Informe - Escuela de Ingeniería Eléctrica

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Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE – 0502 Proyecto Eléctrico
Operadores Motorizados en línea 6 en el Plantel La
Garita
Por:
Davy Francisco Piña Vásquez
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
Julio del 2009
Operadores Motorizados en línea 6 en el Plantel La
Garita
Por:
Davy Francisco Piña Vásquez
Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
_________________________________
Ing. Noel Anderson Bryan
Profesor Guía
_________________________________
Ing. Jahaziel Acosta Guevara
Profesor lector
_________________________________
Ing. Roger Quesada
Profesor lector
ii
Operadores Motorizados en línea 6 en el Plantel La Garita
DEDICATORIA
"A mi familia por su apoyo durante estos años para que concluyera mis estudios, a
mis amigos por estar siempre dispuestos a darme una mano, y también a aquellas
personar que sin conocerme nunca dudaron en ayudarme".
iii
RECONOCIMIENTOS
A todo el personal del Departamento de Servicios Técnicos del Plantel de
Ochomogo así como al Ing. Dennis Sánchez de Instrumentación por su colaboración
en cuanto a las visitas a la Garita y a Alberto Badilla por su trabajo brindado en la
elaboración de los planos.
A los Ing. Carlos González y al Ing. Nelson Lara por su colaboración en cuanto
a facilitar planos y documentos técnicos.
A mis profesores lectores por su colaboración.
En general, a todas las personas que de una o otra forma me brindaron orientación.
iv
ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE DE FIGURAS .......................................................................................... VIII
ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................. IX
NOMENCLATURA ................................................................................................ IX
RESUMEN ............................................................................................................. XI
CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN..............................................................................1
1.1 Objetivos...................................................................................................................................................... 1
1.1.1Objetivo general..................................................................................................................................... 1
1.1.2Objetivos específicos ............................................................................................................................. 1
1.2 Metodología ................................................................................................................................................. 2
CAPÍTULO 2: DESARROLLO TEÓRICO ...............................................................3
2.1 El Petróleo y sus derivados......................................................................................................................... 3
El Diesel .......................................................................................................................................... 4
2.1.1
2.1.2
La Gasolina..................................................................................................................................... 5
2.2 Clasificación de Áreas................................................................................................................................ 6
2.2.1
Consideraciones para la clasificación de Áreas ............................................................................... 6
2.2.1.1
Clasificación de áreas según la Clase......................................................................................... 7
2.2.1.1.1 Clase I ......................................................................................................................................... 7
2.2.1.1.2 Clase II ........................................................................................................................................ 7
2.2.1.1.3 Clase III....................................................................................................................................... 7
2.2.1.2
Clasificación de áreas por División............................................................................................. 8
2.2.1.2.1 División I .................................................................................................................................... 8
2.2.1.2.2 División II ................................................................................................................................... 8
2.2.1.3
Clasificación de productos por Grupo......................................................................................... 9
2.3 Situación Actual en el Plantel La Garita................................................................................................ 10
2.4 Alcance del Proyecto................................................................................................................................ 11
2.5 Válvulas .................................................................................................................................................... 13
v
2.5.1
2.5.2
Partes de la válvula de control ....................................................................................................... 13
Válvulas de esfera.......................................................................................................................... 14
2.6 El Modelo OSI.......................................................................................................................................... 18
2.7 Protocolos utilizados en el manejo actual de las válvulas..................................................................... 21
2.7.1
ControlNet ..................................................................................................................................... 21
2.7.2
Modbus .......................................................................................................................................... 22
2.8 Tipos de puertos y conectores encontrados ............................................................................................ 24
Puerto con estándar RS-232.......................................................................................................... 24
2.8.1
2.8.2
Puerto con estándar RS-485.......................................................................................................... 26
2.8.2.1 Especificaciones requeridas ........................................................................................................... 27
2.8.2.2 Aplicaciones .................................................................................................................................. 28
2.8.3
Conectores RJ-45........................................................................................................................... 28
2.8.3.1 Conexión........................................................................................................................................ 29
2.9 Elementos que componen la actual red de control de válvulas............................................................ 29
2.9.1
SCADA.......................................................................................................................................... 30
2.9.2
Controlador Lógico Programable AB Controllogix 5561.............................................................. 31
2.9.2.1 Diagrama de Escalera .................................................................................................................... 32
2.9.2.2 Programación vía FBD (diagrama de bloque de función) ............................................................. 34
2.9.2.3 Programación vía Carta de Función Secuencial (SFC).................................................................. 37
2.9.2.4 Programación vía Texto Estructurado ........................................................................................... 38
2.9.3
Sistema DDC-100 .......................................................................................................................... 41
2.9.4
Estación Maestra II de Limitorque .............................................................................................. 42
2.9.4.1 Menú Principal............................................................................................................................... 43
2.9.4.2 Panel de Conexiones de la Estación Maestra................................................................................. 44
2.9.4.3 Requerimientos de Cableado de la Estación Maestra .................................................................... 47
2.9.4.3.1 Especificaciones Belden 3074F ..................................................................................................... 47
2.9.4.3.1.1Especificaciones Clave ................................................................................................................ 48
2.9.4.3.2 Especificaciones 3105A................................................................................................................. 48
2.9.4.3.3 Especificaciones Belden 9841 ....................................................................................................... 48
2.9.4.4 Esquemático de la Red de Estación Maestra ................................................................................. 49
2.9.5
Actuadores Eléctricos .................................................................................................................... 50
2.9.5.1 Características de Control del actuador de Válvula ....................................................................... 51
2.9.5.2 Alto par de arranque ...................................................................................................................... 52
2.9.5.3 Control de posición exacto ............................................................................................................ 53
2.9.5.4 Operación intermitente .................................................................................................................. 54
2.10 Alimentación y Protección de los Actuadores ..................................................................................... 56
2.10.1 Dispositivos Supresores de Transitorios de Voltaje ......................................................................... 56
2.10.2 Interruptores Merlin Gerin.................................................................................................................. 57
vi
CAPÍTULO 3: ESPECIFICACIONES DE LOS ACTUADORES ELÉCTRICOS 58
3.1 Especificaciones Técnicas de los Actuadores Eléctricos MOV ............................................................ 58
3.2 Lista de Marcas........................................................................................................................................ 63
3.3 Precios de los Equipos ............................................................................................................................. 63
3.4 Estimación del Torque............................................................................................................................. 65
3.5 Actuador Requerido ................................................................................................................................ 66
CAPÍTULO 4: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................67
BIBLIOGRAFÍA .....................................................................................................69
ANEXOS ................................................................................................................72
APÉNDICES ..........................................................................................................75
vii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 Tanque de almacenamiento de Diesel TK-514 en la Garita..................................4
Figura 2.2.Tanque de almacenamiento de Gasolina Regular TK-521 en la Garita ...............5
Figura 2.3. Manifold de válvulas de los tanques 514,515, 516. ..........................................10
Figura 2.4. Actuador de una válvula de control....................................................................14
Figura 2.5.Válvula de bola....................................................................................................15
Figura 2.6. Capas del modelo OSI.......................................................................................19
Figura 2.7. Conectores macho y hembra para un puerto con RS-485 ..................................26
Figura 2.8. Conector RJ-45...................................................................................................29
Figura 2.9. PLC ControlLogix 5561.....................................................................................31
Figura 2.10. Instrucciones de Entrada y Salida. ...................................................................32
Figura 2.11. Instrucciones Ramificadas................................................................................32
Figura 2.12. Rutina de control de motores............................................................................34
Figura 2.13. Elementos para control de dispositivos. ...........................................................35
Figura 2.14. Bloque de función retroalimentado. .................................................................37
Figura 2.15. Estación Maestra II de Limitorque..................................................................43
Figura 2.16. Menú de pantalla principal ..............................................................................43
Figura 2.17. Conexiones de la Estación Maestra..................................................................45
Figura 2.18. Puerto de conexión de impresora. ....................................................................45
Figura 2.19. Puerto DCS, conexión varía de acuerdo al protocolo. ....................................46
Figura 2.20. Diagrama típico de una red de válvulas con su Estación Maestra ...................50
Figura 2.21. Características típicas de la válvula mariposa de bajo flujo, de bola y tapón. .52
Figura 2.22. Características típicas de la válvula mariposa de bajo flujo, de bola y tapón. .53
Figura 2.23. Características típicas de aumento de temperatura en motores de un actuador
de la válvula Limitorque .......................................................................................................54
Figura 2.24. Ejemplo de un Transitorio de Voltaje .............................................................56
Figura 2.25. Interruptores para la alimentación de los actuadores ...................................57
Figura 3.1. Caja reductora PT ..............................................................................................66
Figura A.1. Caja de Conexión Tipo 3...................................................................................74
viii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1. Composición Química del Petróleo ......................................................................3
Tabla 2.2. Sustancias Típicas de la Clase I............................................................................9
Tabla 2.3. Organismos y Reglamentos bajo los que se rige Recope. ..................................12
Tabla 2.4. Descripción de pines para puertos basados en el estándar RS-232 ....................25
Tabla 2.5. Descripción de pines para puertos basados en el estándar RS-485 ....................27
Tabla 2.6. Nombre de etiqueta por operando.......................................................................33
Tabla 2.7. Entrada o dispositivo según necesidad ................................................................36
Tabla 3.1. Proveedores en Costa Rica de los Actuadores.....................................................63
Tabla 3.2. Cotización de los Actuadores Eléctricos a instalar..............................................64
Tabla A.1. Comparación de Materiales para productos fundidos y forjados. .....................72
Tabla A.2. Composición de materiales para material fundido. ............................................72
Tabla A.3. Niveles de Temperatura-Presión Clase ASME B16.34-Clase Estándar ASTM
A216 Gr. WCB ....................................................................................................................73
Tabla A.4. Limite de Temperatura del material de la válvula .............................................73
ix
NOMENCLATURA
API: American Petroleum Institute
CCM: Centro de Control de Motores
HMI: Human Machine Interface
ICE: Instituto Costarricense de Electricidad
IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers
ISA
Sociedad de Instrumentación, Sistemas y Automatización
MOV Válvulas Motorizadas
NEC (Nacional Electric Code) Código Eléctrico Nacional de los Estados Unidos
YV-001: Estación Maestra de Válvulas Motorizadas actual.
YV-002: Estación Maestra de Válvulas Motorizadas nueva.
PLC: Controlador Lógico Programable.
FSL: Interruptor de bajo flujo.
SCADA: Supervisor de Control y Adquisición de Datos.
x
RESUMEN
Para la elaboración de este proyecto se identificaron cada una de las
válvulas a automatizar, así como también se identificó si existía dentro del Plantel alguna
red de actuadores motorizados que pudiera aprovecharse.
Finalmente se elaboró una cotización del costo de los actuadores con base en la
experiencia de Recope con los proveedores, se tomó como referencia la marca Limitorque
por contarse ya con experiencia en el manejo de equipos de esta marca dentro del Plantel.
En general este proyecto trata de aprovechar la infraestructura actual que se
encuentra en el Plantel La Garita, para efectos no sólo de costo sino también de eficiencia.
Se realizaron los planos que muestran la ubicación de la red de válvulas y el
trayecto de cada una de las señales, en estos planos se presenta como estará conectado el
nuevo equipo a colocar. Además los planos de instrumentación respectivos.
xi
CAPÍTULO 1: Introducción
Este proyecto tiene como fin la automatización de un grupo de válvulas por medio
de actuadores motorizados, las cuales se encuentran en el Plantel La Garita en Alajuela, y
que pertenecen a la línea 6, la cual es una tubería de un diámetro de 12 pulgadas. Debido a
que estas válvulas no se encuentran automatizadas, los operadores tienen que operarlas
manualmente, lo que ocasiona muchos problemas, especialmente la contaminación del
producto, y en el control de inventarios de las existencias trasegadas.
Lo que se busca es diseñar el sistema de control y potencia, para luego especificar el
equipo y de esta manera confeccionar el respectivo cartel.
1.1
Objetivos
1.1.1
•
1.1.2
•
Objetivo general
Automatizar el enrutamiento de combustible en la línea 6 del Plantel La Garita.
Objetivos específicos
Describir las partes de un sistema de control basado en actuadores motorizados
para el manejo de válvulas.
•
Definir las especificaciones técnicas que deberá cumplir el sistema basado en
actuadores motorizados.
•
Indagar acerca de los proveedores existentes en el mercado que puedan cumplir con
las especificaciones.
•
Realizar una estimación del costo del equipo con base a la oferta de precios del
mercado.
1
1.2
Metodología
El trabajo se basará en información recopilada de fuentes bibliográficas, referentes
a actuadores eléctricos. También se recopilará información de Internet acerca de las
características de los diferentes elementos que conforman la red de control de actuadores,
tales como el sistema SCADA, el PLC, la Estación Maestra de hojas del fabricante de
actuadores eléctricos. Se hace uso de la información obtenida de la entrevista con personas
que se encuentran familiarizadas con el tema de actuadores motorizados, así como visitas al
Plantel La Garita
para efectos de identificar cuales son las válvulas que hay que
automatizar, ver el tipo de protocolo de comunicación que se utiliza en la interfaz con el
sistema de supervisión y control SCADA, así como indagar en los aspectos referentes al
manejo de los actuadores motorizados a través de la estación maestra, el protocolo de
comunicación entre esta y la red de actuadores motorizados, y entre la estación maestra y el
PLC. Como resultado se pretende determinar qué
parte del sistema de control es
aprovechable, y de si existe alguna propuesta para mejorarlo.
Adicionalmente se realizaran
visitas a empresas distribuidoras de este tipo de
productos, con el fin de consultar precios y el tipo de soporte ofrecido.
2
CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico
2.1
El Petróleo y sus derivados
El petróleo o "crudo" es un liquido oleoso bituminoso de origen natural, de
color pardo o negro, fluorescente, insoluble en agua con una densidad menor a esta
(entre 0.75 y 0.95 g/ml) y compuesto por diferentes sustancias orgánicas.
En cuanto a composición química todos los tipos de petróleo se componen
de hidrocarburos, aunque puede presentar unos pocos compuestos de azufre (0,1% a
5%) y de oxigeno. Los hidrocarburos pueden separarse por destilación fraccionada de
la que se obtienen aceites ligeros (gasolina), vaselina, parafina, asfalto y aceites
pesados.
La composición química normalmente se encuentra comprendida entre los
siguientes intervalos
Tabla 2.1. Composición Química del Petróleo
ELEMENTO %
PESO
Carbono
84-87
Hidrógeno
11-14
Azufre
0-2
Nitrógeno
0.2
Debido a que el petróleo tal y como sale del subsuelo no es aprovechable, se
debe realizar un proceso de refinación, en este proceso básicamente lo que se hace
es separar el petróleo en cada uno de los productos que se derivan de él, entre estos
3
productos se encuentran el diesel y la gasolina, que
son los que se mencionan a
continuación.
2.1.1 El Diesel
El diesel está constituido básicamente de hidrocarburos. Posee concentraciones
bajas de azufre, nitrógeno y oxígeno. Es un producto inflamable, medianamente tóxico,
volátil, límpido, exento de material en suspensión y con odor fuerte y característico.
Figura 2.1 Tanque de almacenamiento de Diesel TK-514 en la Garita
El diesel se utiliza en motores de combustión interna y de ignición por compresión,
empleados en las más diversas aplicaciones.
4
2.1.2 La Gasolina
La Gasolina es un combustible líquido, de densidad 0.75 g/ml y potencia calorífica
de 32 000 Kcal/l, muy volátil. Es una mezcla de hidrocarburos líquidos ligeros, estos son
compuestos que solo contienen dos elementos: el carbono y el hidrógeno. Normalmente se
encuentra en familias o cadenas de enlaces que van del C4 a C10, se comercializan dos
tipos de gasolina; la regular de 91 octanos y la súper de 97 octanos. El índice de octanos
indica la capacidad para resistir altas presiones y temperaturas dentro del cilindro del motor
sin producir detonación, es decir, autoencendido con anticipación al encendido de la chispa
de la bujía. Por eso la gasolina regular es la adecuada para los motores de media
compresión y para los que están algo desgastados por el uso, mientras que la gasolina súper
se emplea para los de alta compresión y prestaciones.
Figura 2.2.Tanque de almacenamiento de Gasolina Regular TK-521 en la Garita
Para mejorar su capacidad antidetonante las gasolinas contienen aditivos como el
tetraetilo de plomo que por ser contaminante de la atmósfera, se está sustituyendo por otros
más inocuos. Además por ser una mezcla de diversos productos, la gasolina no tiene un
5
punto fijo de ebullición, sino una curva de destilación que comienza a 300C y que termina,
generalmente antes de los 2000C. Su peso específico varía entre 0,700 y 0,790 kg/dm.
2.2
Clasificación de Áreas
La mayoría de los procesos industriales del ámbito petrolero o petroquímico son de
alto grado de complejidad y criticidad, por lo que se
requiere de equipos de alto
rendimiento y eficiencia. Para el control de cualquier sistema existe una amplia gama de
equipos cuyas características varían de acuerdo a las características del sitio de operación.
Para identificar más fácilmente estas características es que se han clasificado las
áreas operativas en la industria
en base a los riesgos
presentes en ellas. Con esta
clasificación se obtienen las herramientas necesarias para seleccionar el equipo adecuado
para operar de forma segura en un área específica. Solo se mencionan las clasificaciones
más importantes para el proyecto.
2.2.1 Consideraciones para la clasificación de Áreas
Debido a la diversidad de procesos, las áreas pueden ser de diferentes tipos donde
pueden existir atmósferas de gases o vapores inflamables, por lo que es necesario definir
una clasificación de las mismas. El sistema de clasificación utilizado para definir los tipos
de áreas se basa en los siguientes criterios:
•
La Clase de Área se determina de acuerdo a la naturaleza del producto que en ella
escapa a la atmósfera.
•
La División en base a la frecuencia y extensión con que las mezclas inflamables
estarán presentes.
6
•
El Grupo lo define las propiedades químicas del producto liberado a la atmósfera,
que determinan específicamente la facilidad con la que este tiende a incendiarse.
2.2.1.1 Clasificación de áreas según la Clase
Es un método de análisis que se aplica al medio ambiente donde pueden existir
gases, nieblas o vapores inflamables, fibras o polvos, con el fin de establecer las
precauciones especiales que se deben considerar para la construcción, la instalación y uso
de materiales y equipos eléctricos.
2.2.1.1.1
Clase I
Se considera como clase I, aquellos lugares donde hay o puede haber gases o
vapores en cantidad suficiente para producir mezclas inflamables. A su vez, las áreas
peligrosas pertenecientes a la Clase I se clasifican en zonas según la frecuencia de aparición
y el tiempo de permanencia de una atmósfera explosiva.
2.2.1.1.2
Clase II
Las áreas clasificadas como clase II son aquellas en las que están presentes
productos como: polvos orgánicos, carbón o metales flamables.
2.2.1.1.3
Clase III
En esta clasificación figuran las áreas en las que se encuentran presentes
materiales fibrosos flamables.
7
2.2.1.2 Clasificación de áreas por División
La división indica el nivel de riesgo presente en el área a clasificar. Cuando se
evalúa la división, es necesario tomar en cuenta la frecuencia de escape y el nivel de
ventilación del área bajo estudio. Se considerara únicamente dos divisiones.
2.2.1.2.1
División I
En esta división se encuentran aquellas áreas donde bajo condiciones normales de
operación o debido a labores frecuentes de reparación y mantenimiento, existen fugas de
gases o vapores en condiciones inflamables.
Se consideran áreas de división I, a aquellas que debido a una
funcionamiento anormal del equipo de proceso puedan librar gases o
ruptura o un
vapores en
concentraciones inflamables y simultáneamente pueda ocurrir una falla en el equipo
eléctrico.
2.2.1.2.2
División II
Son consideradas en esta división, aquellas áreas donde se manejan, procesan o
almacenan productos inflamables, pero en la que normalmente no existen concentraciones
peligrosas, los productos se encuentran en recipientes o sistemas cerrados de los cuales solo
pueden escapar en caso de rotura o funcionamiento anormal de los equipos de proceso,
así como también, donde las concentraciones inflamables de gases o vapores son
impedidas, mediante sistemas de ventilación positiva y por lo tanto, únicamente la falla de
dichos sistemas puede dar lugar a la presencia de una atmósfera inflamable, contiguas a
lugares clase I, división I, a las que puedan llegar ocasionalmente concentraciones
inflamables de gases o vapores, a menos que tal comunicación sea evitada por sistemas de
8
ventilación adecuados y se hayan previsto dispositivos para evitar la falla de dichos
sistemas. En consecuencia, las áreas donde se cumplan las condiciones descritas
anteriormente se clasifican como División II.
2.2.1.3 Clasificación de productos por Grupo
Generalmente el grupo se refiere a las características de explosividad de las mezclas
inflamables de gases y vapores, estas varían dependiendo del tipo de material envuelto. Así
la Clase I se divide en los grupos A, B, C y D, dependiendo de la máxima intensidad de
explosión y de la mínima temperatura de ignición de la mezcla considerada. También se
considera como factor importante para clasificar un material en un grupo determinado, la
facilidad de atenuación de una explosión de ese material en un espacio cerrado, con el fin
de que no incida una explosión en cualquier mezcla inflamable circundante. Sólo se
mencionará la Clase I que es la de interés para este Proyecto.
Tabla 2.2. Sustancias Típicas de la Clase I
Grupo A:
Acetileno.
Grupo B:
Hidrógeno o sustancias con un porcentaje mayor al 30% en volumen.
Grupo C:
Ethil, Ether y Etileno.
Grupo D:
Acetona, Ammonio, Benceno, Gasolina.
Las áreas clasificadas dentro del grupo D, clase I, división 2, incluyen sitios donde se usan
líquidos volátiles, gases o vapores inflamables que llegarían a ser peligrosos sólo en caso de
accidente u operación anormal del equipo.
Estas áreas tienen las características siguientes:
9
•
Áreas en las cuales se manejan o usan líquidos volátiles o gases inflamables que
normalmente se encuentran dentro de recipientes o sistemas cerrados, de los que
pueden escaparse sólo en caso de ruptura accidental u operación anormal del
equipo.
•
Áreas adyacentes a zonas de la clase I división 1, en donde las concentraciones
peligrosas de gases o vapores pudieran ocasionalmente llegar a comunicarse.
2.3
Situación Actual en el Plantel La Garita
En la actualidad dentro del plantel existen válvulas que operan en forma manual,
pertenecientes a los múltiples de los tanques TK-514, TK-515, TK-516, TK-521, TK-522.
Por otra parte, existe otro grupo de válvulas que se encuentran automatizadas con
actuadores Limitorque y que están conectados en red por medio de una estación maestra
o Master Station del mismo fabricante.
Figura 2.3. Manifold de válvulas de los tanques 514,515, 516.
10
2.4
Alcance del Proyecto
El proyecto consiste esencialmente en una propuesta para automatizar las válvulas
de estos múltiples, las cuales tienen un diámetro de 14 pulgadas. En los múltiples
numerados TK-521 y TK-522, las válvulas que se encuentran son de la marca SKVAL,
mientras que en TK-514, TK-515 y TK-516, aparte de esta marca se encuentra la marca
Jamesbury.
Todas están especificadas bajo la norma ANSI-150. En total son 15 válvulas,
para las cuales se determinará el tipo de actuador, si se ocupa un reductor adicional para
ajustarse al torque requerido por la válvula.
Es importante tomar en cuenta que ya existe una estación maestra, la cual es la
Master Station II de Limitorque, por lo que el equipo a instalar correspondiente a la
línea de recibo del nuevo oleoducto tiene que comunicarse bajo el mismo protocolo que
esta estación, de lo contrario deberá incluir algún dispositivo que permita la traducción. Por
otra parte para las válvulas de Ventas se utilizará una red independiente con su propia
Estación Maestra, la cual deberá tener la característica indispensable de comunicarse bajo
un protocolo abierto, al igual que los actuadores dentro de dicha red.
Una vez determinado el equipo se elaborará una serie de planos, estos se dividen
de la siguiente manera:
1. Plano de rutas del Plantel La Garita, incluye las dos redes de actuadores, las
cajas de conexión, las cajas de registro y la ruta que sigue el cableado eléctrico
y de control e instrumentación. No se muestra la conexión propia de los
actuadores, esta se presenta en los Diagramas de Lazo
2. Diagrama de Lazo de los actuadores, estos son Diagrama de Lazo Red YV-001
y Diagrama de Lazo Red YV-002.
11
3. Diagrama de Tuberías e Instrumentación, permite visualizar no sólo los
actuadores eléctricos, sino también los tanques que no se muestran en el Plano
de rutas, además se aprecia más claramente la dirección del flujo del producto
dentro del Plantel.
El equipo en cuestión deberá apegarse a las normas de Recope, propuestas por
entes internacionales muy reconocidos, como el Instituto Americano del Petróleo o API
(American Petroleum Institute). Estos se rigen por la experiencia de los fabricantes y
usuarios de equipos, productos y sistemas relacionados con todas las disciplinas propias de
la industria petrolera. Mientras que respecto a
organismos e instituciones respecto a
reglamentos y normas se acoge a los mencionados en la Tabla 2.3.
Tabla 2.3. Organismos y Reglamentos bajo los que se rige Recope.
CFIA
Colegio Federado de Ingenieros y Arquitectos
ANSI
American National Standard Institute
ASME
AmericanStandard for Mechanical Engineers
ASTM
American Standard for Testing and Materials
ISEA
Insulated Cable Engineers Association
ICS 2
Industrial Control Devices, Controllers, and Assemblies
IEC
International Electrotechnical Commision
IEEE
Institute of Electrical and Electronic Engineers
NEMA
National Electrical Manufacturer`s Association
UL
Underwriters Laboratories Inc.
ISO
International Organization for Standarization
12
2.5
Válvulas
Una válvula se puede definir como un aparato mecánico con el cual se puede
iniciar, detener o regular la circulación de líquidos o gases por medio de una pieza movible
que abre, cierra u obstruye de manera parcial uno o más orificios o conductos.
La válvula es uno de los instrumentos de control más importantes en la industria
debido a su diseño y materiales, ya que pueden abrir, cerrar, conectar, desconectar, regular,
modular o aislar una enorme serie de líquidos y gases, desde los más simples hasta los más
corrosivos o tóxicos. Pueden trabajar con presiones que van desde el vacío hasta más de
20000 lb/in² (140 Mpa) y temperaturas de hasta 1500 °F (815 °C). Para efectos de control
generalmente constituye el último elemento en un lazo de control que se instala en la línea
de proceso y se comporta como un orificio cuya sección de paso varia continuamente con la
finalidad de controlar un caudal en una forma determinada.
2.5.1 Partes de la válvula de control
Las válvulas de control constan básicamente de dos partes que son: el actuador y el
cuerpo.
•
Actuador: El actuador también llamado accionador o motor, puede ser neumático,
eléctrico o hidráulico, pero los más utilizados son los dos primeros.
13
Figura 2.4. Actuador de una válvula de control
•
Cuerpo de la válvula: Está provisto de un obturador o tapón, los asientos del
mismo y una serie de accesorios. La unión entre la válvula y la tubería puede hacerse
por medio de bridas soldadas o roscadas directamente a la misma. El tapón controla la
cantidad de fluido que pasa a través de la válvula y se puede accionar en la dirección de
su propio eje mediante un movimiento angular. Está unido por medio de un vástago al
actuador.
2.5.2 Válvulas de esfera
Las válvulas de esfera son de ¼ de vuelta, en las cuales una bola taladrada gira entre
asientos elásticos, lo cual permite la circulación directa en la posición abierta y corta el
paso cuando se gira la bola 90° y cierra el conducto. La posición de la maneta de actuación
indica si la válvula se encuentra abierta o cerrada. Este tipo de válvulas cuando operan de
forma manual se cierran rápidamente, con lo que pueden sufrir un golpe de ariete. Por esta
14
razón, y para evitar la acción humana pueden estar equipadas con un actuador, el cual
puede ser neumático, hidráulico o motorizado.
Figura 2.5.Válvula de bola.
Se recomienda para aplicaciones que requieren de un servicio de conducción y
corte, apertura rápida, condiciones de temperatura moderada y una resistencia mínima a la
circulación.
Entre sus ventajas se destaca:
•
Bajo costo.
•
Alta capacidad.
•
Corte bidireccional.
•
Circulación en línea recta.
•
Pocas fugas.
•
Se limpia por si sola.
•
Poco mantenimiento.
•
No requiere lubricación.
15
•
Tamaño compacto.
•
Cierre hermético con baja torsión (par).
Por otra parte, presenta los siguientes inconvenientes:
•
Características deficientes para estrangulación.
•
Alta torsión para accionarla.
•
Susceptible al desgaste de sellos o empaquetaduras.
•
Propensa a la cavitación.
Las válvulas encontradas en el Plantel la Garita poseen
las siguientes
especificaciones:
Para los “manifold” de los tanques TK521 y TK522 se tienen válvulas de bola
de la marca SKVAL, las cuales pertenecen a las tuberías de transporte de Ventas de
Gasolina Súper, Gasolina Regular y la de recibo del nuevo oleoducto. Estas válvulas tienen
indicadas las siguientes especificaciones:
Tamaño: 14 pulgadas.
Clase: ANSI 150
Cold: 285 PSI WOG
Temperatura: 400 F0 : 200 p.s.i
Cuerpo: A105
Bola: A105 t ENP
Soat: PTFE
Stem: A105 t ENP
ASME 16.34 API 6D
Test I.A.W API 6D
Las válvulas destinadas para Ventas de Gasolina permiten llevar el producto que se
encuentra en estos tanques hacia el área de Cargaderos, esto con la ayuda de las bombas
16
BVGR-1 y BVGR-2, de momento estos tanques contienen únicamente Gasolina Regular,
pero con la automatización de la válvula de Ventas de Súper se deberán colocar las
bombas respectivas para Venta de Súper. Cuando se requiere recibir solo se abre la válvula
respectiva de Recibo, mientras que para llevar del nuevo oleoducto se abre la válvula para
su respectivo tanque.
Los “manifold” TK514, TK515 y TK516 son exclusivamente para tanques de
diesel con esa numeración, las válvulas de estos “manifold” son en su mayoría válvulas de
la marca SKVAL, aunque también hay 3 de la marca Neles Jamesbury. Estas válvulas están
nombradas para Ventas, Recibo y Succión Transferencia.
Las válvulas que están indicadas para Ventas se abren cuando se requiere
transportar diesel de su respectivo tanque a la parte de Ventas en los cargaderos, esto se
hace por medio de la ayuda de las bombas BVDI-1, BVDI-2 y BVIDI-2, esta última para
Ventas y Transferencia. En el caso de la línea de Recibo se requiere abrir la válvula
respectiva para poder llevar el diesel hacia el tanque, este proviene de la línea del nuevo
oleoducto.
Las válvulas de Succión Transferencia son básicamente para transferencia de un
tanque a otro en caso de que se necesite dar mantenimiento a alguno de estos.
Para las válvulas de la marca Neles Jamesbury se tienen las siguientes
especificaciones:
Datos de Placa de la Válvula:
Tamaño: 14 pulgadas.
CSTL
2236 MT
Temperatura: 100 F0
Cuerpo: A193 GR.B7
B 16-34
Datos del Actuador Manual:
Jamesbury Worcester Mass
Manual Actuator
17
Moden MA045 01
Fully Grease Lubricated Attention
Trunnion
Es de rescatar que a la entrada de la tubería del Nuevo Oleoducto hay tres tuberías
con su respectiva válvula las cuales permiten llevar ya sea Gasolina, Diesel y Jet, aunque de
momento esta última no se almacena actualmente en el Plantel.
2.6
El Modelo OSI
A principios de los años 80, las compañías comenzaron a implementar redes
propietarias, por lo que cada red tenía sus especificaciones propias, lo cual originaba
problemas de compatibilidad y hacía muy difícil la comunicación entre redes. Debido a lo
anterior surgió la necesidad de desarrollar estándares de red, esta tarea le correspondió a la
ISO, que en el año 1984 crea el modelo OSI, este modelo está basado en capas y posee las
siguientes características:
•
Cada capa provee de servicios a las capas superiores.
•
La comunicación necesita un origen, un destino, un medio de transmisión y un
conjunto de protocolos.
•
Es un modelo de referencia teórico.
•
El flujo de datos se divide en 7 capas.
Las capas del modelo OSI se muestran a continuación:
18
Figura 2.6. Capas del modelo OSI
A continuación se describe cada una de las siete capas del modelo OSI:
1. Capa Física: Se encarga de transmitir los bits de información por la línea o medio
utilizado para la transmisión. Se ocupa de las propiedades físicas y características
eléctricas de los componentes; de la velocidad de transmisión, si esta es uni o
bidireccional. También, de los aspectos mecánicos de las conexiones y terminales,
incluyendo la interpretación de las señales eléctricas.
2.
Capa de Enlace de Datos: Esta capa traslada los mensajes desde la Capa Física a
la Capa de Red, especifica cómo se organizan los datos cuando se transmiten en un
medio particular. Cuando los paquetes de datos llegan a la capa de enlace, éstos
pasan a ubicarse en tramas (unidades de datos), definidas por la arquitectura de red
que se está utilizando (como Ethernet, Token Ring). La capa de enlace de datos se
encarga de desplazar los datos por el enlace físico de comunicación hasta el nodo
receptor, e identifica cada computadora incluida en la red de acuerdo con su
dirección IP (Internet Protocol) codificada en la NIC (Net Interface). Un ejemplo de
protocolo utilizado en esta capa es el PPP ("Point-to-Point Protocol").
19
3. Capa de Red: Encamina los paquetes además de ocuparse de entregarlos. La
determinación de la ruta que deben seguir los datos se produce en esta capa, lo
mismo que el intercambio efectivo de los mismos dentro de dicha ruta. A este nivel
se utilizan dos tipos de paquete, paquetes de datos y paquetes de actualización de
ruta.
4.
Capa de Transporte: Es la encargada de controlar el flujo de datos entre los nodos
que establecen una comunicación; los datos deben entregarse sin errores y en la
secuencia que proceda. Se ocupa también de evaluar el tamaño de los paquetes con
el fin de que estos tengan el tamaño requerido por las capas inferiores del conjunto
de protocolos.
5. Capa de Sesión: Se encarga de establecer el enlace de comunicación
o sesión
entre las computadoras emisora y receptora. Esta capa también gestiona la sesión
que se establece entre ambos nodos.
6. Capa de presentación: Es
responsable de que la información se entregue al
proceso de aplicación de manera que pueda ser entendida y utilizada. Se ocupa de
los aspectos de sintaxis y de semántica de la información que se transmite. Otro
aspecto de esta capa es la compresión de información, con lo que se reduce el
número de bits.
7.
Capa de Aplicación: Es la capa del modelo OSI más cercana al usuario. Describe
cómo hacen el trabajo los programas de aplicación (navegadores Web, clientes del
correo, terminales remotos). Por un lado interactúa con la capa de presentación, por
otro, representa la interfaz con el usuario, entregándole la información y recibiendo
los comandos que dirigen la comunicación. Ejemplos de protocolos utilizados por
los programas de esta capa son: HTTP, FTP SMTP, POP, IMAP.
20
2.7
Protocolos utilizados en el manejo actual de las válvulas
Se utilizan dos protocolos, los cuales son ControlNet y Modbus. Estos se
encuentran dentro de los módulos que trae el controlador lógico programable PLC
ControlLogix 5561 de Allen Bradley. En el caso de ControlNet, este se usa para manejar la
comunicación del sistema SCADA y el PLC, básicamente este protocolo permite dar
órdenes al PLC para controlar las válvulas.
El manejo de los actuadores se hace por medio del protocolo Modbus del tipo
remoto o RTU (Remote Terminal Unit), es utilizado por el PLC para comunicarse con la
Estación Maestra, la función aquí es la de consultar a la Estación Maestra el estado de las
válvulas y actuar con base a estas. La Estación Maestra por su parte maneja un registro
completo del estado de las válvulas y puede intervenir directamente sobre estas.
2.7.1 ControlNet
Esta tecnología fue desarrollada por Rockwell Automation en 1995 con el fin de de
mantenerse a la vanguardia de las actuales tendencias tecnológicas. Las especificaciones y
el protocolo de la red son abiertos, por lo que los proveedores no tienen que comprar
hardware, software ni derechos de licencia para conectar dispositivos a un sistema. Se
caracteriza por proporcionar un ancho de banda para Entrada/Salida, enclavamiento en
tiempo real, mensajes entre dispositivos similares, y programación en el mismo vínculo.
ControlNet se basa en una innovadora solución de tecnología de red abierta: el
modelo producto/consumidor. Este modelo permite que todos los nodos de la red tengan
acceso simultáneo a los mismos datos a partir de una sola fuente. A su vez proporciona
eficiencia ya que los datos se producen una sola vez independientemente del número de
consumidores, y una sincronización precisa puesto que los datos llegan a todos los nodos
simultáneamente. Por otra parte, el modelo producto/consumidor hace que los datos estén
21
disponibles simultáneamente a todos los componentes del sistema, por lo que proporciona
un uso más eficiente del ancho de banda de la red
ControlNet permite programar controladores lógicos programables PLC y
configurar dispositivos al momento de inicio, es ideal para pantallas MMI, para proyección
de tendencias y análisis, para administración de recetas o para mantenimiento y resolución
de problemas.
ControlNet ofrece ventajas en los siguientes niveles:
1. Nivel de Dispositivos: Disminuye el cableado, ahorra costos y tiempos de
instalación.
2. Nivel de Control: Ofrece un rendimiento de Entrada/Salida determinista y
repetible, así como programación y comunicación entre dispositivos similares y
recopilación de datos.
3. Nivel de Empresa: Permite que diversos sistemas IS, MES, y de archivo de datos
obtengan accesos a los datos de la planta.
2.7.2 Modbus
Es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura maestro/esclavo o
cliente/servidor
diseñado por Modicom en 1979
para sus controladores lógicos
programables (PLCs). Convertido en un protocolo de comunicaciones
industria, es el que goza de mayor
estándar en la
disponibilidad para la conexión de dispositivos
electrónicos industriales. Entre sus principales características están:
1. Es público.
2. Fácil de implementar y requiere poco desarrollo.
22
3. Maneja bloques de datos sin suponer restricciones.
El protocolo describe
un sistema de control distribuido y de comunicación
industrial desarrollado para integrar PLCs, computadoras, terminales y otros dispositivos de
control, sensado y monitoreo. Este protocolo al ser del tipo maestro/esclavo, permite que un
número determinado de dispositivos puedan interconectarse por medio de este protocolo,
pero solo uno de ellos es el maestro. Todos los demás dispositivos se encuentran
conectados como esclavos y solo se pueden comunicar en respuesta a las peticiones y
comandos del único maestro. El protocolo provee de un maestro y de hasta 247 esclavos
conectados en una línea común. Cada dispositivo tiene una dirección
asignada para
distinguirse de los demás.
Los dispositivos Modbus se pueden comunicar usando cualquiera de las dos
versiones del protocolo Modbus, con diferentes representaciones de los datos y detalles del
protocolo ligeramente desiguales. Modbus RTU es un formato binario, en el cual cada
mensaje es de 8 bits y contiene dos caracteres hexadecimales de 4 bits, y el mensaje es
transmitido en un flujo continuo. En Modbus ASCII cada byte de carácter es enviado como
dos caracteres ASCII. Este modo permite intervalos de tiempo por encima de un segundo
entre los caracteres durante la transmisión sin generar errores.
Modbus usa una representación “big-endian” para direcciones y datos, por lo que
cuando se transmite una cantidad numérica más
grande que un byte, el byte más
significativo es enviado primero. Ambas implementaciones del protocolo son serie.
Todas las solicitudes y respuestas Modbus están diseñadas de tal forma que el
receptor pueda verificar que un mensaje esta completo.
23
2.8
Tipos de puertos y conectores encontrados
Los puertos identificados en la sala de control están basados en los estándares
eléctricos RS-232, RS-485, estos se basan en estándares con el mismo nombre. El puerto
con estándar RS-232 se usa para la programación del PLC ControlLogix 5561 de AllenBradley, mientras que el puerto RS-485 es el que utiliza el protocolo Modbus tanto en la
red de actuadores como en su comunicación con dicho PLC
Se da una descripción de estos con sus principales características. También se hace
mención a los conectores RJ-45.
2.8.1 Puerto con estándar RS-232
Oficialmente RS-232 es el sistema más común para la transmisión de datos entre
ordenadores, todos los ordenadores poseen como mínimo uno. El RS-232 es un estándar
propuesto por la Asociación de Industrias Electrónicas o EIA, donde se define la interfaz
mecánica, los pines, las señales y los protocolos que debe cumplir la comunicación serial.
Antiguamente se utilizaba para conectar terminales a un ordenador Host. Se envían datos
de 7, 8, o 9 bits. La velocidad se mide en baudios (bits/segundo) y sólo son necesarios dos
cables, uno de transmisión y otro de recepción.
Lo más importante del estándar de comunicaciones son las funciones específicas de
cada pin de entrada y salida de datos porque existen básicamente dos tipos de conectores
los de 25 pines y los de 9 pines. Las señales con la que actúa el puerto son digitales (0 - 1)
y la tensión a la que trabaja es de 12 Voltios, resumiendo:
12V = Lógica “0”
-12V = Lógica “1”
24
Tabla 2.4. Descripción de pines para puertos basados en el estándar RS-232
Conector 25 pines
Conector 9 pines
Nombre
1
-
Masa chasis
2
TxD
Transmisión de datos
3
RxD
Recepción de datos.
4
RTS
Petición de envío.
5
CTS
Libre para envío.
6
DSR
Data Set Ready
7
SG
Tierra de referencia para señales.
8
DCD
Detección de portadora.
15
TxC
Reloj de Transmisión.
17
RxC
Reloj de Recepción.
20
DTR
Terminal de datos lista
22
RI
Indicador de llamada
24
RTxC
Reloj de Transmisión-Recepción
Tipo de Señal
(Entrada/salida)
Salida.
Entrada.
Salida.
Entrada.
Entrada.
Entrada
Salida
Entrada
Los pines que portan los datos son RxD y TxD, el DTR indica que el ordenador
está encendido, DSR que el dispositivo conectado al puerto está encendido, RTS que el
ordenador al no estar ocupado puede recibir datos, contrario a CTS que lo que informa es
que es el dispositivo el que puede recibir datos, mientras que DCD detecta la presencia
de datos.
25
2.8.2 Puerto con estándar RS-485
RS-485 o EIA-485 es un estándar de comunicación serial, que se ubica a nivel de la
capa física del Modelo OSI. Permite capacidades de comunicación asíncrona, tales como
hardware de control de flujo, software de control de flujo y chequeo de paridad. Las señales
de RS-485 se transmiten sobre cable de par trenzado, por lo que son menos sensibles al
ruido. Se define como un sistema en bus de transmisión multipunto diferencial, ideal para
transmitir a altas velocidades a largas distancias (35 Mbps hasta 10 metros y 100 Kbps en
1.2 km) y a través de canales ruidosos, ya que reduce los ruidos que aparecen en los
voltajes producidos en la línea de transmisión. El medio físico de transmisión consiste en
un par entrelazado que admite hasta 32 estaciones en 1 solo hilo, con una longitud máxima
de 1.2 km operando en el rango de 300 a 19200 bps y con una comunicación half-duplex
(semiduplex). Soporta 32 transmisiones y 32 receptores. La transmisión diferencial permite
múltiples drivers, lo que da la posibilidad de una configuración multipunto.
Figura 2.7. Conectores macho y hembra para un puerto con RS-485
Seguidamente se describe la función de cada uno de los pines en un conector Sub-D
usado en comunicaciones seriales. Los sockets macho se usan en el DTE (Equipo Terminal
de Datos) o del lado del PC, mientras que los sockets hembra están en el DCE (Equipo de
Comunicación de Datos) o del lado del módem.
26
Tabla 2.5. Descripción de pines para puertos basados en el estándar RS-485
1
GND
Tierra Común
2
CTS+
Borrar al enviar +
3
RTS+
Listo para Enviar +
4
RXD+
Recepción de Datos +
5
RXD-
Recepción de Datos -
6
CTS-
Borrar al Enviar -
7
RTS
Request al Enviar
8
TXD+
Transmisión de Datos +
9
TXD-
Transmisión de Datos -
2.8.2.1 Especificaciones requeridas
•
Modo de operación Diferencial Full Duplex Multipunto.
•
Número permitido de transmisores y receptores 32 transmisores, 32 receptores.
•
Máxima longitud de cable 1200 m. a 100 Kbps, da la longitud máxima de alcance.
•
Máxima tasa de transmisión de datos 10 Mbps a 12 metros.
•
Rango mínimo de salida ±1.5V.
•
Rango máximo de salida ±5V.
•
Máxima corriente de salida de cortocircuito 250mA.
27
•
Rango de voltaje de entrada del receptor -7V a +12V.
•
Nivel lógico alto del receptor >200mV.
•
Nivel lógico bajo del receptor <200mV.
•
Conexión multipunto.
•
Alimentación única de +5V.
•
Rango de bus de -7V a +12V
2.8.2.2 Aplicaciones
•
RS-485 se usa frecuentemente en las UARTs para comunicaciones de datos de
poca velocidad en las cabinas de los aviones.
•
RS-485 se utiliza en la automatización de los edificios pues el cableado simple del
bus y la longitud de cable es larga por lo que son ideales para ensamblar los
dispositivos que se encuentran alejados.
2.8.3 Conectores RJ-45
La RJ-45 es una interfaz física comúnmente usada para conectar redes de cableado
estructurado, (categorías 4, 5, 5e y 6). Posee 8 pines o conexiones eléctricas, que
normalmente se usan como extremos de cables de par trenzado. Entre sus aplicaciones
comunes se encuentra su uso en cables de red Ethernet, donde normalmente se usan 8 pines
(4 pares). Otras aplicaciones incluyen terminaciones de teléfono (4 pines o 2 pares).
28
Figura 2.8. Conector RJ-45.
2.8.3.1 Conexión
Para que todos los cables funcionen en cualquier red, se sigue un estándar a la hora
de hacer las conexiones. Los dos extremos del cable llevan un conector RJ45. En un
conector macho (como el de la figura 2.8) el pin 8 corresponde al situado mas a la derecha
cuando se mira desde arriba (con la lengüeta en la parte inferior). En un conector hembra
(por ejemplo el de una roseta) el pin 1 corresponde al situado más a la izquierda.
2.9
Elementos que conforman la actual red de control de válvulas
A continuación se presentará cada una de las partes que forma el sistema de control
de actuadores que se encuentra en el Plantel La Garita, y al cual se pretende adicionar el
nuevo conjunto de actuadores. Estas partes se dividen básicamente en:
•
Sistema SCADA.
•
Controlador Lógico Programable ControlLogix 5561.
•
Sistema DDC-100.
29
•
Estación Maestra o Master Station II de Limitorque.
•
Conjunto de Actuadores Motorizados de Limitorque MX.
2.9.1 SCADA
SCADA proviene de las siglas Supervisory Control and Data Adquisition
(Supervisor de Control y Adquisición de Datos), consiste en una aplicación de software
para el control de la producción, que se comunica con los dispositivos de campo y controla
el proceso de forma automática desde la pantalla de un ordenador, proporcionando
proporciona información del proceso a diferentes usuarios como lo son los operadores,
supervisores de control de calidad, mantenimiento.
Entre las funciones principales de un sistema SCADA se encuentran:
•
Adquisición de datos para recoger, procesar y almacenar la información recibida.
•
Supervisión, para observar desde un monitor el comportamiento de las variables de
control.
•
Control, para modificar la evolución del proceso, actuando ya sea sobre los
reguladores autónomos básicos (consignas, alarmas, menús) o bien directamente
sobre el proceso mediante las salidas conectadas.
Por otra parte, se tienen funciones mas especificas como son:
•
Transmitir información con dispositivos de campo y otros PC.
•
Gestión de datos con bajos tiempos de acceso.
•
Representación grafica de los datos por medio de la interfaz del operador o HMI.
30
•
Explotación de los datos adquiridos para gestión de la calidad, control estadístico,
gestión de la producción y gestión administrativa y financiera.
El estado de los actuadores se muestra en el sistema SCADA y las operaciones
realizadas sobre estas se hacen normalmente desde las computadoras. Sólo se manejan dos
estados para los actuadores de las válvulas y estas son de encendido y apagado. También la
selección del modo de operación en modo local o en modo remoto se puede hacer por
medio del SCADA.
2.9.2 Controlador Lógico Programable AB Controllogix 5561
Posee las siguientes características:
•
Memoria de 2 MB.
•
1 puerto RS-232 serial.
•
Opciones de comunicación tales como Ethernet IP, ControlNet, DeviceNet, Data
Highway Plus, módulos remotos del tipo I/O.
•
Programación en escalera, texto estructurado, bloque de funciones y SFC.
•
Software de programación RSLogix 5000.
Figura 2.9. PLC ControlLogix 5561
31
Se describe brevemente las principales características de los
modos de
programación de dicho PLC:
2.9.2.1 Programación en Escalera
Básicamente se tienen instrucciones de entrada y salida, las cuales pueden estar
ramificadas ya sea en serie, paralelo, o en una mezcla de ambas.
Instrucciones de Entrada/Salida: Las instrucciones de entrada son para chequear,
comparar o examinar condiciones específicas en la máquina o proceso, mientras que las de
salida son para encender o apagar un dispositivo, copiar datos o calcular un valor.
Figura 2.10. Instrucciones de Entrada y Salida.
Ramificado: Se tienen dos o más instrucciones en paralelo.
Figura 2.11. Instrucciones Ramificadas.
32
Se puede escoger un nombre de etiqueta para cada operando, se siguen los
siguientes formatos.
Tabla 2.6. Nombre de etiqueta por operando
Para una
Especifica
Etiqueta
nombre_etiqueta
Numero de bit de un tipo de dato grande
nombre_etiqueta.numero_bit
Miembro de una estructura
nombre_etiqueta.numero_miembro
Elemento de un arreglo de una dimensión
nombre_etiqueta
Elemento de un arreglo de dos dimensiones
nombre_etiqueta
Elemento de un arreglo de tres dimensiones
nombre_etiqueta
Elemento de un arreglo con una estructura
Miembro de un elemento de un arreglo
Donde:
•
x es la localización del primer elemento en la primera dimensión.
•
y es la localización del elemento en la segunda dimensión.
•
z es la localización del elemento en la tercera dimensión.
33
2.9.2.2 Programación vía FBD (diagrama de bloque de función)
Para hacer más fácil la navegación a través de una rutina de bloque de función, se
divide la rutina en una serie de hojas.
•
Las hojas ayudan a organizar y encontrar los bloques de función, no afectan el
orden en que los bloques de función se ejecutan.
•
Cuando se ejecuta la rutina, todas las hojas se ejecutan.
•
En general se usa una hoja por cada dispositivo (motor, válvula, etc.).
Figura 2.12. Rutina de control de motores.
34
Figura 2.13. Elementos para control de dispositivos.
Para controlar un dispositivo, se usan los elementos que aparecen en la figura 2.13.
35
Tabla 2.7. Entrada o dispositivo según necesidad
Si se quiere
Entonces se usa
Suplir un valor de un dispositivo de entrada o etiqueta.
Entrada de referencia(IREF)
Enviar un valor a un dispositivo de salida o etiqueta.
Salida de referencia(OREF)
Interpretar la operación de un valor de entrada o valores y
Bloque de Función
producir un valor de salida o valores.
Transferencia de datos entre bloques de función cuando
Cable conector de salida (ICON) y cable
están.
conector de entrada (OCON).
•
Lejos en la misma hoja.
•
En la misma hoja y la misma rutina
Dispersar datos en diferentes puntos de la rutina.
Cable conector de salida y entrada simple.
El software RSLogix5000 determina automáticamente el orden de ejecución para
los bloques de función en una rutina cuando:
•
Verifica una rutina de bloque de función.
•
Verifica un proyecto que contiene una rutina de bloque de función.
•
Descarga un proyecto que contiene una rutina de bloque de función.
El orden de ejecución se define por el cableado de los bloques de función juntos
e indicando el flujo de datos de cualquiera de los cables de retroalimentación, si es
necesario. Si los bloques de función no están conectados juntos, no importa el orden de
cuál bloque se ejecuta primero, esto es porque no hay flujo de datos entre ellos.
36
En el caso de que se conecten secuencialmente, el orden de ejecución se mueve
de la entrada a la salida. La entrada de un bloque requiere datos para estar disponible
antes de que el controlador pueda ejecutar ese bloque
Para resolver un lazo, se crea un lazo de realimentación alrededor de un bloque, se
cablea de un pin de salida a un pin de entrada del mismo bloque, el lazo contiene un bloque
simple, de manera que el orden de ejecución no interesa.
Figura 2.14. Bloque de función retroalimentado.
2.9.2.3 Programación vía Carta de Función Secuencial (SFC)
Una carta de función secuencial es similar a un diagrama de flujo de un proceso,
define los pasos o estados a través de los cuales el sistema progresa. Se usa un SFC para:
•
Especificar la organización funcional para el sistema.
•
Programar y controlar el sistema mediante una serie de pasos.
Al usar un SFC para especificar un proceso se obtienen las siguientes ventajas:
37
•
Al ser el SFC una representación gráfica del proceso, es más fácil de organizar y
leer que una versión textual. Adicionalmente el software RSLogix5000 permite:
1. Agregar notas que clarifican los pasos o capturan información importante para
usarse más tarde.
2. Imprimir el SFC para intercambiar la información con otros individuos.
Se programa un sistema tal y como se especifica, al programar un SFC se obtienen
las siguientes ventajas:
1. División grafica del proceso en sus piezas lógicas mayores (pasos).
2. Ejecución repetida más rápida de las piezas individuales de la lógica.
3. Despliegue de pantalla más simple.
4. Tiempo reducido para diseñar y depurar un programa.
5. Resolución de problemas más rápida y fácil.
6. Acceso directo al punto de la lógica donde la máquina falló.
7. Fácil actualización.
2.9.2.4 Programación vía Texto Estructurado
El texto estructurado es un lenguaje de programación textual que usa sentencias
para definir que ejecutar.
•
El texto estructurado no es un caso sensitivo.
•
Usa tabs y retornos de carriage (líneas separadas) para hacer el texto estructurado
más fácil de leer. No tiene efecto en la ejecución del texto estructurado.
38
Entre las instrucciones que se encuentran en este modo de programación se
encuentran las siguientes:
•
Lógicas: AND, OR, XOR, NOT, True, False.
•
Control: IF, THEN, ELSE, ELSIF.
•
Comparación: >, <, =.
Estas son sólo algunas de las funciones que se pueden conseguir en este modo. Por
ejemplo supóngase que se desea controlar una bomba de la siguiente forma:
1. Si la temperatura de un tanque en específico es mayor a 100, la bomba debe ir
despacio.
2. Si es mayor a 200 debe ir rápido.
3. De lo contrario se debe mantener apagada.
La lógica es la siguiente:
IF tank.temp > 100 THEN
pump.fast:= 0; pump.slow:= 1; pump.off:= 0;
ELSIF tank.temp > 200 THEN
ELSE
39
Este PLC utiliza el software RSLogix 5000, con el cual se tiene la opción de
desplegar la documentación del proyecto, tales como la descripción de las banderas y los
comentarios de las condiciones para cualquier lenguaje localizado soportado. Se puede
almacenar la documentación del proyecto para múltiples lenguajes en un simple archivo de
proyecto. Se tiene la capacidad de definir todos los lenguajes localizados que el proyecto
soportado.
La documentación del proyecto que soporta múltiples traducciones incluye:
•
La descripción de los componentes en banderas, rutinas, programas, tipos de datos
definidos por el usuario, e instrucciones Add-On.
•
Fases de equipamiento.
•
Trenes.
•
Controladores.
•
Mensajes de alarma (en configuración de alarma analógica o digital).
•
Tareas.
•
Descripción de propiedades para módulos en el Organizador del Controlador.
•
Comentarios rung, cajas de texto SFC y cajas de texto FBD.
40
2.9.3 Sistema DDC-100
Este sistema tiene capacidad para controlar hasta 250 actuadores mediante un único
cable de par trenzado. La red de comunicación es redundante, y puede ser controlada por
muchos dispositivos de sala de control, como DCS, PLC.
Entre las ventajas que tiene este sistema están:
•
Reducción de costos. Los cables multiconductores son sustituidos por un único
cable de par trenzado, lo que redunda en un ahorro significativo en el costo de
cables, la instalación y la resolución de problemas de las conexiones. Además, los
I/O de la sala de control se puede reducir por una única conexión RS-232/RS-485.
•
Menor tiempo sin operación. La información referente a la válvula y al actuador
está disponible a través de la red DDC-100. Los problemas se pueden detectar,
analizar y corregir antes de que interrumpa un proceso.
•
Conectividad probada. El DDC-100 se interconecta perfectamente con los DCS y
PLC de los principales proveedores.
Las especificaciones para las unidades de campo son:
•
Comandos de apertura, parada y cierre.
•
Comandos ESD y Go to Position.
•
Mensajes de alarma y de status del actuador.
•
Retroalimentación del par de arranque.
•
Retroalimentación de la entrada analógica del usuario.
41
•
Dos canales de comunicación con aislamiento y protección de alto nivel contra la
sobretensión.
•
I/O digitales configurables.
•
Configuración no intrusiva mediante pantalla LCD y switches en el panel de
control.
Para la red de actuadores:
•
Completamente redundante y resistente a fallas.
•
Estándar eléctrico RS-485.
•
Protocolo estándar Modbus.
•
Comunicaciones de alta velocidad de hasta 19.2 Kbps.
•
Arquitectura de anillo o multipunto.
2.9.4 Estación Maestra II de Limitorque
La Estación Maestra II de Limitorque es la estación de control de MOVs más
cercana a la red de actuadores, básicamente interviene en el control ya sea por medio de
intervención directa del usuario sobre esta, o por la lógica que este asignada en ese
momento al PLC. Es un dispositivo capaz de manejar hasta 250 actuadores, ofrece
completa redundancia, provee una interfaz HMI fácil de usar y una alta velocidad de
transferencia de datos vía un puerto Modbus DCS o Modbus Ethernet. A parte de esto
puede ser usado para monitoreo del estado de la red desde cualquier estación remota
utilizando TCP/IP.
42
.
Figura 2.15. Estación Maestra II de Limitorque
Provee niveles de usuario, los cuales son: Vista, Control, Configuración.
En el modo de Vista, el usuario puede ver el estado de la red sin disponer de
funcionalidades de control o configuración. En el modo de control, el usuario tiene la
habilidad de controlar MOVs. Para el modo de configuración, se puede configurar la
estación maestra y la red.
2.9.4.1 Menú Principal
Desde aquí el usuario está restringido por su rol. Cada botón representa una región
lógica separada de la Estación Maestra.
Figura 2.16. Menú de pantalla principal
43
Se describe brevemente la función de cada una de las opciones disponibles en el
menú:
Configure: Configura la Estación Maestra y la Red.
Network Status: Vista de la red desde un alto nivel para detectar errores de comunicación.
Change Tags: Edita los nombres de las banderas asociados con cada válvula.
Hot Standby: Cambio sobre el CPU y cambia el estado de CPU de arranque.
View MOV Status: Vista detallada del estado detallado de cada MOV.
Logger: Activa el registro, para la red o el análisis de datos.
Control MOV: Controla la posición de cada MOV.
Emergency Shut Down: Inicia o borra una desconexión de emergencia de la red.
2.9.4.2 Panel de Conexiones de la Estación Maestra
A continuación se muestra cada una de las partes del panel de conexión de la
Estación Maestra, donde se tiene cableado tanto para la estación principal, como para la que
trabaja como respaldo.
44
Figura 2.17. Conexiones de la Estación Maestra
1. Puertos Ethernet, conectores RJ-45: Un puerto está designado para Modbus
Ethernet TCP/IP. El otro puerto es para el servidor web. Cualquier puerto puede ser
usado para cualquier función mientras estén conectados al mismo CPU.
2. Puerto de Impresora: Conector DB-9 hembra, puerto RS-232. Se usa para los
diagnósticos de la Estación Maestra.
Figura 2.18. Puerto de conexión de impresora.
45
3. Puerto DCS: Conector DB-9 hembra, el puerto puede ser RS-232 o RS-245 o RS485. Cada estándar eléctrico utiliza una convención diferente de cableado, como se
ilustra en la figura 2.19.
Figura 2.19. Puerto DCS, conexión varía de acuerdo al protocolo.
4. Conexión de potencia auxiliar de 24 VDC: La Estación Maestra puede
configurarse para una alimentación de 24 VDC. Esto requiere configurar los
jumpers dentro de la Estación Maestra para 24 VDC, no se deben utilizar 120 VAC
cuando se use 24 VDC de alimentación.
5. Switch de alimentación principal y conector para 120-240 VAC: No se usa
cuando se tiene una alimentación de 24 VDC.
6. Tierra Electrostática: Una tierra de buena calidad debe estar conectada a la
Estación Maestra, con una baja impedancia de al menos 5 Ω.
46
7. Switch de alimentación Hot Standby y conector para 120-240 VAC: No se usa
cuando se tiene una alimentación de 24 VDC.
8. Conexión auxiliar de 24 VDC del Hot Standby: Lo mismo que en el punto 4, solo
que para la unidad Hot Standby.
9. Puerto DCS del Hot Standby: Similar al punto 3.
10. Puerto de Impresora del Hot Standby: Similar al punto 2.
2.9.4.3 Requerimientos de Cableado de la Estación Maestra
El cable de red conecta las unidades de campo al controlador host o Estación
Maestra. Debe usarse cable de par trenzado y blindado Belden 3074F, 3105A o 9841. El
uso de otros cables puede ocasionar una reducción de las
distancias internodales o
incrementar la tasa de error, y es responsabilidad del usuario.
2.9.4.3.1
Especificaciones Belden 3074F
La longitud total del cable entre los repetidores o nodos con repetidores, por arriba
de los 19.2 kbps es de 1.52 Km (5000 pies). Para el modo de lazo esta es la longitud total
entre las unidades de operación de campo, si una unidad pierde energía, los reles internos a
la unidad conectan el canal A1 al canal A2, lo cual dobla efectivamente la longitud del
cable(asumiendo que una de las unidades de campo falla). Para asegurar la operación sin
las especificaciones en el caso de fallo de las unidades de campo esta consideración debe
tomarse en cuenta.
47
2.9.4.3.1.1 Especificaciones Clave
•
Resistencia/1000 ft = 18 AWG (7 x 26) 6.92 ohmios cada conductor (13.84 ohmios
por pareja).
•
Capacitancia/ft = 14 pF (conductor-a-conductor).
•
Capacitancia/ft = 14 pF (conductor-a-escudo).
2.9.4.3.2
Especificaciones 3105A
La diferencia con respecto a la del Belden 3074F es que la longitud total del cable
entre los repetidores o nodos con repetidores, por arriba de los 19.2 kbps es de 1.37 Km
(4500 pies).
•
Resistencia/1000 ft = 22 AWG (7 x 30) 14.7 ohmios cada conductor (29.4 ohmios por
pareja)
• Capacitancia/ft = 11.0 pF (conductor-a-conductor)
• Capacitancia/ft = 20.0 pF (conductor-a-escudo)
2.9.4.3.3
Especificaciones Belden 9841
La longitud total del cable entre los repetidores o nodos con repetidores, por arriba
de los 19.2 kbps es de 1 km.
48
• Resistencia/1000 ft = 24 AWG (7 x 32) 24 ohmios cada conductor (48 ohmios por
pareja)
• Capacitancia/ft = 12.8 pF (conductor-a-conductor)
• Capacitancia/ft = 23 pF (conductor-a-escudo)
2.9.4.4 Esquemático de la Red de Estación Maestra
La figura 2.19 muestra la forma básica en que se encuentran conectadas las MOV
a la Estación Maestra. Debe tomarse en cuenta el nivel y la polaridad de los datos de
conexión de la red para que puedan ser chequeados al medir el voltaje entre los datos y las
terminales de datos. Este voltaje debería ser mayor a los +200 mVDC con los puertos del
controlador de red desconectados. Por otra parte debe garantizarse una baja impedancia de
tierra en cada actuador, si esto no es así se deben buscar formas alternativas de protección
de tierra. La configuración de la red en cuestión es en anillo, salvo que tiene redundancia
por lo que al cortarse la comunicación con algún dispositivo, no se pierde con los demás a
menos que se corte en ambos sentidos.
49
Figura 2.20. Diagrama típico de una red de válvulas con su Estación Maestra
En este tipo de configuración cada dispositivo está conectado al siguiente y el
último está conectado al primero, por lo que la señal pasa a lo largo del anillo en una
dirección o de dispositivo a dispositivo, hasta que alcanza su destino. Cada dispositivo del
anillo tiene un receptor y un transmisor que hace la función de repetidor.
Es una arquitectura simple y fácil de implementar, pero tiene la desventaja de que
se tienen longitudes de canal limitadas conforme la red crece y se incrementa la lentitud
en la transferencia de datos.
2.9.5 Actuadores Eléctricos
Un actuador eléctrico es una máquina eléctrica que transforma la energía eléctrica
en energía mecánica con el fin de abrir, cerrar, posicionar o regular una válvula. De acuerdo
50
con su actuación pueden ser multivueltas o de giro de 90 grados, mientras que de acuerdo
a la tensión puede ser monofásico o trifásico.
Al seleccionar un actuador eléctrico se debe tener en cuenta
•
El tipo de válvula al que irá montado, multivueltas o de ¼ de vuelta.
•
El par de la válvula para elegir la potencia correcta.
•
La tensión de alimentación eléctrica.
•
El tiempo de maniobra. Es el tiempo que pasa el actuador al pasar de la posición
abierta a cerrada o viceversa.
•
La temperatura exterior y la del fluido que pasará por la válvula.
•
El acoplamiento entre la válvula y el actuador.
•
La zona donde va instalado, esta puede ser segura y se requiere que el motor sea
antideflagrante.
•
El grado de protección de la carcasa del motor.
•
Los accesorios que se requieran.
Entre las partes adicionales que debe incluir un actuador eléctrico están el mando
manual de emergencia, indicador de posición, limitador de par, posicionador, bloque de
seguridad, conectores. El motor normalmente es antideflagrante para ser instalado donde
no se puedan producir chispas.
2.9.5.1 Características de Control del actuador de Válvula
Es necesario comprender las características de funcionamiento de la válvula para
poder determinar los motores de los actuadores de las válvulas, los dispositivos de
51
protección del motor, los controles del motor y el cableado necesario. Básicamente existen
tres características que definen los requerimientos de la válvula, estos son:
•
Alto par de arranque.
•
Control de posición exacto.
•
Operación intermitente
2.9.5.2 Alto par de arranque
En la figura 2.21 se ilustra el comportamiento típico de las válvulas al graficar la
carga del motor en función del recorrido de la válvula, a partir de estos valores se observa
cómo el torque más alto ocurre cuando la válvula se encuentra cerrada. El torque dinámico
necesario para mover la válvula durante la mayor parte de su recorrido es menor. El alto
torque en la posición cerrada se atribuye en gran medida al asiento/desasiento del sello de
la válvula.
Figura 2.21. Características típicas de la válvula mariposa de bajo flujo, de bola y
tapón.
52
2.9.5.3 Control de posición exacto
Los actuadores eléctricos de válvula desenergizan automáticamente el motor para
controlar la posición de la válvula y el torque de salida, de manera que la posición final de
la válvula o torque depende en gran parte de la inercia del motor.
Figura 2.22. Características típicas de la válvula mariposa de bajo flujo, de bola y
tapón.
Por lo tanto, los motores que sean demasiado grandes para la válvula tendrán
demasiada inercia para la aplicación, por lo que será difícil regular la posición o el torque
final de la válvula como se indica en la figura 2.22. Para minimizar la inercia se selecciona
un motor con el chasis del menor tamaño que sea posible, pero lo suficientemente grande
como para producir el par de arranque suficiente.
53
Los requerimientos de funcionamiento de torque son relativamente bajos, en el
caso de Limitorque se considera que la mejor combinación de tamaños de chasis del motor
resulta en un tiempo de operación nominal de 15 minutos.
2.9.5.4 Operación intermitente
Las válvulas utilizadas para bloqueo o servicio por posición se utilizan en raras
ocasiones y el tiempo de recorrido de la válvula se limita por lo general a unos pocos
minutos. En la figura 2.23 se ilustran las características térmicas de un motor típico de un
actuador de válvula y muestra que el tiempo de operación nominal de 15 minutos es el
adecuado para la mayoría de las válvulas.
Figura 2.23. Características típicas de aumento de temperatura en motores de un
actuador de la válvula Limitorque
54
Las excepciones son las válvulas grandes de lento funcionamiento o válvulas que
deben ser operadas con frecuencia. Estas aplicaciones varían de acuerdo con la selección
que se haga del actuador.
Entre otros aspectos debe considerarse:
•
Protección térmica. El uso de aislamiento clase F y sensores térmicos integrados
dan al motor una protección contra la alta temperatura ambiente, alto torque de
arranque y sobrecarga potencial del motor.
•
Caja. Los diseños del motor del actuador son TENV (totalmente encerrados y sin
ventilación) para protegerlos contra las condiciones ambientales extremas. Todas
las cajas son adecuadas para los servicios NEMA 4 y NEMA 6 (IP 67 y 68) y
pueden ser XP(a prueba de explosión) si es necesario.
•
Tamaño del cable de la fuente de alimentación. El voltaje de los terminales del
actuador debe mantenerse dentro del 10% del valor nominal para que el motor
desarrolle el torque especificado. Esto es importante en las condiciones de arranque
y asentamiento que se aplican al inicio de las fases de apertura y asentamiento.
•
Interruptor de desconexión y dispositivos de protección contra sobrecarga. El
régimen nominal de estos dispositivos está sujeto a regulaciones nacionales o
locales, lo cual debe respetarse.
•
Sensor fin de carrera, para interrumpir la alimentación del motor y mandar la señal
de que el motor ha alcanzado la posición deseada.
55
2.10 Alimentación y Protección de los Actuadores
Entre los dispositivos que se encuentran en el Plantel la Garita para efectos de
alimentación eléctrica y protección se puede nombrar el breaker Merlin Gerin y el supresor
de transitorios.
2.10.1 Dispositivos Supresores de Transitorios de Voltaje
Son elementos de protección conectados entre los conductores activos y la
referencia cero, que puede ser el planeta tierra o la masa , para evitar la destrucción de los
equipos por sobrevoltajes y sobrecorrientes inducidos en las líneas de alimentación
eléctricas o líneas de comunicación por la presencia cercana de una descarga eléctrica
atmosférica o por impacto directo en las instalaciones, así como los producidos por
arranque y paro de motores, operaciones de motores, entre otros.
Figura 2.24. Ejemplo de un Transitorio de Voltaje
Se les
conoce
como supresores de pico, debido a que la
dispositivos es básicamente
la de
recortar los sobrevoltajes
acción de estos
transitorios que
se
presenten en los conductores alimentadores, drenando la corriente a tierra o masa en el
56
caso de los tipo paralelo o presentando una impedancia serie grande de modo que se abre
el circuito en el caso de los tipo serie. La Estación Maestra que se encuentra en el
Cuarto de Control de La Garita tiene supresores de transitorios en cada uno de los lazos
para prevenir que se interrumpa la
señal de control en caso de perturbaciones
atmosféricas o cualquier otra perturbación.
2.10.2 Interruptores Merlin Gerin
Figura 2.25. Interruptores para la alimentación de los actuadores
Son interruptores trifásicos con una capacidad de 16A, para un voltaje de
480V. Estos se encuentran el Tablero de Válvulas Motorizadas que está en el CCM.
Los actuadores eléctricos siempre se encuentran al voltaje de 480V que viene
del secundario del transformador, la operación de encendido se hace por medio de la señal
de control la cual es la que se encarga de cerrar el circuito y poner en operación los
actuadores.
57
CAPÍTULO 3. Especificaciones de los Actuadores Eléctricos
3.1 Especificaciones Técnicas de los Actuadores Eléctricos MOV
Los actuadores eléctricos en cuestión, independientemente del fabricante deberán
cumplir con las siguientes características:
•
Se debe suministrar con un volante para la operación local manual. Si se encuentra
operando en modo automático, deberá contar con un dispositivo para que no gire.
•
Debe ser capaz de operar al más menos 10% del voltaje especificado.
•
Selector de operación:
Manual (Local)
Automática (Remota)
Apagado ("Off")
Selector en Manual (Local):
Abrir ("Open")
Parar ("Stop")
Cerrar ("Close")
•
Debe indicar de manera local y continua la posición de la válvula, y además indicar
que el actuador se encuentra energizado.
•
Debe tener un mecanismo limitador del torque para apertura como para cierre, que
permita señalización continua y remota del torque de operación.
58
•
Los interruptores límites de posición de carrera y torque y sus engranajes asociados
deben ser parte integral del actuador. Los contactos de los límites de posición deben
ser para servicio industrial o pesado ("heavy duty").
•
El actuador debe garantizar los ajustes de torque y final de carrera, sin exponer al
ambiente cualquier elemento de control.
•
El actuador debe garantizar el giro correcto del motor independientemente de su
secuencia de conexionado trifásico.
•
El motor del actuador debe contar con las siguientes protecciones.
•
Protección contra válvula atascada: Si el actuador detecta un exceso de torque
cuando intenta abrir o cerrar una válvula, procede a interrumpir momentáneamente
su operación y revierte su sentido de giro.
•
Inversión Instantánea de Giro: Permite invertir el sentido de giro de la válvula sin
necesidad de detener la válvula tanto en operación local como remota.
•
Protección contra Alta Temperatura: Se hace por medio de un sensor que está
conectado al devanado del motor. Al haber un exceso de temperatura en el motor,
este se detiene hasta que retorne a su temperatura nominal.
•
Pérdida de fase: Debe contar con un dispositivo que detecte la pérdida de una fase
e imposibilite la operación del motor para prevenir daños a este.
•
Corrección de una Fase: Debe venir con un circuito corrector de fase para corregir
las fallas de rotación del motor debidas a un alambrado incorrecto.
El actuador debe generar alarmas para los siguientes casos:
•
Si no está disponible para operación remota.
59
•
Pérdida de una fase.
•
Ausencia de tensión en la alimentación trifásica.
•
Válvula atascada.
•
Si se ha disparado el interruptor de límite de torque en la posición de abierto.
•
Recorrido incompleto de la válvula.
•
Interruptor selector en posición diferente a la de Remoto.
El actuador debe tener la capacidad de llevar la válvula a una posición segura
ante un comando de emergencia ("ESD"), el cual tiene prioridad sobre cualquier otro,
con lo que se deberán inhibir todas las demás protecciones.
Deberá incluir una tarjeta compatible con Modbus, para poder comunicarse con
la Estación Maestra que permita mando y señalización remota mediante el sistema de
dos hilos.
En el caso de la red, esta deberá ser capaz de seguir operando aun en la
presencia de una falla sencilla en el cableado (abierto, corto o aterrizado), por lo que no
debe perder la capacidad de comunicarse y controlar cualquier unidad que esté
conectada en ese momento. De la misma manera la pérdida de la alimentación de
alguno de los actuadores no causará pérdida de comunicación o control de la red.
El actuador debe ser una unidad compacta que garantice una operación
confiable, libre de mantenimiento para operar en ambientes húmedos, corrosivos y/o
áreas clasificadas del tipo Clase I, División 1 o 2, Grupo D con motor para operación
a 3 fases, 480V, 60 Hz. El motor debe ser específicamente diseñado para operación de
actuadores de válvulas, de alto torque de arranque y baja inercia.
60
La electrónica de los actuadores debe ser totalmente de estado sólido y estar
de acuerdo con las últimas tecnologías.
El motor debe ser una parte independiente del actuador, que permita cambios en
la caja de engranajes sin necesidad de desarmar el actuador para variar la velocidad de
operación, si se requiere en el futuro. El motor debe tener protección contra sobrecarga
y un sistema de calefacción para evitar condensación. Debe incluir igualmente el
arrancador e inversor y su control.
La caja de engranajes debe tener un sistema de lubricación adecuado para este
mecanismo. La carcasa del actuador debe permitir el chequeo de la lubricación y la
reposición del lubricante en caso de ser necesario.
Cuando se requiera una caja de engranaje, el proveedor debe suministrar el
ensamble y el tipo, de acuerdo con los requerimientos del tipo y dimensión de la
válvula.
Las conexiones eléctricas deben estar completamente identificadas. No es
admitido el uso de conexiones rápidas de cable entorchado en capsula ni soldados a
regletas. Se
considera
conveniente
que
el
actuador
tenga las separaciones
respectivas para la electrónica, los elementos de control y mecánicos y por a parte la
de las conexiones de fuerza.
Cada actuador debe ser rotulado permanentemente, usando una placa de acero
inoxidable 304 SS que tenga grabada en forma indeleble la siguiente información como
mínimo.
a) Fabricante, modelo, número de serie, condiciones de diseño,
identificación para el actuador y la válvula.
61
b) La placa del actuador debe llevar también información relativa a la
potencia, velocidad del conjunto válvula-motor, torque, voltaje y
frecuencia de la alimentación eléctrica.
Los actuadores deben dimensionarse para abrir o cerrar una válvula de esfera
con una presión
diferencial
de hasta 3.45 bar(50 p.s.i) , estas son de de 14 x 12
pulgadas y de 14 pulgadas para el peor de los casos. Para el dimensionamiento,
deberán tomarse en cuenta los tiempos de apertura y cierre, ya que las válvulas de los
manifold, especialmente las de ventas requieren cerrar en tiempos muy cortos.
El proponente debe entregar junto a la cotización la especificación y los cálculos
de los actuadores seleccionados incluyendo asi mismo: máximo torque rateado y
permisible necesario para abrir y cerrar la válvula a condiciones de operación, el
torque del actuador ofrecido debe ser como mínimo 1.5 veces el torque requerido
por la válvula a la máxima presión diferencial permisible de trabajo.
El proponente debe incluir junto a la cotización el costo de los dibujos y
manuales que se requieran para el montaje, calibración, operación y mantenimiento de
los equipos ofrecidos.
De la misma forma, debe entregarse junto con la cotización información
completa sobre el equipo ofrecido, incluyendo catálogos y descripciones técnicas
para demostrar que cumple con la presente especificación.
El proponente debe entregar los cálculos de los tiempos de actualización
de
la información del estado de las válvulas, en el CLP y los tiempos para emitir
comandos a las válvulas, para la velocidad de comunicación en que va a trabajar
el sistema.
62
3.2
Lista de Marcas
La siguiente lista de marcas corresponde a aquellas con las que ha trabajado
Recope y que se encuentran en Costa Rica, se adjunta el nombre de su respectivo
distribuidor.
Tabla 3.1. Proveedores en Costa Rica de los Actuadores.
3.3
Marca
Distribuidor
Limitorque
P.I.S.E.S.A
RotorK
Equipos Industriales Omega
Precios de los Equipos
El precio de los equipos toma como referencia a la marca Limitorque, está basado
en una visita previa que se hizo al Plantel La Garita, la misma incluye el costo de
los actuadores y de la nueva Estación Maestra a instalar, así como los costos de
cableado eléctrico y puesta en marcha de los equipos. Se hacen ajustes al
precio
original dado por la empresa ya que en la cotización original se había una incluido un
actuador de más, aparte de esto se toma en consideración estimaciones del tipo de
cambio y el tiempo promedio en que tarda en aprobarse un proyecto de este tamaño.
63
Tabla 3.2. Cotización de los Actuadores Eléctricos a instalar.
Descripción
Precio
Total ($)
Red de Actuadores Limitorque para automatización de 2 múltiples de válvulas,
218.940,00
incluye:
1. Actuador Accutronix MX para válvula de 14" de bola trunnion SKVAL Neles
Jamesbury, clase ANSI 150. Cantidad 15. Características: Unidad a prueba de
explosiones (FM CSA), comunicación Modbus DDC, control local no intrusiva con
pantalla LCD, caja reductora PTC.
2.
Ingeniería.
3.
Equipo y materiales.
4. Instalación mecánica, eléctrica y de comunicaciones por personal certificado de
Limitorque.
Estación Maestra de Control
MSII, con sistema de respaldo redundante,
comunicación Modbus y Ethernet. Suministro incluye:
46.050,00
1. Ingeniería.
2. Equipos y materiales.
3. Instalación mecánica, eléctrica y de comunicaciones por personal certificado de
Limitorque.
4. Configuración de actuadores y Estación Maestra.
5. Puesta en marcha del sistema.
El precio total
de este Proyecto con el impuesto de Ventas agregado es de
$299.438,70. La instalación mencionada no incluye el costo de obra civil y zanjeo de cables
de potencia y control.
64
3.4
Estimación del Torque
Para la estimación del torque requerido, dado que no se tenían datos de la marca
SKVAL y no había datos de torque de las Neles-Jamesbury, se usa de referencia los
valores indicados en las hojas del fabricante de otras marcas. Como resultado de esto lo
que se brinda es un estimado del torque que deberá tener el actuador, el cual se obtiene a
partir de las condiciones dadas a continuación, como práctica de diseño para el
dimensionamiento de los actuadores se agregó un factor de seguridad de 1.5.
Datos de placa:
CLASE ANSI 150, presión máxima 285 p.s.i. y diámetro de las válvulas 14".
Diámetro del vástago 1". Tomado de las hojas del fabricante Neles-Jamesbury
Datos de Operación:
Presiones menores a los 50 p.s.i. Consultado a los operadores del Plantel La Garita.
Con estos valores y tomando como referencia las curvas de las Jamesbury de las
series 5000 y 7000, se tuvo que para 14" un valor de 1000 lb-ft = 12000 lb-in
Ahora al aplicar un factor de seguridad de 1.5 se obtiene un valor de 18000
lb-in. Al comparar este valor con el torque de otros fabricantes, por ejemplo con las
válvulas de la marca CAMERON se tiene que el torque máximo es de 18879 lb-in. (sin
factor).
Los torques en cuestión son para la presión diferencial máxima, para
Neles-Jamesbury no hay
expresión
las
matemática encontrada, pero para la marca
CAMERON sí la hay, adaptando este valor a la presión diferencial máxima a la que se
encuentran las válvulas del Plantel la Garita
65
13535 + 18.75 • P , con P = 50 p.s.i, se obtuvo 14472 p.s.i y con el factor de
seguridad de 1.5 se llegó finalmente a 21708.75 lb-in.
3.5
Actuador requerido
Con el valor de torque encontrado se estima el actuador requerido. La serie MX se
usa como referencia, aunque esto no es ninguna limitante para que se pueda usar otro
actuador, dado que el voltaje nominal que hay en el tablero de Válvulas Motorizadas
del Plantel es a 480V, y basado en el documento "Motor Performance Data for MX and
L120 Electric Actuators" se usa el MX-140 con torque de salida de 85 lb-ft o 1020 lb-in,
el cual es el actuador que ofrece el torque más alto de la serie, al ser insuficiente este valor
se requiere un reductor de velocidad del tipo PT que es el recomendado por Limitorque
para obtener valores altos de torque (ver "Comercial worm gear operators optimized for
electric valve actuators"). Con un PT18 se tiene un torque de salida de 21600 lb-in, el cual
es ligeramente más bajo que el calculado, se toma el PTC-32 que da un torque de salida
máximo más alto, pero puede ajustarse para dar el torque requerido.
Figura 3.1. Caja reductora PT
66
CAPITULO 4: Conclusiones y recomendaciones
•
Automatizar los procesos conlleva a una disminución de costos de operación y
mantenimiento por lo que siempre es deseable.
•
Es necesario tener bien identificadas la clasificación de áreas de los equipos,
especialmente en el caso de una empresa como RECOPE, en la que se manejan
combustibles altamente inflamables. Una mala
clasificación de áreas puede
terminar en un incendio y explosión, o en el peor caso en daños a personas
y a la instalación.
•
El control basado en actuadores motorizados es importante en el enrutamiento de
combustible para poder llevar un manejo más eficiente de los inventarios y
prevenir errores de usuario que lleven a problemas de contaminación del
producto.
•
Se deben tener sistemas de protección adecuados para los actuadores eléctricos,
la red maestra y demás
elementos de la red. El sistema de protección más
importante de la Estación Maestra lo constituye el supresor de transitorios para cada
uno de los lazos de la red y la puesta a tierra. Para los actuadores eléctricos la
puesta a tierra del chasis de los motores.
•
En cuanto a los protocolos debe existir compatibilidad entre el protocolo actual que
es Modbus y el protocolo que usarán los nuevos actuadores, si esto no se hace la
comunicación nunca va a funcionar por lo que se hace necesario un traductor.
•
Por otra parte el protocolo es el que realmente define la forma en que se
procesa la información, la integración del sistema y el almacenamiento de datos
del proceso de manera remota.
•
Los diseños deben apegarse en materia de norma a los que se rige RECOPE.
67
•
Debe brindarse la capacitación adecuada a los operadores para los nuevos
equipos, en el caso de que sea de Limitorque esta capacitación no
necesaria.
68
será
BIBLIOGRAFÍA
Artículos de revistas:
1. RECOPE. Especificación e Instrumentación Actuadores Eléctricos de Válvulas y su
Control. Documento No: GG-IS-208.
Páginas web:
2. Murcia Barba, José Manuel. “PUERTO SERIE RS-232”.
www.depeca.uah.es/alcabot/seminario2006/Trabajos/JoseManuelMurciaBarba.pdf
3. Murcia Barba, José Manuel. “Válvulas Instrumentación y Control”.
http://www.monografias.com/trabajos11/valvus/valvus.shtml
4. Murcia Barba, José Manuel. “Válvulas Instrumentación y Control”.
http://www.monografias.com/trabajos11/valvus/valvus.shtml
5. Manny Soltero, Jhing Zang, and Chris Cockrill. “422 and 485 Standards
Overview and Systems Configuration”.
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6. Manny Soltero, Jhing Zang, and Chris Cockrill. “422 and 485 Standards
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69
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9. Rockwell Automation. “Logix5000 Controllers Structured Text”.
literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/pm/1756-pm007_en-p.pdf
10. Rockwell Automation. “Logix5000 Controllers Sequential Function Charts”.
samplecode.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/pm/1756-pm006_en-p.pdf
11. Rockwell Automation. “Logix5000 Controllers”.
http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/qs/1756-qs001_en-p.pdf
12. Flowserve Limitorque Actuation Systems. “Características de protección, control
y monitoreo de los actuadores eléctricos”.
www.flowserve.com/files/Files/Literature/ProductLiterature/FlowControl/Limitorque/L
MLBR1300-00.pdf
13. Flowserve Limitorque Actuation Systems. “DDC-100 Master Station Installation
and Operation Manual”.
www.flowserve.com/files/Files/Literature/Products/Flowcontrol/Limitorque/LMAIM5001.
pdf
70
14. Flowserve Limitorque MX and L120 Series. “Motor Performance Data for MX
and L120 Electric Actuators”.
www.flowserve.com/vgnfiles/Files/Literature/ProductLiterature/FlowControl/Limitorque/L
MENPS2331-00.pdf
15. Alex García Figueras. “El porqué de las Válvulas”.
www.saidi.es/PDF/El%20porque%20de%20las%20valvulas.pdf
16. CAMERON. “370D4 Trunnion Ball Valves”.
www.cefranklin.com/.../pdfs/WKM_370CATALOGUEpdf.pdf
17. Limitorque Actuation Systems. “Commercial worm gear operators optimized for
electric valve actuators”.
www.acrodyne.com.au/wp-content/uploads/.../pt_gearbox1.pdf
71
ANEXOS
Características de las Válvulas Encontradas
A continuación se presenta una serie de tablas que recopilan las principales
características referentes a propiedades tales como composición
química, niveles de
presión y temperatura para las válvulas encontradas en los manifold existentes en el Plantel
La Garita.
Tabla A.1. Comparación de Materiales para productos fundidos y forjados.
Clasificación General
Acero al Carbón
FUNDIDOS
FORJADOS
ASTM
BS
ASTM
BS
A216 - WCB 1504 - B A105
1503 - 161C
Tabla A.2. Composición de materiales para material fundido.
Tipo de Elementos
Designación
ASTM y Nota
Identificación
A216
WCB
Porcentaje de
Elementos
Carbono
Manganeso
Fósforo
Sulfuro
Silicio
Cobre
Niquel
Cromo
Molibdeno
Vanadio
Tungsteno
0.30
1.00
0.04
0.045
0.60
0.30
0.50
0.50
0.20
0.03
72
Tabla A.3. Niveles de Temperatura-Presión Clase ASME B16.34-Clase Estándar
ASTM A216 Gr. WCB
TEMPERATURA Clase 150
°F
-20 to 100
200
285
260
300
400
230
200
500
600
650
700
750
800
850
900
950
1000
170
140
125
110
95
80
65
50
35
20
Tabla A.4. Limite de Temperatura del material de la válvula
MATERIAL DEL CUERPO DE
MAS BAJO (0F)
MAS ALTO
(0F)
LA VALVULA
-20
Acero al Carbón - Grade
1000
WCB
Aplicaciones no corrosivas, incluye agua, aceite y gases a temperaturas entre los 20°F (-30°C) y los 800°F (425°C).
73
Figura A.1. Caja de Conexión Tipo 3
74
APÉNDICES
En este apartado se incluyeron los planos elaborados en este proyecto, estos planos
son ficticios ya que el Proyecto de Automatización de estos múltiples se redujo a sólo
automatizar las líneas de recibo (un total de 5 válvulas). No obstante los planos aquí
presentes pueden servir de guía para un proyecto futuro.
Enrutamiento para Señales de Potencia y Control
75
Diagrama de Lazo Red de Actuadores Eléctricos
Estación Maestra YV-001
76
Diagrama de Lazo Red de Actuadores Eléctricos
Estación Maestra YV-002
77
Diagrama de Tuberías e Instrumentación de Tanques de Diesel y Gasolina
78

Informe - Escuela de Ingeniería Eléctrica

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