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Control y Supervisión de Plantas Eléctricas con
Controladores Deep Sea Electrónicos PLC
Edward Felipe Núñez Castaño
Programa de Electrónica y Telecomunicaciones, Facultad de Ingeniería, Universidad Católica de Colombia
Bogotá D.C., Colombia
[email protected]
Stewart & Stevenson de las Américas Colombia Ltda.
www.stewartandstevenson.com
Resumen--En el siguiente documento se hará un pequeño escrito,
donde explicara el proceso, funcionamiento y pruebas de calidad
utilizado en la compañía STEWART & STEVENSON DE LAS
AMÉRICAS COLOMBIA LTDA. De una planta generadora de
energía, enfocado en el controlador electrónico o PLC.

Parametrizar, instalar e implementar controladores
electrónicos DEEP SEA para monitoreo y pruebas de
plantas generadoras de energía.
Palabras claves— Controlador electrónico, planta generadora
de energía, PLC.

Levantamiento y digitalización de diagramas de
conexión e interfaces de comunicación de los
controladores Deep sea en los modelos 7320 y 8610
con el módulo de control eléctrico (ECU).

Montaje y organización de materiales requeridos
para la conexión de control de los PLC’s a la planta.

Ingreso de datos y programación de tableros de
control Deep sea para los diversos equipos
ensamblados. Monitoreo y reconocimiento en la
realización de pruebas con banco resistivo antes de
su entrega
I. INTRODUCTION
Desde hace bastantes años el hombre ha buscado la manera
de crear fuentes autosustentables que brinden energía,
empezando con el descubrimiento del fuego hasta uno de los
mayores inventos que han ocurrido a lo largo de la historia
realizado por James Watt, quien invento la máquina de vapor
que fue esencial en la revolución industrial.
Luego de este gran invento se fueron dando otros muchos
inventos y mejoras en cada uno de ellos, siendo una necesidad
para el hombre crear energía ya sea mecánico, hidráulico o
eléctrico. En la actualidad la energía eléctrica es fundamental
ya que casi todos los instrumentos que se usan funcionan con
electricidad de esta manera la sociedad depende mucho de la
red eléctrica. Por esta razón existen y se usan bastante las
maquinas generadoras de energía conocidas como plantas
eléctricas, debido a las fallas que puedan presentar la red
eléctrica en algún momento, en un lugar específico o en
ausencia de está.
La tecnología ha convergido y avanzado a tal punto que
casi todo proceso industrial se controla y se supervisa con
medios tecnológicos, como en el caso de las plantas eléctricas
que se controlan por medio de PLC’s (controladores lógicos
programables), los cuales ayudan a mantener la maquina en
parámetros estables de trabajo, siendo estos el centro de
enfoque de este documento. Que se tratara un poco más a
fondo sobre los controladores electrónicos DEEP SEA a lo
largo de este artículo.
II. OBJETIVOS
III. METODOLOGÍA
A. Tipo de Estudio
La realización de este proyecto es realizado en un estudio
exploratorio que otorgará herramientas para el levantamiento
y reconocimiento de información, con el objetivo de conocer
las variables que serán desarrolladas para el cumplimiento de
los objetivos de este documento.
También involucra características de estudio descriptivo
que permitirá la identificación de los elementos más
importantes para la ejecución técnica de pruebas de control y
supervisión de las máquinas de diferentes parámetros.
Por último se hace uso también del estudio confirmatorio
que permitirá corroborar la información y los conceptos
teóricos en la práctica y la aplicación de pruebas de respaldo.
Cabe resaltar que gran parte de este trabajo se desarrolla
bajo el marco del estudio experimental, debido a que se trata
de una alternativa de práctica empresarial y no de una
investigación o propuesta de un prototipo.
B. Diseño Metodológico
Las tareas específicas se deben realizar en orden de acuerdo
a la línea de producción y lograr con eficacia el tema
principal de este documento. Las consultas de los manuales de
los controladores y de las interfaces de comunicación y de
otros equipos necesarios ayudan a un mejor cumplimiento del
trabajo.
señales repetidamente a la máquina para tener una mayor
precisión en el funcionamiento de esta. Es así como el PLC
utilizado en estas plantas controla las maquinas generadoras
de energía en términos generales.
V. PARTES DE LA PLANTA
A. El SAM
El SAM es un módulo de aplicación de servicio entre el
motor y el controlador.
Donde lo principal luego de tener el motor reconocido y
ensamblado es el escoger el material para realizar el arnés
para la comunicación de la parte mecánica con la electrónica
de la planta, luego se realiza el levantamiento del plano de
conexión del PLC y su respectiva programación por medio de
software para así llegar a su parte final y más importante que
es la prueba de la planta ante un banco resistivo y ver si logra
lo planeado o lo esperado.
IV. PLANTA GENERADORA DE ENERGÍA
Fig. 2 Interfaz SAM
El SAM es un módulo de interfaz moderna con un diseño
orientado hacia el futuro y la variabilidad alta de conexión.
Fig. 1 Diseño general de la planta eléctrica
En la anterior figura, se muestra un esquema general de la
planta eléctrica generadora de energía, en donde se ve la unión
del motor con el generador por medio de una acople.
Este acople se hace para que el giro del motor mecánico al
estar unido a un rotor del generador se convierta en energía
eléctrica, esta es generada por campos magnéticos sobre unos
conductores eléctricos, esta energía se denomina fuerza
electromotriz.
El controlador electrónico permanentemente está
monitoreando y controlando el motor y el generador, este
control se realiza para mantener los requerimientos deseados
en la máquina y sea estable.
El controlador mantiene dichos parámetros bajo sus rangos
específicos por medio de señales que envían los sensores, los
switchs y terminales entre otras al controlador, esto por parte
del motor, en cuanto al generador, el controlador recibe
señales de los CTS. (Transformadores de corriente) y de las
líneas de energía, de la misma manera el controlador envía
Este sistema de automatización es una innovadora
tecnología de alta gama de MTU para vehículos ferroviarios.
La automatización optimiza el control, angulación y el
seguimiento de todo el sistema de accionamiento. La
representación de un sistema modular, garantiza una perfecta
adaptación del sistema de accionamiento de las condiciones
más complejas en aplicaciones ferroviarias.
B. Generadores
La función de estos generadores es convertir la energía
mecánica que proviene del motor en energía eléctrica.
Una de las maneras más usadas de conexión de los
generadores son a 220 voltios donde su barraje está unido por
puentes y se marcan las líneas de energía con colores. Para las
plantas a 220 voltios sus colores son; amarillos, azules y rojos,
esto se puede apreciar en la figura 8. Otra manera de conexión
de las plantas es a 440 voltios donde sus líneas son de colores
café, negro y amarillo y por el contrario a las de 220 voltios
estas no llevan los puentes.
Otras formas de hacer esos cambios de voltaje de 440V a
220V o viceversa son en la forma en que se hace la conexión
interna en el generador como se muestra en las dos siguientes
imágenes.
automático de voltaje. El regulador proporciona voltaje al
campo excitador, lo que resulta en una acumulación de voltaje
terminal del generador. Este sistema de usar magnetismo
residual elimina la necesidad de un campo especial de circuito
intermitente en el regulador. Una vez que el sistema ha
establecido el voltaje residual inicial, el regulador proporciona
un campo de voltaje DC controlado al estator excitador, lo que
resulta en un voltaje terminal controlado del generador.
C. Transformadores de Corriente
La energía eléctrica generada contiene mucho ruido y
armónicos que afectan los aparatos eléctricos y una frecuencia
no aceptable para la región colombiana, por esta razón se usan
transformadores de corriente más conocidos como CT’S y
arreglos de la conexión interna en conversiones delta, estrella
entre otras en el generador, donde su función es convertir esa
energía generada en energía adaptada con los
electrodomésticos y aparatos eléctricos que se usan en el país.
Fig. 3 Generador
TABLA 1
VOLTAJES SEGÚN SU CONEXIÓN
TIPO DE CONEXIÓN DEL
GENERADOR
VOLTAJE AL QUE
TRABAJARA EL GENERADOR
SERIE ESTRELLA
220V
PARALELO ESTRELLA
440V
SERIE DELTA
220V
DOBLE DELA
220V
El generador consiste de 6 componentes mayores: el
estator principal (armazón), el rotor principal (campo), y el
rotor excitador (armazón), el montaje rectificador, y el
regulador de voltaje. Los estatores son estacionarios, los
rotores giran, un campo es una entrada eléctrica DC, y un
armazón es una salida eléctrica AC. Estos componentes del
sistema están eléctricamente interconectados como lo muestra
la Figura 4.
El excitador del generador consiste en un campo
estacionario y un armazón giratorio. El campo estacionario
(estator excitador), está diseñado para ser la fuente primaria
del magnetismo residual del generador. Este magnetismo
residual permite al rotor excitador (armazón) producir voltaje
AC aun cuando el estator excitador (campo) no reciba energía.
Este voltaje AC es rectificado a DC mediante el montaje
rectificador giratorio y es alimentado directamente al rotor
principal (campo). Al continuar girando el eje del generador,
el rotor principal induce un voltaje dentro del estator principal
del generador (armazón). A una velocidad moderada, el
voltaje del estator principal producido por el magnetismo
residual del excitador permite que funcione el regulador
Fig. 4 CT (transformador de corriente)
D. PMG (Generador Magnetico Permanente)
El AVR permite el control de bucle cerrado al detector el
voltaje de salida del generador en los devanados del estator
principal y al aplicar voltaje al estator del excitador. El voltaje
inducido en el rotor del excitador, rectificado por los diodos
rotatorios, magnetiza el rotor principal, lo que induce voltaje
en los devanados del estator principal. El AVR se acciona de
manera permanente (PMG) por un rotor de imanes
permanentes.
Fig. 5 PMG
E. Gobernador Electronico
La unidad de control de velocidad es todo el dispositivo
electrónico diseñado para controlar la velocidad del motor con
respuesta de cambios rápidos y precisos de cargas transitorias.
Fig. 6 Diagrama de bloques del gobernador electronico
El anterior diagrama de bloques da una idea general del
funcionamiento del gobernador electrónico.
Es un lazo cerrado donde el magnetic pickup es el sensor
de retroalimentación que toma la velocidad del volante del
motor o en otras palabras censa las revoluciones por minuto
del motor (rpm) y se compara con una señal de entrada así el
gobernador toma la decisión de indicarle a la bomba eléctrica
si inyecta más combustible o menos para mantener la
revoluciones fijas de 1800 rpm debido a que al aumentar la
potencia de la planta la velocidad del motor se reduce.
VI. CONTROLADORES ELECTRONICOS
Los módulos de la serie DSE7000 se han diseñado para
permitir al operador arrancar y detener el generador, transferir
la carga al generador manualmente o automáticamente.
Adicionalmente el DSE7320 automáticamente arranca y
detiene el generador dependiendo del estado de alimentación
principal. El usuario también tiene la facilidad de ver los
parámetros de operación del sistema mediante la pantalla
LCD.
El módulo DES 7000 monitorea el motor, indicando el
estado operacional y las condiciones de falla,
automáticamente parando el motor indicando la condición de
falla mediante una alarma audible común. La pantalla LCD
indica la falla.
Este PLC contiene un poderoso microprocesador ARM
contenido dentro del módulo, permitiendo la incorporación de
características complejas:
•
Pantalla LCD con múltiples lenguajes.
•
Voltaje TRUE RMS, corriente y monitoreo de
potencia.
•
Monitoreo de parámetros de motor.
•
Entrada completamente configurables para uso como
alarmas o una gama de diversas funciones.
•
Interface ECU para motores electrónicos.
Usando una PC y el software de configuración de acuerdo a
la serie del modelo permite la modificación de seleccionadas
secuencias de operación, temporizadores y disparos de alarma.
A. Especificaciones del Controlador
A continuación se mostraran unas tablas con los requisitos
y parámetros preestablecidos por el fabricante del controlador
para el correcto funcionamiento del PLC.
TABLA 2
REQUISITOS DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN
Mínimo voltaje de
8 VDC
alimentación
Caída durante el
Habilitado para soportar 0V por 50 ms
arranque
suministrando alimentación lo menos de 10V
antes de la caída y después se recupere a 5V.
Esto es más que suficiente para permitir que
el modulo funcione durante el arranque,
cuando el voltaje de batería cae
frecuentemente hasta 4V (en sistemas de
12V).
Esto es logrado sin la necesidad de
baterías internas u otros dispositivos externos
máximo voltaje de
35VDC (60V protección)
alimentación
Protección de
-35VDC
polaridad inversa
Máxima corriente
DSE7200 160mA en 24V 340mA en 12V
de operación
Máxima corriente
DSE7200 80mA en 24V 160mA en 12V
en reposo
Rango
0V-70V (nota: máximo voltaje de
operación 35V)
Resolución
0.1V
Precisión
Fig. 7 controlador electronico
+/- 1% escala completa (+/- 0.7V)
TABLA 3
DETECCIÓN DE VOLTAJE/FRECUENCIA DE GENERADOR RED
Tipo de medición
Conversión True RMS
Rango de muestreo
5KHz o mejor
Harmónicas
Hasta la décima harmónica o mejor
Impedancia de entrada
300KΩ L-N
Fase a neutro
15V a 333V CA (máximo)
Fase a fase
25V a 576V (máximo)
Modo común
compensación de tierra
Resolución
Precisión
100V CA(máximo)
1V CA fase a neutro
2V CA fase a fase
Frecuencia mínima
+/- 1% de escala completa fase a
neutro (+/- 3.33V L-N)
+/- 2% de escala completa fase a fase
(11.52V L-L)
3.5 Hz
Frecuencia máxima
75 Hz
Resolución de frecuencia
0.1 Hz
Resolución de precisión
+/- 0.2Hz
Numero
Fig. 8 diagramas de conexión del controlador
VII.
SOFTWARE DE PROGRAMACION
En este capítulo se mostrara la interfaz de comunicación
entre el Deep sea y el pc, en otras palabras es la manera la
cual se programa y parametriza el Deep sea según
especificaciones prestablecidas.
TABLA 4
ENTRADAS DIGITALES
DSE7200 6
DSE7300 8
Arreglo
Contacto ente terminal y tierra
Umbral de bajo nivel
2.1V mínimo
Umbral de alto nivel
6.6V máximo
Máximo voltaje de
entrada
Mínimo voltaje de
entrada
Corriente de contacto
50V DC con respecto al negativo de la
fuente
-24V DC con respecto al negativo de la
fuente de alimentación
7mA típico
Voltaje de circuito
abierto
12V típico
B. Diagrama de conexión
La digitalización de los modelos de conexión de los Deep
sea es un diagrama donde se muestra la configuración física
de los tableros a las plantas eléctricas. Esto facilita su
instalación y de igual manera indica desde los colores de los
cables hasta a que sensores y switchs se deben conectar.
La figura 8 muestra un ejemplo de un plano de un
levantamiento de la conexión de un controlador 5220 en una
máquina de potencia de 60kw. Donde muestran su completa
conexión como los relés de arranque y de parada, alternador,
pickup, etc.
Fig. 9 Programa del controlador
Antes de inicializar el programa el software debe detectar el
tipo de controlador el cual se conecta por medio de un cable
USB(cable de impresora) con una distancia de hasta 6m, de
este modo el programador despliega un listado de opciones
para su programación. Si no es conectado el controlador este
no mostrara ninguna opción de programación.
Entre las opciones más importantes que se muestran en la
pantalla son:
•
•
•
•
•
•
Modulo
Aplicación
Entradas
Salidas
Motor
Comunicaciones
En las entradas del controlador se tienen la presión de
aceite, temperatura del refrigerante, nivel de combustible,
sensor flexible y entradas digitales.
En una de las partes más importantes a la hora de
programar un Deep sea es el generador.
En las opciones del generador se encuentra opciones como;
la conversión de las líneas como en estrella donde se tienen
las tres líneas conectadas al mismo neutro. Otras opciones son
el voltaje del generador, la corriente del generador y la
frecuencia del generador, allí se pueden ingresar datos para
Parametrizar estas opciones.
En todos los accesos del menú del programador se
encuentra una opción de alarma correspondiente, por ejemplo
el nivel de refrigerante tiene su alarma y es decisión del
encargado de programar si la activa para tener una alarma
audible en caso de tener un nivel refrigerante muy bajo o si
desea no dejar la alarma audible.
VIII.
CONCLUCIONES
•
El desarrollo de este documento permitió conocer la
metodología que aplica STEWART & STEVENSON DE
LAS AMÉRICAS COLOMBIA LTDA. Para ejecutar pruebas
de control y calidad sobre las plantas generadoras de energía.
•
Se hizo una explicación de manera general de
conceptos que permiten entender en qué escenarios se
ejecutan pruebas de calidad, para qué sirven y qué parámetros
en la programación que se tienen en cuenta para realizar las
pruebas y que estas sean satisfactorias.
•
Se explicaron y se conocieron los levantamientos de
los montajes de los controladores de las plantas eléctricas, a su
vez la instalación física del tablero a la máquina.
REFERENCIAS
[1]
Controladores DEEP SEA, PLC manuales,
instructivos, software y actualizaciones en la página
<www.deepseaplc.com/>.
[2]
DVR 2000E, Manual de Instalación, Operación y
Mantenimiento <www.marathonelectric.com>.
[3]
Generador MagnaPLUS, Manual de Instalación,
Operación
y
Mantenimiento
<www.marathonelectric.com>.
[4]
Home,
Brands,
MTU
Engines
<www.westernbranchdiesel.com/brands/mtuengines/>.
[5]
INSTRUCTIONS FOR AUTOMATIC VOLTAGE
REGULATOR AVC63-12 AND AVC125-10, pdf.
[6]
Manual
de
los
generadores
STANFORD
<www.visaevolution.com/dati_sito/manuali/alternato
ri/stamford/UC224-274_Spanish.pdf>.
[7]
Motores MTU, referencias, partes y demás
disponible en la página <www.mtu-online.com/>.
[8]
REGULADOR DE VOLTAJE, MANUAL DE
INSTRUCCIONES
PARA
SE350
<www.marathonelectric.com>
[9]
STAMFORD, GENERADORES CA DE HC,
instalación,
reparación
y
mantenimiento
<www.cumminsgeneratortechnologies.com>
[10]
INTERFACES DE COMUNICACIÓN SAM Y
MOTORES
MTU
<www.mtuonline.com/fileadmin/fm-dam/mtu-global/technicalinfo/operatinginstructions/neu_21_11_12/MS150025_02E.pdf>