriente y velocidades de resonancia. • Prensas mecánicas y balancines. Se consiguen arranques suaves y mediante velocidades bajas en el inicio de la tarea, se evitan los desperdicios de materiales.
64
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
• Máquinas textiles. Para distintos tipos de materiales, inclusive para telas que no tienen un tejido simétrico se pueden obtener velocidades del tipo random para conseguir telas especiales.
• Compresores de aire. Se obtienen arranques suaves con máxima cupla y menor consumo de energía en el arranque.
• Pozos petroleros. Se usan para bombas de extracción con velocidades de acuerdo a las necesidades del pozo.
• Otras aplicaciones. Elevadores de cangilones, transportadores helicoidales, continuas de papel, máquinas herramientas, máquinas para soldadura, pantógrafos, máquinas para vidrios, fulones de curtiembres, secaderos de tabaco, clasificadoras de frutas, conformadoras de cables, trefiladoras de caños, laminadoras, mezcladoras, trefiladoras de perfiles de al uminio, cable, etc, trituradoras de minerales, trapiches de caña de azúcar, balanceadoras, molinos harineros, hornos giratorios de cemento, hornos de industrias alimenticias, puentes grúa, bancos de prueba, secadores industriales, tapadoras de envases, norias para frigoríficos, agitadores, cardeadoras, dosificadoras, dispersores, reactores, pailas, lavadoras industriales, lustradoras, molinos rotativos, pulidoras, fresas, bobinadoras y desbobinadoras, arenadoras, separadores, vibradores, cribas, locomotoras, vehículos eléctricos, escaleras mecánicas, aire acondicionado, portones automáticos, plataformas móviles, tornillos sinfin, válvulas rotativas, calandras, tejedoras, chipeadoras, extractores, posicionadores, etc.
65
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
8.4 Arranque Suave
El arrancador electrónico opera ajustando el voltaje aplicado al motor durante el arranque, las características características de la corriente y torque pueden pueden ser limitadas y controladas. 1/L1
Al utilizar seis SCR’s en configuración en oposición, el arrancador electrónico puede regular el voltaje aplicado al motor durante el arranque de 0 voltios hasta el voltaje de línea. A diferencia del Drive, la frecuencia de línea línea es siempre aplicada al motor. Sólo el el voltaje cambia.
12/T6
3/L2
8/T4 2/T1
5/L3
10/T5 4/T2
6/T3
M
La retroalimentación del motor al circuito de lógica l ógica que controla el disparo del SCR es necesaria para estabilizar la aceleración del motor.
66
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
9.
AGOSTO DEL 2004
Introducción a Sistemas digitales de control de procesos
Como todo proceso en evolución es casi imposible comprender plenamente el estado actual y las tendencias futuras si no se conoce el pasado. Lo que hoy se esta viviendo viviendo en el área de control de procesos industriales es la consecuencia de la suma e interrelación de distintos eventos que se fueron sucediendo de forma tal, que es probable que nadie haya pensado, pens ado, en su momento, que pudieran tener vinculación. vincu lación. Al técnico que se enfrente con la situación de aplicar o migrar hacia tecnologías digitales en plantas existentes ex istentes (tendencia (tend encia obligatoria para mantenerse ma ntenerse en el mercado en forma fo rma competitiva) le será sumamente conveniente entender los principios y las aplicaciones de las tecnologías anteriores, presentes y futuras posibles, a fin de lograr un resultado óptimo. El estado al que se arriba en el control industrial al día de hoy es la consecuencia de al menos tres procesos que se desarrollaron desa rrollaron en forma paralela: • La evolución de la industria de producción. • La evolución de la tecnología informática. • La evolución del control automático.
9.1.
La evolución de la industria de producción
A partir de la revolución industrial se desarrollaron dos tipos de industrias que podemos clasificar en:
Industrias Manufactureras: Aquellas en las que se producen en forma masiva unidades discretas idénticas, como ser : la industria del automóvil , la fabricación de galletas, de cacerolas, etc.
Industrias de Procesos Continuos: Aquellas en que se elaboran productos “a granel”, se caracterizan por tener importantes movimientos y almacenamientos de líquidos, gases, pastas y/o sólidos con eventuales cambios en sus condiciones fisicoquímicas. Son ejemplos de este tipo: la industria del petróleo (plantas de tratamiento, destilerías, etc.), la del gas, la industria química, etc. El proceso de automatización fue distinto para estos dos tipos de industrias. Las industrias de procesos continuos tuvieron, por sus características, necesidades que fueron el motor inicial del desarrollo de la instrumentación y el control automático.
67
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
El hecho de manejar elementos que se encuentran en tuberías, recipientes o equipos de procesos (no se “ve” fácilmente en su interior ) obligo a conocer el estado de los materiales infiriéndolos a partir de mediciones de las variables ( Presión, temperatura, nivel, etc.). Las necesidades de diseño de las plantas obligan a mantener las variables dentro de rangos determinados, en algunos casos en forma muy ajustada para obtener resultados adecuados. Las tareas de controlar las variables fueron ejecutadas en principio por el hombre en forma directa, visualizando el valor medido y actuando sobre elementos que hicieran que se minimizara la diferencia entre el valor indicado y el valor deseado. Las indicaciones de los valores de las variables fueron el primer paso el primer paso de la moderna automatización; a poco andar se comenzó a buscar mecanismos que reemplazaran al hombre en la tediosa tarea de controlar las variables (muchas veces las 24 horas del día) a la vez que hiciera la respuesta mas previsible (repetitiva y sin errores aleatorios ) El objetivo era el aumento de la eficiencia de las unidades operativas. Simultáneamente, las industrias manufactureras originaron largas cadenas de producción. A fin de mejorar rendimientos se busco disminuir al máximo los tiempos muertos y manejar etapas en paralelo. La automatización vino de la mano de los tableros de reles que, convenientemente diseñados, dirigían o ejecutaban distintos pasos del proceso productivo. Hoy, las cadenas de producción totalmente robotizadas muestran el resultado alcanzado en la búsqueda del objetivo original (similar al de la industria de procesos): aumento de productividad (rendimiento), respuesta previsible y flexibilidad. Ambos tipos de industria se caracteriza, al día de hoy, por la necesidad de integrarse con los sistemas administrativos y gerenciales. Cada vez son mayores los requerimientos de respuesta inmediata ante cambios de mercados o de precios de insumos. Esto se logra a través de la flexibilidad de los procesos productivos y la comunicación de datos en forma interactiva entre el sistema de control y la red informática administrativa.
9.2.
La evolución de la tecnología informática
La tecnología informática como hoy la conocemos también es consecuencia de una variada interrelación de fenómenos a través del tiempo. Hechos como el origen de la tarjeta perforada utilizada en telares automáticos allá por 1804, la fundación de IBM hacia 1920 ( con desarrollo de maquinas de calcular) el desarrollo de los triodos ( tubos de vació ) en 1906, se conjugaron para la creación de un gigantesco computador basado en tubos de vacío que requería para p ara su programación fijar f ijar mas de 6000 llaves y realizar un importante trabajo de cableado manual para interconectar la maquina. Un cálculo de 20 segundos requería más de dos días de ajuste y conexión. En el año 1974 la aparición del transistor (con un consumo 1.000.000 de veces menor al tubo de vació ) implico un 68
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
nuevo escalón en la tecnología electrónica. Durante la década del 50 se vivió el desarrollo de computadores transistorizados, continuando hasta el mediado de la década del 70 con una evolución permanente, pero sin salir del esquema de las grandes unidades centrales. El camino a la miniaturización se inicio en 1964 con la aparición de los primeros circuitos integrados en pequeña escala (circuitos electrónicos fabricados sobre una pequeña pastilla de silicio) Hacia el año 1970 se logran integraciones conocidas como de media y gran escala, preanunciando la aparición hacia 1971/72 del primer microprocesador: una única pastilla (chip) que posee todos los elementos de la unidad central de procesamiento de una computadora. Intel lanzo al mercado en el 74 su chip 8080, y motorota el 6800. Al año siguiente aparece el primer ordenador comercial basado en microprocesadores. La capacidad de cómputo de los microprocesadores puede cuantificarse de alguna manera por la cantidad de transistores que tienen incluidos. Así, de 29.000 que poseía el 8086 de intel en 1978, hacia fines del 93 se paso a 3.100.000 para el Pentium, multiplicando 150 su velocidad de procesamiento, y no superando en tres veces su costo inicial. Nuevas tecnologías como RISC , distintos sistemas operativos, nuevos elementos de interfase con el hombre y de almacenamiento ( Compac Disc procesadores de voz, etc. ) hacen proveer un gran crecimiento con un futuro casi imposible de imaginar. Un gran desafió para las empresas, y los hombres que la integran, es poder seguir este impresionante proceso de cambio si cometer errores, pero sin dejar de aprovechar las ventajas que estos cambios traen aparejados.
9.3.
La evolución del control automático
El control automático como hoy lo conocemos tiene su primer antecedente, en el regulador de Watt, el famoso sistema que controlaba la velocidad de una turbina de vapor en el año de 1774. Sin embargo como muchos otros avances. Existieron antecedentes de automatización en la antigua Grecia y en Oriente. Apartir del regulador se desarrollaron innumerables aplicaciones prácticas. En el plano teórico las primeras ideas surgieron hacia 1870. A partir de la década del 30 del presente siglo recibieron un fuerte impulso: se hicieron importantes experiencias y análisis. Como mencionamos, las industrias de procesos continuos fueron las primeras en requerir mantener las variables de procesos en un determinado rango a fin de lograr los objetivos de diseño. Las primeras industrias realizaban el control de las variables en forma manual a través de operadores que visualizaban el estado del proceso a través de indicadores ubicados en las cañerías y/o recipientes y equipos.
69
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
El operador conocía el valor deseado de la variable a controlar y en función del error tomaba acciones correctivas sobre un elemento final de control ( generalmente una válvula ) a fin de minimizarlo. El control manual era por supuesto descentralizado. A medida que las plantas de producción crecieron y se tornaron mas complejas se requirió cada vez mayor cantidad de mano de obra. El primer intento de reemplazar al hombre en las tareas de control se realizo a través de elementos mecánicos. Mecanismos como las válvulas de control de nivel a flotante permitieron liberar al hombre de dedicarse a estas tareas. Sin embargo el hecho de que el elemento mecánico de control estuviera ubicado directamente sobre el proceso, mantenía la obligación de ir al campo para conocer el verdadero estado de las variables, así como dejaba expuesto al medio ambiente a elementos de regulación delicados. A medida que las plantas crecían, fue surgiendo la necesidad de tener más información en forma ordenada y accesible. Aparecieron entonces los primeros tableros de control, muchas veces ubicados cerca de los equipos de proceso y con frecuencia transportando la variable a medir hasta el indicador instalado en el panel.
9.4 Instrumentación Electrónica A partir de la aparición del transistor (1947) el mundo de la electrónica vivió un importante cambio que impacto positivamente en el desarrollo de la medición y control automático. Se introdujeron los transistores y controladores electrónicos que resolvieron ciertas limitaciones que los instrumentos neumáticos (por Ej: velocidad de transmisión, dificultad en los tendidos y distancias máximas de los sistemas de transmisión) y agregaron cierta posibilidad de realizar estrategias de control mas complejas en forma relativamente económica. Poco a poco la instrumentación electrónica fue ganando espacios frente a la neumática, especialmente en las ampliaciones, nuevos proyectos y casos de control complejo; aunque para las plantas existentes no significo en general el reemplazo en forma masiva. La instrumentación electrónica se desarrollo normalizando la señal transmitida en 4 a 20 miliamperes de corriente continua, aunque se utilizaron otros tipos de señal como ser 0-10 volt cc. o 10-50 miliamperes. Asociada a esta tecnología aparecieron potenciales problemas como ser el riesgo de explosión por chispas de origen eléctrico en áreas peligrosas o la necesidad de asegurar el suministro de energía en forma interrumpida para garantizar la continuidad interrumpida. Estos requerimientos fueron resueltos con técnicas de instalación eléctrica ( Ej: antiexplosiva ) o limitadores de energía disipada ( seguridad intrínseca –barreras); y fuentes interrumpidas de energía ( UPS-Uninterruptible power suply).
70
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Las salas de control lucieron paneles con instrumentos electrónicos y mímicos que permitían seguir el proceso. Asociados a ellos, se dispuso de alarmeros que avisaban de situaciones anormales. Al poseer mayor nivel de información y dado el grado de automatización alcanzado, el operador solo tenía que intervenir en caso de que surgiera alguna anormalidad ( control por Excepción ). Esto posibilito que se le asignaran áreas más grandes de la planta. El control lógico se aplico (y se aplica) en general a la resolución de aquellos procesos en que las variables adoptan solo dos posiciones ( ON-OFF; 0-1 ; SI – NO; Abierto – Cerrado ), llamadas variables discretas. El control secuencial se utilizo ( y se utiliza ) en aquellos procesos en que se toman acciones en función de eventos previos en forma de pasos o etapas : (Ej: secuencia de arranque de una planta preparación de recetas-procesos batch). Estos modos de control se aplicaron bastantemente en la industria manufacturera y en aplicaciones de seguridad en las plantas de proceso continuo que se requerían acciones inmediatas ante algún evento ocurrido ) Ej: apertura brusca de válvulas de agua de enfriamientos, ante un aumento de temperatura de un reactor por encima de un valor de alarma). El diseño de los controles lógicos y secuénciales se baso en la combinación de llaves, pulsadores, reles, temporizadores, etc. en gabinetes y consolas realizados generalmente por ingenieros especialista en electricidad.
9.5 PLC (Controlador Lógico Programable)
Un autómata programable industrial (API) o Programable logic controller (PLC), es un equipo electrónico, programable en lenguaje no informático, diseñado para controlar en tiempo real y en ambiente de tipo industrial, procesos secuénciales. Un PLC trabaja en base a la información recibida por los captadores y el interno, actuando sobre los accionadores de la instalación.
71
programa lógico
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Campos de aplicación El PLC por sus especiales características de diseño tiene un campo de aplicación muy extenso. La constante evolución del hardware y software amplía constantemente este campo para poder satisfacer las necesidades que se detectan en el espectro de sus posibilidades reales. Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en donde es necesario un proceso de maniobra, control, señalización, etc. , por tanto, su aplicación abarca desde procesos de fabricación industriales de cualquier tipo a transformaciones industriales, control de instalaciones, etc. Sus reducidas dimensiones, la extremada facilidad de su montaje, la posibilidad de almacenar los programas para su posterior y rápida utilización, la modificación o alteración de los mismos, etc., hace que su eficacia se aprecie fundamentalmente en procesos en que se producen necesidades tales como: • • • • •
Espacio reducido Proceso de producción periódicamente cambiantes Procesos secuénciales Maquinarias de procesos variables Instalaciones de procesos complejos y amplios
Ejemplos de aplicaciones generales:
• Maniobra de maquinas • • • • •
Maquinaria Industrial de plástico Maquinas transfer Maquinaria de Embalajes Maniobra de instalaciones Señalización y control
Ventajas e inconvenientes No todos los autómatas ofrecen las mismas ventajas sobre la lógica cableada, ello es debido, principalmente, a la variedad de modelos existentes en el mercado y las innovaciones técnicas que surgen constantemente. Tales consideraciones me obligan e referirme a las ventajas que proporciona un autómata de tipo medio.
• Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos debido a que: • No es necesario dibujar el esquema de contactos • No es necesario simplificar las ecuaciones lógicas, ya que, por lo general la
capacidad de
almacenamiento del módulo de memoria es lo suficientemente grande. •Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado ni añadir aparatos. •Mínimo espacio de ocupación. •Menor coste de mano de obra de la instalación •Economía de mantenimiento. Además de aumentar la fiabilidad del sistema, al eliminar contactos móviles, los mismos autómatas pueden indicar y detectar averías 72
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
•Posibilidad de gobernar varias máquinas con un mismo autómata. •Menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso al quedar reducido el tiempo cableado. •Si por alguna razón la máquina queda fuera de servicio, el autómata sigue siendo útil para otra máquina o sistema de producción.
Inconvenientes
• Como inconvenientes podríamos hablar, en primer lugar, de que hace falta un programador, lo que obliga a adiestrar a uno de los técnicos en tal sentido, pero hoy en día ese inconveniente esta solucionado porque las universidades ya se encargan de dicho adiestramiento. •El coste inicial también puede ser un inconveniente
Funciones Básicas de un PLC
• Detección Lectura de la señal de los captadores distribuidos por el sistema de fabricación
• Mando Elaborar y enviar las acciones al sistema mediante los accionadores y preaccionadores.
• Dialogo Hombre Maquina Mantener un dialogo con los operarios de producción, obedeciendo sus consignas e informando del estado del proceso
•Programación Para introducir, elaborar y cambiar el programa de aplicación del autómata. El dialogo de programación debe permitir modificar el programa incluso con el autómata controlando la maquina. Nuevas Funciones
• Redes de comunicación Permiten establecer comunicación con otras partes de control. Las redes industriales permiten la comunicación y el intercambio de datos entre autómatas a tiempo real. En unos cuantos milisegundos pueden enviarse telegramas e intercambiar tablas de memoria compartida.
• Sistemas de Supervisión
73
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
También los autómatas permiten comunicarse con ordenadores provistos de programas de supervisión industrial. Esta comunicación se realiza por una red industrial o por medio de una simple conexión por el puerto serie del ordenador.
• Control de procesos Continuos Además de dedicarse al control de sistemas de eventos discretos los autómatas llevan incorporadas funciones que permiten el control de procesos continuos. Disponen de módulos de entrada y salida analógicas y la posibilidad de ejecutar reguladores PID que están programados en el autómata.
• Entradas Salidas distribuidas Los módulos de entrada salida no tienen por que estar en el armario del autómata. Pueden estar distribuidos por la instalación, se comunican con la unidad central del autómata mediante un cable de red.
• Buses de campo Mediante un solo cable de comunicación se pueden conectar al bus captadores y accionadores, reemplazando al cableado tradicional. El autómata consulta cíclicamente el estado de los captadores y actualiza el estado de los accionadores.
Estructura Externa El término estructura externa o configuración externa de un PLC industrial se refiere al aspecto físico exterior del mismo, bloques o elementos en que está dividido. Actualmente son tres las estructuras más significativas que existen en el mercado:
• Estructura Compacta • Estructura Semimodular ( Estructura Americana ) • Estructura Modular ( estructura Europea ) Estructura compacta Este tipo de autómatas se distingue por presentar en un solo bloque todos sus elementos, esto es, fuente de alimentación, CPU, memorias, entradas/salidas, etc.. Son los autómatas de gama baja o nanoautómatas los que suelen tener una estructura compacta. Su potencia de proceso suele ser muy limitada dedicándose a controlar máquinas muy pequeñas o cuadros de mando.
74
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Estructura semimodular Se caracteriza por separar las E/S del resto del autómata, de tal forma que en un bloque compacto están reunidas las CPU, memoria de usuario o de programa y fuente de alimentación y separadamente las unidades de E/S . Son los autómatas de gama media los que suelen tener una estructura semimodular (Americana).
Estructura modular Su característica principal es la de que existe un módulo para cada uno de los diferentes elementos que componen el autómata como puede ser una fuente de alimentación, CPU, E/S, etc. La sujeción de los mismos se hace por carril DIN, placa perforada o sobre RACK, en donde va alojado el BUS externo de unión de los distintos módulos que lo componen. Son los autómatas de gama alta los que suelen tener una estructura modular, que permiten una gran flexibilidad en su constitución.
Estructura Interna El PLC está constituido por diferentes elementos, pero tres son los básicos:
• CPU • Entradas • Salidas Con las partes mencionadas podemos decir que tenemos PLC pero para que sea operativo son necesarios otros elementos tales como:
• Fuente de Alimentación • Interfaces • La unidad o consola de programación • Los dispositivos periféricos CPU La CPU(Central Procesing Unit) es la parte inteligente del sistema. Interpreta las instrucciones del programa de usuario y consulta el estado de las entradas. Dependiendo de dichos estados y del programa, ordena la activación de las salidas deseadas. La CPU está constituida por los siguientes elementos:
• Procesador • Memoria monitor del sistema • Circuitos auxiliares
75
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Procesador Está constituido por el microprocesador, el reloj (generador de onda cuadrada) y algún chip auxiliar. El microprocesador es un circuito integrado (chip), que realiza una gran cantidad de operaciones, que podemos agrupar en:
• Operaciones de tipo lógico. • Operaciones de tipo aritmético. • Operaciones de control de la transferencia de la información dentro del PLC Para que el microprocesador pueda realizar todas estas operaciones está dotado de unos circuitos internos que son los siguientes:
• Circuitos
de la unidad aritmética y lógica o ALU: Es la parte del µp donde se realizan los
cálculos y las decisiones lógicas para controlar el autómata.
• Circuitos
de la unidad de control (UC) o Decodificador de instrucciones: Decodifica las
instrucciones leídas en memoria y se generan las señales de control. • Acumulador: Es la encargada de almacenar el resultado de la última operación realizada por el ALU. • Flags: Flags, o indicadores de resultado, que pueden ser consultados por el programa. • Contador de programa: Encargada de la lectura de las instrucciones de usuario. • Bus(interno): No son circuitos en si, sino zonas conductoras en paralelo que transmiten datos, direcciones, instrucciones y señales de control entre las diferentes partes del µ p.
Memoria monitor del sistema Es una memoria de tipo ROM, y además del sistema operativo del autómata contiene las siguientes rutinas, incluidas por el fabricante.
• Inicialización tras puesta en tensión o reset. • Rutinas de test y de respuesta a error de funcionamiento. • Intercambio de información con unidades exteriores. • Lectura y escritura en las interfaces de E/S. Funciones básicas de la CPU En la memoria ROM del sistema, el fabricante ha grabado una serie de programas ejecutivos, software del sistema y es a estos programas a los que accederá el µp para realizar las funciones. El software del sistema de cualquier autómata consta de una serie de funciones básicas que realiza en determinados tiempos de cada ciclo. En general cada autómata contiene y realiza las siguientes funciones:
76
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
• Vigilar que el tiempo de ejecución del programa de usuario no exceda de un determinado tiempo máximo. A esta función se le denomina Watchdog. • Ejecutar el programa usuario. • Crear una imagen de las entradas, ya que el programa de usuario no debe acceder directamente a dichas entradas. • Renovar el estado de las salidas en función de la imagen de las mismas, obtenida al final del ciclo de ejecución del programa usuario. • Chequeo del sistema.
Fuente de Alimentación La fuente de alimentación proporciona las tensiones necesarias para el funcionamiento de los distintos circuitos del sistema. La alimentación a la CPU puede ser de continua a 24 Vcc, tensión muy frecuente en cuadros de distribución, o en alterna a 110/220 Vca. En cualquier caso es la propia CPU la que alimenta las interfaces conectadas a través del bus interno. La alimentación a los circuitos E/S puede realizarse, según tipos, en alterna a 48/110/220 Vca o en continua a 12/24/48 Vcc. La fuente de alimentación del PLC puede incorporar una batería tampón, que se utiliza para el mantenimiento de algunas posiciones internas y del programa usuario en memoria RAM, cuando falla la alimentación o se apaga el autómata.
Interfaces En el control de un proceso automatizado, es imprescindible un dialogo entre operador-máquina junto con una comunicación entre la máquina y el autómata, estas comunicaciones se establecerán por medio del conjunto de entradas y salidas del citado elemento. Los autómatas son capaces de manejar tensiones y corrientes de nivel industrial, gracias a que disponen un bloque de circuitos de interfaz de E/S muy potente, que les permite conectarse directamente con los sensores y accionamientos del proceso. De entre todos los tipos de interfaces que existen, las interfaces específicas permiten la conexión con elementos muy concretos del proceso de automatización. Se pueden distinguir entre ellas tres grupos bien diferenciados:
• Entradas / salidas especiales • Entradas / salidas inteligentes • Procesadores Periféricos Inteligentes Las interfaces especiales del primer grupo se caracterizan por no influir en las variables de estado del proceso de automatización. Únicamente se encargan de adecuar las E/S, para que puedan ser inteligibles por la CPU, si son entradas, o para que puedan ser interpretadas correctamente por actuadores (motores, cilindros, etc.), en el caso de las salidas. 77
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Las del segundo grupo admiten múltiples modos de configuración, por medio de unas combinaciones binarias situadas en la misma tarjeta. De esta forma se descarga de trabajo a la unidad central, con las ventajas que conlleva. Los procesadores periféricos inteligentes, son módulos que incluyen su propio procesador, memorias y puntos auxiliares de entrada / salida. Estos procesadores contienen en origen un programa especializado en la ejecución de una tarea concreta, a la que le basta conocer los puntos de consigna y los parámetros de aplicación para ejecutar, de forma autónoma e independiente de la CPU principal, el programa de control.
Entradas y Salidas La sección de entradas mediante el interfaz, adapta y codifica de forma comprensible para la CPU las señales procedentes de los dispositivos de entrada o captadores. Hay dos tipos de entradas:
• Entradas Digitales • Entradas Analógicas La sección de salida también mediante interfaz trabaja de forma inversa a las entradas, es decir, decodifica las señales procedentes de la CPU, y las amplifica y manda con ellas los dispositivos de salida o actuadores como lámparas, relés... aquí también existen unos interfaces de adaptación a las salidas de protección de circuitos internos. Hay dos tipos de salidas:
• Salidas Digitales • Salidas Analógicas Entradas digitales Los módulos de entrada digitales permiten conectar el PLC a captadores de tipo todo o nada como finales de carrera pulsadores... Los módulos de entrada digitales trabajan con señales de tensión, por ejemplo cuando por una vía llegan 24 voltios se interpreta como un "1" y cuando llegan cero voltios se interpreta como un "0" El proceso de adquisición de la señal digital consta de varias etapas.
• Protección contra sobretensiones • Filtrado • Puesta en forma de la onda • Asilamiento galvanico o optoacoplador
78
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Entradas analógicas Los módulos de entrada analógicas permiten que los autómatas programables trabajen con accionadores de mando analógico y lean señales de tipo analógico como pueden ser la temperatura, la presión o el caudal. Los módulos de entradas analógicas convierten una magnitud analógica en un número que se deposita en una variable interna del autómata. Lo que realiza es una conversión A/D, puesto que el autómata solo trabajar con señales digitales. Esta conversión se realiza con una precisión o resolución determinada (numero de bits) y cada cierto intervalo de tiempo (periodo muestreo). Los módulos de entrada analógica pueden leer tensión o intensidad. El proceso de adquisición de la señal analógica consta de varias etapas:
• Filtrado • Conversión A/D • Memoria Interna Salidas digitales Un módulo de salida digital permite al autómata programable actuar sobre los preaccionadores y accionadores que admitan ordenes de tipo todo o nada. El valor binario de las salidas digitales se convierte en la apertura o cierre de un relé interno del autómata en el caso de módulos de salidas a relé. En los módulos estáticos (bornero), los elementos que conmutan son los componentes electrónicos como transistores o triacs, y en los módulos electromecánicos son contactos de relés internos al módulo. Los módulos de salidas estáticos al suministrar tensión, solo pueden actuar sobre elementos que trabajan todos a la misma tensión, en cambio los módulos de salida electromecánicos, al ser libres de tensión, pueden actuar sobre elementos que trabajen a tensiones distintas. El proceso de envío de la señal digital consta de varias etapas:
• Puesta en forma • Aislamiento • Circuito de mando ( rele interno ) • Protección Electrónica • Tratamiento cortocircuitos
79
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Salidas analógicas Los módulos de salida analógica permiten que el valor de una variable numérica interna del autómata se convierta en tensión o intensidad. Lo que realiza es una conversión D/A, puesto que el autómata solo trabaja con señales digitales. Esta conversión se realiza con una precisión o resolución determinada (numero de bits) y cada cierto intervalo de tiempo (periodo muestreo). Esta tensión o intensidad puede servir de referencia de mando para actuadores que admitan mando analógico como pueden ser los variadores de velocidad, las etapas de los tiristores de los hornos, reguladores de temperatura... permitiendo al autómata realiza funciones de regulación y control de procesos continuos. El proceso de envío de la señal analógica consta de varias etapas:
• Aislamiento Galvanico • Conversión D/A • Circuitos de amplificación y adaptación • Protección electrónica de salida Como hemos visto las señales analógicas sufren un gran proceso de adaptación tanto en los módulos de entrada como en los módulos de salida. Las funciones de conversión A/D y D/A que realiza son esenciales. Por ello los módulos de E/S analógicos se les consideran módulos de E/S especiales.
Memoria La memoria es el almacén donde el autómata guarda todo cuanto necesita para ejecutar la tarea de control. Datos del proceso:
• Señales de planta, entradas y salidas • Variables de internas, de bit y de palabras • Datos alfanuméricos y constantes Datos de control:
• Instrucciones de usuario ( programa ) • Configuración del PLC ( modo de funcionamiento, numero de e/s conectadas ) Existen varios tipos de memorias:
• RAM Memoria de lectura y escritura 80
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
• ROM Memoria de solo lectura, no reprogramable • EPRON Memoria de solo lectura, reprogramables con borrado por ultravioletas. • EEPRON Memoria de solo lectura, alterables por medios eléctricos La memoria RAM se utiliza principalmente como memoria interna, y únicamente como memoria de programa en el caso de que pueda asegurarse el mantenimiento de los datos con una batería exterior. La memoria ROM se utiliza para almacenar el programa monitor del sistema como hemos visto en el apartado dedicado a la CPU. Las memorias EPROM se utilizan para almacenar el programa de usuario, una vez que ha sido convenientemente depurada. Las memorias EEPROM se emplean principalmente para almacenar programas, aunque en la actualidad es cada vez más frecuente el uso de combinaciones RAM + EEPROM, utilizando estas ultimas como memorias de seguridad que salvan el contenido de las RAM. Una vez reanudada la alimentación, el contenido de la EEPROM se vuelca sobre la RAM. Las soluciones de este tipo están sustituyendo a las clásicas RAM + batería puesto que presentan muchos menos problemas.
Memoria interna En un autómata programable, la memoria interna es aquella que almacena el estado de las variables que maneja el autómata: entradas, salidas, contadores, relés internos, señales de estado, etc. Esta memoria interna se encuentra dividida en varias áreas, cada una de ellas con un cometido y características distintas.
Memoria de programa La memoria de programa, normalmente externa y enchufable a la CPU mediante casete de memoria, almacena el programa escrito por el usuario para su aplicación. Cada instrucción del usuario ocupa un paso o dirección del programa. Las memorias de programa o memorias de usuario son siempre de tipo permanente RAM + batería o EPROM/EEPROM . Por lo general la mayoría de los fabricantes de autómatas ofrecen la posibilidad de utilizar memorias RAM con batería para la fase de desarrollo y depuración de los programas, y de pasar estos a memorias no volátiles EPROM o EEPROM una vez finalizada esta fase. La ejecución del programa en el módulo es siempre prioritaria, de forma que si se da tensión al autómata con un módulo conectado, la CPU ejecuta su programa y no el contenido en memoria RAM interna.
81
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
9.1 Sistema de Control Distribuido DCS Los Sistemas de Control Distribuido (Distributed Control Systems, DCS) fueron el resultado exitoso de la conjunción de las evoluciones del control automático analógico y de las técnicas de procesamiento digital. La aparici6n del microprocesador hizo posible la aplicación del procesamiento en forma digital de los algoritmos de control, con información desde el campo de los transmisores y acci6n inmediata sobre los elementos finales de control, que habían fracasado con el uso de las grandes computadoras. La rápida aceptación de este tipo de si sistemas a partir de mediados de 10s '70 se baso en la seguridad y simplicidad de operación y mantenimiento, asociados a un costo competitivo con las soluciones alternativas existentes (control neumático 0 electrónico analógico). Otras ventajas fueron:
• • • • •
Mayor capacidad de procesamiento: posibilidad de implementaciones de control más poderosas y complejas a bajo costo. Flexibilidad para realizar cambios, nuevas implementaciones y pruebas. Ahorros importantes en cableado y tamaño de sala de control Mejoras operativas: menos paradas imprevistas, y con menor duración, mejores interfases con el operador, mayor facilidad en los arranques y paradas de la planta. Mayor disponibilidad de información.
Concepto de Sistema de control Distribuido Hasta mediados de los '70 la única posibilidad de procesamiento digital de variables analógicas era a través de computadoras que intercambiaban información por medio de conversores analógicos digitales. Como dijimos en el capitulo 2 este tipo de control "centralizado" tenia dificultades ya que una falla de la computadora abarcaba un área importante de la planta (sino toda). La implementación de redundancias para asegurar la continuidad operativa era cara (otra computadora) y compleja, las dos maquinas debían poseer en todo momento la misma información de todas las variables, valores deseados, parámetros de control, salidas, etc. Además debía preverse un mecanismo altamente confiable que conmutara de una maquina que fallaba, a la que estaba en espera; sin introducir perturbaciones en el proceso. Todas estas dificultades no pudieron ser resueltas en forma confiable y económica por 10 que el control por computadora quedo limitado al "control de valores deseados" (set point control ). La aparición del microprocesador permitió distribuir la "inteligencia": El tratamiento de las variables estaba distribuido entre distintos procesadores, 10 que limitaba la consecuencia de una falla a una parte del proceso. Por otra parte un buen diseño de la ingeniería de aplicación especifica y un grado de redundancia importante y relativamente sencilla en procesadores y buses, aseguraron la continuidad operativa de las plantas en donde se aplico el DCS.
82
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
El concepto de redundancia aplicado a este tema significa que existen un para de elementos iguales uno activo y el otro en espera. Ante falla del que este activo, se transfiere toda la operatoria que estaba realizando la otra unidad gemela sin alteración en el funcionamiento del conjunto del sistema. Otro concepto que se utiliza es el de tolerancia a fallas, donde dos o más unidas gemelas están ejecutando las mismas tareas. Ante falla de una de las unidades esta se inhibe continuando la otra con el normal funcionamiento de lo que se estaba realizando. El sistema continua funcionando si alteraciones. En los dos casos existe un administrador del "estado de salud" del sistema, que indica si se ha producido una falla, informándose a los operadores a los través de las estaciones de operación y de las impresoras. La distribución también se puede ver desde otros puntos de vista:
Distribución funcional (en subsistemas): Subsistemas de interfase con el operador, subsistema de procesamiento de algoritmos de control ( procesadores de control ), subsistema de conversión analógico/digital, etc. Distribución geográfica: Las interfaces al operador pueden estar en la sala de control, los procesadores de control en una sala auxiliar cercana y los módulos de entrada salida cerca del proceso (por ejemplo a varios cientos de metros de distancia de la sala de control).
Esquema simplificado de un DCS (las líneas que interconectan los distintos bloques representan el subsistema de interconexión y comunicaciones)
83
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Arquitectura de los Sistemas de Control Distribuidos En su forma más sencilla, un DCS puede considerarse formado por los siguientes subsistemas como se muestra en la figura anterior :
• Subsistema de interfase con los operadores y usuarios varios • Subsistema de procesamiento de 10s algoritmos de control y otras aplicaciones • Subsistema de conversión y adecuación de señales provenientes del proceso • Subsistema de interfase con otros sistemas •Subsistema de interconexi6n y de comunicaciones El aspecto físico de un DCS se muestra en la figura siguiente
84
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Esquema de un DCS.
Los primeros DCS mostraban en sus monitores elementos que simulaban los frentes de los instrumentos convencionales, generalmente agrupados de a 0000 (frentes de controladores, botoneras etc) en una pantalla llamada de grupo. Normalmente existe una pantalla resumen de todas las pantallas de grupo (Overview), que si bien no permite operación directa sobre controladores y salidas, permite visualizar si alguna parte de la planta esta en alarma 0 si alguna variable presenta desvíos importantes. Desde el overview se puede acceder en forma directa a cualquier pantalla de grupo accionando sobre una parte activa de la misma o por medio de algún procedimiento sencillo: selección de código, pulsado de una tecla, etc. En los gráficos de grupo, en general, se pueden modificar valores deseados, pasar de automático a manual, etc. Si se desea un mayor detalle de un determinado controlador o indicación existe la posibilidad de pasar a una pantalla de detalle. La idea de esta forma de presentación es mostrar una similar a la que los operadores estaban acostumbrados a ver en los tableros convencionales. Como alternativa y complemento de presentación surgieron los mímicos dinámicos: gráficos de proceso con información del estado de las distintas variables. Pronto se vio que los operadores prefirieron este tipo de operación como interfase habitual, reservando los gráficos de grupo de instrumentos solo para realizar modificaciones de valores de proceso. La información de las variables pueden presentarse como valores numéricos ) 120 grados C. 12 BAR, etc ), como cambio de colores de alguna figura (rojo: apagado, Verde : encendido) o como cambio de tamaño ( una barra creciente o un circulo que se va llenando). La selección de distintas pantallas, así como la operación de las mismas, se puede lograr a través de distintos medios: teclados alfanuméricos, de operación, lápiz óptico, Mouse, etc. Otro tema importante es el manejo de las alarmas. Existen como Standard pantallas donde se registran las distintas alarmas existentes. Suelen tener indicación de la hora de aparición de la alarma y un mensaje asociado. Se indica además si la alarma fue reconocida o no. Si la alarma fue reconocida y la variable volvió a su estado normal la información desaparece de la pantalla de alarmas existentes para pasar a la pantalla de alarmas históricas. AlIi se registran, además de lo mencionado, la hora en que la variable volvió a la normalidad. Normalmente la aparición y desaparición de alarmas suele indicarse en las impresoras del sistema. Las alarmas se pueden clasificar en dos tipos:
• Alarmas de proceso: Indica que una variable se encuentra fuera de los Limites admitidos de desvió. Los DCS permiten establecer sobre una misma variable varios niveles de alarma como ser: alarma de prevención, alarma de alto desvió y alarma de muy alto desvió. Estos niveles de alarmas pueden ser establecidas tanto para valores superiores como para valores inferiores del valor deseado. Algunos DCS permiten también alarmar por exceso de velocidad de cambio de la variable. • Alarma de sistema: Indica que algún elemento del sistema (tarjeta de entrada/salida, procesador, bus, etc.) ha tenido una falla. Generalmente posee asociado un código de error que permite conocer el tipo de falla y si la misma fue superada o no. 85
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Los DCS suelen tener un registrador de eventos 0 acciones del operador, que permiten conocer que operaciones fueron ejecutadas por los operadores 0 por el sistema (pasajes de automático a manual, inicio de secuencias, etc.) y en que momento. Como complemento de la interfase con los operadores se disponen de impresoras de eventos, de alarmas, copiadoras e impresoras de lo mostrado en pantalla, disqueteras para almacenamiento en medio magnético de datos históricos, para su posterior evaluación, unidades de cintas para almacenamiento masivo de información del sistema y del proceso, etc. Otros usuarios de los DCS pueden ser personal de mantenimiento o de procesos que utilizan información para el seguimiento y optimización de sus tareas. Generalmente se les asigna una estación independiente de aquella reservada a los operadores a fin de asegurar la continuidad de acción sobre el proceso. Con la información obtenida de los DCS el personal de proceso puede verificar el funcionamiento adecuado de las distintas unidades operativas, plantear cambios en las estrategias de control, determinar donde se encuentran ]os equipos que limitan la capacidad de producción para proponer modificaciones, etc. EI personal de mantenimiento puede llevar registros u obtener información de, por ejemplo: horas de funcionamiento de los equipos mecánicos, frecuencia de fallas, estado de los instrumentos, frecuencia de verificación y calibración, etc. La coordinación del manejo deja información en el subsistema de observación es realizada por procesadores que suelen conocerse como procesadores de estaciones de trabajo u operación (Workstation Processor, WP)
Subsistema de procesamiento de algoritmos de control La forma en que se controla una planta se suele definir como filosofía de control, y su forma de implementación como una estrategia de control. Las estrategias de control ( ej: que variables indican, cuales se alarmizan, cuales son controladas en lazo cerrado con algoritmos PID) suelen indicarse en un plano conocido como Diagrama de procesos e instrumentos Antes de la aparición de los DCS las estrategias de control se implementaron utilizando equipos neumáticos o electrónicos no digitales conectados al proceso entre si por medio de tubos en el primer caso y cables en el segundo En los DCS las, estrategias de control se implementan en procesadores. En su origen existieron dos criterios que compitieron en relación al hardware utilizados. Los procesadores podían ser:
• Unilazos: Un solo lazo es procesado por cada procesador, el que además poseía capacidad de cálculos y comunicación para implementar estrategias mas complejas (dentro de este grupo se pueden incluir aquellos sistemas que manejan pocos lazos e indicaciones y no necesariamente uno solo). En algunas circunstancias el procesamiento analógico es complementado por Los procesadores que permiten el manejo de lógicas y secuencias. Los procesadores unilazos se agrupaban en gabinetes que en algunos casos permitía la operación (si bien en forma limitada) en caso de falla del subsistema de observación. • Procesadores multilazos: Son procesadores que permiten la implementaci6n de varios lazos de control (por ej: 20 a 100) y que poseen la capacidad de manejar indicaciones, cálculos, lógicas, etc.
86
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Las ventajas de los sistemas basados en procesadores unilazo consistían en la posibilidad de continuidad operativa (si el procesador tenia alguna forma de interfase al operador) y lo limitado de efecto producido en caso de falla de un procesador. Como desventajas se pueden mencionar el gran tamaño del equipamiento, y la poca flexibilidad para realizar modificaciones dé estrategias de control en caso de que las señales no ingresaran a un mismo procesador. Con el tiempo el procesamiento multilazo fue venciendo a batalla frente al control unilazo. Los motivos fueron:
• Un aumento en la seguridad del procesamiento, (los procesadores fallan poco) • Facilidad, de implementar redundancias: los lazos críticos se pueden correr en procesadores redundantes con bajo costo adicional del conjunto del sistema. • Diseño de la implementación en forma adecuada (Por ejemplo en caso de haber mas de un procesador multilazo se pueden poner en uno, los lazos de control de un equipo y en el otro las indicaciones. De existir una falla nunca se pierde el total de la información. • Disminución del costo del procesador por lazo ejecutado. • Economías asociadas al menor tamaño de gabinetes, salas, aire acondicionado, etc. • Flexibilidad para implementar modificaciones en las estrategias de control.
Implementado la estrategia de control Las estrategias de control de una unidad o planta suelen estar reflejadas en documentos tales como narrativos, P&I, diagramas de lazos, listas de instrumentos, etc. Para la implementación de dichas estrategias en un DCS, se posee un software del proveedor del sistema, que permite realizar 10 que se conoce como configuración de las "estrategias de control" 0 "base de datos de control". La configuración se realiza generalmente con el equipo fuera de línea, en estaciones o en PC (según el fabricante del DCS) que corren los programas de diseño. En algunos sistemas se pueden hacer implementaciones y modificaciones en línea, para lo que hay que tener los cuidados correspondientes para no afectar el control que se esta ejecutando Las estrategias se crean utilizando bloques de software que representan 108 distintos instrumentos utilizados en instrumentación analógica convencional Tomemos, por ejemplo, el sistema electr6nico anal6gico Foxboro SPEC 200. Este sistema (difundido hacia los años '70) Consta de tarjetas que cumplen las distintas funciones de visualización y control (Fig. 6.4). Algunas tarjetas son las siguientes: Entrada analógica: Convierte las señales eléctricas utilizadas en campo al tipo y nivel de señal utilizado internamente en el sistema. Por ejemplo, una tarjeta de entrada analógica convertirá la señal de 4 a 20 mA en 0 a 10 Vdc . Controlador PID: Esta tarjeta toma una señal de 0 a 10 V, ejecuta una estrategia de control PID, y define una salida a válvula, con una señal de 0 a 10 V. Controlador PID: Esta tarjeta toma una señal de 0 a 10 v. ejecuta una estrategia de control PID, y define una salida a válvula, con una señal de o a 10v.
87
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Diagrama de procesos e instrumentos (parcial) de un control de nivel
Salida Analógica: Convierte los niveles de señal utilizados en el sistema, a los utilizados en campo. Por ejemplo, una tarjeta convertirá la señal de 0 a 10 V. en 4 a 20 mA. La estrategia de control requerida se construye conectado apropiadamente entre si estas tarjetas, por medio de cables. Cuando empezaron a utilizar los primeros sistemas digitales se vio la conveniencia de seguir utilizando esta metodología en el diseño del software, generando las estrategias de control mediante el uso de bloques.
a) Bloque de entrada Analógica Este bloque contiene información relacionada con el elemento de Entrada (tarjeta y punto) por la que ingresa el valor analógico. Ya que la tarjeta de entrada informa al sistema un número binario que es el resultado de la conversión y adecuación del valor de la señal recibida por el transmisor, en este bloque se definen las características del valor de la variable, fijándose el límite inferior superior del rango y las unidades de ingeniería. ( por ejemplo : 0-3 metros, que son los valores que entrega el transmisor para 4 y 20 mA respectivamente.
b) Entrada Discreta Este bloque contiene información relacionada con el elemento de entrada (tarjeta y punto) por el que ingresa el valor de la variable, puede tener adicionalmente información del tiempo de barrido 88
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
y fase, posición de alarma, impresora de salida de la alarma, prioridad de la alarma, y contacto de salida para la alarma.
c) Salida Analógica Típicamente, este bloque contiene información relacionada con el destino del valor analógico, unidades de ingeniería (típicamente porcentaje del apertura de una válvula) limites de alarma, impresora de salida de la alarma, prioridad de la alarma y contacto de salida para la alarma. Suele estar conectado a otro bloque que le informa el valor a adoptar o a un punto activo de una estación de operación si es una salida manual.
d) Salida Discreta El bloque de salida discreta puede contener información relacionada con el destino de la variable, impresora de salida de la alarma, prioridad de la alarma y contacto de salida para la alarma. Suele recibir información de otro bloque de que resume el resultado de lógicas o eventos ejecutados.
e) Tendencia en tiempo real Este bloque cumple una función similar a la de los instrumentos registradores convencionales, al almacenar en la memoria RAM la evolución de una variable a lo largo del tiempo. Generalmente se especifican que variables se registra, la frecuencia de almacenamiento, y la cantidad de valores a almacenar. Por ejemplo, un bloque configurado para almacenar un valor de una variable cada 5 s. y que almacene 60 valores contendrá las variaciones de los últimos 5 minutos . Esta información es almacenada en la memoria RAM que ocupa el bloque, y es renovada desechando el valor mas viejo cada vez que se incorpora uno nuevo. La información contenida en este bloque es utilizada por el programa de visualización para mostrar gráficos de tendencias equivalentes a los registro de papel.
f) Control PID Este bloque representa un controlador PID, con todos sus parámetros y prestaciones. En el se ajustan los valores de los parámetros del PID, estado A/M al arranque, set point remotos, velocidad máxima de variación de la salida, etc.
g) Generador de Rampa Este bloque genera una rampa, típicamente utilizada para comandar el set point remoto de un controlador PID
h) Secuencia Este bloque se utiliza para ejecutar secuencias de instrucciones, frecuentes en automatización de operaciones como puesta en marcha y parada de planta. Generalmente dispone de instrucciones del tipo if.. then… else.. wait, until etc.
89
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
10.Introducción a Redes de Control Industrial
90
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Redes de Comunicación Industriales
DH+ DH485
Information
DH+ DH485
Automation and Control
RIO
RIO Discrete Device
Process Device
RS-232 Cableado
91
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
10.1
AGOSTO DEL 2004
Ethernet IP EtherNet/IP es una rede de tipo industrial que tomo las ventajas de la red comercial de comunicación de Ethernet. IP, 'el protocolo industrial' y es lo que distingue esta red, EtherNet/IP usa un protocolo abierto a la capa de la aplicación.
Modelo de capas de Ethernet TCP/IP Especificación en: www.odva.org
CIP
Application Presentation Session Transport
Control and Information Protocol UDP
TCP
IP-Multicast Network
EN 50170 Standard IEC 61158 Standard Request for Comments www.IETF.org
UDP/TCP/IP IP
Link
Ethernet MAC
Physical
Ethernet Physical
Control de Tiempo Real
IEEE 802.3 Datos
92
A B I E R T O
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
10.2
AGOSTO DEL 2004
CONTROL NET
Soporte Físico RG-6
Distancias y Velocidades
Varios formatos: normal, flexible armado, etc
Nodos Máximos
5 Mbs/seg 1000 metros c/coaxial 30 Km c/fibra óptica
99 Nodos por Red
C ont r ro l N Ne t Conexiones Dispositivos ALLEN-BRADLEY
Conectores BNC Estándar
PanelView 550
7
8
9
4
5
6
1
2
3
.
< -
F1
F2
F3
F4
F5
F6
F7
F8
F9
F1 0
0
<------------
-
-----'
^ <
> v
Opciones
Servicios Mensajeria
Redundancia cable Seguridad Intrínsica
Productor/Consumidor
Resistencias Terminadoras 75Ω a ambos lados de la línea principal
93
•E/S Alta velocidad •Programación •Configuración •Diagnósticos
Cableado. Derivaciones
•Bajante de 1 metro
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
10.3
AGOSTO DEL 2004
DEVICE NET
Alimentación Red
Soporte Físico
•24 Vcc para dispositivos •Cable grueso hasta 8A •Cable delgado hasta 3A •Cable plano hasta 3A
Nodos Máximos 64 Nodos por Red
ALLEN-BRADLEY
(Par trenzado apantallado) Comunicación y Alimentación •Grueso - Principal •Delgado - Principal y derivación
Distancias y Velocidades 100m Max. Con cable fino 500m @ 125Kbaud (grueso) 250m @ 250Kbaud (grueso) 100m @ 500Kbaud (grueso) (4Km con repetidores)
PanelView550
7
4
8
5
1
2
.
0
9
6
3
-
< -
F1
F2
F3
F4
F5
<-----------------'
^ <
F6
F7
F8
F9
F1 0
> v
Conexiones Dispositivos Tomas en T Cero bajante
Resistencias Terminadoras 121Ω a ambos lados de la línea principal
Servicios Mensajeria Productor/Consumidor
•E/S Alta velocidad •Programación •Configuración •Diagnósticos
94
Cableado Derivaciones
•Simple •En margarita •Mixto
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
10.4
AGOSTO DEL 2004
MODBUS Protocolo abierto, adoptado como un estándar por el mercado. Permite con 4 hilos o 2 hilos conectarse en un red de sistema de hasta 1000 m, admitiendo la conexión a Internet y redes internas, para monitoreos remotos. El protocolo MODBUS es una estructura de mensajes desarrollada por Modicon en 1979, establece la comunicación entre dispositivos inteligentes maestro-esclavo/cliente-servidor. Como protocolo abierto es usado mundialmente en la industria. Implementado por gran cantidad de fabricantes de equipos para transmitir entradas y salidas discretas o analógicas y registrar los datos de los dispositivos de control. Protocolo MODBUS es usado en aplicaciones de monitoreo, establecer comunicación entre dispositivos inteligentes, sensores e instrumentos de medición o control. MODBUS también es usado para establecer comunicación con unidades remotas (RTU) donde las aplicaciones inalámbricas son necesarias, razón por la cual se usa en estaciones petroleras y subestaciones.
Requerimiento y respuesta El código de funciones indican al esclavo al cual se ha direccionado la información la clase de acción a realizar. Los bytes de datos contienen información adicional que el esclavo podría necesitar para realizar la tarea encomendada. En el procedimiento de respuesta normal, el código de función en la respuesta es un reflejo del código requerimiento. Los bytes de datos contienen los datos recolectados por el esclavo, como valores o estados. Si ocurre un error la función de código es modificada para indicar que la respuesta contiene un error y el byte de datos contiene un código que describe el error. Dos modos de transmisión serial MODBUS posee dos modos de transmisión serial: ASCII o RTU. Dependiendo del equipo a usar es posible seleccionar los parámetros de comunicación (velocidad, paridad, bit de stop). Modo ASCII MODBUS usa el código ASCII para intercambio de información. Cada ocho bits se transmite un mensaje como dos caracteres ASCII. La principal ventaja de este modo es que permite tiempos de intervalos de hasta un segundo entre caracteres sin que ocurra un error. Modo RTU Escogido como protocolo de comunicaciones de la red AMR por su aplicación para unidades remotas. En una aplicación MODBUS RTU cada ocho bits de un mensaje contiene dos caracteres hexadecimales. La principal ventaja de este modo permite una gran densidad de información mucho mejor que el modo ASCII a la misma velocidad. Cada mensaje puede ser transmitida en una trama continua. Sistema de código - Ocho bit binarios, hexadecimal 0 ... 9, A ... F - Dos caracteres hexadecimales están contenidos en campos de mensajes de ocho bits Bits por byte - 1 bit de inicio - 8 bits de datos, el bit menos significativo es enviado primero - 1 bit de paridad - 1 bit de stop si el bit de paridad es usado y 2 si no es usado Campo de detección de error
95
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
- Detección de redundancia cíclica TRAMA DE MENSAJES DE MODBUS En cualquier modo de transmisión serial (ASCII ó RTU), los mensajes son colocados dentro de una trama con reconocimiento de inicio y final. TRAMA ASCII En modo ASCII los mensajes comienzan con dos puntos (:), carácter ASCII 3Ah y termina con el 'carriage return-line feed' (CRLF, ASCII 0Dh y 0Ah). En la siguiente se muestra la trama completa del modo ASCII.
Figura 1 - Trama de mensaje modo ASCII TRAMA RTU En modo RTU, el mensaje se inicia con un intervalo de tiempo mínimo de 3.5 tiempo de carácter. Entonces el primer campo transmitido es el de dirección. Los dispositivos de la red monitorean constantemente el bus. Cuando el primer campo de dirección es recibido, cada dispositivo decodifica la dirección para saber si es o no el dispositivo direccionado. La trama de mensajes debe ser transmitido en una trama continua. Si el intervalo de silencio es mayor a 1.5 tiempo de carácter ocurre antes de completar el mensaje, el receptor detecta un mensaje incompleto y asume que el siguiente byte será la dirección de un nuevo mensaje. Esto es considerado como un error que será evaluado al final en el campo CRC que validará o no el mensaje. Una trama típica de mensajes MODBUS RTU se despliega en la siguiente figura
CAMPO DE DIRECCIONES El campo de direcciones contiene ocho bits (RTU). El rango de direcciones para los esclavos es de 1-147. La dirección 0 es usada para la central, la cual todos los dispositivos esclavos pueden reconocer. CAMPO DE FUNCIONES El campo de funciones contiene ocho bits (RTU). Los códigos válidos están en el rango de 1-255. Cuando el mensaje es transmitido del maestro al esclavo el campo de función indica a los esclavos que función realizarán. Cuando los esclavos responden al maestro, usan el campo de función para indicar operación normal o error, conocida como respuesta excepción. En una respuesta normal el esclavo simplemente repite el código de la función original, en caso de una respuesta con error el esclavo responde con el código equivalente a la función original con el bit más significativo fijado en 1 lógico.
96
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Adicionalmente en caso de una respuesta excepción, el esclavo coloca un código único en el campo de datos del mensaje de respuesta. Indica al maestro la clase de error ocurrida. La respuesta típica del maestro a un estado de error es reenviar el mensaje para tratar de diagnosticar el mensaje al esclavo y notificar al operador CONTENIDO DEL CAMPO DE DATOS El campo de datos está constituido por dos dígitos hexadecimales en el rango de 00h a FFh. El campo de datos del mensaje enviado al esclavo contiene información adicional que definirá la acción del esclavo. Esto incluye ítems como valores discretos, registros de direcciones, la cantidad de ítems que pueden ser manipulados y la cantidad actual de bytes de datos en el campo.
10.5
Data Highway Plus Los sistemas DH y DH+ de Allen Bradley son redes de area local (LAN). Mediante estas redes reconecta controladores programables, ordenadores y otros dispositivos para que puedan comunicarse e intercambiar datos entre ellos. Un sistema de cable es el medio físico de transmitir estos datos entre nodos. En las redes DH y DH+, un nodo es un interfaz de hardware.
Dispositivos usados en la red DH+
Como se comunican los nodos en la red DH+ La red DH+ usa el protocolo de paso del testigo para permitir que los nodos en la red transmitan mensajes por el cable. Con el protocolo de paso del testigo, solo el nodo que posee el testigo puede transmitir mensajes. Un nodo es el maestro durante todo el tiempo que posee el testigo. Así es como rotan los nodos para tener la maestría de la red. Cuando un nodo ha enviado todos sus mensajes o usado todo su tiempo de manutención del testigo, pasa el testigo al nodo con la siguiente dirección más alta. El paso del testigo continua de
97
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
esta manera hasta que el testigo es pasado al nodo con la dirección mas baja. Cuando el nodo con la dirección mas baja ha terminado con el testigo, el ciclo vuelve a empezar. En la red DH+, los módulos de interfaz controlan el acceso a la red localmente. Esto significa que si un modulo tiene un fallo, los otros módulos continúan comunicándose en la red. A través de los módulos de interfaz, los nodos en una red DH+ pueden comunicarse con nodos en las redes DH y DH II.
Un mensaje de un nodo en una red a un nodo en otra red usa tiempo de transmisión de mensaje en ambas redes. Para lograr el mejor rendimiento de red, configure cada red de manera que se crucen un mínimo de mensajes entre ellas. Esto puede hacerse agrupando en las misma red a las estaciones que necesitan comunicarse frecuentemente entre ellas. En muchas aplicaciones, los nodos en una red DH+ necesitan comunicarse con dispositivos tales como:
• • • • •
ordenadores terminales de gráficos a color terminales sin inteligencia controles numéricos computarizados (CNC) controladores de movimiento
10. DH-485 Los cables son el medio físico de transmitir datos entre los nodos. En una red DH-485, un nodo es un interfaz de hardware. La red DH-485 pasa información entre dispositivos en la planta. La red supervisa los parámetros del proceso, los parámetros de los dispositivos La red DH-485 usa el protocolo de paso de testigo para permitir que los nodos en la red transmitan mensajes por los cables. Con el protocolo de paso de testigo, solo el nodo que posee el testigo puede transmitir mensajes. Durante todo el tiempo que el nodo posee el testigo, este es el maestro. Cuando el nodo ha enviado todos sus mensajes o usado todo su tiempo de retención del testigo, pasa el testigo al nodo con la siguiente dirección ,más alta. EL paso del testigo continua de esta manera hasta que el testigo es pasado al nodo con la dirección mas alta o “ Dirección máxima de nodo “. Cuando el nodo con la dirección máxima de nodo ha terminado con el testigo, pasa el testigo al nodo con la dirección mas baja y el ciclo empieza otra vez 98
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Ejemplos de Arquitectura
99
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
11.Consideraciones y procedimientos de instalaciones OBJETIVO Este capitulo tiene por objetivo describir la sistemática adoptada en la ejecución trabajos eléctrico industriales con aplicaciones en el área de gas y petróleo.
NORMAS Y DOCUMENTOS DE REFERENCIA
• • • • • 11.1
American Society of Mechanical Engineers American Petroleum Institute API NFPA 70 –780 National Eléctrica Code. NEC TRANSREDES STANDARS
CONDICIONES ESPECÍFICAS En el tendido de los conduits subterráneos se vacía una capa de ripio de 50 mm dentro de la zanja sobre la cual descansaran los conduits, luego se rellena con una capa de 150 mm de arena y finalmente con una capa de 25 mm de hormigón pobre coloreado. Posteriormente se compacta el terreno. Los conduits que contienen circuitos AC deberán estar separados con un mínimo 200 mm de los conduits que contienen circuitos de Señal de comunicación y Datos. No se utilizara un conduit menor a ¾ de pulgada de diámetro. La retención de los conduit sobre pared o estructuras, se realiza con soportes metálicos, no con plásticos o similar. Hacer una inspección visual de los cables antes de la instalación, cuanto al tipo, diámetro, clase de tensión, estado de conservación. Rechazar los trechos y bobinas defectuosas. Todas las bobinas de cable deberán ser identificadas y codificadas. Durante la instalación las bobinas serán apoyadas en caballetes respetando la curvatura de embobinamiento del cable.
El numero de conductores permitido en el conduit no excederá el porcentaje especificado en la siguiente tabla de la National Electric Code “NEC”:
100
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Tabla 10-4. Dimensiones de tubo (conduit) metálico tipo pesado, semipesado y ligero y área disponible para los conductores (basado en la Tabla 10-1, Capítulo 10) Tamaño Diámetro Área Área disponible para conductores nominal interior interior mm2 mm mm total mm2 Uno Dos Más de conducto conducto dos r res conducto fr = 53% fr = 31% res fr = 40% 16 (1/2) 21 (3/4) 27 (1) 35 (1-1/4) 41 (1-1/2) 53 (2) 63 (2-1/2) 78 (3) 91 (3-1/2) 103 (4) 129 (5) 155 (6)
o
o
o
o
103 181 294 513 697 1149 1638 2523 3385 4349 6440 9879
60 106 172 299 407 671 956 1476 1977 2456 4001 5778
78 137 222 387 526 867 1236 1904 2555 3282 5163 7456
Preparar las extremidades de los cables para jalado de la siguiente forma: Jalado por el conductor: (no por el aislante) Cobre: tensión máxima de 4 kgf/mm2 Aluminio: tensión máxima de 2 kgf/mm2
En el jalado de varios cables por un mismo conduit, el proceso será el de jalarlos todos al mismo tiempo. El radio mínimo de curvatura será determinado por las especificaciones del fabricante. Caso contrario será adoptado lo siguiente:
• • • o
196 344 557 965 1313 2165 3089 4761 6379 8213 12907 18639
Utilizar talco industrial, o lubricante apropiado durante el cableado para disminuir el roce dentro del conduit.
• • • o
15,8 20,9 26,6 35,1 40,9 52,5 62,7 77,9 90,1 102,3 128,2 154,1
Cable seco sin armadura o blindaje – 8 veces el diámetro externo del cable. Cable seco con armadura o blindaje – 12 veces el diámetro externo. Cable con capa de plomo – 25 veces el diámetro externo.
La aplicación de terminales a los conductores será hecha de acuerdo con las recomendaciones del proyecto. Los empalmes quedaran apoyados en soportes y no serán hechos los empalmes en el interior de los conduits. La aplicación de terminales a los conductores se hará de manera que no quede a la vista ningún trecho del conductor pelado. Los terminales serán apretados con alicate prensa adecuado a cada diámetro del conductor.
101
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
o
Los circuitos serán identificados de acuerdo con el proyecto o conforme:
• • o
o
o
o
AGOSTO DEL 2004
En las uniones a bornes terminales y equipos. En el interior de las cajas de Paso.
Las terminaciones de los cables armados y blindados, así como los empalmes serán aterrados de acuerdo con el proyecto. La fiscalía deberá ser comunicada sobre la necesidad de utilización de los empalmes en los cables. Todos los cables serán amarrados de modo que no provoquen esfuerzos sobre las conexiones. Siempre mantener como mínimo un 20% de conductores de reserva. Se debe comprobar el correcto aislamiento de todos los cables de un nueva instalación con Megometro.
102
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
11.2
AGOSTO DEL 2004
Puestas a tierra o
o
o
Las jabalinas debe ser de mínimo de 5/8” de diámetro y 3 mts. de largo y deberán ser colocadas en cada esquina o intersecciones principales y otros lugar como sea necesario para conseguir un máximo de 3 ohms.
1/0 AWG (Mínimo) cable desnudo de cobre debe usarse como malla principal, y la uniones y derivaciones se deberán realizar con soldadura tipo cadwell. Tamaño nominal mínimo de los conductores de tierra para canalizaciones y equipos Capacidad o ajuste máximo del dispositivo automático de protección contra sobrecorriente en el circuito antes de los equipos, canalizaciones, etc. (A)
Tamaño nominal mm 2 (AWG o kcmil)
Cable de cobre
Cable de aluminio
15 2,082 (14) --20 3,307 (12) --30 5,26 (10) --40 5,26 (10) --60 5,26 (10) --100 8,367 (8) 13,3 (6) 200 13,3 (6) 21,15 (4) 300 21,15 (4) 33,62 (2) 400 33,62 (2) 42,41 (1) 500 33,62 (2) 53,48 (1/0) 600 42,41 (1) 67,43 (2/0) 800 53,48 (1/0) 85,01 (3/0) 1000 67,43 (2/0) 107,2 (4/0) 1200 85,01 (3/0) 126,7 (250) 1600 107,2 (4/0) 177,3 (350) 2000 126,7 (250) 202,7 (400) 2500 177,3 (350) 304 (600) 3000 202,7 (400) 304 (600) 4000 253,4 (500) 405,37 (800) 5000 354,7 (700) 608 (1200) 6000 405,37 (800) 608 (1200) Véase limitaciones a la instalación en 250-92(a) Nota: Para cumplir lo establecido en 250-51, los conductores de tierra de los equipos podrían ser de mayor tamaño que lo especificado en este Tabla.
11.3
CABLES Y CONDUITS o
El conduit deberá ser de tipo rígido metálico, sin costura, superficie interior y exterior recubierto con cinc, galvanizado en caliente, con espesor según ANSI C80.1 y de acuerdo con NEC
National electrical Code, 346 & 250-91b
103
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Conductores en conduit rígido
Cable no Armado
Cable Armado
Todo cable a ser instalado debe ser revisado de acuerdo al lugar de instalación, verificar su tipo de aplicación y protección. Solicitar verificación.
11.4
Condulets y cajas de paso
Materiales a prueba de Explosión Estos equipos son aptos para instalarse en Clase 1 div. 1y div. 2. Son capaces de retener un explosión interna. Sus tapas pueden ser de sello metal con metal o roscadas
104
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
Propósito del sello Es de minimizar el paso de gases y vapores a través del sistema de conduits. Ver NEC sección 501 -5
Materiales de Clase 1 división 2. Sus tapas son por lo general selladas con empaquetaduras/
105
CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
AGOSTO DEL 2004
106