RESUMEN El presente trabajo se centra en el diseño de un sistema SCADA capaz de controlar una planta de bombeo de agua con tres estaciones de bombeo tomando datos de entrada de un tanque de agua ubicado en un punto lejano a éste, por ello el SCADA está dotado de capacidad de comunicación a través de intranet usando datasocket. La primera parte detalla los objetivos y las variables a considerar en el diseño. La segunda proporciona el marco teórico necesario para entender el diseño. La tercera parte se aboca en el diseño del sistema SCADA a la vez que muestra los resultados obtenidos en laboratorio, con el fin de demostrar la funcionalidad y utilidad del diseño.
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INDICE
CAPÍTULO I PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA, ANTECEDENTES Y OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 1.1 PLANTEAMIENTO Y DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA…...........5 1.2 DELIMITACIÓN DE OBJETIVOS. …………………………………….6 1.3 HIPÓTESIS………………………………………………………………6 1.4 ANTECEDENTES………………………………………………………6 1.5 METODOLOGÍA DEL ESTUDIO……………………………………...7 1.6 POBLACIÓN DE ESTUDIO……………………………………….......7 1.7 RELACIÓN ENTRE VARIABLES……………………………………..7 1.8 ALCANCES DE LA INVESTIGACIÓN………………………………..8 1.9 UTILIDAD DE LOS RESULTADOS DEL ESTUDIO…………………8 CAPÍTULO II MARCO TEORICO, CONCEPTUAL E INFORMACION DE UTILIDAD 2.1 CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN…………………………………...9 2.2 CONTROL POR PLC……………...…………………………………...11 2.3 LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN…………………………..……...17 2.4 AUTOMATIZACIÓN…………………………………….……………17 2.5 SISTEMAS SCADA, OPC Y LABVIEW……………………………..18 2.6 STEP 7 MICRO/WIN 3.2 Y SIMUPLC ………………………......29 2.7 SISTEMAS DE BOMBEO DE AGUA POTABLE……………………30 2.8 CONCEPTOS RELACIONADOS…………………………………......35 CAPÍTULO III CONSIDERACIONES DE DISEÑO 3.1 CONSIDERACIONES A TOMAR PARA EL DISEÑO………………48 3.2 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS……………………………………50 3.3 DISEÑO DE LA ETAPA DE POTENCIA…………………………….59 3.4 DISEÑO DEL SISTEMA SCADA…………………………………….60 3.5 Pruebas en laboratorio del sistema SCADA……………………………76 CAPÍTULO IV PRESUPUESTO………………………………………………………………..83 CAPÍTULO V CONCLUSIONES……………………………………………………………...85 BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………….86
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TABLA DE ILUSTRACIONES Fig. 2. 1 Control manual de un motor eléctrico. 10 Fig. 2. 2 Control semiautomático de un motor eléctrico. 10 Fig. 2. 3 Control automático de un motor eléctrico. 11 Fig. 2. 4 Elementos necesarios para el funcionamiento del PLC. 16 Fig. 2. 5 Funcionamiento del PLC. 17 Fig. 2. 6 Diagrama tipo escalera. 17 Fig. 2. 7 Automatización de un sistema. 18 Fig. 2. 8 Estructura básica de un sistema SCADA a nivel de hardware. 21 Fig. 2. 9 Interfaz OPC Servidor - Cliente. 23 Fig. 2. 10 Capacidades del OPC KepserverEX. 24 Fig. 2. 11 Interfaz de LabVIEW. 25 Fig. 2. 12 Panel frontal de LabVIEW. 26 Fig. 2. 13 Diagrama de bloques de LabVIEW. 26 Fig. 2. 14 Ícono de conexión y subVI. 27 Fig. 2. 15 Tipo de datos en labVIEW. 27 Fig. 2. 16 Estructuras más usadas en LabVIEW. 28 Fig. 2. 17 Pantalla de inicio de STEP7 Micro WIN32. 29 Fig. 2. 18 Pantalla de SimuPLC. 30 Fig. 2. 19 Principales características y componentes 31 Fig. 2. 20 Bomba centrífuga. 33 Fig. 2. 21 Ejemplos de válvulas. 34 Fig. 2. 22 Tuberías de acero. 34 Fig. 2. 23 Características de los motores comerciales de inducción de jaula de ardilla de acuerdo a la clasificación NEMA. 37 Fig. 2. 24 Esquema del rotor de jaula de ardilla. 37 Fig. 2. 25 Partes de un motor trifásico. 37 Fig. 2. 26 Caja de bornes y devanados. 38 Fig. 2. 27 Conexiones delta y estrella. 39 Fig. 2. 28 Curvas del arranque directo. 40 Fig. 2. 29 Curvas del arranque estrella delta. 40 Fig. 2. 30 Contactor. 42 Fig. 2. 31 31 Simbología. Contactor principales y auxiliares. 42 Fig. 2. 32 Relé térmico. 45 Fig. 2. 33 Curva de disparo. 46 Fig. 2. 34 Disyuntor magneto - térmico. 47 Fig.3. 1 Esquema de la planta de bombeo 49 Fig.3. 2 Control de un motor trifásico usando un sistema ASCADA. Fig.3. 3 Adquisición del control de nivel. 50 Fig.3. 4 Bomba centrífuga BM. 51 Fig.3. 5 VEGAKON 66. 51 Fig.3. 6 Interfaz de control de VEGAKON 66. 53 Fig.3. 7 Terminales de alimentación y relay.53 Fig.3. 8 Modo de instalación. 54 Fig.3. 9 Conexión al PLC. 54 Fig.3. 10 Configuración del relay para conexión al PLC. 54 Fig.3. 11 PLC S7 - 200. 55 Fig.3. 12 Ciclo de trabajo del PLC S7 - 200. 55
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Fig.3. 13 Características eléctricas. 56 Fig.3. 14 Conexión eléctrica del PLC S7 - 200. 56 Fig.3. 15 Disyuntor termomegnético ABB. 57 Fig.3. 16 Características. 57 Fig.3. 17 Valores de tension usuales para las bobinas. 58 Fig.3. 18 Características. 58 Fig.3. 19 Valores estándares de cables NYY. 58 Fig.3. 20 Cable de conexión PPI y switch del mismo. 61 Fig.3. 21 Valores de configuración. 62 Fig.3. 22 Ventana de ajuste de la interfaz PG/PC. 62 Fig.3. 23 Ajuste cable de conexión PC – PLC 63 Fig.3. 24 Ventana de elección CPU. 64 Fig.3. 25 Tiempo en segundo plano. 68 Fig.3. 26 Configurando Canal de OPC. 68 Fig.3. 27 Configurando Dispositivo a Conectar. 69 Fig.3. 28 Nombre de dispositivo. 69 Fig.3. 29 Creando Tag. 70 Fig.3. 30 Interfaz Final de OPC. 70 Fig.3. 31 Tags Estación Bomba Pozo Profundo 70 Fig.3. 32 Tags Planta Bomba Intermedia. 71 Fig.3. 33 Tag Planta Bomba Campamento. 71 Fig.3. 34 Configuración del administrador de Datasocket. 73 Fig.3. 35 Algoritmo de control estación bomba pozo profundo. 73 Fig.3. 36 Algoritmo de control estación bomba pozo profundo 2. 74 Fig.3. 37 Panel frontal del SCADA. 74 Fig.3. 38 Algoritmo de control . 74 Fig.3. 39 Panel de control. 75 Fig.3. 40 Algoritmo de control. 75 Fig.3. 41 Panel frontal. 75
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CAPÍTULO I PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA, ANTECEDENTES Y OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 1.1 PLANTEAMIENTO Y DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA. a) Formulación y delimitación del problema Formulación del problema Diseñar un sistema SCADA para controlar una planta de bombeo semi automatizado usando el PLC S7 – 200, OPC KepservereX, LabVIEW y comunicación por intranet. Delimitación del problema Considerando una planta de bombeo de agua potable con tres estaciones y estos diseñados bajo la óptica del control electromecánico; se pretende adecuar un sistema SCADA con el fin de mejorar el proceso de control de la planta, para éste propósito se hará uso del PLC S7 – 200 para luego enlazarlo a LabVIEW usando un OPC. Dada las distancias que separan a dichas estaciones de bombeo se deberá proporcionar una comunicación por intranet, con el fin de poder sincronizar el trabajo entre las estaciones y a la vez esto permite una mayor capacidad de comunicación y control de los estados del proceso.
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1.2 DELIMITACIÓN DE OBJETIVOS. a) Objetivo General Diseñar un sistema SCADA con capacidad de comunicación por Intranet capaz de controlar plantas de bombeo de agua de hasta 75HP de potencia. b) Objetivos Específicos Objetivos en las pruebas de laboratorio Controlar el arranque directo del motor trifásico Lucas Nuelle Se2663 a través del PLC S7 – 200. El arranque debe darse según las condiciones del control de nivel. Usando el OPC Kepserverex comunicar al PLC S7 – 200 con LabVIEW 2011. Diseñar el sistema SCADA en LabVIEW de la Bomba con capacidad de comunicación a través de intranet. Diseñar un sensor de nivel electrónico. Comunicar el control de nivel con LabVIEW a través de NI DAQ 6009. Diseñar el sistema SCADA en LabVIEW del control de nivel con capacidad de comunicación a través de intranet. Objetivos de diseño Diseñar el control de potencia de la bomba para un motor trifásico de 20HP y otro de 75HP. Controlar el arranque de una bomba de 75HP con el PLC S7 – 200 usando el arranque estrella – delta. El arranque debe darse según las condiciones del control de nivel de las estaciones de bombeo de influencia. Controlar el arranque de una bomba de 20HP con el PLC S7 – 200 usando el arranque directo. El arranque debe darse según las condiciones del control de nivel de las estaciones de bombeo de influencia. Usando el OPC Kepserverex comunicar al PLC S7 – 200 con LabVIEW 2011. Diseñar el sistema SCADA en labVIEW de las Bombas con capacidad de comunicación a través de intranet. Adquirir los estados de los sensores con el PLC S7 – 200 y publicarlo en la intranet. 1.3 HIPÓTESIS ¿Es posible diseñar un sistema SCADA que sea capaz de adecuarse a cualquier planta de bombeo de agua semi automatizada con bombas menores o iguales a 75HP con el fin de optimizar el proceso de distribución de agua? 1.4 ANTECEDENTES Control de bomba de pozo, Tesis presentado por José J. Fernandez. Propuesta de Planta electromecánica presentado por AQUA Product S.A.
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1.5 METODOLOGÍA DEL ESTUDIO Método de Investigación Investigativo y Aplicativo. 1.6 POBLACIÓN DE ESTUDIO La población de estudio se centra en la minera ANABI SAC ubicada a 3800 msnm, en el distrito de Puquio provincia de Lucanas, región Ayacucho, cuya población afectada es 400, esperando un aproximado de 1200 personas cuando comiencen las operaciones. 1.7 RELACIÓN ENTRE VARIABLES a) Variable dependiente
Nivel de agua. Tipo de arranque de la bomba. Sistema de potencia.
b) Variable independiente
Sistema SCADA. Sistema de comunicaciones.
1.8 ALCANCES DE LA INVESTIGACIÓN La necesidad del agua es fundamental en todas las áreas agricultura, ganadería, industria y minería. Dadas las condiciones de la geografía en muchas situaciones es necesario el uso de plantas de bombeo para satisfacer esta necesidad. Es en éste punto donde los ingenieros electrónicos podemos entrar a tallar optimizando este proceso. El diseño planteado en el presente trabajo es aplicable a cualquier tipo de planta de bombeo no sólo de agua potable sino también es posible adaptarlo a las plantas de bombeo de aguar servidas. Esta adaptabilidad sólo se ve limitado por la potencia del motor trifásico. Esto debido al tipo de arranque que se usa, dado que el SCADA a sido diseñado en base a las variables que implica un determinado tipo de arranque; en este caso nos limitamos a trabajar con el arranque directo y el arranque estrella – delta. 1.9 UTILIDAD DE LOS RESULTADOS DEL ESTUDIO Se puede usar el sistema SCADA planteado en plantas de bombeo que usen arranque directo o estrella – delta, para ello basta con hacer pequeños reajustes al programa. En el caso concreto del área de estudio, este sistema podría permitir un ahorro sustancial en el tiempo de operación y optimización del proceso. Se puede reducir el número de horas necesarias que un operador esté observando el proceso, de hecho bastaría con verificar el estado de las estaciones de bombeo desde la oficina de medio ambiente y contar con un operador o responsable sólo
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para los casos de emergencia. Se puede contar con la certeza de que siempre habrá agua en los tanques.
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CAPÍTULO II MARCO TEORICO, CONCEPTUAL E INFORMACION DE UTILIDAD 2.1 CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN a) Generalidades del control Cuando se habla de control, se está refiriendo a todo aquello capaz de gobernar, dirigir, mandar o regular un sistema incluyendo en él todas las funciones que realiza. De acuerdo a estas funciones se debe tomar en consideración que tan simple o complejo puede ser el sistema, ya que esto se define por el tipo de sistema que se va ha controlar y por los componentes que lo constituyen tales como un interruptor, relevadores y controladores de tiempo. Los controladores realizan varias funciones como arranque, aceleración, regulación de velocidad, regulación de potencia, protección, inversión y parada. Esto hace que el trabajo sea más fácil y rápido, pero se debe considerar que cada una de estas funciones se lleva a cabo por medio de elementos del equipo y dispositivos utilizados para regular o manejar la máquina (en la mayoría de los casos un motor) al cual se está implementando el control; a estos elementos del equipo se les llama componentes de control, los cuales se encargan de llevar a cabo el buen funcionamiento del sistema. b) Control manual El control manual es el más conocido, y se utiliza principalmente para controlar sistemas pequeños, puesto que únicamente en ellos se realiza el arranque y paro de la máquina. Se le conoce como control manual debido a que el operador debe mover un interruptor o pulsar un botón para que de esta manera se efectúe algún cambio en las condiciones del funcionamiento de la máquina o del sistema. En la Fig. 2.1 se muestra cómo funciona este tipo de control, donde se puede apreciar que el operador se encuentra en el lugar donde está situado el arrancador, para hacer funcionar finalmente al motor.
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Fig. 2. 1 Control manual de un motor eléctrico.
c) Control semiautomático Este tipo de control utiliza arrancadores electromagnéticos y uno o más dispositivos pilotos manuales como por ejemplo pulsadores, interruptores de maniobra, combinadores de tambor o dispositivos análogos. En la Fig. 2.2 se muestra el control semiautomático en el cual el operador se localiza específicamente en donde se encuentran los pulsadores. De ahí realiza la marcha, el paro y lleva a cabo los cambios en el funcionamiento, por medio del arrancador electromagnético mismo que recibe la señal para iniciar el control.
Fig. 2. 2 Control semiautomático de un motor eléctrico.
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d) Control automático Está formado fundamentalmente por un arrancador electromagnético o contactor cuyas funciones están controladas por uno o más dispositivos piloto automáticos. La orden inicial es de forma automática, pero por lo general, se realiza con control manual en un panel de pulsadores o interruptores. De esta manera, si el circuito contiene uno o más dispositivos automáticos debe ser clasificado como control automático. En la Fig. 1.3 se observa que para poder llevar a cabo la marcha del motor, el control debe de haberse programado inicialmente por un sistema de control por lo que ahora el operador no se encuentra en el lugar. Este sistema de control hace que se accionen los pulsadores en determinado momento y automáticamente se cierre el circuito; ya cerrado el circuito permite que inicie su labor el arrancador electromagnético y de inicio el funcionamiento del motor.
Fig. 2. 3 Control automático de un motor eléctrico.
2.2 Control por PLC. Se entiende por controlador lógico programable (PLC), a toda máquina diseñada para controlar en tiempo real procesos secuenciales, su manejo y programación pueden ser llevadas a cabo por personal con estudios eléctricos o electrónicos sin conocimientos informáticos. El PLC realiza funciones lógicas, series, paralelos, temporizaciones, conteos y otras más complicadas como cálculos y regulaciones. También se le puede definir como una caja negra en la que existen unas terminales de entrada a las que se conectaran pulsadores, detectores, y unas terminales de salida a las que se conectaran bobinas de contactores, electroválvulas, lámparas, etcétera. De tal forma que la operación de estos últimos este en función de las señales de entrada que estén activadas en cada momento, según el programa almacenado. Los elementos tradicionales con relevadores auxiliares, de enclavamiento, temporizaciones, etcétera, son internos. En realidad la tarea del usuario se reduce a realizar un programa que establece la relación entre señales de entrada, que se deben cumplir para activar cada salida con una programación adecuada, se 11
puede llevar a cabo funciones de control de muchos tipos y diferentes niveles de complejidad. a) Ventajas Flexibilidad Es posible emplear un PLC para hacer trabajar cualquier máquina, ya que bajo el control del PLC cualquier máquina puede trabajar con su programa. Modificación de programas y corrección de errores Con un circuito tradicional cableado, cualquier alteración a este requiere mucho tiempo debido a que para realizar este cambio es necesario volver a cablear tableros de control. Gran cantidad de contactos Un PLC tiene un gran número de contactos para cada una de las bobinas disponibles en su programación. Menor costo El avance tecnológico ha hecho compactar diversas funciones en equipos pequeños y cada vez más económicos. En la actualidad es posible comprar un PLC, el cual contiene relevadores, temporizadores, contadores, secuenciadores, etcétera, a un costo más bajo que si se compraran todos estos equipos por separado. Pruebas preliminares Un circuito de control programado en un PLC, puede ser prearrancado y evaluado en la oficina o en el laboratorio, en estas condiciones el programa a ser simulado, puede ser observado y modificado si es necesario, así ahorra tiempo valioso y evita fallas costosas en el equipo de industria. Observación visual En sistemas de PLC’s avanzados se pueden programar mensajes al operador para cada posible falla, entonces la descripción de la misma aparece en la pantalla cuando es detectada por el PLC. Velocidad de operación Los relevadores tradicionales pueden tomar un tiempo considerable para actuar. La velocidad de operación para ejecutar un programa en un PLC es muy rápida y está determinada por el tiempo de SCAN (búsqueda), en cuestión de milisegundos. Método de programación Ladder La programación del PLC puede ser llevada a cabo en lenguaje Ladder (escalera) por cualquier técnico. Confiabilidad En general los equipos de estado sólido son más confiables que los relevadores y temporizadores electromecánicos. Los PLC´s están fabricados con componentes electrónicos de estado sólido con altos estándares de confiabilidad. 12
Sencillez para disponer de elementos de control Un PLC es un equipo muy completo; cuando se dispone de contadores, relevadores y otros componentes de manera inmediata, así como elementos adicionales. Documentación Si se requiere un circuito de control programado en un PLC, puede imprimirse en minutos, no es necesario buscar un archivo, planos y diagramas, con el PLC se imprime la información de un circuito, mostrando el estado de los componentes en un momento específico haciendo más fácil la tarea de verificación y mantenimiento. Seguridad Un programa en el PLC no puede ser cambiado a menos que se tenga el código de acceso al propio programa y la terminal de programación, en los tableros de control por relevadores con frecuencia se realizan cambios sin que se lleven registros. b) Desventajas Tecnología más nueva Se presenta dificultad para cambiar la forma de pensar del personal técnico, a la tecnología tradicional de relevadores hacia la tecnología programada por PLC. Aplicación en programas fijos Un PLC tiene múltiples elementos que pueden adecuarse a diversos programas. Si el circuito de control es pequeño y prácticamente no tendrá cambios, es posible que un PLC no sea necesario; además los relevadores tradicionales serian menos costosos, el PLC es más efectivo cuando se realizan cambios periódicos en los sistemas de control. Consideraciones ambientales Ciertos procesos donde se trabaja a temperaturas altas y grandes vibraciones, interfieren con los equipos electrónicos en los PLC´s lo que hace limitado su uso.
c) Estructura del PLC Para poder estudiar la estructura de un PLC es necesario dividirlo en dos tipos (estructura externa y estructura interna) las cuales se mencionan a continuación, con sus diferentes elementos que las componen. Estructura externa: • Estructura compacta: Este tipo de PLC se distingue por presentar en un solo bloque todos sus elementos, estos son fuente de alimentación, CPU, memorias, entradas/salidas, etcétera; por ejemplo los PLC`s de gama baja son 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. • Estructura modular: Su característica principal es que existe un módulo para cada uno de los diferentes elementos que componen el PLC como puede ser una 13
fuente de alimentación, CPU, ó E/S, 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 PLC`s de gama alta los que suelen tener una estructura modular, que permiten una gran flexibilidad en su constitución, cabe mencionar que esta estructura se puede dividir en dos tipos, de acuerdo a su lugar de origen (Americana y Europea). Estructura interna: Se refiere al conjunto de elementos internos que componen al PLC, el cual está constituido por diferentes elementos, pero tres son los básicos: • CPU • Entradas • Salidas CPU: La CPU (Unidad Central de Proceso) 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 Funciones básicas del CPU: Vigilar que el tiempo de ejecución del programa de usuario no exceda de un determinado tiempo máximo. 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. Entradas: La sección de entradas mediante el interfaz, adapta y codifica de forma comprensible por el CPU las señales procedentes de los dispositivos de entrada o detectores. Hay dos tipos de entradas: • Entradas digitales • Entradas analógicas Entradas digitales. Los módulos de entrada digitales permiten conectar al PLC, detectores de tipo todo o nada como finales de carrera, pulsadores, etcétera, también trabajan con señales de tensión; por ejemplo cuando por una vía llegan 24 V se interpreta como un "1" y cuando llegan 0 V se interpreta como un "0". Entradas analógicas: Los módulos de entrada analógicas permiten que los PLC`s trabajen con accionadores de mando analógico y lean señales de tipo analógico como pueden ser la temperatura, la presión, etcétera Los módulos de entradas analógicas convierten una magnitud analógica en un número que se 14
deposita en una variable interna del PLC. Lo que realiza es una conversión A/D, puesto que el PLC solo trabajar con señales digitales. Esta conversión se realiza con una precisión o resolución determinada (número de bits) y cada cierto intervalo de tiempo (periodo muestreo). Los módulos de entrada analógica pueden leer tensión o intensidad. Salidas: La sección de salida también mediante interfaz trabaja de forma inversa a las entradas, es decir, decodifica las señales procedentes del CPU, amplificándolas y mandado con ellas los dispositivos de salida o actuadores como lámparas y relevadores aquí también existen interfaces de adaptación a las salidas de protección de circuitos internos. Hay dos tipos de salidas: Salidas digitales. Salidas analógicas. Salidas digitales. Un módulo de salida digital permite al PLC 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 relevador interno del PLC. 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. Salidas analógicas. Los módulos de salida analógica permiten que el valor de una variable numérica interna del PLC se convierta en tensión o intensidad, lo que realiza es una conversión D/A, puesto que el PLC solo trabaja con señales digitales. Esta conversión se realiza con una precisión o resolución determinada (número de bits) y cada cierto intervalo de tiempo (periodo muestreo). Esta tensión o intensidad puede servir de referencia de mando para accionadores que admitan mando analógico como pueden ser los variadores de velocidad, las etapas de los tiristores de los hornos y reguladores de temperatura. Permitiendo al PLC realizar funciones de regulación y control de procesos continuos. 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. Con las partes mencionadas se puede decir que se tiene un PLC pero para que sea operativo son necesarios otros elementos tales como: 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 corriente 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.
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La alimentación a los circuitos E/S puede realizarse en dos tipos, en alterna a 48/110/220 Vca. o en continua a 12/24/48 Vcc. Una 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 PLC. La unidad o consola de programación: Es el conjunto de medios, hardware y software, mediante los cuales el programador introduce y depura sobre las secuencias de instrucciones (en uno u otro lenguaje) que constituyen el programa a ejecutar. Los dispositivos periféricos: Son aquellos elementos auxiliares, físicamente independientes del PLC, que se unen al mismo para realizar su función específica y que amplían su campo de aplicación o facilitan su uso. Como tales no intervienen directamente en la elaboración ni en la ejecución del programa. En la Fig. 2.4 se observan los principales elementos con los cuales puede funcionar el PLC, dichas funciones que realiza cada elemento ya fueron descritas anteriormente.
Fig. 2. 4 Elementos necesarios para el funcionamiento del PLC.
d) Funcionamiento El PLC consulta el estado de las entradas y guarda la información en una imagen de entrada. Consulta al programa según los datos almacenados en la imagen de entrada y según ello genera una imagen de salidas.
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Fig. 2. 5 Funcionamiento del PLC.
2.3 Lenguaje de programación Lenguaje de contactos Es la representación gráfica que tiene cierta analogía a los esquemas de contactos. Su estructura obedece a la semejanza que existe con los circuitos de control con lógica cableada, es decir utiliza la misma representación de los contactos normalmente abiertos y normalmente cerrados, con la diferencia que su interpretación es totalmente diferente. En la Fig. 2.6 se muestra la programación mediante contactos. Además de los simples contactos que dispone, existen otros elementos que permiten realizar cálculos aritméticos, operaciones de comparación, implementar algoritmos de regulación, etcétera. Su gran difusión se debe por facilitar el trabajo a los usuarios.
Fig. 2. 6 Diagrama tipo escalera.
2.4 Automatización Se entiende por automatización a la implementación de un dispositivo tecnológico, a una máquina o proceso, el cual se encargara de controlar su funcionamiento. Este nuevo sistema (sistema automatizado), es capaz de reaccionar ante las diferentes situaciones que se pueden presentar y tomar decisiones por si solo. En la Fig. 2.6 se muestra un esquema de la automatización de un sistema.
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Fig. 2. 7 Automatización de un sistema.
El sistema automatizado es un flujo cerrado de información intercambiable, desde la unidad de control hasta la máquina o proceso y viceversa. La información recibida en la unidad de control se trata y se elabora según el programa de control de cada sistema, del que se obtienen las acciones que conducirán el funcionamiento de la máquina o del proceso. Además, la unidad de control es capaz de proporcionar información ya elaborada sobre el estado y evolución del sistema, al operador mismo. Por otra parte el operador puede intervenir en el desarrollo del control mediante las consignas que modifican los parámetros del algoritmo del control, o puede tomar el mando pasando el sistema de control a manual. La evolución tecnológica ha permitido la realización de sistemas automatizados más complejos, el nivel de automatización no ha dejado de elevarse desde las primeras y elementales funciones de vigilancia, o enlace en operaciones generalmente conducidas por el operador a nivel máquinas. Pasando por el control total de la máquina compleja hasta llegar al completo control del proceso productivo.
2.5 Sistemas SCADA, OPC y LabVIEW El nombre SCADA significa: (Supervisory Control And Data Adquisition, Control Supervisor y Adquisición de datos). Un sistema SCADA es una aplicación o conjunto de aplicaciones software especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores de control de producción, con acceso a la planta mediante la comunicación digital con los instrumentos y actuadores, e interfaz gráfica de alto nivel con el usuario (pantallas táctiles, ratones o cursores, lápices ópticos, etc...). Aunque inicialmente solo era un programa que permitía la supervisión y adquisición de datos en procesos de control, en los últimos tiempos han ido surgiendo una serie de productos hardware y buses especialmente diseñados o adaptados para éste tipo de sistemas. La interconexión de los sistemas SCADA también es propia, se realiza una interfaz del PC a la planta centralizada, cerrando el lazo sobre el ordenador principal de supervisión.
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Los sistemas SCADA se utilizan en el control de oleoductos, sistemas de transmisión de energía eléctrica, yacimientos de gas y petróleo, redes de distribución de gas natural, subterráneos, generación energética (convencional y nuclear). a) Características de un sistema SCADA Supervisión Sistemas de control hay muchos y muy variados y todos, bien aplicados, ofrecen soluciones óptimas en entornos industriales. Lo que hace de los sistemas SCADA una herramienta diferenciativa es la característica de control supervisado. Se puede definir la palabra supervisar como ejercer la inspección superior en determinados casos, ver con atención o cuidado y someter una cosa a un nuevo examen para corregirla o repararla permitiendo una acción sobre la cosa supervisada. La labor del supervisor representa una tarea delicada y esencial desde el punto de vista normativo y operativo; de ésta acción depende en gran medida garantizar la calidad y eficiencia del proceso que se desarrolla. En el supervisor descansa la responsabilidad de orientar o corregir las acciones que se desarrollan. Por lo tanto tenemos una toma de decisiones sobre las acciones de últimas de control por parte del supervisor, que en el caso de los sistemas SCADA, estas recaen sobre el operario. Esto diferencia notablemente los sistemas SCADA de los sistemas clásicos de automatización donde las variables de control están distribuidas sobre los controladores electrónicos de la planta y dificulta mucho una variación en el proceso de control, ya que estos sistemas una vez implementados no permiten un control a tiempo real óptimo. La función de monitorización de estos sistemas se realiza sobre un PC industrial ofreciendo una visión de los parámetros de control sobre la pantalla de ordenador, lo que se denomina un HMI (Human Machine Interface), como en los sistemas SCADA, pero sólo ofrecen una función complementaria de monitorización: A menudo, las palabras SCADA y HMI inducen cierta confusión en los profanos (frecuentemente alentada por los mismos fabricantes en su afán de diferenciar el producto o exaltar comercialmente el mismo). Cierto es que todos los sistemas SCADA ofrecen una interfaz gráfica PC-Operario tipo HMI, pero no todos los sistemas de automatización que tienen HMI son SCADA. La diferencia radica en la función de supervisión que pueden realizar estos últimos atreves del HMI, esto:
Adquisición y almacenado de datos, para recoger, procesar y almacenar la información recibida, en forma continua y confiable.
Representación gráfica y animada de variables de proceso y monitorización de éstas por medio de alarmas
Ejecutar acciones de control, para modificar la evolución del proceso, actuando bien sobre los reguladores autónomos básicos (consignas, 19
alarmas, menús, etc.) bien directamente sobre el proceso mediante las salidas conectadas.
Arquitectura abierta y flexible con capacidad de ampliación y Adaptación
Conectividad con otras aplicaciones y bases de datos, locales o distribuidas en redes de comunicación
Supervisión, para observar desde un monitor la evolución de las variables de control.
Transmisión, de información con dispositivos de campo y otros PC.
Base de datos, gestión de datos con bajos tiempos de acceso. Suele utilizar ODBC.
Presentación, representación gráfica de los datos. Interfaz del Operador o HMI (Human Machine Interface).
Explotación de los datos adquiridos para gestión de la calidad, control estadístico, ges-tión de la producción y gestión administrativa y financiera.
Alertar al operador de cambios detectados en la planta, tanto aquellos que no se consideren normales (alarmas) como cambios que se produzcan en la operación diaria de la planta (eventos). Estos cambios son almacenados en el sistema para su posterior análisis.
Prestaciones Las prestaciones que puede ofrecernos un sistema SCADA eran impensables hace una década y son las siguientes:
Posibilidad de crear paneles de alarma, que exigen la presencia del ordenador para reconocer una parada o situación de alarma, con registro de incidencias.
Generación de históricos de señal de planta, que pueden ser volcados para su proceso sobre una hoja de cálculo.
Creación de informes, avisos y documentación en general.
Ejecución de programas, que modifican la ley de control, o incluso el programa total sobre el autómata (bajo unas ciertas condiciones) .
Posibilidad de programación numérica, que permite realizar cálculos aritméticos de elevada resolución sobre la CPU del ordenador, y no sobre la del autómata, menos especializado, etc.
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Con ellas, se pueden desarrollar aplicaciones basadas en el PC, con captura de datos, análisis de señales, presentaciones en pantalla, envío de resultados a disco o impresora, control de actuadores, etc.
Requisitos Estos son algunos de los requisitos que debe cumplir un sistema Scada para sacarle el máximo provecho: Deben ser sistemas de arquitecturas abiertas, capaces de crecer o adaptarse según las necesidades cambiantes de la empresa. Deben comunicarse con total facilidad y de forma transparente para el usuario con el equipo de planta (“drivers”) y con el resto de la empresa (acceso a redes locales y de gestión). Los programas deberán ser sencillos de instalar, sin excesivas exigencias, y fáciles de utilizar, con interfaces amables con el usuario (sonido, imágenes, pantallas táctiles, etc.). b) Componentes de hardware Un sistema SCADA, como aplicación de software industrial específica, necesita ciertos com-ponentes inherentes de hardware en su sistema, para poder tratar y gestionar la información captada.
Fig. 2. 8 Estructura básica de un sistema SCADA a nivel de hardware.
Ordenador Central o MTU (Master Terminal Unit): Se trata del ordenador principal del sistema el cual supervisa y recoge la información del resto de las subestaciones, bien sean otros ordenadores conectados (en sistemas complejos) a los instrumentos de campo o directamente sobre dichos instrumentos. Este ordenador suele ser un PC, el cual soporta el HMI. De esto se deriva que el sistema SCADA más sencillo es el compuesto por un único ordenador, el cual es el MTU que supervisa toda la estación. 21
Las funciones principales de la MTU son:
Interroga en forma periódica a las RTU’s, y les transmite consignas; siguiendo usualmente un esquema maestro-esclavo.
Actúa como interfase al operador, incluyendo la presentación de información de variables en tiempo real, la administración de alarmas, y la recolección y presentación de información historizada.
Puede ejecutar software especializado que cumple funciones específicas aso-ciadas al proceso supervisado por el SCADA. Por ejemplo, software para de-tección de pérdidas en un oleoducto.
Ordenadores Remotos o RTUs (Remote Terminal Unit): Estos ordenadores están si-tuados en los nodos estratégicos del sistema gestionando y controlando las subestacio-nes del sistema, reciben las señales de los sensores de campo, y comandan los elemen-tos finales de control ejecutando el software de la aplicación SCADA. Se encuentran en el nivel intermedio o de automatización, a un nivel superior está el MTU y a un nivel inferior los distintos instrumentos de campo que son los que ejercen la automatización física del sistema, control y adquisición de datos. Red de comunicación: Éste es el nivel que gestiona la información que los instrumentos de campo envían a la red de ordenadores desde el sistema. El tipo de BUS utilizado en las comunicaciones puede ser muy variado según las necesidades del sistema y del software escogido para implementar el sistema SCADA, ya que no todos los softwares (así como los instrumentos de campo como PLC’s) pueden trabajar con todos los tipos de BUS. Instrumentos de Campo: Son todos aquellos que permiten tanto realizar la automatización o control del sistema (PLC’s, controladores de procesos industriales, y actuado-res en general) como los que se encargan de la captación de información del sistema (sensores y alarmas). Una característica de los Sistemas SCADA es que sus componentes son diseñados por distintos proveedores, sin coordinación entre sí. Así, se tienen diferentes proveedores para las RTU’s (incluso es posible que un sistema utilice RTU’s de más de un proveedor), modem’s, radios, minicomputadores, software de supervisión e interface con el operador, software de detección de pérdidas, etc. c) Cómo elegir un sistema SCADA
Para evaluar si un sistema SCADA es necesario para manejar una instalación dada, el proceso a controlar debe cumplir las siguientes características:
El número de variables del proceso que se necesita monitorear es alto.
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El proceso está geográficamente distribuido. Esta condición no es limitativa, ya que puede instalarse un SCADA para la supervisión y control de un proceso concentrado en una localidad.
Las información del proceso se necesita en el momento en que los cambios se producen en el mismo, o en otras palabras, la información se requiere en tiempo real.
La complejidad y velocidad del proceso permiten que la mayoría de las acciones de control sean iniciadas por un operador. En caso contrario, se requerirá de un Sistema de Control Automático, el cual lo puede constituir un Sistema de Control Distribuido, PLC's, Controladores a Lazo Cerrado o una combinación de ellos.
d) OPC: KepserverEX 5.8 OPC (OLE for Process Control) es el estándar diseñado para comunicar sistemas y dispositivos. Esto incluye tanto las comunicaciones entre un software SCADA y los buses de comunicación con los autómatas, como las comunicaciones entre una aplicación SCADA y otras aplicaciones como puedan ser las de gestión, abriendo a estas últimas el acceso a los datos de planta, como datos históricos, datos batch, etc. Los productos OPC (Clientes y Servidores), pueden ser usados con Visual Basic y sus variantes. Es decir, OPC corresponde a un conjunto de especificaciones basadas en los estándares de Microsoft (COM, DCOM, OLE Automation, y ActiveX) que cubren los requerimientos de comunicación industrial entre aplicaciones y dispositivos, especialmente en lo que se refiere a la atención al tiempo real.
Fig. 2. 9 Interfaz OPC Servidor - Cliente.
Las especificaciones OPC se mantienen a través de la OPC Foundation, conjunto de especificaciones técnicas no-propietario que define un conjunto de interfaces estándar basadas en la tecnología OLE/COM de Microsoft. La tecnología COM permite la definición de objetos estándar así como de métodos y propiedades para los servidores de información en tiempo real. La tecnología OLE Automation posibilita comunicar las aplicaciones con datos recibidos a través de LAN, estaciones remotas o Internet. 23
Antes del OPC, cada software requería de un interface específico (servidor, driver) para inter-cambiar datos con una determinada familia de dispositivos de campo. Y para intercambiar datos entre aplicaciones se utilizaba el estándar DDE o bien interfaces específicos para cada pareja de aplicaciones. OPC elimina esta necesidad y permite utilizar una misma operativa para comunicar aplicaciones, dispositivos y drivers. Los proveedores, tanto de hardware como de software, pueden suministrar productos con una elevada conectividad y compatibilidad, y los usuarios tienen una amplia gama de opciones para construir la solución que mejor se adapta a sus necesidades. KEPServerEX es el más popular del mundo servidor OPC solución para la automatización. Esta versión ofrece una funcionalidad nueva y significativa y una variedad de mejoras orientadas a abrir nuevas oportunidades, así como dar mayor valor a los clientes existentes y los fabricantes de equipos originales. Las nuevas características incluyen: un servidor OPC-A & E - la entrega de datos de registro de sucesos de hoy, pero el escenario para la alarma completa y datos de eventos en los próximos meses, los nuevos controladores de AutomationDirect Productividad 3000 del Protocolo y de METTLER TOLEDO - Protocolo de salida continua, y el encargo interfaz de controlador de solución que permite a los desarrolladores aprovechar KEPServerEX y KEPServer versiones OEM de marca, conectividad de clientes, (fundamentalmente aprovechando KEPServer como un servidor OPC y el kit de herramientas de interfaz nativa, sin necesidad de aprender los entresijos de los servidores OPC, interfaces nativas o kits de herramientas personalizadas.) Además de estas nuevas características, esta versión ofrece mejoras en los siguientes controladores, GE Global de Datos Ethernet, SRTP GE, GE SNP, SNPX GE, GE Focas 1, Ethernet Mitsubishi, Modbus ASCII, Modbus Ethernet, Modbus Plus, Modbus RTU, Modbus RTU no solicitado , Siemens S7 MPI, Siemens S5 (3964R Protocolo), Ethernet de SIMATIC 505, SIMATIC 505 de serie, industrial SNMP, Triconex Ethernet configurables por el usuario (UCON), y Yokogawa DX Ethernet.
Fig. 2. 10 Capacidades del OPC KepserverEX.
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e) NI LabVIEW LabVIEW es un extenso entorno de desarrollo que brinda a científicos e ingenieros integración con hardware sin precedentes y amplia compatibilidad. LabVIEW lo inspira a resolver problemas, acelera su productividad y le da la seguridad para innovar continuamente para crear y desplegar sistemas de medidas y control. Aplicaciones: ¿Cómo puedo usar NI LabVIEW? Puede realizar medidas simples de temperatura hasta controlar el acelerador de partículas más grande del mundo, los ingenieros y científicos utilizan la plataforma de diseño gráfico de sistemas NI LabVIEW para resolver una amplia variedad de retos en aplicaciones. También puede incorporar los nuevos proyectos de LabVIEW a sus sistemas porque LabVIEW conecta a prácticamente cualquier dispositivo de medida y herramienta de diseño.
Fig. 2. 11 Interfaz de LabVIEW.
Instrumentos Virtuales. Un programa creado en LabVIEW es llamado como Instrumento Virtual y consta de tres partes a crear. El Panel frontal, donde estarán ubicados todos los indicadores y controles que el usuario podrá ver cuando el programa esté en funcionamiento. Por ejemplo botones, perillas, gráficas, etc.
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Fig. 2. 12 Panel frontal de LabVIEW.
Diagrama de bloques, En este las subrutinas son mostradas como iconos de cajas negras, con unas entradas y unas salidas determinadas, donde en el interior se cumple una función específica.
Fig. 2. 13 Diagrama de bloques de LabVIEW.
Icono de conexión y subVI’s, El ícono de conexión. Se usa para utilizar el programa creado como subrutina en otro programa, donde el ícono será la caja negra, y las entradas son las conexiones a los controles del programa subrutina, y las salidas son las conecciones a los indicadores del mismo subprograma.
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Fig. 2. 14 Ícono de conexión y subVI.
Tipos de datos y estructuras Tipos de datos Al elegir los controladores e indicadores en LabVIEW se les asigna automáticamente una clase de datos. Se presentan dos tipos de datos, los no estructurados (no divisibles en componentes) y los estructurados (divisibles en componentes). Cada dato en el panel de control tiene su dibujo en el diagrama de bloques. Datos no estructurados o escalares: Este tipo de dato se caracterizan porque no se pueden dividir en otros componentes más pequeños. Estos tipos, denominados estándar, no necesitan definirse en el programa, ya que se asume que son conocidos , en incluyen los valores lógicos (BOOLEAN) , los números enteros (INTEGER), los números reales (REAL) y los conjuntos de caracteres (CHAR). Un ejemplo de éstos se puede observar en la figura 2.15.
Fig. 2. 15 Tipo de datos en labVIEW.
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Datos estructurados: Un dato estructurado se define como el conjunto de variables reunidas bajo un único nombre en común. Estas estructuras de datos se construyen a partir de los tipos de datos elementales ya vistos en el apartado anterior. Los datos estructurados en LabVIEW son los siguientes: matrices (ARRAYS), CLUSTERS, controles e indicadores STRING, y ficheros de ENTRADA/ SALIDA. Ver fig. 2.15. Tipos de estructuras en LabVIEW Existen dos tipos de programación en LabVIEW: la programación estructurada y la programación modular. Programación Estructurada: La programación estructurada se basa en el uso de cuatro conjuntos de estructuras:
Secuencial: La estructura Secuencial se compone de una serie de acciones elementales que se ejecutan en el orden que se han descrito. Condicional: La estructura Condicional se emplea cuando dos o más acciones alternativas dependen de una condición (se denomina “CASE” en LabVIEW, ver figura 15). El término de entrada que va a determinar qué condición se cumple estará unido al selector indicado con una interrogante [?]. Iterativa: Existen dos tipos de estructuras iterativas en LabVIEW diferentes entre sí, la estructura “WHILE LOOP” y la estructura “FOR LOOP”[10]: en una estructura “WHILE LOOP” la acción se repite mientras que la condición de entrada a la estructura sea cierta. Si es falsa nunca se ejecutará. En cambio, para una estructura “FOR LOOP”, la acción se repite tantas veces como indique una variable que actúa de contador.
Fig. 2. 16 Estructuras más usadas en LabVIEW.
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Programación modular: La programación modular se basa en dividir el programa en partes que tengan una personalidad propia, es decir, en dividir el programa en LabVIEW en varios subprogramas que ahorren tiempo y esfuerzo a la hora de realizar y ejecutar el programa. Los subprogramas tienen las mismas propiedades que un programa y se utilizan mediante la creación de iconos y conectores que facilitan la lectura y la interpretación del instrumento virtual global. En el proyecto se utilizará una mezcla de ambas programaciones, tanto modular como estructurada.
2.6 STEP 7 Micro/WIN 3.2 y SimuPLC a) STEP 7 Micro/WIN 3.2 La firma Siemens ha sacado al mercado un nuevo software para la programación de los autómatas de la familia S7-200. Esta nueva versión de MicroWin (la 3.0.2) está especialmente diseñada para sacar el máximo partido a las nuevas CPUs (221, 223, 224 y 226) pero permite seguir programando las ya populares S7-21x. Lo más llamativo de esta versión de MicroWin es su adaptación a las especificaciones dadas por la norma IEC1131-3. Si otros fabricantes, como por ejemplo Telemecanique, vienen desde hace tiempo aplicando dicho estándar, Siemens parecía reacio a implementarlo en sus autómatas, quizás debido al éxito que tuvieron los famosos S5. Este pensamiento ha debido cambiar entre los diseñadores de la empresa, que se han dado cuenta de la importancia que tiene utilizar un lenguaje universal para la programación de autómatas. Aun así se mantiene la nemotecnia Simatic S7, original de Siemens, para aquellos que no estén dispuestos a cambiar su modo de programación.
Fig. 2. 17 Pantalla de inicio de STEP7 Micro WIN32.
Características Funciones de comunicación, comprobación y observación de programas. Funciones de comunicación mejoradas. Soporte de 187,5 kbit/s para PPI al utilizar interfaces MPI/CP. Posibilidad de crear varias tablas de estado con nombres. Posibilidad de forzar/desforzar valores en los editores KOP y FUP, así como en las tablas de estado. 29
La comunicación se puede configurar más fácilmente gracias a las nuevas herramientas gráficas. Soporte de módems estándar de 10 bits e integración más fácil en la red de comunicación. Documentación e impresión de los proyectos. Encabezados de bloque y comentarios con indicación de hora y fecha. Considerables mejoras de la función de impresión, incluyendo la presentación preliminar de varias páginas. Configuración flexible de la impresión, siendo posible incluir y excluir partes del proyecto, tales como el bloque de programa, el bloque de datos, así como las tablas de símbolos y de estado.
b) SimuPLC Es un programa que permite simular en una PC el funcionamiento de los programas creados para el autómata S7 – 200.
Fig. 2. 18 Pantalla de SimuPLC.
2.7 Sistemas de bombeo de agua potable Una necesidad que ha tenido el ser humano a través de los años es transportar el agua de un lugar a otro, por lo que empezó a idear diversos mecanismos para su solución, iniciando así el desarrollo tecnológico en sistemas de bombeo. La implementación de tecnología permitió al hombre transportar el agua de una manera más sencilla, logrando el progreso en el desarrollo de los medios de control. Un sistema de bombeo de agua potable que abastece este vital líquido necesita de un buen equipo para su funcionamiento, así como un buen control para mejorar el servicio al consumidor final. El control automatizado ayuda a mejorar el sistema de bombeo de agua potable, en conjunto con sus características de operación con las que esté trabajando. a) Características de los sistemas de bombeo Antes de determinar el tamaño de un sistema de bombeo de agua, es necesario entender los conceptos básicos que describen las condiciones hidráulicas de una 30
obra. Como el tamaño del sistema está en relación directa con el producto de la carga dinámica total (CDT), y el volumen diario necesario. La carga dinámica total es la suma de la carga estática (CE) y la carga dinámica (CD): Carga estática La primera parte, la carga estática, puede obtenerse con mediciones directas. Se trata de la distancia vertical que el agua se desplaza desde el nivel de abatimiento del pozo hasta la altura en que se descarga el agua. La carga estática es entonces la suma del abatimiento, el nivel estático y la altura de la descarga. Todos los pozos experimentan el fenómeno de abatimiento cuando se bombea el agua, esta es la distancia que baja el nivel del agua debido a la constante extracción de agua. La Fig. 2.17 muestra estos componentes hidráulicos que conforman la carga estática. Carga dinámica (fricción) La carga dinámica es el incremento en la presión causado por la resistencia al flujo al agua debido a la rugosidad de las tuberías y componentes como codos y válvulas, esta rugosidad depende del material usado en la fabricación de las tuberías. Los tubos de acero producen una fricción diferente a la de los tubos de plástico PVC de similar tamaño, además el diámetro de los tubos influye en la fricción, mientras mas estrechos, mayor resistencia producida. Para calcular la carga dinámica, es necesario encontrar la distancia que recorre el agua desde el punto en el que el agua entra en la bomba hasta el punto de descarga, incluyendo las distancias horizontales, así como el material de la línea de conducción y su diámetro.
Fig. 2. 19 Principales características y componentes hidráulicos de un sistema de bombeo de agua.
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b) Elementos de un sistema de bombeo Todo sistema de bombeo cuenta con diferentes dispositivos y/o elementos que lo constituyen, la diferencia radica de acuerdo al lugar donde se desee realizar la extracción del agua, ya que debido a esto se selecciona el tipo de bomba y motor, como también las tuberías, válvulas y el depósito donde se vaciará el agua. Básicamente estos son los elementos indispensables, pero si se desea automatizar, los elementos constitutivos aumentan en número de acuerdo al propósito de dicha automatización. Bombas La bomba sirve para producir una ganancia en carga estática de un fluido, procedente de una energía mecánica que se transmite en su eje por medio de un motor. Hay una diversidad de mecanismos de bombeo (bombas), cuya capacidad, diseño y aplicación cubren un amplio rango que va desde pequeñas unidades utilizadas para dosificación de cantidades mínimas, hasta bombas centrífugas que son capaces de manejar grandes volúmenes para surtir de agua a las grandes concentraciones urbanas. Su variedad de diseños cubren desde diferentes principios de operación, hasta bombas especiales para manejo de sustancias tan diversas como el agua, metales fundidos, concreto, gastos diferentes y materiales de construcción, como el sistema que se desea automatizar ya existe el estudio de estos elementos no se realizaran en el presente trabajo. Existen muchos tipos de bombas para diferentes aplicaciones. Debido a la diversidad de bombas que existen, por las características que cada una de ellas tiene y su aplicación, hay muchas formas de clasificar las bombas. Por rangos de volúmenes a manejar, por fluidos a mover, etcétera. Sin embargo, la clasificación más general es en función de la forma en que las bombas imprimen el movimiento al fluido. Bombas centrífugas Si se tiene un cubo lleno de agua atado al extremo de una cuerda, y se pone a girar, el agua contenida en el cubo permanecerá ahí, pegándose al extremo del cubo con una fuerza originada por la velocidad rotacional. Esa es la fuerza centrífuga, y es la base del principio de operación de las bombas centrífugas. Imaginando un impulsor en reposo dentro del agua. Si dicho impulsor se pone a girar, el agua saldrá impulsada por entre los álabes del mismo. A medida que el agua es arrojada fuera de los álabes, más agua llega al centro del impulsor, por ser ésta la zona de menor presión; por ello es ahí donde generalmente se coloca el producto que se desea bombear. Al continuar girando el impulsor, más agua es expulsada y más agua llega al centro del impulsor, manteniéndose así un flujo continuo, sin variaciones de presión; este es el principio de funcionamiento de las bombas centrífugas. Si el impulsor se coloca dentro de un envolvente o carcaza, el flujo es dirigido hacia donde es requerido, para lograr de ésta manera el objetivo deseado, en la Fig. se puede observar los principales elementos de una bomba centrifuga.
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El impulsor es el corazón de la bomba centrífuga, pues es el componente que imprime la velocidad al fluido; consiste en un cierto número de aspas o álabes curveados con una forma tal que permite un flujo continuo del fluido a través de ella. El diseño de los impulsores se hace en función del fluido a bombear pudiendo ser abiertos, semi cerrados y cerrados. En las carcazas de tipo espiral, el impulsor descarga el fluido en un área que se expande gradualmente, disminuyendo así la velocidad para irse convirtiendo en energía de presión. A diferencia de otros tipos de bombas, las centrífugas, operando a velocidad constante proporcionan un flujo desde 0 hasta su valor máximo, en función de la carga, diseño propio y condiciones de succión. Existen curvas características, típicas, de bombas centrífugas, donde se puede interrelacionar la presión de descarga (carga), capacidad, potencia requerida y eficiencia de operación de la bomba.
Fig. 2. 20 Bomba centrífuga.
Válvulas Una válvula se puede definir como un aparato mecánico con el cual se puede iniciar, detener o regular la circulación (paso) de líquidos o gases mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios. Además es un accesorio que se utiliza para controlar el fluido de una tubería. Este proceso puede ser desde cero (válvula totalmente cerrada), hasta el paso total de flujo (válvula totalmente abierta), y pasa por todas las posiciones intermedias, entre estos dos extremos. Existe una gran variedad de válvulas en el mercado que son de gran utilidad para el control de fluidos y estos se clasifican de acuerdo al fluido a controlar, como pueden ser: de compuerta, en ángulo, de 3 vías, de globo, de bola de mariposa, etcétera. En la Fig. 2.10 se encuentran algunos ejemplos de estas válvulas.
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Fig. 2. 21 Ejemplos de válvulas.
Tuberías Las tuberías son elementos de diferentes materiales que cumplen la función de permitir el transporte del agua u otros fluidos en forma eficiente. Cuando el líquido transportado es petróleo, se utiliza la denominación específica de oleoducto. Cuando el fluido transportado es gas, se utiliza la denominación específica de gasoducto. Cuando el fluido transportado es agua se utiliza la denominación acueducto y si es otro fluido, se especifica. Depósito El depósito es el medio en el cual se vierte todo tipo de material ya sea líquido o sólido, en este caso se llena de agua que servirá para la distribución a zonas cercanas por medio de la acción de la gravedad, como se observa en las Fig. 2.20. De esta manera es muy importante verificar el material del cual está hecho dicho depósito puesto que sirve para acumular agua potable.
Fig. 2. 22 Tuberías de acero.
Pozos profundos. Los pozos profundos son manantiales de agua y sus características principales son:
Nivel estático: Este es el nivel máximo que alcanzará el agua dentro del pozo. Nivel dinámico: Es el nivel mínimo permitido que puede alcanzar el agua. Esto es que la pichancha está ubicada a este nivel y si este nivel es 34
alcanzado, la bomba debe de ser parada ya que de lo contrario trabajaría en vacío. Entre estos dos niveles está determinada la cantidad de agua disponible para bombear. Este nivel varía de acuerdo a la temporada que sea (lluvia).
2.8 Conceptos relacionados a) Motores eléctricos trifásicos Un motor eléctrico es un sistema que convierte la energía eléctrica en mecánica. Si no se menciona ningún otro adjetivo solemos suponer que el motor ofrece un movimiento giratorio, y por eso, cuando escuchamos su nombre automáticamente nos imaginamos un eje con un volante, polea o engrane, girando. Si afinamos en el significado del término, podemos decir que el conjunto imán bobina del altavoz que hace mover su membrana, se llama igualmente motor, pues en él la energía eléctrica también es transformada en movimiento, esta vez "armónica". Motor trifásico asíncrono El motor asíncrono trifásico está formado por un rotor, que puede ser de dos tipos: a) de jaula de ardilla; b) bobinado, y un estátor, en el que se encuentran las bobinas inductoras. Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre sí 120º en el espacio. Según el Teorema de Ferraris, cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifásicas equilibradas, cuyo desfase en el tiempo es también de 120º, se induce un campo magnético giratorio que envuelve al rotor. Este campo magnético variable va a inducir una tensión en el rotor según la Ley de inducción de Faraday: La diferencia entre el motor a inducción y el motor universal es que en el motor a inducción el rotor no es un imán permanente sino que es un electroimán. Tiene barras de conducción en todo su largo, incrustadas en ranuras a distancias uniformes alrededor de la perifería. Las barras están conectadas con anillos (en cortocircuito como dicen los electricistas) a cada extremidad del rotor. Estan soldadas a las extremidades de las barras. Este ensamblado se parece a las pequeñas jaulas rotativas para ejercer a mascotas como hamsters y por eso a veces se llama "jaula de ardillas", y los motores de inducción se llaman motores de jaula de ardilla.
Entonces se da el efecto Laplace (ó efecto motor): todo conductor por el que circula una corriente eléctrica, inmerso en un campo magnético experimenta una fuerza que lo tiende a poner en movimiento. Simultáneamente se da el efecto Faraday (ó efecto generador): en todo conductor que se mueva en el seno de un campo magnético se induce una tensión.
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El campo magnético giratorio, a velocidad de sincronismo, creado por el bobinado del estátor, corta los conductores del rotor, por lo que se genera una fuerza electromotriz de inducción. La acción mutua del campo giratorio y las corrientes existentes en los conductores del rotor, originan una fuerza electrodinámica sobre dichos conductores del rotor, las cuales hacen girar el rotor del motor. La diferencia entre las velocidades del rotor y el campo magnético se denomina deslizamiento. Constitución del motor asíncrono: La parte fija del circuito magnético (estátor) es un anillo cilíndrico de chapa magnética ajustado a la carcasa que lo envuelve. La carcasa tiene una función puramente protectora. En la parte interior del estátor van dispuestos unas ranuras donde se coloca el bobinado correspondiente. En el interior del estátor va colocado el rotor, que es un cilindro de chapa magnética fijado al eje. En su periferia van dispuestas unas ranuras en las que se coloca el bobinado correspondiente. El entrehierro de estos motores es constante en toda su circunferencia y su valor debe ser el mínimo posibleMotor trifásico jaula de ardilla Estos motores provienen de los motores polifásicos de inducción. Suponiendo que un motor de inducción comercial de jaula de ardilla se haga arrancar con el voltaje nominal de las terminales de línea de su estator desarrollará un par de arranque que hará que aumente la velocidad. Al aumentar la velocidad a partir del reposo (100% de deslizamiento) disminuye su deslizamiento y su par disminuye hasta que se desarrolla un par máximo. Esto hace que la velocidad aumente todavía más, reduciéndose en forma simultánea el deslizamiento y el par que desarrolla el motor de inducción. Los pares desarrollados al arranque y al valor de desplazamiento que produce el par máximo, en ambos exceden el par de la carga, por lo tanto la velocidad del motor aumentará hasta que el valor de desplazamiento sea tan pequeño que el par que se desarrolla se reduzca a un valor igual al aplicado por la carga. El motor continuará trabajando a esa velocidad y el valor de equilibrio del desplazamiento, hasta que aumente o disminuya el par aplicado. La característica esencial que distingue a una máquina de inducción de los demás motores eléctricos es que las corrientes secundarias son creadas únicamente por inducción. Para distinguir entre diversos tipos disponibles, la National Eléctrical Manufacturers Association (NEMA) ha desarrollado un sistema de identificación con letras en la cual cada tipo de motor comercial de inducción de jaula de ardilla se fabrica de acuerdo con determinada norma de diseño y se coloca en determinada clase, identificada con una letra. Las propiedades de la 36
construcción eléctrica y mecánica el rotor, en las cinco clases NEMA de motores de inducción de jaula de ardilla, se resume en la siguiente fig:
Fig. 2. 23 Características de los motores comerciales de inducción de jaula de ardilla de acuerdo a la clasificación NEMA.
Fig. 2. 24 Esquema del rotor de jaula de ardilla.
Fig. 2. 25 Partes de un motor trifásico.
b) Arranque Estrella – Delta Cuando un motor se arranca directamente, la intensidad en ese momento es de 5 a 7 veces mayor que a plena carga. Por esta razón cuando los motores tienen potencias grandes, es necesario buscar algún método para reducir esa corriente de pico. A estos procedimientos se los llaman indirectos y entre ellos se 37
encuentra el arranque Estrella - Triangulo, entre otros. Este método es el más utilizado en los motores de media y baja potencia. Con este método el aumento de intensidad en el arranque será solo de 1.5 a 2.6 veces la intensidad nominal, o sea 3 veces menos que con un arranque directo. Un requisito es que el motor este embobinado para funcionar con los devanados de su estator conectados en Estrella ( delta ), y con todas las puntas de ellos instaladas en el exterior, para la conexión adecuada que el electricista efectúa en el campo. Caja de bornes del motor asíncrono Generalmente, los fabricantes de motores asíncronos trifásicos, en la caja de bornes de sus motores colocan el principio y el final de cada uno de los devanados del estator con el objeto de que el motor se pueda utilizar para diferentes tensiones de línea, tal y como se puede observar en la figura Adjunta.
Fig. 2. 26 Caja de bornes y devanados.
Temporización del arranque estrella-triangulo El arranque estrella-triángulo, consiste en energizar el motor conectándolo inicialmente en estrella, una vez que haya alcanzado aproximadamente el 70% de su velocidad régimen, se conecta en triángulo. Corriente de arranque y corriente de trabajo en sistemas 3ø La corriente de arranque es diferente a la corriente de trabajo, en un sistema trifásico se puede tomar la corriente de arranque en el momento que el motor alcanza la velocidad nominal, una vez alcanzado la corriente se estabiliza.
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Ecuaciones de control
Fig. 2. 27 Conexiones delta y estrella.
.
Ecuaciónes de tensión y corriente en e l arranque estrella delta.
Potencia del motor trifásico.
Curva de arranque directo Se obtiene una punta de corriente importante en la red: Iarr = 5 a 8 In El par de arranque medio es: Marr = 0,5 a 1,5 Mn
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Fig. 2. 28 Curvas del arranque directo.
Curva de arranque estrella triangulo La punta de corriente en el arranque es: Iarr = 1,5 a 2,6 In El par de arranque es: Marr = 0,2 a 0,5 Mn
Fig. 2. 29 Curvas del arranque estrella delta.
c) Clasificación NEMA Motor de diseño NEMA A: Momento alto, deslizamiento nominal bajo y corriente de arranque alta. Es un motor de inducción con rotor tipo jaula de ardilla, diseñado con características de momento y corriente de arranque que exceden los valores correspondientes al diseño NEMA B, son usados para aplicaciones especiales donde se requiere un Momento máximo mayor que el normal, para satisfacer los requerimientos de sobrecargas de corta duración. 40
Estos motores también son aplicados a cargas que requieren deslizamientos nominales muy bajos y del orden del 1% o menos (velocidades casi constantes). Motor de diseño NEMA B: Momento normal, corriente de arranque normal y deslizamiento nominal normal. Son motores con rotor tipo jaula de ardilla diseñados con características de momento y corriente de arranque normales, así como un bajo deslizamiento de carga de aproximadamente 4% como máximo. En general es el motor típico dentro del rango de 1 a 125 HP. El deslizamiento a plena carga es de aproximadamente 3%. Este tipo de motor proporcionará un arranque y una aceleración suave para la mayoría de las cargas y también puede resistir temporalmente picos elevados de carga sin detenerse. Motor de diseño NEMA C: Momento alto, deslizamiento nominal normal, corriente de arranque normal. Son motores de inducción con rotor de doble jaula de ardilla, que desarrollan un alto momento de arranque y por ello son utilizados para cargas de arranque pesado. Estos motores tienen un deslizamiento nominal menor que el 5%. Motor de diseño NEMA D: Momento alto, alto deslizamiento nominal, baja corriente de arranque. Este motor combina un alto momento de arranque con un alto deslizamiento nominal. Generalmente se presentan dos tipos de diseño, uno con deslizamiento nominal de 5 a 8% y otro con deslizamiento nominal de 8 a 13%. Cuando el deslizamiento nominal puede ser mayor del 13%, se les denomina motores de alto deslizamiento o muy alto deslizamiento (ULTRA HIGH SLIP). El momento de arranque es generalmente de 2 a 3 veces el par nominal aunque para aplicaciones especiales puede ser más alto. Estos motores son recomendados para cargas cíclicas y para cargas de corta duración con frecuentes arranques y paradas. Motores de diseño NEMA F: Momento de arranque bajo, corriente de arranque baja, bajo deslizamiento nominal. Son motores poco usados, destinándose a cargas con frecuentes arranques. Pueden ser de altos Momentos y se utiliza en casos en los que es importante limitar la corriente de arranque. d) Contactor y relé térmico Contactor Un contactor es un componente electromecánico que tiene por objetivo establecer o interrumpir el paso de corriente, ya sea en el circuito de potencia o en el circuito de mando, tan pronto se energice la bobina (en el caso de ser contactores instantáneos). Un contactor es un dispositivo con capacidad de cortar la corriente eléctrica de un receptor o instalación, con la posibilidad de ser accionado a distancia, que tiene dos posiciones de funcionamiento: una estable o de reposo, cuando no recibe acción alguna por parte del circuito de mando, y otra inestable, cuando actúa dicha acción. Este tipo de funcionamiento se llama 41
de "todo o nada". En los esquemas eléctricos, su simbología se establece con las letras KM seguidas de un número de orden.
Fig. 2. 30 Contactor.
Fig. 2. 31 31 Simbología. Contactor principales y auxiliares.
Criterios para la elección de un contactor Debemos tener en cuenta algunas cosas, como las siguientes: El tipo de corriente, la tensión de alimentación de la bobina y la frecuencia. La potencia nominal de la carga. Si es para el circuito de potencia o de mando y el número de contactos auxiliares que necesita. Para trabajos silenciosos o con frecuencias de maniobra muy altas es recomendable el uso de contactores estáticos o de estado sólido. Ventajas de los contactores
Los contactores presentan ventajas en cuanto a los siguientes aspectos, por los que se recomienda su utilización: Automatización en el arranque y paro de motores 42
Posibilidad de controlar completamente una máquina desde varios puntos de maniobra o estaciones Se pueden maniobrar circuitos sometidos a corrientes muy altas mediante corrientes muy pequeñas Seguridad para personal técnico
Dado que las maniobras se realizan desde lugares alejados del motor u otro tipo de carga, y las corrientes y tensiones que se manipulan con los aparatos de mando son o pueden ser pequeños, control y automatización de equipos y máquinas con procesos complejos, mediante la ayuda de aparatos auxiliares(como interruptores de posición, detectores inductivos, presostatos, temporizadores, etc.), y un ahorro de tiempo a la hora de realizar algunas maniobras. A estas características hay que añadir que el contactor: Es muy robusto y fiable, ya que no incluye mecanismos delicados. Se adapta con rapidez y facilidad a la tensión de alimentación del circuito de control (cambio de bobina). Facilita la distribución de los puestos de paro de emergencia y de los puestos esclavos, impidiendo que la máquina se ponga en marcha sin que se hayan tomado todas las precauciones necesarias. Protege el receptor contra las caídas de tensión importantes (apertura instantánea por debajo de una tensión mínima). Funciona tanto en servicio intermitente como en continuo. Clasificación Por su construcción
Contactores electromagnéticos: Su accionamiento se realiza a través de un electroimán. Contactores electromecánicos: Se accionan con ayuda de medios mecánicos.
Por la categoría de servicio Las aplicaciones de los contactores, en función de la categoría de servicio, es: AC1 (cos φ>=0,9): cargas puramente resistivas para calefacción eléctrica. Son para condiciones de servicio ligeros de cargas no inductivas o debilmente inductivas , hornos de resistencia , lamparas de incandesencia , calefacciones eléctricas (NO MOTORES) AC2 (cos φ=0,6): motores síncronos (de anillos rozantes) para mezcladoras, centrífugas. AC3 (cos φ=0,3): motores asíncronos (rotor jaula de ardilla) en servicio continuo para aparatos de aire acondicionado, compresores, ventiladores.
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AC4 (cos φ=0,3): motores asíncronos (rotor jaula de ardilla) en servicio intermitente para grúas, ascensores. e) Relé térmico Los relés térmicos son los aparatos más utilizados para proteger los motores contra las sobrecargas débiles y prolongadas. Se pueden utilizar en corriente alterna o continua.1 Este dispositivo de protección garantiza: Optimizar la durabilidad de los motores, impidiendo que funcionen en condiciones de calentamiento anómalas. La continuidad de explotación de las máquinas o las instalaciones evitando paradas imprevistas. Volver a arrancar después de un disparo con la mayor rapidez y las mejores condiciones de seguridad posibles para los equipos y las personas Características Sus características más habituales son: Tripolares. Compensados: La curvatura que adoptan las biláminas no sólo se debe al recalentamiento que provoca la corriente que circula en las fases, sino también a los cambios de la temperatura ambiente. Este factor ambiental se corrige con una bilámina de compensación sensible únicamente a los cambios de la temperatura ambiente y que está montada en oposición a las biláminas principales. Cuando no hay corriente, la curvatura de las biláminas se debe a la temperatura ambiente. Esta curvatura se corrige con la de la bilámina de compensación, de tal forma que los cambios de la temperatura ambiente no afecten a la posición del tope de sujeción. Por lo tanto, la curvatura causada por la corriente es la única que puede mover el tope provocando el disparo.
Los relés térmicos compensados son insensibles a los cambios de la temperatura ambiente, normalmente comprendidos entre –40 °C y + 60 °C.
Sensibles a una pérdida de fase: Este es un dispositivo que provoca el disparo del relé en caso de ausencia de corriente en una fase (funcionamiento monofásico). Lo componen dos regletas que se mueven solidariamente con las biláminas. La bilámina correspondiente a la fase no alimentada no se deforma y bloquea el movimiento de una de las dos regletas, provocando el disparo. Los receptores alimentados en corriente monofásica o continua se pueden proteger instalando en serie dos biláminas que permiten utilizar relés sensibles a una pérdida de fase. Para este tipo de aplicaciones, también existen relés no sensibles a una pérdida de fase.
Rearme automático o manual: El relé de protección se puede adaptar fácilmente a las diversas condiciones de explotación eligiendo el modo
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de rearme Manual o Auto (dispositivo de selección situado en la parte frontal del relé), que permite tres procedimientos de rearranque:
Las máquinas simples que pueden funcionar sin control especial y consideradas no peligrosas (bombas, climatizadores, etc.) se pueden rearrancar automáticamente cuando se enfrían las biláminas. Por motivos de seguridad, las operaciones de rearme del relé en funcionamiento local y de arranque de la máquina debe realizarlas obligatoriamente el personal cualificado. Graduación en amperios motor: Visualización directa en el relé de la corriente indicada en la placa de características del motor. Los relés se regulan con un pulsador que modifica el recorrido angular que efectúa el extremo de la bilámina de compensación para liberarse del dispositivo de sujeción que mantiene el relé en posición armada. La rueda graduada en amperios permite regular el relé con mucha precisión. La corriente límite de disparo está comprendida entre 1,05 y 1,20 veces el valor indicado.
Fig. 2. 32 Relé térmico.
Principio de funcionamiento de los relés térmicos tripolares Los relés térmicos tripolares poseen tres biláminas compuestas cada una por dos metales con coeficientes de dilatación muy diferentes unidos mediante laminación y rodeadas de un bobinado de calentamiento. Cada bobinado de calentamiento está conectado en serie a una fase del motor. La corriente absorbida por el motor calienta los bobinados, haciendo que las biláminas se deformen en mayor o menor grado según la intensidad de dicha corriente. La deformación de las biláminas provoca a su vez el movimiento giratorio de una leva o de un árbol unido al dispositivo de disparo. Si la corriente absorbida por el receptor supera el valor de reglaje del relé, las biláminas se deformarán lo bastante como para que la pieza a la que están unidas las partes móviles de los contactos se libere del tope de sujeción. Este movimiento causa la apertura brusca del contacto del relé intercalado en el 45
circuito de la bobina del contactor y el cierre del contacto de señalización. El rearme no será posible hasta que se enfríen las biláminas. Clases de disparo Curvas de disparo: Los relés térmicos se utilizan para proteger los motores de las sobrecargas, pero durante la fase de arranque deben permitir que pase la sobrecarga temporal que provoca el pico de corriente, y activarse únicamente si dicho pico, es decir la duración del arranque, resulta excesivamente larga. La duración del arranque normal del motor es distinta para cada aplicación; puede ser de tan sólo unos segundos (arranque en vacío, bajo par resistente de la máquina arrastrada, etc.) o de varias decenas de segundos (máquina arrastrada con mucha inercia), por lo que es necesario contar con relés adaptados a la duración de arranque. La norma IEC 947-4-1-1 responde a esta necesidad definiendo tres tipos de disparo para los relés de protección térmica: Relés de clase 10: válidos para todas las aplicaciones corrientes con una duración de arranque inferior a 10 segundos. Relés de clase 20: admiten arranques de hasta 20 segundos de duración. Relés de clase 30: para arranques con un máximo de 30 segundos de duración.
Fig. 2. 33 Curva de disparo.
f) Disyuntor termomagnético Un disyuntor, interruptor automático (España), breaker o pastilla (México) es un aparato capaz de interrumpir o abrir un circuito eléctrico cuando la intensidad de la corriente eléctrica que por él circula excede de un determinado valor o, en el que se ha producido un cortocircuito, con el objetivo de no causar daños a los equipos eléctricos. A diferencia de los fusibles, que deben ser reemplazados tras un único uso, el disyuntor puede ser rearmado una vez localizado y reparado el daño que causó el disparo o desactivación automática. Funcionamiento 46
Dispositivo térmico (presente en los disyuntores térmicos y magnetotérmicos): Está compuesto por un bimetal calibrado por el que circula la corriente que alimenta la carga. Cuando ésta es superior a la intensidad para la que esta construido el aparato, se calienta, se va dilatando y provoca que el bimetal se arquee, con lo que se consigue que el interruptor se abra automáticamente. Detecta las fallas por sobrecarga. Dispositivo magnético (presente en los disyuntores magnéticos y magnetotérmicos): Lo forma una bobina, un núcleo y una parte móvil. La intensidad que alimenta la carga atraviesa dicha bobina, y en el caso de que ésta sea muy superior a la intensidad nominal del aparato, se crea un campo magnético que es capaz de arrastrar a la parte móvil y provocar la apertura del circuito de forma casi instantánea. Detecta las fallas por cortocircuito que pueda haber en el circuito eléctrico.
Fig. 2. 34 Disyuntor magneto - térmico.
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CAPÍTULO III CONSIDERACIONES DE DISEÑO 3.1 CONSIDERACIONES A TOMAR PARA EL DISEÑO Consideraremos la siguiente situación. Una planta de bombeo de agua con tres estaciones de bombeo. El objetivo es llevar agua a distancia en promedio de 30Km. La primera estación que llamaremos estación de bombeo de pozo profundo está a una distancia de 30Km del punto destino. Dada la distancia se tiene una estación intermedia, denominada estación de bomba intermedia, cuya finalidad es reducir la potencia de la bomba de pozo profundo. Esta estación se encuentra a una altura promedio de 60m. y una distancia de 8.5Km. Del punto de inicio. Se considera estaubicación para aprovechar el terreno usando la gravedad para el transporte del agua reduciendo de este modo la potencia de la bomba intermedia. En la estación intermedia y la estación de campamento hay un tanque de 500L. El diseño pretende conseguir que ninguno de los tanques se encuentre vacío. Para ello la estación de pozo profundo actuará conforme al estado del tanque de estación intermedia y la bomba de estación intermedia actuará conforme al estado del tanque de campamento. El siguiente grafico muestra lo que se quiere conseguir.
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Fig.3. 1 Esquema de la planta de bombeo
. Para la puesta en prueba del diseño en laboratorio, se usará un motor trifásico, el PLC S7 – 200 junto a una computadora Pentium IV, con el fin de emular el arranque de la bomba con el motor trifásico, esto debido a que una bomba en su etapa de potencia es un motor trifásico.
Fig.3. 2 Control de un motor trifásico usando un sistema ASCADA.
La respuesta a la variación del nivel de agua la obtendremos a través de un sensor electrónico conectado a la DAQ 6009, esta información será enviada al PLC a través de una conexión crosower entre las computadoras. La variación del nivel de agua en el tanque será simulada de modo manual.
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Fig.3. 3 Adquisición del control de nivel.
3.2 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS a) Bombas de agua El diseño requiere tres estaciones de bombeo, por lo que necesitaremos bombas con las siguientes características. Bomba 1 y 2 Equipo de bombeo centrífugo lubricación aceite, servicio pesado, instalación en cárcamo húmedo, descarga bajo superficie; accionado a través de motor eléctrico tipo inducción jaula de ardilla.
Potencia: 75 HP Marca: BM NEMA Amazon: 326JM Tipo: 6P7504ME Diámetro de succión: 6” Diámetro de descarga: 4” Gasto máximo: 3444 lpm Carga máxima: 82m Factor de servicio: 1.15 RPM: 1775 Voltaje: 220 / 440
Bomba 3 Potencia: 20 HP Marca: BM NEMA Amazon: 256JM Tipo: 5P2004ME Diámetro de succión: 6” 50
Diámetro de descarga: 4” Gasto máximo: 1817 lpm Carga máxima: 46m Factor de servicio: 1.15 RPM: 1775 Voltaje: 220 / 440
Fig.3. 4 Bomba centrífuga BM.
b) Sensor de nivel conductivo VEGAKON 66 Principio de medida y aplicaciones Los instrumentos trabajan de acuerdo con el principio de medida por conductividad y se usan en líquidos conductivos. La sonda detecta la resistencia del producto una vez sumergida. Una corriente alterna baja fluye y es detectada por la electrónica integrada y convertida en una señal de conmutación. El punto de conmutación se determina a través de la posición de montaje o de la longitud de la sonda. La construcción, fácil y robusta, ofrece una detección de nivel fiable y sin mantenimiento en todas las áreas de medición en la industria. Aplicaciones típicas son, por ejemplo, la protección contra sobrellenado, el control de bombas o la protección contra marcha en seco.
Fig.3. 5 VEGAKON 66.
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Características técnicas
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Consideraciones en la instalación
Fig.3. 6 Interfaz de control de VEGAKON 66.
Fig.3. 7 Terminales de alimentación y relay.
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Fig.3. 8 Modo de instalación.
Conexión al PLC Sirve para la conexión de fuentes externas de voltaje en relés, válvulas magnéticas, lámparas de señalización, bocinas, etc.
protecciones,
Recomendamos la conexión del VEGAKON de forma tal, que el circuito de corriente de conmutación esté abierto en caso de aviso de nivel límite, rotura de línea o interrupción (estado seguro). Para el control de relés, protecciones, válvulas magnéticas, lámparas de señalización y de aviso, bocinas y entradas de PLC.
Fig.3. 9 Conexión al PLC.
Fig.3. 10 Configuración del relay para conexión al PLC.
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c) PLC S7 – 200 CPU 224 El PLC a usar es el modelo S7 – 200 de la marca Siemens.
Fig.3. 11 PLC S7 - 200.
Fig.3. 12 Ciclo de trabajo del PLC S7 - 200.
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Fig.3. 13 Características eléctricas.
Fig.3. 14 Conexión eléctrica del PLC S7 - 200.
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d) Disyuntor termomagnético ABB
Fig.3. 15 Disyuntor termomegnético ABB.
e) Contactor electromecánico ABB
Fig.3. 16 Características.
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Fig.3. 17 Valores de tension usuales para las bobinas.
f) Relé térmico ABB
Fig.3. 18 Características.
g) Cable NYY
Fig.3. 19 Valores estándares de cables NYY.
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3.3 DISEÑO DE LA ETAPA DE POTENCIA Empezaremos determinando el consumo de los motores trifásicos que vienen con las bombas. Necesitamos determinar a corriente nominal. La fórmula de cálculo es el siguiente:
La selección de los componentes se hará en base a las tablas del apartado anterior. a) Arranque directo: Motor de 20 HP Tendremos Potencia = 20HP = 746x20W = 14920W Pero U = 440V, Cosfi = 0.85 entonces In = 21.7A por fase. Interruptor termomagnético: Capacidad: I = 1.25In = 27.1A Marca: ABB Tipo: Tmax TDM 32A Cantidad: 1 Contactor: Capacidad: I = 1.25In = 27.1A Marca: ABB Tipo: IEC 3P A26 Tensión de bobina: 220V Cantidad: 1 Relé térmico: Rango: 1 – 1.6 Marca: ABB Tipo: T7DU b) Arranque Estrella Delta: Motor de 75HP Potencia: = 75HP = 746x75W = 55950W Con V=440V y Cosfi=0.85 Entonces In = 86.47A De este valor deducimos que la corriente en arranque estrella será: Vfase=440/sqr3 = 254V y Ifase=Ilinea
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Para la configuración delta será: Vfase = 440V y
Ifase=86.47/1.73A=49.98A
Para esta configuración necesitaremos: Interruptor termomagnético: Marca: ABB Capacidad: I = 1.25In = 108.1A Tipo: Tmax TMD 125A Cantidad: 1 Contactor: Marca: ABB Capacidad: I = 1.25In = 108A Tipo: IEC A110 3P Tensión de bobina: 220V Cantidad: 2 Contactor: Marca: ABB Capacidad: I = 1.25In = 62.5A Tipo: IEC A50 3P Tensión de bobina: 220V Cantidad: 1 Relé térmico: Marca: ABB Tipo: T7DU Rango: 1 – 1.6 Cantidad: 1
c) Calculo del cable: Dada la distancia corta del tablero general a la ubicación de la bomba (no mayor a 35m) escogeremos una sola dimensión de cable, eso debido a que los cables vienen en rollos mínimos de 100m. Nuestra mayor corriente es de 108A entonces el cable a usar será: NYY 4x25mm2.
3.4 DISEÑO DEL SISTEMA SCADA a) Comunicación de PLC con PC En este proyecto, como ya se ha especificado antes, la comunicación del PLC S7-200 (que estará situado en la Estación de Bombeo) con el SCADA del PC (situado en la Sala de Control del Ayuntamiento) es vía Ethernet, mediante el procesador de comunicaciones CP243-1. A pesar de eso, se debe realizar un 60
juego de pruebas antes de la comunicación vía Ethernet en el taller, para comprobar el buen funcionamiento del programa. Para poder realizar la conexión de prueba, y transferir el programa al autómata S7-200 se necesita: S7-200 con CPU224XP PC con el programa S7-MicroWIN Cable de conexión RS232/RS485 Cable de conexión El cable de conexión que nos pasa del puerto RS-485 del S7-200 al puerto del PC RS-232, viene subministrado al adquirir el PLC, ya que cada marca de autómata tiene un cable conversor específico. En Siemens este conversor se utiliza para varios PLC, por lo tanto dependiendo de las características que se necesiten se adaptará mediante los 8 switchs que se pueden ver en la figura
Fig.3. 20 Cable de conexión PPI y switch del mismo.
Configuración de la velocidad de transferencia en el conversor. Para que el PC transfiera correctamente los datos del programa al PLC, se necesita que ambos trabajen a la misma velocidad de transferencia. Por una parte en la figura 1 se muestran los switchs, variando la posición entre 0 y 1 de los switch 1,2 y 3, se modificará la velocidad de transferencia a la cual trabajará el cable conversor. En la fig. 4.2 se muestra el valor de la velocidad el Kbaud y los switch correspondientes.
61
Fig.3. 21 Valores de configuración.
Configuración de la velocidad de transferencia en el PC. El siguiente paso será configurar la misma velocidad de transferencia en el PC, para ello, se utiliza el MicroWIN. En la sección “Ajustar Interfaz PG/PC”, se accede a la pestaña “Vía de acceso” y se selecciona la opción PC/PPI., como se puede ver la figura 4.3.
Fig.3. 22 Ventana de ajuste de la interfaz PG/PC.
Una vez escogido el cable conversor, se selecciona “propiedades” y nos aparecerá la pestaña de la figura 29, por una parte en la “conexión local” se ha escoger el puerto al cual estará conectado el cable en el PC, aunque la mayoria de las veces nos lo detectará. Por otra parte, en el apartado “PPI” se ha de modificar la “velocidad de transferencia” para que se la misma que la seleccionada en el cable RS-232/PPI.
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Fig.3. 23 Ajuste cable de conexión PC – PLC
b) Variables de proceso Variables de Proceso Planta Pozo Profundo. Dirección I0.0 I0.1 I0.2 V0.0 V0.1 V0.2 Q0.0 Q0.1 Q0.2
Descripción Encendido Local Paro de emergencia local Activa Desactiva Control Remoto Encendido Remoto Paro de Emergencia Remoto Forzar Encendido Remoto Estado de Bomba Estado de Contactor Delta Estado de Contactor Estrella
Variables de Proceso Planta Intermedia. Dirección I0.0 I0.1 I0.2 V0.0 V0.1 V0.2 Q0.0 Q0.1 Q0.2 I0.3 I0.4
Descripción Encendido Local Paro de emergencia local Activa Desactiva Control Remoto Encendido Remoto Paro de Emergencia Remoto Forzar Encendido Remoto Estado de Bomba Estado de Contactor Delta Estado de Contactor Estrella Sensor de Nivel de Tanque Intermedio Casi Vacío. Sensor de Nivel de Tanque Intermedio Lleno
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Variables de Proceso Planta Campamento. Dirección I0.0 I0.1 I0.2 V0.0 V0.1 V0.2 Q0.0 I0.3 I0.4
Descripción Encendido Local Paro de emergencia local Activa Desactiva Control Remoto Encendido Remoto Paro de Emergencia Remoto Forzar Encendido Remoto Estado de Bomba Sensor de Nivel de Tanque Campamento Casi Vacío Sensor de Nivel de Tanque Campamento Lleno
c) Programa para el PLC S7-200 con MicroWIN S7-MicroWIN ha sido el programa utilizado para crear la guía que seguirá el PLC en su funcionamiento. Seguidamente se explicaran las acciones más importantes del programa en KOP. Aunque el programa MicroWIN acepta trabajar en KOP, AWL y FUP, he preferido utilizar el lenguaje de programación KOP, por ser el que más domino, además de ser muy visual y entendedor. Elección del CPU. Al iniciar el programa MicroWIN viene preestablecida una CPU, aunque dependiendo de las necesidades, necesitaremos diferentes CPU y por lo tanto se puede cambiar. Así pues, en el “árbol de operaciones” se accede a la CPU, con doble clic, y nos aparece la figura 30, donde se puede escoger la CPU adecuada para el proyecto. En este proyecto se eligió la CPU224XP.
Fig.3. 24 Ventana de elección CPU.
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d) Programa en KOP Estación Pozo Profundo
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Estación Bomba Intermedia
66
Estación Bomba de Campamento
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e) Tiempo en segundo plano Este apartado nos ayuda a ajustar la porción del tiempo de ciclo permitida para la comunicación en segundo plano. Se puede configurar el porcentaje del tiempo de ciclo que se dedicará a procesar las peticiones de comunicación relativas a la compilación del programa tras editar en modo RUN, o bien en cuanto al estado de ejecución. Si se incrementa el porcentaje de tiempo dedicado a procesar las peticiones de comunicación, aumentará también el tiempo de ciclo, por lo que el proceso de control se ejecutará más lentamente. El ajuste estándar es 10%. Este ajuste se ha elegido como compromiso apropiado para procesar las tareas de edición durante el tiempo de ejecución y el estado AWL, reduciendo al mismo tiempo el impacto en el proceso de control. El valor se puede ajustar en incrementos de 5% hasta un máximo de 50%.
Fig.3. 25 Tiempo en segundo plano.
f) Programa OPC KepserverEX El proceso de configurar el OPC para comunicarlo con el PLC, con el fin de interactuar con la interfaz SCADA, pasa primero por definir el canal:
Fig.3. 26 Configurando Canal de OPC.
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En este proceso se determina la clase de canal que crearemos, KepserverEX tiene muchas opciones, elegiremos S7-200.
Fig.3. 27 Configurando Dispositivo a Conectar.
Hecho esto el siguiente paso es configurar nuestro dispositivo, se mantendrá la configuración por defecto.
Fig.3. 28 Nombre de dispositivo.
El siguiente paso consiste en crear los Tag’s, esto nos permitirá determinar a que posiciones de memoria deseamos acceder y a la vez que podemos asignar un nombre a las direcciones.
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Fig.3. 29 Creando Tag.
Quedando la interfaz del OPC del siguiente modo
Fig.3. 30 Interfaz Final de OPC.
Estación Bomba Pozo Profundo: Tag
Fig.3. 31 Tags Estación Bomba Pozo Profundo
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Estación Bomba Intermedia: Tag
Fig.3. 32 Tags Planta Bomba Intermedia.
Estación Bomba Campamento: Tag
Fig.3. 33 Tag Planta Bomba Campamento.
g) Programa SCADA en LabVIEW Variables de Proceso Esación Bomba Pozo Profundo Enlace KepserverEX KepserverEX KepserverEX KepserverEX KepserverEX Datasocket Datasocket Datasocket Datasocket Datasocket Datasocket
Dirección Encendido Remoto Paro de emergencia remoto. Forzar Encendido Remoto. Act/Desact Control Remoto. Bomba EstadoBIntermedia EsatdoBCampamento SNILleno SNICasiVacio SNCLleno SNCCasiVacio
Tipo de dato Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte
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Estación Bomba Intermedia Enlace Dirección KepserverEX Encendido Remoto KepserverEX Paro de emergencia remoto KepserverEX Forzar Encendido Remoto KepserverEX Act/Desact Control Remoto KepsererEX Bomba Datasocket EstadoBPozoProfundo Datasocket EsatdoBCampamento KepserverEX SNILleno KepserverEX SNICasiVacio Datasocket SNCLleno Datasocket SNCCasiVacio
Estación Bomba Campamento Enlace Dirección KepserverEX Encendido Remoto KepseverEX Paro de emergencia remoto KepserverEX Forzar Encendido Remoto KepserverEX Act/Desact Control Remoto KepserverEX Bomba Datasocket EstadoBPozoProfundo Datasocket EsatdoBCampamento KepserverEX SNILleno KepserverEX SNICasiVacio Datasocket SNCLleno Datasocket SNCCasiVacio
Tipo de dato Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte
Tipo de dato Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte
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Comunicación: Datasocket.
Fig.3. 34 Configuración del administrador de Datasocket.
Estructura del Programa SCADA Estación Bomba Pozo Profundo
Fig.3. 35 Algoritmo de control estación bomba pozo profundo.
73
Fig.3. 36 Algoritmo de control estación bomba pozo profundo 2.
Fig.3. 37 Panel frontal del SCADA.
SCADA Estación Bomba Intermedia
Fig.3. 38 Algoritmo de control .
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Fig.3. 39 Panel de control.
SCADA Estación Bomba Campamento
Fig.3. 40 Algoritmo de control.
Fig.3. 41 Panel frontal.
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3.5 Pruebas en laboratorio del sistema SCADA Con el fin de demostrar la validez del SCADA diseñado para controlar bombas de hasta 75 HP se puso a `prueba un diseño más simple. Se pretende controlar un motor trifásico de ¼ HP usando arranque directo a través de una consola remota SCADA, el encendido y apagado del motor se realizará en base al estado de dos sensores de nivel inductivos instalados en un pequeño tanque de agua. Los datos del estado de los sensores se adquirirán usando una DAQ 6900 de NI. Estas pruebas se dividen en dos. El primero pone a prueba la comunicación del sistema con el PLC usando para ello la comunicación de dos SCADA a través de Datasocket. La segunda parte pone a prueba una simulación del sistema real usando LabVIEW y el protocolo Datasocket. Parte 1: Poniendo a prueba la comunicación con el PLC y el SCADA Programa en KOP
Programa OPC
Programa del SCADA
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Adquiriendo datos con la DAQ 6009 de NI Para adquirir el estado del tanque se implementó el siguiente circuito: El programa de control del SCADA es el siguiente:
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Parte 2: Poniendo a prueba la comunicación de la planta de bombeo usando el protocolo Datasocket. Esta parte se centra exclusivamente en poner a prueba el protocolo de comunicación Datasocket. Este proceso de simulación se realiza en LabVIEW. Estación Bomba Pozo Profundo
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Estación Bomba Intermedio
79
Estación Bomba Campamento
80
Configuración de Datasocket
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Resultados de la simulación
qi
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CAPÍTULO IV PRESUPUESTO
Precio Bomba de agua Bomba de agua Potencia: 75 HP Pontecia: 20HP
Marca B M B M
Tipo
Cantida d
Precio unitario
6P7504
2
$97.850,00
6P7504
1
$22.770,00 $22.770,00 Tota l $218.470,00
Total $195.700,00
Precio Intrumentación Sensor Marca Interruptor de nivel conductivo Vegakon
Precio Cantidad unitario
Tipo 6 6
4
Total
$867,20 $3.468,80 Tota l $ 3.468,80
Precio PLC Marca Siemens
PLC Tablero de control para PLC Himel
Tipo S7 - 200 Himel PLM-64
Cantida Precio d unitario 3 $1.601,90
1
$446,30 Total
Total $4.805,70
$446,30 $5.252,00
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Precio Elementos de Potencia Marc a Interruptor termomagnético ABB Interruptor termomagnétic o ABB Contactor
ABB
Contactor
ABB
Contactor relé térmico
ABB ABB
Tipo TDM Tmax 32A Tmax TMD 125A IEC 3P A26 IEC A110 3P IEC A50 3P T7DU
Cantida d
Precio unitario
Total
1
$70,30
$70,30
2
$102,30
$204,60
1
$110,20
$110,20
4
$180,00
$720,00
2 3
$140,00 $105,00 Total
$280,00 $315,00 $1.700,10
Precio Software LabVIEW OPC KepserverEX
Tipo de licencia Empresa Empresa
Precio Cantidad unitario 3 $1.750,00 3 Total
$1.780,00
Total $5.250,00 $5.340,00 $10.590,00
Precio Total del Proyecto
$21.010,90
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CAPÍTULO V CONCLUSIONES
Se demostró que es posible diseñar un sistema SCADA con capacidad de comunicación a través de una intranet. Este sistema SCADA es independiente de la potencia de la bomba por lo que es posible adecuarlo a una amplia gama de posibilidades siempre y cuando se encuentren entre los rangos de diseño. Mostrada la funcionalidad y utilidad del diseño es posible mejorar el proceso de control ampliando la capacidad de comunicación del SCADA con la plana usando sensores de presión, caudal, electroválvulas…
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BIBLIOGRAFÍA
LabVIEW 8.2 Entorno gráfico Rafael Lajara Vizcaino Manual de tarjetas de adquisición de datos Ignacio Moreno Velazco
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