INTRODUCCIN
Debido a la creciente demanda de la electricidad como vector
energtico y sirviendo de base para el funcionamiento de muchas
mquinas, desde pequeos electrodomsticos hasta sistemas de gran
potencia y as mismo de todos los dispositivos elctricos y
electrnicos para el avance de la tecnologa actual.
A partir del descubrimiento realizado en 1831 por Michael
Faraday, de producir corriente elctrica por induccin magntica, se
ha convertido en una de las formas de energa ms importantes para el
desarrollo tecnolgico debido a su facilidad de generacin,
distribucin y a su gran nmero de aplicaciones, pues el uso de la
energa elctrica es fundamental para vivir en la sociedad y en la
industria, sin ella nuestra vida sera totalmente diferente.
Hoy en da las centrales elctricas son las que generan energa
elctrica para el uso industrial y domstico. La energa elctrica la
producen grandes generadores de corriente alterna, ests mquinas
convierten la energa mecnica en energa elctrica con medios
electromagnticos, existen diversos tipos de plantas generadoras de
electricidad, entre las ms usuales tenemos:
Termoelctricas, utilizan petrleo y gas natural. Hidroelctricas,
utilizan embalses de agua Diesel, utilizan combustible (gas,
gasoil, gasolina). Elica, utilizan la energa del viento, a travs de
molinos de viento. Solar, utilizan la energa solar, a travs de
paneles solares.
La generacin de energa elctrica trifsica es la forma ms comn en
toda planta elctrica. La electricidad en forma trifsica es
utilizada mayoritariamente en industrias donde muchas de las
mquinas funcionan con motores para esta tensin.Cuando a la energa
elctrica se la utiliza para uso domstico e industrial, existen
ocasiones que por ser la demanda muy grande o por algn motivo
existe un corte de energa por parte de una red pblica, se hace
necesario el uso de mquinas que suplanten este dficit; a este
dispositivo se conoce con el nombre de grupo electrgeno de
emergencia.
El grupo electrgeno es un equipo formado por un generador
elctrico con dispositivos de control y mando, un motor de combustin
interno es el encargado de accionar el rotor del generador para de
este modo producir corriente alterna en sus devanados. Hoy en da
los procesos de control son sntomas del proceso industrial que
estamos viviendo. Estos sistemas se usan tpicamente en sustituir un
trabajador pasivo que controla un determinado sistema (elctrico,
mecnico, etc.) con una posibilidad nula o casi nula de error y un
grado de eficiencia mucho ms grande que el de un trabajador. Los
sistemas de control ms modernos en ingeniera automatizan procesos
en base a muchos parmetros y reciben el nombre de Controladores
Logicos Programables (PLC).
Una automatizacin del sistema de transferencia de energa
elctrica resulta un complemento muy til para el accionamiento y
puesta en marcha del sistema elctrico auxiliar sin intervencin
humana, con el objetivo de disponer un suministro continuo de
energa elctrica y reducir el tiempo de paro de produccin en la
industria.
1. PROPOSITO DEL TRABAJO DE INVESTIGACION
Su proposito se justifica ya que aprovechando los avances de la
electrnica y siendo en la actualidad la automatizacin industrial
una solucin para reemplazar procesos de control manual, resulta muy
necesario y til realizar un proceso de transferencia automtico para
lograr un servicio continuo de energa elctrica cuando exista un
corte de energa elctrica por parte de una red externa. El sistema
de transferencia automtica es un equipo que realiza el control
permanente del estado de las tres lneas de energa elctrica y
efectuar el cambio, arranque y paro del generador elctrico de
emergencia, cuando exista un corte de energa por parte de una red
pblica, as mismo detiene el funcionamiento del generador cuando la
electricidad regresa, todo esto sin necesidad de intervencin de
personal.
2. OBJETIVOS
Definir principios tericos: plc, grupo electrgeno. Disear un
circuito el cual nos va a permitir automatizar un grupo electrgeno
con Plc Zelio Schneider SR2 A101FU. Conocer el circuito de arranque
del grupo electrgeno Conocer cmo se configura y utiliza un entorno
de programacin de PLC. Conocer lenguajes y tcnicas de programacin
de PLC. Saber cargar un programa en un PLC, as como ejecutarlo.
3. RESULTADOS FINALES
Con la automatizacin del sistema de transferencia de energa
elctrica, servir para lograr obtener un servicio continuo de energa
elctrica durante las 24 horas del da, por medio del encendido y
cambio automtico del generador de emergencia en corto tiempo y sin
intervencin de personal.
PRINCIPIOS TEORICOS
PLC
Un Controlador Lgico Programable (PLC) es un equipo electrnico
programable, diseado para controlar en tiempo real y en ambiente de
tipo industrial, procesos secuenciales. Un PLC trabaja en base a la
informacin recibida por los sensores (inputs) y el programa lgico
interno, actuando sobre los actuadores (outputs) de la
instalacin
El PLC es realmente el cerebro que gestiona y controla
automticamente las instalaciones. Dependiendo del tamao de la
planta y de la complejidad de la automatizacin, el nmero de
autmatas puede variar desde uno hasta varios nmeros de autmatas
enlazados.El PLC es realmente el cerebro que gestiona y controla
automticamente las instalaciones. Dependiendo del tamao de la
planta y de la complejidad de la automatizacin, el nmero de
autmatas puede variar desde uno hasta varios nmeros de autmatas
enlazados.
1. ESTRUCTURA DEL PLC
El controlador lgico programable est formado por diferentes
tipos de elementos, los cuales se encuentran distribuidos en su
estructura interna y en su estructura externa:
1.1.- Estructura Interna:
La estructura interna del PLC la conforman elementos internos
como: Procesador o CPU, memorias internas, memorias de programas,
interfaces de entrada y salida, buses de direccionamiento y de
datos, puertos, perifricos y fuente. En la figura IV.44 se observa
de forma ms detallada cada una de las partes de un PLC.
El CPU realiza operaciones de tiempo (ya sea trabajando con
retardos o temporizando), de secuencia, de combinacin, de auto
mantenimiento y retencin. Las interfaces de entrada y salida que
establecen la comunicacin entre la CPU y el proceso, realizan las
siguientes funciones: filtrado, adaptacin y codificacin de las
seales de entrada, decodificacin y amplificacin de las seales de
salida que se han generado durante la ejecucin del programa.
La Memoria que permite el almacenamiento de datos del programa
(RAM), el sistema operativo (ROM), el programa de usuario (RAM no
voltil o EEPROM), configuracin de PLC (ROM o RAM no voltil para
parmetros configurables), rutinas de arranque (ROM) y rutinas de
chequeo (ROM). El programador es el dispositivo mediante el cual es
posible introducir al PLC el programa previamente ya elaborado con
el fin de controlar el proceso o los procesos elegidos. Esta
interface entre el procesador y el usuario; est constituido
principalmente por un display, un teclado con comandos lgicos y de
servicio. Los perifricos en un PLC son empleados para hacer una
supervisin del proceso, ninguno de estos, forma parte del circuito
interno del PLC; algunos de estos son: monitor, impresora, unidad
de disco, leds, teclados; etc.
1.2 Estructura Externa
La estructura externa se refiere al aspecto fsico externo,
bloques o elementos en que est dividido el dispositivo, bsicamente
existen tres tipos de estructuras, entre las ms comunes, tenemos
las siguientes: Estructura compacta Estructura semimodular
(estructura americana) Estructura medular (estructura europea)
2.- TIPO DE PLC UTILIZADO
Mdulo lgico Schneider Electric Zelio Logic 2, 6 entradas tipo
Digital, 4 salidas tipo Rel, alimentacin 120, 240 Vac.
Dos series nuevas: Compact y Modular. La serie Modular es
expansible hasta 40 puntos de E/S. El software incluye los
lenguajes de programacin Ladder Logic, Grafcet y FBD. (Hasta 200
bloques de funciones con 23 funciones pre programadas). Gran
display LCD retro iluminado fcil de leer (4 lneas de 18 caracteres
cada una) Hasta 10 aos de backup de datos, fecha y hora en caso de
fallo de suministro elctrico. Cambio automtico de 1 hora para
horario de verano/invierno. 16 contadores ascendentes/descendentes
(0-9999) 1 contador rpido.. 8 comparadores de contado. 16 bloques
de texto para ver mensajes. 28 rels auxiliares. 8 temporizadores
semanales, en funcin del modelo. Hasta 16 entradas analgicas, en
funcin del modelo. 16 comparadores analgicos, en funcin del
modelo.
3.- LENGUAJES DE PROGRAMACIN
El lenguaje de programacin es una codificacin a una lista de
instrucciones que el PC del controlador lgico programable pueda
entender. Existen varios lenguajes utilizados para la programacin
de los PLC, entre los ms utilizados en la actualidad son: AWL
(Lista de instrucciones). Similar a lenguaje ensamblador. KOP
(Esquema de contactos). Editor LD (Diagrama de escalera) FUP
(Diagrama de funciones). Editor FBD (Diagrama de bloques
funcionales)
3.1.- LENGUAJE ESCALERA (LADDER) Es un lenguaje grfico, derivado
del lenguaje de rels. Mediante smbolos representa contactos,
bobinas, etc. Su principal ventaja es que los smbolos bsicos estn
normalizados segn el estndar IEC y son empleados por todos los
fabricantes. Los diagramas de escalera son esquemas de uso comn
para representar la lgica de control de sistemas industriales. Se
le llama diagrama "escalera" porque se asemejan a una escalera, con
dos rieles verticales (de alimentacin) y "escalones" (lneas
horizontales), en las que hay circuitos de control que definen la
lgica a travs de funciones. Con este tipo de diagramas se describe
normalmente la operacin elctrica de distintos tipos de mquinas, y
puede utilizarse para sintetizar un sistema de control y, con las
herramientas de software adecuadas, realizar la programacin del
PLC. En el diagrama elctrico todas las acciones ocurren
simultneamente, en el programa se realizan en forma secuencial,
siguiendo el orden en el que los "escalones" fueron escritos, y que
a diferencia de los rels y contactos reales (cuyo nmero est
determinado por la implementacin fsica de estos elementos), en el
PLC se puede considerar que existen infinitos contactos auxiliares
para cada entrada, salida, rel auxiliar o interno, etc.
CARACTERSTICAS DEL LENGUAJE LADDER Instrucciones de entrada se
introducen a la izquierda. Instrucciones de salida se situarn en el
derecho. Los carriles de alimentacin son las lneas de suministro de
energa L1 y L2 para los circuitos de corriente alterna y 24 V y
tierra para los circuitos de CC. La mayora de los PLC permiten ms
de una salida por cada rengln (Rung). El procesador (o
"controlador") explora peldaos de la escalera de arriba a abajo y
de izquierda a derecha
GRUPO ELECTROGENO
Un grupo electrgeno es una mquina que mueve un generador de
energa elctrica a travs de un motor de combustin interna. Son
comnmente utilizados cuando hay dficit en la generacin de energa
elctrica de algn lugar, o cuando son frecuentes los cortes en el
suministro elctrico de la red pblica y necesiten de otra fuente de
energa alterna para abastecerse en caso de emergencia para no parar
la produccin
1.- PARTES DE UN GRUPO ELECTROGENO
Los grupos electrgenos estn compuestos principalmente de:
1.- Un motor de combustin interna.2.- Un generador de corriente
alterna.3.- Un circuito de control de arranque y paro.4.-
Instrumentos de medicin5.- Control electrnico basado en un
microprocesador6.- Tanque de combustible7.- Regulador de
velocidad8.- Silenciador
Motor de combustin interna. El motor representa la fuente de
energa mecnica para que el alternador gire y genere electricidad.
Existe dos tipos de motores: motores de gasolina y de gasoil
(diesel). Generalmente los motores diesel son los ms utilizados en
los grupos electrgenos por sus prestaciones mecnicas, ecolgicas y
econmicas. Generador de corriente alterna. El generador sincrnico
de corriente alterna, est compuesto por las siguientes partes, como
se muestra en la Figura:
Circuito de control de arranque y paro. El circuito del motor de
arranque y protecciones de la mquina consta de las siguientes
funciones: a) Retardo al inicio del arranque (entrada de marcha):
b) El control monitorea las siguientes fallas: c) Solenoide de la
mquina. d) Fusibles: Para la proteccin del control y medicin. e)
Cuenta con indicador de fallas.
Instrumentos de Medicin. Los instrumentos de medicin que se
instalan normalmente en los genset son los siguientes: - Voltmetro
de A.C. con su conmutador.- Ampermetro de A.C. con su conmutador.-
Frecuencmetro digital integrado en el controlador - Hormetro
digital integrado en el controlador Control Electrnico.- Controla
las operaciones del grupo electrgeno, adems lo protege contra
fallos en el funcionamiento, a travs de un microcontrolador
programado de fabricacin. Silenciador. Todos los grupos electrgenos
emiten ruidos debido al tubo de escape, al motor y al flujo de
aire, el silenciador permite reducir la emisin de ruidos
producidos, algunos grupos electrgenos pueden llevar cubiertas que
absorben el ruido en exceso. Tanque de Combustible. El motor y el
alternador estn acoplados y montados sobre una bancada de acero de
gran resistencia. La bancada incluye un depsito de combustible con
una capacidad mnima de 8 horas de funcionamiento a plena carga.
Regulador de Velocidad. El regulador del motor es un dispositivo
mecnico diseado para mantener una velocidad constante del motor con
relacin a los requisitos de carga. La velocidad del motor est
directamente relacionada con la frecuencia de salida del
alternador, por lo que cualquier variacin de la velocidad del motor
afectar a la frecuencia de la potencia de salida.
2.- CLASIFICACIN DE GRUPOS ELECTRGENOS:
Los Grupos electrgenos se clasifican de la siguiente manera:
CIRCUITO DE ARRANQUE Y TRANSFERENCIA
TRANSFERENCIA DE LA RED PBLICA AL GRUPO ELECTROGENO
1.- Qu es una transferencia automtica?
El tablero de transferencia es un equipo que permite que la
planta elctrica opere en forma totalmente automtica supervisando la
corriente elctrica de la red comercial. El mdulo de control
incorpora las funciones de arranque, paro, medicin y protecciones
de la planta elctrica, as como las funciones de sincronizacin con
la red comercial o paralelismo con una o ms plantas elctricas.
Todos los parmetros pueden ser monitoreados y configurados de
manera remota. El tablero es auto soportado y cuenta con
interruptores electromagnticos en aire (contactares) para las
funciones de transferencia.
Funciones de los tableros de transferencia automtica:
1. Censar el voltaje de alimentacin.
2. Dar la seal de arranque a la planta cuando el voltaje falta,
baja o sube de un nivel adecuado.
3. Realizar la transferencia de la carga de la red comercial a
la planta y viceversa. (Esta funcin se realiza a travs de la unidad
de fuerza, que puede ser del tipo contactores o interruptores, segn
la capacidad requerida)
4. Dar la seal a la unidad de fuerza para que haga el cambio
cuando se normaliza la alimentacin (retransferencia)
5. Retardar la retransferencia para dar tiempo a la compaa
suministradora de normalizar su alimentacin.
6. Retardar la seal de paro al motor para lograr su
enfriamiento.
7. Mandar la seal de paro al motor a travs del control
maestro.
8. Mantener cargado el acumulador.
9. Permitir un simulacro de falla de la compaa suministradora,
esto se puede hacer con carga o sin carga.
2.- SISTEMA DE TRANSFERENCIA DE ENERGA ELCTRICA
El sistema de transferencia de energa elctrica est compuesto por
los siguientes elementos:
- Una red elctrica externa pblica- Un Generador elctrico de
emergencia.- Un tablero de transferencia (Manual o Automtico)-
Cargas Elctricas (Edificio, Hospitales, Fbricas, etc)
El sistema de transferencia elctrica es utilizado cuando se
requiere un suministro continuo de energa elctrica, donde la
continuidad de la misma es fundamental, cuando son frecuentes los
cortes en el suministro elctrico de una red pblica. En la
actualidad son muchas las empresas que deciden instalar un sistema
auxiliar de energa elctrica por tres motivos generales:
No hay red elctrica disponible. No llega suficiente potencia de
la red elctrica como para cubrir las necesidades. Para protegerse
frente a la posibilidad de prdidas peridicas o habituales de
potencia de la red elctrica pblica que pueden ocasionar, prdidas
econmicas, de potencia, de luz, apagado de equipos informticos,
apagado de equipos de mantenimiento de las constantes vitales,
prdida de produccin, de datos archivados y de productos, o incluso
de vidas humanas.
3.- TRANSFERENCIA AUTOMTICA DE ENERGA ELCTRICA
La transferencia automtica de energa elctrica, es un sistema que
consiste en poner en marcha un grupo electrgeno de emergencia y
realizar el cambio o transferencia entre las redes de suministro de
energa elctrica en forma automtica sin intervencin humana, cuando
se produzca una interrupcin del servicio de electricidad de la red
principal a consecuencia de algn fallo. Este automatismo se puede
realizar por medio de un controlador lgico programable (PLC). Una
transferencia automtica resulta un complemento muy til para un
grupo electrgeno de emergencia, en aquellos casos en que se
necesite un suministro de energa constante, la operacin en modo
automtico brinda la comodidad y tranquilidad al momento de una
falla en la red externa de energa.
La automatizacin del sistema de transferencia de energa elctrica
realiza la siguiente serie de acciones cronolgicamente ante una
falla elctrica, en funcin de poner en marcha el grupo
electrgeno:
a) Comportamiento frente a una falla de energa externa: La
unidad se encuentra supervisando la presencia de las tres fases de
voltaje de entrada en modo permanente y permanece a la espera de
una falla elctrica. b) Arranque de motor: Pone en contacto el grupo
electrgeno en forma automtica, operacin que se verifica con el
encendido de la luz indicadora de contacto ON, seguidamente
energiza el motor de arranque, encendiendo la luz del indicador
arranque START y una vez establecido, quita la energa al arranque.
Esta operacin se verifica con el apagado de la luz correspondiente.
A partir de este momento, espera el tiempo programado para
precalentamiento del motor (programable de 0 a 256 segundos). c)
Transferencia de cargas: Una vez superado el tiempo de
precalentamiento, inicia la transferencia, habiendo anteriormente
desconectado ya el contactor de red, procede a conectar el
contactor del grupo electrgeno. d) Espera de normalizacin de red
externa: Una vez terminada la rutina de transferencia de cargas,
queda en espera del retorno de la red externa y controlando
permanentemente el normal funcionamiento del grupo generador. e)
Reconexin a red externa: Cuando se detecta el retorno de red
externa, la unidad esperar que la misma se mantenga normal por un
periodo programable de 0 a 255 segundos. Superado tal tiempo se
producir el paso a la rutina de reconexin a red externa. f)
Finalizacin de maniobra de reconexin a red externa: Una vez
devuelta la carga a Red Externa, se esperar el tiempo programado de
apagado del motor (tiempo variable de 0 a 255 segundos), til por
ejemplo para permitir una baja de temperatura del motor por
encontrarse sin carga antes de apagarlo. Luego de este tiempo se
quitar el contacto al grupo finalizando as el ciclo de
transferencia por falla en el suministro de la Red Externa. Una vez
apagado el grupo normalmente, el sistema permanecer en alerta para
una nueva llamada de transferencia. La transferencia automtica de
energa elctrica, es aplicable a todo tipo de sistema elctrico,
permite adems operar como proteccin en sistemas trifsicos y
monofsicos.
Por motivos de seguridad del sistema de transferencia de redes,
se utilizan enclavamientos elctrico, electrnico mecnico, con el
objetivo de asegurar que nunca se activen los dos contactores que
suministran energa elctrica al mismo tiempo, lo que puede provocar
grandes daos al sistema elctrico conectado.
4.- COMPONENTES DE UNA TRANSFERENCIA AUTOMTICA.
Los componentes que integran una transferencia dependen de mucho
factores, entre los cuales estn la capacidad de la transferencia,
la autonoma que se desea dar, esta opcin es muy importante hoy da,
ya que hay muchas instalaciones que funcionan del modo remoto.
A continuacin listaremos los componentes tpicos de una
transferencia: I. Sensores:
El tipo de sensores para una transferencia automtica, vara
dependiendo del elemento que se monitoree. Dentro de los parmetros
importantes que se deben censar esta el voltaje, la corriente,
secuencia de fase, diferencia de voltaje entre fases, etc.
II. Contactores:
Los contactores son elementos elctricos, cuya funcin bsica es
conectar o aislar ramales elctricos a travs de contactos, esto lo
logra con bobinas elctricas que abren y cierran esos contactos.
III. Temporizadores:
El temporizador es en s un contador de tiempo, su funcin bsica
es contar perodos de tiempo ya sea en segundos, minutos u horas,
dependiendo del elemento con que se cuenta se puede elegir con uno
o varios contactos auxiliares para colaborar con la lgica del
sistema que se est diseando
IV. Mini contactores o rels:
Los mini contactores o rels son contactores de baja potencia,
tienen una bobina que hace abrir o cerrar contactos. Son empleados
para realizar tareas como conmutar el estado de un sistema, mandar
seal de arranque, activar o aislar un sistema, etc., lo importante
es que poseen juegos de contactos normalmente abiertos o cerrados
segn se elijan.
V. Luces indicadoras.
Las luces indicadoras son dispositivos elctricos que sirven para
conocer el estado de un sistema, como por ejemplo una luz puede
indicar si esta encendido, apagado, si hay energa de la red
comercial o si un dispositivo esta en mal estado, todo depende del
diseo y la aplicacin que se le de a este dispositivo.
VI. Protecciones
Todo sistema elctrico es un potencial accidente si no se toman
las medidas adecuadas de seguridad, dentro de ellas libranzas,
calidad de elementos y sobre todo las protecciones de sobre
voltajes, sobre corrientes y corto circuitos, siendo estos ltimos
responsabilidad directa de clculo.
PROGRAMACION DEL PLC MEDIANTE LENGUAJE LADDER