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INTRODUCCIÓN El presente proyecto de titulación, es realizado en, ENAP Magallanes en la planta de
Cabo Negro con el fin de implementar una red para monitorear en tiempo real dos generadores caterpillar de 1.8 MW cada uno.
1.1 DESCRIPCIÓN DE ENAP EN MAGALLANES
A comienzos de 1943, el Supremo Gobierno de Chile encomendó a la Corporación de Fomento de la Producción (CORFO), la realización de las exploraciones petroleras en la región de Magallanes. Ellas culminaron con el descubrimiento del primer yacimiento comercialmente explotable en Chile, el 29 de Diciembre de 1945, en Isla Grande de Tierra del Fuego.
Así se hizo necesaria la creación de la EMPRESA NACIONAL DEL PETROLEO (ENAP) el 19 de Junio de 1950, que asumió los derechos y funciones que corresponden al Estado en la explotación de los yacimientos de hidrocarburos ya existentes. Esta se dedica a la búsqueda de otros nuevos yacimientos, a la refinación y venta primaria de los productos del petróleo.
Desde entonces ENAP inicio un sin número de actividades indispensables para el desarrollo de sus trabajos como:
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La construcción de puertos de embarque de petróleo crudo y movimiento de materiales,
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La creación y habilitación de los caminos necesarios,
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El tendido de oleoductos y gasoductos,
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La contracción de poblaciones en Isla Grande de Tierra del Fuego, tales como: Cerro Sombrero y Cullen.
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La creación de terminales de almacenamiento y distribución primaria de los combustibles.
Con la implementación de estas medidas y siguiendo programas Ministeriales del Supremo Gobierno de Chile, se organiza ENAP como un Holding en 1981. Este Holding está compuesto por un
grupo de empresas que se dividen en: ENAP MAGALLANES, ENAP
REFINERIAS y SIPETROL, ubicadas en diferentes zonas estratégicas del país.
En la Duodécima Región el grupo de ENAP esta representado por ENAP MAGALLANES que se dedica a:
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La exploración y explotación de los yacimientos,
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La producción del crudo en plantas terrestres y plataformas en costa fuera,
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La refinación del crudo para la obtención de productos limpios de consumo,
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El procesamiento y distribución de gas.
Estas actividades de ENAP MAGALLANES se encuentran físicamente divididas en tres zonas, 3 terminales y 4 plantas.
1.2. PLANTA CABO NEGRO
La planta de fraccionamiento de Cabo Negro se encuentra a 28 1/2 Km. al norte de la ciudad Punta Arenas.
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La importancia de esta planta es obtener propano, butano, y gasolina natural a partir del raw- product (producto no procesado).
El propano es vendido en parte para consumo regional, ya sea a granel (en camiones a: Punta Arenas, Puerto Natales, Porvenir, Puerto Williams) o en cilindros que son envasados por Gasco. El resto es embarcado junto con el butano en buques tanques para su venta en el norte del país, en el caso del butano una parte se vende como exportación a Brasil. La gasolina natural, una parte se envía para la refinería de Gregorio en camiones aprox. 200m3/día y el resto se almacena en el área de productos limpios para ser empleada en la preparación de una mezcla con gasolina base que viene de las refinerías del norte del país para obtener así diferentes gasolinas de 86, 93, 95 y 97 octanos, que comercializan en la XII y exportadas a la provincia de Santa Cruz, Argentina.
A continuación se muestra la vista general de la Planta de Cabo Negro (figura 1.1.) con el fin de dar a conocer la distribución de las distintas salas y estanques que constituyen esta planta.
Figura 1.1. Vista general de la planta Cabo Negro
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La planta se alimenta con una corriente de Raw product proveniente de la producción de la planta de Posesión (C3, C4 y Gasolina Natural) más una corriente de planta cóndor (Argentina C3 y C4) producción de planta cullen, a la cual se unen LPG (Gas Licuado de Propano) de la planta San Sebastián y planta Cañadon alfa (argentina C3 y C4).
A continuación se menciona el proceso1 de Cabo Negro que se aprecia en la figura 1.2.
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El Raw product es transportado por un poliducto de 8’ ingresando por el fondo a los estanques acumuladores (pulmón V-16), estos acumuladores mantienen el stock para el fraccionamiento.
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Del fondo de los acumuladores el producto es succionado por las bombas denominadas P-12.
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De las líneas de descarga de las bombas P-12 el producto ingresa a los intercambiadores de calor turbo-carcaza, líquido-líquido. El Raw-Product ingresa por el interior del E-20 y E-20N.
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El producto, una vez completado el ciclo de precalentamiento, se envía a la torre depropanizadora V-6R.
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El producto de tope se envía hacía el condensador E-15N los cuales licuan los vapores de propano para ser enviado al acumulador de reflujo V-7R y del fondo del acumulador el propano es succionado por las bombas denominada P-13 hacia la torre V-6R.
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El producto de fondo de la torre está recirculando a través de las bombas P-14.
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Este producto es enviado al horno H-4N, donde el producto es calentado y sigue hasta la torre V-6R.
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De la parte superior de este acumulador de propano V-7R se dirige a los estanques de almacenamiento.
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Información entregada por el pantallista de la planta de Cabo Negro.
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Del fondo de la torre V-6R se dirige a la torre V-8R.
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El producto de tope se lleva hacia el condensador E-17N el cual licua el vapor de Butano para ser enviado al acumulador de reflujo V-9R y del fondo del acumulador el propano es succionado por las bombas P-15 hacia la torre V-8R.
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El producto de fondo de la torre está recirculando a través de la bomba P-16.
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Este producto es enviado al horno H-5N, donde el producto es calentado y sigue hasta la torre V-8R.
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De la parte superior de este acumulador V-9R de Butano se envía a los estanques de almacenamiento.
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El producto más pesado, que es la gasolina, se va a los estanques de almacenamiento.
E-17
E-15N Raw Product
H-7N
Butano
V-7R
V-16
V-9R
P-13 P-12
E-20
Propano
P-15 V-8R
V-6R
H-5N P-16 H-4N
P-14
Gasolina
Figura 1.2. Proceso planta Cabo Negro
Para el control de proceso antes mencionado esta empresa utiliza tres sistemas de control los cuales son:
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DCS (Sistema de Control Distribuido),
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APC (Control Avanzado de Proceso),
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MVC (Control Multi-Variable)
Para la realización del proceso antes mencionado, la plata de Cabo Negro tiene un sistema de generación de energía eléctrica propia, que consta de tres turbogeneradores “Solar Saturn” modelo Mark I, con una capacidad de generación de 750 (KW) cada uno; Un turbogenerador “Solar Saturn” modelo Mark II, con una capacidad de generación de 800 (KW); y dos generadores Caterpillar con una capacidad de generación de 1800 (KW) cada uno.
1.3 JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO
Debido a que los generadores son unidades críticas en la planta de Cabo Negro, su monitoreo en tiempo real es de vital importancia.
Para la protección y monitorización de los generadores caterpillar de la planta de Cabo Negro se utilizan relés multifunción de generadores (multilin SR-489). Este relé posee tres puertos de comunicación (un puerto RS-232 y dos puerto RS-485) sin utilizar en la actualidad.
La supervisión de los procesos de la planta de cabo negro está encargada al jefe de turno, el cual está ubicado en una sala de control que incorpora un sistema de control distribuido (DCS) para monitorear y controlar.
En relación al monitoreo de los generadores caterpillar, el sistema de control distribuido (DCS) sólo tiene el valor de la potencia real de los generadores. Esta variable corresponde físicamente a una salida análoga del multilin SR-489, la cual es recibida por un PLC (controlador
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lógico programable) ubicado en la sala de control de turbogeneradores. El PLC envía los datos a la sala de control de la planta donde está ubicado el DCS (sistema de control distribuido).
Debido a la falta de información en la sala de control, un operador visita la sala de control de generadores cada dos horas aproximadamente. En esta visita se obtienen más variables sobre el funcionamiento de los generadores a través del panel frontal de los multilin SR-489.
1.4 OBJETIVOS DE LA TESIS
Para darle una solución al problema de no tener un monitoreo completo de los generadores caterpillar en la sala de control, se realizará un proyecto que será presentado como Trabajo de Titulación en la Universidad de Magallanes.
El objetivo principal de este proyecto es la adquisición en tiempo real de diferentes parámetros pertenecientes a los generadores caterpillar 5 y 6 respectivamente. Para el monitoreo de los diferentes parámetros de cada generador se encuentra conectado un multilin SR-489 modelo P5-HI-A20 de la compañía GE industrial.
Para adquirir los datos desde el multilin SR-489 se utilizó un PLC (Controladores Lógicos programables) de la marca Schneider Modicon perteneciente a la serie Quantum. Este PLC utiliza una red de comunicación Modbus con interfaz (RS-232 y RS-485) para comunicarse con el Multilin SR_489. Para realizar dicha comunicación, el PLC se programó con el software concept 2.6 XL de la compañía modicom. Adicionalmente, se programó para que los datos de los generadores puedan ser enviados a un DCS (sistema de control distribuido) a través de la red Modbus Plus existente en la planta Cabo Negro.
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1.5 DESCRIPCIÓN DE LA TESIS.
El trabajo desarrollado se basa, en la implementación de una red para monitoreo en tiempo real de dos generadores caterpillar. Estos generadores son los encargados de suministrar la energía requerida a la planta de Cabo Negro de ENAP-Magallanes.
El Capítulo 1, presenta una visión general de la Empresa Nacional del Petróleo, una descripción de la planta de Cabo Negro donde se desarrolló el presente trabajo. Además se detallan las razones que justifican la realización de este proyecto.
El Capìtulo2, presenta una visión general del proyecto, proporcionando antecedentes y descripciones de las redes Modbus y Modbus Plus, se entrega información de las distancias que comprenden estas redes, los detalles de la implementación de las redes de comunicación y por último las especificaciones técnicas de los generadores caterpillar.
El Capítulo3, incluye la descripción, funcionamiento y programación del equipo multilin (SR489).
El Capìtulo 4, describe el PLC con los diversos elementos que lo componen, se describe el software de programación “Concept 2.6 XL”, con el cual se realizó la programación del PLC Quantum propuesto, dando a conocer sus principales características, lenguaje de programación y manejo.
El Capìtulo 5, se describe, la arquitectura del sistema de control distribuido de la planta Cabo Negro, el Software de la serie I/A y construcción de las pantallas en DCS.
el Software Foxview que fueron utilizados para la
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El Capítulo 6, describe dos enlaces de comunicaciones, multilin (SR-489)–PLC y PLC–DCS. También se presentan las pantallas para el monitoreo de los generadores.
El Capítulo 7, presenta las conclusiones finales, basadas del análisis obtenido en el desarrollo del trabajo.
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2.1 VISIÓN DEL DIAGRAMA GENERAL En este proyecto se instaló un PLC en la sala de control de los turbogeneradores para comunicarse con los multilin (SR-489) que monitorean los generadores. Adicionalmente, el PLC enviará los datos al DCS de la planta a través de una red Modbus Plus.
Los datos que son adquiridos del multilin son las variables físicas y alarmas. Con estos datos el operador puede visualizar cualquier falla de los generadores y tomar en forma oportuna la mejor solución que evite la detención de la planta.
Se muestra en la figura 2.1 un esquema general de la implementación final de este trabajo de titulación, además se puede apreciar el DCS y el PLC asociado a las direcciones 50 y 20 respectivamente en la red modbus plus y los multilin asociados a las direcciones 5 y 6 respectivamente, compartiendo la red modbus con protocolo RS-485 para comunicarse con el PLC.
Figura 2.1. Esquema general de las redes de comunicación
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Para realizar la comunicación de los multilin SR-489 al sistema de control distribuido de la planta Cabo Negro se utilizaron dos redes de comunicación:
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Modbus plus,
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Modbus.
Se presenta a continuación una breve reseña de cada red de comunicación.
2.2 RED MODBUS PLUS La red Modbus Plus [7] es utilizada generalmente para el control industrial. Cada red acepta 64 nodos como máximo, a las cuales se les asigna una dirección. La velocidad a la cual se transfieren los datos por la red es de 1 megabit por segundo. Cada nodo (sistema inteligente) de la red se identifica por medio de una dirección asignadas por el usuario. Esta dirección es independiente de su ubicación física, sin embargo, estas direcciones no pueden ser repetidas, para evitar colisiones.
Todos los nodos de una red funcionan con igualdad jerárquica dentro del mismo anillo lógico. El nodo obtiene el acceso al recibir una trama de señal de autorización, la cual es llamada Token (testigo). Este corresponde a una agrupación de bit que pasan dentro de una secuencia rotativa de direcciones de un nodo a otro.
Todas las redes Modbus Plus cumplen con las especificaciones técnicas comunes que se resumen en la tabla 2.1.
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Control de acceso:
token passing
Detección de errores
CRC 16
Velocidad
1 megabit / segundo
Tiempo típico de rotación del token
2 milisegundo
Máxima transferencia de registros simultáneos
100 (16 bits)
Interfaz eléctrica
Sincrónica
Interfaz eléctrica
RS-485 Tabla 2.1. Especificaciones técnicas
En el caso particular de la planta de Cabo Negro la red la Modbus Plus consta de trece PLC como se aprecia en la figura 2.2 (representado por rectángulos de color amarillo). El círculo rojo demarca la ampliación de la red Modbus Plus que se realizó en este proyecto que consintió en una conexión física de 80 m.
Figura 2.2. Red Modbus Plus de la planta
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2.3 RED MODBUS
La red Modbus basada en la arquitectura maestro/esclavo fue diseñado en 1979 por Modicon para su gama de controladores lógicos programables (PLCs). Pronto se convertió en un protocolo de comunicaciones estándar para en la industria, debido a una mayor disponibilidad para la conexión de dispositivos electrónicos industriales.
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estándar oficial. Algunas de las variaciones más habituales son: •
Tipos de Datos a) Coma Flotante IEEE b) Entero 32 bits c) Datos 8 bits d) Datos de tipos mixtos e) Campos de bits en enteros f) Multiplicadores para cambio de datos de entero. 10, 100, 1000, 256.
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Extensiones del Protocolo
a) direcciones de esclavo de 16 bits b) Tamaño de datos de 32 bits (1 dirección = 32 bits de datos devueltos.)
La red Modbus utiliza distintos tipos de interfaz de comunicación. A continuación se dará una breve descripción de dos tipos de interfaz.
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2.4 INTERFACES DE COMUNICACIÓN.
Una interfaz es el punto, el área, o la superficie a lo largo de la cual dos cosas de naturaleza distinta convergen. Por extensión, se denomina interfaz a cualquier medio que permita la interconexión de dos procesos diferenciados con un único propósito común.
Un puerto serie es una interfaz de comunicaciones entre ordenadores y periféricos, en donde la información es transmitida bit a bit enviando un solo bit a la vez.
2.4.1 INTERFAZ RS-232
La interfaz RS-232 está diseñada para distancias menores a 15 metros y para velocidades de comunicación inferiores a 19.2 KB. A pesar de ello, muchas veces se utiliza a mayores velocidades, con un resultado aceptable. La interfaz puede trabajar en comunicación asíncrona o síncrona y tipos de canales simplex, half duplex o full duplex. En un canal simplex los datos siempre viajarán en una dirección. En un canal half duplex los datos pueden viajar en una u otra dirección, por un determinado periodo de tiempo; luego la línea debe ser conmutada, para que los datos puedan viajar en la otra dirección. Por último, en un canal full duplex los datos pueden viajar en ambos sentidos simultáneamente.
Las principales características de esta interfaz se presentan en la tabla 2.2.
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Especificaciones Modo de operación
RS-232 No Diferencial 1 Emisores Numero de dispositivo 1 Receptores Máxima longitud del cable 15 metros Máxima velocidad de transmisión 19.2 Kb/s Rango de trabajo +/-25V Alto +/-15V Bajo +/-3V Sensibilidad de entrada receptor +/-3V Resistencia de entrada receptor 7K Tabla 2.2. Especificaciones interfaz RS-232
2.4.2 INTERFAZ RS-485
Está definido como un sistema en bus de transmisión multipunto diferencial, ideal para transmisión a altas velocidades sobre largas distancias (35 Mbps hasta 10 metros y 100 Kbps hasta 1.200 metros). Es ideal para ambientes ruidosos, ya que reduce los ruidos producidos en la línea de transmisión. El medio físico de transmisión es un par entrelazado que admite hasta 32 estaciones en un solo par, con una longitud máxima de 1.200 metros operando entre 300 y 19200 bps. Las principales características se muestran el la tabla 2.3.
Especificaciones Modo de operación
RS-485 Diferencial 32 Emisores Numero de dispositivo 32 Receptores Máxima longitud del cable 1200 metros Máxima velocidad de transmisión 10 Mb/s Rango de trabajo -7V a +12V Alto +/-6V Bajo +/-1.5V Sensibilidad de entrada receptor +/-200mV Resistencia de entrada receptor >=12K Tabla 2.3. Especificaciones interfaz RS-485
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2.5 DISTANCIAS FÍSICAS
Las distancias físicas son importantes al momento de decidir qué tipo de interfaz se debe ocupar para una red de comunicación.
La red modbus plus de la planta de Cabo Negro se amplió desde la sala de control de calderas (2) hasta la sala de control de los turbo generadores (3) unos 80 m, donde se instaló el PLC que monitorea los multilin SR-489. Además, desde (3) se trazó una red modbus con interfaz RS-485 hasta la sala de control de los generadores (4) donde se encuentran los multilin SR-489, esta red tiene una distancia de 58 m. A continuación se aprecia en la figura 2.5 las dos redes de comunicación.
Figura 2.5. Vista general Red Modbus Plus y Red RS-485
Después de ver las distancias físicas de las redes de comunicación, se dará un detalle de cómo se implementaron estas redes.
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2.6 DETALLES DE LA IMPLEMENTACIÓN DE RED DE COMUNICACIÓN Para la implantación de la red de comunicación de los multilin SR-489 hacia el DCS se amplió la red Modbus Plus físicamente debido a que sólo llegaba hasta la sala de control de las calderas.
Esta red Modbus Plus se amplió hasta la sala de control de turbogeneradores por medio de dos tap industrial. Un de ellos se encuentra en la sala de control de caldera. Para ello se hizo un tendido de un cable (belden 9841 24 AWG) hasta la sala de control de los turbogeneradores donde se ubica el segundo tap industrial.
A este último tap industrial se conectó un PLC que tiene como objetivo principal recibir todos los datos de los multilin SR-489 para después enviarlos al DCS de la planta. Este PLC se configuró en la red Modbus Plus. Este PLC tiene como esclavo dos multilin SR-489 cuya comunicación consta de dos tipos de interfaz de comunicación.
Desde el puerto uno (interfaz RS-232) del PLC se conectó un convertidor RS-232 / RS485 (modelo ICD100A), el cual se comunica con los multilin SR-489. El puerto dos (puerto modbus plus) del PLC se conectó a la red modbus plus de la planta, como se aprecia en la figura 2.6.
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Figura 2.6. Lugares donde se ubican los dispositivos de la red de comunicación
A continuación se describen los generadores caterpillar que son monitoreados por los multilin SR-489.
2.7 GENERADORES CATERPILLAR
El sistema eléctrico está compuesto por dos grupos electrógenos con una capacidad de 3610 (KW). Este sistema tiene los siguientes parámetros: tensión de 2400 (V), frecuencia 50 (HZ), funciona a gas natural. La potencia eléctrica será suministrada por dos grupos electrógenos CAT, modelo G3608 a 1000 RPM, estos tienen una capacidad de 2256 (KVA) cada uno, certificadas por la ISO9000.
Las especificaciones técnicas de los generadores caterpillar se presentan en la tabla 2.4
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Generador 5 y 6 Caterpillar 1800 2250 0.8 6 3 6 Estrella Cont. 1000 2400 541 50 80 40 Excitación Field amps 7.1 Field Volts 100 PMG Volts 240 PMG Volts 100 Tabla 2.4. Especificaciones de los generadores caterpillar Manufac. KW KVA F.P Polos Fases Wires Conexión Service RPM Volts Amp. Freq (HZ) T° Rise (°C) Amb.(°C)
A continuación de muestran las distintas variables físicas y alarmas que se transmiten a la sala de control de la planta de Cabo Negro:
Variables físicas:
a) Valor RMS del las corrientes por fase (Ia,Ib,Ic,Ig) b) Valor del los ángulo del las corrientes por fase (Ia,Ib,Ic,Ig) c) Valor RMS del las tensiones entre línea (Vab, Vbc, Vca, Vavg ) d) Valor de los ángulos de las tensiones entre línea (Vab, Vbc, Vca ) e) Valor RTDs (Resistente Tempereture Detectors) f) Factor de potencia g) Potencia real h) Potencia reactiva i) Potencia aparente j) Frecuencia
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Los valores de demanda, con un periodo de tiempo de 15 minutos
k) Corriente l) Potencia real m) Potencia reactiva n) Potencia aparente o) Peak de Corriente p) Peak de Potencia real q) Peak de Potencia reactiva r) Peak de Potencia aparente
Alarmas:
a) Sobre corriente b) Baja tensión c) Sobre tensión d) Volts/ Hz e) Baja frecuencia
En el siguiente capítulo se detallarán las funciones y aplicaciones del multilin SR-489
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3.1 GENERALIDADES DEL MULTILIN (SR-489) El Relé multifunción de generadores (multilin SR489) está basado en un microprocesador y ha sido diseñado para la protección y monitorización de Generadores síncronos y de inducción. El SR-489 está equipado con 6 relés de salida para disparos, alarmas y bloques de arranque. La protección de los generadores, el diagnóstico de fallas, la medición de potencia y las funciones RTU están integrados en un paquete removible.
El sistema de registro del SR-489 puede almacenar hasta 40 eventos con hora y fecha, incluyendo datos previos al evento. Cada vez que ocurre un evento, el SR-489 almacenará en memoria 16 ciclos de todas las variables tomadas. Los contadores de evento registran el número de ocurrencias de cada tipo de evento. Se registran también valores mínimos, máximos de RTD y entradas analógicas. Estos registros permiten que el operador determine con certeza y rapidez la naturaleza del problema.
La medición de potencia está incluida en el SR-489, como una característica fija. Los parámetros de medición que están disponibles para el operador o ingeniero de planta, pueden ser accesibles desde el panel frontal o los puertos de comunicación.
El SR-489 está equipado con tres puertos de comunicación completamente funcionales e independientes. El puerto en el panel frontal (RS-232) puede ser utilizado para la parametrización del SR-489, interrogación local o control y mejoramiento del programa residente del SR-489.
Un segundo puerto (RS-485) puede ser conectado a un PLC o DCS. Por último, un tercer puerto Auxiliar (RS-485) puede ser utilizado para redundancia o interrogación y control simultáneo de un programa PLC ó DCS. Adicionalmente, existen 4 salidas análogas de 4-20 mA que pueden ser asignadas a cualquier parámetro medido.
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3.2 PROTECCIÓN Y CONTROL
El Multilin SR-489 incorpora una gran gama de funciones para la protección de los generadores:
a) Diferencial b) 100% estator a tierra c) sobre intensidad direccional de tierra d) potencia inversa e) pérdida de campo f) sobre intensidad de secuencia negativa g) sobre intensidad con frenado por tensión h) sobre intensidad, Volts/Hz i) mínima y máxima tensión j) inversión de fase de tensión k) mínima y máxima frecuencia l) sobre temperatura del estator m) sobre temperatura de los rodamientos n) energización accidental del generador o) detección de falla del interruptor p) sobre velocidad q) detección de falla del fusible r) supervisión de bobinas de disparo s) doce entradas RTDs
También este multilin posee entradas y salidas para control del generador:
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a) cuatro salidas análogas y cuatro entradas análogas b) siete entradas digitales
3.3 PUERTO DE COMUNICACIÓN RS-485
Este dispositivo consta de dos puertos RS-485. A este puerto de comunicación se puede conectar en paralelo un máximo de 32 SR-489. Para sistemas más grandes es posible utilizar repetidores, comercialmente disponibles, para incrementar el número de relés en un solo canal a más de 32.
El cable apropiado debe tener una impedancia característica de 120 ohms ( Belden #9841 24 AWG) y la longitud total del conductor no debe exceder 1200m. También se encuentran disponibles comercialmente repetidores que permiten aumentar la distancia de transmisión.
No son infrecuentes las diferencias de tensión entre extremos remotos del enlace de comunicación. Por ésta razón, existen aparatos de protección contra transientes que son instalados internamente a lo largo de todas las terminales RS-485. Internamente, se utiliza un suministro de potencia aislado con una interfaz de datos opto-acoplada, para prevenir acoplamiento por ruido. Para asegurar que todos los aparatos en una cadena están al mismo potencial, es imperativo que las terminales comunes de cada puerto SR-485 estén amarradas juntas y aterrizadas sólo una vez al terminal maestro. Si esto no se hace pueden resultar comunicaciones intermitentes o interrumpidas.
El sistema PLC debe tener instalados aparatos similares para protección contra transientes, ya sea interna o externamente, para asegurar máxima confiabilidad.
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Para una correcta comunicación, es importante la polaridad. Los multilin SR-489 deben ser alambrados con todas las terminales ‘+’ conectados juntos, y todas las terminales ‘‘conectados juntos. Cada relé debe ser conectado al siguiente. Deben evitar configuraciones en estrella o en derivación. El último aparato al final de cada extremo de la cadena, debe terminarse con una resistencia de 120 ohm, ¼ watt en serie con un capacitor 1nF. La observación de estos lineamientos resultará en un sistema de comunicación confiable que será inmune a transientes de sistemas.
3.4 PUERTO DE COMUNICACIÓN RS-232
Este puerto está destinado para la conexión de una PC portátil. A traves de este puerto los Parámetros pueden ser creados en cualquier localización y transferidos a través de este puerto, utilizando el programa SETUP del SR489. Se puede interrogar por parámetros locales y Valores Actuales. Además se puede actualizar los programas residentes (firmware).
Después de haber visto los dos tipos de puerto de comunicación que tiene el multilin, se detalla cómo se programa el equipo.
3.5 PROGRAMACIÓN DEL MULTILIN SR-489 Hay dos formas para programar el relé multifunción de generador utilizando el panel frontal:
a) Programación por Teclado b) Programación por Software 489pc
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3.5.1 PROGRAMACIÓN POR TECLADO
El multilin SR-489 consta de un teclado2 en el panel frontal, en el cual el usuario puede programar y visualizar todas las variables que éste es capaz de monitorear.
3.5.2 PROGRAMACIÓN POR SOFTWARE 489PC
El software 489PC tiene ambiente Windows. Toda la información disponible desde el display y teclado frontal se puede visualizar también desde un PC.
Esto incluye las medidas, ajustes, estado, registro de eventos y oscilografía. Permite también visualizar las medidas en el tiempo en formato gráfico. Esto puede ser particularmente útil en situaciones problemáticas. En la Figura 3.1 se muestra la portada del programa “489SETUP”
Figura 3.1. Vista general del programa 489pc 2
Los parámetros del multilin SR-489 que pueden ser modificados desde el panel frontal utilizando el teclado, se entregara en el anexo A
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El multilin SR-489 dispone de un mapa de memoria (Figura.3.2) que puede ser programado con 125 direcciones de distintos parámetros. Dicho mapa es muy útil para agrupar direcciones saltadas.
Figura 3.2. Mapas de memoria
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4.1 GENERALIDADES SOBRE PLCs
De manera general podemos definir al controlador lógico programable (PLCs, Programable Logic Controller) como toda máquina electrónica diseñada para controlar en tiempo real y en medio industrial procesos secuénciales de control. Los Controladores Lógicos Programables se inventaron a finales de la década de los sesenta y principios de los setenta. Las industrias automotrices que propiciaron este desarrollo. Ellas usaban sistemas industriales basadas en lógica cableada de relés.
Los PLCs surgen como equipos electrónicos sustitutos de los sistemas de control basados en relés, que se hacían cada vez más complejos. Estos producían ciertas dificultades en cuanto a la instalación, costos de operación, mantenimiento, poca flexibilidad y confiabilidad de los equipos. Estas desventajas impulsaron el desarrollo de los nuevos autómatas.
Los primeros PLCs se usaron solamente como reemplazo de relés, es decir, su capacidad se reducía exclusivamente al control On/Off (de dos posiciones) en máquinas y procesos industriales. La gran diferencia con los controles por relés es su facilidad de instalación, ocupan menor espacio, costo reducido, y proporcionan autodiagnósticos sencillos.
Hoy en día, los PLC no sólo controlan la lógica de funcionamiento de máquinas, plantas y procesos industriales, sino que también pueden realizar operaciones aritméticas, manejar señales analógicas para realizar estrategias de control, tales como controladores proporcional integral derivativo (PID).
Los PLC actuales pueden comunicarse con otros controladores y computadoras en redes de área local, y son una parte fundamental de los sistemas modernos de control distribuido.
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4.2 UNIDADES DE FUNCIONAMIENTO DE UN PLC
Existen dos formas constructivas básicas para los PLC [10]: el tipo compacto y el tipo modular. El primero consiste en un sólo cuerpo en el que se integran la CPU, fuente de alimentación y una determinada cantidad de entradas y salidas. La posibilidad de expandir este tipo de PLC es baja o nula. Por otra parte, están los PLC modulares en los que la CPU, fuente de alimentación, las entradas y salidas son cada una módulos que se eligen en función de la aplicación. La capacidad de expansión en este caso es altísima, ya que fácilmente se alcanzan miles de puntos de entrada y salida, conexión a redes locales, dispositivos especiales de visualización, etc.
A continuación se describirán los principales componentes de los PLC modulares:
4.2.1 FUENTE DE ALIMENTACIÓN (CPS)
La función de la fuente de alimentación en un controlador es suministrar la energía a la CPU y a las otras tarjetas según la configuración del PLC. Las tensiones comunes son:
a) + 5 V para alimentar a todas las tarjetas b) + 5.2 V para alimentar al programador c) + 24 V para los canales de lazo de corriente 20 mA.
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4.2.2 UNIDAD CENTRAL DE PROCESO (CPU)
Es la parte más compleja e imprescindible del controlador programable.
La unidad central está diseñada a base de microprocesadores y memorias; contiene una unidad de control, la memoria interna del programador RAM, temporizadores, contadores, memorias internas tipo relés, imágenes del proceso entradas/salidas, etc. Su misión es leer los estados de las señales de las entradas, ejecutar el programa de control y gobernar las salidas a gran velocidad.
4.2.3 UNIDAD PROCESADORA DE COMUNICACIÓN
Todo PLC, salvo casos excepcionales, posee la virtud de poder comunicarse con otros dispositivos (como un PC). Lo normal es que posea una interfase serie del tipo RS−232 / RS−485. A través de esta línea se pueden manejar todas las características internas del controlador. Además, incluye la programación del mismo y monitorización del un proceso remoto.
4.2.4 PANEL POSTERIOR DE 4 POSICIONES
El panel posterior está diseñado para asegurar mecánicamente y conectar eléctricamente todos los módulos que se usan en las derivaciones. Incluye una tarjeta de circuito pasiva que permite que los módulos se comuniquen entre sí e identifiquen sus números de ranuras sin ajustes adicionales de los interruptores.
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Consecutivamente se dará a conocer el software con el que se programan los distintos tipos de PLC.
4.3 DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE DE PROGRAMACIÓN CONCEPT 2.6 XL
En este proyecto se utiliza la aplicación Concept 2.6 XL para la programación del PLC. A continuación se muestra en la figura 4.1 el logo del software concept 2.6 XL
Figura 4.1. Logo del software concept 2.6 XL.
4.3.1 REQUERIMIENTOS PARA LA INSTALACIÓN DE CONCEPT 2.6 XL
Para la instalación del software concept 2.6 XL se necesitan los siguientes requerimientos mínimos que a continuación se especifican:
a) Ordenador personal (se recomienda plataforma Pentium)
31
b) Microsoft Windows 98 o Microsoft Windows 2000 o Microsoft Windows NT 4.0, Service Pack 3 o mayor (la compatibilidad Y2K requiere Service Pack 5 ) o Microsoft Windows XP PROFESSIONAL c) RAM de aplicación de 24 MB (o mayor) d) Unidad CD-Rom e) Espacio de disco duro de 150 MB f) Adaptador gráfico VGA y pantalla (resolución mínima: 800x600) g) Mouse compatible Microsoft
4.3.2 CARACTERÍSTICAS DE LAS APLICACIONES DE CONCEPT 2.6 XL
Actualmente para procesos industriales es necesaria una interfase de manejo gráfica. Por este motivo se ha creado Concept como aplicación para MS-Windows. Concept puede ejecutarse bajo Windows 98, Windows 2000, Windows XP y Windows NT.
La ventaja de este sistema operativo es que está mundialmente extendido y que los elementos básicos del sistema de ventanas y el manejo del ratón son conocimientos elementales que tiene cualquier usuario de PC. Además, MS-Windows permite utilizar cualquier monitor, tarjeta gráfica e impresora normales. De esta forma, el usuario no está obligado a utilizar una determinada configuración de hardware.
Para realizar de forma efectiva un proyecto de instalación, Concept cuenta con un entorno de proyectos unitario de acuerdo con los requisitos de la norma internacional IEC 1131-3.
La norma IEC 11313 es la base real para estandarizar los lenguajes de programación en la automatización industrial, haciendo el trabajo independiente de cualquier compañía. Hay muchas
32
maneras de describir el trabajo desarrollado en la tercera parte de esta norma. Sin embargo, se puede resumir como:
1. IEC 11313 es el resultado del gran esfuerzo realizado por siete multinacionales con muchos años de experiencia en el campo de la automatización industrial. 2
Incluye doscientas páginas de texto aproximadamente, con más de sesenta tablas.
3
IEC 11313 define las especificaciones de la sintaxis y semántica de los lenguajes de programación de PLCs, incluyendo el modelo de software y la estructura de lenguaje.
4.3.3 LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN EN CONCEPT 2.6 XL
Se define el programa como el conjunto de instrucciones, órdenes y símbolos reconocibles por el PLC a través de su unidad de programación. Estas le permiten ejecutar la secuencia de control deseada. Al conjunto total de estas instrucciones, órdenes y símbolos que están disponibles se le llama lenguaje de programación del PLC [3].
Al crear una sección, el programador tiene la opción de seis tipos de lenguajes distintos para programar (figura 4.2). En esta pantalla el programador decide el lenguaje con el que se programará y a su vez el nombre de la sección.
33
Figura 4.2. Lenguajes de programación
A continuación se menciona una breve especificación de los distintos tipos de lenguaje de programación.
4.3.3.1 DIAGRAMA DE FUNCIONES EN BLOQUE (FBD)
Es un leguaje gráfico que permite programar elementos que aparecen como bloques para ser cableados entre sí de forma análoga al esquema de un circuito. El FBD es adecuado para muchas aplicaciones que involucren el flujo de información o datos entre componentes de control, lo que implica tener funcionalidad jerárquica sobre los bloques. Además, el usuario puede incluir funciones elementales o derivadas.
4.3.3.1.1 FUNCIÓN DE BLOQUE DERIVADA (DFB)
A través de un programa anexo a concept DFB [8] se pueden realizar funciones de bloque derivadas, es decir un bloque diseñado por el usuario. El usuario es quien define la lógica y los puntos de entrada y salida de una función, la cual se ingresa a la librería. Estos bloques pueden ser programados con cualquier lenguaje mencionado en la figura 4.2. Soporta 32 puntos de
34
entrada y 32 de salida. La funcionalidad de realizar bloques simplifica las estructuras de las aplicaciones y las clarifica.
4.3.3.2 DIAGRAMA DE ESCALERA (LD)
El lenguaje de programación escalera [2], también denominado lenguaje de contactos o escalera, es un lenguaje de programación gráfico muy popular dentro de los autómatas programable debido a que está basado en los esquemas de lógica cableada.
El PLC ejecuta cualquier programa escalera de forma secuencial (hace un scan o barrido), siguiendo el orden en que los renglones (escalones de la escalera) fueron escritos, comenzando por el renglón superior y terminando con el inferior.
En este tipo de programa cada símbolo representa una variable lógica cuyo estado puede ser verdadero o falso. Dispone de dos barras verticales que representan. La alimentación eléctrica se representa con una barra vertical a la izquierda (asociada al conductor de tensión) y una barra vertical a la derecha (asociada al conductor de tierra).
4.3.3.3 GRAFICO DE FUNCIONES SECUENCIALES (SFC)
Es un lenguaje gráfico que proporciona una representación en forma de diagrama de las secuencia de proceso (grafcet). Soporta selecciones alternativas de secuencias y secuencias paralelas. Los elementos básicos se muestran en la tabla 4.1.
35
Símbolo
Nombre
Descripción
Etapa inicial
Indica el comienzo del esquema GRAFCET y se activa RUN en el autómata. Por lo general suele haber una sola etapa de este tipo.
Etapa
Su activación lleva consigo una acción o una espera.
Unión
Para unir entre sí varias etapas.
Transición
Condición para desactivarse la etapa en curso y activarse la siguiente etapa.
Direccionamiento
Indica la activación de una u otra etapa en función de la condición que se cumpla.
Proceso simultáneo
Muestra la activación o desactivación de varias etapas a la vez.
Acciones asociadas
Acciones que se realizan al activarse la etapa a la que pertenecen.
Tabla 4.1.Elementos básicos del grafcet.
4.3.3.4 LISTA DE INSTRUCCIONES (IL)
Está basado en un listado de símbolos nemotécnicos cercanos al lenguaje máquina. Se escribe en forma de texto, utilizando caracteres alfanuméricos para definir las líneas de operaciones lógicas. Suele ser un lenguaje potente, aunque es más complejo que los lenguajes gráficos. Desde un lenguaje basado en la lógica cableada, se implementa fácilmente a lista de instrucciones. A cada línea de texto IL se le denomina instrucción y está formada por el operando y el operador. El operando define la función lógica (operación lógica) y el operador el direccionamiento de la variable.
36
4.3.3.5 TEXTO ESTRUCTURADO (ST)
Es un lenguaje de alto nivel estructurado por bloques que poseen una sintaxis parecida al pascal, puede ser empleado para realizar sentencias complejas que manejen variables con un amplio rango de distintos tipos de datos.
4.3.4 CREACIÓN DE UN PROYECTO EN CONCEPT 2.6 XL
En un proyecto se crean las secciones del programa y las configuraciones. Existen siete pasos principales para crear un proyecto, los cuales son:
a) Inicie Concept y cree un nuevo proyecto. b) Indique la configuración del hardware. c) Genere nuevas secciones y cree su programa. d) Guarde el proyecto. e) Conecte el PC al PLC. Cargue el proyecto en el PLC e inícielo. Compruebe el funcionamiento del programa con las funciones de prueba online. Solucione los fallos que haya en el programa. Cargue las secciones modificadas en el PLC. f) Se recomienda optimizar el espacio ocupado en la memoria y volver a cargar el programa ya optimizado en el PLC. Una vez concluidas satisfactoriamente la carga, prueba y optimización, puede desconectar el PC del PLC. Ahora el programa se ejecuta offline. g) Elabore una documentación completa del proyecto.
37
4.3.4.1 CONFIGURACIÓN DEL PLC Al crear un nuevo proyecto aparecerá la pantalla que se aprecia el la figura 4.3. Dicha pantalla sirve para configurar el PLC.
Figura 4.3. Configuración del PLC
En esta pantalla se debe seleccionar la opción selección del PLC. Esta opción muestra una pantalla en la que se puede elegir cualquiera de los PLC de las familias Modicom (Quantum, Compact, Momentum, Atrium) para ser programados como se muestra en la figura 4.4. Para este proyecto se eligió el PLC quantum y la CPU modelo 140 CPU 424 02.
Figura 4.4. Selección del PLC
38
Una vez seleccionada la familia del PLC, se selecciona la CPU del PLC. Luego se verá una nueva pantalla que muestra las especificaciones del PLC seleccionado, como se muestra en la figura 4.5.
Figura 4.5. Especificación del PLC seleccionado
Al escoger la opción de asignación de entradas y salidas aparece una nueva pantalla (figura 4.6). Que permite escoger en este caso la opción de edición.
Figura 4.6. Asignación de entradas y salidas
39
Una vez escogido la opción edición se verá una pantalla (figura 4.7). Que permite especificar los módulos de entradas y salidas así como la asignación de las direcciones que éstas ocupan en la memoria del PLC.
Figura 4.7. Especificación de módulos de entrada y salida.
4.3.4.2 ASIGNACIÓN DE DIRECCIONES Al realizar la configuración de los módulos se asignan automáticamente las direcciones de los puntos de entrada y salida correspondientes a las variables localizadas.
40
Todas las variables tienen asignada una dirección3 que dependiendo del tipo de modulo de entrada y salida tienen una referencia que indica los rangos de valores (tabla 4.2).
0xxxxx
salidas digitales
1xxxxx
entradas digitales
3xxxxx
entradas análogas
4xxxxx
salidas análogas
Tabla 4.2.Tipos de direcciones
Después de haber visto los distintos módulos que conforman un PLC y su software con la cual fue programado dicho PLC. En el capítulo siguiente se dará una detallada información del sistema de control distribuido de la planta de Cabo Negro.
3
Las direcciones de las variables disponibles y alarmas se entregara en el anexo B
41
5.1
GENERALIDADES DEL SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO La necesidad de controlar procesos distribuidos ubicados físicamente en áreas distantes es
muy común en la industria. Muchos procesos están expuestos a condiciones extremas, lo que hace imposible disponer del sistema de control cerca de ellos. Más aún, es posible que el proceso requiera un control automático que se puede montar cerca del mismo pero que necesita ser supervisado, a fin de saber qué está sucediendo. Una opción sería enviar a un operario a hacer rondas de lectura por los distintos sistemas de control, pero si la planta procesadora es demasiado grande (por decir un ejemplo), tomaría mucho tiempo y esfuerzo.
Lo ideal es tener una sala de control desde donde se pueda tener información en tiempo real de las variables controladas y a la vez se pueda ejercer acciones correctivas si es necesario. Debido a que en una industria se ejecutan múltiples procesos / sub-procesos simultáneamente, es un verdadero reto disponer de la información de cada proceso.
Debido a ello, se desarrollaron los sistemas de control distribuidos (DCS). Esta filosofía se basa en instalar pequeños sistemas de control para cada subproceso. Todos ellos conectados a través de un sistema de comunicación que los enlaza a un supervisor, generalmente un PC (en una sala de control) en la cual corre un software especial para administrar la información (por ejemplo el software “Inteligent Automation”.
42
5.2
ARQUITECTURA DE UN SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO La arquitectura actual del sistema de control I/A de Foxboro se observa en la Figura 5.1.
Esta arquitectura cuenta con 1 nodo o nodebus. A este nodebus se conectan tres procesadores de trabajo (WP51-JO), dos estaciones de aplicación (AW51B) y un procesador de control CP60FT por medio de módulos DNBT.
Cabe señalar que el controlador CP60FT, es el encargado del control, comunicación y procesamiento de la data proveniente de las unidades FBM (FieldBus Module) series Legacy.
Por último, esta arquitectura tiene dos unidades IT30B, para comunicación Modbus PLUS.
VERSIÓN 7.x
PLANTA CABO NEGRO JEFE OPERACIONES
JEFE TURNO
S.O. Solaris FoxView
WP51-JO
WP51-JT
AW51B
S.O. Solaris FoxView
WP51B
AW51B-R
S.O. Solaris FoxView
S.O. Solaris FoxView WP-001
PRT-01 Serial
AW-001
DNBT DNBT
COLD-BACKUP
AW
DNBT
DNBT
IT30B IT30B
PRT-02 Parallel
NODEBUS
CP60FT
CP-001
MB+ 001
MB+ 002
GABINETE IO FBM Series Legacy
Figura 5.1 Sistema de Control Distribuido Planta Cabo Negro.
Cada estación se comunica con otra estación a través del Nodebus. El nodebus es un cable coaxial o fibra óptica (opcional), que interconecta estaciones para formar un nodo de control y
43
administración del proceso. El nodebus vincula estaciones I/A con el propósito de comunicarse. Es sumamente vital. Sin él, todas las comunicaciones entre las estaciones cesarían.
5.3
SOFTWARE DE LA SERIE I/A
En esta sección se describirá el software que usa el sistema de control distribuido de la planta de Cabo Negro.
5.3.1 CARACTERÍSTICAS DEL SOFTWARE DE LA SERIE I/A
El sistema I/A [4] es una combinación sofisticada de software y hardware que provee un control de proceso óptimo y capacidad para un amplio rango de aplicaciones. Es fácilmente configurable para cumplir requerimientos específicos y necesidades de manejo de la planta, y permite la distribución de funcionalidad y poder computacional en una amplia área geográfica.
Algunos de los aspectos del software de la Serie I/A son:
•
Capacidad para correr Aplicaciones de Software de Terceros;
•
Facilidad de Conexión y operabilidad de equipos no-Foxboro (e.g. controladores, sensores inteligentes, medidores y transmisores) para conectarse con el sistema de la Seria I/A,
•
Capacidad de acceder a varias aplicaciones simultáneamente,
•
Interfaz Humana Amistosa, que emplea menús, gráficos personalizados y cuadros de diálogo fáciles de usar;
•
Paquete Gráfico (FoxDraw), tiene la capacidad de generar sofisticados displays de administración y control de proceso interactivo,
44
•
Paquetes de aplicaciones para el Control de la Producción y administración de la información de la planta, tales como Microsoft excel y Lotus 1-2-3,
•
Ayuda On-line para instrucciones sobre cómo realizar tareas en la función que se está llevando a cabo,
•
Software de seguridad que permite el acceso solamente a personal autorizado.
5.3.2 EL SISTEMA OPERATIVO
El sistema operativo es el paquete del software necesitado por cada procesador de la Serie I/A, que es responsable para la transacción de las necesidades que procesan los APs, AWs y WPs.
Un procesador de la Serie I/A utiliza uno de los dos Sistemas Operativos. La Serie 50 I/A usa el sistema operativo UNIX mientras que la Serie 70 I/A utiliza el sistema operativo NT.
5.2.3 LA INTERFAZ HUMANA DE LA SERIE I/A
La Interfaz Humana es la forma que una estación de trabajo interactúa con el usuario. Existen dos versiones de HMI (Human Machine Interface), FoxView y Display Manager. Sería prudente familiarizarse primero con el FoxView.
5.2.4 FOXVIEW
El software FoxView[5] permite al usuario utilizar numerosas aplicaciones como: •
Responder a alarmas,
45
•
Capturar e interpretar datos,
•
Modifica variables de procesos,
•
Realiza tendencias on-line,
•
Genera reportes.
A continuación se dará una breve descripción de la adquisición de datos mediante el software FoxView para ser observados en el DCS.
Para poder adquirir los datos en el DCS, se debe ingresar a la barra de herramientas (figura 5.2) y seleccionamos config esta opción muestra un menú desplegable, en el que debe seleccionarse la opción control_cfg esta opción muestra un nuevo menú desplegable, debe seleccionar la opción CIO_config.
Figura 5.2 FoxView
Una vez seleccionada esta opción se ingresa a una ventana, que se aprecia la figura 5.3. En esta ventana se debe seleccionar el compound Medic4_20_1 (contiene los nombres (tag) de los datos del generador 5 en el PLC).
46
Figura 5.3. configurador de control integrado
Al seleccionar el compound Medic4_20_1 se ingresa a una nueva ventana donde se aprecia el menú de funciones del compound y el listado de los Tag, (figura 5.4).
Figura 5.4 menú de las funciones
En el menú del lado izquierdo se debe seleccionar el Tag que se desea editar y en el menú de lado derecho, la opción insert new block/ECB, que da paso a una nueva ventana (figura 5.5). Esta venta permite ingresar la descripción del dato, la dirección y los rangos máximo y mínimo.
47
Figura 5.5. Definición del Tag
Después de definir todos los datos del generador 5, se ingresa a la opción foxdraw por medio de la barra de herramienta, que permite diseñar la pantalla que se verá finalmente en el DCS para el monitoreo del generador 5 (Figura 5.6). Este mismo procedimiento se realizó para el monitoreo del generador 6.
Figura 5.6. Monitoreo del generador 5
Después de haber visto en este capítulo una descripción física y funcional del hardware y software del sistema control distribuido de la planta Cabo Negro. En el siguiente capítulo se apreciaran los detalles de los enlaces de comunicación que tuvo este proyecto.
48
6.1 ENLACES DE COMUNICACIÓN
En este capítulo se entrega una visión de los dos enlaces de comunicación que se realizaron en el proyecto. Primero se verá la comunicación multilin (SR-489) - PLC, y seguidamente al enlace de comunicación PLC - DCS.
6.2 COMUNICACIÓN MULTILIN (SR-489) - PLC
Para la comunicación multilin (SR-489) - PLC se utilizaron los puertos de comunicación que estos equipos disponen.
En el multilin se utilizó el puerto RS- 485 y en el PLC se utilizo el puerto RS-232. Debido a que el PLC no tiene un puerto de comunicación RS-485, se utilizó un conversor RS-232 a RS485, como se aprecia en la figura 6.1
Figura 6.1 Comunicación multilin (SR-489) - PLC
49
Después de realizar la conexión física de estos equipos, corresponde determinar cuál de estos equipos debe ser el maestro y cuál el esclavo. En este trabajo de tesis se configuró el PLC como maestro debido a que los multilins no pueden serlo.
Para dejar como maestro el PLC se debió programar este equipo con el propósito de hacer las consultas al equipo esclavo (multilin SR-489). Esta programación se realizó con el programa concept 2.6 XL, el cual posee una librería de bloques de funciones denominado
bloque
XXMIT4[11]. Este permite la utilización de conectores serie del PLC para realizar una comunicación bajo control del programa de aplicación. Se permite el siguiente
tipo de
comunicación Modbus como Master (figura 6.2).
Figura 6.2 Bloque de funciones XXMIT
Tanto el maestro como el esclavo se configuraron con los siguientes parámetros de puerto:
4
•
9600 baudios
•
8 bits de datos
•
1 bit de parada
Este bloque se especifica en el anexo C
50
•
paridad ninguna (0)
Después de configurar los puertos de comunicación, se configuró la estructura de Mensaje. Un elemento básico a considerar es la Estructura del Mensaje cuya unidad de información se denominada trama. La codificación de datos dentro de la trama puede hacerse en modo ASCII o binario, según el estándar RTU (Remote Transmission Unit). En cualquiera de los dos casos, cada mensaje obedece a una trama que contiene cuatro campos principales (figura 6.3).
Figura 6.3 Estructura de la trama.
En el primer campo se ubica la dirección del esclavo. Este permite direccionar un máximo de 244 esclavos. En el segundo campo se encuentra el código de función. Cada función permite transmitir datos u órdenes al
esclavo. En la
tabla 6.1. Se muestra la lista de funciones
disponibles en el protocolo MODBUS y sus correspondientes códigos de operación.
código 01 02 03 04 05 06 15 16
Función Leer varias bobinas Leer varias entradas digitales Leer varios registros de mantenimiento Leer varios registros de entrada Escribir una bobina Escribir un registro de mantenimiento Escribir varias bobina Escribir varios registros de mantenimiento La tabla 6.1 Lista de código de funciones
Dirección 0XX.XXX 1XX.XXX 4XX.XXX 3XX.XXX 0XX.XXX 4XX.XXX 0XX.XXX 4XX.XXX
51
En el tercer campo se encuentran los datos. Este campo suele contener los parámetros necesarios para ejecutar la función indicada por el byte anterior. Además, estos parámetros podrán ser:
a) Códigos de sub-funciones en, el caso de órdenes de control, b) Direcciones del primer bit o byte, c) Número de bits o palabras a leer o escribir, d) Valor del bit o palabra en caso de escritura, etc.
Finalmente el cuarto campo entrega 2 bytes para la corrección de errores, llamado redundancia cíclica. A partir de un algoritmo que utiliza un polinomio generador, y de los bits que forman la trama, se calcula al número llamado CRC. El CRC es añadido al final de la trama y transmitido con ésta. La estación receptora calculará el CRC utilizando el mismo polinomio generador y los bits recibidos. Al comparar el CRC recibido con el calculado se puede detectar y hasta corregir errores de transmisión.
Para que el PLC pueda recibir el mensaje del esclavo, se debe programar la siguiente trama utilizando bloques de funciones (figura 6.4)
52
Figura 6.4 Trama programada en el PLC usado.
Otra parte esencial de la comunicación son los distintos tipos de formatos5 de datos (son 67 tipos de formatos) que entrega el multilin. Para que el PLC pueda leer el dato real entregado por el multilin se debe utilizar un bloque configurado para leer un tipo específico de dato. Por ejemplo, se muestran en las figuras 6.5 y 6.6 los bloques creados para los formatos 123 y 140 respectivamente. El formato 123 se utilizan para las alarmas y el formato 140 se utilizó para el status general del multilin.
5
Los formatos de los datos se entregara en el anexo D
53
Figura 6.5 Formato 123 (alarma tacómetro)
Figura 6.6 Formato 140 (status general del multilin)
Como el PLC está conectado con dos multilin SR-489, fue necesario realizar un sistema secuencial de funciones (grafcet) para activar dos bloques xxmit. Dicho grafcet se muestra en la figura 6.7.
Figura 6.7 Grafcet para activar dos bloques xxmit
54
Además de la configuración previa se configura la comunicación PLC – DCS, que se especifica en la siguiente sección.
6.3 COMUNICACIÓN PLC - DCS Para integrar el PLC ubicado en la sala de control de turbogeneradores a la red modbus plus que tiene la planta se usó un dispositivo llamado Tap. Este proporciona una conexión modbus plus dedicado a esta conexión, que se denomina Drop.
Una vez conectado el PLC al tap, se conectaron los taps a través de un cable Modbus Plus. Esta conexión se denomina Trunk. Este tiene el tap que se encuentra enlazado a la entrada del PLC de la red Modbus Plus proveniente desde el DCS. En el tap que cierra la red se debe colocar una resistencia terminal para evitar reflejos.
De la parte interior de los Tap existen 4 terminales de conexión. En éstos se realizan las conexiones de Trunk y Drop.
Los terminales denominados TB1 y TB2 son para realizar la conexión
Trunk, que
consiste en la unión de los TAP entre sí, además de la entrada de la red y la resistencia terminal. El cable destinado a esta unión consiste en un par de alambres blindados. En la figura 6.8 se muestra la conexión de Trunk con el cable necesario para este enlace.
55
Figura 6.8 Conexión entre TAP para la red Modbus Plus (Trunk)
La conexión Drop[1] consta de un cable de dos pares blindados con una malla que los envuelve. Este cable proporciona la conexión del PLC y la pantalla de la red, a través de los terminales del TAP denominados TB3 y TB4. Existe además, un terminal XG donde se conectan los blindajes del cable DROP. La figura 6.9 muestra la conexión de Drop y el tipo de cable necesario para esta conexión.
La figura 6.9 Conexión entre TAP y dispositivos (drop)
56
Además, se puede conectar un dispositivo programador puede ser conectado al Tap para facilitar el monitoreo de la red. Este debe utilizar un terminal RJ 45, ubicado debajo de la tapa del Tap. La figura 6.10 muestra la ubicación del terminal en el Tap.
La figura 6.10 Terminal para la conexión a la red Modbus Plus
Los parámetros de los generadores en la sala de control se obtuvieron por medio de la utilización de cada uno de los procedimientos mencionados anteriormente.
6.4 PANTALLAS PARA EL MONITOREO DE LOS GENERADORES Para poder visualizar las variables físicas y alarmas de los generadores se crearon las siguientes pantallas que a continuación se describen
•
Sistema eléctrico de potencia (figura 6.11)
•
Generador 6 (figura 6.12 y 6.13)
En la pantalla del sistema eléctrico de potencia se aprecia con un círculo amarillo los valores de potencia y en la parte inferior de esta pantalla podemos ver dos link para ingresar a las pantallas de los generadores 5 y 6.
57
La figura 6.11 vista del sistema de potencia del la planta de Cabo negro
Para el monitoreo en tiempo real el pantallista tiene a su disposición la pantalla que se aprecia en la figura 6.12, en esta pantalla se aprecian las variables físicas y alarmas del generador 6 .
La figura 6.12 Vista de las variables físicas y alarmas del generador 6 en funcionamiento
58
A continuación se muestra la pantalla (figura 6.13) que monitorea el generador 6 para poder comparar con la figura 6.12, estas dos pantallas son iguales pero fueron capturadas en distinto tiempo para apreciar como variaban los datos.
La figura 6.13. Vista de las variables físicas y alarmas del generador 6 en funcionamiento
Figura 6.14. Alarmas en el DCS
Las alarmas que se muestran en la figura 6.14 tienen dos columnas que se representa con un rectángulo amarillo y rojo. En el rectángulo amarillo se aprecia si está activada una alarma por una falla (griz/off y rojo/on) y en el rectángulo rojo se aprecia si la alarma está conectada al multilin (rojo/off y verde/on). En caso de alarma el operador disminuye la carga de la planta, para luego cambiar el generador por uno de respaldo
59
7. CONCLUSIONES
Este trabajo de tesis para optar al titulo de Ingeniero en Ejecución Eléctrico fue realizado en la planta de Cabo Negro perteneciente a ENAP-Magallanes.
El objetivo principal fue mejorar las limitaciones de monitoreo de los dos generadores caterpillar (1.8 MW cada uno) que suministran la energía eléctrica a la planta. Antes de realizar este trabajo, un operador debía ir a la sala de control de generadores cada dos horas para revisar: (a) el funcionamiento de los generadores, (b) el disparo de alarmas y (c) el historial de los diferentes parámetros eléctricos. El sistema de monitoreo implementado en este trabajo permite en tiempo real monitorear diversas variables eléctricas y alarmas por los pantallistas en la sala de control de Cabo Negro. Como resultado, se integró en la planta de Cabo Negro el monitoreo continuo de los dos generadores, al monitoreo existente de los diferentes procesos que se realizan en la planta. En la condición actual, el sistema de alarma es visualizado por el pantallista en la sala de control, donde en caso de activación de alguna alarma el pantallista debe dar aviso al operador de los generadores para realizar las medidas correctivas.
En la implementación técnica de este monitoreo se desarrollaron dos enlaces de comunicación. El primer enlace consistió del enlace entre los Multilin SR-489 (instrumentos dedicados al monitoreo de las variables eléctricas de los generadores en forma local) y un PLC (este último ubicado físicamente en la sala de generadores a una distancia de 58 metros). El segundo enlace consistió en la comunicación desde el PLC a la sala de control distribuido (ubicado físicamente a una distancia de 241 metros).
En el primer enlace Multilin-PLC se utilizó una comunicación Modbus y en el segundo enlace se utilizó una comunicación Modbus Plus.
60
La única limitante que ocurrió en este proyecto fue el ancho de banda del sistema modbus plus en el DCS. Debido a que éste monitorea los principales procesos de la planta, el ancho de banda disponible para recibir más información en tiempo real es limitado. Por lo tanto, durante la ejecución de este proyecto se decidió enviar sólo los parámetros eléctricos y alarmas más importantes de cada generador. Con esto se evitó el colapso de la comunicación modbus plus. Sin embargo, se debe resaltar que todos los parámetros y alarmas de los generadores sí quedaron disponibles (direccionadas) hasta el PLC. Por lo tanto, un simple cambio en la configuración de las variables en el DCS permite, en cualquier momento, reseleccionar nuevas variables a monitorear.
En la implementación técnica de este monitoreo se utilizó el software Concept 2.6 XL para programar el controlador lógico programable (PLC) bajo MS–Windows. Esto permitió utilizar una herramienta ampliamente aceptada, cuya interfaz de ventanas permite una fácil configuración de: (a) todos los monitores, (b) las tarjetas gráficas, y (c) de las impresoras existentes en la planta de Cabo Negro. Por lo tanto, el usuario no se encuentra limitado a una configuración de hardware específica.
Finalmente, se debe destacar la gran utilidad que tuvo este proyecto en la planta de Cabo Negro en el monitoreo del sistema de generación eléctrica. Debido a esto se implementó el mismo tipo de monitoreo en la refinería de San Gregorio. Esto no sólo demuestra su importancia para mejorar el monitoreo del sistema de generación eléctrica de las diferentes plantas de Enap, sino que a demás muestra la flexibilidad para su implementación y la calidad e importancia del proyecto para la empresa de Enap Magallanes.
61
BIBLIOGRAFÍA
[1] Modicon, Inc : 990 NAD 230 10, Modbus Plus Ruggedized Tap, N° 043513619 [2] Modicon, Inc : Ladder logic block library user guide [3] Modicon, Inc : Programmer user manual, september 1991 [4] Foxboro, Chile S.A : Sistemas de procesos de control de procesos [5] Foxboro, Chile S.A : curso Mantenimiento de la Serie I/A, Guía de Estudios [6] Bermat S.A : Curso controlador programable “quantum” [7] Bermat S.A : Curso Modbus Plus [8] Groupe Schneider : Concept, block library IEC, V 2.6 [9] Groupe Schneider : Concept, manual user, versión 2.6, 04/98 [10] Modicon, INC : Complete Quantum Catalogue [11] Modicon, INC : Concept XXMIT Módulo de función Transmit (Receive) 840 USE 499 03 spa [12] www.GEindustrial.com/multilin [13] www.ge.com/indsys/pm
62
A.1
DESCRIPCIÓN FÍSICA DEL MULTILIN SR-489 El multilin SR-489 consiste en una unidad extraíble y un estuche fijo. El estuche fijo
provee protección mecánica a la unidad y es utilizado para hacer conexiones permanentes a todo el equipo externo. Los únicos componentes eléctricos montados en el estuche son aquellos requeridos para conectar la unidad al alambrado externo. Las conexiones en el estuche están ajustadas con mecanismos que permiten la remoción segura de la unidad de relevador desde un panel energizado. La unidad está mecánicamente sostenida por medio de clavijas.
En la figura se puede apreciar las distintas vistas del multilin SR-489 y dimensiones ver figura A.1.
Figura A.1. Dimensiones del multilin SR-489
sus respectivas
63
A continuación veremos la vista frontal (ver Figura A.2) y la vista trasera (ver Figura A.3) del Multilin SR-489, explicadas en la misma figura.
Figura A.2. Vista frontal Multilin SR-489
Figura A.3. Vista trasera Multilin SR-489
64
Después de ver las distintas vista del multilin se entregara un diagrama físico de las conexiones del multilin SR-489, para saber todas la entradas y salidas que tiene este equipo (ver Figura A.4).
Figura A.4. Conexiones externas del multilin SR-489
65
A.2
PROGRAMACIÓN POR TECLADO Los mensajes del SR-489 están organizados en páginas bajo los titulares principales,
Parámetros y Valores Actuales. Para acceder a los titulares principales se utilizaran las siguientes teclas:
La tecla Parámetro [SETPOINT] es usada para navegar a través de los parámetros programables.
La tecla [ACTUAL] es usada para navegar a través de los parámetros medidos. Cada página es dividida adicionalmente en subgrupos lógicos de mensajes.
La tecla Mensaje [MESSAGE] arriba y abajo puede ser usada para navegar los subgrupos.
La tecla [ENTER] tiene un doble propósito. Es usada para entrar a los subgrupos o para almacenar valores de parámetros alterados.
La tecla [ESCAPE] tiene también un doble propósito. Puede ser usada para:
a) Salir de los subgrupos b) Para regresar un parámetro alterado a su valor original antes de que haya sido almacenado.
La tecla Valor [VALUE] arriba y abajo es usada para moverse a través de las variables en el modo de programación de parámetros. Incrementará y reducirá los valores de parámetros numéricos. Alternativamente estos valores pueden ser entrados con el teclado numérico.
66
La tecla Ayuda [HELP] puede ser presionada en cualquier momento para recibir ayuda sobre el punto en cuestión.
A continuación se mostrara en la Figura A.5 el Teclado del panel frontal del multilin SR489.
Figura A.5. Teclado del panel frontal del multilin SR-489
Para poder modificar los parámetros del Multilin SR-489 se debe puentear los terminales C1 y C2 mostrados en la figura A.3.
Cuando el acceso de parámetros es permitido, el indicador ACCESO DE PARAMETROS ('SETPOINT ACCESS') en el frente de la unidad SR489 se iluminará. Los cambios en los parámetros son efectuados inmediatamente
1.
La programación del SR489 es dividida en páginas por grupos lógicos. Presione
PARAMETROS ([SETPOINTS]) para circular por las páginas de parámetros hasta que la página deseada aparezca en la pantalla. Presione [MESSAGE] para entrar a una página. El amplio aspecto de parámetros posibles a configurar se muestra en la figura A.6
67
2.
Cada página es dividida en subgrupos. Presione [MESSAGE ▲] y [MESSAGE
▼] para circular por los subgrupos hasta que el subgrupo deseado aparezca en la pantalla. Presione [ENTER] para entrar a un subgrupo.
3.
Cada subgrupo tiene uno o más mensajes de parámetros asociados. Presione
[MESSAGE ▲] y [MESSAGE ▼] para circular por los mensajes de parámetros hasta que el mensaje de parámetro deseado aparezca en la pantalla.
4.
La mayoría de los mensajes de parámetros pueden ser alterados de una forma
simple, presionando [VALUE ▲] y [VALUE ▼] hasta que el valor deseado aparezca y presionando [ENTER]. 5.
Presione [ESCAPE] para salir de un subgrupo.
A continuación se entregaran los distintos parámetros que usuario puede navegar con el teclado del panel frontal
68
Figura A.6. Parámetros del multilin SR-489
69
(Continuación) Figura A.6. Parámetros del multilin SR-489
70
(Continuación) Figura A.6. Parámetros del multilin SR-489
71
(Continuación) Figura A.6. Parámetros del multilin SR-489
72
B.1 DIRECCIONES DE LAS VARIABLES DISPONIBLES Y ALARMAS Cabe destacar, que las direcciones en el PLC debieron ser configuradas durante la ejecución de este trabajo y además el mapa de usuario en el multilin fueron direccionadas. Cada nueva configuración se destaca en la tabla B.1 para las diferentes variables y alarmas asociadas al generador 5.
Tabla B.1 Direccionamiento de las variables del generador 5 al PLC
73
(Continuación) Tabla B.1 Direccionamiento de las variables del generador 5 al PLC
74
(Continuación) Tabla B.1 Direccionamiento de las variables del generador 5 al PLC
75
(Continuación) Tabla B.1 Direccionamiento de las variables del generador 5 al PLC
76
(Continuación) Tabla B.1 Direccionamiento de las variables del generador 5 al PLC
77
(Continuación) Tabla B.1 Direccionamiento de las variables del generador 5 al PLC
Cabe destacar, que las direcciones en el PLC debieron ser configuradas durante la ejecución de este trabajo y además el mapa de usuario en el multilin fueron direccionadas. Cada nueva configuración se destaca en la tabla B.2 para las diferentes variables y alarmas asociadas al generador 6.
78
Tabla B.2 Direccionamiento de las variables del generador 6 al PLC
79
(Continuación)Tabla B.2 Direccionamiento de las variables del generador 6 al PLC
80
(Continuación)Tabla B.2 Direccionamiento de las variables del generador 6 al PLC
81
(Continuación)Tabla B.2 Direccionamiento de las variables del generador 6 al PLC.
82
(Continuación)Tabla B.2 Direccionamiento de las variables del generador 6 al PLC.
83
Las direcciones de las variables físicas y alarmas que se utilizaron en el DCS para el monitoreo del generador 5 se muestran en la tabla B.3.
Tabla B.3. Direccionamiento de las variables del generador 5 al DCS
84
Las direcciones de las variables físicas y alarmas que se utilizaron en el DCS para el monitoreo del generador 6 se muestran en la tabla B.4. Tabla B.4. Direccionamiento de las variables del generador 6 al DCS
85
C.1 BLOQUE XXMIT
El módulo de función XXMIT (Figura C.1) permite la utilización de conectores serie del PLC para realizar una comunicación bajo control del programa de aplicación.
Figura C.1 Diagrama general del bloque XXMIT
La descripción de los parámetros del módulo XXMIT se muestra en la tabla C.1.
Parámetro Star Command MsgOut MsgLen Port Bauderate Databits Stopbits Parity RespTout RetryLmt StartDly EndDly Active Done
Tipo de datos BOOL WORD ANY INT BYTE INT BYTE BYTE BYTE INT INT INT INT BOOL BOOL
Significado El valor de 1 inicia la operación XXMIT. Especifica el comando que se va a ejecutar. Mensaje que se va a enviar Longitud del mensaje de salida Selección de la interfase de comunicaciones Velocidad de transmisión Bits de datos Bits de parada Paridad Tiempo de espera para una respuesta válida Número de reintentos hasta recibir una respuesta válida Tiempo de espera anterior a la transmisión del mensaje Tiempo de espera posterior a la transmisión del mensaje El valor de 1 indica que una operación de XXMIT está en curso. El valor de 1 indica que la operación de XXMIT se ha completado con éxito. El valor de 1 indica que se ha producido un error o se ha cancelado la operación actual de XXMIT. Mensaje llegante Muestra el número de caracteres recibidos. Muestra un código de error generado por el módulo XXMIT. Indica el número actual de reintentos realizados por el módulo XXMIT. Tabla C.1. Parámetros del módulo XXMIT
Error
BOOL
MsgIn RecCount Status Retry
ANY INT INT INT
86
A continuación se dará una descripción detallada de los parámetros del modulo XXMIT
Start: Un flanco ascendente en Start activa la operación XXMIT. El valor 1 deberá aplicarse hasta que la operación se haya completado o hasta que se haya producido un error.
Command: el bloque XXMIT interpreta cada bit de la palabra de comando como una función que debe realizarse. Se genera un error 129 si (a) los bits 7 y 8 están activados simultáneamente, (b) si dos o más de los bits 13, 14, 15 ó 16 están activados simultáneamente o (c) si el bit 7 no está activado cuando los bits 13, 14, 15 ó 16 están activados.
Figura C.2 Estructura de las palabras de comando
Para la habilitación del 8 bit (fig. C.2) se establece un 1 cuando desea enviar mensajes Modbus fuera del PLC. Los mensajes Modbus pueden estar en formato RTU o ASCII. Cuando el número de bits de datos es igual a 8, XXMIT utiliza el formato Modbus RTU. Cuando el número de bits de datos es igual a 7 XXMIT utiliza el formato Modbus ASCII. Utilice sólo el bit 7 o el bit 8 no intente usar los dos.
MsgOut: Contiene los datos del mensaje que se van a transferir.
MsgLen: Debe introducir la longitud del mensaje actual según la función XXMIT seleccionada. La tabla siguiente ofrece una visión general de las funciones Modbus y ASCII:
87
Función XXMIT Mensajes Modbus Mensajes Modbus Entrada ASCII finalizada Entrada ASCII simple Mensajes de cadena ASCII
Subfunción
Longitud de mensaje
01, 02, 03, 04, 05, 06, 08, 15, 16 20, 21
5
6 5 1...1024.
1...1024. La longitud seleccionada debe coincidir con el tamaño de la matriz asignada a MsgOut. De lo contrario, obtendrá el error 129. Tabla C.2 Visión general de las funciones Modbus y ASCII
Port: Especifica la interfase de comunicación. 1 y 2 son los únicos valores autorizados. Port 2 sólo se encuentra disponible en Momentum PLC.
Baudrate: XXMIT admite las velocidades de transmisión de datos siguientes: 50, 75, 110, 134, 150, 300, 600, 1200, 1800, 2000, 2400, 3600, 4800, 7200, 9600, 19200. Para configurar la velocidad de transmisión de datos, introduzca el número decimal correspondiente. Si se introduce una velocidad de datos no válida, el módulo muestra un error de configuración no válida (código de error 127) en el elemento de estado de XXMIT.
Databits: XXMIT admite los bits de datos siguientes: 7 y 8. Para configurar un tamaño de bits de datos, introduzca el número decimal correspondiente en este elemento. Se pueden enviar los mensajes Modbus en modalidad ASCII o RTU. La modalidad ASCII requiere bits de datos 7, mientras que la modalidad RTU requiere bits de datos 8. Cuando se envía un mensaje con caracteres ASCII, puede utilizar bits de datos 7 u 8. Si se introduce un número de bits de datos no válido, el bloque muestra un error de configuración no válida (código de error 127) en el elemento de estado de XXMIT. Para obtener más detalles sobre los formatos de mensajes Modbus.
88
Stopbits: XXMIT admite uno o dos bits de parada. Escriba un decimal: 1 = un bit de parada, o 2 = dos bits de parada. Si se introduce un número de bits de parada no válido, el bloque muestra un error de configuración no válida (código de error 127) en el elemento de estado de XXMIT.
Parity: XXMIT admite las paridades siguientes: ninguna, impar o par. Escriba un decimal: 0 = sin paridad, 1 = paridad impar o 2 = paridad par. Si se introduce una paridad no válida, elemento de estado de XXMIT.
RespTout: Se debe introducir el valor del tiempo en milisegundos (ms) para determinar cuánto tiempo va a esperar XXMIT un mensaje de respuesta válido del equipo slave (PLC, módem, etc.). Además, el tiempo hace referencia a transmisiones ASCII y a operaciones de control de flujo. Cuando el mensaje de respuesta no surge durante el transcurso del tiempo especificado, XXMIT señala un fallo. El rango válido es de 0 a 65.535 ms. El timeout se iniciará después de que se haya enviado el último carácter del mensaje.
RetryLmt: Es necesario introducir el número de reintentos para determinar cuántas veces XXMIT debe enviar un mensaje para obtener una respuesta válida del equipo slave (PLC, módem, etc.). Cuando el mensaje de respuesta no surge dentro del tiempo especificado, XXMIT indica un fallo y muestra un código de fallo. El rango válido es de 0 a 65.535 reintentos. Este campo se utiliza junto con RespTout.
StartDly: Es necesario introducir el tiempo en milisegundos (ms) cuando el control RTS/CTS está activado para determinar cuánto debe esperar XXMIT tras recibir CTS para transmitir un mensaje a la interfase del PLC. Además, puede utilizar este registro aunque RTS/CTS NO esté controlado. En esta situación, el valor de tiempo introducido determina cuánto tiene que esperar el módulo XXMIT antes de enviar un mensaje desde la interfase del PLC. Se puede utilizar como temporizador de retardo de pre-mensaje. El rango válido es de 0 a 65.535 ms.
89
EndDly: Es necesario introducir el tiempo en milisegundos (ms) cuando el control RTS/CTS está activado para determinar cuánto debe XXMIT mantener RTS una vez el mensaje se envía desde la interfase del PLC. Cuando el tiempo ha transcurrido, XXMIT anula el RTS. Además, puede utilizar este registro aunque RTS/CTS NO esté controlado. En esta situación, el valor de tiempo introducido determina cuánto tiene que esperar el módulo XXMIT después de enviar un mensaje desde la interfase del PLC. Se puede utilizar como temporizador de retardo de postmensaje. El rango válido es de 0 a 65.535 ms.
Retry: El valor visualizado muestra el número actual de reintentos realizados por el bloque XXMIT. Este elemento es de sólo lectura.
Active: Un valor 1 indica que XXMIT está realizando una operación.
Done: Un valor 1 indica que la operación de XXMIT se ha completado satisfactoriamente.
Error: Un valor 1 indica que ha surgido un error o que XXMIT ha terminado la operación que estaba llevando a cabo.
MsgIn: Contiene los datos del mensaje entrante, para entradas ASCII finalizadas o ASCII simples. El tipo de datos que se asigne al parámetro debe cumplir los requisitos de la función que se va a efectuar. El tipo de datos debe ser igual al tipo de datos del campo MsgOut.
RecCount: Este elemento muestra el número de caracteres recibidos.
Status: Este elemento muestra un código de fallo generado por el bloque XXMIT. A continuación se muestra en la tabla C.3 con la lista completa de errores.
90
Código de fallo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 99 100 101 102 103 104 105, 106 107
108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126
Descripción del fallo Excepción Modbus - Función no válida Excepción Modbus - Dirección de datos no válida Excepción Modbus - Valor de datos no válido Excepción Modbus - Error en equipo participante slave Excepción Modbus – Confirmación Excepción Modbus - Participante slave ocupado Excepción Modbus - Confirmación negativa Excepción Modbus - Error de paridad de memoria Reservado El área de datos del PLC slave no puede ser cero El área de datos del PLC master no puede ser cero Bobina (0x) sin configurar El área de registro de mantenimiento 4x del PLC master no está configurada La longitud de datos no puede ser igual a cero Reservado Timeout de la transferencia de mensajes (este error aparece cuando el UART no puede completar una transmisión en diez segundos o menos. Este error pasa por alto el contador de reintentos y activa la salida de error en el primer error). Error no definido El módem ha devuelto ERROR El módem ha devuelto SIN PORTADORA El módem ha devuelto SIN TONO DE MARCACIÓN El módem ha devuelto OCUPADO Suma de control LRC no válida desde el PLC slave (consulte la nota que aparece más abajo) Suma de control CRC no válida desde el PLC slave (consulte la nota que aparece más abajo) Código de función Modbus no válido Timeout de mensaje de respuesta Modbus (consulte la nota que aparece más abajo) Timeout de respuesta del módem XXMIT no recibió acceso a la interfase 1 ó 2 de comunicaciones del PLC XXMIT no puede activar el receptor de interfase PLC XXMIT no puede definir UART de PLC Reservado Interfase no válida Reservado Estado interno sin definir No se permite la modalidad Broadcast con este código de función Modbus DCE no ha validado CTS Tabla C.3 Lista completa de errores
91
Código de fallo
Descripción del fallo
127
Configuración no válida (velocidad de datos, bits de datos, paridad o bits de parada) Respuesta inesperada recibida desde Modbus slave (consulte la nota que aparece más abajo) Ajustes de palabra de comando no válidos Palabra de comando modificada mientras se encontraba activa Conteo de caracteres no válido Reservado Error de desborde FIFO en entrada ASCII Cantidad no válida de caracteres de inicio o de caracteres de finalización Reservado La interfase configurada ya está ocupada por otra instancia del XXMIT o este PLC no la admite MsgOut es menor de 12 bytes con la función "Mensajes Modbus Master" Seleccionada La variable conectada a MsgOut es menor que el valor del parámetro MsgLen con la función "Mensajes de cadena ASCII" seleccionada La variable conectada a MsgIn es menor que el valor del parámetro MsgLen cuando está seleccionada la función "Entrada ASCII finalizada" o "Entrada ASCII simple".
128 129 130 131 132 133 134 135...149 150 151 152 153
Tabla C.3 Lista completa de errores
Códigos de función Modbus (de 01 a 06, 15 y 16)
Para los mensajes Modbus, la matriz MsgOut debe contener la tabla de definición Modbus. Debe definirse como campo de palabras. La tabla de definición Modbus para los códigos de función Modbus: 01, 02, 03, 04, 05, 06, 15 y 16 tiene una longitud de cinco registros. Asimismo, se deberá establecer MsgLen en 5 para un funcionamiento satisfactorio de XXMIT. La definición Modbus aparece en la siguiente tabla C.4.
92
Contenido
Descripción
Código de función Modbus (MsgOut[1])
XXMIT admite los siguientes códigos de función: 01 = Leer varias bobinas (0x) 02 = Leer varias entradas digitales (1x) 03 = Leer varios registros de mantenimiento (4x) 04 = Leer varios registros de entrada (3x) 05 = Escribir una bobina (0x) 06 = Escribir un registro de mantenimiento (4x) 15 = Escribir varias bobinas (0x) 16 = Escribir varios registros de mantenimiento (4x)
Cantidad (MsgOut[2])
Introduzca el número de datos que desee escribir en el PLC slave o leer desde él. Por ejemplo, escriba 100 para leer 100 registros de mantenimiento desde el PLC slave o bien escriba 32 para escribir 32 bobinas en el PLC slave. Existe un límite de tamaño en cuanto a la cantidad, que depende del modelo de PLC.
Dirección PLC slave (MsgOut[3])
Introduzca la dirección del PLC slave Modbus. Normalmente el rango de dirección Modbus oscila entre 1 y 247. Para enviar un mensaje Modbus a varios PLC, escriba 0 para la dirección del PLC slave. Esto se denomina modalidad Broadcast. Esta modalidad sólo apoya códigos de función Modbus que escriban datos desde el PLC master a los PLC slave. La modalidad Broadcast NO admite los códigos de función Modbus que lean datos de los PLC slave.
Área de datos del PLC slave (MsgOut[4])
Para un comando de lectura, el área de datos del PLC slave es el origen de los datos. Para un comando de escritura, el área de datos del PLC slave es el destino de los datos. Por ejemplo, cuando desee leer bobinas (de 00300 a 00500) desde un PLC slave, introduzca 300 en este campo. Si desea escribir datos desde un PLC master e introducirlos en el registro (40100) de un PLC slave, escriba 100 en este campo. Según el tipo de comando Modbus (escritura o lectura), los campos de datos de origen y destino se deberán definir como se indica en la tabla de áreas de datos de origen y destino siguiente.
Área de datos del PLC master (MsgOut[5])
Para un comando de lectura, el área de datos del PLC master es el destino de los datos que devuelve el slave. Para un comando de escritura, el área de datos del PLC master es el origen de los datos. Por ejemplo, si desea escribir bobinas (de 00016 a 00032) ubicadas en el PLC master en un PLC slave, introduzca 16 en este campo. Si desea leer registros de entrada (de 30001 a 30100) desde un PLC slave y colocar los datos en el área de datos del PLC master (de 40100 a 40199), introduzca 100 en este campo. Según el tipo de comando Modbus (escritura o lectura). Tabla C.4. Códigos de función.
93
D.1 TIPOS DE FORMATOS DE LOS DATOS Los códigos asociados a cada uno de los diferentes tipos de datos aceptados por el multilin SR-489 son resumidos en la tabla D.1
Tabla D.1 Formato de los datos
94
(Continuación)Tabla D.1 Formato de los datos.
95
(Continuación)Tabla D.1 Formato de los datos.
96
(Continuación)Tabla D.1 Formato de los datos.
97
(Continuación)Tabla D.1 Formato de los datos.
98
E.1 SISTEMA DISTRIBUIDO El sistema Inteligent Automation (I/A) Series es un sistema Industrial abierto que integra y automatiza operaciones de proceso y manufactura. Es un sistema expandible que permite a una Planta ajustar el sistema a sus requerimientos de procesamiento. Otra ventaja es que diversos módulos tienen responsabilidades específicas. Cada módulo se puede comunicar con otros incluso si estos están ubicados físicamente a una gran distancia. En la figura E.1 se muestra un sistema distribuido el cual consta de cuatro módulos.
Figura E.1.Sistema distribuido
E.1.1 PROCESADORES DE UN SISTEMA DISSTRIBUIDO
Las estaciones procesadores de un sistema distribuido serán descritos a continuación:
E.1.2 EL PROCESADOR DE APLICACIONES
El Procesador de Aplicaciones (AP) actúa como un servidor de archivos o host en el nodo. Un servidor de archivos provee servicio de carga de software de arranque (descargar imágenes) para otras estaciones y almacena información desde otras estaciones para ser usada en diferentes aplicaciones. Un ejemplo de servidor de archivo es la descarga de la base de control a estaciones que actualmente están controlando el proceso.
99
El AP también proporciona la interfaz de la red para los dispositivos de almacenamiento como:
CDROM, Cinta magnética, Disco duro y disco flexible (Floppy).
E.1.3 PROCESADOR TRABAJO
El Procesador de Trabajo (WP) actúa como la interfaz humana entre el usuario y el proceso. Este provee las funciones necesarias para operar los distintos dispositivos
con el
usuario. Estos dispositivos básicamente son:
•
CRT de la Estación de Trabajo
•
Teclado Alfanumérico
•
Teclado Anunciador
•
Mouse o trackball
•
Touchscreen
El teclado anunciador puede ser usado para anunciar las alarmas de proceso y la interfaz grafica (display). Un Graphics Controller Input Output (GCIO) es usado como la interfaz entre el teclado anunciador y el WP.
El WP es un terminal gráfico desde el cual los operadores interactúan con las diferentes pantallas de la Serie I/A para:
100
•
Monitorear y controlar las variables de un proceso
•
Recibir notificaciones de las variables de un proceso
•
Tomar acción sobre las alarmas de un proceso
•
Monitorear la salud del hardware del sistema
•
Mostrar datos históricos de un proceso
El personal de control de proceso usa el monitor del WP para interactuar con pantallas de la Serie I/A, configurar, crear y ejecutar reportes.
Además WP provee funciones para almacenar gráficos y archivos de otras estaciones.
E.1.4 PROCESADOR DE COMUNICACIONES
El Procesador de Comunicaciones (COMMP) provee un punto de conexión para comunicarse y controlar dispositivos como: a.
Impresoras
b.
Terminales VT100-compatibles
c.
Modems
Los mensajes de alarmas de control de proceso o reportes son usualmente enviados a la impresora. Además existe la posibilidad de enviar pantallas de despliegues a la impresora.
Otras características de un Procesador de comunicaciones es utilizado para acceder al sistema operativo de cualquier AP o sus programas. Esto permite una flexibilidad al no necesitar estar conectado directamente al terminal AP.
101
E.1.5 EL PROCESADOR DE CONTROL
La función de un Controlador de Proceso (CP) es controlar automáticamente o supervisar el proceso industrial o por lo menos una porción de él. Al reinicializarce, el CP recibe su base de control desde su host AP y la almacena en su memoria. Una base de datos de control es un conjunto de cómputos matemáticos (algoritmos) los cuales realizan funciones específicas. Estos algoritmos permiten activar y dejar fuera de funcionamiento motores y válvulas. Este software de control esta disponible a través del configurador de control integrado (Integrated Control Configurator) y modificado por el personal de control de procesos. Un CP se comunica con el proceso mediante un set predefinido de Módulos de Fieldbus (FBMs) (bus de campo) asignado al CP por el personal de control de procesos.
El Procesador de Control (CP) provee las funciones necesarias para la comunicación entre las otras estaciones de la Serie I/A y el proceso (mediante Fieldbus y FBMs). Además ejecuta esquemas de control ajustados a las necesidades de un proceso dado y una metodología de control.
Un Procesador de Control (CP) controla un proceso (usando su base de datos) envía y recibe señales desde el proceso (dispositivos de campo) a través de un conjunto de módulos de Fieldbus (FBMs). Pero los FBMs no son estaciones. Físicamente, ellos son más pequeños que las estaciones. Lógicamente ellos están en un camino de comunicación separados llamado Fieldbus.
Los FBMs se conectan directamente con el proceso para monitorear y controlar los dispositivos tales como bombas, válvulas de control, transmisores y termocuplas. Ellos pasan la información sobre el proceso al CP dónde queda disponible a una estrategia del control
102
El propósito de un FBM es modificar una señal para hacerla entendible al hardware que la recibe. Por ejemplo una señal análoga debe ser convertida a señal digitalizada para que el CP la entienda. Recíprocamente una señal digitalizada puede necesitar ser convertida en una señal análoga.
E.1.6 LA ESTACIÓN DE APLICACIONES
La Estación de Aplicaciones (AW) es una combinación de un Procesador de Aplicaciones (AP) y una Estación de Proceso (WP). Por lo tanto, se pueden realizar funciones de un AP, tal como recolectar datos históricos y descargar bases de datos. Este también actúa como una interface gráfica similar a un WP.
E.1.7 LA INTERFAZ DUAL DEL NODEBUS
En la serie 50 y 70, los AP, WP, AW no pueden conectarse directamente al nodebus. Por lo tanto, la función de un Dual Nodebus 10Base-T (DNBT) es actuar como la interfaz entre un AP, WP, o AW y una de las estaciones sobre el nodebus. Este transmite datos al AP, WP o AW a través de un cable 10Base-T, con un largo máximo de 91mt.
Para aumentar la longitud se puede usar el Dual Nodebus Interfaz Extender (DNBX). Su función es similar al DNBT sin embargo, con un DNBX es posible alcanzar una distancia máxima de hasta 450 mt.
i
RESUMEN
El presente trabajo tiene como objetivo principal la implementación de una red de monitoreo en tiempo real de dos generadores Caterpillar de 1.8 Mega Watts. Estos generadores son los encargados de suministrar la energía requerida a la planta de Cabo Negro de ENAPMagallanes.
Inicialmente el monitoreo de estos generadores era realizado cada dos horas por un operador que debía revisar manualmente el registro histórico de cada generador almacenado en dos Multilin SR-489. Los equipos Multilin están dedicados al monitoreo de las variables eléctricas de cada generador en forma local.
Al final de este trabajo se implementaron dos enlaces de comunicación para llevar las variables de los dos generadores a la sala de control distribuido de la planta. En la sala de control se integró las variables de los generadores con el sistema de monitoreo de los procesos de la planta que supervisan constantemente los pantallistas.
En el primer enlace se incorporó un PLC ubicado a 58 m de los multilin, para adquirir todas las variables de los dos generadores a través de una red local Modbus. En el segundo enlace se incorporó el PLC a la red principal de la planta a través de la red Modbus Plus. A través de la red Modbus plus es posible transmitir las variables de los generadores almacenadas en el PLC a la sala de control de la planta, a una distancia de 240m.
Como resultado de este trabajo, los pantallistas de la planta de Cabo Negro pueden monitorear en forma permanente el estado de cada generador. Esto permite asegurar la continuidad del funcionamiento de la planta ante una posible falla.
ii
ÍNDICE GENERAL CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN ____________________________________________________________ 1 1.1 DESCRIPCIÓN DE ENAP EN MAGALLANES _________________________________ 1 1.2. PLANTA CABO NEGRO ___________________________________________________ 2 1.3 JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO ___________________________________________ 6 1.4 OBJETIVOS DE LA TESIS __________________________________________________ 7 1.5 DESCRIPCIÓN DE LA TESIS.________________________________________________ 8
CAPÍTULO 2.
2.1
VISIÓN DEL DIAGRAMA GENERAL _____________________________________ 10
2.2 RED MODBUS PLUS _____________________________________________________ 11 2.3 RED MODBUS ___________________________________________________________ 13 2.4 INTERFACES DE COMUNICACIÓN. ________________________________________ 14 2.4.1 INTERFAZ RS-232 _________________________________________________________ 14 2.4.2 INTERFAZ RS-485 _________________________________________________________ 15 2.5 DISTANCIAS FÍSICAS ____________________________________________________ 16 2.6 DETALLES DE LA IMPLEMENTACIÓN DE RED DE COMUNICACIÓN __________ 17 2.7 GENERADORES CATERPILLAR___________________________________________ 18
CAPÍTULO 3.
3.1 GENERALIDADES DEL MULTILIN (SR-489)_________________________________ 21 3.2 PROTECCIÓN Y CONTROL _______________________________________________ 22
iii
3.3 PUERTO DE COMUNICACIÓN RS-485 ______________________________________ 23 3.4 PUERTO DE COMUNICACIÓN RS-232 _____________________________________ 24 3.5 PROGRAMACIÓN DEL MULTILIN SR-489 __________________________________ 24 3.5.1 PROGRAMACIÓN POR TECLADO _________________________________________ 25 3.5.2 PROGRAMACIÓN POR SOFTWARE 489PC _________________________________ 25
CAPÍTULO 4.
4.1 GENERALIDADES SOBRE PLCs ___________________________________________ 27 4.2 UNIDADES DE FUNCIONAMIENTO DE UN PLC _____________________________ 28 4.2.1 FUENTE DE ALIMENTACIÓN (CPS) ________________________________________ 28 4.2.2 UNIDAD CENTRAL DE PROCESO (CPU) ___________________________________ 29 4.2.3 UNIDAD PROCESADORA DE COMUNICACIÓN ____________________________ 29 4.2.4 PANEL POSTERIOR DE 4 POSICIONES _____________________________________ 29 4.3 DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE DE PROGRAMACIÓN CONCEPT 2.6 XL _______ 30 4.3.1 REQUERIMIENTOS PARA LA INSTALACIÓN DE CONCEPT 2.6 XL __________ 30 4.3.2
CARACTERÍSTICAS DE LAS APLICACIONES DE CONCEPT 2.6 XL _________ 31
4.3.3LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN EN CONCEPT 2.6 XL ______________________ 32 4.3.3.1 DIAGRAMA DE FUNCIONES EN BLOQUE (FBD) _____________________ 33 4.3.3.2 DIAGRAMA DE ESCALERA (LD) ___________________________________ 34 4.3.3.3 GRAFICO DE FUNCIONES SECUENCIALES (SFC) ____________________ 34 4.3.3.4 LISTA DE INSTRUCCIONES (IL) ____________________________________ 35 4.3.3.5 TEXTO ESTRUCTURADO (ST)______________________________________ 36 4.3.4 CREACIÓN DE UN PROYECTO EN CONCEPT 2.6 XL ________________________ 36
iv
4.3.4.1 CONFIGURACIÓN DEL PLC ________________________________________ 37 4.3.4.2 ASIGNACIÓN DE DIRECCIONES ____________________________________ 39
CAPÍTULO 5.
5.1
GENERALIDADES DEL SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO ____________ 41
5.2
ARQUITECTURA DE UN SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO ___________ 42
5.3
SOFTWARE DE LA SERIE I/A ___________________________________________ 43
5.3.1 CARACTERÍSTICAS DEL SOFTWARE DE LA SERIE I/A _____________________ 43 5.3.2EL SISTEMA OPERATIVO __________________________________________________ 44 5.2.3LA INTERFAZ HUMANA DE LA SERIE I/A _________________________________ 44 5.2.4FOXVIEW__________________________________________________________________ 44
CAPÍTULO 6.
6.1 ENLACES DE COMUNICACIÓN ___________________________________________ 48 6.2 COMUNICACIÓN MULTILIN (SR-489) - PLC_________________________________ 48 6.3 COMUNICACIÓN PLC - DCS ______________________________________________ 54 6.4 PANTALLAS PARA EL MONITOREO DE LOS GENERADORES ________________ 56
CAPÍTULO 7.
7. CONCLUSIONES__________________________________________________________ 59
BIBLIOGRAFÍA _____________________________________________________________ 61
v
ANEXOS.
ANEXO A.
A.1
DESCRIPCIÓN FÍSICA DEL MULTILIN SR-489 ____________________________ 62
A.2
PROGRAMACIÓN POR TECLADO ______________________________________ 65
ANEXO B.
B.1 DIRECCIONES DE LAS VARIABLES DISPONIBLES Y ALARMAS______________ 72
ANEXO C.
C.1 BLOQUE XXMIT _________________________________________________________ 85
ANEXO D.
D.1 TIPOS DE FORMATOS DE LOS DATOS _____________________________________ 93
ANEXO E.
E.1 SISTEMA DISTRIBUIDO __________________________________________________ 98 E.1.1PROCESADORES DE UN SISTEMA DISSTRIBUIDO __________________________ 98 E.1.2 EL PROCESADOR DE APLICACIONES______________________________________ 98 E.1.3 PROCESADOR TRABAJO__________________________________________________ 99 E.1.4 PROCESADOR DE COMUNICACIONES ___________________________________ 100 E.1.5 EL PROCESADOR DE CONTROL _________________________________________ 101 E.1.6 LA ESTACIÓN DE APLICACIONES _______________________________________ 102 E.1.7 LA INTERFAZ DUAL DEL NODEBUS _____________________________________ 102
NIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD PUNTA ARENAS
“IMPLEMENTACIÓN DE UNA RED DE MONITOREO PARA GENERADORES CATERPILLAR DE 1.8 M WATTS EN ENAP MAGALLANES PLANTA DE CABO NEGRO”
Jorge Andrés Noceti Piffaut 2007
La presente memoria de titulación ha sido aprobada con la siguiente calificación: Alumno Jorge Andrés Noceti Piffaut
Memoria
:
Examen de título
:
Nota Final
:
Sr. Luís González Veloso Director Departamento De Ingeniería eléctrica
Punta Arenas, 07 de Junio de 2007
UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA EN ELECTRICIDAD
“IMPLEMENTACIÓN DE UNA RED DE MONITOREO PARA GENERADORES CATERPILLAR DE 1.8 M WATTS EN ENAP MAGALLANES PLANTA DE CABO NEGRO”
Trabajo de titulación presentado en conformidad a los requisitos para obtener el título de Ingeniero de Ejecución en electricidad. Profesor Guía
: Rolando Aguilar Cárdenas
Jorge Andrés Noceti Piffaut 2007