Muchas veces escuchamos en la industria la palabra protocolos de comunicación sin tener claro de que estamos hablando. En principio un protocolo de comunicación es un conjunto de reglas que permiten la transferencia e intercambio de datos entre los distintos dispositivos que conforman una red. Estos han tenido un proceso de evolución gradual a medida que la tecnología
La irrupción de los microprocesadores en la industria ha posibilitado su integración a redes de comunicación con importantes ventajas, entre las cuales figuran [10]:
• Mayor precisión derivada de la integración de tecnología digital en las mediciones
• Mayor y mejor disponibilidad de información de los dispositivos de campo • Diagnóstico remoto de componentes
La integración de las mencionadas islas automatizadas suele hacerse dividiendo las tareas entre grupos de procesadores jerárquicamente anidados. Esto da lugar a una estructura de redes Industriales, las cuales es posible agrupar en tres categorías:
· Buses de campo · Redes LAN · Redes LAN-WAN
36 Los buses de datos que permiten la integración de equipos para la medición y control de variables de proceso, reciben la denominación genérica de buses de campo.
Un bus de campo es un sistema de transmisión de información (datos) que simplifica enormemente la instalación y operación de máquinas y equipamientos industriales utilizados en procesos de producción.
El objetivo de un bus de campo es sustituir las conexiones punto a punto entre los elementos de campo y el equipo de control a través del tradicional lazo de corriente de 4-20mA o 0 a 10V DC, según corresponda. Generalmente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus serie, que conectan dispositivos de campo como PLC’s, transductores, actuadores, sensores y equipos de supervisión (Ejemplo figura 8).
Los buses de campo con mayor presencia en el área de control y automatización de procesos son:
• HART • Profibus
• Fieldbus Foundation
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3.2. Diseño del Sistema de Control
Teniendo en cuenta las especificaciones técnicas del banco de pruebas modular, se encontró que la planta no poseía los instrumentos necesarios para realizar el control de caudal e interfaz grafica de Usuario, para esto se hace el diseño y selección de elementos para satisfacer los nuevos requisitos de la planta, el diseño del sistema de control se inicio con la siguiente selección:
Selección sensor de caudal
Las variables que se tuvieron en cuenta para la selección del sensor fueron: la velocidad del fluido, el tipo de fluido, el diámetro de la tubería y la señal de salida del sensor.
La velocidad del fluido la calculamos con el caudal del sistema así: Q=A ×V (6)
Donde, Q = Caudal A = Área V = Velocidad
Entonces despejando la velocidad y reemplazando en la formula tenemos: V=Q/A (7)
El área de la tubería de 1.5” es igual a: A= π ×r^2 (8) A= π ×〖0.0245 m〗^2 (9) A= 〖0.00188574 m〗^2 (10) Por lo tanto, V= (8.3333×〖10〗^(-4) m^3/s)/(18.8574 ×〖10〗^(-4) m^2 ) (11) V=0.4419 m/s (12)
38 El diámetro de la tubería de PVC donde se va a instalar el sensor es de 1 ½” y la señal de salida del sensor puede ser digital o análoga puesto que el controlador a donde va a ser conectada tiene la capacidad de trabajar con los tipos de señales. De acuerdo a las especificaciones dadas el sensor de flujo seleccionado es un sensor de paletas rotativas con un rango de medición de 0.1 a 8 m/s, para tuberías de 0.5 hasta 24” y la señal de salida son pulsos a 24 VDC con una frecuencia dada por m/s nominal.
Después de seleccionar el sensor de caudal, el siguiente paso fue la adecuación del motor eléctrico monofásico para la implementación de un variador de velocidad con el cual se va a variar la velocidad del fluido para regular el caudal de la planta.
Selección convertidor Hz/mA
Para acondicionar la señal del sensor de flujo seleccionado fue necesario adquirir un convertidor de pulsos a señal análoga para poder llevar la información del flujo al controlador. El convertidor seleccionado fue un Autonics de referencia CN 6400 C1.
Rebobinado del motor monofásico
Después de evaluar la mejor opción, se decidió rebobinar el motor monofásico de ½ Hp y 3450 rpm a trifásico con la misma potencia y velocidad. De esta manera no fue necesario modificar mecánicamente el banco de pruebas y la conexión eléctrica del motor trifásico al variador de velocidad se pudo realizar fácilmente.
Selección variador de velocidad (VFD)
Con la corriente y el voltaje del motor se procedió a seleccionar el variador de velocidad. Los criterios usados para seleccionar el variador de velocidad fueron: La corriente del motor 2.6 A
El voltaje del motor 230 VAC
La altura y la temperatura ambiente del lugar donde va a trabajar el equipo, 2500 metros y 20 °C.
39 De acuerdo a los parámetros anteriores el variador de frecuencia seleccionado fue un Siemens Sinamics G110 referencia 6SL3211 – 0AB17 – 5UA0. El siguiente paso en la selección de materiales fue la consecución del controlador lógico programable (PLC) para integrar las señales del sensor de flujo con el variador de velocidad.
Selección del PLC
Los parámetros de selección del PLC fueron el número de entradas y salidas digitales y análogas que se tienen en el sistema de control planteado, a continuación se muestra el listado de señales:
Tabla 7. Entradas / Salidas Digitales y Análogas
Entradas Digitales Salidas Digitales 1. Operación en Manual
1. Hand/AutoVFD
2. Operación en Automático 2. On/Off
3. Falla VFD
Entradas Análogas Salidas Análogas
1. Caudal
1. Set Point
VFD
Fuente: (el Autor)
El PLC seleccionado fue un Siemens S7 1200, CPU 1214 AC/DC/RLY referencia 6ES7 214 – 1BE30 – 0XB0. Adicionalmente se selecciono un modulo de salida análogo Siemens 6ES7 232 – 4HA30 – 0XB0.
Implementación del sistema de control propuesto
Para la implementación del sistema de control de caudal fue necesario adquirir un tablero eléctrico para instalar el variador de velocidad, el PLC, las protecciones eléctricas y los elementos de maniobra. Adicionalmente fue necesario adecuar la tubería de PVC de 1 ½” para instalar el sensor de flujo.
40 Instalación, cableado y conexionado
Con las especificaciones técnicas y las dimensiones de los equipos seleccionados se realizaron los planos eléctricos del sistema de control y se dimensiono el tamaño del tablero eléctrico requerido para instalarlos. De igual forma el cableado y el conexionado del sistema se realizo con los planos eléctricos diseñados. A continuación se presentan los planos eléctricos del sistema.
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3.3. Linealización del Sensor de Caudal
En el banco de pruebas modular para la evaluación de las pérdidas de presión por fricción en tuberías y accesorios se instalo el sensor de paletas rotativas AXS400 SL, al cual se le realizó un proceso de linealización para obtener la ecuación característica y poder mostrar la lectura en la interfaz gráfica de usuario desarrollada para el PLC. Además de ello se realizó calibración y ajuste del convertidor Hz/mA Autonics CN 6400 C1, para poder llevar la información del flujo al controlador y obtener del instrumento las medidas de identificación en el experimento con mayor precisión.