Guía para la especificación, diseño e instalación de un sistema de automatización y control Tercera parte

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1 Lo siguiente es una serie de la revista Automation Notebook de AutomationDirect la cual servirá como una guía general para la especificación, diseño e instalación de sistemas automatizados de control, en este mes te presentamos la tercera parte de esta guía. Guía para la especificación, diseño e instalación de un sistema de automatización y control Tercera parte Parte 3: Diseño En la Parte 2, cubrimos cómo especificar los diferentes dispositivos necesarios para la interconexión y el control de los equipos eléctricos en un sistema automatizado de control. En la Parte 3, vamos a cubrir los pasos necesarios para diseñar nuestro sistema de control automatizado. Los temas de diseño incluirán la planificación mediante la definición de nuestra secuencia de operación, la creación de un esquema con los dispositivos mostrados en una orden de alta tensión a baja tensión, esquema de diseño de entrada a salida, diseño del panel, diagramas de cableado, lista de materiales, herramientas de software para el diseño de nuestro documento, opciones entre el uso de relés cableados frente a un PLC con programación, etc. Como se indica en los artículos anteriores, los conocimientos especiales son generalmente necesarios para diseñar, conectar, instalar y operar los sistemas industriales de control de automatización. Las personas sin experiencia como guía no deben tratar los sistemas de control, pero deberían tratar de conseguir los servicios de un integrador de sistemas calificado. Los sistemas de control pueden fallar y pueden dar lugar a situaciones que pueden causar lesiones graves al personal o daños al equipo. La información proporcionada en esta serie de artículos se proporciona "como es" sin una garantía.

2 Diseño El diseño de nuestro sistema de control será en forma de una tarea de documentación. El reto será obtener nuestras especificaciones de diseño en papel para que puedan ser fácilmente entendidas. Es importante que cualquier persona pueda ver nuestros documentos en el futuro y sea capaz de interpretar la información. Algo útil para nosotros en este paso será cualquier nota y lista que se desarrollaron durante la "identificación" y "especificación" de las fases de nuestro sistema de control automatizado. Secuencia de operación En la mayoría de los casos, el primer paso en el diseño de nuestro sistema de control será definir el proceso o acciones para llevar a cabo, a través de una descripción de "secuencia de operaciones". La secuencia debe mostrar o listar cada paso de operación en nuestro proceso. Nuestra aplicación en particular puede ser más adecuada al uso de un diagrama de flujo que muestre la secuencia de operación por medio de los pasos de toma de decisiones y acciones que deben llevarse a cabo. La figura 1 muestra un ejemplo parcial de un diagrama de flujo. Un diagrama de flujo puede ser desarrollado con papel cuadriculado y un lápiz, o un programa de software de aplicaciones como Microsoft Visio. El programa de software Microsoft Word tiene una herramienta integrada de dibujo que contiene los símbolos del diagrama de flujo. (Figura 1)

3 En algunos casos, la aplicación puede ser más adecuada al uso de una tabla de tiempos, en la cual cada estado y evento está graficado en una relación de tiempo para cada uno, como se muestra en la Figura 2. Una vez que tenemos una secuencia de operación desarrollada y una lista de nuestros dispositivos de entrada y salida, podemos determinar si nuestro sistema de control automatizado es el más adecuado para cableado lógico de relé o puede beneficiarse de un PLC1. Un PLC puede ser rentable cuando se usa en un lugar de sólo media docena de relés industriales y un par de temporizadores electrónicos. Eso añade la flexibilidad de hacer cambios futuros "lógicos" sin el trabajo de hacer cambios en el cableado. Esquemático (Figura 2) El siguiente paso en nuestro diseño es el desarrollo de un esquemático. La mayoría de los diseñadores eléctricos e ingenieros definen un esquemático como un dibujo que muestra el cableado lógico de un sistema de control automatizado. Un esquemático de control se dibuja normalmente en forma de una escalera, mostrando las diversas condiciones de cableado. Esta analogía de una escalera es en la cual se basaba la lógica de escalera del PLC. Eso hace la transición a la lógica de escalera del PLC más fácil para los ingenieros y electricistas, ya que estaban acostumbrados a la solución de problemas de sistemas de control de relé cableados mostrados en forma de escalera. Es una práctica normal, como se muestra en la Figura 3, para mostrar los dispositivos de tipo entrada en el lado izquierdo de los dibujos y los dispositivos de salida en el lado derecho. Por ejemplo, los símbolos de los dispositivos de protección (fusibles), los contactos y elementos de sobrecarga del relé se muestran a la izquierda, mientras que el símbolo para el motor se muestra a la derecha. El esquemático debe comenzar con el ingreso de energía, incluidos los dispositivos de protección tales como interruptores y/o fusibles. Nuestro diseño debe mostrar la distribución de poder AC e incluir todos los circuitos y dispositivos necesarios conformes con el Código Eléctrico Nacional (NEC )2 y todos los códigos locales que se podrían aplicar en nuestra área.

4 (Figura 3) Es una práctica normal el mostrar todos los dispositivos de alto voltaje, tales como motores 3 fases, equipos auxiliares 480 ó 240 VAC, etc, en esta primera parte del esquemático. A continuación, mostraremos un transformador de potencia de control utilizado para gestionar la mayor tensión de entrada hasta nuestro voltaje del sistema de control (115 VAC). Nuestro voltaje de control puede ser algo más que 115 VAC; por ejemplo, podríamos tener un voltaje de control de 24 VDC, el cual es común en muchos dispositivos de control eléctrico. El transformador de control debe ser especificado (escala VA) basado en nuestra carga conocida o calculada de los dispositivos que serán alimentados a través del transformador de nuestro sistema de control automatizado. En este punto en nuestro esquemático, tenemos que buscar estrategias del dispositivo cableado de aislamiento. Los PLCs proporcionan un aislamiento ideal, ya que su circuito está dividido en tres regiones separadas por límites de aislamiento como se muestra en la Figura 4. La fuente de alimentación principal del PLC incluye un transformador que proporciona el aislamiento y los circuitos de entrada y de salida que utilizan optoacopladores para proporcionar aislamiento adicional. Cuando conectamos un PLC, es muy importante evitar hacer conexiones externas que conecten los circuitos lógicos de un lado a otro.

5 (Figura 4) El aislamiento eléctrico ofrece seguridad, por lo que una falla en cierta área no daña otra. Utilizando como referencia la Figura 5, vemos un transformador que proporciona aislamiento magnético entre sus lados principales (alto voltaje) y secundarios (voltaje de control). Un filtro powerline proporciona aislamiento entre la fuente de control de poder y los dispositivos electrónicos. La Figura 5 muestra también algunas sugerencias generales para el dispositivo de conexión a tierra y la distribución del poder de control a varios dispositivos, junto con la fusión individual de estos dispositivos. La adecuada conexión a tierra es una de las cosas más importantes en un buen diseño de sistema de control automatizado. La mayor cantidad de detalles que podemos mostrar en el esquemático para reflejar todos los puntos que se necesitan para estar conectados a tierra, la mejor oportunidad que tenemos de un sistema de control conectado a tierra apropiadamente es que nos proporcione seguridad y funcionalidad.

6 (Figura 5) Por qué es importante la conexión a tierra? Instrumentación electrónica como PLCs y dispositivos de E/S está generalmente rodeada de varios tipos de dispositivos electrónicos y cables. Estos dispositivos electrónicos pueden incluir las fuentes de alimentación, señales de entrada/salida de otros instrumentos, e incluso dispositivos que están cerca del recinto de instrumentación. Todos estos pueden presentar un riesgo de interferencia electromagnética (EMI) o interferencia transitoria. Este tipo de interferencia puede causar una falla o un funcionamiento errático del dispositivo. Debemos considerar el uso de un segundo transformador de la fuente de poder AC a los suministros de poder DC. Los circuitos de entrada deben ser utilizados para aislar los circuitos de salida y evitar la tensión de los transitorios de salida (puntas) de ser inducidos en los circuitos de entrada. En algunos casos, puede ser necesario utilizar un transformador de voltaje constante para estabilizar la fuente de poder entrante AC abasteciendo el PLC para minimizar las paradas debido a subidas, reducción o caídas de tensión. Cuando se utiliza un transformador de voltaje constante para alimentar un PLC, los sensores

7 conectados a las entradas del PLC deben utilizar la misma fuente de poder. De lo contrario, la fuente de tensión AC puede bajar tanto para hacer inexactos los datos de entrada. Además, el uso de un transformador de aislamiento, por ejemplo 115 VAC primario a 115 VAC secundario, puede proveer una supresión adicional de la EMI de otros equipos. Transformadores de aislamiento deben ser utilizados cerca de equipos que produzcan ruido eléctrico excesivo. Si se requiere alimentación DC en nuestro sistema de control, tenemos que calcular el peor de los casos de amperaje (la carga) de todos los dispositivos que se alimentarán del suministro DC. También tenemos que ver la cantidad de "ondulación" que pueden tolerar los dispositivos siendo alimentados y seleccionar un suministro de poder DC que pueda cumplir con los requisitos más exigentes. La ondulación es la amplitud del componente AC que se apoya en la señal de voltaje DC. Una clasificación típica para la mayoría de aplicaciones con sensores de potencia DC sería de 100 mv pico a pico. También es una buena idea para duplicar la capacidad de amperaje calculado del suministro de poder DC. Esto es especialmente importante si nuestro sistema de control necesita para satisfacer Underwriters Laboratories, Inc. (UL) 3 508A. La siguiente sección de nuestro esquemático mostrará los dispositivos cableados que están alimentados de nuestro voltaje de control (115 VAC). Si nuestra "lógica" de control se basa en relés cableados, aquí es donde mostraríamos las conexiones de cableado, junto con los dispositivos normales de poder 115 VCA, tales como suministros de poder DC, poder 115 VCA a suministros de poder PLC, dispositivos auxiliares, etc. La Figura 6 es un ejemplo parcial de la sección cableada de nuestro esquemático. (Figura 6) Este es un buen momento para hablar de la supresión de sobretensión. Los dispositivos de supresión de sobretensiones son un componente importante en el logro de un sistema de distribución de energía confiable. Estos dispositivos protegen los componentes electrónicos de repentinas subidas de tensión que pueden causar daños considerables. Dispositivos de carga inductiva (dispositivos con una bobina) generan voltajes transitorios sin corriente con un contacto de relé. Cuando un contacto del relé se cierra, "rebota", el cual activa y desactiva la bobina hasta que el "rebote" se detiene. Los voltajes transitorios generados son mucho más grandes en amplitud que el voltaje suministrado, sobre todo con una fuente DC.

8 Si se utiliza un PLC, la sección final de nuestro esquemático mostrará los módulos de entrada y salida. La Figura 7 es un ejemplo de la instalación eléctrica de un módulo de entrada. Haremos uso de la numeración de líneas de referencia y, en la mayoría de los casos, se mostrarían primero todos los módulos de entrada, luego los módulos de salida. Si tenemos E/S analógicas, nos gustaría mostrar las entradas analógicas, las salidas analógicas, y, finalmente, nuestras entradas y salidas discretas. Generalmente utilizamos una hoja de nuestro esquemático para mostrar cada módulo. Diseño de panel (Figura 7) Una vez que hemos finalizado nuestro esquemático, el siguiente paso es un dibujo del diseño de panel. En la mayoría de los casos, el panel actual se conoce como un subpanel. Podemos montar todos los componentes en una estructura (el subpanel), conectar todos los componentes, y hacer esto antes de montar el subpanel en la caja del sistema de control. El dibujo del diseño de panel se debe hacer a escala y debe incluir las dimensiones para el constructor de panel a seguir cuando se recuperen los componentes. Se debe prestar especial atención a la ubicación y espacio del componente. Tenemos que seguir las distancias y aclaraciones de montaje recomendadas por el fabricante. La Figura 8 es un ejemplo parcial de un dibujo del diseño de panel.

9 (Figura 8) Los dispositivos de alto voltaje (las que operan a 240/480 VAC) deben ser montados hacia la parte superior del panel, manteniendo la mayor distancia posible entre los dispositivos de alto voltaje y los dispositivos electrónicos, tales como PLC, suministros de poder DC, temporizadores electrónicos, etc. Mantener los dispositivos de alto voltaje en la parte superior nos permite cubrir todos los dispositivos de alto voltaje con un escudo de seguridad no conductor para la seguridad del personal. Eso mantiene los dispositivos de bajo voltaje de forma conjunta, permitiendo el acceso a las terminales de cableado que ayudarán en la solución de problemas de nuestro sistema de control. En algunos casos, una partición de metal entre la sección de alta tensión de nuestro panel de control y los dispositivos electrónicos sensibles puede actuar como un escudo contra cualquier EMI generado por los dispositivos de alto voltaje. En nuestro diseño del panel, es necesario incluir conductos de cables entre los distintos componentes. El conducto de cables simplifica la ruta de cables entre los componentes, mantiene los cables en su lugar, hace más fácil el trabajar con los cables, y da al panel una vista organizada. También debemos hacer uso de bloques de terminales en nuestro diseño. Los bloques de terminales pueden ser de tamaño, organizados e incluso codificados en colores para manejar los diferentes tipos de señales que entran y salen de nuestro panel de control. Podemos optar por usar el negro para alta tensión, rojo para las entradas, violeta para las salidas, etc. Debemos tratar de localizar los bloques de terminales que proporcionan la mejor ruta de cables de los componentes a los bloques de terminales. Los bloques de terminales también hacen conveniente para el electricista poner fin a su cableado de campo cuando la caja de control está instalada. Nuestro diseño debe incluir la selección del recinto que albergará a nuestro sistema de control. Tenemos que considerar el entorno donde se encontrará el recinto. Al aire libre? En el interior? Requiere lavado? Consulte la sección de recintos en la parte 2 de esta serie de artículos para referencias al Código Eléctrico Nacional (NEC)2 de la NFPA, la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA) 4, OSHA5, y una lista de elementos a considerar al seleccionar un recinto. Lista de materiales La lista de materiales (BOM) debe enumerar cada componente de nuestro sistema de control automatizado, la cantidad de cada componente, cualquier designación o "marcas" que nos permiten identificar fácilmente el componente en nuestro esquemático, una descripción del componente, y su

10 número de parte. También tenemos comentarios u observaciones sobre el componente que va a ayudar al constructor de panel a saber lo que hay que hacer cuando el panel de control se está realizando. La Figura 9 es un pequeño ejemplo de una lista de materiales. (Figura 9) La lista de materiales puede ser en forma de una tabla dibujada en una de las hojas, junto con el esquemático y el diseño de panel. También se puede hacer como una hoja de cálculo, lo que permitiría fácil indización y referencia en el futuro. Diagrama de cableado Un diagrama de cableado, a veces denominado como un diagrama de interconexión, se utiliza principalmente para la instalación por el electricista para el enrutamiento y terminación de las conexiones entre los diversos dispositivos y recintos en el sistema de control. La Figura 10 es un buen ejemplo de un diagrama de cableado. Debe incluir todos los gabinetes o recintos de control, todos los dispositivos externos que están conectados a los recintos de control, cajas de conexión, conductos, cables aéreos, etc. El diagrama de cableado por lo general incluye tamaños de conducto, distancias, el número de conductores entre los dispositivos, tamaños de cable, colores, números de cable, bloques de terminales, etc. El diagrama de cableado también es útil para el inicio del sistema y más tarde para la localización de la ruta de cables y dispositivos para solucionar problemas. (Figura 10)

11 Herramientas de diseño A pesar de todas las tareas relacionadas con la documentación, el diseño se puede realizar con nada más que un lápiz, papel y una regla, que normalmente es más eficaz que utilizar una utilidad de software de dibujo, como AutoCAD de AutoDesk o el software AutoCAD LT. La mayor ventaja en el uso de un programa de elaboración de software para crear esquemáticos, diseños de panel, lista de materiales y diagramas de cableado es la posibilidad de volver a utilizar la obra para futuros diseños de sistemas de control eléctrico. El software de dibujo también se puede utilizar para crear nuestra secuencia del diagrama de operación, diagrama de flujo o de tiempo. Los complementos para los diversos paquetes de elaboración de software están orientados hacia el diseño del sistema de control eléctrico. Estos complementos contienen elementos pre construidos de diferentes dispositivos eléctricos del fabricante. Esto puede incluir esquemáticos de módulos E/S de PLC, fuentes de poder, dispositivos de comunicación, etc. Estos elementos pre construidos también incluyen esquemas a escala de los relés, arrancadores de motor, bloques de terminales, etc. que pueden dejarse caer en el diseño de su panel. Uno de estos paquetes de complementos que trabaja con AutoCAD y AutoCAD LT para el diseño de controles eléctricos e incluye algunos de los elementos pre construidos para varios fabricantes de PLC es el software "Promis E Draw" de ECT.

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