Rehabilitación del banco de pruebas de compresores para trolebuses

Rehabilitación del banco de pruebas de compresores para trolebuses
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y
ELECTRÓNICA
REHABILITACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS DE
COMPRESORES PARA TROLEBUSES
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN
ELECTRÓNICA Y CONTROL
ANDREA FERNANDA CANDO GÁLVEZ
[email protected]
DIRECTOR: ING. ARACELY INÉS YANDÚN TORRES
[email protected]
CO DIRECTOR: DR. LUIS ANÍBAL CORRALES PAUCAR
[email protected]
Quito, Mayo 2015
i
DECLARACIÓN
Yo, Andrea Fernanda Cando Gálvez, declaro bajo juramento que el trabajo aquí
descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún
grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas
que se incluyen en este documento.
A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual
correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo
establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la
normatividad institucional vigente.
Andrea Cando Gálvez
ii
CERTIFICACIÓN
Certificamos que el presente trabajo fue desarrollado por Andrea Fernanda Cando
Gálvez, bajo nuestra supervisión.
ING. Aracely Yandún
DIRECTOR DEL PROYECTO
Dr. Luis Corrales
CO-DIRECTOR DEL PROYECTO
iii
AGRADECIMIENTO
A mi Padre, por mostrarme que el único camino para obtener buenos resultados
es el trabajo diario y el sacrificio, por enseñarme a ser optimista y a no permitir
que nada me aleje de mis sueños.
A mi Madre, por demostrarme que la distancia no es un impedimento para
entregar buenos consejos, amor y apoyo incondicional. Por siempre complacerme
en todo cuanto le he pedido.
A mi hermana, por cada palabra llena de motivación y aliento. Por ser cariñosa y
amorosa conmigo, pese a los problemas siempre hemos estado juntas.
A mi hermano Omar, por ser mi compañero de infancia, por todos los buenos
momentos donde compartimos anécdotas, secretos y excelentes consejos.
A mi hermano Alex, porque el anhelo de volver a verle y ser su ejemplo, me
impulso a continuar día a día.
A todos mis amigos de la Universidad, con quienes compartí buenos y malos
momentos, siempre les llevaré en mi corazón.
Y a las excelentes personas, cuya colaboración y apoyo hicieron posible la
ejecución de este proyecto, como son: Danilo Rodríguez, Pablito Martínez y de
manera especial a Javier Logroño.
A la persona que he admirado durante toda la carrera, por su excelente cátedra,
al Doctor Luis Corrales.
iv
DEDICATORIA
A mis Padres, por absolutamente todo, sin ellos mi vida no tendría sentido.
v
CONTENIDO
CAPÍTULO 1
FUNDAMENTOS BÁSICOS ................................................................................... 1
1.1 INTRODUCCIÓN .......................................................................................... 1
1.2 HISTORIA DEL BANCO DE PRUEBAS DE COMPRESORES PARA EL
TROLEBÚS ......................................................................................................... 1
1.3 ANÁLISIS DEL FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA COMPRESORA DEL
TROLEBÚS ......................................................................................................... 3
1.3.1 SISTEMA DE PRODUCCIÓN, ALMACENAMIENTO Y CONTROL DE
AIRE COMPRIMIDO ........................................................................................ 4
1.3.1.1 Producción del Aire Comprimido ...................................................... 4
1.3.1.2 Almacenamiento ............................................................................... 4
1.3.1.3 Sistema de Control ........................................................................... 5
1.3.2 SISTEMA DE CONSUMO DE AIRE O DE UTILIZACIÓN ...................... 5
1.4 ANÁLISIS DE LOS COMPRESORES QUE SE UTILIZAN EN LOS
TROLEBUSES .................................................................................................... 7
1.4.1 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS ........................................................... 9
1.4.2 PRINCIPALES FALLAS EN EL COMPRESOR MARCA PUSKA
MODELO NER 10-5,5.................................................................................... 11
1.5 MEDICIÓN DE PRESIÓN NEUMÁTICA ..................................................... 12
1.5.1 SENSORES PARA MEDIR PRESIÓN ................................................. 13
1.6 MEDICIÓN DE TEMPERATURA ............................................................... 13
1.6.1 SENSORES PARA MEDIR TEMPERATURA ...................................... 14
1.7 MEDICIÓN DE VIBRACIÓN ...................................................................... 15
1.7.1 SENSORES PARA MEDIR VIBRACIÓN ............................................. 16
1.8 MEDICIÓN DE CAUDAL DE AIRE ............................................................. 17
1.8.1 SENSORES PARA MEDIR EL CAUDAL DE AIRE............................... 17
1.8.2 CONTROL DE LA ELECTROVÁLVULA PARA EL DESFOGUE DE LA
PRESIÓN INTERNA DEL COMPRESOR...................................................... 18
1.9 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA ................................................ 19
vi
CAPÍTULO 2
REHABILITACIÓN Y READECUACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS ................. 20
2.1 SELECCIÓN DEL PLC ............................................................................... 20
2.1.1 VENTAJAS Y DESVENTAJAS ............................................................. 20
2.1.2 DIMENSIONAMIENTO DEL PLC ......................................................... 21
2.1.3 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS ......................................................... 23
2.2 SELECCIÓN DEL MÓDULO ANALÓGICO DE SEÑAL GENÉRICO .......... 24
2.2.1 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS ......................................................... 24
2.3 SELECCIÓN DE UN MÓDULO DE SEÑAL PARA TEMPERATURA ........ 25
2.3.1 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS ......................................................... 25
2.4 SELECCIÓN DE LA TARJETA DE MEMORIA ........................................... 26
2.4.1 DATOS TÉCNICOS .............................................................................. 26
2.5 DEFINICIÓN DE HMI .................................................................................. 27
2.5.1 SELECCIÓN DE LA PANTALLA TÁCTIL ............................................. 27
2.5.2 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS ......................................................... 28
2.6 SELECCIÓN DEL SENSOR DE PRESIÓN ................................................ 28
2.6.1 DATOS TÉCNICOS .............................................................................. 29
2.7 SELECCIÓN DEL SENSOR DE VIBRACIÓN ............................................. 29
2.7.1 DATOS TÉCNICOS .............................................................................. 30
2.8 SELECCIÓN DEL SENSOR DE TEMPERATURA ..................................... 30
2.8.1 DATOS TÉCNICOS .............................................................................. 30
2.9 SELECCIÓN DEL SENSOR DE CAUDAL .................................................. 31
2.9.1 DATOS TÉCNICOS .............................................................................. 32
2.10 SELECCIÓN DE LAS VÁLVULAS ............................................................ 32
2.10.1 DATOS TÉCNICOS ............................................................................ 33
2.11 SELECCIÓN DEL VARIADOR DE VELOCIDAD ...................................... 33
2.11.1 DATOS TÉCNICOS DEL VARIADOR ................................................ 33
2.12 SELECCIÓN DEL TRANSFORMADOR ................................................... 35
2.13 SELECCIÓN DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO ............................. 35
2.14 MÓDULO DE CORRIENTE ADICIONAL .................................................. 35
2.15 DIMENSIONAMIENTO DEL TABLERO PARA EL MÓDULO DEL BANCO
DE PRUEBAS ................................................................................................... 36
2.16 P&ID DEL BANCO DE PRUEBAS ............................................................ 37
vii
2.17 DIAGRAMA DE CONEXIONES DEL PLC, MÓDULOS ANALÓGICOS Y
PANTALLA TÁCTIL .......................................................................................... 37
CAPÍTULO 3
DESARROLLO DEL PROGRAMA DE CONTROL Y DE VISUALIZACIÓN ......... 40
3.1 TIA PORTAL ............................................................................................... 40
3.1.1 VISTA DEL PROGRAMA TIA PORTAL ................................................ 41
3.1.2 INICIAR UN PROYECTO EN TIA PORTAL .......................................... 42
3.1.3 INSERCIÓN DE LOS MÓDULOS DE SEÑAL ...................................... 45
3.1.4 CAMBIAR ENTRADAS DE TENSIÓN A INTENSIDAD EN LOS
MÓDULOS..................................................................................................... 46
3.1.5 COMUNICACIÓN ENTRE PLC Y HMI ................................................. 47
3.1.5.1 Asignar dirección IP a la computadora ........................................... 47
3.1.5.2 Asignar dirección IP al PLC ............................................................ 48
3.1.5.3 Asignar dirección IP a la Pantalla Táctil .......................................... 48
3.1.6 ALMACENAMIENTO DE DATOS EN LA MEMORY CARD ................. 50
3.1.7 CARGAR PROGRAMA EN EL PLC ..................................................... 50
3.1.8 CARGAR PROGRAMA EN LA PANTALLA .......................................... 51
3.1.9 CONFIGURACIÓN DE LAS IMÁGENES DEL HMI .............................. 52
3.2 DESARROLLO DEL SOFTWARE .............................................................. 53
3.2.1 CONFIRMACIÓN DE CONEXIONES FÍSICAS .................................... 54
3.2.1.1 Diagrama de flujo ........................................................................... 54
3.2.2 DIAGRAMA DE FLUJO DE LA PRUEBA AUTOMÁTICA ..................... 55
3.2.3 ESCALAMIENTO DEL SENSOR DE VIBRACIÓN Y PRESIÓN ........... 56
3.2.4 ESCALAMIENTO DEL SENSOR DE PRESIÓN ................................... 58
3.2.5 ACONDICIONAMIENTO DEL SENSOR DE TEMPERATURA ............. 58
3.2.6 CONVERSIÓN DE UNIDADES ............................................................ 59
3.2.7 OPERACIONES MATEMÁTICAS PARA HALLAR EL CAUDAL .......... 60
3.2.8 ACCIONAMIENTO DEL VARIADOR .................................................... 61
3.2.8.1 Programación en el variador........................................................... 61
3.2.8.1.1 Cambio de giro ......................................................................... 61
3.2.8.2 Conexión de las entradas digitales ................................................. 62
3.2.9 DESARROLLO DEL SOFTWARE PARA EL CRONÓMETRO ............. 63
3.2.9.1 Diagrama de flujo ........................................................................... 63
viii
3.2.10 DIAGNÓSTICO ................................................................................... 64
3.2.11 BLOQUES PARA GENERAR EL ARCHIVO PERTENECIENTE A LOS
DATOS DEL PROCESO................................................................................ 66
3.2.11.1 Diagrama de flujo ......................................................................... 68
3.3 Descripción del funcionamiento del programa de control ............................ 68
3.3.1 PANTALLA DE INICIO .......................................................................... 69
3.3.2 PANTALLA VARIADOR DE VELOCIDAD ............................................ 70
3.3.3 PANTALLA PROCESO GENERAL....................................................... 71
3.3.4 PANTALLA MEDICIONES .................................................................... 73
3.3.5 PANTALLA MÓDULO DE CORRIENTE ............................................... 74
3.3.6 PANTALLA DE DIAGNÓSTICO............................................................ 74
3.3.7 REGISTRO DE DATOS DE LA PRUEBA ............................................. 76
CAPÍTULO 4
PRUEBAS Y RESULTADOS................................................................................ 78
4.1 PRUEBAS DE LOS EQUIPOS ANTIGUOS ................................................ 78
4.1.1 PRUEBA A LOS SENSORES DE PRESIÓN ........................................ 78
4.1.2 PRUEBA AL SENSOR DE TEMPERATURA ANTIGUO ...................... 79
4.1.3 PRUEBA AL SENSOR DE VIBRACIÓN ............................................... 80
4.1.4 PRUEBA A LAS ELECTROVÁLVULAS ................................................ 81
4.2 PRUEBAS DEL SISTEMA DE CONTROL PRINCIPAL .............................. 81
4.2.1 RANGO DE CARGA DEL COMPRESOR ............................................. 82
4.2.2 DESCARGA DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO ......................... 83
4.2.3 SENTIDO DE GIRO .............................................................................. 84
4.2.4 PRUEBA DEL BANCO DE PRUEBAS PARA EL DIAGNÓSTICO ....... 84
4.2.4.1 Prueba del parámetro 1: No hay presión ........................................ 84
4.2.4.2 Prueba del parámetro 2: No hay presión en el tanque (compresor
funcionando correctamente) ....................................................................... 86
4.2.4.3 Prueba del parámetro 3: No disminuye la presión en el tanque .... 86
4.2.4.4 Prueba parámetro 4: Bajo caudal y baja presión en la cámara ...... 87
4.2.4.5 Prueba del parámetro 5: Bajo caudal y presión normal .................. 89
4.2.4.6 Prueba del parámetro 6: Sobrecalentamiento ................................ 89
4.2.4.7 Prueba del parámetro 7: Vibración alta .......................................... 90
ix
4.2.4.8 Prueba del parámetro 8: Tiempo de carga mayor a dos minutos ... 90
4.2.5 PRUEBA DE ALMACENAMIENTO DE DATOS ................................... 92
CAPÍTULO 5
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ....................................................... 94
5.1 CONCLUSIONES ....................................................................................... 94
5.2 RECOMENDACIONES ............................................................................... 95
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS…………………………………………………. 97
GLOSARIO…………………………………………………………………………….…99
ANEXO A
MANUAL DE USUARIO
ANEXO C
PRESUPUESTO
ANEXO B
HOJAS TÉCNICAS
x
RESUMEN
Hace aproximadamente quince años el banco de pruebas de compresores de
trolebuses estaba compuesto por elementos FieldPoint, mismos que, son tarjetas
de adquisición de datos que trabajan conjuntamente con una computadora y con
el software de programación LabVIEW. Con el transcurso del tiempo ocurrieron
daños tanto en el hardware como en el software del sistema implementado. Se
intentó buscar soluciones para reparar los elementos pero éstos ya se
encontraban descontinuados en el mercado. Las nuevas opciones exigían una
nueva programación y por consecuencia a una persona capaz de realizarlo.
Lamentablemente no se contaba con presupuesto para rehabilitar este banco de
pruebas por lo que no funcionó por mucho tiempo.
Por requerimiento de los operarios el nuevo Banco de pruebas debe
ser
independiente de una computadora, es decir, a través de ésta no se realice el
control. Para el control, monitoreo y almacenamiento de los valores de los
parámetros más importantes del compresor se usó un Controlador Lógico
Programable y una Pantalla Táctil, ambos marca Siemens. Este conjunto de
elementos es muy común a la hora de automatizar un proceso industrial, y es
debido a las facilidades de programación, de conectividad, de cableado, en fin,
múltiples ventajas que orientan al uso de estos equipos. El software propio de
Siemens posee una superioridad frente a otros; es capaz de programar al mismo
tiempo al PLC y a la Pantalla Táctil, compartiendo variables y un entorno de
codificación fácil de manejar. Este software se denomina TIA portal.
Los resultados obtenidos han sido muy satisfactorios, el banco de pruebas
rehabilitado es capaz de controlar el arranque e inversión de giro del motor. Los
sensores de presión tienen la capacidad de medir de 0 a 10 bares con un grado
de precisión del 0.2%, el sensor de temperatura tiene un rango de 0 a 120 °C con
un grado de precisión del 0.01%, el sensor de vibración de 0 a 5 pul/seg con un
grado de precisión del 0.01% y el sensor de caudal de 0 a 700 litros por minuto.
Estos datos son almacenados para llevar un registro de cada compresor.
xi
PRESENTACIÓN
La Empresa Pública Metropolitana de Transporte de Pasajeros de Quito ha
realizado una petición hacia mi persona a través del Ing. Danilo Rodríguez para
que se realice un sistema automático que permita establecer el correcto
funcionamiento de los compresores instalados en cada uno de los trolebuses.
Este software debería cumplir con los siguientes requisitos: obtener y visualizar
los parámetros pertinentes de cada compresor, iniciar y finalizar la prueba de
arranque de cada compresor, almacenamiento y desfogue del aire comprimido y
almacenar los datos obtenidos para ser administrados.
En el Capítulo 1 se realiza el análisis de la planta compresora y de la importancia
del mantenimiento del compresor. Además se realiza el estudio de las variables
principales que se deben monitorear en un compresor y los sensores adecuados
para cada una de éstas.
En el Capítulo 2 se especifica cuáles sensores han sido elegidos, según sus
características técnicas, para ser usados en el banco de compresores.
Adicionalmente se indican los beneficios que aporta un PLC Siemens S7-1200.
En el Capítulo 3 se desarrolla el programa para las pruebas en los compresores.
Abarca desde el entorno de programación del TIA portal; software propio de
Siemens que une tanto la pantalla táctil así como el PLC, siendo un solo
programa.
En el Capítulo 4 se detallan las pruebas y resultados realizados para el correcto
funcionamiento del sistema diseñado. Se evalúa la ejecución de las dos pruebas a
los compresores y que el diagnóstico obtenido sea el correcto.
En el Capítulo 5 se muestran las conclusiones y recomendaciones obtenidas en el
transcurso del presente proyecto.
1
CAPÍTULO 1
CAPÍTU LO 1.
FUNDAMENTOS BÁSICOS
1.1 INTRODUCCIÓN
Un trolebús utiliza un sistema de aire comprimido para realizar varias funciones
importantes en su sistema. Como estas unidades de transporte están en
constante uso, es necesario brindarles mantenimiento a todos sus componentes.
El principal elemento del sistema neumático del trolebús es el compresor, ya que
éste produce el aire comprimido para el accionamiento de varios actuadores.
Con el objetivo de mejorar el proceso de diagnóstico, mantenimiento y reparación
del compresor, la Empresa Pública Metropolitana de Transporte de Pasajeros de
Quito decidió rehabilitar el banco de pruebas para dotarle de características
confiables y modernas y ésta es la meta de este proyecto de titulación.
Por estos motivos, es necesario empezar con una descripción del Banco de
Pruebas a repotenciarse, centrándose en el estado en que éste se encontraba.
1.2 HISTORIA DEL BANCO DE PRUEBAS DE COMPRESORES
PARA EL TROLEBÚS
El primer banco de pruebas se instaló hace aproximadamente quince años,
compuesto por un sistema de adquisición de datos con módulos FieldPoint y
comunicación con una computadora como se puede observar en la Figura 1.1. El
programa de soporte había sido desarrollado en LabVIEW, una plataforma de
software que se debe actualizar cada cierto período.
El monitoreo, control y almacenamiento de los parámetros del compresor bajo
pruebas se realizaba a través de la computadora, pero, debido al mal uso que se
le dio por parte de los operadores, la computadora poco a poco fue perdiendo sus
características de funcionamiento, adquiriendo virus y daños en su sistema. Por
otro lado, aparecieron fallas en el hardware del banco de pruebas y el módulo
que tomaba las señales de los sensores había sufrido un daño irreparable.
2
Figura 1.1 Primer Banco de pruebas, [1].
Se intentó buscar soluciones para rehabilitar el banco de pruebas, pero los
módulos originales se encontraban descontinuados en el mercado. Las nuevas
opciones exigían una nueva programación y por consecuencia a una persona
capaz de realizarlo. Lamentablemente la Empresa no contaba con el presupuesto
necesario para rehabilitar el banco de pruebas y así se mantuvo sin funcionar por
mucho tiempo.
Figura 1.2 Restos del primer Banco de pruebas.
3
Antes de la ejecución de este proyecto, la toma de los parámetros se realizaba de
forma manual, el arranque del compresor se efectuaba a través del panel del
variador de velocidad, y si se deseaba un cambio de giro se debía desconectar e
intercambiar las fases. El tiempo de carga se lo realizaba con el reloj de uno de
los operarios, siendo esto impreciso. La presión se observaba en el barómetro del
tanque de almacenamiento. La temperatura se obtenía mediante a una sonda y la
vibración ya no era medida igual que el caudal. Todos estos valores eran
anotados en una hoja para luego ser almacenada en una carpeta.
1.3 ANÁLISIS DEL FUNCIONAMIENTO
COMPRESORA DEL TROLEBÚS
DE
LA
PLANTA
La planta compresora de aire del trolebús es un sistema neumático que emplea el
aire comprimido como modo de transmisión de la energía necesaria para mover y
hacer funcionar mecanismos importantes, como por ejemplo, la suspensión y/o
frenos de la unidad de transporte.
Cabe destacar que el sistema interno del trolebús funciona con dos opciones; con
un motor eléctrico o con un motor diésel, por esta razón se tiene un compresor
para cada modalidad.
Figura 1.3 Sistema Neumático, [2].
El sistema neumático se compone de dos secciones principales:
4
·
Sistema de producción, almacenamiento y control de aire comprimido.
·
Sistema de consumo de aire o de utilización.
1.3.1 SISTEMA DE PRODUCCIÓN, ALMACENAMIENTO Y CONTROL DE
AIRE COMPRIMIDO
Los componentes de un sistema neumático son todos aquellos que entregan aire
comprimido a los puntos de consumo.
1.3.1.1 Producción del Aire Comprimido
El sistema de producción está compuesto básicamente por el compresor de aire.
El trolebús posee dos compresores: cuando la unidad está funcionando con el
motor a diésel, el aire comprimido se obtiene de un compresor reciprocante
conectado al cigüeñal del motor, pero cuando funciona con el motor eléctrico
empieza a funcionar el segundo compresor, para el cual se ha diseñado un banco
de pruebas, con el fin de otorgarle mantenimiento preventivo y correctivo.
1.3.1.2 Almacenamiento
El almacenamiento se compone por todos los recipientes distribuidos a lo largo de
la unidad.
Se debe tomar en cuenta que el valor total de los recipientes es diferente para las
flotas (1 y 2) que constituye el servicio del trolebús. Para la flota uno es de 220
litros, y para la flota dos es de 240 litros.
Los contenedores se clasifican según su uso:
·
Húmedo
·
Secundarios
·
Frenos
Es húmedo porque colecta agua, y hay aceite que se introduce al sistema de aire,
por esta razón estos deben ser purgados periódicamente.
5
Los secundarios están colocados en varios sitios del trolebús, y son los que
proporcionan el aire para la suspensión y las puertas.
Para los frenos, cada eje al menos tiene un contenedor para el sistema de frenos.
1.3.1.3 Sistema de Control
En lo que respecta al control del sistema neumático, el trolebús posee un sistema
electrónico, el mismo que está encargado de regular la presión, encender el motor
del compresor eléctrico, activar las electroválvulas del compresor cuando ha
alcanzado los 8 bares. Además, desconecta el compresor en caso de que el
sensor de temperatura del aceite detecte una temperatura mayor a 100°C.
El cerebro electrónico que realiza muchas funciones también controla el cambio
del motor eléctrico al motor diésel y viceversa. Este sistema electro-neumático se
halla en la parte media del carro delantero.
1.3.2 SISTEMA DE CONSUMO DE AIRE O DE UTILIZACIÓN
El sistema de consumo son todos los puntos donde el aire comprimido se usa
para realizar alguna actividad.
Estos puntos se pueden visualizar en la Figura 1.4 y son:
·
Frenos del eje delantero
·
Suspensión delantera
·
Frenos del eje intermedio
·
Suspensión del eje intermedio
·
Diferencial
·
Frenos del eje trasero
·
Suspensión del eje trasero
·
Puertas y Rampas
·
Troles
6
Figura 1.4 Sistema Neumático del trolebús.
7
Los frenos están compuestos por dos cilindros de membrana en cada eje siendo
éstos: el delantero, intermedio y trasero, de mayor capacidad. Los ejes intermedio
y trasero son utilizados con mucha frecuencia por lo que su consumo de aire es
importante. Para su funcionamiento necesitan mínimo 6,5 bares.
La suspensión está compuesta por recipientes de caucho, los cuales se llenarán
de aire para elevar la carrocería. Esto funciona a través de una válvula de tres
vías que es accionada por el movimiento de la llanta; si la llanta cae, inyecta aire y
si la llanta sube saca el aire del interior del recipiente de caucho, manteniendo
nivelada la carrocería.
Los ejes intermedio y trasero tienen cuatro recipientes en cada uno, mientras que
el delantero sólo dos. Estos recipientes son críticos ya que suelen presentar
roturas por el uso y la suciedad de la vía, que provocan el escape de aire bajando
la presión de todo el sistema del trolebús. La suspensión requiere de 8 bares.
Las puertas y rampas son un punto de consumo importante, puesto que son
usados con mucha frecuencia. Cada puerta posee dos cilindros al igual que cada
rampa. Para su funcionamiento necesitan 8 bares.
Existen dos cilindros de menor consumo y uso poco frecuente. En el diferencial
existe un pequeño cilindro que cambia del cardán del motor eléctrico al cardán del
motor diésel.
Además, hay cuatro cilindros en la parte superior, encargados de subir y bajar los
troles, barras que se conectan a la línea.
1.4 ANÁLISIS DE LOS COMPRESORES QUE SE UTILIZAN EN LOS
TROLEBUSES
Los compresores que se utilizan en los trolebuses son específicamente
compresores rotativos de paletas.
Un compresor es una máquina capaz de convertir la energía mecánica en energía
neumática comprimiendo aire u otro tipo de gases. El proceso general que realiza
el compresor es tomar aire de la atmósfera, comprimirlo para realizar un trabajo y
regresarlo para ser reutilizado.
8
Figura 1.5 Compresor ubicado dentro del trolebús.
Los compresores del trolebús son de marca PUSKA modelo NER 10-5,5, y están
constituidos esencialmente por un rotor cilíndrico en el que van montadas unas
paletas metálicas deslizantes. Estas paletas se introducen en unas ranuras
longitudinales realizadas a lo largo de dicho rotor como se muestra en la Figura
1.6.
Este conjunto se halla en el interior de una cámara formada por un estator y dos
tapas. El rotor se sitúa en forma excéntrica con respecto al estator, por esto las
paletas forman celdas o espacios desiguales.
Figura 1.6 Compresor de paletas, [3].
9
1.4.1 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
A continuación en la
Tabla 1.1 se muestra las características técnicas del
compresor:
Tabla 1.1 Características técnicas, [1].
Compresor
NER 10-5,5
Motor (KW/ HP)
4,0/ 5,5
Rpm
1450
Presión servicio (bar)
10
Aire aspirado (l/min)
740
Aire efectivo (l/min)
573
Nivel sonoro (dB)
65
Capacidad de aceite (l)
5
Peso (Kg)
130
El compresor está compuesto por las siguientes partes:
1.- Compresor.
2.- Motor.
3.- Refrigeración aire/aceite.
4.- Bastidor.
5.- Válvula mínima de presión.
6.- Válvula de seguridad.
7.- Electroválvula de descarga.
8.- Electroválvula puesta en vacío.
10
9.- Válvula termostática.
10.- Visor flujo de aceite.
11.- Tapón llenado de aceite.
12.- Tapón vaciado de aceite.
13.- Visor nivel de aceite.
14.- Filtro purificador purgador.
15.- Ventilador.
16.- Filtro admisión.
17.- Filtro de aceite.
18.- Manómetro de presión en compresor.
19.- Armario de instrumentación.
20.- Purga de condensados.
Figura 1.7 Esquema General, [1].
11
1.4.2 PRINCIPALES FALLAS EN EL COMPRESOR MARCA PUSKA MODELO
NER 10-5,5
Estadísticamente los técnicos de mantenimiento del trolebús han determinado que
las fallas más recurrentes en el compresor son las que se describen a
continuación:
Tabla 1.2 Principales fallas del compresor, [1].
Síntoma
Falla
Velocidad irregular
Falta una fase
Vibraciones
Aumento de consumo de energía
Sobrecalentamiento
Válvulas de desahogo no asientan
bien
Baja presión en la cámara
Válvula de admisión cerrada
Caudal bajo
Filtro tapado
Presión normal
Pasos de aire obstruido
Caudal bajo
No hay presión
Paletas remordidas
Sobrecalentamiento
Junta tórica de válvula de desahogo
Nivel de presión bajo
Absorción de potencia
dañada.
Estator demasiado desgastado.
Escasez de aire a la salida
Para determinar las fallas es necesario conocer los síntomas, y esto se logra
conociendo los valores de los parámetros más importantes, como son: presión,
temperatura, vibración y caudal del compresor, y de esta manera ofrecer un
diagnóstico.
12
Para medir estos parámetros con propósito de diagnóstico se consideró necesario
diseñar y construir un Banco de pruebas que facilite la toma de mediciones.
A continuación se revisarán los parámetros que hay que medir en un compresor,
identificando los sensores adecuados para cada uno de ellos.
1.5 MEDICIÓN DE PRESIÓN NEUMÁTICA
La presión neumática es la presión generada por cualquier gas, en este caso del
aire. Se genera porque cierto volumen de aire es comprimido y administrado a
diversos componentes mecánicos.
En el Banco de Pruebas se medirá la presión en los siguientes puntos:
·
El valor de presión de aire que entrega el compresor, por lo que se
necesita un sensor para ser colocado a la salida del aire del compresor.
·
Transmisores de presión para medir el caudal del aire comprimido, a partir
de un sensor de presión diferencial. Estos transmisores serán colocados a
la entrada y salida del sensor de presión diferencial, el cual es la placa
orificio.
·
El valor de presión que se halla en el tanque reservorio.
Sensor de presión para
tanque reservorio
Placa orificio
Sensor de presión para
ingreso del aire
Figura 1.8 Ubicación de los sensores en el sistema.
13
Esta variable es muy importante, no sólo para la detección de fallas en el
compresor sino para su control. Una vez alcanzado los ocho bares en el tanque
reservorio, el sistema deberá apagarse.
1.5.1 SENSORES PARA MEDIR PRESIÓN
Existen varios sensores para medir la presión, éstos se clasifican según su
estructura:
·
Medidores de presión mecánicos
·
Medidores de presión electromecánicos
·
Medidores de presión electrónicos de vacío
De todos ellos el de diafragma que pertenece a los medidores de presión
mecánicos, posee cápsulas circulares conectadas rígidamente entre sí por
soldadura y al aplicar presión, cada cápsula se deforma y la suma de todos los
desplazamientos se amplifica por un juego de palancas. Por sus características
es el que mejor resulta para el caso presente, medición de presiones pequeñas,
que son las que típicamente se tendrán en el banco de pruebas.
El rango a medir está entre 0 y 8.5 bares.
Figura 1.9 Diafragma, [4].
1.6 MEDICIÓN DE TEMPERATURA
La temperatura es la energía cinética de las moléculas de una sustancia debido a
la agitación térmica.
14
Interesa medir la temperatura del aceite en la parte inferior del compresor, puesto
que una temperatura elevada indica un aumento de fricción de las partes
metálicas.
El compresor posee una ranura exclusiva para un sensor de temperatura en la
parte frontal.
Ranura para el sensor
de temperatura
Figura 1.10 Ubicación del sensor de temperatura.
1.6.1 SENSORES PARA MEDIR TEMPERATURA
Para medir la temperatura del aceite en el compresor se cuenta con las siguientes
opciones:
·
Termocupla o termopar
·
Termorresistencias
·
Termistores
·
Termómetro de vidrio
·
Termómetro bimetálico
15
·
Termómetro de bulbo y capilar
·
Sensores integrados
Debido a que se necesita un sensor para un rango de temperatura bajo, se optó
por una termorresistencia. También se consideró para su selección el sitio donde
va insertado el sensor.
En la Tabla 1.3 se muestra las características de las RTD:
Tabla 1.3 Datos de los componentes de las RTD, [4].
Elemento
Rango de operación
Precisión
α
(°C)
(grados )
Platino
-200 a 950
0.01
0.00385
Níquel
-150 a 300
0.50
0.0063
Cobre
-200 a 120
0.10
0.0043
El rango de temperatura a medir se halla entre 0 y 110°C, lo que una RTD de
cobre sería la más acertada, sin embargo ya se había realizado la adquisición de
una PT100.
1.7 MEDICIÓN DE VIBRACIÓN
“La vibración son los cambios que experimenta un cuerpo de tal modo que sus
puntos oscilan en torno a una posición de equilibrio” [5].
El compresor en funcionamiento normal carece de vibraciones considerables por
ser un compresor rotativo, por lo tanto cualquier cambio brusco en el valor de esta
variable puede determinar algún tipo de falla. Por ejemplo, un mal funcionamiento
del motor o un escape de aire crean vibraciones, también un posible fallo en las
paletas, dando a lugar al fenómeno llamado tableteo.
El sensor de vibración será ubicado sobre la carcasa del compresor.
16
Ubicación del sensor de
vibración
Figura 1.11 Ubicación del sensor de vibración.
1.7.1 SENSORES PARA MEDIR VIBRACIÓN
Los tipos diferentes de transductores se encuentran en la Tabla 1.4.
Tabla 1.4 Transductores para medir vibración, [5].
Nombre
Sensible a:
Sensor de proximidad
Desplazamiento
Sensor de velocidad
Velocidad
Acelerómetro
Aceleración
De todos estos sensores, un sensor de velocidad con un rango de medida
pequeño, es el sensor indicado para esta aplicación.
El rango a medir se sitúa entre 0 y 3 pulgadas por segundo.
17
1.8 MEDICIÓN DE CAUDAL DE AIRE
Caudal se denomina como la cantidad de fluido que pasa en una unidad de
tiempo.
Un valor fuera del rango esperado en el caudal del aire es un indicador de
obstrucción en las vías de entrada, ya sea por atascamiento en las válvulas de
desahogo o de admisión, o por falta de limpieza del filtro de aire. Otra causa
puede ser que el aire no se esté comprimiendo y esto es por el remordimiento de
las paletas.
Este sensor de caudal será colocado a lo largo de la tubería por donde pasará el
aire comprimido.
Ubicación del sensor de
caudal
Figura 1.12 Ubicación del sensor de caudal.
1.8.1 SENSORES PARA MEDIR EL CAUDAL DE AIRE
Los sensores de presión diferencial son:
·
Placa Orificio
·
Tobera
·
Tubo Venturi
18
El instrumento seleccionado para este proyecto es la placa orificio por el rango de
medición pequeño. El rango a medir está entre 0 y 575 litros por minuto.
Figura 1.13 Placa Orificio, [6].
1.8.2 CONTROL DE LA ELECTROVÁLVULA PARA EL DESFOGUE DE LA
PRESIÓN INTERNA DEL COMPRESOR
El compresor posee una electroválvula que tiene su apertura después del
apagado de la máquina, esto es para desfogar la presión remanente que se
encuentra dentro de la cámara de compresión. Si esto no se realiza se puede
causar daños como por ejemplo rotura de las paletas.
En el banco de pruebas se comandará esta electroválvula de manera manual,
puesto que el tiempo de desfogue es diferente para compresor y además
depende del límite superior de presión alcanzado.
Ubicación de la
electroválvula de
desfogue
Figura 1.14 Ubicación de la válvula de desfogue de la presión interna.
19
1.9 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA
Tomando en consideración las características de los compresores del trolebús y
habiéndose identificado las variables a medirse y los sensores adecuados,
conceptualmente el banco de pruebas puede ser representado por el diagrama de
COMPRESOR
bloques siguiente.
SENSOR DE PRESIÓN
Medir presión del aire comprimido
a la salida del compresor y dentro
del tanque reservorio.
SENSOR DE TEMPERATURA
Medir termperatura del aceite.
P
L
C
+
SENSOR DE VIBRACIÓN
Medir vibración de la máquina.
SENSOR DE CAUDAL DE AIRE
Medir caudal de aire entregado.
ELECTROVÁLVULA DE
DESFOGUE DE LA PRESIÓN
INTERNA DEL COMPRESOR
Desfogar presión interna.
ELECTROVÁLVULA DE
INGRESO
TANQUE RESERVORIO
ELECTROVÁLVULA DE
SALIDA
P
a
n
t
a
ll
a
T
á
c
t
i
l
Figura 1.15 Diagrama de bloques del Banco de Pruebas.
En el presente capítulo se ha realizado un estudio del compresor marca Puska y
sus posibles fallas, además un análisis de sus variables más importantes, como
son: Presión, temperatura, caudal y vibración, y se determinaron los posibles
sensores. En el capítulo siguiente se selecciona todos los componentes del nuevo
hardware del banco de pruebas para compresores, desde el PLC hasta cada uno
de los sensores.
20
CAPÍTU LO 2.
CAPÍTULO 2
REHABILITACIÓN Y READECUACIÓN DEL BANCO DE
PRUEBAS
La tecnología anterior con la que estaba estructurado el banco de pruebas no
permitía el correcto funcionamiento, debido a la descontinuación de los elementos
del sistema de control, y además no se logró actualizar el software, por lo que se
propone conformar un nuevo banco de pruebas con la ayuda de un PLC y una
HMI. A continuación se determina los elementos apropiados y sus características.
2.1 SELECCIÓN DEL PLC
Un Controlador Lógico Programable, más conocido por sus siglas en Inglés PLC
(Programmable Logic Controller), es una computadora utilizada en automatización
industrial, para automatizar procesos electromecánicos, tales como el control de
maquinaria. A diferencia de las computadoras de propósito general, el PLC está
diseñado para múltiples señales de entrada y salida, rangos de temperatura
ampliados, inmunidad al ruido eléctrico y resistencia a la vibración y al impacto.
Un PLC es un ejemplo de un sistema en tiempo real donde los resultados de
salida deben ser producidos en respuesta a las condiciones de entrada dentro de
un tiempo limitado.
2.1.1 VENTAJAS Y DESVENTAJAS
ü “Menor tiempo empleado para la elaboración de proyectos.
ü Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado y añadir
aparatos.
ü Menor coste de mano de obra de la instalación.
ü Fiabilidad del sistema al eliminar contactos.
ü Reutilizable en caso de cambiar de proceso.
Hace falta un programador, lo que exige preparación de los técnicos.
21
Inversión inicial alta, debido al cambio total del proceso” [7].
2.1.2 DIMENSIONAMIENTO DEL PLC
Es necesario conocer cuántas entradas y salidas se necesita del PLC, para según
estos valores adquirir un equipo que cumpla con tales requerimientos.
INICIO
GH
MOTOR
FIN
GAH
P
3ᶲ
V1
PT
L
SALIDAS
ENTRADAS
PT
V2
V3
C
PT
TANQUE
RESERVORIO
COMPRESOR
VT
I/O
TT
Figura 2.1 Diagrama de entradas y salidas del PLC.
Dónde:
PT: transmisor de presión
VT: transmisor de vibración
TT: transmisor de temperatura
GH: giro horario
GAH: giro antihorario
V1: válvula uno
V2: válvula dos
VARIADOR
DE
VELOCIDAD
22
V3: válvula tres
I/O: Relé que realiza encendido/apagado del variador de velocidad
El número de entradas y salidas totales se hallan en la siguiente Tabla:
Tabla 2.1 Entradas y salidas necesarias.
Número de entradas digitales
2
Número de entradas analógicas
5
Número de salidas digitales
6
Número de salidas analógicas
0
Se selecciona el PLC S71200 porque cumple el número de entradas y salidas
necesarias para el Banco de pruebas, y además porque el entorno de
programación es sencillo.
“El controlador lógico programable S7 1200 ofrece la flexibilidad y capacidad de
controlar una gran variedad de dispositivos para las distintas tareas de
automatización.
La CPU incorpora un puerto PROFINET para la comunicación en una red
PROFINET.
La gama S7-1200 brinda una gran variedad de módulos de señales y Signal
Boards (módulos más pequeños que tienen prestaciones específicas, como por
ejemplo una salida digital, o una salida analógica, etc.) que permiten ampliar las
prestaciones de la CPU. También es posible instalar módulos de comunicaciones
adicionales para soportar otros protocolos de comunicación” [8].
Figura 2.2 PLC S7-1200, [8].
23
2.1.3 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
Las características técnicas más relevantes del PLC se hallan en la Tabla 2.2.
Tabla 2.2 Características técnicas del S71200, [9].
Clase de PLC
CPU 1214C
Dimensiones físicas(mm)
110 x 100 x 75
Memoria de usuario
·
Memoria de trabajo
50KB
·
Memoria de carga
2MB
·
Memoria remanente
2KB
E/S integradas digitales
14 entradas/ 10 salidas
E/S integradas analógicas
2 entradas
Ampliación con módulos de señales
8
Signal Board
1
Módulos de comunicaciones
3
PROFINET
1 puerto de comunicación Ethernet
Tensión nominal
·
24 V DC
·
120/130 V AC
Intensidad a 24 VDC
400 mA
Disipación de potencia
14 W
Precisión del reloj en tiempo real
+/- 60 segundos/mes
24
2.2 SELECCIÓN
GENÉRICO
DEL
MÓDULO
ANALÓGICO
DE
SEÑAL
El PLC posee dos entradas análogas pero se hallan configuradas para voltaje y
lamentablemente no se pueden modificar. Para ampliar las entradas requeridas
se debe adquirir un módulo capaz de leer sensores acoplados a transmisores de
corriente. El módulo seleccionado es el SM 1231 AI 4x13 bit, sus características
se encuentran en la Tabla 2.3.
Figura 2.3 Módulo de señal, [8].
2.2.1 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
Tabla 2.3 Características técnicas del Módulo de señal, [9].
Función
SM 1231 AI 4x13 bit
Entradas analógicas
4
Tensión o intensidad (seleccionable)
±10 V, ±5 V, ±2,5 V ó 0 a 20 mA
Disipación de potencia
1,5 W
Consumo de corriente
80 mA
Dimensiones físicas(mm)
45x 100 x 75
Precisión (25°C / 0 a 55° C)
±0,1% / ±0,2% de rango máximo
Tiempo de conversión analógica/ digital
625 us
25
2.3 SELECCIÓN DE
TEMPERATURA
UN
MÓDULO
DE
SEÑAL
PARA
El PLC S7 1200 ofrece la opción de usar un Signal Board destinado para leer
valores de corriente provenientes, por ejemplo, de una RTD de una manera
simple y barata. Esta opción es la que se seleccionó para la RTD que medirá la
temperatura del aceite. En la Tabla 2.4 se puede observar sus características
técnicas.
Figura 2.4 Signal board, [8].
2.3.1 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
Tabla 2.4 Características técnicas del Signal Board, [9].
Función
Signal Board
Tensión nominal
+ 24 V DC
Disipación de potencia
0,7 W
Consumo de corriente
25 mA
Entrada
1 para RTD
26
2.4 SELECCIÓN DE LA TARJETA DE MEMORIA
El PLC S71200 ofrece la posibilidad de insertar una tarjeta SD, donde se puede
guardar tanto el programa del proceso, así como los datos generados durante el
mismo.
La tarjeta de memoria puede configurarse para diversas aplicaciones:
·
Program card: Para ser utilizada como memoria de carga externa del PLC
proporcionando un mayor almacenamiento de carga, según sea su
espacio, en especial para el uso del datalogging y páginas Web.
·
Trasfer card: Esta modalidad sirve para copiar un programa a la memoria
de carga interna de una o más CPUs sin necesidad de utilizar el programa
STEP 7 Basic.
·
Firmware update card: Para actualizar el firmware de la CPU y de los
módulos conectado S7-1200.
En este caso se seleccionó la primera opción, para Program card debido a que se
va a realizar el almacenamiento de las variables, es decir, el datalogging.
.
Figura 2.5 Tarjeta de memoria, [8].
2.4.1 DATOS TÉCNICOS
Los datos técnicos de la tarjeta son principalmente su capacidad para almacenar,
estos se hallan en la Tabla 2.5.
27
Tabla 2.5 Características de la Tarjeta de memoria, [9].
Memory cards
SIMATIC Memory card
SIMATIC Memory card
Capacidad
2 MB
24MB
Se seleccionó la tarjeta de memoria de 2MB por el precio más económico, sin
embargo, el tiempo de almacenamiento sería más corto comparado con la de
24MB.
2.5 DEFINICIÓN DE HMI
“HMI es la abreviación en inglés de Interfaz Hombre Máquina. Los sistemas HMI
pueden pensarse como una “ventana” por donde mirar un proceso. Esta ventana
puede estar en dispositivos especiales como paneles de operador o en una
computadora. Los sistemas HMI en computadoras se los conoce también como
software HMI o de monitoreo y control supervisorio. Las señales del proceso son
conducidas al HMI por medio de dispositivos como tarjetas de entrada/salida en la
computadora, PLC´s, RTU, etc.” [10].
La HMI se hará en una pantalla táctil y su desarrollo se verá en el siguiente
capítulo.
2.5.1 SELECCIÓN DE LA PANTALLA TÁCTIL
La pantalla táctil de Siemens ofrece la funcionalidad básica requerida para
múltiples aplicaciones, tiene numerosas funciones de software: Sistema de
avisos, temas o recetas, funcionalidad de curvas y cambio de idioma.
Figura 2.6 Pantalla Táctil, [11].
28
2.5.2 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
Tabla 2.6 Características técnicas de la pantalla táctil, [11].
Función
SIMATIC Basic Panel KTP1000 PN
Tensión nominal
+ 24 V DC
Grado de protección
IP 65
Temperatura
De 0 a 50°C
Puerto de comunicación
Profinet
Teclas de función
8 teclas de función
Consumo de corriente
600 mA
2.6 SELECCIÓN DEL SENSOR DE PRESIÓN
Para los sensores de presión se reutilizarán los ya existentes puesto que
funcionan correctamente.
Figura 2.7 Sensor de presión.
29
2.6.1 DATOS TÉCNICOS
Tabla 2.7 Características técnicas del sensor de presión, [12].
Función
Sensor de Presión
Tensión de alimentación
8 – 30 VDC
Salida
De 4 a 20 mA
Temperatura
-40 a 105 °C
Sustancias que puede medir el sensor
Vapor, agua, glicol, refrigerante
Precisión
0,5 % del rango
Consumo de corriente
600 mA
Material de construcción
Acero inoxidable
Rango
0 a 200 PSI
2.7 SELECCIÓN DEL SENSOR DE VIBRACIÓN
El sensor de vibración actual se halla en buen estado, por lo que se decidió
mantenerlo en el sistema.
Figura 2.8 Sensor de vibración, [13].
30
2.7.1 DATOS TÉCNICOS
Tabla 2.8 Características técnicas del sensor de vibración, [13].
Función
Sensor de vibración
Tensión de alimentación
12 a 40 VDC
Salida
De 4 a 20 mA
Sensibilidad
< 0.003 pulgadas por segundo
Temperatura
-10 a + 100 °C
Rango
0 a 5 pulgadas por segundo
El rango de este sensor se acopla perfectamente a los requerimientos del
compresor, ya que la vibración es relativamente mínima.
2.8 SELECCIÓN DEL SENSOR DE TEMPERATURA
Se selecciona una PT 100 debido al rango de medición y además porque está
enfocada para uso industrial.
Figura 2.9 RTD
2.8.1 DATOS TÉCNICOS
Los datos técnicos se hallan en la Tabla 2.9.
31
Tabla 2.9 Características técnicas del sensor de temperatura.
Función
PT 100
Vaina protectora
Acero inoxidable
Diámetro
4mm
Rango
-100 a +200°C
2.9 SELECCIÓN DEL SENSOR DE CAUDAL
El sensor dispuesto para la medición de caudal es una placa orificio.
Figura 2.10 Placa orificio
32
2.9.1 DATOS TÉCNICOS
Tabla 2.10 Características técnicas del sensor de caudal
Función
Placa orificio
Material
Acero inoxidable
Diámetro exterior
½”
Diámetro interno
0,225”
Forma
Excéntrica
2.10 SELECCIÓN DE LAS VÁLVULAS
Se utilizan dos electroválvulas para el proceso. La primera electroválvula se usa
para el desfogue del tanque de almacenamiento. Esta se activa cuando se desea
disminuir la presión para iniciar una nueva prueba.
La segunda electroválvula se ubica a la entrada del tanque para abrir o cerrar el
paso del aire comprimido hacia el interior del tanque. Se activa cuando la presión
ha llegado al límite superior impuesto en la prueba, generalmente de 8 bares.
Figura 2.11 Electroválvula
33
2.10.1 DATOS TÉCNICOS
Tabla 2.11 Características técnicas de las electroválvulas.
Presión Máxima
16 bares
Temperatura ambiente máxima
80°C
Grado de protección
IP67
Voltaje de activación
24DC
2.11 SELECCIÓN DEL VARIADOR DE VELOCIDAD
El variador que se usa en el proyecto es el MICROMASTER 420 de Siemens, el
cual ya se disponía, simplemente se adaptó sus características de tal manera que
se pueda encender a través de la HMI. Este variador se utiliza para el arranque y
cambio de giro del motor del compresor.
Las modificaciones realizadas serán detalladas en el capítulo siguiente.
Figura 2.12 Variador
2.11.1 DATOS TÉCNICOS DEL VARIADOR
Los datos técnicos de variador de velocidad se hallan en la Tabla 2.12.
34
Tabla 2.12 Características técnicas del variador de velocidad, [14].
Característica
Especificación
Tensión de red en servicio
200 a 240V±10% 1AC
200 a 240V±10% 3AC
380 a 480V±10% 3AC
Márgenes de potencia
200 a 240V±10% 1AC 0.12kW-3,0kW
200 a 240V±10% 3AC0.12kW-5,5kW
380 a 480V±10% 3AC0.12kW-11,0kW
Dimensiones (sin
prensaestopas)
placa de
FSA[anch*alt*prof]
FSB[anch*alt*prof]
FSC[anch*alt*prof]
mm(pulgadas)
mm(pulgadas)
mm(pulgadas)
73
173
149
149
202
172
185
245
195
(2,87)
(6,81)
(5,87)
(5,87)
(7,95)
(6,77)
(7,28)
(9,65)
(7,68)
Grado de protección
IP20
Margen de temperatura
-10°C a +50°C
Temperatura
almacenamiento
de
-40°C a + 70°C
Humedad
95% humedad relativa; sin condensación
Altitud de operación
Hasta 1000m sobre el nivel del mar sin necesidad de reducción de
potencia
Método de control
V/f lineal; V/f cuadrática; Flux Current Control (FCC)
Capacidad de sobrecarga
1,5* corriente nominal de salida durante 60s (cada 300s)
Compatibilidad
electromagnética
Filtros EMC opcionales según EN550011, clase A o B, también hay
disponibles filtros clase A internos
Características de protección
Mínima tensión, sobretensión, defecto a tierra, cortocircuito, prevención de
desenganche, rotor bloqueado, sobretemperatura en motor.
Frecuencia de entrada
47 a 63 HZ
Resolución de consigna
0.01 Hz digital, 0.01 Hz serie, 10 bits analógica
Frecuencia de pulsación
2kHz a 16kHz (en pasos de 2kHz)
Entradas digitales
3 entradas programables aisladas, conmutables entre activa con
high/activa con low (PNP/NPN)
Frecuencias fijas
7 programables
Salidas a relé
1 programable 30 VDC/ 5A (carga resistiva), 250V AC 2A
Entrada analógica
1 (0/2 a 10V) usada para consigna o señal de realimentación PI
Salida analógica
1 (0/4 a 20mA) programable
Interface serie
RS-232 y RS- 485
Normas
UL. Cul, ce, c-tick
Factor de potencia
≥0.7
35
2.12 SELECCIÓN DEL TRANSFORMADOR
El transformador existente de 220 a 380 V, 200 W se encuentra en buen estado
por lo que no fue necesario reemplazarlo. Se halla situado dentro del taller donde
se harán la pruebas, su función es proporcionar un voltaje de 380 V al cual
funciona el motor del compresor, es decir, transforma el voltaje de 220 a 380V.
2.13 SELECCIÓN DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO
El tanque de almacenamiento para este proyecto es el ya existente en el
laboratorio en vista de su correcto funcionamiento. Este tanque posee su propio
barómetro y un desfogue manual.
Figura 2.13 Tanque de almacenamiento.
2.14 MÓDULO DE CORRIENTE ADICIONAL
Adicionalmente, la empresa pidió colocar un módulo para medir corriente. Este
módulo fue adquirido por parte de ellos, igual que los transformadores de
corriente. Este módulo es muy sencillo de usar, además de medir corriente puede
medir voltajes, pero para esto se necesita los transformadores de potencia
mismos que podrían ser adquiridos e instalados por los mismos operadores.
36
Figura 2.14 Módulo de corriente
2.15 DIMENSIONAMIENTO DEL TABLERO PARA EL MÓDULO
DEL BANCO DE PRUEBAS
Considerando los equipos a instalarse en este tablero, como: PLC, módulos de
señal analógicos, pantalla táctil, fuente, módulo de corriente, protecciones, se
determinó que las dimensiones de un tablero de 60x80x25 cm sería suficiente.
Este posee ranuras para dos luces piloto y una para un paro de emergencia.
Además, una ranura para la pantalla táctil y para el módulo que mide corriente.
Figura 2.15 Tablero de control
37
En la Figura 2.16 se muestra el interior del tablero donde se halla el PLC, una
fuente de alimentación, los transformadores de corriente, la protección y todo el
cableado correspondiente.
Figura 2.16 Interior del tablero
2.16 P&ID DEL BANCO DE PRUEBAS
El P&ID del banco de pruebas se puede observar en el Plano 2.17, compuesto
por el sistema neumático y además por el sistema de control y de visualización.
2.17 DIAGRAMA DE CONEXIONES DEL
ANALÓGICOS Y PANTALLA TÁCTIL
PLC,
MÓDULOS
El diagrama de conexiones se encuentra en la siguiente Plano 2.18.
En el presente capítulo se ha seleccionado los sensores más adecuados según
sus características para la rehabilitación del banco de pruebas, además los
componentes del sistema de control, como el PLC S7-1200 y la pantalla táctil, los
dos de la marca Siemens. En el capítulo siguiente se examina los pasos que se
debe hacer para programar el sistema de control de tal manera se adquiera los
valores de los sensores correctamente.
38
Figura 2.17 P&ID del Banco de pruebas
39
Figura 2.18 Diagrama de conexiones
40
CAPÍTU LO 3.
CAPÍTULO 3
DESARROLLO DEL PROGRAMA DE CONTROL Y DE
VISUALIZACIÓN
Para el desarrollo del programa de control y de visualización se hace uso del
software “TIA Portal”, el cual es propio de la marca Siemens. Este software ha
sido diseñado para programar en conjunto al PLC y a la pantalla táctil. A
continuación se tiene una breve explicación del entorno que presenta TIA Portal,
sus componentes y el inicio de un nuevo proyecto. Además, el desarrollo del
software para el banco de pruebas, así como el detalle de su funcionamiento.
3.1 TIA PORTAL
“El Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal) integra diferentes productos
SIMATIC en una aplicación de software, permitiendo aumentar la eficiencia del
proceso.
Figura 3.1 Funcionamiento del TIA Portal, [15].
Con
el TIA Portal se configura tanto el control como la visualización en un
sistema de ingeniería unitario. Todos los datos se guardan en un proyecto. Los
componentes de programación (STEP 7, para programar independientemente al
41
PLC) y visualización (WinCC para programar independientemente a la pantalla
táctil) son programas que han sido unidos para crear al TIA Portal que accede a
una base de datos común. Todos los datos se guardan en un archivo de proyecto
común.
Para ofrecer una solución de automatización se necesita básicamente de los
siguientes parámetros:
·
Un controlador que maneje el proceso a través de un programa.
·
Una HMI para control y monitoreo del proceso” [15].
3.1.1 VISTA DEL PROGRAMA TIA PORTAL
En la pantalla principal como se muestra en la Figura 3.2 se observa una vista
estructurada de todos los componentes del proyecto creado dentro del software.
1
2
3
4
5
6
7
8
Figura 3.2 Pantalla principal del TIA Portal
42
A continuación se especifica cada una de las partes de esta ventana:
1.-Barra de menús: Contiene los comandos para trabajar con el programa.
2.- Barra de herramientas: Ofrece acceso directo a comandos que se usan
generalmente con más frecuencia, por ejemplo: Guardar el proyecto, cargar el
proyecto, etc.
3.- Árbol del proyecto: Desde aquí se accede a componentes del proyecto,
imágenes, main (Página principal de programación), tabla de variables, etc.
4.- Área de trabajo: Se visualiza la hoja de programación, ya sea el main
perteneciente al PLC o las imágenes que posteriormente serán las pantallas del
HMI, también se puede agregar módulos.
5.- Task cards: Aquí se hallan las librerías, herramientas, catálogo de hardware,
esto dependiendo del objeto seleccionado en el área de trabajo.
6.- Vista detallada: Muestra las variables implicadas del objeto señalado.
7.- Ventana de inspección: Muestra información adicional del proceso.
8.- Cambiar la vista del portal: Son las distintas ventanas abiertas a las que se
puede ir directamente.
3.1.2 INICIAR UN PROYECTO EN TIA PORTAL
En la Figura 3.3 se puede observar las opciones “abrir proyecto existente” o
“crear proyecto”, se debe hacer click para acceder a cualquiera de ellas.
En la primera opción se dirige al lugar donde se halla guardado y al hacer click
sobre el mismo se abre automáticamente, en el segundo caso se empieza con el
casillero donde se puede colocar el nombre del proyecto, además permite realizar
un comentario sobre el mismo.
Acto seguido, se da click en “Crear”. Al ser un programa que empieza desde cero,
es necesario configurar los dispositivos necesarios, tales como un PLC y una
HMI.
43
Figura 3.3 Creación de un nuevo proyecto
Figura 3.4 Lista de autómatas y pantallas
44
Después de escoger la opción “Configurar un dispositivo” se abre una lista de
todos los modelos de PLC y se selecciona el utilizado. Así mismo aparecen todas
las pantallas disponibles para la programación como se puede observar en la
Figura 3.4, las pantallas se clasifican según su tamaño y sus características
técnicas. Cuando se opta por una pantalla, se debe proceder a su configuración.
Es necesario enlazar la pantalla al PLC, para que las variables creadas dentro del
PLC sean globales; dicho de otra manera, se puedan compartir con el HMI.
Observar Figura 3.5.
Figura 3.5 Enlace entre pantalla y PLC
Los pasos posteriores tratan de cuantas pantallas van a componer el proyecto, y
donde van a estar ubicados los pulsadores, sin embargo estos detalles se
resolverán conforme se diseñe cada pantalla.
45
3.1.3 INSERCIÓN DE LOS MÓDULOS DE SEÑAL
Dentro del catálogo de Hardware, están todos los módulos de señal, los de
comunicación y los Signal Boards. Se hace click sobre uno de estos y se arrastra
hasta colocarlo junto al PLC.
Además, hay que hacer que el PLC físicamente reconozca a los módulos, y para
esto con un click izquierdo sobre el módulo a añadir se escoge la opción “cargar
en dispositivo, “todo” esto incluye software y hardware. Este paso se repite para
cada uno de los elementos.
Cabe mencionar que para comprobar que el PLC los ha reconocido, los LEDs de
los módulos se tornan de color verde sin parpadear.
Figura 3.6 Módulos de señal
46
3.1.4 CAMBIAR ENTRADAS DE TENSIÓN A INTENSIDAD EN LOS MÓDULOS
Este paso es muy importante y necesario, ya que los transmisores de los
sensores proporcionan una salida de corriente o de intensidad como lo llama el
PLC, por lo que los módulos de señales analógicos deben adaptarse a este
cambio.
Se selecciona el módulo y en la ventana de inspección dentro de propiedades se
puede optar por Intensidad. El rango establecido para estos módulos es de 0 a 20
mA y para los sensores de 4 a 20 mA. (Ver Figura 3.7).
También se puede observar la dirección de cada entrada o salida de los canales
análogos, muy útiles para la programación.
Figura 3.7 Cambio de tensión a intensidad
47
3.1.5 COMUNICACIÓN ENTRE PLC Y HMI
Debido a las características técnicas tanto del PLC y de la HMI se usa el puerto
Ethernet para la comunicación entre estos elementos. Se lo hace creando una
red local, otorgando una dirección IP para el PLC, la pantalla y además para la
computadora. La red privada que se seleccionó es la 192.168.0.0.
3.1.5.1 Asignar dirección IP a la computadora
A la computadora con Windows XP se le asigna una dirección IP de la manera ya
conocida:
·
Inicio
·
Panel de control
·
Conexiones de red e internet
·
Conexiones de red
·
En conexión de mis sitios de red click izquierdo y escoger propiedades.
·
Click en Protocolo Internet y optar por propiedades.
Figura 3.8 Cambio de IP en Computadora
48
3.1.5.2 Asignar dirección IP al PLC
Para cambiar la dirección IP del PLC (Figura 3.9) es necesario hacer click sobre el
gráfico de la interfaz PROFINET y escoger la opción propiedades de la ventana
de inspección. Esta dirección permite al dispositivo transferir datos a través de
una red. Se escogió una máscara de subred 255.255.255.0 suficiente para una
red local pequeña. Después de esto, se hace click en “Guardar proyecto” en la
barra de herramientas. La dirección IP asignada es 192.168.0.4.
2
1
Figura 3.9 Asignación de dirección IP al PLC
3.1.5.3 Asignar dirección IP a la Pantalla Táctil
Para otorgar una dirección IP a la Pantalla se puede hacer directamente en su
panel. Se selecciona la opción “Control Panel”, después se elige “Profinet” como
se indica en la Figura 3.10 siguiente:
49
Figura 3.10 Asignar dirección IP a la pantalla por panel, [21].
En el cuadro de diálogo “Profinet Settings” se puede introducir la dirección IP y se
oprime “OK” para guardar los datos. La dirección IP asignada es 192.168.0.24.
Figura 3.11 Cambio de dirección IP, [15].
50
3.1.6 ALMACENAMIENTO DE DATOS EN LA MEMORY CARD
Es necesario tomar en cuenta que el PLC S7-1200 sólo soporta la SIMATIC
Memory Card. El PLC no podrá utilizar esta tarjeta si se utiliza un formateador de
Windows para borrar sus archivos, debido a que eliminará el “sello” del fabricante.
Se debe asegurar que la Memory Card no esté protegida contra escritura. Caso
contrario, hay que deslizar el interruptor de protección fuera de la posición “Lock”.
De las tres opciones para usar esta tarjeta, la más indicada para esta aplicación
es la de “programa”, debido a que en ella se va a guardar el programa y los datos
del proceso. Para esto se debe realizar el siguiente proceso:
1. Insertar una Memory Card vacía en el lector/grabador de tarjetas
conectado a la computadora.
2. En el árbol del proyecto, expandir la carpeta “SIMATIC Card Reader” y
seleccionar el lector de tarjetas deseado.
3. Para abrir el diálogo “Memory Card” hacer click con el botón derecho del
ratón en la Memory Card en el lector de tarjetas y elija el comando
“Propiedades” del menú contextual.
4. En el diálogo “Memory Card”, seleccionar “Programa” en la lista.
Al desconectar y volver a conectar la alimentación del PLC, se cambia del estado
operativo de STOP a RUN, el PLC copia su memoria de carga interna en la
Memory Card y borra el programa de la memoria de carga interna.
3.1.7 CARGAR PROGRAMA EN EL PLC
Los elementos del proyecto se pueden cargar desde la computadora al PLC, al
hacer esto el programa de usuario se almacena en la memoria no volátil de la
CPU, por lo que al apagar todo el sistema el programa perdura.
Al existir un error en la compilación del programa de usuario, éste no se cargará
en el PLC.
51
Figura 3.12 Cargar programa en el PLC
3.1.8 CARGAR PROGRAMA EN LA PANTALLA
En el panel de operador de la pantalla táctil se debe elegir la opción “TRANSFER”
como primer paso para enviar los datos desde la computadora. Los datos
transferidos se escriben directamente en la memoria Flash interna del panel de
operador. Si al compilar existe un error no se cargará el programa.
En el árbol de proyecto se hace click sobre “HMI” y con un click izquierdo se
despliega la alternativa “cargar en dispositivo” seguido de “Software”, tal como se
muestra en la Figura 3.13.
52
Figura 3.13 Cargar programa en la Pantalla
3.1.9 CONFIGURACIÓN DE LAS IMÁGENES DEL HMI
Para interactuar con estas imágenes durante la ejecución del proyecto es
necesario configurar los botones propios de la pantalla táctil de tal manera de
cambiar la visibilidad de cada una de éstas; es decir, poder navegar entre ellas.
Se tiene dos opciones, configurar los botones físicos que posee la pantalla Táctil
en su exterior o a su vez crear botones dentro del programa en sí, de tal manera
de superar el uso de los únicos siete botones físicos y aumentar más Imágenes.
Se ha dividido al proyecto en varias partes, cada una de ellas debe ser
visualizada en el HMI mientras se lleva a cabo las pruebas a los compresores; por
ejemplo, una pantalla de inicio con indicaciones generales, encendido del variador
de frecuencia, vista general del proceso, curvas de las variables monitoreadas,
etc.
53
Figura 3.14 Configuración imágenes
Se selecciona el botón a configurar y en la ventana de inspección en la parte de
propiedades, se opta por la pestaña eventos, aquí se da un nombre a cada Figura
y se escoge la función “Activar Figura”.
3.2 DESARROLLO DEL SOFTWARE
El programa consiste en la elaboración de una prueba automática realizada a los
compresores eléctricos, ya que estos deben tener un mantenimiento ya sea
correctivo o preventivo.
Durante la prueba se monitorea los datos más relevantes del compresor, los
mismos que son: presión, temperatura, vibración y caudal.
La prueba simula la acción del compresor dentro del sistema del Trolebús.
54
3.2.1 CONFIRMACIÓN DE CONEXIONES FÍSICAS
Verificar antes de iniciar la prueba, por seguridad, las conexiones físicas:
Alimentación del variador, conectar los terminales del variador al motor, y ubicar
los sensores de temperatura y vibración en el compresor.
3.2.1.1 Diagrama de flujo
INICIO
Activar seguridades:
1,2, y 3
Están
activadas?
NO
SI
Definir carga del
compresor
Está
definido?
NO
SI
Definir sentido de
giro
NO
Está
definido?
SI
FIN
55
3.2.2 DIAGRAMA DE FLUJO DE LA PRUEBA AUTOMÁTICA
INICIO
Dar click en el
botón INICIO
Analizar si existe presión
en el tanque y si está bajo
el límite inferior
NO
Abrir la válvula 1
para que desfogue el
tanque
Presión en el tanque
bajo el límite inferior?
SI
Cerrar la válvula 1 para
que no escape el aire
Abrir la válvula 2 para el
ingreso del aire al tanque
Encender el motor del
compresor
Generar aire comprimido
hasta llegar al límite superior
impuesto
SI
NO
Llegó la presión al
límite superior?
Apagar el motor del
compresor
Abrir válvula 3 para el desfogue de la
presión interna del compresor
FIN
56
3.2.3 ESCALAMIENTO DEL SENSOR DE VIBRACIÓN Y PRESIÓN
Para los sensores de presión y vibración se necesita realizar un escalamiento,
donde el valor de corriente represente un valor de registro en el PLC, y éste a su
vez en la escala del sensor; es decir, de la señal de 4 a 20 mA se debe
transformar de 0 a 200 PSI en el caso de los sensores de presión, o en caso del
sensor de vibración de 0 a 5 pulgadas por segundo. Para hacer este
procedimiento se necesita revisar el manual del módulo de señal analógica, para
conocer el valor de su registro equivalente a 4 y a 20 mA.
Adicionalmente se debe revisar la escala de los sensores. Los valores para el
escalamiento del sensor de vibración se hallan en la Tabla 3.1.
Tabla 3.1 Valores para el escalamiento del sensor de vibración
Valor del registro
Corriente (mA)
Escala del sensor de
vibración (pul/seg)
0
0
0
5530
4
0
27648
20
5
Para realizar el proceso de escalamiento se usa dos funciones: NORM_X
SCALE_X.
Figura 3.15 Escalamiento del sensor de vibración
y
57
Las funciones “NORM_X”
y “SCALE_X” se hallan dentro de la carpeta de
“Conversión”.
Figura 3.16 Ubicación de las funciones de escalamiento.
Para conocer cuáles son los parámetros que se deben colocar en sus entradas y
salidas, se puede dar F1 y obtener esa información.
La instrucción “Normalizar” normaliza el valor de las variables de la entrada
VALUE mapeándolas a una escala lineal. Los parámetros MIN y MAX sirven para
definir los límites de un rango de valores que se refleja en la escala. La siguiente
Figura muestra un ejemplo de cómo pueden normalizarse los valores:
Figura 3.17 Ejemplo de Normalizar, [9].
58
La instrucción “Escalar” permite que el valor de la entrada VALUE pueda ser
localizado en un rango de valores determinado.
3.2.4 ESCALAMIENTO DEL SENSOR DE PRESIÓN
Figura 3.18 Escalamiento sensor de presión
Son tres los sensores de presión, dos para hallar el caudal, y uno para monitorear
la presión del tanque de almacenamiento.
Tabla 3.2 Valores para el escalamiento del sensor de presión
Valor del registro
Corriente (mA)
Escala del sensor de
presión (psi)
0
0
0
5530
4
0
27648
20
200
3.2.5 ACONDICIONAMIENTO DEL SENSOR DE TEMPERATURA
Debido a que para el sensor de temperatura se emplea una signal board
apropiada para su uso, sólo se debe adquirir su señal y acondicionarla.
En este caso, primero se cambia de entero a real la variable para poder realizar
cualquier operación matemática.
59
Figura 3.19 Conversión de entero a real
Después de la conversión se puede observar que su valor sobre la temperatura
está multiplicado por 10; por ejemplo, al ser la temperatura ambiente de 22°C el
sensor daba como resultado 220°C, por lo que se procedió a multiplicar por 0,1.
Otra opción sería dividir para 10.
3.2.6 CONVERSIÓN DE UNIDADES
Como los valores de presión están establecidos en bares para el sistema
neumático del Trolebús, es necesario realizar el cambio de unidades para una
correcta comparación con los valores apropiados de funcionamiento. Los
sensores de presión están graduados en PSI. El cambio es de PSI a Bares.
Figura 3.20 Conversión de unidades
Para hallar el caudal también se debe convertir las unidades en pascales.
Tabla 3.3 Equivalencias para la conversión
1 Bar
14.7 Psi
100000 Pascales
60
Figura 3.21 Unidades en Pascales
3.2.7 OPERACIONES MATEMÁTICAS PARA HALLAR EL CAUDAL
Estas operaciones se basan en la fórmula para hallar el valor del caudal a través
de una placa orificio. Se realizan mediante las funciones matemáticas que posee
el TIA Portal y que se encuentran en la carpeta “Operaciones básicas”.
Dónde:
ܳൌ
ாగௗ మ
ସ
ට
ଶሺ௉௔ି௉௣ሻ
ఋ௢
[4]
E: coeficiente de velocidad de acercamiento.
d: diámetro de la obstrucción.
Pa: presión anterior.
Pp: presión posterior.
δo: densidad del fluido.
Para hallar el valor de E se aplica que:
‫ܧ‬ൌ
Siendo:
d: diámetro de la obstrucción.
ͳ
ͳ െ ߚସ
ߚൌ
݀
‫ܦ‬
D: diámetro interno de la tubería.
La densidad del aire a una temperatura ambiente es de 1,25 Kg/m³
61
3.2.8 ACCIONAMIENTO DEL VARIADOR
3.2.8.1 Programación en el variador
Para encender el variador es prioridad configurar para que se encienda desde una
orden exterior y no por panel; es decir, ser activado por terminales.
Figura 3.22 Opciones de la entrada digital, [14].
Al cambiar de “activar por panel” a “activar por terminales” se resetean todas las
entradas digitales de los ajustes por defecto.
Tabla 3.4 Cambio de parámetros, [14].
3.2.8.1.1 Cambio de giro
Para el cambio de giro, se configura al variador para que el DIN 2 cambie de giro,
pero no sobre la marcha porque lo que se desea es parar, invertir el giro y
arrancar nuevamente. Se logra esto cambiando un parámetro en el P0702 de la
Tabla 3.5.
Tabla 3.5 Parámetro P0702, [14].
Existe varias opciones de ajuste, pero el que se desea es el parámetro N° 2 que
se detalla en la Figura 3.23.
62
Figura 3.23 Posibles ajustes, [14].
3.2.8.2 Conexión de las entradas digitales
La conexión establecida para que el variador admita el mando a través del PLC es
la siguiente:
Figura 3.24 Conexión de bornes, [14].
Cada terminal tiene un uso y un significado diferente.
Tabla 3.6 Distribución de terminales del variador, [14]
DIN 1 (entrada digital)
Giro a la derecha
DIN 2 (entrada digital)
Inversión
DIN 3 (entrada digital)
Acuse de fallos
63
3.2.9 DESARROLLO DEL SOFTWARE PARA EL CRONÓMETRO
El cronómetro tiene como finalidad conocer el tiempo en el que el compresor
demora en llegar desde 6 bares al límite superior impuesto, casi siempre 8 bares.
Esto es un parámetro importante, debido a que se puede identificar fallas tales
como: un nivel de aceite bajo o una válvula en mal estado.
3.2.9.1 Diagrama de flujo
Inicio
Iniciar cuando la presión se halla en 6
bares y termina en el límite superior de
presión
Presión = 6
bares?
NO
SI
Cronómetro
NO
Presión = límite
superior?
SI
Detener
cronómetro
Visualizar el
valor en pantalla
Reseteo
64
Cronómetro
Reseteo
Incrementar en uno
los segundos
Resetear
manualmente
NO
Segundos
= 60?
NO
Se ha pulsado
el botón?
SI
Incrementar en uno
los minutos
SI
Encerar segundos, minutos
Encerar segundos e
inicia de nuevo
Fin
3.2.10 DIAGNÓSTICO
El diagnóstico de cada prueba realizada depende del valor de cada parámetro, y
para obtenerlo compara los valores normales de funcionamiento y los obtenidos
durante el proceso. Además ofrece posibles causas y posibles soluciones al
problema. La Tabla 3.7 muestra los valores normales de funcionamiento.
Tabla 3.7 Valores normales de funcionamiento
Parámetro
Valor normal de funcionamiento
Presión
8 bares
Temperatura
80 °C
Vibración
0.5 pulgadas/segundos
Caudal
575 l/min
A continuación una tabla del diagnóstico:
65
Tabla 3.8 Diagnóstico
Parámetro
Síntomas
Posible razón
Posible solución
Presión a la salida
No hay presión
Paletas remordidas
Limpiar
del compresor
Presión
compresor
en
el
tanque
Presión
en
el
tanque
Caudal
del
totalmente
aire
comprimido
No hay presión en el tanque
Válvula
(compresor funcionando)
cerrada (2)
de
No disminuye la presión en el
Válvula
tanque
cerrada
Bajo caudal
Filtro tapado
Baja presión en la cámara
Válvula
de
de
ingreso
Revisar y/o cambiar
desfogue
Revisar y/o cambiar
Revisar y/o cambiar
admisión
cerrada
Caudal
del
aire
comprimido
Temperatura
Bajo caudal
Presión normal
del
Sobrecalentamiento
aceite
Válvula
de
presión
Limpiar válvula Bypass
mínima agarrotada
Fuga de aire
Bulbo
Corregir
termostático
en
reemplazar
mal estado
Vibración
en
el
Vibración alta
compresor
Tableteo del compresor
Revisar parámetros
Desbalanceo
Reparar
del
compresor
Ventilador roto
Reemplazar
Rodamientos del motor
reemplazar
eléctrico
Tiempo de carga
Tiempo de carga mayor a 2
Válvula
minutos
atascada
de
admisión
Nivel y estado de aceite
Revisar
Completar
el
66
3.2.11 BLOQUES PARA GENERAR EL ARCHIVO PERTENECIENTE A LOS
DATOS DEL PROCESO
Para realizar el registro de datos se utiliza dos bloques específicos para generar
un archivo con los datos del proceso, estos bloques se hallan en “Instrucciones
avanzadas” y se llaman “DatalogWrite” y “Datalogcreate”.
Figura 3.25 Bloques del Datalogging
En cada uno de ellos se debe realizar una configuración donde entra el detalle de
lo que se requiere por ejemplo, el número de parámetros, el nombre de cada uno
de ellos, si es booleana o si es una palabra lo que se desea almacenar, etc.
Con el bloque “Datalogcreate” se crea una hoja de Excel para almacenar todos
los datos.
67
Figura 3.26 Bloques del Datalogging
Con el bloque “DatalogWrite” se escriben los valores de los parámetros en la hoja
de Excel.
Figura 3.27 Bloques del Datalogging
Es necesario vincular las variables de la programación ladder con las variables de
la programación en bloques de función.
En la Figura 3.28 se puede observar cómo se realiza la vinculación para la
variable “Caudal”.
Figura 3.28 Bloques del Datalogging
68
3.2.11.1 Diagrama de flujo
INICIO
Generar archivo nuevo
Escribir en el archivo los
datos del proceso
Actualizar cada 10 segundos
NO
Están 20
registros?
SI
Sobrescribir
Se deben sobrescribir los datos debido al espacio de memoria limitado, pudiendo
ocasionar lentitud en el funcionamiento del programa. Son 20 registros debido a
que interesa más los últimos datos de las pruebas, ya que son los valores finales
de funcionamiento.
3.3 DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL PROGRAMA DE
CONTROL
El programa de control está compuesto por siete pantallas, cada una de estas
posee un paso necesario para llevar a cabo una correcta prueba de
funcionamiento al compresor.
69
3.3.1 PANTALLA DE INICIO
Esta es la pantalla de inicio del programa, aquí se debe verificar si todos los
puntos anteriores a la ejecución de la prueba están ya realizados. Si estos puntos
no se cumplen, la prueba no se ejecutará de ninguna forma, tal y como muestra la
Figura 3.29.
Figura 3.29 Pantalla de inicio
Dentro de los puntos a confirmarse están:
·
Alimentación del variador: Esto es, colocar la toma de energía proveniente
del transformador al variador de velocidad.
70
·
Conectar los terminales del variador al motor: El variador posee una salida
de tres terminales; son las tres fases que deben conectarse en cualquier
orden en los bornes del motor (no importa el orden debido a que se puede
cambiar el giro).
·
Ubicar los sensores de temperatura y vibración en el compresor: El
compresor posee dos ranuras destinadas cada una para los sensores. El
sensor de temperatura debe ser colocado en la parte frontal para medir la
temperatura del aceite, y el sensor de vibración en la parte superior.
·
Definir los límites de carga del compresor: Aquí se debe colocar el valor del
límite superior de presión al que debe llegar el compresor; esto depende de
la flota a la que pertenece el compresor, y para el límite inferior siempre
deberá colocarse menor que uno.
·
Definir el sentido de giro del motor: Se debe iniciar escogiendo un sentido
de giro; si éste es erróneo, se aplica FIN a la prueba y se inicia
nuevamente seleccionando el otro sentido de giro. Se conoce que el
sentido de giro es incorrecto debido a que no gira conforme a la orientación
que señala una flecha colocada de fábrica en el compresor.
Si se cumple con cada parámetro se da click sobre el botón “no activado” y
pasa automáticamente a “ACTIVADO”.
3.3.2 PANTALLA VARIADOR DE VELOCIDAD
Desde esta pantalla se enciende el variador de velocidad. Cuando se presiona el
botón encender se escucha el accionar de un relé, además la pantalla de la
animación se torna de color verde. Por otro lado, en caso de falla del sistema de
control, se debe presionar el paro de emergencia situado en el frente del panel,
esto apaga al variador.
Todos los elementos que posee esta pantalla se puede observar en la Figura
3.30.
71
Figura 3.30 Pantalla variador de velocidad.
El paro de emergencia es únicamente físico debido a que los operadores no
desean que este dependa de algún sistema electrónico.
3.3.3 PANTALLA PROCESO GENERAL
Esta es la pantalla donde se visualiza el proceso. Como ya se hallan definidos los
límites de carga del compresor así como el sentido de giro, ya se puede dar
INICIO a la prueba.
En primera instancia el sistema de control verifica si existe aire comprimido dentro
del tanque. En caso de tener una respuesta positiva, se envía a desfogar hasta
llegar al límite inferior impuesto por el operario.
Cuando la válvula uno está abierta es de color verde, caso contrario, cuando está
cerrada cambia a rojo.
72
Figura 3.31 Pantalla Proceso general
Cuando termina de desfogar el tanque, se abre la válvula dos y arranca el
variador de velocidad y por consecuencia el compresor.
Dentro de esta pantalla se observa como los valores de presión, temperatura,
caudal y vibración van cambiando dentro de los recuadros amarillos.
El “tiempo de carga” es un cronómetro que empieza a
contar desde que el
compresor llega a seis bares y se detiene cuando se apaga el compresor. Se
recomienda encerar el tiempo de carga cuando se alimenta el banco de pruebas
por primera vez o cuando se desconecte y/o conecte la energía.
73
La prueba finaliza automáticamente después de arribar al límite superior de carga,
pero en caso de que el compresor resultara con fallas impidiendo cumplir con los
límites, se debe pulsar el botón FIN dentro de esta pantalla.
Adicionalmente existe la opción de desfogar la presión interna del compresor
mediante un pulsador ubicado en la pantalla denominado “desfogue”.
Figura 3.32 Parámetros en la pantalla
3.3.4 PANTALLA MEDICIONES
Para observar la evolución de los parámetros se ha diseñado formas de onda
para cada uno de ellos. Esto se puede apreciar en la Figura 3.33. Gracias a estos
gráficos se puede observar si los sensores están dando una señal de respuesta.
74
Las formas de onda deben ir aumentando conforme se realice la prueba y
dependiendo del estado del compresor.
Figura 3.33 Pantalla Mediciones
3.3.5 PANTALLA MÓDULO DE CORRIENTE
La pantalla cinco es una réplica del módulo de corriente que se halla en el tablero.
Aquí se tiene los símbolos más observados en el módulo tal como se visualiza en
la Figura 3.34, además de una advertencia de no sobrepasar un valor de corriente
estipulado para los motores de los compresores, el cual es de 14 A.
El módulo de corriente no tiene comunicación con el PLC ya que se necesita un
módulo adicional para realizar la comunicación serial.
3.3.6 PANTALLA DE DIAGNÓSTICO
Al finalizar la prueba, se debe dar un diagnóstico de los parámetros obtenidos,
observar Figura 3.35 y Figura 3.36, para esto se debe identificar las fallas y dar
una posible solución. Es importante asegurar que el diagnóstico no cambie
75
después de finalizada la prueba, debido a que el valor de las presiones, el caudal,
vibración volverían a su estado inicial.
Figura 3.34 Pantalla Módulo de corriente
Figura 3.35 Pantalla de Diagnóstico 1
76
Cuando se identifica una falla en el sistema, se cambia de color el indicador
circular, de verde a rojo. El diagnóstico se divide en dos pantallas, en la primera
se tiene parámetros como: La presión a la salida del compresor, la presión en el
tanque, y el caudal. En la segunda pantalla se tiene: Temperatura, vibración y
tiempo de carga. Las posibles razones y soluciones de los problemas se han
desarrollado en base a un manual propio del compresor.
Figura 3.36 Pantalla de Diagnóstico 2
3.3.7 REGISTRO DE DATOS DE LA PRUEBA
Para obtener los datos almacenados en la tarjeta de memoria, se procede a su
extracción del PLC, después se coloca en la ranura del lector de este tipo de
memorias en la computadora del operador y se copia los archivos CSV
generados.
77
Tabla 3.9 Registro
En el presente capítulo se detalló los pasos necesarios para realizar el sistema de
control
mediante
la
programación.
Además,
se
presenta
las
pantallas
pertenecientes al banco de pruebas y su funcionamiento. En el capítulo siguiente
se hacen las pruebas pertinentes a todo el sistema, tanto hardware como
software.
78
CAPÍTU LO 4.
CAPÍTULO 4
PRUEBAS Y RESULTADOS
En este capítulo se describen las pruebas que se realizó al banco de pruebas
para comprobar su correcto funcionamiento. También se describen las pruebas
que se hizo a los equipos antiguos para comprobar si se los podía continuar
utilizando. Las pruebas también incluyeron el software para determinar un
adecuado funcionamiento.
4.1 PRUEBAS DE LOS EQUIPOS ANTIGUOS
Antes de realizar la compra de los instrumentos nuevos, se revisó si los equipos
adquiridos años atrás aún estaban funcionando, para no realizar gastos
innecesarios.
4.1.1 PRUEBA A LOS SENSORES DE PRESIÓN
Se alimentó a los transmisores y con ayuda de un amperímetro se comprobó que
los tres sensores funcionaban bien luego de inyectarles aire a presión.
Tabla 4.1 Resultados del sensor de presión 1
Datos
Corriente
Presión (Bares)
obtenida (mA)
Corriente esperada
%E corriente
(mA)
1
4
0
4
0
2
7,8
51
8
3
3
11,5
92
12
4
4
15,9
162
16
1
5
20
200
20
0
79
Tabla 4.2 Resultados del sensor de presión 2
Datos
Corriente obtenida
Presión (Bares)
(mA)
Corriente esperada
%E corriente
(mA)
1
4
0
4
0
2
8
52
8
0
3
11,7
95
12
3
4
15,1
158
16
6
5
20
200
20
0
Tabla 4.3 Resultados del sensor de presión 3
Datos
Corriente obtenida
Presión (Bares)
(mA)
Corriente esperada
%E corriente
(mA)
1
4
0
4
0
2
7,5
50
8
6
3
12,5
100
12
4
4
16,1
165
16
1
5
20
200
20
0
4.1.2 PRUEBA AL SENSOR DE TEMPERATURA ANTIGUO
La termocupla que se tenía en el taller ya no presentaba ningún cambio a pesar
de estar expuesta a altas temperaturas, por lo que se desechó este elemento.
80
Tabla 4.4 Resultados del sensor de temperatura antiguo.
Datos
Corriente obtenida (mA)
Temperatura (°C)
Corriente esperada
%E corriente
(mA)
1
0,33
10
4
92
2
0,33
30
8
96
3
0,33
40
12
97
4
0,35
50
16
98
5
0,33
60
20
98
4.1.3 PRUEBA AL SENSOR DE VIBRACIÓN
A través de un amperímetro se observó que existían cambios lógicos de corriente
en el sensor al ser sometido a varios movimientos, por lo que se lo usó
nuevamente para este proyecto.
Tabla 4.5 Resultados del sensor de vibración.
Datos
Corriente obtenida (mA)
Vibración (pul/seg)
Corriente esperada (mA)
%E corriente
1
4,21
0,05
4
5
2
8,12
1,21
8
2
3
13,11
2,92
12
9
4
15,20
3,50
16
5
5
18,30
4,60
20
9
81
4.1.4 PRUEBA A LAS ELECTROVÁLVULAS
La electroválvula normalmente cerrada se accionaba de manera adecuada y no
dejaba escapar el aire almacenado. Por otro lado, la válvula normalmente abierta
si se accionaba pero existía una fuga; es decir, el aire comprimido almacenado en
el tanque se regresaba al compresor, por lo que fue necesario cambiarla.
Tabla 4.6 Resultados de la electroválvula 1.
Datos
V (sin accionar)
V (accionado)
1
0
24
2
0
24,1
3
0
24
Tabla 4.7 Resultados de la electroválvula 2.
Datos
V (sin accionar)
V (accionado)
1
0
24
2
0
24,1
3
0
24,1
4.2 PRUEBAS DEL SISTEMA DE CONTROL PRINCIPAL
Una vez programado tanto el PLC como la pantalla táctil, se realizaron las
respectivas pruebas en un compresor.
82
Figura 4.1 Banco de pruebas
4.2.1 RANGO DE CARGA DEL COMPRESOR
Esta prueba consistió en chequear si el compresor variaba dentro de los rangos
establecidos y si se apagaba al llegar al límite superior, además que el tanque
desfogue el aire comprimido hasta llegar al límite inferior.
La prueba se inicia con un límite superior para la primera prueba y para las
siguientes pruebas con un límite superior e inferior (6 bares), estos límites
dependen si el compresor pertenece a la primera o segunda flota puesto que son
diferentes. Por esta razón se puso la opción de que el operador establezca el
límite superior. Si no se lo hace, la prueba no puede iniciar.
Límite superior: Presión máxima a la que debe llegar el aire en el interior del
tanque.
Límite inferior: Presión a la que se debe encontrar el tanque como mínimo para
iniciar la prueba.
En la primera prueba el compresor arrancó normalmente, y al alcanzar el límite
superior se apagó. Se realizaron varias primeras pruebas con diferentes límites y
83
funcionó correctamente. En la segunda prueba, se establece tanto un límite
inferior como superior, el tanque desfogó hasta los 6 bares, el compresor arrancó
y finalmente se apagó al llegar al límite superior.
4.2.2 DESCARGA DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO
Este tanque no tenía un transmisor de presión propio, de tal manera que no se
podía controlar el desfogue porque no se tenía control de la presión. Se hizo un
cambio en la tubería para reubicar un transmisor a la salida del tanque y así se
tuvo plena manipulación de la descarga.
Figura 4.2 Sin transmisor
Figura 4.3 Con transmisor
84
El cambio fue acertado, ya que con la lectura de esta señal se puede controlar las
electroválvulas que controlan la apertura y cierre del tanque sin ningún problema.
4.2.3 SENTIDO DE GIRO
Para cambiar de giro al motor los operadores intercambiaban dos fases
manualmente. Por esto se planteó invertir el giro desde la HMI. Para esto se
programó en el variador de velocidad, que el DIN 2 (entrada digital) sea el que al
ser activado, invierta el giro.
Cuando se escoge en el variador la activación por terminales, se debe cambiar las
configuraciones del terminal DIN 2, puesto que éste invierte el giro pero sobre la
marcha, y lo deseado es parar y que arranque pero con un nuevo sentido.
Hecho esto, el cambio de sentido de giro desde la HMI funcionó correctamente y
se evitó a los operadores manipular las fases y sufrir posibles accidentes.
4.2.4 PRUEBA DEL BANCO DE PRUEBAS PARA EL DIAGNÓSTICO
Para evaluar la eficiencia del banco de pruebas para el diagnóstico fue necesario
generar situaciones que simulen las diferentes fallas debido a que en ese
momento no se contaba con un compresor que presente las fallas requeridas.
Para simular variaciones de la presión y sobrecalentamiento se empleó unos
contadores, los mismos que deben simular que la presión sube dentro del tanque
de almacenamiento y la temperatura se eleva en el compresor.
4.2.4.1 Prueba del parámetro 1: No hay presión
Este escenario se creó porque puede darse la situación en la que el compresor
no genere aire comprimido. Como no se cuenta con un compresor dañado, se
recrea la situación sólo con un motor. Para esta prueba se debe entender que se
ha enviado la orden de accionar al variador y por ende al motor, entonces la falla
se debe encontrar en el compresor porque el sensor no detecta cambio de
presión en el tanque ni a la salida del compresor, arrojando como resultado los
datos de la Tabla 4.8.
85
Tabla 4.8 Diagnóstico del parámetro 1
Datos
Presión del tanque (Bares)
Presión a la salida del compresor
Motor
1
0,11
0.06
Encendido
2
0,09
0.13
Encendido
3
0,05
0.06
Encendido
El resultado de la prueba se refleja cuando el indicador de este parámetro cambia
de color, verde a rojo, tal y como muestra la Figura 4.4.
Figura 4.4 Cambio del indicador del parámetro 1
86
4.2.4.2 Prueba del parámetro 2: No hay presión en el tanque (compresor funcionando
correctamente)
El entorno de esta situación se presenta cuando se identifica que la presión a la
salida del compresor está aumentando y, por otro lado, no existe cambio alguno
en la presión del tanque, esto se debe interpretar como que la válvula de ingreso
al tanque está cerrada; no está activada. Esta
prueba se simuló con dos
contadores en el HMI: para el incremento de la presión en el tanque y otro para
la presión a la salida del compresor.
Tabla 4.9 Diagnóstico del parámetro 2.
Datos
Presión del tanque (Bares)
Presión del compresor
(Bares)
1
1
1
2
1
2
3
1
3
4
1
4
5
1
5
De igual manera, el resultado de la prueba se observa cuando el sistema de
diagnóstico detecta este error cambiando de color el indicador de la pantalla tal y
como muestra la Figura 4.5.
4.2.4.3 Prueba del parámetro 3: No disminuye la presión en el tanque
Este es el primer paso que se ejecuta para el inicio de las pruebas; verificar que el
tanque se halle vacío o en el límite inferior de descarga seleccionado. Si se
observa que la presión no disminuye pese a que se envía la orden de apertura, se
87
concluye que la válvula debe ser revisada. Esta prueba se realizó con contadores
para simular una presión constante en el tanque.
Como resultado se tiene un cambio de color en el indicador en la pantalla del
diagnóstico debido a que el error fue detectado, esto se puede observar en la
Figura 4.5.
Figura 4.5 Cambio del indicador del parámetro 2
4.2.4.4 Prueba parámetro 4: Bajo caudal y baja presión en la cámara
El bajo caudal (50% del valor normal de funcionamiento) se establece
comparándolo con el valor normal de funcionamiento. La presión en la cámara se
refiere a la presión a la salida del compresor; si ésta no llega al valor del límite
superior se puede dar por terminada la prueba y se puede establecer que la
presión está baja (50% del valor normal de funcionamiento) en la cámara.
Para esta prueba se usó un compresor pero al que no se le permitió llegar al
límite superior, es decir se finalizó la prueba.
88
El diagnóstico de esta prueba se ve reflejada cuando cambia el indicador tal y
como se observa en la Figura 4.7.
Figura 4.6 Cambio del indicador del parámetro 3.
Figura 4.7 Cambio del indicador del parámetro 4
89
4.2.4.5 Prueba del parámetro 5: Bajo caudal y presión normal
El caudal se compara con el valor normal de funcionamiento de esta manera se
conoce si el caudal está por debajo del valor requerido. En este caso la presión a
la salida de la cámara sí llega al límite superior, por lo que se concluye que se
debe revisar la válvula de presión mínima propia del compresor. Para esta prueba
se contaba con un compresor cuyo caudal no alcanzaba al valor normal.
Como resultado se obtiene un cambio en el indicador, de verde a rojo, esto se
observa en la Figura 4.8.
Figura 4.8 Cambio del indicador del parámetro 5.
4.2.4.6 Prueba del parámetro 6: Sobrecalentamiento
Como no se posee un compresor con esta falla se procedió a realizar una
simulación. Para esto se lleva a cabo una prueba en la que un contador en el HMI
simule un incremento de la temperatura. Como se llegó hasta al límite normal de
funcionamiento se apaga el compresor y se detiene la prueba. También se usa
otro mecanismo para incrementar la temperatura, como agua caliente.
90
Un cambio en el indicador es el resultado de esta falla, indicándose en la Figura
4.9.
Figura 4.9 Cambio del indicador del parámetro 6.
4.2.4.7 Prueba del parámetro 7: Vibración alta
No se poseía un compresor cuyas vibraciones estuvieran fuera del rango normal
de funcionamiento, por lo que al realizar esta
prueba, se agita al sensor de
vibración superando el límite normal de funcionamiento, cuyo resultado es el
cambio de color en el indicador, tal y como se puede ver en la Figura 4.10.
4.2.4.8 Prueba del parámetro 8: Tiempo de carga mayor a dos minutos
En este caso, si se tenía un compresor cuyo tiempo de carga superaba los dos
minutos; es decir, se demoraba en llegar desde el límite inferior (6 bares) al límite
superior impuesto por el operario. Se realizó la prueba y el resultado se reflejó en
el cambio de color del indicador, observar Figura 4.11.
91
Figura 4.10 Cambio del indicador del parámetro 7.
Figura 4.11 Cambio del indicador del parámetro 8.
92
4.2.5 PRUEBA DE ALMACENAMIENTO DE DATOS
Se realizó una prueba en la que se generó un primer archivo el cual resultó con
insuficientes columnas para almacenar todos los datos como se observa en la
Tabla 4.10. Para un segundo archivo se corrigió el problema y todos los datos
fueron almacenados normalmente.
Tabla 4.10 Prueba de almacenamiento de datos incorrecta.
Tabla 4.11 Prueba de almacenamiento de datos correcta.
93
En este capítulo se realizaron las pruebas del sistema de control, tanto en el
hardware como en el software, para corroborar su correcto funcionamiento o para
corregir todas las posibles falencias del sistema. En el siguiente capítulo se
señala las conclusiones y recomendaciones obtenidas.
94
CAPÍTU LO 5.
CAPÍTULO 5
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
De los resultados de las pruebas es posible extraer las conclusiones siguientes.
5.1 CONCLUSIONES
·
Realizar el cambio de lugar del transmisor de presión del tanque de
almacenamiento antes de la válvula de paso permitió controlar el desfogue
del aire comprimido a través de las electroválvulas, esto no se tenía
anteriormente, por lo que se puede concluir que el cambio fue acertado.
·
Los sensores antiguos de presión fueron sometidos a varias pruebas,
donde se observó que daban valores correctos, por ende que no era
necesario cambiarlos.
·
La HMI desarrollada fue puesta a consideración de los operarios quienes
pudieron manipular el sistema con gran facilidad, se concluye que ésta fue
diseñada correctamente en cuanto a manejo y operación del HMI.
·
Los datos obtenidos de los compresores se guardan en una tarjeta de
memoria Siemens de manera cronológica lo que permite llevar un historial
del mantenimiento de cada máquina de forma digital. Esto permite concluir
que se optimizó en tiempo y espacio para el almacenamiento de los
parámetros.
·
Anteriormente durante las pruebas, se obtenían los datos de manera
manual, y el parámetro de vibración no se medía. La Rehabilitación del
Banco de Pruebas que incluye una forma automática de captura de datos
optimiza su adquisición y de allí aumenta la eficiencia de la fase de
rehabilitación del compresor.
·
La interfaz Profinet integrada en el PLC S7-1200 permite la comunicación
con la pantalla táctil, con equipos de otros fabricantes y con una
computadora para realizar la programación, lo que implica un ahorro en la
adquisición de un módulo de comunicación adicional.
95
·
El PLC S7-1200 también posee el componente “Signal Board” que
simplifica la programación para la lectura de un sensor de temperatura lo
que evita el uso de un puerto de los módulos analógicos. Esta
característica respalda la conclusión de que se ahorró en la adquisición de
un módulo de señal adicional.
·
El software TIA Portal de Siemens proporciona un entorno único para la
programación de todas las tareas de automatización, debido a que sus
variables son globales para diferentes componentes, como: PLC, pantalla
táctil, módulos analógicos y digitales. Esta característica determina que
esta plataforma reduce el tiempo del desarrollo de la programación.
·
En las pruebas realizadas no fue posible contar con un compresor que
presentara fallas y así obtener un diagnóstico, pero gracias al contacto
constante con los operarios de la empresa se puede concluir que el banco
de pruebas está respondiendo adecuadamente por un lapso de ocho
meses.
5.2 RECOMENDACIONES
De la experiencia obtenida durante la ejecución de este proyecto se puede dar las
recomendaciones a continuación.
·
Se recomienda realizar el mantenimiento requerido por cada compresor, en
base a los resultados arrojados por el banco de pruebas, específicamente
por el diagnóstico proporcionado.
·
Se recomienda el uso del PLC S7-1200 ya que gracias a su interfaz
Profinet fácilmente puede integrarse con equipos que posean esta
tecnología pese a que sean de otros fabricantes.
·
Se recomienda utilizar PLC modulares para realizar la expansión del
mismo en caso de que sea necesario, es decir, añadir entradas y/o salidas
al sistema.
96
·
Para aplicaciones de automatización cuyos principales elementos sean un
PLC y un HMI, se propone considerar un software que integra la
programación de estos dos elementos.
·
Para obtener los datos del proceso de una manera rápida se recomienda
usar una tarjeta SD propia de Siemens ya que otra no sería reconocida por
el PLC. Y si se desea aumentar la capacidad de almacenamiento de los
datos obtenidos en las pruebas realizadas, se puede cambiar la tarjeta de
memoria por una de 24MB.
·
Revisar el manual de operación del variador de velocidad para configurar
adecuadamente sus parámetros, como por ejemplo si se desea encender
por terminales, el sentido de giro en el encendido, cambio de sentido de
giro, etc.
97
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]
Martínez P. (2004), Archivos EPMTPQ, Quito, Editorial: Lupesa.
[2]
Hernández. (2000), Sistema Neumático. 2010, de UDLA Sitio web:
http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lep/hernandez_s_f/capitul
o5.pdf
[3]
My tecnology wordpress. (2012), Producción de aire comprimido, de
Wordpress.com, Sitio web:
https://eepiastecnologia4a11.wordpress.com/neumatica-2/produccion-delaire-comprimido/
[4]
Creus S. (1997), Instrumentación Industrial, España, Editorial: Marcombo
[5]
Silva H. (2013). Unidad II Vibraciones, Prezi, Sitio web:
http://prezi.com/cig7i-mkj9pp/unidad-ii-vibraciones/
[6]
Emerson. (2014), Placas de orificio, Sitio Web: http://goo.gl/klY8tK
[7]
Prieto P. (2007), Principios Básicos del PLC, Octubre 2007, Sitio Web:
http://goo.gl/K6FCFi
[8]
Siemens (2012), Manual del SIMATIC S7-1200 , Sitio Web :
http://goo.gl/IoKjjk
[9]
Siemens (2012), Manual del Sistema , Sitio Web: http://goo.gl/Z0NDlP
[10]
Materias de laboratorio (2012), Introducción al HMI, Sitio Web:
http://iaci.unq.edu.ar/materias/laboratorio2/HMI%5CIntroduccion%20HMI.p
df
[11]
Siemens, Paneles, Agosto 1012, Sitio Web:
http://www.automation.siemens.com/salesmaterialas/brochure/es/brochure
_panels_es.pdf
[12]
Hoja de datos Kele, Datasheet Pressure Transmiter, Septiembre 1999.
[13]
Hoja de datos Vt500, Datasheet sensor de vibración, Abril 2002
[14]
Micromaster 420, Manual Instrucciones de Uso, Edición A2
98
[15]
SIMATIC, TIA Portal, STEP 7 Basic
2009, Sitio Web: http://tiny.cc/r9v8cx
V10.5 Primeros pasos, Diciembre
99
GLOSARIO
Labview.- Es una plataforma y entorno de desarrollo para diseñar sistemas, con
un lenguaje de programación visual gráfico.
Software TIA Portal.- TIA portal es un innovador sistema de ingeniería para todas
las tareas de automatización el cual es intuitivo, eficiente y le permite diseñar
todos sus procesos de forma óptima desde una sola pantalla de ordenador a lo
largo de toda la cadena de suministro de valor.
PLC.- más conocido por sus siglas en inglés PLC (programmable logic controller),
es una computadora utilizada en la ingeniería automática o automatización
industrial, para automatizar procesos electromecánicos, tales como el control de
la maquinaria de la fábrica.
HMI.- Interfaz de usuario por sus siglas en idioma inglés, (Human Machine
Interface) que se usa para referirse a la interacción entre humanos y máquinas;
Aplicable a sistemas de Automatización de procesos.
Compresor reciprocante.- También denominado de pistón, recíproco o de
desplazamiento positivo, es un compresor de gases que funciona por el
desplazamiento de un émbolo dentro de un cilindro (o de varios) movido por un
cigüeñal para obtener gases a alta presión.
Trole.- La palabra Trole deriva del francés “trolley” y se refiere específicamente al
patín de contacto unido a las barras móviles del vehículo para el suministro de
energía.
Diferencial.- Un diferencial es el elemento mecánico que permite que las ruedas
derecha e izquierda de un vehículo giren a velocidades diferentes, según éste se
encuentre tomando una curva hacia un lado o hacia el otro.
Bastidor.- Soporta una maquinaria, un automóvil, entre otros.
Signal Board.- Módulo que se puede acoplar a un PLC Siemens destinado a
ampliar sus prestaciones como por ejemplo: recibir señales analógicas de voltaje
y corriente.
100
Datalogging.- Bloques de funciones que permite registrar datos en el tiempo o en
relación a la ubicación por medio de instrumentos y sensores propios o
conectados externamente.
Step 7 Basic.- Es un Software de Programación de PLC (Controladores Lógicos
Programables el SIMATIC-S7 de Siemens, es el sucesor de SIMATIC S5 STEP 7.
WinCC.- Es un software de ingeniería y visualización para aplicaciones a pie de
máquina y del proceso. La gama de paneles de operador que se pueden
configurar con WinCC flexible, abarca Micro Panels diseñados para aplicaciones
con controladores SIMATIC S7-200.
TC.- Un transformador de corriente utiliza el campo magnético de una corriente
alterna a través de un circuito para inducir una corriente proporcional en un
segundo circuito. Las funciones principales de un transformador de corriente son:
medir la corriente, aumentarla o disminuirla.
Escalamiento.- Esta relacionado con la adaptación de los valores de tensión o de
corriente que están normalizados en diversos estándares.
DIN #.- entrada de señales digitales.
Agarrotado.- Inmovilizar un mecanismo por la falta de movimiento.
A-1
ANEXO A
MANUAL DE USUARIO
Uso del programa “Banco de pruebas de compresores” y reconocimiento de los
elementos que lo componen.
A.1 FUNCIONAMIENTO DEL SOFTWARE DEL BANCO DE
PRUEBAS
El programa de control está compuesto por siete pantallas, cada una de estas
posee un paso necesario para llevar a cabo una correcta prueba de
funcionamiento al compresor. A continuación una explicación del funcionamiento
de cada pantalla y de los elementos que la componen:
A.1.1 PANTALLA INICIO
Esta es la pantalla de inicio del programa. Aquí se debe verificar si todos los
puntos anteriores a la ejecución de la prueba están ya realizados, si estos puntos
no se han satisfecho, la prueba no puede ejecutarse.
Dentro de los puntos a confirmarse están:
·
Alimentación del variador.- Esto es conectar la toma de energía
proveniente del Trasformador al variador de velocidad.
·
Conectar los terminales del variador al motor.- El variador posee una salida
de tres terminales; son las tres fases que deben conectarse en cualquier
orden en los bornes del motor (no importa el orden debido a que se puede
cambiar el giro).
·
Ubicar los sensores de temperatura y vibración en el compresor.- El
compresor posee dos ranuras destinadas cada una para los sensores. El
sensor de temperatura debe ser colocado en la parte frontal para medir la
temperatura del aceite, y el sensor de vibración en la parte superior.
·
Definir los límites de carga del compresor.- Aquí se debe colocar el valor
del límite superior de presión al que debe llegar el compresor; esto
A-2
depende de la flota a la que pertenece el compresor, y para el límite inferior
siempre deberá colocarse valores menores que uno.
·
Definir el sentido de giro del motor.- Se debe iniciar escogiendo un sentido
de giro. Si este es erróneo se debe dar
FIN a la prueba y se inicia
nuevamente seleccionando el otro sentido de giro.
Si se cumple con cada parámetro se da click sobre el botón “no activado” y
pasa a “ACTIVADO”.
Figura 1.- Pantalla Inicio
A.1.2 PANTALLA VARIADOR DE VELOCIDAD
Desde esta pantalla se enciende el variador de velocidad, cuando se presiona el
botón encender se escucha el accionar de un relé, además la pantalla de la
A-3
animación se torna de color verde. Por otro lado, en caso de falla del sistema de
control, se debe presionar el paro de emergencia situado en el frente del panel,
esto apaga al variador. Este es independiente de toda la programación debido a
un requerimiento de la empresa. Esperar unos segundos hasta que se encienda
el variador de velocidad.
Figura 2.- Pantalla Variador de velocidad
NOTA: Revisar las posibles fallas en caso de no iniciarse el proceso.
A.1.3 PANTALLA PROCESO
Esta es la pantalla donde se muestra el proceso.
Como ya se han definido los límites de carga del compresor así como el sentido
de giro, ya se puede dar INICIO a la prueba.
En primera instancia, el sistema de control verifica si se halla aire comprimido
dentro del tanque, en caso de tener una respuesta positiva, se envía a desfogar
hasta llegar al límite inferior impuesto por el operario.
A-4
Cuando la válvula está abierta es de color verde, caso contrario, cuando está
cerrada cambia a rojo.
Figura 3.- Pantalla Proceso
Cuando termina de desfogar el tanque, se abre la válvula dos, y arranca el
variador de velocidad y por consecuencia el compresor.
Dentro de esta pantalla se observan como los valores de presión, temperatura,
caudal y vibración van cambiando dentro de los recuadros amarillos.
El “tiempo de carga” es un cronómetro que empieza a contar desde que el
compresor llega a seis bares y para cuando para el compresor. Se tiene como
recomendación encerar el tiempo de carga cuando se alimenta el banco de
pruebas por primera vez o cuando de desconecte y conecte la energía.
La prueba finaliza automáticamente después de arribar al límite superior de carga,
pero en caso de que el compresor resultara con fallas impidiendo cumplir con los
límites, se debe pulsar el botón FIN dentro de esta pantalla.
A-5
A.1.4 PANTALLA MEDICIONES
Para observar la evolución de los parámetros, se ha diseñado formas de onda
para cada uno de ellos. Gracias a estos gráficos se puede observar si los
sensores están funcionando, puesto que se espera el incremento de sus valores.
Figura 4.- Elementos de la pantalla Proceso
A.1.5 PANTALLA MÓDULO DE CORRIENTE
La pantalla cinco es una réplica del módulo de corriente que se halla en el tablero.
Aquí se tiene los símbolos observados en el módulo, además de una advertencia
de no sobrepasar un valor de corriente estipulado para los motores de los
compresores, el cual es de 14 A.
Las formas de onda deben ir cambiando conforme se realice la prueba y
dependiendo del estado del compresor.
A-6
Figura 5.- Pantalla Mediciones
Figura 6.- Pantalla Módulo de corriente
A-7
A.1.6 PANTALLA DIAGNÓSTICO
Al finalizar la prueba, se debe dar un diagnóstico de los parámetros obtenidos,
para esto se debe identificar las fallas y dar una posible solución. Es importante
asegurar que el diagnóstico no cambie después de finalizada la prueba, debido a
que el valor de las presiones, el caudal, vibración volverían a su estado inicial.
Figura 7.- Pantalla Diagnóstico 1
Cuando se identifica una falla en el sistema, se cambia de color la
circunferencia, de verde a rojo.
El diagnóstico se divide en dos pantallas, en la primera se tiene parámetros como:
La presión a la salida del compresor, la presión en el tanque, y el caudal.
En la segunda pantalla se tiene: Temperatura, vibración y tiempo de carga.
Las posibles razones y soluciones de los problemas se han desarrollado en base
a un manual propio del compresor.
A-8
Figura 8.- Pantalla de Diagnóstico 2
A.1.7 REGISTRO DE DATOS DE LA PRUEBA
Para obtener los datos almacenados en la memory card, primero se debe apagar
todo el sistema, luego se procede a su extracción del PLC, después se coloca en
la ranura del lector de este tipo de memorias en la computadora del operador y se
copia los archivos CSV (hojas de excel) generados.
A.2 HARDWARE DEL BANCO DE PRUEBAS
A.2.1 EQUIPO NEUMÁTICO
A.2.1.1 ELECTROVÁLVULAS Y VÁLVULA DE SEGURIDAD
El banco de pruebas posee dos electroválvulas. La electroválvula número 1 se
halla ubicado al final del tanque para el desfogue del mismo. La electroválvula
número dos, se halla en la entrada de aire al tanque.
A-9
A.2.1 .1 Mantenimiento
·
Desmontar las electroválvulas cada tres meses aproximadamente.
·
Limpiar tomas y acoples, además revisar conexiones eléctricas de los
solenoides.
·
Después de realizar el mantenimiento comprobar si tiene un correcto
funcionamiento, es decir que no posee fugas de aire.
Figura 9.- Válvulas y electroválvulas
A.2.2 SENSORES
A.2.2.1 SENSORES DE PRESIÓN
Son tres sensores de presión que componen el banco de pruebas. Dos de ellos
para ayudar a medir el caudal, y otro para medir la presión del tanque
almacenador.
A.2.2.1.1 Mantenimiento
·
Limpiar los tres sensores de presión en cada desmontaje.
·
Limpiar tomas y conexiones.
Figura 10.- Sensores de Presión
A-10
A.2.2.2 SENSOR DE CAUDAL
El sensor de caudal es una placa orificio, éste se halla a la salida del aire del
compresor.
Figura 11.- Sensores de Caudal
A.2.2.2.1 Mantenimiento
·
Desmontar el sensor y limpiar.
Para el desmontaje usar elementos
destinados a esta labor, no usar cuchillas que puedan dañarlo.
·
Limpiar tomas de entrada y salida de la placa orificio.
·
Limpiar y revisar tomas de sensores de presión.
A.2.2.3 SENSOR DE TEMPERATURA
El sensor de temperatura es una RTD, se debe ubicar en el orificio del compresor
destinado a medir la temperatura del aceite. Debe estar siempre dentro de su
vaina protectora.
A.2.2.3.1 Mantenimiento
·
Limpiar después de terminar las pruebas, debido a su contacto con aceite.
·
Revisar la conexión eléctrica y el estado de los cables.
A-11
Figura 12.- Sensores de Temperatura
A.2.2.4 SENSOR DE VIBRACIÓN
Este sensor es muy sensible. Debe ser colocado en la parte superior del
compresor, en el espacio destinado precisamente para éste.
El sensor de vibración es muy delicado, por lo que una manipulación brusca
puede causar severos daños.
A.2.2.4.1 Mantenimiento
·
Limpiar y revisar conexiones eléctricas del sensor.
·
Limpiar siempre su lugar de ubicación.
Figura 13.- Sensores de Vibración
A.3 EQUIPO GENERAL
A.3.1 TANQUE RESERVORIO
Es el lugar donde se almacena el aire comprimido. Para conocer a que presión se
halla el aire en su interior tiene un manómetro, y para desfogar, una válvula que
funciona manualmente.
A-12
A.3.1.1 Mantenimiento
·
Realizar una limpieza de todas las entradas y salidas de aire del tanque.
Figura 14.- Tanque reservorio
A.3.2 TUBERÍA
Existe una línea de tubería que conecta al compresor con el tanque reservorio,
además existe otra línea saliente del tanque, por la cual escapa el aire para el
desfogue, a final de esta tubería está colocado un silenciador.
A.3.2.1 Mantenimiento
·
A lo largo de la línea de la tubería verificar si existen fugas de aire.
·
Revisar y limpiar los acoples.
Figura 15.- Acoples de tubería
A-13
A.3.3 BANCO DE PRUEBAS
El banco de pruebas está compuesto principalmente por dos componentes, un
PLC y una Pantalla táctil. El PLC es el sistema de control y la Pantalla táctil es de
visualización, los dos elementos no pueden estar incomunicados.
Figura 16.- Banco de Pruebas
A.3.3.1 Mantenimiento
·
Limpiar con aire a baja presión.
·
Realizar una limpieza general de toda la estructura del banco.
NOTA:
No manipular las conexiones eléctricas principalmente aquellas que van
·
dirigidas a la unidad de control y de visualización.
A.3.4 VARIADOR DE FRECUENCIA
El variador de frecuencia se halla programado de tal manera que pueda
encenderse y arrancar de manera automática, es decir, se han cambiado algunos
parámetros dentro de su software.
A-14
Figura 17.- Variador de velocidad
A.3.4.1 Mantenimiento
·
Limpiar con aire a baja presión.
NOTA: Evitar la manipulación de todas sus conexiones eléctricas. Podría ocasionarse
daños en su estructura electrónica.
A.3.4 TRANSFORMADOR DE POTENCIA
Realizar la conexión del transformador al variador de frecuencia. Este
transformador tiene una relación de 220/380 V.
A.3.4.1 Mantenimiento
·
Evitar la manipulación de las conexiones eléctricas.
Figura 18.- Transformador
A-15
A.4 POSIBLES FALLAS
ERROR
POSIBLE CAUSA
POSIBLE SOLUCIÓN
No se enciende el módulo.
El cable de alimentación se
Conectar
halla desconectado.
alimentación del módulo.
No se observa los valores de los
El cable de comunicación RJ45
Conectar el cable RJ45 desde la
parámetros, o se han encerado
no se halla conectado.
pantalla al PLC.
El paro de emergencia está
Desactivar
activado.
emergencia
El relé que permite el encendido
Verificar si el led rojo del relé
del variador está dañado.
que está dentro del tablero del
el
cable
de
todos.
No se enciende el variador de
el
paro
de
velocidad
variador está encendido, caso
contrario
revisar
conexiones
Y/O remplazar el relé.
No están activados todos los
Activar todos los pasos de la
pasos ubicados en la primera
pantalla uno, poner valores de
pantalla.
carga y activar sentido de giro.
No se ha encendido el variador.
Encender el variador y esperar
10 seg para que se inicie
No se inicia la prueba.
completamente.
Los terminales del variador al
Conectar los terminales que
motor no están conectados.
salen del variador al motor.
Falta cable de comunicación
Conectar
RJ45
comunicación de la pantalla al
PLC.
el
cable
de
A-16
No cambia de giro el motor
Los cables denominados GI o
Revisar las conexiones de los
GD
cables
y
T
pueden
estar
que
se
dirigen
desconectados.
variador de velocidad.
Los cables denominados GI o
Revisar conexión de cables.
al
GD y T están desconectados.
No se visualiza el valor de las
corrientes en el módulo.
Se ha manipulado el módulo y
Presionar el botón RMS del
por ende cambiado las variables
módulo y navegar para hallar el
a visualizarse.
valor de corriente.
Las conexiones entre el módulo
Revisar las conexiones.
Y los TC están desconectados.
Se
apagó
el
módulo
Falta de suministro de energía.
repentinamente.
Verificar
el
suministro
de
energía.
Se
llegó
máxima
No desfoga el tanque.
a
la
temperatura
permitida para los
Esperar
compresor
que
se
enfríe
el
y
el
sensor
de
cambiar
la
compresores.
temperatura.
Daño en la electroválvula.
Revisar
Y/O
electroválvula.
Cables
V1+
desconectados.
y
V1-
Revisar y conectar los cables
provenientes de las válvulas.
A.5 PRECAUCIONES
ELEMENTO
PRECAUCIÓN
Memory Card.
Cuando maneje la Memory Card deberá estar en
contacto con una superficie conductiva puesta a
tierra y/o llevar una muñequera antiestática.
A-17
Alimentación del Módulo
Sensor de vibración
El módulo funciona con 110V
Los elementos que conforman el sensor son muy
sensibles, por lo que cualquier movimiento
brusco puede dañarlo.
Cantidad
1
1
1
1
ELEMENTO
Pantalla táctil
Módulo para
medición de
corriente
Sensor de
temperatura
PT100
Transmisor de
temperatura
RTD PT-100
0 a 200°C
0-10A, 20A,
50A
Rango de
medida
15-42 VDC
battery: 3V
DC +24 V (-10% ~
+15%)
Power Consumption:
12W
V. de Alimentación
menos 30°C a
más 70°C
25°C
4-20mA VDC
4-20mA VDC
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
Temperatura
V, I de Salida
de operación
PRESUPUESTO
PRESUPUESTO
ANEXO B
para RTD de tres hilos PT 100
longitud del bulbo 50mm
a 3 hilos
diámetro del bulbo: 4mm
sensor analógico
memory card
usb: 1 HSB host
com1: RS 232
com2: RS 232 / RS 422/ RS 485
com3: RS 232 / RS 422 / RS 485
dimension: (w)x(h)x(d) 272x200x61
entrada ethernet
display type :10" Widescreen TFL
LCD10" retroiluminada
Más especificaciones
72
170,1
40
1836,45
PRECIO
B-1
2
Canaleta 2
1
4
Canaleta 1
Braker para plc
3
1
1
Cable
multifilar
Tablero de
control
Cable de
comunicación
PLC-PC
1
1
PLC (modular)
Módulo
expansible
(extensión
analógica)
1
1
Electroválvula
N/C
Electroválvula
N/C
24VDC
24VDC
2p 2A
40X100X2000 mm
60x40x2000mm
verde, negro, rojo
AWG 14 c/m 20m por color
4 entradas analógicas
2 salidas analógicas
compatible con el plc
6 salidas digitles a relé
4 entradas analógicas
2 salidas analógicas
mini puerto usb
comunicación 232 para programación
comunicación RS485
8 entradas digitales
doble vía(2/2)
1/2"
actuador Solenoide
1/2"
doble vía (2/2)
actuador Solenoide
28,4
13,48
38,4
22,2
27
200
223,95
377,4
107,1
107,1
B-2
Mano de obra
Tiempo de
trabajo
Software
Kit para válvul
a
Kit para
válvula
7 meses
1
2
24VDC
18W(click)
FKM
FKM
Total
IVA
Subtotal
3850,3024
412,5324
3437,77
0,00
0,00
74,59
99,6
B-3
C-1
ANEXO C
B.1
DATOS
TÉCNICOS
DEL
SENSOR
DE
VIBRACIÓN
C-2
B.2 DATOS TÉCNICOS DEL SENSOR DE PRESIÓN
C-3
B.3 DATOS TÉCNICOS DE LAS ELECTROVÁLVULAS
C-4
C-5
B.4 DATOS TÉCNICOS DEL MÓDULO DE CORRIENTE
C-6
C-7
C-8
C-9
C-10
C-11
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