REP PÚBLICA BOLIVARIIANA DE VENEZUEL V LA MINIST TERIO DEL L PODER POPULAR P R PARA LA A EDUCAC CIÓN SUPE ERIOR UNIVERS SIDAD RAFAEL URD DANETA FACU ULTAD DE E INGENIE ERÍA E ESCUELA DE INGEN NIERÍA EL LÉCTRICA
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H C E DIS SEÑO DE UN U SISTEM MA INTEL LIGENTE PARA P EL D DIAGNÓSTICO DE ER D FALL LAS EN LO OS GRUPO OS ELECT TROGENO OS DEL HO OSPITAL GENERAL G L DEL L SUR “DR R. PEDRO ITURBE”
TRABA AJO ESPECIAL DE GRADO G PA ARA OPTA AR AL TÍTULO T DE E INGENIE ERA ELECTRICISTA A
ado por: Presenta BR. ANDRADE PORTIL LLO, Angélica Verónica. C.I. 20.058.441. UEZ, Daya ana Carolin na. BR.VARGAS RODRÍGU C.I. 18.662.469. Tutor Académ mico: G. Geryk Nuñez. ING
Tutorr Industria al: ING. Ne emias Cas stro.
M Maracaibo, 1 Abril 2011
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H C E DISEÑO DE UN SISTEMA INTELIGENTE PARA EL DIAGNÓSTICO DE ER D FALLAS EN LOS GRUPOS ELECTROGENOS DEL HOSPITAL GENERAL DEL SUR “DR. PEDRO ITURBE”
REP PÚBLICA BOLIVARIIANA DE VENEZUEL V LA MINIST TERIO DEL L PODER POPULAR P R PARA LA A EDUCAC CIÓN SUPE ERIOR UNIVERS SIDAD RAFAEL URD DANETA FACU ULTAD DE E INGENIE ERÍA E ESCUELA DE INGEN NIERÍA EL LÉCTRICA
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H C E DIS SEÑO DE UN U SISTEM MA INTEL LIGENTE PARA P EL D DIAGNÓSTICO DE DER FALL LAS EN LO OS GRUPO OS ELECT TROGENO OS DEL HO OSPITAL GENERAL G L DEL L SUR “DR R. PEDRO ITURBE”
Presenta ado por:
BR. ANDRADE A E PORTILL LO, Angélica Verón nica. C.I. 20.058.441.
BR.VARGAS RODRÍGU UEZ, Daya ana Carolin na. C.I. 18.662.469.
APROBACIÓN Este jurado aprueba el Trabajo Especial de Grado titulado: “DISEÑO DE UN SISTEMA INTELIGENTE PARA EL DIAGNÓSTICO DE FALLAS EN LOS GRUPOS ELECTROGENOS DEL HOSPITAL GENERAL DEL SUR “DR. PEDRO ITURBE” presentado por los bachilleres: ANGELICA V. ANDRADE P., potadora de la C.I. 20.058.441 y DAYANA C. VARGAS R., portadora de la C.I. 18.662.469, en cumplimiento con los requisitos establecidos para optar por el título de INGENIERA ELECTRICISTA.
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PROF. Geryk Nuñez Tutor Académico
_______________________________ ING. Nemias Castro Tutor Industrial
_______________________________ PROF. Arnaldo Largo Director de la escuela de eléctrica
_______________________________ PROF. Oscar Urdaneta Decano de la Facultad de Ingeniería
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DEDICATORIA
El cumplimiento de este logro en nuestra vida va dedicado: A Dios, por estar siempre presente en nuestras vidas y guiarnos en todo momento. A nuestros padres y hermanos por su apoyo, paciencia y amor incondicional. A nuestros amigos por ser parte fundamental en este logro
Angélica Andrade y Dayana Vargas
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AGRADECIMIENTOS La culminación de esta investigación, que representa un logro más en mi vida, no hubiese sido posible sin la ayuda de muchas personas e instituciones, es por ello que doy gracias: A ti mi Dios, por significar la luz que guía cada paso que doy y por darme la esperanza que cada dia de mi vida será mejor por sobre todas las cosas… A mi mama y mi hermano, por toda la unión y el amor brindado, espero seguir creciendo por ustedes, siendo el reflejo de lo que he recibido desde que nací…
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A mi Universidad, por brindarme el mayor conocimiento que hoy tengo…
SE E R A mis estimados tutores, Geryk Nuñez OS y Nemias Castro, por sus sabios consejos que H C E los hacen un tutor ejemplar… R E D A mis queridos amigos, en especial a Mariana, Inga, Cesar, Jorge, Andrés, Kelly, Favio y Luis, con quienes compartí grandes experiencias, por su amistad y ayuda incondicional… Al Hospital General del Sur “Dr. Pedro Iturbe”, por su colaboración, objetividad e interés que me permitió darles este valioso aporte… A la Prof. Nancy Mora, porque siempre estuvo dispuesta a brindarnos sus conocimientos tanto profesionales como personales… A mi amiga y compañera de tesis Dayana por toda la paciencia y amistad durante todo este tiempo. A todos mil gracias… Angélica Andrade
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AGRADECIMIENTOS A dios en primer lugar por darme la fuerza necesaria para cumplir este logro, por darme salud y regalarme este éxito, que ahora puedo disfrutar. A mis padres que en todo momento confiaron en mí, por estar presente y brindarme su apoyo incondicional. Esperando que puedan sentirse orgullosos por este triunfo. A toda mi familia por estar hay en todo momento, y entender porque muchas veces no pude compartir con ellos, este es el resultado.
Al hospital por darnos esta oportunidad de trabajar con ellos y de confiar en nuestros
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conocimientos para este trabajo. Al ingeniero Nemias Castro, por sus conocimientos
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compartidos y por toda su ayuda.
H C E ER profesores ya que nos dieron las bases de lo que seremos colaboración. D A nuestros
A mis tutores Prof. Geryk Nuez y la Prof. Nancy Mora en especial por su paciencia y
en el futuro, sus enseñanzas son más que académicas, son enseñanzas de vida. A todos mis amigos, que estuvieron conmigo desde el inicio: Mariana Ortiz, Leandro López, Alfredo Vesga, Sergio Sarcos, Grecia Alaña, Rafael Rincon. Y a todos aquellos que se incorporaron a lo largo de mi carrera: Juan Cabrera, Roberto Leal, Juan Olivares, Yeysi Perez, Guillewill Morillo, Nancy Torres y Gabriela Nuñez. En especial quiero agradecer a dos personas especiales, que a pesar de que una de ellas no se encuentre físicamente me han dado todo su apoyo, fuerza, animo y no han dejado que decaiga y se que se encuentran orgullosos de mi triunfo y de todo lo que e logrado. Gracias Morales y Bencomo. Finalmente a mi compañera de tesis, por todos los momentos compartidos a lo largo de este trabajo, las largas horas sin dormir y todo el sufrimiento pasado para poder consolidar este triunfo que hoy nos pertenece.
Dayana Vargas
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ANDRADE P. Angélica Verónica, VARGAS R. Dayana C. “DISEÑO DE UN SISTEMA INTELIGENTE PARA EL DIAGNÓSTICO DE FALLAS EN LOS GRUPOS ELECTRÓGENOS DEL HOSPITAL GENERAL DEL SUR “DR. PEDRO ITURBE”, Trabajo Especial de Grado para optar al título de Ingeniera Electricista, Facultad de Ingeniería, Escuela de Ingeniería Eléctrica. Maracaibo-Venezuela, 2011.
RESUMEN El Hospital General del Sur posee dos grupos electrógenos capaces de cubrir la demanda de la carga crítica durante un tiempo sin la alimentación de la red eléctrica. Estos equipos actualmente no poseen una forma de detectar fallas. Para realizar un sistema inteligente capaz de diagnosticar fallas, se necesita conocer la situación actual de los grupos electrógenos, realizando un análisis del sistema de alimentación del hospital y energía auxiliar. Se observó el proceso de funcionamiento de los grupos electrógenos determinando las especificaciones técnicas del generador y motor, además se elaboró un estudio de carga crítica, donde se determino que los grupos electrógenos se encuentran trabajando por debajo de su condición nominal, junto con la descripción de las fallas, equipos de medición, control y protección del sistema, permitiendo emitir un diagnóstico final, a través de entrevistas y visitas a la institución. Para poder realizar el diseño, se establecieron los requerimientos técnicos, operativos y económicos, las cantidades de equipos y las variables a controlar, incluyendo las condiciones de funcionamiento nominal, fuera de la nominal y de emergencia. Con el fin de evaluar el funcionamiento y supervisión del sistema inteligente, se realizaron simulaciones en el programa, expresando las características del software y la base de datos utilizadas. Este moduló, le permitirá al operador mantener un constante monitoreo de las variables, indicará con una alarma visual y sonora cuando se presente una falla, y realizará la transferencia automática entre la red eléctrica y de emergencia, además de calcular los desbalances y emite alarmas cuando el tanque de combustible llega a nivel mínimo (10%).
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Palabras Claves: Diseño de un sistema inteligente, diagnóstico de fallas, grupos electrógenos.
Andrade Angélica: e-mail:
[email protected] Vargas Dayana: e-mail:
[email protected]
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ANDRADE P. Angélica Verónica, VARGAS R. Dayana C. “DESIGNING OF AN INTELLIGENT SYSTEM FOR THE DIAGNOSTIC OF FLAWS IN THE GENERATOR SETS OF THE HOSPITAL GENERAL DEL SUR “DR. PEDRO ITURBE” .. Special Degree to qualify for the title of Electrical Engineering. Rafael Urdaneta University, Faculty of Engineering, School Electrical Engineering. Maracaibo-Venezuela, 2011.
ABSTRACT The Hospital General del Sur possess two generator sets, capable of covering the critical load demand in times of no feeding in the electrical network. These equipments actually don’t possess a way of detecting flaws. To develop an intelligent system capable of detecting flaws, it’s necessary to know the actual situation of the generator sets, making an analysis of the feeding system of the hospital and its auxiliary energy. The operating process of the generator sets was observed, determining the technical specifications of the generator and the engine, furthermore, an study of the critical load was made, where it was determined that the generator sets were working beneath their nominal condition; together with flaws descriptions, the measurement equipments, control and protection of the system, allowing a final diagnostic, through interviews and visits to the institution. To be able to create the design, the technical requirements, operative and economical, the quantity of equipments and the variables for controlling was establish, including the nominal operative conditions, the off-rated nominal and emergency conditions. With the porpoise of evaluate the functioning and supervision of the intelligent system, simulations in the program were made, expressing the features of the software and the used data base. This module will allow the operator, to keep a constant check of the variables, will indicate, with a visual and sonorous alarm, when a flaw is present, and it will make an automatic transfer between the electrical and emergency networks, furthermore it will calculate the unbalance and will emit alarms when the combustible tank gets to its minimum (10%).
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Key Words: designing of an intelligent system, flaws diagnostic, generator sets.
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ÍNDICE GENERAL Pág.
APROBACIÓN………………………………………………………………………
iv
DEDICATORIA………………………………………………………………………
v
AGRADECIMIENTOS………………………………………………………………
vi
RESUMEN……………………………………………………………………………
viii
ABSTRACT………………………………………………………………………….
ix
ÍNDICE GENERAL………………………………………………………………….
x
ÍNDICE DE TABLAS………………………………………………………………..
xiv
ÍNDICE DE FIGURAS………………………………………………………………
xvi
OS D A V ÍNDICE DE ANEXOS………………………………………………………………. R E ES R INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………… S HO C E DER CAPÍTULO I: EL PROBLEMA
xiv 1
1.1.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA………………………………………….
4
1.2.
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA……………………………………….…….
8
1.3.
OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN…………………………………………
9
1.3.1. OBJETIVO GENERAL……………………………………………………
9
1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS…………………….………………………
9
1.4.
JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN….………………………………..
9
1.5.
DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN…………………….………………
10
1.5.1. DELIMITACIÓN ESPACIAL…………………………………………….
10
1.5.2. DELIMITACIÓN TEMPORAL…………………………………………..
10
1.5.3. DELIMITACIÓN CIENTÍFICA……………………………….………….
10
CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO 2.1.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA…………………………………....
13
2.2.
ANTECEDENTES…………………………………………………………………
15
2.3.
BASES TEÓRICAS………………………………………………………………
16
2.3.1. SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN………………………………………….
16 x
2.3.2. DIAGRAMA UNIFILAR…………………………………………………..
16
2.3.3. ESTUDIO DE CARGA……………………………………………………
17
2.3.4. MANEJO DE CARGA………………………………………………….
18
2.3.5. CARACTERÍSTICAS QUE DESCRIBEN EL COMPORTAMIENTO DE LA CARGA DEL SISTEMA ELÉCTRICO………………………………….
18
2.3.5.1. CARGA CONECTADA…………………………………………...
18
2.3.5.2. DEMANDA………………………....………………………………
18
2.3.5.3. DEMANDA MÁXIMA……………………………………………...
19
2.3.5.4. DEMANDA PROMEDIO………………………………………….
19
2.3.5.5. FACTOR DE UTILIZACIÓN DEL SISTEMA…………………..
OS D A V R 2.3.7. DETERMINACIÓN DE LAS ECARACTERÍSTICAS PARA S E GENERADORES PARA PLANTAS S RELÉCTRICAS…………………………… O H C DE TENSIÓN………………………………………… E 2.3.8. VARIACIONES R DE 2.3.9. DESBALANCE DE CORRIENTE………………………………………..
19
2.3.10. GRUPOS ELECTRÓGENOS…………………………………………..
22
2.3.11. CONTROLES LÓGICOS PROGRAMABLES………………………...
36
2.3.12. APLICACIONES DE LOS PLC…………………………………………
37
2.3.13. UNIDADES FUNCIONALES……………………………………………
37
2.3.14. LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN ORIENTADOS A PLC…………
48
2.3.15. ESPECIFICACIONES DE UN PLC INDUSTRIAL……………………
50
2.3.16. CONSIDERACIONES DE INSTALACIÓN Y MONTAJE…………….
52
2.4.
DEFINICIÓN TÉRMINOS BÁSICOS……………………………………………
52
2.5.
OPERACIONALIZACIÓN DE LA VARIABLE…………………………………..
55
2.3.6. SISTEMA ELÉCTRICO ESENCIAL DE UN HOSPITAL..…………….
20
21 21 21
CAPÍTULO III: MARCO METODOLÓGICO 3.1.
TIPO DE INVESTIGACIÓN…………………………..….………………………
59
3.2.
DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN ……………………………………………..
60
3.3.
POBLACIÓN Y MUESTRA………………………………………………………
63
3.4.
TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS…….…...
63
3.5.
FASES DE LA INVESTIGACIÓN………………………………………………..
66 xi
CAPÍTULO IV: ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS 4.1.
DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO DEL HOSPITAL GENERAL DEL SUR DR. PEDRO ITURBE…………………………………………………
4.2.
69
DESCRIPCIÓN DE LOS GRUPOS ELECTRÓGENOS DEL HOSPITAL GENERAL DEL SUR DR PEDRO ITURBE………….………………………...
72
4.2.1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL GENERADOR SÍNCRONO...
73
4.2.2. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL MOTOR DIESEL………….…
74
4.2.3. DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS DE CONTROL, PROTECCIÓN Y MEDICIÓN……………………………………………………………………… 4.3.
76
EVALUACIÓN DE LA CAPACIDAD DEL SISTEMA DE GENERACIÓN
4.7.
OS D A V R ESTUDIO DE CARGA CRÍTICA………………………………………………... E ES R MEDICIONES Y CÁLCULOSS REALIZADOS………………………………….. O H C E DESBALANCE ERDE CORRIENTE Y VARIACIÓN DE TENSIÓN……………. D CAPACIDAD REQUERIDA PARA GENERACIÓN AUXILIAR……………….
4.8.
FACTOR DE UTILIZACIÓN……………………………………………………...
86
4.9.
REPORTE DE FALLAS DE LOS GRUPOS ELECTRÓGENOS…………….
86
AUXILIAR…………………………………………………………………………..
4.4. 4.5. 4.6.
80 81 81 83 85
4.10. DIAGNOSTICO DE LA SITUACIÓN ACTUAL DE LOS GRUPOS ELECTRÓGENOS………………………………………………………………...
87
4.11. CONFIABILIDAD………………………………………………………………….
88
4.12. CONMUTACIÓN AUTOMÁTICA………………………………………………..
88
4.13. REQUERIMIENTOS
TÉCNICOS,
OPERATIVOS
Y
ECONÓMICOS
APLICADOS PARA EL DISEÑO DEL SISTEMA INTELIGENTE……………
89
4.13.1. SISTEMA DE PROTECCIÓN DEL GENERADOR……..……………
89
4.13.2. SISTEMA DE PROTECCIÓN DEL MOTOR.…………………………
90
4.14. CARACTERÍSTICAS DEL PLC…………………….……………………………
91
4.15. MÓDULO DE CONTROL………………………………………………………...
92
4.16. PRESUPUESTO
DE
EQUIPOS
PROPUESTOS
PARA
LA
IMPLEMENTACIÓN DEL PLC…………………………………………………..
100
4.17. CONDICIONES DE OPERACIÓN NOMINAL, FUERA DE LA NOMINAL Y DE EMERGENCIA………………………………………………………………..
101 xii
4.18. CARACTERÍSTICAS DEL SOFTWARE STEP 7……………………………...
102
4.19. DISEÑO DEL SISTEMA………………………………………………………….
104
4.19.1.
FUNCIONAMIENTO…….……………………………………………..
104
4.19.2.
PROGRAMACIÓN PRINCIPAL………………………………………
106
4.19.3.
DEFINICIÓN
DE
VARIABLES
UTILIZADAS
PARA
LA
PROGRAMACIÓN………………………………………………………………...
122
4.20. SIMULACIÓN DEL DISEÑO DEL SISTEMA INTELIGENTE PARA EL DIAGNÓSTICO DE FALLAS…………….......................................................
122
CONCLUSIONES…………………………………………………………………………
132
RECOMENDACIONES…………………………………………………………………..
134
OS D A V R BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………....... E ES R ANEXOS………………………………………………………………………………….. S O H C E DER
136 139
xiii
ÍNDICE DE TABLAS Pág. Tabla 2.1
Operacionalización de la variable……………….…………………..
Tabla 4.1
Características técnicas del generador síncrono marca Caterpillar modelo 3408CAT…………………...................................................
Tabla 4.2
Tabla 4.5
Tabla 4.6
Tabla 4.7
OS D A V modelo 110-JD404A…………………………………………………….. R E S E R Mediciones del estudio de carga (grupo electrógenos Caterpillar S HO C modelo 3408CAT)……………………………………………………… E ER D Resultados del estudio de carga (grupo electrógenos Caterpillar
76
modelo 3408CAT)………………………………………………………
82
Características técnicas del motor diesel marca John Deere
84
84
Porcentaje de desbalance de las corrientes (grupo electrógenos Caterpillar modelo 3408CAT)………………………………………….
Tabla 4.12
83
Porcentaje de variación de las tensiones (grupo electrógenos John Deere modelo 110-JD404A)…………………………………………..
Tabla 4.11
83
Porcentaje de variación de las tenciones (grupo electrógenos Caterpillar modelo 3408CAT)…………………………………………
Tabla 4.10
82
Resultados del estudio de carga (grupo electrógenos John Deere modelo 110-JD404A)…………………………………………………..
Tabla 4.9
76
Mediciones del estudio de carga (grupo electrógenos John Deere modelo 110-JD404A)……………………………….………………….
Tabla 4.8
74
Características técnicas del motor diesel marca Caterpillar modelo 3408CAT………………..………..……………..……………………….
Tabla 4.4
74
Características técnicas del generador síncrono marca John Deere modelo 110-JD404A.……………………..……………………………
Tabla 4.3
56
84
Porcentaje de desbalance de las corrientes (grupo electrógenos John Deere modelo 110-JD404A)………………..…………………..
84
Tabla 4.13
Sistema de protección del generador…………………...……………..
89
Tabla 4.14
Precio de los equipo……………………………...……………………...
100
Tabla 4.15
Entradas del PLC………………………………………………………...
104 xiv
Tabla 4.16
Salidas del PLC………………………………………………………….
H C E ER
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DO A V R
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ES R S O
105
xv
ÍNDICE DE FIGURAS Pág. Figura 2.1
Estructura Organizativa del Hospital General del Sur Dr. Pedro Iturbe…………………………………………………………………….
14
Figura 2.2
Diagrama de las potencia……………………………………..………
23
Figura 2.3
Funcionamiento en paralelo de los grupos electrógenos…………
29
Figura 2.4
Protección del grupo electrógeno…………………………………….
33
Figura 2.5
Interruptor automático……………………...………………………….
35
Figura 2.6
Ejemplo del empleo de un PLC en un control de proceso............
PLC…………………………………………………………………….....
38
Figura 2.11
OS D A Diagrama de un PLC con dispositivosR deV entrada y salida ……….. E S RE SCR…..…………………………………………………………………… S O H C TRIAC…………………………………………………………………..... E ER D Montaje de módulos………………………………...............................
36
Figura 2.12
Módulos de comunicaciones………………..…………………………
45
Figura 2.13
Módulos de control de redundancia……………………………………
45
Figura 2.14
Módulos para conexiones de racks remotos…………………………
46
Figura 2.15
Módulos de interfaz hombre-máquina…………………………………
46
Figura 2.16
Módulos controladores PID……………………………………………..
47
Figura 2.17
Configuración básica de un PLC de 16 entradas y 16 salidas……...
48
Figura 4.1
Diagrama unifilar de la red de alimentación eléctrica en el Hospital
Figura 2.7 Figura 2.8 Figura 2.9 Figura 2.10
38 41 42 44
General del Sur Dr. Pedro Iturbe………………………………………
69
Figura 4.2
Placa característica del Switch de Transferencia Principal…………
70
Figura 4.3
Gabinete de control del Switch de transferencia principal…………
71
Figura 4.4
Generador con motor diesel marca Caterpillar modelo 3408CAT..
72
Figura 4.5
Generador con motor diesel marca John Deere modelo 110JD404A……......................................................................................
Figura 4.6
73
Vista frontal del gabinete de control marca Caterpillar modelo 3408CAT……....................................................................................
80
xvi
Figura 4.7
Vista frontal del gabinete de control marca John Deere modelo 110-JD404A……………………………………………………………...
80
Figura 4.8
Multímetro digital marca KYORITSU modelo NEW SNAP 2017…..
81
Figura 4.9
CPU 1212C…………………………………………………………........
92
Figura 4.10
Pantalla Simatic HMI……………………………………………………
94
Figura 4.11
Transmisor SITRAN TH200……………………………………………
96
Figura 4.12
Sensor Pointek CLS 200………………………………………………
97
Figura 4.13
Sentron PAC3200………………………………………………………
99
Figura 4.15
Programación principal…………………………………………………
107
Figura 4.17
OS Desbalance de corriente……………………………………….……… D A V R E Desbalance de corriente (continuación)……………………………… ES R S Variación de voltaje……………………………………………………… HO C E ER de voltaje (continuación)………………………………….. Variación D
108
Variación de frecuencia…………………………………………………
112
Figura 4.23
Variación de frecuencia (continuación)………………………………
113
Figura 4.24
Falla de arranque………………………………………………………
114
Figura 4.25
Nivel bajo de combustible..……………………………………………
115
Figura 4.26
Alta temperatura………………………………………………………
115
Figura 4.27
Alta temperatura (continuación)………………………………………
116
Figura 4.28
Alarmas……………………………………………………………………
116
Figura 4.29
Alarmas (continuación)…………………………………………………
117
Figura 4.30
Temporizador de 4 segundos…………………………………………
118
Figura 4.31
Temporizador de 15 minutos……………………………………………
119
Figura 4.32
Escalar de valores analógicos de las termocuplas…………………
119
Figura 4.33
Escalar de valores analógicos de las termocuplas (continuación)…
120
Figura 4.34
Lectura de los módulos SENTRON PAC3200………………………..
120
Figura 4.35
Lectura de los módulos SENTRON PAC3200 (continuación)……
121
Figura 4.36
Pantalla principal, Diagrama unifilar del sistema eléctrico…………
122
Figura 4.37
Pantalla de alimentación principal……………………………………
123
Figura 4.38
Pantalla principal del grupo electrógeno 1……………………………
123
Figura 4.18 Figura 4.19 Figura 4.20 Figura 4.21 Figura 4.22
Ciclo interrumpido……………………………………………………….
109 110 111 112
xvii
Figura 4.39
Pantalla principal del grupo electrógeno 2…………………………..
124
Figura 4.40
Alarma en pantalla principal……………………………………………
124
Figura 4.41
Alarma en pantalla de alimentación principal…………………………
125
Figura 4.42
Alarma en pantalla principal del grupo electrógeno 1………………
125
Figura 4.43
Alarma en pantalla principal del grupo electrógeno 2………………
126
Figura 4.44
Alarma de variación de tensión en alimentación principal…………
127
Figura 4.45
Alarma de desbalance de corriente en alimentación principal………
127
Figura 4.46
Alarma de variación de frecuencia en alimentación principal………
128
Figura 4.47
Alarma en de transferencia automática activada……………………
128
Figura 4.48
Alarma de variación de tensión en grupos electrógenos……………
129
Alarma de desbalance de corriente en grupos electrógenos………
129
Figura 4.49 Figura 4.50 Figura 4.51 Figura 4.52 Figura 4-53
OS D A V Alarma de variación de frecuencia E en R grupos electrógenos……… ES R Alarma en Variación de tensión en grupos electrógenos…………… S O H C Ebajo nivel de combustible…………………………………. Alarma de R E D Alarma de falla en el sistema de arranques de los grupos electrógenos......................................................................................
130 130 131
131
xviii
ÍNDICE DE ANEXOS Pág.
ANEXO A
Entrevista al personal……….……………………………………….…
142
ANEXO B
Variables utilizadas para la programación……………….…………..
143
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CAPÍTULO I EL PROBLEMA
CAPITULO I EL PROBLEMA
1.1.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El uso de la energía eléctrica requiere la aplicación de estrictas normas, debido a la exigencia de la carga según el sistema eléctrico, siempre tratando de garantizar que la red eléctrica se mantenga operativa. El sistema de suministro eléctrico, comprende el
S el transporte y O D Adotado de mecanismos de la distribución de la energía eléctrica. Este conjunto está V R SqueEla demanda 1de energía, aumente E control, seguridad y protección. Se espera R HOSaños a causa de crecimiento demográfico y el considerablemente en E losCpróximos DER muchas personas en el mundo experimentan en la actualidad desarrollo económico, conjunto
de
medios
y
elementos
útiles
para
la generación,
profundos cambios en sus estilos de vida a medida que se pasa de una economía de subsistencia a una economía basada en la industria o en los servicios. Los incrementos mayores en la demanda de energía se registrarán en los países en desarrollo. Una gran proporción del aumento de la demanda de energía resultará del rápido crecimiento de las economías asiáticas, especialmente China y la India. La demanda proyectada de energía en los países en desarrollo de Asia crecerá a un ritmo del 3,7 por ciento anual, cifra muy superior a la de cualquier otra región. En la actualidad, dependemos cada vez más de la energía eléctrica en nuestra vida cotidiana. Ya no es sólo nuestra fuente de iluminación en horas nocturnas. Todo nuestro confort, así como nuestras actividades comerciales e industriales, está total y absolutamente ligado al uso de la energía eléctrica. Tanto nos hemos acostumbrado a su uso, que ya pasa desapercibida su absoluta necesidad en nuestras actividades diarias.
Sólo
la
falta
de
ella,
nos
devuelve
a
la
realidad
y
a
su
importancia, por lo que la suspensión del suministro de energía trae consecuencias desastrosas como molestias a los usuarios, pérdida del confort y productividad.
4
En la mayoría de los países, uno de los componentes más importantes de los sistemas eléctricos es el de distribución. En este aspecto, al momento de suministrarle energía a un hospital, se utiliza como mínimo una estructura de alimentación en doble derivación con generación de emergencia, ya que se presenta la necesidad de asegurar una elevada continuidad eléctrica, pues esta instalación es del tipo sensible debido a que una interrupción momentánea del sistema eléctrico causa daños considerables tanto materiales como humanos. Por lo anteriormente expuesto, el Código Eléctrico Nacional prevé el suministro continuo en las instalaciones hospitalarias, bajo el criterio del intervalo de tiempo, que podrá soportar un paciente en estado crítico sin sus equipos de soporte o un cirujano en
OS D A V R segundos. Esta normativa establece como servicios críticos de un hospital, aquellas E S E unidades médicas en las que se emplean S R equipos de soporte vital, las unidades en las O H C E que se realizan procesos R E de intervención con “fases críticas”, los Servicios Esenciales D de Soporte y Atención de Urgencias, las Infraestructuras de Telecomunicaciones, intervención sin iluminación en el Quirófano, dicho tiempo no debe ser mayor a 10
Sistemas de Información y la de Seguridad. En este aspecto, la mayoría de los hospitales de asistencia pública, cubren solo la parte de iluminación y equipos médicos ubicados en las aéreas de Cuidados Intensivos, Emergencia, Quirófanos, Unidad de Quemado y el Área de Incubadoras. A fin de garantizar la continuidad en el servicio, las instalaciones hospitalarias deben contar con equipos de generación eléctrica alternativa, de respaldo o emergencia. En el sector hospitalario, la fuente de generación por excelencia la constituyen los grupos electrógenos diesel, cuyo principio se basa en la conversión de energía mecánica en energía eléctrica a partir de un motor de combustión interna. Sin embargo, se debe considerar la emisión de gases tóxicos producto del tipo de combustible utilizado, para su puesta en servicio, por tanto se deben observar ciertas normas establecidas para poder minimizar su impacto. Cuando se utilizan grupos electrógenos para suministrar energía eléctrica en caso de emergencia, es importante tomar ciertas precauciones para asegurar su puesta en servicio y su conexión rápida y correcta en caso de necesidad. El fabricante del 5
grupo debe proporcional una lista de precauciones, así como garantizar un tiempo de arranque de unos quince segundos, desde la orden de arranque hasta el cierre del interruptor automático del grupo. Para el arranque de los grupos electrógenos se utilizan normalmente dos técnicas: la batería de acumuladores y el aire comprimido, usándose este último en grupos electrógenos de gran potencia. Todo grupo debe poseer un sistema de supervisión que permita un mantenimiento preventivo, evitando así el fallo en el momento del arranque. El motivo más frecuente de esta anomalía, se debe a problemas en la batería. Antes de parar un grupo electrógeno, hay que reducir su carga a cero transfiriéndola a otra fuente y después abrir el interruptor del grupo; sin embargo
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la unidad de generación debe girar algunos minutos en vacio para refrigeración. Es
importante
SE E estos equipos R OS
resaltar,
H C E ER
que
requieren
de
una
mayor
automatización al momento de identificar y corregir fallas para remplazar la mano de
D
obra, reduciendo el número de errores que esta ocasiona. Por muchos años la automatización existió en una escala muy pequeña, pero hoy en día las computadoras o sistemas digitales han tomado el control de muchas de las tareas simples, repetitivas y hasta peligrosas. Sin embargo, muchos equipos han quedado fuera de esta automatización, ya sea por razones económica o logística. En Venezuela, Los hospitales se caracterizan por prestar atención médica integral de nivel primario, secundario y terciario, según su categoría. En este aspecto, los hospitales de tipo I, suministra atención ambulatoria de nivel primario y secundario, brindando los servicios básicos de medicina, Cirugía, Gineco-obstetricia y Pediatría. Por otro lado, los hospitales de tipo II, prestan atención de nivel primario, secundario y algunos de nivel terciario en las aéreas Cardiología, Psiquiatría, Dermato-venereología, Neumonía, Cirugía Traumatología y Oftalmología, Ginecología, Obstetricia y Pediatría. Los hospitales del tipo III, prestan atención a los tres niveles clínicos, brindado los servicios de Nefrología, Reumatología, Neurología, Gastroenterología, Medicina Física y Rehabilitación, Cirugía en el área de Urología, O.R.L., Oftalmología y Traumatología, así mismo dispondrán de los servicios básicos de Gineco-obstetricia.
6
Los hospitales de tipo IV, se encuentran ubicados en poblaciones mayores de cien mil habitantes y con un área de influencia superior al millón de habitantes, estos deben poseer más de trescientas camas y contar con unidades de larga estancia y albergue de pacientes. En su estructura funcional presenta la dirección a cargo de un medico, especialista en Salud Pública y con una amplia experiencia en administración de hospitales.
En sus departamentos se tienen: Clínico Básico, Departamento de
Emergencia y Medicina Crítica; los servicios de especialidades que se debe ofrecer son: Nefrología,
Reumatología,
Gastroenterología,
Medicina
Física,
Rehabilitación,
Neurocirugía, Ortopedia, Proctología, Inmunología, Endocrinología, Geriatría, Medicina de Trabajo, Medicina nuclear, Genética Médica, Pediatría.
OS D A Va la demanda y en función del R capacidad de agregar otras especialidades de acuerdo E ES R estudio de movilidad del área respectiva. En el servicio de ingeniería y mantenimiento S O H C E debe contar con personal altamente calificado y que posea todos los conocimientos DER
Cabe mencionar que el Ministerio del Poder Popular para la Salud está en la
requeridos para el funcionamiento adecuado.
Los problemas más críticos presentes en este tipo de hospitales son relacionados al sistema eléctrico; todo esto es producto de la falta de tecnología que ha existido en Venezuela en el campo de la salud. Por otra parte, se debe mejorar la infraestructura, y hacer una adquisición de equipos médicos. La formulación de alternativas y modelos de mantenimiento aplicables al sector hospitalario en Venezuela, requiere de un importante esfuerzo dado a los criterios de mantenimiento aplicado y la inversión presupuestaria para este fin. En el Estado Zulia, específicamente en el municipio Maracaibo, los hospitales públicos cuentan en su totalidad con sistemas de energía de respaldo, sin embargo, en el Hospital General del Sur “Dr. Pedro Iturbe”, el grupo electrógeno, encargado de alimentar las cargas criticas como el Quirófano, Sala de Bombas, Emergencia y Cuidados Intensivos, no cuenta con un sistema que le permita detectar fallas en funcionamiento de los mismos. Debido a esto, los grupos electrógenos son encendidos y chequeados manualmente a la semana.
7
Por otro lado, este hospital público, es alimentado por CORPOELEC-ENELVEN a través de un sistema de distribución en doble derivación, proveniente de la Subestación Ramón Laguna y el circuito Radio Popular; así mismo, el conjunto de grupos electrógenos, esta conformado por uno Caterpillar modelo 3408CAT capaz de suplir 375 KVA y uno
Jhonn Dree modelo 110-JD404A de 125KVA, trabajando
alrededor de un 60% de su capacidad nominal, y utilizando como combustible Diesel. En este aspecto, los tipos de fallas más frecuentes presentados en este conjunto de grupos, se deben a problemas en el sistema de lubricación, desgaste de baterías, sobrecalentamiento, entre otros. Sin embargo, en el caso de no encender o presentar fallas, no poseen un sistema que le permita identificar rápidamente el tipo de problema.
OS D A V R de emergencia, dejaría sin electricidad al hospital por un periodo de tiempo. Sumado a E S E R los grupos no funcionan en su mayoría, lo esto, los sensores que actualmenteS poseen O H C que al no encender de manera inmediata los grupos E que trae como consecuencia, R DE electrógenos, se interrumpa el suministro continuo de energía a las áreas anteriormente
En la actualidad, estas fallas son detectadas y corregidas manualmente, que en caso
mencionadas, negándole las condiciones necesarias a los pacientes que asisten a esta unidad y colocando en peligro sus vidas. Por todas estas razones, los sistemas inteligentes basados en controles lógicos programables, juegan un papel muy importante para el control y diagnóstico de fallas en grupos electrógenos, ya que admiten sencillas ejecuciones de comandos, brindando una
transmisión de datos segura y confiable entre dos centros independientes de
control,
rápida
parametrización,
configuración,
y
principalmente
es
de
fácil
programación, a través de memorias programables que controlan, mediante módulos de entrada/salida digitales, diferentes tipos de maquinas o procesos. Esto permitirá un monitoreo completo, garantizando la correcta operación y confiabilidad, cubriendo las necesidades de confort de los pacientes que asisten a esta institución medica, motivos por los cuales se propuso la realización de este trabajo de grado.
1.2.- FORMULACIÓN DEL PROBLEMA Con base en el planteamiento anterior se formula la siguiente interrogante: 8
¿Cómo diseñar un sistema inteligente para el diagnóstico de fallas en los grupos electrógenos del Hospital General del Sur “Dr. Pedro Iturbe”?
1.3.- OBJETIVOS Los objetivos propuestos en esta investigación son los siguientes:
1.3.1.-OBJETIVO GENERAL Diseñar un sistema inteligente para el diagnóstico de fallas en los grupos electrógenos del Hospital General del Sur “Dr. Pedro Iturbe”
SE E R Diagnosticar la situación actual OS de los grupos electrógenos del Hospital General H C EIturbe”. del Sur “Dr. Pedro R E D
1.3.2.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS
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Determinar los requerimientos, técnicos, operativos y económicos aplicables para el diseño de un sistema inteligente para el diagnóstico de fallas en los grupos electrógenos del Hospital General del Sur “Dr. Pedro Iturbe”. Diseñar un sistema inteligente para el diagnóstico de fallas en los grupos electrógenos del Hospital General del Sur “Dr. Pedro Iturbe”. Simular mediante un software el funcionamiento del sistema inteligente diseñado para el diagnóstico de fallas en los grupos electrógenos del Hospital General del Sur “Dr. Pedro Iturbe”.
1.4.- JUSTIFICACIÓN La importancia de esta investigación, radica en la necesidad del personal de mantenimiento del Hospital General del Sur “Dr. Pedro Iturbe”, de poseer un sistema que permita identificar, prevenir y corregir fallas en los grupos electrógenos, para garantizar su correcto desempeño en caso de emergencia. Alguna de las ventajas y beneficios producidos por esta investigación, será brindarle un buen servicio continuo 9
de electricidad, a las áreas de personas en situación crítica que asisten a esta institución medica, así como, disminuir el error humano, los daños ocasionados al los grupos electrógenos, aumentar la respuesta y confiabilidad del sistema de respaldo ante la falla del servicio eléctrico suministrado por CORPOELEC-ENELVEN. Desde el punto de vista técnico, la creación de un sistema inteligente para el diagnóstico de fallas en grupos electrógenos, permitirá la realización de operaciones difíciles en la actualidad de detectar rápidamente. Así mismo, facilitará el mantenimiento de los grupos electrógenos, y le permitirá a una persona con pocos conocimientos en el área corregir la falla producida en un menor tiempo.
S O D A beneficios a corto y largo plazo, ya que al automatizar V el funcionamiento del grupo R E S sino solo para cuando lo amerite Econstante, electrógeno, no se necesitará un operador R S HOy funcionamiento del grupo electrógeno aumentará, la falla. Así mismo, el E rendimiento C ER disminuyendoD los costos de mantenimientos.
Desde el punto de vista económico, el implementar el sistema inteligente traerá
1.5. DELIMITACIÓN 1.5.1 DELIMITACIÓN ESPACIAL El presente trabajo de investigación, se realizó en las instalaciones del Hospital General del Sur “Dr. Pedro Iturbe”, en el Departamento de Gestión Tecnológica y Salud Ambiental, área de Mantenimiento, cuya sede se encuentra ubicada en el kilómetro 1 vía Perijá en la ciudad de Maracaibo, Edo Zulia.
1.5.2 DELIMITACIÓN TEMPORAL La investigación fue ejecutada, en un período de tiempo entre los meses de septiembre 2010 y abril 2011
10
1.5.3 DELIMITACIÓN CIENTÍFICA El área temática de trabajo, está contemplada en la Ingeniería Eléctrica dentro la línea de investigación de control en el área de automatización industrial.
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11
CAPÍTULO AIIDOS
V R E ES
S RTEORICO MARCO O H C
E R E D
CAPITULO II MARCO TEÓRICO
2.1 BREVE DESCRIPCIÓN DEL HOSPITAL GENERAL DEL SUR El Hospital General del Sur “Dr. Pedro Iturbe” tuvo sus comienzos como un Sanatorio Antituberculoso, cuando la población del Estado Zulia se vio azotada por la tuberculosis, fue fundado el 2 de Enero de 1933. Pero no fue hasta muchos años
S O D A de 300 camas, fue desarrollándose y progresando Vpaulatinamente. En 1953, se R E ESy Rehabilitación. Para 1958, la Sección inauguró el edificio de Terapia Ocupacional R S HO toráxica. Por último se construyó la torre de 10 Infantil y el desarrollo E deC afecciones ER pisos para laD hospitalización pasando a ser Hospital General del Sur. Llevando el
después que se pudo terminar la obra, el bloque central de 4 pisos, con una capacidad
nombre de su gran fundador y luchador, Dr. Pedro Iturbe.
Misión Del centro asistencial es lograr la participación activa y responsable de todos los sectores de la sociedad en la lucha contra la corrupción en el sector salud y en la promoción de una cultura de transparencia y respeto a los deberes y derechos de la sociedad civil, logrando además que la ciudadanía, no solo identifique sus problemas y necesidades; sino que plantee soluciones e intervenga en la toma de decisiones logrando así una nueva cultura y conducta ciudadana; gracias al esfuerzo mutuo obtenido de esa manera un proyecto de salud participativo, descentralizado, productivo, solidario y transparente.
Visión El
Hospital General del Sur
“Dr. Pedro Iturbe”, quiere ser pionero en el
desarrollo de un nuevo modelo de gestión, sustituido en la participación de los diversos sectores de la sociedad a través de la creación y modelos de tecnologías de punta para 13
así lograr la mejor atención a la población ciudadana para así alcanzar un nivel de excelencia y a nivelar la magnitud con otros centros asistenciales de la salud.
Estructura Organizativa (figura 2.1)
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Figura 2.1 Estructura Organizativa del Hospital General del Sur Dr. Pedro Iturbe Fuente: Hospital General del Sur Dr. Pedro Iturbe
14
2.2.- ANTECEDENTES Para la realización del siguiente trabajo, se consultaron las siguientes tesis de grado: En el año 2008, Marcos Chacón y Mariana Molina realizaron el trabajo especial de grado titulado: “DISEÑO DE UN SISTEMA DE SUPERVISION, CONTROL Y MEDICION PARA EL SISTEMA DE ENERGIA AUXILAR DEL CENTRO CAUJARITO ENELVEN”, en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Rafael Urdaneta. Este trabajo de grado, proporciono una base para esta investigación, ya que utiliza un conjunto de equipos capaces de suministrar a larga distancia, la información
OS D A V una orientación sobre los R mismo, desde el punto de vista metodológico, proporcionara E ESde recolección de los datos aplicables a R métodos de análisis poblacional y las técnicas S O H C E nuestro trabajo de investigación. DER necesaria para determinar el estado de las variables del sistema de energía auxiliar. Así
Por otro lado,
en el año 2007, Marney Ruiz elaboro su proyecto de grado
titulado, DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SOFT PLC, en la Universidad de los Andes. Este proyecto, nos brinda un análisis del software utilizado para la programación de los PLC en la actualidad. Además de aplicar un sistema para evaluar el desempeño del programador, determinara las diferentes bases de datos de dichos software. Así mismo, en el año 2008, Ricardo Araujo y Sixtary Cabrales realizaron el trabajo especial de grado titulado: “ESQUEMA OPERATIVO PARA LOS PROYECTOS DE GENERACIÓN DISTRIBUIDA EN LA RED DE MEDIA TENSIÓN DE LAS EMPRESAS ENELVEN Y ENELCO”, en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Rafael Urdaneta. Este proyecto, nos brindo las bases para diagnosticar la situación actual de un grupo electrógeno y su comportamiento en un sistema de distribución, de la misma manera, nos sirvió de ayuda para establecer los requerimientos técnico, económico y operativo de los grupos electrógenos. Dicha tesis, tiene como objetivo. 15
2.3.- BASES TEÓRICAS 2.3.1.- SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN La energía eléctrica es producida y se transporta mediante sistemas de transmisión, formados por sistemas de distribución, que puede ser de alta o de baja tensión. Las primeras, conducen la electricidad de alto voltaje a través de grandes distancias, hasta estaciones transformadoras, que luego de convertirla la transmiten a las redes de media y baja tensión, y este proceso a su vez distribuye la electricidad dentro de las poblaciones en niveles de tensiones confiables.
S
Los sistemas de distribución, se clasifican según sus métodos de operación, las
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estructuras de las redes y el equipo que se usen en cinco campos principales de
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desarrollo, los cuales se nombran a continuación:
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Sistemas de Distribución Industriales.
Sistemas de Distribución Comerciales. Parques Industriales. Sistemas de Distribución Urbanos y Residenciales. Distribución Rural. Los sistemas de distribución comerciales, se desarrollan para grandes complejos comerciales
o municipales
como rascacielos, bancos, escuelas, aeropuertos,
hospitales, etc. Este tipo de sistema posee sus propias características por el tipo de demanda de energía que tienen con respecto a la seguridad tanto de las personas como de los inmuebles. En estos casos se cuenta con generación local, en forma de plantas generadoras de emergencia, mismas que son parte importante en el diseño del sistema de alimentación en este tipo de servicios.
2.3.2.- DIAGRAMA UNIFILAR En un sistema trifásico equilibrado se resuelve siempre como un circuito monofásico, formado por una de las tres líneas y el neutro de retorno, por esta razón, muy rara vez, es necesario representar el esquema del circuito, más de una fase y el 16
neutro. Los parámetros del circuito no se indican, y la línea de transmisión se representa por una sola línea entre los dos extremos. Al diagrama resultante de esta simplificación se le denomina diagrama unifilar. Se representa por medio de una línea simple y de símbolos normalizados, a las líneas de transmisión y aparatos asociados a un sistema. El objeto de un diagrama unifilar, es suministrar de una manera concisa los datos más significativos e importantes de un sistema. La importancia de las diferencias de un sistema varia según el problema que se considere y la cantidad de información que se incluye en el diagrama depende del fin para que se desee.
2.3.3.- ESTUDIO DE CARGA
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Un estudio de carga es la determinación de la tensión, intensidad, potencia y
H C E ER
factor de potencia o potencia reactiva en varios puntos de una red eléctrica, en
D
condiciones normales de funcionamiento. Estos tipos de estudio son fundamentales en la programación del futuro desarrollo del sistema, puesto que su funcionamiento satisfactorio depende del conocimiento de los efectos de interconexión con otras redes, de las nuevas cargas, de las nuevas centrales generadores y de las nuevas líneas de transporte, antes de que se instalen. Las condiciones de mantenimiento deben elegirse siempre para cada estudio. En cada barra excepto una, debe especificarse la potencia real de la red. La potencia consumida por la carga es potencia negativa que entra al sistema. Las otras potencias son las de los generadores y potencias positivas o negativas que entran por las interconexiones. Además, en estas barras, hay que especificar o la potencia reactiva de la red o el valor de la tensión, en cada barra hay que decidir si hay que mantener constante el valor de la tensión o la potencia reactiva. Lo normal es mantener la potencia reactiva en las barras de carga y el valor de la tensión de las barras de lo generadores, por más que a veces se especifique la potencia reactiva de los generadores.
17
La única barra que no especifica la potencia real se denomina barra oscilante y generalmente, es una barra que esta conectada al generador. Los generadores en la barra oscilante suministran la diferencia entre la potencia real especifica que entra al sistema por las barras y la salida total del sistema más las perdidas.
2.3.4.- MANEJO DE CARGA La aplicación de buenos conceptos de control de carga y de demanda requiere del conocimiento de tarifas eléctricas, auditorias y mediciones, además de los conocimientos básicos del proceso y características de la carga. El ingeniero debe revisar y medir el sistema, para así determinar cuáles de las cargas eléctricas pueden ser desconectadas.
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La carga es el elemento del sistema de potencia que consume la potencia
H C E ER
producida en el generador, transportada por las líneas de transmisión y acondicionada
D
para ser usada por el transformador. Las cargas pueden ser elementos estáticos pero también pueden ser máquinas rotativas y pueden representarse por impedancias o admitancias.
2.3.5.- CARACTERÍSTICAS QUE DESCRIBEN EL COMPORTAMIENTO DE LA CARGA DEL SISTEMA ELÉCTRICO 2.3.5.1.- CARGA CONECTADA Se entiende como la sumatoria de la potencia en vatios (W) de todos los equipos eléctricos (datos de placa) que se conecta a la red. También, diferentes tipos de potencia: potencia activa, potencia reactiva o potencia aparente, normalmente estas cargas se expresan en kW, kVA o kVAR.
2.3.5.2.- DEMANDA Es la carga en kVA o kW que se utiliza durante cierto tiempo. En otras palabras, demanda es la carga que los equipos consumidores imponen al sistema, durante un 18
período de tiempo determinado. Las dos podrían ser aproximadamente iguales si los equipos funcionaran bajo las condiciones específicas de diseño y simultáneamente.
2.3.5.3.- DEMANDA MÁXIMA Es el máximo valor de la carga en kVA o kW en un tiempo determinado, es decir, es la mayor de todas las demandas que han ocurrido durante un período de tiempo determinado. Este es importante pues rige la elección de la capacidad de los equipos debido a que es condición más severa impuesta al sistema en condiciones normales, y de ella depende la carga térmica y la caída de tensión.
2.3.5.4.- DEMANDA PROMEDIO
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La demanda promedio en cualquier período, es igual al total de energía
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consumida en unidades de kW/h en un período, dividido entre el número de horas del
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período considerado.
2.3.5.5.- FACTOR DE UTILIZACIÓN DEL SISTEMA Es la relación entre el máximo kVA consumidos y el total de la capacidad nominal instalada en el sistema, es decir, la relación entre la demanda máxima de un sistema y la capacidad nominal del mismo, indicando cuánto de la capacidad nominal está siendo utilizada. (Ec. 2.1)
Como en los pasos anteriores, el factor de utilización debe indicar el intervalo de demanda y el período de tiempo en los cuales ocurre la demanda máxima. El factor de utilización establece qué el porcentaje de la capacidad nominal del sistema está siendo utilizado durante el pico de carga.
19
2.3.6.- SISTEMA ELÉCTRICO ESENCIAL DE UN HOSPITAL El CEN en la sección 517-30. Expresa: (1) Los sistemas eléctricos esenciales para hospitales deberán comprender dos sistemas separados, capaces de suministrar una cantidad limitada de servicio de alumbrado y potencia, considerado esencial para la seguridad de vida y el funcionamiento efectivo del hospital, durante una interrupción del servicio eléctrico normal por cualquier razón. Estos dos sistemas deberán ser el sistema de emergencia y el sistema de equipos. (2) El sistema de emergencia estará limitado a los circuitos esenciales para la seguridad
S O D A como el ramal de seguridad de vida y el ramal crítico. V ER S E S R al sistema de equipos eléctricos necesario O (3) El sistema de equipos deberá suministrar H C E R para el cuidado de los pacientes y para el funcionamiento básico del hospital. DE de la vida y el cuidado de pacientes en estado crítico. Tales circuitos están designados
(4) El número de interruptores de transferencia a ser usados deberá basarse en la confiabilidad, el diseño y las consideraciones de carga. Cada ramal de los sistemas eléctricos esenciales deberá ser servido por uno o más interruptores de transferencia tal como se muestra en los Diagramas 517-30 (a) y 517-30 (b). Se permitirá un interruptor de transferencia para servir uno o más ramales en una instalación con una demanda máxima en el sistema eléctrico esencial de 150 kVA, tal como se muestra en el Diagrama 517-30 (c). (5)
Otras
Cargas.
Las
cargas
alimentadas
por
generadores
no
descritos
específicamente en los Artículos 517-333 y 517-34, deben estar conectadas a sus propios conmutadores de transferencia, de modo que estas cargas: a) No se transfieran si esa transferencia pudiera sobrecargar el generador, y b) Se desconecten automáticamente si se produce sobrecarga del generador.
20
2.3.7.- DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS PARA GENERADORES PARA PLANTAS DE EMERGENCIA Parte de la información que se debe proporcionar para la selección de las características de las plantas de emergencia, es la relacionada con los datos de placa del generador, que es básica cuando se diseña, instala y mantiene, ya sea para aplicaciones comerciales o industriales, los datos a proporcionar son: 1. Nombre del Fabricante. 2. Frecuencia de Operación. 3. Factor de Potencia.
S O D A Velocidad Nominal, en revoluciones por minuto V (RPM) R E ES Tipo de aislamiento R S HO C E DER
4. Capacidad kVA o kW, con los correspondientes voltios y amperios 5. 6.
2.3.8.- VARIACIONES DE TENSIONES
El grado de desequilibrio se expresa usualmente como se observa en la ecuación 2.2 y de acuerdo con la norma IEEE 1159 permite una variación de tensiones entre 0,5% y 2%
ó
%
ó
100
(Ec. 2.2)
Donde: %desbalance: índice de variación de voltaje de línea V medido: voltaje de línea V operación: Voltaje nominal de la maquina 2.3.9.- DESBALANCE DE CORRIENTES Para el cálculo del desbalance de corriente la Ley Orgánica del Servicio Eléctrico, propone una fórmula para el cálculo del índice de desbalance de corriente, que se presenta en la ecuación 2.3 a continuación: 21
100
%
(Ec. 2.3)
Donde: %desbalance: índice de desbalance de corriente de línea I de fase: corriente de línea I promedio: promedio de los valores de las corrientes de línea 2.3.10.- GRUPOS ELECTRÓGENOS
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Un grupo electrógeno, es una maquina que mueve un generador de electricidad
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a través de un motor de combustión interna. Son comúnmente utilizados como sistemas
H C E R para aplicaciones o del sector terciario queda normalmente asegurado por DEindustriales
de respaldo de energía de emergencia. El arrastre de grupos electrógenos utilizados motores diesel, turbinas de gas o máquinas de vapor. Las turbinas se utilizan principalmente para grupos electrógenos de centrales eléctricas de producción, mientras que se prefieren los motores diesel en la producción de energía eléctrica de emergencia.
A.- Tipos de Grupos Electrógenos La elección del motor queda determinada por elementos tales como la disponibilidad y condiciones de abastecimiento de la región La potencia útil de un grupo electrógeno es probablemente el criterio más importante a definir. La potencia obtenida de un grupo electrógeno se deduce normalmente a la vista del diagrama de las potencias activa/reactiva representado en la Figura 2.2
22
Figura 2.2 Diagrama de las potencia o
Fuente: Cuaderno Técnico Schneider n 196 2001
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La potencia activa que suministra un grupo electrógeno depende del tipo de
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combustible utilizado, de las condiciones del lugar, incluida la temperatura ambiente, la
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temperatura del fluido de refrigeración, la altitud y la humedad relativa. Depende
D
también de las características de la carga, como son la posibilidad de sobrecarga y las variaciones de carga en el tiempo. La norma ISO 3046-1 indica, para motores diesel, tres variantes para la definición de la potencia nominal y concreta la definición de las diversas capacidades de sobrecarga. Se definen, por tanto, estas nociones: Potencia continua: el motor puede entregar el 100% de su potencia nominal durante un tiempo ilimitado. Es la noción utilizada para grupos de producción. Potencia principal (PRP): el motor puede entregar una determinada potencia base durante un tiempo no limitado y el 100% de la potencia nominal durante un tiempo limitado. No todos los fabricantes entienden lo mismo por potencia base. Potencia de emergencia: es la potencia máxima que la máquina puede entregar durante un tiempo limitado, generalmente menos de 500 horas al año. Esta definición no debe de aplicarse a los grupos electrógenos que trabajan exclusivamente como emergencia. Puesto que el motor no está en condiciones
23
de entregar una potencia superior, conviene aplicar un factor de seguridad de al menos un 10% para la determinación de la potencia de emergencia necesaria. La capacidad de sobrecarga se define como la potencia adicional de un 10% durante 1 hora en un periodo de 12 horas de funcionamiento. Si la potencia nominal se determina por la potencia de emergencia, ya no queda margen para la sobrecarga. La mayor parte de los fabricantes admite una sobrecarga normal respecto a la potencia continua y a la potencia principal, pero teniendo en cuenta las excepciones se aconseja siempre precisar la capacidad de sobrecarga necesaria y precisar la definición de potencia nominal.
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Para la utilización de grupos electrógenos como sistemas de emergencia se
SE E R Asegurar la rapidez y fiabilidad OSdel arranque y de la conmutación de carga. H C E R E D Efectuar la instalación de manera que se puedan desconectar las cargas no
debe tomar en consideración:
preferentes («desenganche», según la definición dada en la terminología) para evitar sobrecargas o pérdidas de sincronismo. Permitir pruebas periódicas con carga. Asegurar el funcionamiento en paralelo con la red si el grupo debe utilizarse para soportar los picos de demanda. Proporcionar, si es necesario, la corriente magnetizarte para los transformadores de distribución. Una aplicación frecuente de los grupos electrógenos es alimentar los onduladores (normalmente llamados SAI o UPS) durante los cortes de la red pública. La impedancia relativamente elevada del grupo en comparación a la de la red, puede provocar perturbaciones en la forma de la tensión debido a las corrientes armónicas producidas por los onduladores. Los fabricantes de grupos desclasifican generalmente sus máquinas hasta un 60% a fin de asegurar una forma de tensión correcta cuando han de alimentar onduladores no equipados con filtros antiarmónicos. 24
La potencia necesaria viene dada por la ecuación:
.
(Ec. 2.4)
En una primera aproximación, para determinar la potencia de grupo electrógeno sin conocer las características detalladas del ondulador, la potencia en KW de la carga de la batería se estimará como del 25% de la potencia en KW entregada por el ondulador. El rendimiento del ondulador se puede estimar de un 90%.
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Las características definitivas de un grupo electrógeno se escogerán en función
SE E R características reales del ondulador, OS tales como H C E R armónicas. E D
de las explicaciones que fijan los límites aceptables de distorsión de la tensión y las su rendimiento y las corrientes
B.- Funcionamiento de Los Grupos Electrógenos Cuando se utilizan grupos electrógenos para suministrar la energía eléctrica en caso de emergencia, es importante tomar ciertas precauciones para asegurar su puesta en servicio y su conexión rápida y correcta en caso de necesidad. Un ejemplo de las precauciones que hay que tener en cuenta, son la lubricación y el mantenimiento de la temperatura del agua de refrigeración constante, cuando el grupo está parado. El fabricante del grupo debe entregar o proporcionar una lista de estas precauciones y el diseño de la instalación debe de prever la disponibilidad de todas las alimentaciones auxiliares necesarias durante los periodos en los que el grupo está parado. El fabricante puede garantizar un tiempo de arranque de unos 15 segundos desde la orden de arranque hasta el cierre del interruptor automático del grupo. Hay que evitar pedir al suministrador un tiempo más corto porque esto aumenta mucho el coste
25
del grupo sin aportar una ganancia de tiempo apreciable. En todos los casos las cargas críticas deben mantenerse alimentadas mediante onduladores. Para el arranque de grupos electrógenos, se utilizan normalmente dos técnicas: la batería de acumuladores y el aire comprimido, usándose esta última normalmente en grupos electrógenos de gran potencia. El sistema de arranque debe de estar diseñado para poder realizar 3 intentos consecutivos de arranque. Debe de tener un sistema de supervisión que permita un mantenimiento preventivo, evitando así el fallo en el momento del arranque. El motivo más frecuente de fallo en el arranque es el fallo de la batería. En algunos casos puede suponer una razón para escoger el arranque por aire comprimido.
S O D A Cuando un grupo electrógeno debe de funcionar Ven paralelo con otra fuente de R E ES progresivamente. energía hará falta sincronizar el grupo yR cargarlo S HO C E Para unD grupo ERelectrógeno que funcione solo, la conexión de la carga al grupo
podrá hacerse en uno o en varios escalones. Las variaciones de frecuencia y tensión dependerán de la de las cargas conectadas en cada paso. De hecho, a un grupo electrógeno se le puede aplicar un 90% de su capacidad, sin que su frecuencia varíe más de un 10% y su tensión más de un 15%. Sin embargo, dependiendo el tipo de carga que hay que alimentar, se pueden citar otros condicionantes que también afectan a las variaciones de frecuencia y de tensión. Se determinarán las características de arranque de los motores, como las corrientes de arranque y el tipo (directo o en estrella-triángulo, etc).También será necesario prever más escalones de conexión cuando las tolerancias en la fluctuación de tensión o frecuencia sean pequeñas. Antes de parar un grupo electrógeno, hay que reducir su carga a cero transfiriendo la carga a otras fuentes y después abrir el interruptor automático del grupo. El grupo deberá girar algunos minutos en vacío para permitir su refrigeración antes de pararlo. En ciertos casos es necesario continuar el sistema de refrigeración después de parado el grupo, para eliminar el calor latente de la máquina. Para dejar el grupo fuera de servicio, habrá que seguir las recomendaciones indicadas por el fabricante. Las 26
operaciones para poner un grupo en servicio o fuera de servicio de forma correcta deberán quedar aseguradas por el equipo de mando y control del grupo. Es necesario hacer funcionar un grupo electrógeno periódicamente. Para una instalación que pueda soportar un corte breve, cuando abre el interruptor automático de alimentación normal se da automáticamente orden de arranque al grupo electrógeno, que toma entonces la carga, pasándose a la alimentación de emergencia. Después de un tiempo de funcionamiento determinado, se puede abrir el interruptor automático de alimentación de emergencia y cerrar el interruptor «normal». En las instalaciones en las que cualquier interrupción de la alimentación podría
S O D A proceder ocasionalmente a un test o prueba de funcionamiento completa del grupo sin V R E EdeSla alimentación eléctrica. Para esto, es tener que provocar previamente el corte R S O Hsincronización necesario utilizar un equipo de a fin de que el grupo, una vez en marcha, C E R E preparado, asegurar la alimentación de la instalación tomando Desté pueda, cuando provocar pérdidas inaceptables de la explotación, será necesario tener la posibilidad de
sobre sí la carga. El interruptor automático del alternador (o el interruptor automático de acoplamiento de los juegos de barras, según el esquema) se cerrará y el grupo quedará puesto en paralelo con la alimentación principal. Esto provoca la apertura del interruptor automático de entrada de red pasando las cargas a ser alimentadas por el grupo electrógeno. La transferencia de nuevo a la alimentación normal se hará de la misma manera, sin corte. Puesto que el funcionamiento en paralelo sólo dura unas centésimas de milisegundo, no es necesario sobre calibrar el cuadro para la potencia de cortocircuito acumulada correspondiente a la utilización simultánea de las dos alimentaciones (normal y de emergencia). Evidentemente, cuando el equipo está previsto para funcionamiento permanente en paralelo, no es necesario abrir el circuito de alimentación normal después de que el grupo tome la carga. En este caso, por el contrario, es necesario prever el cuadro para la potencia de cortocircuito total (alimentación normal + alimentación de socorro).
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Por otro lado, los grupos electrógenos están diseñados normalmente para funcionar de modo aislado (llamado también modo isócrono o en isla). En este caso la frecuencia estará controlada por el regulador de velocidad del grupo. Las sobrecargas que sobrepasan la potencia máxima del grupo electrógeno (potencia de socorro tal como se ha definido en el apartado 2) provocan una disminución de la frecuencia, lo que podría hacer actuar el sistema de desconexión de algunos receptores (desenganchado). El regulador de tensión del grupo asegurará la estabilidad de la tensión del circuito alimentado. Un grupo electrógeno está normalmente previsto para funcionar con un factor de potencia de 0,8 y puede, por tanto, alimentar la mayor parte de las cargas
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industriales sin añadir un equipo de compensación de potencia reactiva.
SE E R C.- Funcionamiento en paralelo OdeSvarios Grupos Electrógenos H C E R E Normalmente, D para el funcionamiento en paralelo, se
utilizan
grupos
electrógenos de potencias similares. Hay tres esquemas normalmente utilizados: a) Todos los grupos, salvo uno, están ajustados para suministrar una potencia activa y reactiva fijas. Un grupo trabaja en modo isócrono y entrega las potencias activa y reactiva necesarias para mantener la frecuencia y la tensión del sistema dentro de límites admisibles. Toda orden de modificación de la frecuencia de la tensión se enviará al grupo electrógeno que está en modo isócrono. Todas las fluctuaciones de potencia serán absorbidas por este grupo electrógeno únicamente y, por tanto, un esquema con esta configuración difícilmente será aplicable a instalaciones en las que hay grandes variaciones de carga. b) Todos los grupos electrógenos están en modo «estatismo». Las potencias activa y reactiva están repartidas de igual forma entre los diferentes grupos electrógenos o proporcionalmente a su potencia nominal en el caso de que sean grupos de potencias nominales diferentes. Las fluctuaciones de carga provocan variaciones de tensión y velocidad según una recta característica con pendiente negativa, perdiéndose en general un 4% para variaciones de carga comprendidas entre el 0 y el 100%. Puesto 28
que la sincronización de grupos electrógenos con otra fuente de energía no puede hacerse ajustando esta recta característica, este esquema no puede normalmente utilizarse cuando se ha de funcionar en paralelo con otras fuentes de energía. c) Todos los grupos electrógenos están conectados a una unidad de control de reparto de carga, de manera que se reparte la potencia\ activa y reactiva. La figura 2.3 representa un ejemplo de esta configuración. El regulador de velocidad de cada grupo recibe la referencia de ajuste de la potencia activa del repartidor de potencia activa, el cual asegura también la regulación de la frecuencia. De la misma forma, cada uno de los reguladores de excitación recibe la referencia de ajuste de la potencia reactiva del repartidor de potencia reactiva, asegurando a la vez la regulación de tensión. Este
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esquema permite una gran variación de la carga sin fluctuaciones de la frecuencia o de
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la tensión.
Figura 2.3 Funcionamiento en paralelo de los grupos electrógenos o
Fuente: Cuaderno Técnico Schneider n 196 2001
En otro aspecto, para la operación de grupos electrógenos en sistemas de emergencia, se utiliza normalmente una conmutación automática cuando es necesario alimentar la carga mediante un sistema de emergencia en el menor tiempo posible cuando se produce un corte de red. La conmutación debe de ser imposible cuando la falta de alimentación se debe a un defecto en el juego de barras, porque con un defecto 29
de este tipo, el cierre del interruptor de la alimentación de emergencia provocaría también la pérdida de esta alimentación y podría, además, ser perjudicial o peligroso para los equipos. Normalmente se utilizan dos técnicas de conmutación según que la instalación pueda soportar o no una breve interrupción de la alimentación.
D.- Conmutación con Tensión Residual Este esquema de conmutación es el más utilizado y comprende las siguientes etapas: Abrir el interruptor principal para separar la carga de la alimentación. Arrancar el grupo electrógeno. Desenganchar las cargas que el grupo electrógeno no podrá alimentar.
OS D A V Cerrar el interruptor automático del grupo electrógeno cuando éste está en R E S RyEcuando la tensión residual en el juego de condiciones de soportar la carga S O H C barras es inferior al 30%. E DER
E.- Conmutación Rápida Se utiliza un esquema de conmutación rápida, cuando el sistema no tolera cortes en la alimentación. En este caso, es necesario mantener disponible una alimentación de emergencia capaz de tomar la carga con energía suficiente antes de que los motores hayan tenido tiempo de pasar al ralentí. El intervalo de tiempo permitido para una conmutación de este tipo es de aproximadamente 150 ms. Para evitar esfuerzos mecánicos y sobre-intensidades durante las conexiones no sincronizadas, es necesario dar la orden de cierre al interruptor automático de alimentación de emergencia en el momento en el que la tensión suministrada por los motores que están desacelerando está casi en fase con la tensión de emergencia en el momento de cierre del interruptor automático. Los aparatos utilizados en la conmutación, deben de tener en cuenta el tiempo de cierre del interruptor automático para prever el momento adecuado de establecer la conexión. Si no se puede hacer en el intervalo de tiempo de unos 150 ms, debe de 30
impedirse la conmutación rápida y sustituirse por una conmutación con tensión residual, con desenganche de cargas, si es necesario.
F.- Sincronización del Interruptor del Grupo de Emergencia Cuando un grupo electrógeno debe de funcionar en paralelo, es necesario prever su sincronización con la red. La sincronización consiste esencialmente en ajustar la frecuencia y la tensión del grupo electrógeno a valores próximos a los de la red. Puesto que las fluctuaciones de la frecuencia y la tensión de la red son porcentualmente pequeñas, para conseguir el sincronismo es necesario poder ajustar tanto la velocidad del motor como la tensión del alternador.
S O D A La velocidad del motor de arrastre y la tensión V del alternador, se ajustan R E S Econectados cerrando momentáneamente los contactos al regulador de velocidad y al R S O Hla tensión del alternador está prácticamente en fase con regulador de tensión. Cuando C E ER la tensión de D la red, el interruptor automático de grupo electrógeno recibe la orden de cierre. Normalmente, la sincronización se realiza automáticamente, con la ayuda de relés que miden las tensiones, frecuencias y defasaje del grupo y de la red. El relé de sincronización ajusta automáticamente la velocidad y la tensión del grupo y cierra el interruptor automático cuando el defasaje entre la tensión del grupo y la tensión de la red es suficientemente pequeño. Puede utilizarse un único equipo de sincronización automático para varios grupos electrógenos, con la condición de ir seleccionado en cada momento el transformador de tensión correspondiente y distribuir las órdenes de ajuste de la tensión y la velocidad así como la orden de cierre al interruptor automático correspondiente. En todos los casos es aconsejable prever una sincronización manual, o bien para el caso de avería del sistema de sincronización automático, o para utilizarlo cuando la sincronización sólo se ha de efectuar en muy raras ocasiones. Para la sincronización manual, el operador utiliza botones-pulsadores para las órdenes de ajuste de la tensión y la velocidad. 31
Un sincronoscópio, permitirá al operador saber cuándo la tensión de red y de grupo está suficientemente en fase para poder cerrar el interruptor automático. Para la sincronización manual se aconseja utilizar relés de protección «synchro-check» que impiden el cierre del interruptor automático si no se cumple el conjunto de condiciones de frecuencia, tensión y desfasaje. La sincronización del interruptor automático del grupo electrógeno es normalmente una función que incluye el equipo de control del grupo.
G.- Protección de Los Grupos Electrógenos
OS D A Vde energía eléctrica, los relés de R Puesto que los grupos electrógenos son fuentes E ES R protección de máxima corriente deben de estar conectados a los transformadores de S O H C E corriente del neutroR E de los arrollamientos del estator para prevenir los defectos en los D arrollamientos del alternador. Principio General de Protección
Para el funcionamiento en paralelo con otros grupos electrógenos o con la red pública, son necesarios relés de protección adicionales a nivel del interruptor automático del grupo electrógeno para los defectos lado red del grupo electrógeno. Para estos relés de protección, se instalan transformadores de corriente a nivel del interruptor automático del grupo electrógeno protegiendo así la conexión global del mismo. Como puede verse en la Figura 2.4, normalmente se conectan relés direccionales de potencia activa y reactiva al transformador de corriente del neutro del alternador. También pueden conectarse a los transformadores de corriente asociados al interruptor automático.
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H 2.4 Protección del grupo electrógeno C Figura E ER
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Fuente: Cuaderno Técnico Schneider n 196 2001
Protección Eléctrica La Figura 2.4 muestra las protecciones recomendadas que son las siguientes, enumeradas con sus códigos convencionales: protecciones conectadas a transformador de corriente del neutro del alternador: o 32P: relé direccional de potencia activa, o 32Q: relé direccional de potencia reactiva para la pérdida de excitación (grupos > 1 MVA), o 46: componente inversa (grupos > 1 MVA), o 49: imagen térmica, o 51: corriente máxima, o 51G: defecto a tierra, o 51V: corriente máx. manteniendo la tensión, o 87G: protección diferencial del alternado (para grupos > 2 MVA).
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(Nota: 46, 49, 32P y 32Q pueden también estar conectados a los transformadores de corriente de las fases). Protecciones conectadas a los transformadores de tensión: o 25: synchro-check (únicamente para funcionamiento en paralelo), o 27: falta de tensión, o 59: sobretensión, o 81: frecuencia fuera de límites (máxima y mínima). Protecciones conectadas a los transformadores de corriente al lado de la línea (solamente para funcionamiento en paralelo):
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o 67: corriente máxima direccional (no es necesario si se utiliza el 87G), o 67N: corriente máxima direccional homopolar (sobre TI toroidal, para una mejor sensibilidad.
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H C E Protecciones mecánicas generales de grupo, conectadas a los detectores: DER
o 49T: temperatura del estator (recomendada para alternadores de más de 2 MVA), o 49T: temperatura de los cojinetes (recomendada para alternadores de más de 8 MVA), o 64F: protección de tierra del rotor.
Particularidades de las Corrientes de Cortocircuito con Grupos Electrógenos Según la tabla anterior, el interruptor automático del grupo debe actuar para aislar eficazmente el grupo de la red. Teniendo presente los valores relativamente bajos de las corrientes de cortocircuito transitorias y permanentes es conveniente prestar especial atención a la elección de los relés de protección y su ajuste. Por otra parte, para que las pérdidas en el alternador sean bajas, el fabricante procura que la resistencia estatórica sea baja. Todo esto implica un valor elevado de la razón X/R y por tanto, que la componente continua de la corriente de cortocircuito tenga una constante de tiempo muy larga.
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La norma CEI 60056 define las condiciones de ensayo de los interruptores automáticos MT. Estas normas, están dictadas para corrientes de cortocircuito que tengan una componente continua con una constante de tiempo de 45 ms. Ahora bien, debido a que la corriente de cortocircuito de un grupo electrógeno puede sobrepasar con mucho este valor, el fabricante del interruptor automático debe escogerlo adecuadamente y demostrar que es válido para esta aplicación. Por otro lado, la corriente de cortocircuito de un grupo puede tener además de una componente continua importante, la particularidad de no atravesar el eje de cero después de varios períodos, lo que provoca una dificultad mayor para cortar la corriente de cortocircuito (ver Figura 2.5).Esto se debe a que la componente alterna decrece
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mucho más rápidamente que la componente continua.
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Figura 2.5 Interruptor automático o
Fuente: Cuaderno Técnico Schneider n 196 2001
Para una interrupción correcta, los interruptores automáticos MT necesitan que la corriente de cortocircuito sobrepase de forma natural el eje cero. Por tanto, en ciertos casos se debe retardar la apertura del interruptor automático el tiempo necesario para 35
que se pueda sobrepasar el eje. Este retardo debe tenerse en cuenta en el estudio de la coordinación de los relés de protección y además podría reducir la estabilidad del sistema.
Protecciones del Motor El grupo electrógeno también debe de tener protección para la máquina de arrastre. Se trata, sobre todo, del nivel y la temperatura del aceite, el nivel y la temperatura del agua y la temperatura del escape. La protección del defecto a tierra del rotor está normalmente integrada en estas protecciones debido a la necesidad de inyectar una corriente continua en el rotor. Cuando actúa una protección mecánica, la
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orden de parada deberá abrir el interruptor automático, pero sin permitir su rearme.
SE E R S OPROGRAMABLES 2.3.11.- CONTROLES LÓGICOS (PLC) H C E ER Un PLCD (Programable Logic Controller - controlador lógico programable) es un dispositivo de estado sólido, diseñado para controlar secuencialmente procesos en tiempo real en un ámbito industrial. La figura 2.6 nos muestra un ejemplo de un PLC.
Figura 2.6 Ejemplo del empleo de un PLC en un control de procesos Fuente: Fundamento de los controladores lógicos programable. Domingo Mery
Dentro de las funciones del PLC se puede mencionar: • Adquirir datos del proceso por medio de las entradas digitales y analógicas. 36
• Tomar decisiones en base a reglas programadas. • Almacenar datos en memoria. • Generar ciclos de tiempo. • Realizar cálculos matemáticos. • Actuar sobre dispositivos externos mediante las salidas digitales y analógicas. • Comunicarse con otros sistemas externos.
2.3.12.- APLICACIONES DE LOS PLC El PLC es usado en la actualidad en una amplia gama de aplicaciones de control, muchas de las cuales no eran económicamente posibles hace algunos años. Esto debido a:
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• El costo efectivo por punto de entrada/salida ha disminuido con la caída del
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precio de los microprocesadores y los componentes relacionados.
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• La capacidad de los controladores para resolver tareas complejas de computación y comunicación ha hecho posible el uso de PLC en aplicaciones donde antes era necesario dedicar un computador. Existen 5 áreas generales de aplicación de PLC: • Control secuencial. • Control de movimiento. • Control de procesos. • Monitoreo y supervisión de procesos. • Administración de datos. • Comunicaciones.
2.3.13.- UNIDADES FUNCIONALES La figura 2.7 muestra un controlador lógico programable se compone de cuatro unidades funcionales:
Unidad de entradas 37
Unidad de salidas
Unidad lógica
Unidad de memoria
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Figura 2.7 PLC
Fuente: Fundamento de los controladores lógicos programable. Domingo Mery
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Figura 2.8 Diagrama de un PLC con dispositivos de entrada y salida Fuente: Fundamento de los controladores lógicos programable. Domingo Mery
Como muestra la figura 2.8 los PLC están compuestos por dispositivos de entrada y salida: Unidad de Entradas: Proporciona el aislamiento eléctrico necesario y realiza el acondicionamiento de las señales eléctricas de voltaje, provenientes de los switches de contactos ON-OFF de terreno. Las señales se adecúan a los niveles lógicos de voltaje de la Unidad Lógica. 38
Unidad de Salidas: Acepta las señales lógicas provenientes de la Unidad Lógica, en los rangos de voltaje que le son propios y proporciona la aislación eléctrica a los switches de contactos que se comandan hacia terreno. Las unidades de entrada/salida del PLC, son funcionalmente iguales a los bancos de relés, que se empleaban en los antiguos controladores lógicos de tipo tambor. La diferencia radica en que las unidades de entrada/salida de los PLC son de estado sólido. La eliminación de contactos mecánicos se traduce en una mayor velocidad de operación y mayor tiempo entre fallas (MTBF). Unidad Lógica: El corazón de un PLC es la Unidad Lógica, basada en un
OS D A desarrollar los esquemas de control lógico que se especifican. Algunos equipos V R E S en base a elementos discretos: Elógica antiguos implementan la unidad R S HO FLIP-FLOP, CONTADORES como máquinas de C compuertas NAND, NOR, E ER estado.D Este tipo de controladores son HARDWIRE, versus aquellos que utilizan microprocesador. Ejecuta las instrucciones programadas en memoria, para
memorias, denominados SOFTWIRE. Memoria: Almacena el código de mensajes o instrucciones que ejecuta la Unidad Lógica. La memoria se divide en PROM o ROM y RAM. ROM: Memoria de sólo lectura (Read Only Memory). Memoria no volátil que puede ser leída pero no escrita. Es utilizada para almacenar programas y datos necesarios para la operación de un sistema basado en microprocesadores. RAM: Memoria de acceso aleatorio (Random Access Memory). Memoria volátil que puede ser leída y escrita según sea la aplicación. Cualquier posición de memoria puede ser accesada en cualquier momento. Por medio de ellas, se puede utilizar un PLC en procesos diferentes sin necesidad de readecuar o transformar el equipo; sólo se debe modificar el programa. Para el control de un proceso BATCH, se pueden almacenar varias recetas en la memoria y accesar aquélla que interesa. Las PROM o ROM almacenan los programas permanentes que coordinan y administran los recursos del equipo. La RAM guarda los programas de aplicación que 39
pueden sufrir modificaciones. Esta memoria es respaldada con baterías, con el propósito de no perder la información al existir cortes de fluido eléctrico. El sistema opera a través de la interacción con el procesador (Unidad Lógica) y la Memoria. Cuando se enciende el equipo, el procesador lee la primera palabra de código (instrucción) almacenada en memoria y la ejecuta. Una vez que termina de ejecutar la instrucción leída, busca en memoria la siguiente instrucción y así sucesivamente hasta que se completa la tarea. Esta operación se llama ciclo de búsqueda-ejecución (FETCH-EXECUTE CYCLE).
Interfaces de Estado Sólido
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SE E R S alumbrados, y dispositivos de medición. Estos Olímites, exterior de los motores, switches H C E de elementos de estado sólido. R módulos se realizan a través E D La función de los módulos de entrada y salida es conectar el PLC con el mundo
Las aplicaciones iniciales de dispositivos de estado sólido en el control de partida de equipos de potencia, se remontan a la década de 1950 con la utilización de diodos y transistores. Sin embargo, en la práctica las aplicaciones comenzaron en 1957 con la aparición del primer rectificador controlado de silicio (SCR).
Los componentes de
estado sólido empleados en las aplicaciones de control industrial, han reemplazando a los relés mecánicos en muchas de las funciones que llevaban a cabo. Los dispositivos de estado sólido presentan muchas ventajas respecto a los relés, tales como alta velocidad de operación, pequeño tamaño y bajo consumo de potencia.
Sin embargo, son eléctricamente menos robustos y más sensibles a
temperaturas elevadas y a la interferencia electromagnética (EMI). Rectificador Controlado de Silicio SCR. El SCR (ver figura 2.9), o denominado también tiristor, es utilizado como un interruptor electrónico que deja pasar corriente en un solo sentido. 40
Figura 2.9 SCR Fuente: Fundamento de los controladores lógicos programable. Domingo Mery
El SCR, al recibir un pulso por la compuerta, deja pasar corriente sólo en el
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sentido ánodo → cátodo, en este caso su comportamiento es similar al del diodo.
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Condiciones para el inicio de la conducción de un SCR:
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1) Ánodo positivo respecto al cátodo.
2) Pulso positivo entre la compuerta y el cátodo. El SCR permanecerá en el modo de conducción mientras el valor de la corriente esté por encima del valor crítico mínimo y se mantenga la diferencia de potencia positiva del ánodo con respecto al cátodo. El SCR también entrará en conducción si la tensión ánodo-cátodo sobrepasa los límites específicos del SCR (conducción por avalancha). Generalmente, se emplea el SCR en circuitos de corriente alterna (AC). Mediante un pulso de control en la compuerta, que debe aplicarse durante el medio ciclo positivo, el SCR entra en conducción. Existen diversos circuitos electrónicos utilizados para enviar los pulsos correspondientes
a
la
compuerta
del
SCR.
Algunos
de
ellos
emplean
microprocesadores, circuitos temporizado-res, sensores de fase, UJT, etc. El TRIAC Se utiliza como un interruptor electrónico que deja pasar corriente en ambos sentidos. Su construcción es la de dos SCR conectados en anti-paralelo. (ver figura 2.10) 41
Figura 2.10 TRIAC Fuente: Fundamento de los controladores lógicos programable. Domingo Mery
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El TRIAC tiene un amplio campo de uso en cargas de motores AC, ya que puede
SE E R S el TRIAC resulta ser más sensible a la tensión O En comparación con los relés, H C aplicada, a la D corriente EREy a la disipación interna de potencia. Una mala operación pude conducir en ambos semi-ciclos de voltaje alterno.
dañar el dispositivo para siempre.
Efectos del Ruido Se define el ruido como toda señal eléctrica indeseada, que puede entrar al equipo por diferentes vías. El ruido abarca el espectro completo de frecuencia y no presenta una forma de onda determinada. El ruido eléctrico puede ocasionarles serios problemas de funcionamiento a los equipos de estado sólido, a causa de los bajos niveles de señal con que funcionan. El ruido puede corresponder a alguno de los tres tipos básicos que se indican: • Ruido transmitido, propio de la señal original. • Ruido inherente, producto de los elementos que se integran en un sistema de adquisición de datos. • Ruido inducido, originado por las fuentes de poder, acoplamientos magnéticos y acoplamientos electrostáticos. 42
Algunas medidas que deben tenerse en cuenta para reducir el acoplamiento del ruido eléctrico son: • Usar encapsulados metálicos adecuados (jaula Faraday). • Canalizar las líneas de control de los dispositivos de estado sólido en forma separada de las líneas de poder. • Utilizar cables apantallados y trenzados, que proporcionan un escudo adecuado contra el acoplamiento electrostático y magnético. • El empleo de filtros adecuados permitirá eliminar el ruido indeseado de la señal.
Consideraciones Especiales
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SE E R OS utilizan en los rangos y condiciones de operación adecuados. H C E ER D La vida media de un TRIAC puede ser, por ejemplo, de 450.000 horas o 50 años,
Los componentes de estado sólido presentan una alta confiabilidad cuando se
considerando condiciones de operación típicas. Sin embargo, puede fallar en forma aleatoria, incluso si se emplea dentro de los rangos de operación de diseño. No es posible predecir cuándo va a fallar un componente de estado sólido cualquiera, como en el caso de los relés mecánicos, en los que observando su comportamiento se puede conocer el estado operacional. Los controladores lógicos programables consideran las limitaciones y ventajas de los elementos de estado sólido, de modo que se minimizan los efectos del ruido. Generalmente, los PLC emplean rutinas de autodiagnósticos y verifican constantemente el funcionamiento correcto de los dispositivos de I/O.
Administración de Entradas y Salidas de un PLC A.- Bases Del Montaje El montaje de los diversos módulos del PLC se realiza en slots ubicados en racks. (ver figura 2.11) 43
Figura 2.11 Montaje de módulos Fuente: Fundamento de los controladores lógicos programable. Domingo Mery
Los módulos básicos de un PLC son: • Fuente de poder.
H C E R y salida. • Interfaces DdeEentrada • CPU
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Dependiendo del modelo y la marca, existen en el mercado racks de diversos tamaños, como por ejemplo 4, 6, 8, 12, 14 y 16 slots. Según la aplicación se debe escoger el tamaño adecuado. Es posible instalar un módulo de ampliación, el que permite la conexión de un rack adicional. Otros módulos existentes son: • Módulos de comunicaciones (TCP/IP, DH+, etc.) • Módulos de control de redundancia • Módulos para conexión de racks remotos • Módulos de interfaz hombre-máquina (teclado, monito-res, etc.) • Módulos de almacenamiento de información • Módulos controladores PID
Módulos de Comunicaciones Permite la conexión del PLC a otros sistemas de información, tales como computadores y otros PLC, expresado en la figura 2.12. Existen por ejemplo redes tipo
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DataHiway para establecer una red de PLC conectados a un computador Host, utilizada comúnmente en sistemas de control distribuido.
Figura 2.12 Módulos de comunicaciones Fuente: Fundamento de los controladores lógicos programable. Domingo Mery
Módulos de Control de Redundancia
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Son utilizados para asegurar la operación de un módulo redundante en caso de
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fallas. Generalmente se utiliza redundancia para el módulo de fuente de alimentación y
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el CPU. (figura 2.13)
Figura 2.13 Módulos de control de redundancia Fuente: Fundamento de los controladores lógicos programable. Domingo Mery
Módulos para Conexión de Racks Remotos En muchas aplicaciones los sensores y los actuadores están localizados a gran distancia del PLC. En estos casos se utilizan los racks remotos, los que son conectados por medio de un cable al rack central del PLC. Se consiguen distancias de 300 metros.
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Figura 2.14 Módulos para conexiones de racks remotos Fuente: Fundamento de los controladores lógicos programable. Domingo Mery
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Para establecer esta comunicación se utiliza un módulo denominado canal
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controlador de entradas y salidas (IOCC) en el rack local y otro llamado controlador de
SE E R OSdistribuida con distintos niveles de jerarquía. estableciéndose así una arquitectura H C E R E D
base (DBC) en el rack remoto, al que se le pude conectar otro rack remoto,
Módulos de Interfaz Hombre-Máquina Se utilizan para establecer la comunicación entre el PLC y el usuario. En la mayoría de los casos se emplea con este fin, un computador PC conectado serialmente, desde el cual se puede programar el PLC y ver los estados de los registros internos y los puntos de entrada/salida, como se muestra en la figura 2.15. En otros casos se usa un Hand held monitor, que es un dispositivo pequeño con teclas funcionales y pantalla de caracteres.
Figura 2.15 Módulos de interfaz hombre-máquina Fuente: Fundamento de los controladores lógicos programable. Domingo Mery
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Módulos de Almacenamiento de Información Por lo general se utilizan medios de almacenamiento magnéticos tales como cintas y discos, en los que se puede guardar información de los valores de los puntos de entrada/salida y registros internos.
Módulos Controladores PID Se utilizan en el control de procesos, en el que se pretende igualar una variable de salida de un proceso a una variable de referencia.
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Figura 2.16 Módulos controladores PID Fuente: Fundamento de los controladores lógicos programable. Domingo Mery
Puntos de Entrada/Salida Los puntos del PLC son las entradas/salidas físicas que éste puede manejar. Cada punto tiene su representación interna en la memoria del PLC, en la que se utilizan números para identificarlos. Por lo general los módulos de entrada/salida vienen configurados en grupos de 8 puntos y pueden llegar hasta 1024, ampliables a más. Los puntos de entrada son designados como X0, X1, X2, X3..., mientras que los puntos de salida se identifican como Y0, Y1, Y2, Y3... A continuación se muestra una configuración básica de un PLC de 16 entradas y 16 salidas:
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Figura 2.17 Configuración básica de un PLC de 16 entradas y 16 salidas. Fuente: Fundamento de los controladores lógicos programable. Domingo Mery
Al diseñar el programa se debe hacer referencia a las variables de entrada/salida que identifican los puntos del PLC.
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2.3.14.-LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN ORIENTADOS A PLC
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Lenguajes de Programación
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Los lenguajes de programación ofrecen un conjunto de instrucciones con una determinada sintaxis para ejecutar una función. Existen lenguajes de nivel bajo, intermedio y superior dependiendo del grado de comunicación que se tiene con la unidad de control de procesos (CPU) y el grado de complejidad de las instrucciones. Otra clasificación de los lenguajes de programación son los lenguajes estructurados y los no estructurados, que se refieren a la forma de escribir y agrupar las instrucciones. Un buen lenguaje de programación debe ser de fácil entendimiento, de tal forma que permita su modificación posterior si es que existen nuevos requerimientos.
Lenguajes de Bajo Nivel Son los lenguajes que operan con instrucciones que controlan cada bit del CPU. Éstos son los lenguajes Assembler y de máquina. A manera de ejemplo, con estos lenguajes sólo se pueden sumar números de 8 ó 16 bits. Para realizar una suma de 48
números de más bits es necesario descomponer el número en números primarios, sumarlo uno por uno guardando el arrastre de cada suma primaria para sumarlo con el siguiente número más significativo.
Lenguajes de Nivel Intermedio Estos lenguajes ofrecen un conjunto de instrucciones que pueden tanto comunicarse a nivel de bit con el micro-procesador como ejecutar funciones de mayor grado de complejidad. En los lenguajes de nivel intermedio se incorporan las funciones aritméticas,
S O D A funciones de manipulación de archivos en dispositivos V de almacena-miento externo. R E ES R S Lenguajes de Nivel Superior HO C E DERde nivel superior realizan con tan solo una instrucción una Los lenguajes
algunas funciones matemáticas (trigonométricas, raíz cuadrada, logaritmos, etc.) y
operación que con lenguajes de otro nivel se necesitaría fácilmente una docena de ellos. Por ejemplo, con un lenguaje de nivel superior orientado al manejo de bases de datos, se puede con una sola instrucción ordenar alfabéticamente una lista de 10,000 nombres.
Lenguajes Estructurados y no Estructurados La diferencia fundamental entre la programación estructurada y la no estructurada radica en que la primera no acepta el comando de bifurcación. De esta forma, el programa se ejecuta sólo por secciones. Para realizar una bifurcación, es necesario recurrir a instrucciones condicionales que ejecutarán una sección del programa sólo si se cumple una determinada condición. Por otra parte, el lenguaje no estructurado permite la bifurcación desde y hacia cualquier línea del programa. Ejemplos de lenguajes no estructurados: BASIC, FORTRAN, Assembler. Ejemplos de lenguajes estructurados: C, PASCAL, dBASE. 49
Lenguajes de Programación Orientados a PLC El lenguaje de programación de un PLC permite la creación del programa que controlará su CPU. Mediante este lenguaje el programador podrá comunicarse con el PLC y así dotarlo de un programa que controle las actividades que debe realizar. Dependiendo del lenguaje de programación, es posible la realización del programa con distintos grados de dificultad. Junto con el lenguaje de programación, los fabricantes suministran un software
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de ambiente de trabajo donde el usuario puede escribir sus programas.
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Este software es amistoso y corren sobre computadores tipo PC bajo plataformas
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DOS o Windows.
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Los métodos de programación más utilizados para PLC son: • Programación con diagrama escalera. • Programación con bloques funcionales. • Programación con lógica boolena.
2.3.15.- ESPECIFICACIONES DE UN PLC INDUSTRIAL Elementos A Suministrar • Unidad procesadora • Unidad de memoria • Módulos de entrada/salida • Interfaz de comunicación • Rack de entrada/salida • Fuente de poder • Periféricos • Sotware de programación y documentación • Manuales de hardware 50
• Repuestos • Cables y conectores entre racks, fuente de alimentación y módulos de comunicación.
Condiciones de Operación • Ubicación geográfica de la aplicación • Ambiente • Instalación Interior-Exterior • Altura • Temperatura ambiente • Humedad relativa • Vibraciones
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• Confiabilidad en la operación
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• Suministro eléctrico
Requerimientos Técnicos • Modularidad y flexibilidad • Capacidad de entradas/salidas • Capacidad de la fuente de alimentación • Tipo de señales a procesar • Tiempo de ciclo • Lenguaje de programación • Indicadores: fuente, batería, status • Tipos de instrucciones • Características de las señales de entrada (Discretas, analógicas, niveles de señal) • Precisión de los conversores análogo-digitales • Interfaz de operación
51
2.3.16.- CONSIDERACIONES DE INSTALACIÓN Y MONTAJE
Preparación del Lugar de Instalación • Definición de los requerimientos de control. • Determinar el número de PLC requeridos. • Determinar disposición de paneles y tierras. Los requerimientos de control se definen en términos del número de entradas y salidas. Posteriormente, se calculan los módulos de I/O y los racks que se necesitan. Una vez que se conocen los PLC, módulos de I/0 y racks requeridos, se deben
OS D A V R La potencia total requerida en la instalación, considerando el PLC, módulos de I/0 E S E R la capacidad disponible de la fuente de y módulos controladores, no debeS exceder O H C E poder. R DE
determinar la potencia necesaria para el funcionamiento correcto del PLC.
Consideraciones de Seguridad Al diseñar el sistema, se deben tener en cuenta las condiciones de seguridad del personal durante fallas. Los equipos conectados al PLC deben incluir interlocks y switches de seguridad, que prevengan la operación al producirse una falla. • Debe existir un medio para desconectar la alimentación de energía a las cargas (salidas), independiente del PLC, para operaciones de rutina. • Debe existir un medio para desconectar la alimentación de energía a las salidas, para condiciones de emergencia. • Se deben utilizar circuitos by-pass externos para operaciones de partida o inicialización (cargas críticas).
2.4.- DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS Arranque autónomo: Capacidad de un grupo electrógeno de arrancar sin alimentación eléctrica externa. (Cuaderno Técnico Schneider no 196 2001) 52
Carga: de define como la potencia eléctrica requerida para uno o varios artefactos eléctricos o la potencia que transporta un circuito. (Instalaciones Eléctricas SIEMENS) Condición de falla: aquella condición en la cual una condición operativa presenta alguna regularidad y debe pararse el trabajo. (Instalaciones Eléctricas SIEMENS) Conmutador estático: Interruptor rápido, normalmente constituido por componentes de electrónica de potencia, que puede conmutar una carga alimentada por un ondulador o SAI sobre otra fuente de energía sin ocasionar retardo ni transitorio inaceptable. (Cuaderno Técnico Schneider no 196 2001)
OS D A V Técnico Schneider n 196 R admisible antes de se perjudicial para un equipo. (Cuaderno E ES R 2001) S HO C E ER DDesconexión Desenganche: voluntaria de cargas no preferentes cuando la potencia
Curva de carga: Curva de la corriente en función del tiempo, que muestra el límite o
total disponible no es suficiente para alimentar la carga total de la explotación. (Cuaderno Técnico Schneider no 196 2001) Estabilidad de red: Una red se considera estable si una perturbación limitada a la entrada origina a la salida una perturbación también limitada. Si una red de distribución eléctrica es estable, las fluctuaciones de carga, los defectos, las conexiones y desconexiones del servicio no producirán fluctuaciones importantes de la tensión o de la frecuencia. (Cuaderno Técnico Schneider no 196 2001) Memoria: Son dispositivos que retienen datos informáticos durante algún intervalo de tiempo. (Fundamento de los controladores lógicos programable. Domingo Mery) Rack: es un bastidor destinado a alojar equipamiento electrónico, informático y de comunicaciones. (Fundamento de los controladores lógicos programable. Domingo Mery)
53
Relé de control de sincronismo (synchrocheck): Relé de verificación cuya misión es actuar cuando los vectores de dos tensiones de entrada están dentro de la tolerancia prevista. (Cuaderno Técnico Schneider no 196 2001) Relé de corriente máxima manteniendo la Tensión: Relé de protección de corriente máxima con una entrada de tensión que contrasta la respuesta normal de un relé en una entrada de corriente. Se utilizan os alternadores debido a que éstos proporcionan una corriente de cortocircuito mucho menor que la de una conexión a red de potencia equivalente. (Cuaderno Técnico Schneider no 196 2001) Sin cronoscopio: Instrumento que permite indicar si dos tensiones alternas aguas
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arriba y aguas abajo de un interruptor automático tiene la misma frecuencia y están en
SE E R OSque permiten controlar desde una esacio remota, Sistemas de control: si sistemas H C E brinda una interfaz grafica oye muestre el comportamiento R donde el software de control E D o
fase. (Cuaderno Técnico Schneider n 196 2001)
de un proceso en tiempo real para actuar sobre los dispositivos instalados en la planta. (Fundamento de los controladores lógicos programable. Domingo Mery) Slots: es un elemento de la placa base de un ordenador que permite conectar a ésta una tarjeta adaptadora adicional o de expansión, la cual suele realizar funciones de control de dispositivos periféricos adicionales, tales como monitores, impresoras o unidades de disco. (Fundamento de los controladores lógicos programable. Domingo Mery) Software: es la suma total de los programas de cómputo, procedimientos, reglas, documentación y datos asociados que forman parte de las operaciones de un sistema. (Fundamento de los controladores lógicos programable. Domingo Mery)
Tensión residual: Tensión de un juego de barras después de cortar la fuente de alimentación. Esta tensión proviene de las máquinas giratorias conectadas al juego de barras. (Cuaderno Técnico Schneider no 196 2001)
54
2.5.- OPERACIONALIZACION DE LA VARIABLE Nombre de la variable: Sistema Inteligente para el Diagnostico de Fallas Definición conceptual de la variable: un sistema inteligente es un programa de computación que reúne características y comportamientos asimilables al de la inteligencia humana, que permite controlar procesos utilizando principalmente controles lógicos programables. Así mismo, un diagnostico de fallas se refiere
determinar
mediante diferente métodos de observación, los errores o condiciones anormales presentes en un sistema. Definición operacional de la variable: el esquema operacional
de los grupos
OS D A R mediante un software el comportamiento normal yV anormal para posteriormente E S E diseñarle un sistema inteligente capas de monitorear, medir y controlar continuamente SR O H C Een el funcionamiento de dichos equipos, así como diagnosticar las variables presentes R E D electrógenos del Hospital General del Sur “Dr. Pedro Itrurbe”, consiste en simular
las fallas generadas en el proceso. Estos datos, se trasmitirán, a través de un sistema de comunicación, a una computadora persona. Cuadro de variable: a continuación se muestra la tabla 2.1 donde se define la operacionalizacion de las variables, donde se encontraran detalladamente las dimensiones e indicadores del sistema.
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CAPÍTULO III H C E
DER
MARCO METODOLÓGICO
CAPÍTULO III MARCO METODOLÓGICO
3.1 TIPOS DE INVESTIGACIÓN Chávez (2007, pág. 133) afirma que “el tipo de investigación se determina de acuerdo con el tipo de problema que el lector desee solucionar, objetivos que pretenda lograr y disponibilidad de recursos.
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En ese orden de ideas, las investigaciones se clasifican por diversidad de
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criterios. Entre otros: por su propósito, periodo en que se recolecta la información,
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comparación de las muestras y método en que se ejecutara.”
D
Este mismo autor establece que “las investigaciones descriptivas, son todas aquellas que se orientan a recolectar informaciones relacionadas con el estado real de las personas, objetos, situaciones o fenómenos, tal cual como se presentaron en el momento de su recolección. Describe lo que se mide sin realizar inferencias ni verificar hipótesis” Por otro lado, Arias (2006, pág. 24), establece que “la investigación descriptiva consiste en la caracterización de un hecho, fenómeno individuo, o grupo, con el fin de establecer su estructura o comportamiento. Los resultados de este tipo de investigación se ubican en un nivel intermedio en cuanto a la profundidad de los conocimientos se refiere” Luego de analizar las definiciones anteriores y evaluando la descripción de la variable de esta investigación se establece que, por sus características, esta investigación es de tipo descriptiva, ya que se recolecta información sobre la situación actual de los grupos electrógenos, en lo relativo al diagrama unifilar del sistema de distribución
del
hospital,
especificaciones
técnicas,
y
reporte
de
fallas;
59
lo cual permite estudiar su funcionamiento tanto en condiciones normales como anormales.
Así mismo, se considera dentro de esta clasificación ya que se detallaron los requerimientos técnicos, operativos y económicos utilizados para la elaboración del diseño, tomando en cuenta las condiciones normales y de emergencia en el funcionamiento de los grupos, observando los parámetros, tales como: voltaje, corriente, presión, temperatura, nivel de aceite y velocidad; a fin de que el sistema inteligente identifique apropiadamente las fallas en los grupos electrógenos.
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En el mismo orden de ideas, se detallan todas las simulaciones de todo el
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proceso, obtenidas utilizando un software para comprobar el correcto funcionamiento y
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supervisión del sistema de control diseñado.
3.2 DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN Acota Cerda Gutiérrez (1991), citado por Hurtado de Barrera (2000, pág.149), explica que el diseño de la investigación es un conjunto de decisiones, pasos, esquemas y actividades a realizar en el curso de la investigación. Así mismo, este autor también cita a Namakforoosh (1995), quien describe el diseño de la investigación como un arreglo de condiciones para recopilar y analizar la información, de manera que permita alcanzar los objetivos de la investigación. Por su parte, Tamayo y Tamayo (2007, pág.179), describen al diseño como la estructura a seguir en una investigación, ejerciendo el control de la misma a fin de encontrar resultados confiables y su relación con los interrogantes surgidos de los supuestos e hipótesis – problema. Este autor acota también que el diseño es un planteamiento de una serie de actividades sucesivas y organizadas, que pueden adaptarse a las particularidades de cada investigación y que indican los pasos y pruebas a efectuar y las técnicas a utilizar para recolectar y analizar los datos.
60
Según Hurtado de Barrera (2000, pág. 149), el diseño de la investigación está dimensionado en cuatro aspectos, la Dimensión Teórica, Dimensión Táctica, Dimensión Sumarial y Dimensión Analítica. En esta sección se describe la Dimensión Táctica, donde el autor establece que, “tiene que ver con los procedimiento específicos, tácticas y estrategias a utilizar para recoger la información necesaria; en este sentido el diseño debe precisar: la perspectiva temporal de la investigación, el nivel de intervención del investigador, el sistema de mediciones, el ambiente de estudio, fuentes y el patrón de comparación.” En el caso de la perspectiva temporal, expresada a través del infograma de Hurtado de Barrera (2000, pág. 150) por el instante de tiempo en el cual se lleva a cabo
OS D A V en un instante puntual del R este estudio en un contexto de investigación actual, realizado E ES R periodo temporal, definiéndose así una investigación de diseño Transeccional S O H C E contemporáneo, ya R que se presentan un panorama de la variable en la actualidad. DE la investigación, así como la realización de un estudio evolutivo del evento, se enmarca
Por otra parte, Arias (2006, pág.27), define una investigación documental como el “proceso basado en la búsqueda, recuperación, análisis, critica e interpretación de los datos secundarios, es decir, los obtenidos y registrados por otros investigadores en fuentes documentales: impresas, audiovisuales o electrónicas. Como en toda investigación, el propósito de este diseño es el aporte de nuevos conocimientos”. Así mismo, este autor (pág. 31) establece que la investigación de campo “es aquella que consiste en la recolección de datos directamente de los sujetos investigados, o de la realidad donde ocurren los hechos, sin manipular o controlar variable alguna, es decir, el investigador obtiene información pero no altera las condiciones existentes. De allí su carácter de investigación no experimental.” Respecto al ambiente de estudio y las fuentes, donde se debe precisar el si la investigación se lleva en un ambiente de campo o un ambiente artificial de laboratorio, así como si se recurre a fuentes vivas o a la revisión documental para recoger los datos (Hurtado de Barrera 2000, pág. 149-151), se puede indicar que esta investigación es netamente de campo, recurriendo a fuentes vivas para la obtención de los datos. 61
Con base en lo descrito anteriormente, en esta investigación se plantea un diseño de campo, transeccional contemporáneo no experimental y documental, ya que se revisaron y analizaron textos especializados, manuales, catálogos de fabricante, artículos técnicos y otras fuentes documentales. Así mismo, es de campo, ya que se realizaron varias visitas al Área de Generación Auxiliar del Hospital General del Sur Dr. Pedro Iturbe, para inspeccionar el estado actual y observar el funcionamiento, además, se realizo un estudio de la carga critica presente en dicha institución. Por otro lado, esta investigación es no experimental, debido a que no se modificó la información recolectada, se usó tal cual fue recaudada, no hubo manipulación de la variable. En el mismo orden de idea, es una investigación traseccional ya que la recolección de datos
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se ejecutó en un periodo definido, desde septiembre de 2010 hasta marzo del 2011.
3.3 POBLACIÓN Y MUESTRA
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Arnau (1980) citado por Hurtado de Barrera (2000, pág.152), establece que la población “se refiere a un conjunto de elementos, seres o eventos, concordantes entre si en cuanto a una serie de características, de los cuales se desea obtener alguna información”. En otras palabras, la población de una investigación esta constituida por el conjunto de seres en los cuales se va a estudiar el evento, y que además comparten, como características comunes, los criterios de inclusión. Este mismo autor comenta que otros autores de metodología “suelen clasificar las poblaciones en dos categorías: finita e infinita. Se considera que una población es infinita cuando no es posible especificar o registrar cuantos y quienes la conforman en su totalidad, mientras que se define como finita, la población cuyos integrantes son conocidos y pueden ser identificados y listados por el investigador en su totalidad.” Hurtado de Barrera (2000, pág.155), define a la muestra como “una porción de la población que se toma para realizar el estudio, la cual se considera representativa (de la población). Para conformar una muestra es necesario seleccionar cuáles de las unidades de estudio serán observadas; a esta selección se le denomina muestreo”
62
Por otro lado, Arias (2006, pág. 33), define que ‘‘a diferencia de la encuesta por muestreo, el censo busca recabar información acerca de la totalidad de una población. Así mismo este autor establece que ‘‘también se puede aplicar un censo al total de pobladores de una región, o al total de miembros de una organización. ’’ En este aspecto, la población de esta investigación es finita y está conformada por los dos (02) grupos electrógenos ubicados en el Área de Generación Auxiliar del Hospital General del Sur. Conformando a su vez, nuestra unidad de investigación. Resulta oportuno mencionar que la unidad de análisis esta conformada por las fallas presentes en el conjunto generador motor.
S O D A Barrera (2000, pág. 160), define que ‘‘es cuando se desconoce la probabilidad que se V R E ESparte de la muestra. La escogencia se tiene cada elemento de la población deR formar S HO por el investigador.” de igual forma la técnica hace en base a criterios establecidos C E R DE asociada a este tipo de muestreo es intencional o razonada, debido a que el tema fue En cuanto al tipo de muestreo se utiliza no probabilístico que según hurtado de
propuesto por el Departamento de Mantenimiento del Hospital General del Sur Dr. Pedro Iturbe, ante la necesidad de poseer un sistema que permita detectar las fallas y evitar la interrupción del suministro eléctrico.
3.4 TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS Finol de Franco y Camacho (2008, pág. 73), comenta que para la recolección y análisis de datos se necesita del auxilio de ciertas técnicas dirigidas a recabar la información o para comprobar el conocimiento adquirido.
Rodríguez y Pineda (2003), citado por Finol de Franco y Camacho (2008, pág. 76), define a los instrumentos de recolección de datos como un ‘‘recurso del que se vale el investigador para acercarse a la realidad y extraer información sobre su objeto de estudio. ’’ Hurtado de Barrera (2000, pág.164) estable que ‘‘La selección de técnicas e instrumentos de recolección de datos implica determinar por cuales medios o 63
procedimientos el investigador obtendrá la información necesaria para alcanzar los objetivos de la investigación. ’’ Algunas técnicas e instrumentos utilizados en la presente investigación son observación, entrevista, encuestas y registró fotográfico.
A. Observación Documental Tamayo y Tamayo (2001, pág. 99), exponen que la observación documental “es la que se realiza con base en la revisión de documentos, manuales, revistas, periódicos, actas científicas, conclusiones de simposios, seminarios y/o cualquier tipo
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de publicación considerado como fuente de información”.
SE E R OSde fabricantes, artículos técnicos y otras fuentes especializados, manuales, catálogos H C referentes al D funcionamiento, ERE mantenimiento, supervisión y operación de los grupos Para esta investigación se revisaron y se analizaron diversos textos
electrógenos. De igual manera se revisaron textos especializados en el área del PLC así como manuales de funcionamiento y
programación. Los documentos más
resaltantes analizados son:
Manual de operación y mantenimiento de las plantas eléctricas IGSA.
Cuadernos Técnicos Schneider
Fundamento de los controladores lógicos programable. Domingo Mery
B. Observación Directa Finol de Franco y Camacho (2008, pág. 74), expone que la observación directa es el “procedimiento por medio del cual se obtiene y registra la información directamente en el lugar en el que ocurre los fenómenos, hechos o situaciones, objeto de investigación.”
64
En esta investigación se realizaron visitas al Hospital General del Sur, específicamente al Área de Generación Auxiliar donde se pudo observar el funcionamiento de los grupos electrógenos
C. Entrevista Estructurada La entrevista estructura basando en Finol de Franco y Camacho (2008), se puede definir como un dialogo iniciado por
el investigador con el fin de obtener
información acerca de un contenido especifico. Cabe destacar que el contenido y todos los procedimientos se deben organizar con antelación. Esta técnica se apoya en un cuestionario el cual debe estar bien elaborado con el fin de obtener respuestas claras y
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concisas.
Chávez (2007, pág. 173), define que “los cuestionarios son documentos
H C E ERalternativas de respuestas. Los primeros contienen ítems, cuyas una variable) D y las
estructurados o que no tienen un conjunto de reactivos (relativos a los indicadores de
respuestas deben ser marcadas con un símbolo; en tanto que los segundos, no se indican respuestas sugeridas. ” Las entrevistas estructuradas fueron abiertas e informales, se aplicaron a técnicos e ingenieros del departamento de gestión tecnológica y salud ambiental, con el fin de expandir los conocimientos obtenidos a través de manuales, libros y observación del funcionamiento de los grupos electrógenos, estas entrevistas fueron organizadas con antelación. En el anexo 1 se encuentran las preguntas realizadas al personal.
D. Registro Fotográfico Un registro fotográfico es el proceso de capturar imágenes que nos permite ilustrar cada uno de los elementos de los grupos electrógenos, entre los cuales están el generador y motor diesel, las placas características, el tablero de transferencia automática, los sensores de temperatura, presión del aceite, cantidad del combustible.
65
3.5 FASES DE LA INVESTIGACIÓN Fase I. Situación actual de los grupos electrógenos
Recabar información teórica y técnica del sistema eléctrico del hospital (diagrama unifilar) y los equipos electrógenos del sistema de emergencia a través de manuales de fabricantes, artículos técnicos y libros especializados en el área.
Realizar inspecciones al Área de Generación Auxiliar del Hospital General Del Sur Dr. Pedro Iturbe, con la finalidad de observar directamente el proceso de funcionamiento.
Descripción técnica de los equipos de control, protección y medición utilizados.
Realizar un estudio de carga de los equipos en las áreas criticas
Efectuar entrevistas estructuradas al personal encargado del
Analizar los reportes de fallas presentados en los
OS Departamento D A V Dr. Pedro Iturbe, utilizando R Mantenimiento Del Hospital General Del Sur E ES R cuestionarios abiertos con preguntas relacionadas a nuestra unidad y área de S O H C investigación.RE DE
Grupos Electrógenos del
Hospital General Del Sur Dr. Pedro Iturbe.
Emitir un diagnóstico de la situación actual de los grupos electrógenos.
Fase II. Determinación de Requerimientos
Estipular los requerimientos operativos relacionados al sistema como su factor de utilización, confiabilidad y su conmutación automática, alisando los manuales de funcionamiento y placa característica de los equipos.
Establecer los requerimientos técnicos como niveles de protección y aislamiento, el modulo de control y las característica propias del PLC que permitan diseñar el sistema inteligente, mediante la revisión de artículos científicos, manuales del fabricante y libros especializados en el área.
Elaborar un presupuesto inicial del costo de instalación del sistema inteligente, mediante consultas de precios entre diversos fabricantes y seleccionando la mejor opción. 66
Fase III. Diseño del sistema inteligente para el diagnóstico de fallas Establecer las condiciones de operaciones normales, anormales y de emergencia de los grupos electrógenos, así como las fallas asociadas a ellas. Determinar las variables de interés y las cantidades de equipos a analizar.
Ya con el conocimiento de todas las características técnicas de los grupos electrógenos, se pudo proceder a determinar cuales deberían ser las condiciones de operación que deberían tener los equipos para implementar el diseño de un sistema de supervisión.
D
Describir
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H C E el R software, crear E
Fase IV. Simulaciones
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la base de datos del diseño,
verificar el
funcionamiento y operación del sistema para diagnosticar fallas, a través de la revisión del manual de funcionamiento del Step 7, así como realizando las simulaciones relacionadas a la investigación.
67
CAPÍTULO IV OS D A RV
SE E R OS ANÁLISISC EHINTERPRETACIÓN DE LOS E RESULTADOS DER
69
CAPÍTULO IV ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS
4.1 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO DEL HOSPITAL GENERAL DEL SUR DR. PEDRO ITURBE La figura 4.1 muestra la red de alimentación eléctrica en el Hospital General del Sur Dr. Pedro Iturbe.
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Figura 4.1. Diagrama unifilar de la red de alimentación eléctrica en el Hospital General del Sur Dr. Pedro Iturbe. Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
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La energía eléctrica para la red de distribución del hospital, es proporcionada por CORPOELECT-ENELVEN, a través de un sistema de distribución en 23.9 Kv en doble derivación provienen de la subestación Arreaga, mediante dos circuitos de distribución denominados: circuito Radio Popular y circuito General del Sur. El alimentador preferencial es el circuito Radio Popular, y fue seleccionado debido al mínimo margen que presenta en fallas, pero en caso de que este circuito presente alguna falla el switch de transferencia principal, cambia de forma automática al circuito de General del Sur, que opera también en 23.9Kv. El Switch de transferencia cuenta con una placa de características, donde se expresan los valores más resaltantes, tal como lo ilustra la figura 4.2
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Figura 4.2. Placa característica del Switch de Transferencia Principal. Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
En la figura 4.3 se ilustra el gabinete de control del swich de transferencia principal, el cual internamente cuenta con tres relés (03) de sobrecorriente que tienen como función bloquear el mecanismo al existir alguna falla en la red.
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Figura 4.3. Gabinete de control del Switch de transferencia principal. Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
Ambas líneas de alimentación llegan al hospital y pasan a dos bancos trifásicos conformados por unidades monofásicos de 23.9Kv/208v, con una potencia nominal cada uno de 225KVA. Después de esta transformación pasan a un tablero principal donde se derivan dos alimentaciones, una que va directamente al hospital y la otra encargada de alimentar las cargas críticas como: el Quirófano, Sala de Bombas, Emergencia y Cuidados Intensivos. En caso de que las dos líneas principales fallen existe un switch de emergencia que cambia la red normal a la red de emergencia automáticamente, suministrando energía únicamente a las áreas mencionadas anteriormente.
La red de emergencia incluye dos (02) grupos electrógenos, de diferentes capacidades, que generan energía eléctrica en 208v (Fase-Fase).
71
4.2 DESCRIPCIÓN DE LOS GRUPOS ELECTRÓGENOS DEL HOSPITAL GENERAL DEL SUR DR. PEDRO ITURBE El Hospital General del Sur Dr. Pedro Iturbe cuenta con dos (02) grupos electrógenos, cada uno constituido por un generado síncrono, accionado por un motor diesel, éste debe encenderse cuando detecta alguna falla en el sistema de alimentación. Cabe destacar que cada uno de estos grupos electrógenos poseen paneles de transferencia, que se activan de forma automática cuando se pierde la alimentación de la línea principal por efecto de una falla. Además cuentan con sensores que permiten monitorear las variables involucradas y poder observar el estado en que se encuentran.
S O D A El conjunto de grupos electrógenos está conformado V por uno Caterpillar modelo R E ESDeere modelo 110-JD404A de 125KVA, 3408CAT capaz de suplir 375 KVA y uno John R S O de su capacidad nominal, y utilizando como H60% trabajando alrededor E deC un DER combustible Diesel. En la figura 4.4 y 4.5 se ilustran lo grupos electrógenos presentes en el Hospital General del Sur Dr. Pedro Iturbe
Figura 4.4. Generador con motor diesel marca Caterpillar modelo 3408CAT Fuente Propia: Andrade, Vargas 201
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Figura 4.5. Generador con motor diesel marca John Deere modelo 110-JD404A Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
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SE E R Los generadores presentes OSen el hospital son utilizados únicamente como H C unidades de D emergencia, ERE comúnmente se mantienen sin utilizar y solo entrarán en 4.2.1 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL GENERADOR SÍNCRONO
servicio cuando la alimentación eléctrica principal falle y deberán asumir toda la carga crítica. Se considera una de las partes más importante del grupo electrógeno, se
encarga de transformar la energía mecánica del motor en energía eléctrica. Va unido al volante del motor a través de unos discos de fijación o a través de un acoplamiento flexible. Sus funciones de control pueden ser de forma manual, donde para su puesta en funcionamiento requieren que se opere manualmente con un interruptor para parar o detener, es decir, que no cuentan con una unidad de transferencia. La operación semiautomática que cuentan con un control automático basado en microprocesadores pero no poseen un sistema de transferencia y por ultimo, la operación automático que a diferencia del mencionado anteriormente contiene funciones estándar que son programables y un sistema de transferencia. Además el generador síncrono cuenta con un regulador de velocidad de operación manual. Este gobernador permite controlar la frecuencia del generador 73
dependiendo de la carga que le sea acoplada. En el caso de estudio nuestra carga es constante aunque se piensa expandir la misma a futuro. Las tablas 4.1 y 4.2 reflejan las características técnicas más relevantes de los generadores síncronos presentes en los grupos electrógenos Caterpillar modelo 3408CAT y John Deere modelo 110-JD404A
Tabla 4.1. Características técnicas del generador síncrono marca Caterpillar modelo 3408CAT Marca Caterpillar Modelo 3408CAT Potencia 375 KVA Tensión 120/208v F.P. 0,8 Fases 3 Refrigeración Ventilador AF RPM 1800 Frecuencia 60 Hz Temperatura ambiente 49 ºC Temperatura máxima 150 ºC
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Fuente: Manual de Grupo Electrógeno Caterpillar
Tabla 4.2. Características técnicas del generador síncrono marca John Deere modelo 110-JD404A Marca John Deere Modelo 110-JD404A Potencia 125 KVA Tensión 120/208v F.P. 0,8 Fases 3 Refrigeración Ventilador AF RPM 1800 Frecuencia 60 Hz Fuente: Manual de Grupo Electrógeno John Deere
4.2.2 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL MOTOR DIESEL Los motores presentes en el hospital son utilizados para prestar un servicio continuo que accionara a los grupos electrógenos, el cual fue diseñado para ello y esta compuesto por todos los elementos necesarios para una adecuada operación.
74
Deben contar con un sistema de combustible capaz de entregar un suministro limpio y continuo, el cual esta respaldado por un depósito de combustible de acuerdo a su potencia. Las líneas de suministro del diesel tienen que ser adecuadas, para este caso se utilizan tuberías de acero. Consta además, con un sistema de lubricación que se encarga de mantener lubricadas todas las partes móviles en el motor, y a su vez sirve como medio refrigerante, pero el sistema de refrigeración principal es el aire, se suelen adosar directamente ventiladores al motor o colocarse por separado, y se encarga de que el motor trabaje en un rango de temperatura correcto. Además el motor esta equipado con:
Bomba de combustible.
Filtro de combustible primario.
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SE E R S Filtro de combustible Osecundario. H C Earranque. R Sistema de E D Sistema de protección.
Puesto que el motor no es capaz de arrancar por si solo, debido a que debe vencer el estado de reposo en que se encuentra, para esto es alimentado por baterías de 12 o 24 voltios, el par del motor se origina cuando es activado el relé de arranque. Según el CODELECTRA 200 – 2004 [5], las baterías estacionarias usadas como fuente de energía para los sistemas de emergencia serán de régimen y capacidad adecuada para suministrar y mantener la carga total por un periodo mínimo de 1,5 horas sin que la tensión aplicada caiga por debajo del 87,5% del nominal La tabla 4.3 refleja las características técnicas más relevantes del motor diesel presente en el grupo electrógeno Caterpillar modelo 3408CAT, y la tabla 4.4 la correspondiente al motor John Deere modelo 110-JD404A
75
Tabla 4.3. Características técnicas del motor diesel marca Caterpillar modelo 3408CAT.
Serial Potencia Combustible Cantidad de combustible RPM Temperatura de escape
69U161 450HP Diesel 12,5 L 1800/ 1850 499,5 ºC
Fuente Manual de Grupo Electrógeno Caterpillar
Tabla 4.4. Características técnicas del motor diesel marca John Deere modelo 110-JD404A Serial Potencia Combustible Cantidad de combustible RPM Configuración Temperatura del aceite Temperatura de escape
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646CAFOO2930280 148 kW Diesel 6,8 L 1800 6 cilindros 115 ºC 540 ºC/575 ºC
Fuente Manual de Grupo Electrógeno John Deere
4.2.3 DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS DE CONTROL, PROTECCIÓN Y MEDICIÓN El sistema de transferencia automática se utiliza en los grupos electrógenos automáticos y se componen en dos partes: el interruptor de transferencia y el circuito de control de transferencia. El interruptor de transferencia consiste en un gabinete, donde se encuentran alojados los interruptores que se encargan de realizar la transferencia automática de la red pública al sistema de emergencia en caso de falta del servicio, estos operan eléctrica o mecánicamente, además son capases de manejar toda la energía del generador; incluyendo la línea, que puede interrumpir la corriente que pasa en forma continúa. El proceso de transferencia automático también permite su activación manual en el caso que sea necesario, permitiendo al personal de la institución de salud garantizar la puesta en marcha del servicio de forma continua y confiable para que las áreas criticas siempre puedan dar la atención requerida. 76
El circuito de control de transferencia debe operar bajo las siguientes condiciones:
Detectar el voltaje de la red (fallas en la red)
Cuando se presente alguna falla de energía, enviar una señal al grupo electrógeno para que arranque.
Cuando el grupo electrógeno alcance el voltaje y la frecuencia nominal, se permita la transferencia y así proveer la energía eléctrica necesaria a la carga.
Al momento que se despeje la falla en la red principal, el control lo detecta y se realiza la transferencia a la alimentación normal.
S O D A El grupo electrógeno cuenta con los siguientes sensores: V R E ES R S Manómetro con contactos: HO es un manómetro de presión de aceite conectado al C E Rtiene un contacto que es accionado mecánicamente y está motor D el E cual calibrado para cuando se presente una caída de presión, éste cambie de estado sus contactos. Está estructurado por la aguja indicadora y un tope ajustable.
Medidor de temperatura: es un instrumento análogo el cual tiene un contacto que es accionado mecánicamente y está calibrado para que al incrementarse la temperatura del refrigerante del motor el contacto cambie de estado.
Bomba de combustible: permite controlar la sobre-velocidad de los motores a través de una bomba de combustible, para evitar el sobre pase las revoluciones permitidas.
La protección de los motores, se ha vuelto una necesidad debido a las pérdidas económicas que implican la reparación o reposición del motor dañado y las asociadas al servicio que dejaran de prestar estando fuera de operación. Estas contemplan los problemas asociados al voltaje y corriente, por lo que se requieren dispositivos capases de supervisar dichos valores de operación en los motores
77
Existen diversos dispositivos en el mercado que ofrecen protección a motores, las ofertas son amplias y contemplas desde los clásicos relés térmicos de sobrecarga, los supervisores electrónicos de voltaje, los relés electrónicos de sobrecarga, hasta las últimas tecnologías de protecciones integrales y las protecciones totales para motores. Las dos últimas ofrecen protección al motor procesando digitalmente los valores de las corrientes, de los voltajes y de la temperatura del motor simultáneamente. Generalmente la protección más utilizada en las aplicaciones de motores es el relé térmico de sobrecarga. A través de él fluyen las corrientes que consume el motor, calentándose y enfriándose de igual manera que este. Para ello, hacen uso de unas resistencias calentadoras por las que fluyen las corrientes del motor. Si el calor
OS D A R asociado a estas, se dilatará por efecto del calor yV desenergizará al motor. En ese E S E momento, el relé térmico comenzará Sa Renfriarse y cuando el calor remanente llegue a O H Cnuevamente al motor. E un nivel seguro, energizará R DE acumulado en las resistencias es mayor o igual
al máximo permitido, un contacto
Dependiendo de la tecnología con que estén construidas las protecciones, procesaran los valores de voltaje de manera analógica o digital. De presentarse la falla de voltaje, desenergizarán al motor y tan solo lo reconectarán una vez desaparecida la falla. El uso de una protección de voltaje para proteger un motor en ningún momento descarta el uso de un relé térmico de sobrecarga. Ambas protecciones son complementarias aunque no abarquen todos los escenarios en que el motor deba ser protegido. Lo más importante a la hora de seleccionar una protección por fallas de voltaje es que incluya, la protección por desbalance. Luego, dependiendo de la calidad del suministro eléctrico con que opera el motor, deberá considerarse si la protección debe incluir, adicionalmente, las fallas de bajo voltaje o sobrevoltaje. Es necesario tener en cuenta que para obtener el desbalance de voltaje, la protección debe de supervisar las tres fases y procesar sus valores de voltaje. A fin de monitorear la tensión, frecuencia, corriente, y número de horas de operación del grupo electrógeno, se han incorporado varios instrumentos que miden dichos parámetros en las máquinas. Así mismo, cuentan con sensores que permiten monitorear la temperatura, nivel de aceite, combustible, que en la actualidad la mayoría 78
no funcionan, esto trae como consecuencia que al momento de generarse alguna falla ésta no se pueda detectar de forma inmediata y pueda producir la interrupción del suministro eléctrico, negándole las condiciones necesarias a los pacientes, y colocando sus vidas en peligro. Los instrumentos que se proporcionan son: Voltímetro: este instrumento mide el voltaje de salida entre las fases del generador y por medio del conmutador, es posible obtener las lecturas del voltaje entre dos de cualquiera de las tres fases.
OS D A Val conmutador del amperímetro, la carga en cada fase. Esté se encuentra conectado R E ESen cada fase con un mismo instrumento. R por medio de éste es posible medir S la corriente HO C E DER
Amperímetro: este instrumento mide la corriente que proporciona el generador a
Frecuencímetro: este instrumento mide la frecuencia eléctrica que produce el
generador. Tanto la frecuencia como las RPM del motor son muy importantes, pues existen algunos equipos eléctricos que no trabajan adecuadamente cuando no existe la frecuencia nominal del equipo.
Horómetro: en este instrumento se mide el número de horas que los grupos electrógenos han operado, pudiendo aplicar de esta forma el programa de mantenimiento preventivo a la máquina en el tiempo adecuado, así como, diagnosticar si necesita revisiones mayores.
Las figuras 4.6 y 4.7 reflejan la vista frontal de los gabinetes de control presentes en los grupos electrógenos Caterpillar modelo 3408CAT y John Deere modelo 110JD404A
79
Figura 4.6. Vista frontal del gabinete de control marca Caterpillar modelo 3408CAT Fuente Propia: Andrade, Vargas 2001
H C E ER
D
E
ES R S O
S
DO A V R
Figura 4.7. Vista frontal del gabinete de control marca John Deere modelo 110-JD404A Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
4.3 EVALUACIÓN DE LA CAPACIDAD DEL SISTEMA DE GENERACIÓN AUXILIAR Para poder determinar la capacidad del sistema de generación auxiliar del hospital, se realizaron visitas técnicas donde se tomaron mediciones tanto de corriente como de voltaje en los tableros de distribución, para poder elaborar un estudio de carga de las áreas críticas. De igual forma se realizaron pruebas de funcionamiento a los generadores para poder observar su comportamiento y las debilidades que presentan estos equipos. 80
4.4 ESTUDIO DE CARGA CRÍTICA El sistema de generación auxiliar presente en el hospital alimenta a las cargas críticas, ya que estas bajo ninguna circunstancia pueden quedar sin energía, debido que esto podría traer grandes consecuencias, como la muerte de un paciente que asiste a esta institución de salud. El estudio de carga se realizó con la finalidad, de establecer si estos grupos electrógenos son capaces de suplir las necesidades de la carga conectada a ellos, si no es capaz de satisfacer la demanda, se recomendará la sustitución de las unidades de emergencia.
OS D A V NEW SNAP 2017 como se R digital con pinzas amperimétricas marca KYORITSU modelo E ES R puede observar en la figura 4.8 S HO C E DER Para la realización de todas las mediciones necesarias, se utilizó un multímetro
Figura 4.8 Multímetro digital marca KYORITSU modelo NEW SNAP 2017 Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
4.5 MEDICIONES Y CÁLCULOS REALIZADOS Las mediciones realizadas para el estudio de carga se llevaron a cabo los días 17 de febrero del 2011 y 16, 17, 18 de marzo del mismo año, se realizaron unas series de mediciones de tensión y corriente en cada fase de los tableros de distribución, en las horas con mayor consumo, comprendidas entre las 10am y la 1pm, lo que permite 81
estudiar la carga critica máxima. Las mediciones de las corrientes se realizaron a través de la pinza amperimétrica, que esta conectada al multímetro, el voltaje también fue medido utilizando este instrumento y resultó se casi constante. Para el factor de potencia, no se pudo contar con un equipo capaz de obtener este valor, así que se asumió 0,85 debido a que es un valor intermedio entre los valores típicos de carga motora y cargas de uso general. Con los datos obtenidos se pudo calcular el promedio de las tensiones, corrientes, y potencias mediante las ecuaciones 4.1, 4.2, 4.3 y 4.4, así mismo, en las tablas 4.5, 4.6, 4.7 y 4.8 se presentan las mediciones y resultados de los cálculos realizados.
IL
Q
E
ES R S O
Corriente promedio de línea
(Ec. 4.1)
Voltaje promedio de línea
(Ec. 4.2)
√
Potencia activa trifásica
(Ec. 4.3)
√
Potencia reactiva trifásica
(Ec. 4.4)
I A I B IC
VL
S
DO A V R
H C E ER
D
VA VB VC
Tabla 4.5. Mediciones del estudio de carga (grupo electrógenos Caterpillar modelo
3408CAT) Alimentación Red Normal
Voltaje (V)
FP
AB
BC
CA
206
204
204
Corriente (A) 31,78
0,85
Fase A
Fase B
Fase C
236,7
250
242
Fuente: Andrade, Vargas 2011
Tabla 4.6. Resultados del estudio de carga (grupo electrógenos Caterpillar modelo
3408CAT) Alimentación
IL (A)
VL (V)
S (KVA)
P (kW)
Q (kVAR)
Red Normal
242,9
204,66
49,71
73,19
45,34
Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
82
Tabla 4.7. Mediciones del estudio de carga (grupo electrógenos John Deere modelo 110-
JD404A) Alimentación Red Normal
Voltaje (V)
FP
AB
BC
CA
205
206
204
Corriente (A) 31,78
0,85
Fase A
Fase B
Fase C
55
57
53,5
Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
Tabla 4.8. Resultados del estudio de carga (grupo electrógenos John Deere modelo 110-
JD404A) Alimentación
IL (A)
VL (V)
S (KVA)
P (kW)
Q (kVAR)
Red Normal
55,16
205
11,30
16,63
10,30
S
DO A V R
Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
E
ES R S O
En estos resultados se logró describir el comportamiento de las cargas que se
H C E ER
encuentran conectadas a cada uno de los grupos electrógenos.
D
4.6 DESBALANCE DE CORRIENTE Y VARIACIÓN DE TENSIÓN Es necesario que existan límites para los desbalances de corrientes y variaciones de tensiones, debido a que un sistema inestable causaría grandes fallas tanto al conjunto generador-motor como a la red electica. Para determinar las variaciones de tenciones, se calculo con respecto los valores de operación, y en el caso de los desbalances de corrientes, a través de las corrientes promedio, para ello se utilizaron las ecuaciones 4.5 y 4.6. A continuación se muestran los cálculos de los desbalances y variaciones que se presentan en las mediciones tomadas en el Hospital.
%
%
ón de tensión
ó ó
100
100
(Ec. 4.5)
(Ec. 4.6) 83
Tabla 4.9. Porcentaje de variación de las tensiones (grupo electrógenos Caterpillar modelo
3408CAT) Voltaje de operación (V)
Vab
Vbc
Vca
208
-0,96
-1,92
-1,92
Fuente: Andrade, Vargas 2011
Tabla 4.10. Porcentaje de variación de las tensiones (grupo electrógenos John Deere
modelo 110-JD404A) Voltaje de operación (V)
Vab
Vbc
Vca
208
-1,44
-0,96
-1,92
S
DO A V R
Fuente: Andrade, Vargas 2011
SE E R Sgrupos electrógenos, se realizó la comparación de valor máximo fue 1,92% paraH losO dos C E R los valores obtenidos con los establecidos por la norma IEEE 1159 [7], que permite una E D En las tablas 4.9 y 4.10 podemos observar los diferentes porcentajes de variación cuyo
variación de tensiones entre 0,5% y 2%, dando como evidencia que los resultados se encuentran dentro de lo establecido por la norma.
Tabla 4.11. Porcentaje de desbalance de las corrientes (grupo electrógenos Caterpillar
modelo 3408CAT) Corriente promedio (A)
Iab
Ibc
Ica
242,9
-2,55
2,92
-0,37
Fuente: Andrade, Vargas 2011
Tabla 4.12. Porcentaje de desbalance de las corrientes (grupo electrógenos John Deere
modelo 110-JD404A) Corriente promedio (A)
Iab
Ibc
Ica
55,15
-0,29
0,33
-3,00
Fuente: Andrade, Vargas 2011
En las tablas 4.11 y 4.12 se observan los porcentajes de desbalance obtenidos cuyos valores máximos son 2,55 para la carga asociada al grupo electrógeno Caterpillar 84
y 3,00 para John Deere, estableció la comparación con lo establecido por la ley orgánica del servicio eléctrico [11], donde estipula que el desbalance de corriente no puede exceder el 10%, dando como evidencia que los resultados se encuentran dentro de lo establecido por la norma.
4.7 CAPACIDAD REQUERIDA PARA GENERACIÓN AUXILIAR Para poder determinar si los grupos electrógenos pueden suplir las necesidades de la carga acoplada a ellos, se comparó la potencia aparente exigida por la carga, con la potencia nominal del generador. Se tomó el total de la potencia exigida por la carga cuando esta estaba siendo alimentada por la red normal. Así que se puede asumir
S
DO A V R
como la carga máxima que debe ser alimentada por los grupos de emergencia.
E
ES R S O
Los cálculos obtenidos con respecto a la carga conecta al grupo electrógeno
H C E ER
marca Caterpillar dieron como resultado que la potencia aparente requerida por la carga
D
es de 49,71KVA, y comparándola con la potencia nominal del generador diesel que es de 375KVA, por lo que es capaz de alimentar sin ningún problema hasta seis (6) veces la carga que tiene actualmente conectada, lo que asegura que el generador puede fácilmente cubrir la carga en caso de alguna emergencia.
Lo mismo sucedió con los cálculos obtenidos con la carga del grupo electrógeno marca John Deere la potencia aparente requerida es de 11,30KVA y comparándola con la potencia nominal del generador de 125 KVA, podemos observar que está maquina también es capaz de alimentar la carga en un caso de emergencia. Por otro lado, la suma la carga critica total en caso de emergencia es de 61,01KVA, por lo que ambos grupos electrógenos son capaces de alimentar de forma independiente la demanda total, trabajando al 50% de la capacidad del John Deere y 17% de Caterpillar, lo que indica que en caso de fallar una unidad, la otra seria capaz de suplir la totalidad.
85
4.8 FACTOR DE UTILIZACIÓN DE GRUPOS ELECTRÓGENOS A partir de los resultados obtenidos en el estudio de carga, se hizo un análisis del factor de utilización de cada uno de los grupos electrógenos instalados. Utilizando la siguiente ecuación: (Ec. 4.7)
Donde FU es el factor de utilización d es la demanda máxima CN carga nominal del generador
E
ES R S O
S
DO A V R
Después de conocer la demanda máxima del hospital a través del estudio de
H C E ER
carga, y teniendo la potencia nominal de cada uno de los grupos electrógenos, se
D
procedió a realizar el calculo del factor de utilización con respecto a cada uno de los equipos de emergencia. Considerando que la carga conectada al grupo electrógeno Caterpillar es de 49,71 KVA, y su potencia nominal es de 375 KVA arrojo como resultado 13,75% de su capacidad nominal. De la misma manera la carga asociada al grupo John Deere es de 11,30 KVA, y su potencia nominal es de 125 KVA dio como resultado 9,04% de la capacidad nominal. De esta forma se puede cuantificar el aprovechamiento de estos equipos, al analizar los resultados es evidente que los dos (02) grupos tienen la capacidad de alimentar toda la carga conectada funcionando simultáneamente, así como también no son aprovechados al máximo, ya que se establece que estos grupos deben funcionar al menos a un 50% de su carga nominal, tomando en cuenta que un tasa de carga menor es perjudicial para el grupo.
4.9 REPORTES DE FALLAS DE LOS GRUPOS ELECTRÓGENOS Los tipos de fallas más frecuentes en estos grupos se deben a problemas en el sistema de lubricación, desgaste de baterías, sobrecalentamiento, entre otros. Hoy en 86
día estas fallas son detectadas y corregidas de forma manual. Es oportuno resaltar que el hospital no cuenta con un historial de registro de fallas que les permita a los encargados del mantenimiento en el Área de Generación Auxiliar llevar un control de los problemas que han presentado las máquinas anteriormente. Es necesario crear un registro que permita conocer el comportamiento de los grupos electrógeno, así como también se podrá obtener un historial para la solución de posibles fallas que se repitan.
4.10 DIAGNÓSTICO ELECTRÓGENOS
DE
LA
SITUACIÓN
ACTUAL
DE
LOS
GRUPOS
S
DO A V R
Para poder establecer un diagnóstico se realizaron inspecciones directas a los
SE E R OS algunas irregularidades presentes en los equipos visitas realizadas se pudieronH detectar C E General del Sur Dr. Pedro Iturbe. R de emergencias en el hospital E D grupos electrógenos con el fin de detectar algún funcionamiento incorrecto. En las
En el hospital no se encontró ningún tipo de información como: planos, manuales, diagrama unifilar o algún material que permitirá conocer las características técnicas de los equipos. Cabe destacar que tampoco contaban con ningún tipo de registró de fallas.
Al momento de observar su funcionamiento, los equipos trabajaron de forma correcta durante las pruebas, y no se detectó ninguna anormalidad.
La mayoría de los sensores que tienen dichos grupos no se encuentran en un buen estado, debido a que presentan desajustes en su calibración, sumado a esto la antigüedad de dichos elementos a causado su deterioró viéndose afectado el funcionamiento y la exactitud de sus mediciones.
Semanalmente se realizaran mantenimientos que constan de operar el grupo electrógeno bajo carga, para comprobar que todos sus elementos trabajen satisfactoriamente, durante unos 15 min aproximadamente, además de limpiar el polvo que se haya acumulado sobre los mismos. El procedimiento anterior se 87
realiza con el fin de detectar manualmente la existencia de alguna falla, sin embargo, dicho mantenimiento no aseguran un correcto funcionamiento de los mismos al momento de una emergencia.
Los grupos electrógenos existentes cumplen con las necesidades, sin embargo, si un grupo electrógeno llegara a fallar el otro no es capaz de alimentar esa carga, debido a que no posee un sistema de bypass.
4.11 Confiabilidad Para garantizar la confiabilidad y la continuidad del servicio eléctrico en el
S O D A capaces de alimentar la carga crítica, Sin embargo, al fallar una de las unidades, la V R E ES la confiabilidad del sistema, por lo carga asociada a ella se perdería, lo que disminuye R S HO automática de la carga de una unidad de cual se recomienda una transferencia C E ER generación a D otra a través de un bypass para que ninguna de las áreas críticas de la
hospital, operan dos unidades de emergencia sincronizadas, como ya se demostró son
institución se ve afectada.
4.12 Conmutación Automática Cuando se presentan problemas en la red eléctrica, el Hospital General del Sur cuenta con un sistema de conmutación automática que le permite alimentar la cargar crítica mediante los grupos electrógenos en el menor tiempo posible. En este aspecto, la técnica empleada es la conmutación rápida, debido a que esta institución medica, no puede soportar una interrupción de la alimentación. En este tipo de conmutación, se disponen de alimentadores de emergencia que sean capaces de tomar la carga, bajo el criterio del intervalo que podrá soportar un paciente en estado crítico sin sus equipos de soporte o un cirujano en intervención sin iluminación en el Quirófano, dicho tiempo no debe ser mayor a 10 segundos. Al restablecerse el suministro normal de energía, el equipo de transferencia conecta de nuevo la carga al servicio normal, en un tiempo variable de cero a quince minutos, para dar la oportunidad a que el sistema de suministro de energía se estabilice. 88
Cuando un grupo electrógeno debe de funcionar en paralelo, es necesario prever su sincronización con la red. La sincronización consiste esencialmente en ajustar la frecuencia y la tensión del grupo a valores próximos a los del sistema de alimentación. Normalmente, la sincronización se realiza automáticamente, con la ayuda de relés que miden las tensiones, frecuencias y desfasaje del grupo y de la red. El relé de sincronización ajusta automáticamente la velocidad y la tensión del grupo y cierra el interruptor automático cuando el desfasaje entre la tensión del grupo y la tensión de la red es suficientemente pequeño.
4.13 REQUERIMIENTOS TÉCNICOS OPERATIVOS Y ECONOMICOS APLICABLES PARA EL DISEÑO DEL SISTEMA INTELIGENTE
E
ES R S O
4.13.1 Sistema de protección del generador
S
DO A V R
H C E R generadora de energía, los grupos electrógenos deben poseer Como toda DEfuente
un sistema de protección que proteja tanto el equipo como el sistema de posibles fallas.
La siguiente tabla muestra las protecciones recomendadas por el Cuaderno Tecnico de Schneider Electric [8] para la parte generadora de estos equipos. Tabla 4.13. Sistema de protección del generador
25
Protección Syncro-check (debido al funcionamiento en paralelo de los grupos electrógenos)
27
Falta de tensión
32P
Relé direcciona de potencia activa
Ajuste
Acción
Frecuencia < + 1 Hz Tensión < + 5% Angulo de desfasaje < 10°
Impedir el cierre durante la sincronización
0,75 Vn, T ≈ 3 T > tiempo del 51, 51V y 67
Parada General
5-20%
T = 2s
Parada General
49
Imagen Térmica
51
Corriente Máxima
80% capacidad térmica = alarma 120% capacidad térmica= disparo Constante de tiempo 20min función y 40min parada 1,5 In, T = 2s
51G
Defecto a Tierra
10 A, T =1 s
Parada General
59
Sobretensión
1,1 Vn, T = 2s
Parada General
Disparo solo del interruptor automático Parada General
Fuente: Cuadernos Técnicos Schneider. Producción de energía eléctrica integrada en emplazamientos industriales y edificios comerciales. 2001
89
Tabla 4.13. Sistema de protección del generador (continuación) Protección
Ajuste
Acción
51V
Corriente máxima manteniendo la tensión
1,5 In, T = 2s
Parada General
64F
Protección de tierra del rotor
10 A, T = 0,1s
Parada General (sin bloqueo)
64F
Protección de tierra del rotor
10 A, T = 0,1s
Parada General (sin bloqueo)
67
Corriente máxima direccional
In, T=0,5s
Parada General
67N
Corriente máxima direccional homopolar
Is0 ≈ 10% de la corriente de defecto a tierra T = 0,5s
Parada General
81
Frecuencia fuera de limites (máxima y mínima)
Frecuencia máxima 1,05 fn, T=2s Frecuencia mínima 0,95 fn, T=2s
Parada General
DOS
A V R SE
Fuente: Cuadernos Técnicos Schneider. Producción de energía eléctrica integrada en emplazamientos industriales y edificios comerciales. 2001
E
SR O H C
E R E D
4.13.2 Sistema de protección para el motor Según el
manual de operación y mantenimiento de las plantas eléctricas
IGSA [referencia] las protecciones automáticas necesarias para los grupos electrógenos son:
Protección por baja presión de aceite: está conformado por un elemento que registra la caída de presión en caso de que esto ocurra. Para el control automático, se utiliza un sensor de presión de aceite, que es un sensor q posee un elemento piezoeléctrico, capaz de registrar el cambio de presión, modificando la resistencia en los terminales del sensor. Este tipo de protección requiere que se programe su curva de presión-resistencia en el control del motor-generador, así mismo, se le debe programar los valores mínimos y máximos de presión, para que el control envié una alarma o paro.
Protección para la temperatura del refrigerante: se necesita un elemento capas de registrar la temperatura del refrigerante de manera automática, por lo cual se plantea la utilización de un sensor de temperatura, que es un sensor del tipo termistor, que registra el cambio de temperatura, modificando la resistencia en los terminales del sensor. Requieren una programación de acuerdo a su curva de temperatura-resistencia 90
en el controlador del motor-generador, asi como el establecimiento de los niveles máximos y mínimos permisibles de temperatura para poder emitir una alarma o paro.
Protección por sobre-velocidad: este tipo de control se hace a través de un circuito de protección por sobre-velocidad, en el cual, un sensor magnético instalado en el motor emite una señal análoga, trasmitida a un microprocesador, que es comparada con la velocidad de referencia preestablecida, de 1800 rpm en nuestro caso, y si en el proceso la velocidad sobrepasa un 3% de su valor nominal, el controlador emite una señal de paro al motor.
4.14 CARACTERÍSTICAS DEL PLC
E
ES R S O
S
DO A V R
Para este trabajo de investigación, se utilizo el PLC S7-1200, debido a la
H C E ER
simplicidad del proceso, y esta compuesto básicamente por
D
Controlador con interfaz PROFINET integrada para la comunicación entre la programadora, el HMI u otros controladores SIMATIC
potentes funciones tecnológicas integradas, como contaje, medición, regulación y control de movimiento
Entradas/salidas analógicas y digitales integradas
Signal Boards para enchufe directo sobre el controlador
Módulos de señal para ampliar los canales de entrada/salida de los controladores
Módulos de comunicación para ampliar las interfaces de comunicación de los controladores
Accesorios, p. ej., fuentes de alimentación, Switch Module o SIMATIC Memory Card
Entre las principales características de este controlador se encuentra:
El micro PLC para el máximo efecto de automatización al mínimo coste.
Montaje, programación y uso particularmente fáciles. 91
De alta escala de integración, requiere poco espacio, potente.
Adecuado para aplicaciones de automatización pequeñas y medias.
Aplicable tanto para los controles más simples como también para tareas complejas de automatización.
Aplicable aislado, interconectado en red o en configuraciones descentralizadas.
El controlador apto también para campos donde, por motivos económicos, no se aplicaban hasta ahora autómatas programables.
Con excepcional capacidad de tiempo real y potentes posibilidades de comunicación.
4.15 MÓDULO DE CONTROL
E
ES R S O
H C E ER
S
DO A V R
El módulo de control automático del PLC, estará integrado por el CPU 1212C, la pantalla KTP400, el modulo de entrada SM1231 y los sensores de temperatura (Sitrans
D
TH200) y de nivel de combustible (Sitrans Probe LR). A continuación se presentan las características técnicas de estos equipos.
Características de la CPU La unidad central de procesos o CPU, utilizada para este caso es la Simatic 1212C de SIEMENS figura 4.9, Entre las principales características de este equipo se tiene:
Figura 4.9 CPU 1212C Fuente: Catalogo SIMATIC S7-1200 SIEMENS
92
3 variantes con distintas tensiones de alimentación y mando.
Fuente de alimentación integrada, a elegir con entrada de corriente alterna de rango amplio o de continua (85... 264 V AC o 24 V DC).
Fuente de alimentación integrada de 24 V para sensores/carga: Permite conectar directamente sensores y codificadores. Con una intensidad de salida de 300 mA también sirve para alimentar la carga.
8 entradas digitales integradas de 24 V DC (sumidero/fuente (IEC tipo 1, sumidero).
6 salidas digitales integradas, a elegir entre 24 V DC o relé.
2 entradas analógicas integradas 0... 10 V.
S O D A Salidas con modulación de ancho de impulsos V (PWM) con una frecuencia hasta R E ES de 100 kHz. R S HO(TCP/IP nativa, ISO-on-TCP). Interfaz EthernetE integrada C DERrápidos (3 con máx. 100 kHz; 1 con máx.30 kHz), con entrada 4 contadores
2 salidas de impulsos (PTO) con una frecuencia hasta de 100 kHz.
parametrizable para habilitación y reset, simultáneamente pueden funcionar como contadores hacia adelante y hacia atrás con 2 entradas separadas o para conectar codificadores incrementales.
Ampliación con interfaces de comunicación adicionales, p. ej., RS485 o RS232.
Ampliación con señales analógicas o digitales directamente en la CPU mediante una señal en el tablero (respetando la dimensión de montaje de la CPU).
Ampliación con numerosas señales de entrada y salida analógicas y digitales mediante módulos de señal.
Ampliación opcional de la memoria (SIMATIC Memory Card).
Regulador PID con funcionalidad de autoajuste.
Reloj de tiempo real integrado.
Entradas de alarma: Para reacciones extremadamente rápidas y flancos ascendentes o descendentes de señales de proceso.
Bornes desmontables en todos los módulos.
93
A. Pantalla KTP 400 Para la visualización de las fallas y niveles operativos, se utilizo la pantalla monocromática KTP-400 de SIEMENS (Figura 4.11) Entre las Principales funciones y beneficios de esta tecnología de pantalla se encuentran:
E
ES R S O
S
DO A V R
H 4.10 Pantalla Simatic HMI C E Figura ER
D
Fuente: Catalogo SIMATIC S7-1200 SIEMENS
Parte integral de Totally Integrated Automation (TIA): Incremento de la productividad, minimización de la ingeniería, reducción de los costes de ciclo de vida
-Gracias a la posibilidad de configurar en modo "retrato" también puede utilizarse/montarse con el lado corto horizontal, ideal para espacios reducidos
Breves tiempos de configuración y puesta en marcha
Facilidad de servicio técnico gracias al diseño libre de mantenimiento y a la gran durabilidad de la retroiluminación
Presentación de valores de proceso sencilla y confortable para el usuario gracias al uso de, por ejemplo, cuadros de entrada y salida, gráficos vectoriales, curvas, barras, textos y mapas de bits.
Librería gráfica con objetos preprogramados.
Aplicación universal: 32 idiomas de configuración (incl. juegos de caracteres asiáticos y cirílicos). Posibilidad de conmutar online entre un máximo de cinco idiomas textos y gráficos dependientes del idioma. 94
Entre las Principales Funciones que ejecuta esta pantalla están:
Ventana permanente y uso de plantillas para crear patrones de pantalla
Campo de entrada/salida para visualizar y cambiar parámetros de proceso
Botones que sirven para activar directamente funciones y acciones. Es posible configurar simultáneamente hasta 16 funciones en botones
Gráfico que pueden usarse en calidad de ICONO para "rotular" teclas de función o botones. También pueden crearse a modo de imágenes de fondo que ocupen toda la pantalla. La herramienta de configuración incluye una librería con una variada gama de gráficos y diversos objetos. Como editores gráficos pueden aplicarse todos los editores con interfaz "OLE", p. ej. Paint-Shop, Designer, Corel
OS D A V geométricas simples (p. ej.: Gráficos vectoriales posibilidad de crear formas R E ES en la herramienta de configuración. R líneas, círculos y rectángulos)S directamente HO C Textos fijos para rotular teclas de función, sinópticos de proceso y valores de E R E D proceso en caracteres de varios tamaños.
Draw, etc.
Funciones con curvas y barras que sirven para visualizar gráficamente valores dinámicos
Conmutación de idioma: 5 idiomas online, 32 idiomas de configuración incl. Juegos de caracteres asiáticos y cirílicos. Textos y gráficos dependientes del idioma
Administración de usuarios (Seguridad) de acuerdo con los requisitos de los distintos sectores. Autentificación por identificador de usuario y contraseña. Derechos específicos para determinados grupos de usuarios.
Sistema de alarmas. Avisos de bit. Avisos analógicos. Clases de avisos de libre elección (p. ej.: avisos de evento/fallo) para definir el modo de acuse y la representación de eventos de aviso. Historial de avisos
Administración de recetas
Textos de ayuda para sinópticos de proceso, avisos y variables
Funciones de cálculo
Monitoreo de límites para conducción segura del proceso en entradas y salidas
Pilotos para señalizar el estado de máquinas e instalaciones 95
Planificador de tareas para la ejecución cíclica de funciones
Sistema de plantillas
Creación de plantillas de pantalla (los elementos de pantalla configurados en la plantilla aparecen en cada pantalla)
De fácil y cómodo mantenimiento y configuración, gracias a - Posibilidad de salvar y restaurar (backup/restore) la configuración, el sistema operativo y el firmware en un PC utilizando ProSave - Descarga de la configuración vía MPI/PROFIBUS DP o Ethernet - Detección automática de transferencia - Ajuste personalizado del contraste y calibración - Imagen de limpieza
No requiere pilas
E
ES R S O
H C E ER
B. Medidor de temperatura
D
S
DO A V R
Para determinar las variaciones de temperatura en los grupos electrógenos, se utilizan los transmisores SINTRANS TH2001 (figura 4.11), que son encargados de traduce la señal del medidor de temperatura propio de cada grupo para poder ser interpretada por el PLC. Entre las principales características de este sensor se encuentra:
Figura 4.11 Transmisor SITRAN TH200 Fuente: Catalogo SIEMENS
Aparato a dos hilos para 4 a 20 mA
Montaje en el cabezal del sensor de temperatura
Entrada universal para casi todos los sensores de temperatura 96
Configurable por PC
Tamaño compacto
La fijación elástica y el agujero central permiten elegir el tipo de montaje deseado
Aislamiento galvánico
Conectores de prueba para multímetros
LED de diagnóstico (verde/rojo)
Vigilancia de sensores. Rotura de hilos y cortocircuito
Autovigilancia
Configuración actual guardada en el EEPROM
Funciones ampliadas de diagnóstico como puntero de arrastre, contador de
OS D A Vy NE21 Compatibilidad electromagnética según EN 61326 R E ES R S HO C C. Medidor del Nivel de Combustible E DER horas de funcionamiento etc.
Para poder determinar cuando el nivel de combustible ubicado en los tanques de
cada grupo electrógeno se encuentra por debajo del 10%; se utilizó un sensor SIEMENS Pointek CLS200 (ver figura 4.12)
Figura 4.12 Sensor Pointek CLS 200 Fuente: SIEMENS Pointek CLS 200
97
El sensor de nivel capacitivo Pointek CLS200 emplea un método basado en frecuencia inversa para detectar líquidos, materiales granulados, lodos y espuma. Este aparato versátil puede emplearse en aplicaciones de control de bombeo e interfaces, en condiciones físicas o químicas extremas. Incluye también la tecnología avanzada de punta sensible para garantizar precisión, resolución y repetibilidad. La versión digital (con PROFIBUS PA) dispone de indicador y de funciones adicionales de diagnóstico. • Tecnología capacitiva de frecuencia inversa - ofrece mediciones de alta precisión y resolución • Exclusivo diseño encapsulado – protege el circuito de los choques, de las vibraciones, de la humedad y de la condensación
OS D A V del depósito o de la tubería R • Detección de nivel independiente de la tomaE de tierra ES R • Fácil puesta en marcha mediante indicador de cristal líquido y configuración del S O H C E punto de conmutación, incluso bajo condiciones extremas DER • Sonda inmune a las adherencias gracias a la alta frecuencia de oscilación
• Versión estándar: 3 indicadores LED para control de ajuste, estado de salidas y alimentación • Conmutación confiable y repetible gracias a la avanzada tecnología de punta sensible, cubriendo aplicaciones con líquidos, materiales granulados y lodos • Parametrización en línea y fácil acceso a todas las funciones: número de conteos, puntos de conmutación, histéresis, temporizador y salidas. Posibilita también la puesta en marcha y los ajustes desde la sala de control o cualquier otra ubicación remota. • Sonda con certificación SIL-2 utilizable como protección de sobrellenado de acuerdo con IEC 61508
D. Medidor Multifuncional Para medir los parámetros de voltaje corriente y frecuencia de alimentación y salida de los grupos electrógenos se plantea la utilización del medidor multifuncional SENTRON PAC3200 (figura 4.13), y el mismo posee las siguientes características
98
Figura 4.13 Sentron PAC3200
OS D A Amplio campo de aplicaciones: Gracias aV su gran gama de funciones y R E S RE prestaciones S O Ha redes industriales con tensiones de hasta 690 V, CAT C − Conexión directa E DER III. Fuente: Catalogo Sentron PAC3200
− Es posible realizar mediciones opcionales a través de transformadores de tensión. − Conexión a transformadores de intensidad x/1 A ó x/5 A. − Uso en instalaciones que requieren aprobaciones UL / CSA. − Utilización en condiciones ambientales extremas: protegido contra polvo y chorros de agua (IP 65) por medio de una junta de goma incorporada.
Construcción compacta: Con sus dimensiones de 96 x 96 x 56 mm (A x h x P) y profundidad de montaje de 51 mm ó 73 mm con el módulo de ampliación, sólo requiere un espacio muy reducido.
Base para la asignación exacta de los costos: Por su elevada precisión en las mediciones de energía: Clase 0,5S según la norma IEC 62 053–22 para energía activa.
Buena legibilidad incluso cuando las condiciones luminosas son malas: Gracias a su gran display LCD gráfico iluminado. 99
Operación sencilla: Con guía intuitiva del usuario e indicaciones de texto claro en varios idiomas.
Montaje rápido: Con las fijaciones rápidas por encastre incluso es posible realizar el montaje sin herramientas.
Amplio registro de consumos: Con 10 medidores para energía activa, reactiva y aparente, tarifas altas y baja, toma y entrega de energía.
E. Transformadores de corriente Para poder transformador los niveles de corriente y poder ser interpretados por los módulos de medición, planteo la utilización de los transformadores de corriente SIEMENS de 100A/1A y 2010A/5A (figura 4.14)
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SE E R S PROPUESTOS PARA LA IMPLEMENTACIÓN 4.16 PRESUPUESTO DE EQUIPOS O H C DEL PLC E R E D
Luego de establecer los parámetros y descrito las características técnicas de los
equipos que se pueden usar para la implementación del diseño inteligente, se realizó un presupuesto en la empresa VENEUROPA el día 28 de marzo del año 2011. En la tabla 4.14 se presentan los equipos necesarios, la cantidad requerida y su precio. Tabla 4.14 Precio de los equipo. Equipo/Componente
Cantidad
Precio unitario
Precio total
01
10.000,00
10.000,00
MEDIDOR MULTIFUNCIONAL PAC3200
03
4.735,00
14.205,00
SITRANS TH200 (medidor de temperatura)
02
1.600,00
3.200,00
02
8.370,00
16.740,00
Transformador de corriente clase 1 200A/5A; 5VA
03
795,00
2.385,00
Transformador de corriente clase 1 100A/5A; 5VA
06
880,00
5.280,00
Módulo de control: S7-1200+ KTP400 BASIC STARTERKIT CPU 1212C AC/DC/RLY HMI KTP400 BASIC MONO PN
Pointek CLS 200-DIGITAL (medidor de nivel de combustible)
(este precio no incluye IVA) Total Bs.F
51.810,00
Fuente: Andrade, Vargas 2011
100
La empresa VENEUROPA fue seleccionada basándose en la calidad de sus productos, además de ofrecer todos los equipos necesarios para poder para poder implementar el sistema para la detección de fallas
4.17 CONDICIONES DE OPERACIÓN NOMINAL, FUERA DE LA NOMINAL, Y DE EMERGENCIA Para poder desarrollar el diseño del sistema inteligente de la red de generación auxiliar, fue necesario el estudio de una serie de variables y parámetros operativos, que se encuentran relacionados con los grupos electrógenos, estas variables son empleadas para el encendido o pagado de los equipos.
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El buen funcionamiento de un grupo electrógeno, se determinan cuando se
SE E R OSde su rango de operación. En este sentido, se observa si se encuentran dentro H C Econdiciones nominales cuando dichas variables se encuentran R considera dentro de las E D
comparan los valores de voltaje, corriente y frecuencia con los valores nominales, y se
dentro de los porcentajes establecidos.
Se considera que estas unidades de emergencia se encuentran fuera de condición nominal cuando exista una variación en las tensiones entre 0,5% y 2%, cuando el desbalance de corrientes excede el 10% ó si se presentan variaciones en la frecuencia mayores al 0,5%. Los grupos electrógenos se encuentran en estado de emergencia cuando presentan alguna falla que evita el arranque del conjunto motorgenerador.
VOLTAJE, CORRIENTE Y FRECUENCIA Estos tres parámetros son medidos en la entrada del tablero principal del hospital, los cuales serán comparados con los valores predeterminados, para el encendido o apagado de los grupos electrógenos. Para establecer si se encuentra dentro de los valores preestablecidos se deben chequear las mediciones de entrada. Si la tensión y corriente se encuentran por debajo
101
del 50% de las condiciones nominales, el PLC tomara las acciones que sean necesarias para determinar si se deben colocar en marcha los equipos
NIVEL DE COMBUSTIBLE Y TEMPERATURA DE LOS EQUIPOS Estos parámetros se consideran fundamentales para la protección del motor, estas variables determinan si el generador se encuentra en condiciones de operación y de lo contrario se activan alarmas de fallas debido que se pone en riesgo las unidades de generación de emergencia. El nivel de combustible es de suma importancia para el buen funcionamiento, ya
S O D A de inyección enviaría aire al motor ocasionando un daño. V R E ES R S O ciertos limites de temperatura, sin embargo, si se Hbajo El motor puede E trabajar C DER de la temperatura por un tiempo prolongado, el sensor de produce un aumento que es la fuente principal que alimenta al motor y si este se llega a terminar, la bomba
temperatura indicara el valor para que el operario pueda tomar las acciones necesarias, para evitar que el motor se dañe.
4.18 CARACTERÍSTICAS DEL SOFTWARE STEP 7 Para poder llevar a cabo el diseño del sistema inteligente se utilizo el software STEP 7 debido a su óptima interacción de la ingeniería del controlador y la del HMI. STEP 7 Basic es el sistema de ingeniería para programar soluciones de automatización realizadas con SIMATIC S7-1200. Al tener integrado WinCC Basic, además de la programación del controlador es posible configurar los paneles de gama SIMATIC HMI Basic Panels a él asociados. De esta forma, STEP 7 Basic cubre todas las fases de un proyecto de automatización: • Configuración y parametrización del hardware. • Definición de la comunicación. • Programación en esquema de contactos (KOP) y diagrama de funciones (FUP) 102
• Configuración de la visualización. • Pruebas, puesta en marcha y servicio técnico.
PRINCIPALES FUNCIONES • Clara configuración de las propiedades de la red y los dispositivos desde vistas al efecto del editor • Vista de dispositivo: representación y configuración foto realistas de los módulos de hardware • Vista de red: clara vista general que incluye todos los dispositivos y componentes de red usados
S O D A - extenso catálogo de instrucciones (operaciones) V ER S E - área de favoritos configurable R para instrucciones (operaciones) OS H frecuencia C E R E D para configurar las interfaces de los bloques - editor tabular • Potentes editores para programar el S7-1200 en KOP y FUP
usadas con
• Potentes editores para configurar las funciones básicas de los paneles de gama Basic - imágenes en pantalla operable de forma táctil o con teclas y gráficos de curvas y vectoriales. - alarmas de bit y analógicas. - gestión de plantillas. • Multilingüe (hasta cinco idiomas online) • Plena programación usando notación simbólica • Uso directo en el equipo HMI de las variables del controlador para evitar entradas repetidas • Lista de referencias cruzadas para objetos (variables, bloques, etc.) configurables para análisis del proyecto o búsqueda de errores, ambas actividades asistidas por el sistema • Generación automática de conexiones cuando las variables del controlador se usan en el panel HMI • Clara representación de la información de diagnóstico de los módulos 103
• Tablas de observación del estado de variables con posibilidad de forzado único o permanente de las mismas • Visualización automática con todos los nodos accesibles en la red
4.19 DISEÑO DEL SISTEMA INTELIGENTE Luego de haber estudiado todos los requerimientos técnicos, operativos y económicos, así como determinado las variables involucradas en el proceso, estableciendo las condiciones nominales, fuera de la nominal y de emergencia, se procedió a realizar el diseño de sistema inteligente.
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4.19.1 FUNCIONAMIENTO
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Lo primero que se determinó fueron las variables de entradas y salidas
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(analógicas y digítales) representadas en las tablas 4.14 y 4.15
Tabla 4.15. Entradas del PLC Entradas Analógicas
Digitales
Temperatura en el grupo electrógeno Caterpillar Temperatura en el grupo electrógeno John Deere
Nivel minimo de combustible grupo electrógeno Caterpillar Nivel minimo de combustible grupo electrógeno John Deere
Corriente en el tablero: fase I, II y III Corriente en el grupo electrógeno Caterpillar: fase I, II y III Corriente en el grupo John Deere: fase I, II y III Voltaje en el tablero: fase I, II y III Voltaje en el grupo electrógeno Caterpillar: fase I, II y III Voltaje en el grupo John Deere: fase I, II y III Frecuencia en el tablero Frecuencia en el grupo electrógeno Caterpillar Frecuencia en el grupo John Deere Fuente: Andrade, Vargas 2011
104
Tabla 4.16. Salidas del PLC Salidas Analógicas
Digitales Alarma sonora Switch de transferencia en el grupo electrógeno Caterpillar Switch de transferencia en el grupo electrógeno John Deere Encendido del grupo electrógeno Caterpillar Encendido del grupo electrógeno John Deere Fuente: Andrade, Vargas 2011
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Las entradas de corriente, voltaje y frecuencia de la red de alimentación principal,
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es una señal de comunicación continua entre el medidor digital y el S7-1200 mediante
H C E ER llegan a ser menores al 50% de su valor nominal, se activa un una falla, estos Dvalores la interfaz PROFINET. Estas entradas son verificadas constantemente, si al presentase contador de 4 segundos, para comprobar que no haya sido una falla momentánea en la
red de alimentación principal. Luego de haber transcurrido estos 4 segundos, se vuelven a tomar las mediciones anteriores, en caso de que la alimentación volvió a sus valores nominales el PLC toma la decisión que las unidades de emergencia no enciendan, pero si la falla persiste se activa la transferencia de la red normal a la red de emergencia iniciando el arranque los grupos electrógenos. Se debe mencionar que cuando el PLC toma la decisión de encender el grupo electrógeno, y ese no enciende se activara una alarma sonora y visual que indicara una falla de arranca. Las condiciones operativas de los motores, como los niveles de combustible y la temperatura del mismo, son monitoreadas continuamente para determinar si el grupo electrógeno de encuentra en apto para su funcionamiento. Si dichas condiciones se están dentro de los parámetros, el sistema inteligente no emitirá una señal de alarma, de lo contrario, se activara una alarma indicando si se debe a un exceso de temperatura ó si el combustible se encuentra menos de un 10%. 105
A pesar de que el grupo electrógeno siga en funcionamiento, las variables de entrada y las operacionales se siguen midiendo en todo momento en caso de que se presente algún desbalance entre las tensiones, corrientes ó frecuencia, los cual activaría una alarma sonora y visual. Por otra parte, si se restablece el sistema, y sus valores nominales son mayores al 70%, se activara un temporizador de 15 minutos donde se espera restablecer todo el sistema, si en ese transcurso de tiempo los valores no están dentro de las condiciones nominales, no se lleva a cabo la transferencia, sin embargo, de restablecerse los
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valores de entrada de la red, la transferencia entre el sistema de emergencia y la red eléctrica se hace de forma automática.
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H C E 4.19.2 PROGRAMACIÓN DER PRINCIPAL
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Para la programación del diseño se realizo con el método diagrama de escalera, que me permite representar de forma grafica el circuito de control del proceso mediante el uso de contactos normalmente abiertos y normalmente cerrados, temporizadores, contadores, entre otros. La programación es realizada y almacenada en la memoria del PLC. El mismo lee el programa en secuencia de barrido siguiendo el orden de renglones en que fueron escritos, comenzando por el renglón superior y terminando con el inferior. Cada símbolo representa una variable lógica que puede tener dos estados que son verdadero o falso. A continuación se presenta el diagrama de escalera de la programación principal
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Figura 4.15 Programación principal Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
En el programa de inicio (figura 4.15) se miden los valores de voltaje, corriente y frecuencia de la red nominal por el SENTRON PAC3200 y enviadas al PLC mediante la
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interfaz PROFINET, donde se interpreta los datos y son comparados con los valores nominales preestablecidos.
Ciclo interrumpido
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Figura 4.17 Ciclo interrumpido Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
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En la figura 4.17 se muestran la inicialización de las variables provenientes de los SENTRON PAC3200, tanto del tablero principal como de cada uno de los grupos electrógenos. En este proceso, el CPU comienza a crear un registro de los parámetros de entrada, supervisados cada 6,4ms Comparación de valores Desbalance de corriente
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Figura 4.18 Desbalance de corriente Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
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S O D A Figura 4.19 Desbalance de corriente V (continuación) R E ES R S O H C E En el network ER1 de la figura 4.18 se plantea que al entrar en funcionamiento los D dos grupos electrógenos, SENTRON PAC3200 “0” (ubicado en el tablero principal) en Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
calcula el desbalance de las corrientes y si existe se emite una alarma sonora y visual, esto solo se realiza una vez efectuada la transferencia. En el network 2 de la misma figura se calcula el desbalance del grupo electrógeno una vez realizada la transferencia a través de SENTRON PAC3200 “1” (ubicado en el grupo electrógeno 1)
En el network 3 de la misma figura 4.19 se calcula el desbalance del grupo electrógeno una vez realizada la transferencia a través SENTRON PAC3200
“2”
(ubicado en el grupo electrógeno 2)
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Variación de voltaje
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Figura 4.20 Variación de voltaje Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
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Figura 4.21 Variación de voltaje (continuación)
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Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
En la figura 4.20 y 4.21 se refleja el proceso a realizar para calcular de variación de
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voltaje, SENTRON PAC3200 “0” registra los valores de voltaje y si existe una variación
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del voltaje comprendida entre 0,5% y 2% se emite una alarma sonora y visual, esto solo se realiza una vez efectuada la transferencia.
Variación de frecuencia
Figura 4.22 Variación de frecuencia Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
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Figura 4.23 Variación de frecuencia (continuación) Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
En la figura 4.22 y 4.23 reflejan el proceso a realizar para calcular la variación de frecuencia, del mismo modo como se realizo en los procedimientos anteriores; se miden los valores de frecuencia en la alimentación principal y en los grupos electrógenos, de presentarse una variación del 0,5% se activa la alarma. 113
Falla de arranque
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Figura 4.24 Falla de arranque Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
Al momento de realizar la transferencia de la red principal a la red de emergencia, los grupos electrógeno deben arrancar inmediatamente, de lo contrario se deberá activar la alarma correspondiente a la falla de la figura 4.24
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Bajo nivel
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H C E ER Figura 4.25 Nivel bajo de combustible
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Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
Cuando el sensor POINTEK CLS200 emite una alarma cuando el tanque de combustible llega a nivel mínimo (10%) como se muestra en la figura 4.25, avisando al operador que debe tomar las medidas necesarias.
Alarma de temperatura
Figura 4.26 Alta temperatura Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
115
Figura 4.27 Alta temperatura (continuación) Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
Al registrarse una temperatura mayores a las establecidas previamente, el PLC
OS D A V electrógeno, como se puede de toda las variaciones de temperatura en cada R grupo E ES R observar en la 4.26 y 4.27 S HO C E DER emitirá una señal de alerta que se podrá visualizar en la pantalla, guardando un registro
Alarmas general
Figura 4.28 Alarmas Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
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Figura 4.29 Alarmas (continuación) Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
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En la figura 4.28 y 2.29 se puede observar todas las alarmas presente en el programa, y al momento de la activación de alguna de ellas se emitirá una alarma general, para indicarle al operar un funcionamiento incorrecto. Temporizadores Al presentarse una falla en el sistema de alimentación principal, el temporizador presente en el network 17 de la figura 4.30, se activa contando 4 segundos para realizar de nuevo las mediciones de los parámetros de entrada, en l caso de que persista la falla se procede a ejecutar la transferencia automática de la principal a la red de emergencia y dando inicio al arranque de los grupos electrógenos.
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Figura 4.30 Temporizador de 4 segundos Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
Por otra parte, en el network 18 de la figura 4.31, refleja el esquema para restablecer al sistema a la red eléctrica preferente, al detectarse el 70% los valores nominales se activa el temporizador de 15 minutos que al verse restablecido el sistema en su totalidad durante ese período realiza la transferencia a la red principal y apaga los grupos electrógenos. 118
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H4.31 Temporizador de 15 minutos Figura C E ER
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Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
Escalar de valores analógicos En los esquemáticos de la figura 4.32 y 4.33 se presenta la transformación de los valores análogos proveniente de las termocuplas de cada equipo a los valores requeridos, y además verifica que el cable del sensor no se encuentra averiado.
Figura 4.32 Escalar de valores analógicos de las termocuplas Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
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Figura 4.33 Escalar de valores analógicos de las termocuplas (continuación) Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
Lectura y puesta en funcionamiento de los módulos SENTRON PAC3200
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Figura 4.34 Lectura de los módulos SENTRON PAC3200 Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
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Figura 4.35 Lectura de los módulos SENTRON PAC3200 (continuación) Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
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En la figura 4.34 y 4.35 se muestra el proceso de encendido de los módulos de medición SENTRON PAC3200 a través de una señal emitida por el PLC y este a su vez remite los valores medidos al mismo.
4.19.3 DEFINICIÓN DE VARIABLES UTILIZADAS PARA LA PROGRAMACIÓN Durante la programación se especificaron diversas variables, tanto las propias del diseño como las utilizadas por el PLC, dichas variables se encuentran definidas en el anexo 3
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4.20 SIMULACIÓN DEL DISEÑO DEL SISTEMA INTELIGENTE PARA EL DIAGNÓSTICO DE FALLAS
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Pantallas principales
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En la Figura 4.36, se visualiza la pantalla principal del sistema inteligente, la cual muestra el diagrama unifilar de alimentación, las cajas negras correspondonden a las pantallas secundaria de los grupos electrógenos y alimentación principal, en la figura 4.37 se visualiza esta última, y está compuesta por los valores funcionamiento de la red eléctrica. Así mismo, las figuras 4.38 y 4.39 muestran las pantallas secundarias correspondientes a ambos grupos electrógenos.
Figura 4.36 Pantalla principal, Diagrama unifilar del sistema eléctrico. Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
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Figura 4.37 Pantalla de alimentación principal Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
Figura 4.38 Pantalla principal del grupo electrógeno 1 Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
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Figura 4.39 Pantalla principal del grupo electrógeno 2
Señales de alarma general
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Al producirse cualquier falla en el sistema de emergencia, la pantalla principal
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(figura 4.40) y las secundarias muestran una señal de alarma general, la cual permanece hasta que se restablezca el sistema a su condición normal. En las figuras 4.41, 4.42 y 4,43 se observan las señales de alertas correspondientes a los grupos electrógenos 1 y 2.
Figura 4.40 Alarma en pantalla principal Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
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Figura 4.41 Alarma en pantalla de alimentación principal Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
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Figura 4.42 Alarma en pantalla principal del grupo electrógeno 1 Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
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Figura 4.43 Alarma en pantalla principal del grupo electrógeno 2 Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
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SE E R S Alarmas de fallas asociadas a O la alimentación Principal H C E ER En la D pantalla de alarmas de la alimentación principal,
se visualizan las
relacionadas a variación de tensión (figura 4.44), desbalance de corriente (figura 4.45), variación de frecuencia (figura 4.46), y la de transferencia automática (4.47) Al producirse una variación de tensión fuera del 0,5 a 2 %, se activa una señal de alarma en la alimentación principal, mostrando además, el porcentaje de variación registrado. Así mismo, al producirse un desbalance de corriente mayor del 10% se activara la señal de alarma y mostrara el porcentaje de desbalance, lo mismo ocurre con la variación de frecuencia al excederse de un 0.5%. Al disminuir los valores nominales de la red en un 50%, se activa la transferencia automática al sistema de generación de emergencia, encendiendo ambos grupos electrógenos, y emitiendo una señal de alarma.
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Figura 4.44 Alarma de variación de tensión en alimentación principal
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Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
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Figura 4.45 Alarma de desbalance de corriente en alimentación principal Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
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Figura 4.46 Alarma de variación de frecuencia en alimentación principal Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
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Figura 4.47 Alarma en de transferencia automática activada Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
Alarmas asociadas a los grupos electrógenos En ambos grupos electrógenos, se registran seis (06) tipos de fallas diferentes. La variación de tensión dentro de los mismos, debe estar entre el 0,5% y 2%, por lo que al introducirle una variación del 5%, se activa una alarma en la pantalla (figura 4.48). En cuanto al desbalance de corriente, al exceder del 10% se activa la alarma de desbalance (figura 4.49), y la de variación de frecuencia (figura 4.50), se ve reflejada al estar fuera del límite de los + 0.5%. 128
Figura 4.48 Alarma de variación de tensión en grupos electrógenos.
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Figura 4.49 Alarma de desbalance de corriente en grupos electrógenos. Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
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Figura 4.50 Alarma de variación de frecuencia en grupos electrógenos.
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Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
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Por otro lado, al detectar la termocupla una temperatura en el motor superior a
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500°C, se registra el valor temperatura, emitiendo una alarma en pantalla (figura 4.51).
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Al presentarse un nivel de combustible inferior al 10%, el PLC muestra en la pantalla HMI una señal de alerta (figura 4.52), y por último, si al realizar la transferencia los grupos electrógenos presentan un voltaje inferior al 70%, se activara la alarma de falla en el arranque. Cabe destacar que ambos grupos electrógenos, fueron simulados con los mismos valores operacionales, por lo que solo se analizara para uno de los grupos electrógenos (figura 4.53).
Figura 4.51 Alarma en Variación de tensión en grupos electrógenos. Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
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Figura 4.52 Alarma de bajo nivel de combustible. Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
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Figura 4.53 Alarma de falla en el sistema de arranques de los grupos electrógenos. Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
Para programar la pantalla touch KTP 400 de SIEMENS, se utilizo una versión del WinCC
Incluida en el Step 7 V-10.5,1 en el cual se registran las alarmas
provenientes del PLC.
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CONCLUSIONES El desarrollo de la presente investigación permitió diseñar un sistema inteligente capaz de detectar fallas en los grupos electrógenos del Hospital General del Sur Dr. Pedro Iturbe. Este sistema se diseño tomando en cuenta todas las necesidades presentes en esta institución médica tanto de la red eléctrica, como del sistema de emergencia, y dicha investigación arrojo las siguientes conclusiones
El sistema de doble alimentación del hospital brinda mayor confiabilidad al sistema, ya que provee de un circuito de respaldo en caso de que se
OS D A Velectrógenos capaces de R Hospital General del Sur cuenta con dosE grupos ES R suplir las cargas críticas de dicha institución. S HO C E DER de control y medición existentes en dichos grupos se Los instrumentos presente una falla en el alimentador preferente. De suceder una falla, el
encuentran en mal estado, ya sea por su continuo uso, o por la antigüedad de los equipos viéndose afectado su funcionamiento y su exactitud.
El estudio de carga demostró que los grupos electrógenos se encuentran trabajando al 14% la Caterpillar y 9% el John Deere, por lo que dichos equipos no trabajan en su condición nominal. Considerando que se puede realizar un sistema bypass para que cada grupo electrógeno sea capaz de alimentar toda la carga critica, en este caso, el Caterpillar trabajaría al 17% de su carga y el John Deere al 50%
Para el diseño del sistema inteligente, se requiere un sistema de protección básico para el conjunto generador-motor, así como las especificaciones técnicas del PLC SIEMENS S7 1200 y el costo estimado del mismo.
La implementación del sistema inteligente, reducirá el tiempo de detección de fallas, automatizara la transferencia entre la red eléctrica y el sistema de
132
emergencia. Así mismo, mantiene un monitoreo constante de los grupos electrógenos, facilitando un mantenimiento preventivo constante.
Al implementar el diseño del sistema inteligente en la red eléctrica de emergencia, permitirá la medición digital y en consecuencia mayor exactitud de los parámetros de entrada y operación, lo que facilita el control y supervisión por medio del PLC S7-1200.
El sistema propuesto en esta investigación, almacenara los valores de las variables de operación, así como las fallas registradas, permitiendo conocer
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el comportamiento de los grupos electrógenos, así como, hacer un historial
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para la solución de posibles fallas que se repitan.
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RECOMENDACIONES Para complementar las conclusiones emitidas, se presentan las siguientes recomendaciones:
Implementar el diseño de un sistema inteligente para el diagnostico de fallas en los grupos electrógenos del hospital general del sur, con el fin de detectar las variaciones de los valores nominales de funcionamiento de estos equipos
Elaborar un estudio de cortocircuito con el fin de establecer los niveles de corriente en caso de fallas y poder realizar una coordinación de
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protecciones para garantizar la vida útil de los equipos y despejar las fallas
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en el menor tiempo posible.
Realizar los diagramas unifilares del sistema de alimentación del hospital, incluyendo el sistema de alimentación de emergencia
Implementar medidores digitales en las entradas de alimentación principal, para monitorear los niveles de voltaje de entrada
Actualizar el sistema de protección de la red eléctrica del hospital
Implementar un sistema bypass entre ambos grupos electrógenos, con el fin de alternar el uso de los mismos, y en caso de que falle uno, el otro pueda suplir la carga asociada al mismo.
Agregar nuevas cargas críticas al grupo de generación, para suplir mayores áreas y funcionar el equipo a sus condiciones nominales.
Realizar políticas de mantenimiento continuo a los grupos electrógenos
Establecer un historial de reporte de fallas tanto de los grupos electrógenos como de los equipos asociados a los mismos.
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Instalar bancos de baterías o UPS para sustentar el respaldo de energía de emergencia mientras dure el proceso de arranque de los grupos electrógenos
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Arias, F. (2006]) ¨El proyecto de investigación¨ Caracas Venezuela. Editorial Sepisteme [2] Araujo, R y Cabrales, S (2008). ESQUEMA OPERATIVO PARA LOS PROYECTOS DE GENERACION DISTRIBUIDA EN LA RED DE MEDIA TENSION DE LAS EMPRESAS ENELVEN Y ENELCO Universidad Rafael Urdaneta. Maracaibo Venezuela [3] Chacon, M y Molina, M (2008). DISEÑO DE UN SISTEMA DE SUPERVISION, CONTROL Y MEDICION PARA EL SISTEMA DE ENERGIA AUXILIAR DEL CENTRO CAUJARITO. Universidad Rafael Urdaneta. Maracaibo Venezuela
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[4] Chavez, N. (20017). Introducción a la investigación educativa.
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[5] Codigo Electrico Nacional 1999 y 2004
[6 Hurtado de barrera (2000), Metodología de la investigación holística [7]Norma IEEE 1159 [8] Instalaciones Electricas, como 1 Siemens Electric. Editirial DOSSAT [9] Hazel, T. (2001) cuaderno Técnico Shneider electric n° 196 [10] Fino de Franco (2008), El proceso de investigación científica. Ediluz Maracaibo, Venezuela. [11] Ley Orgánica del Servicio Eléctrico
[12] Manual de operación de los grupos electrógenos IGSA [13] Mery D.(1994) programables
Fundamentos
de
los
controladores
lógicos
[14] Ruiz, M.(2007) DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN SOFT PLC. Universidad Rafael Urdaneta. Maracaibo Venezuela [15] Siemens S7 1200. [16] Tamayo y Tamayo (2007), ¨El proceso de la investigación científica¨ Mexico Editorial Limusa 1
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Anexo A Entrevista al personal
¿Cuáles son las fallas mas frecuentes presentes en los grupos electrógenos? ¿Cuáles son los niveles de combustibles establecidos para los grupos electrógenos? ¿Cuáles son las cargas críticas que alimentan los generadores? ¿Cuáles son los tiempos de encendido y apagado de los grupos electrógenos? ¿Cuál es el procedimiento de mantenimiento?
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¿Cuál es la manera utilizada para detectar las fallas en los grupos
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H C E R máximo de operación de los grupos electrogr1ogenos? ¿Cuál ha sido elE D tiempo electrógenos?
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Anexo B Variables utilizadas para la programación
Tabla 1 Variables para la programación
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Fuente Propia: Andrade, Vargas 2011
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