SISTEMA DE MANIOBRA DE UN MOTOR DE PROPULSIÓN MARINO MEDIANTE PLC S

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1 SISTEMA DE MANIOBRA DE UN MOTOR DE PROPULSIÓN MARINO MEDIANTE PLC S Raúl Andrade Sánchez, Ramón Ferreiro García Dep. Ing. Industrial, Universidade da Coruña Resumen: El control de la maniobra del sistema de propulsión de los buques ha adquirido un alto grado de avance tecnológico, en el que los autómatas programables (PLC s) asumen un rol importante. Con la utilización masiva o generalizada de PLC s se logra dotar a los sistemas de maniobra de prestaciones avanzadas en el campo del diagnóstico, la toma de decisiones y la ejecución de las mismas, reduciendo así el índice de riesgos de fallo y/o shutdowns no deseados. 1. Introducción al PLC y su aplicación. El elemento básico de la arquitectura de automatización de un sistema de control de maniobra es el PLC (autómata programable). Como elemento base se halla la CPU, las memorias RAM y ROM y la fuente de alimentación. A partir de ahí se incorporan módulos de entradas y salidas digitales, módulos de entradas y salidas analógicas, módulos de comunicación y mas tipos de módulos que pueden realizar funciones especificas. Los autómatas se diferencian entre si según su capacidad de proceso y se pueden presentar de las siguientes formas: Autómatas compactos. Son autómatas de gama baja. Autómatas semi-modulares. Son autómatas de gama media. Autómatas modulares. Son autómatas de gama alta. Además de los autómatas, es necesario tener los elementos que indican al autómata los cambios que se están produciendo en el proceso, y también los accionadores que se encargan de que se produzcan los cambios que el autómata ordena. Lo podemos clasificar de la siguiente forma: Accionadores. Son elementos de actuación sobre las máquinas para realizar movimientos, calentamientos, etc. Los accionadores pueden ser: eléctricos, neumáticos, hidráulicos. Preaccionadores. Entre los actuadores y las salidas del PLC se hallan los preaccionadores. Se utilizan cuando la salida que nos ofrece el autómata no tiene potencia suficiente o simplemente hay que convertir la señal. Un ejemplo de preaccionador puede ser un contactor o un variador de frecuencia. Captadores. Los captadores de información son elementos que informan al órgano de mando (PLC) del estado del sistema, es decir, de los eventos que sucedan en los procesos a controlar. Estos captan señales para conocer el estado del proceso y decidir las acciones a llevar a cabo. Estos se pueden enumerar en: finales de carrera, detectores inductivos, detectores fotoeléctricos, sensores, transductores, etc. Elementos de diálogo hombre-máquina. Permiten el diálogo con el operador y la unidad de control. Estos pueden ser pilotos luminosos, pulsadores, teclados, visualizadores, etc Tal como se muestra en la figura 1, en un autómata existe dos partes bien diferenciadas: una parte de mando y otra parte operativa.

2 PARTE OPERATIVA PARTE DE MANDO ACCIONADORES PROCESO PREACCIONADORES CAPTADORES UNIDAD DE CONTROL DIALOGO HOMBRE- MÁQUINA Fig.1 Parte de mando y parte operativa del PLC. Entradas/Salidas digitales. Los módulos de entrada digitales permiten conectar el autómata con captadores del tipo todo o nada (TON). El módulo se encarga de convertir la señal booleana que entra por una vía en un bit interno de la memoria del módulo. En cada ciclo de programa, la unidad central lee los bits de los módulos y vuelca su valor en los objetos del lenguaje del autómata conocidos como entradas digitales. Estos módulos suelen operar con señales de tensión de 0-24v. El hecho de trabajar con estas tensiones y no con tensiones mas bajas es debido a que hay que garantizar la correcta señal a 100 m de distancia. Los módulos de salida digitales permiten al autómata actuar sobre los preaccionadores y accionadores que dan órdenes del tipo todo o nada. Periódicamente el autómata escribe el valor de los objetos conocidos en su lenguaje como salidas digitales en estos módulos. El valor binario de las salidas digitales es (0-1) en donde este valor se convierte en la apertura o cierre de un contacto relé interno el caso de ser un módulo de ser un módulo de salidas a relé. En los módulos estáticos el elemento que conmuta es del tipo electrónico como transistores o triacs. Es de vital importancia definir el estado de retorno de las salidas en el hipotético caso de una parada imprevista. Esto se configura en la pantalla correspondiente a los módulos. Entradas/Salida analógicas. Estos módulos permiten trabajar a los autómatas con accionadores analógicos y que lean señales de tipo analógico. Permiten al autómata gobernar los procesos de manera continua. Procesos continuos como son la temperatura, presión, caudal. La precisión de la entrada analógica suele ser de bits. A mayor bit mayor será la precisión de la medida pero también será más lenta su adquisición. También es importante la velocidad de muestreo que se define como periodo de muestreo. Generalmente en la industria se trabaja con variables lentas y tal periodo está en torno a las muestras por segundo. En cada vía de entrada se puede configurar el rango y el filtro.

3 Los rangos más comunes de señal que ofrecen los sensores analógicos son: ±10 voltios voltios ma ma. Existen sensores de temperatura como son los termopares o las resistencias Pt100, los propios módulos incluyen la compensación de la soldadura fría en los termopares. Existen otros módulos que permiten la comunicación en red de los autómatas por medio de los diferentes buses de datos existentes en el mercado. En lo que a la programación se refiere los fabricantes desarrollan su propio sofware en donde permiten utilizar diferentes tipos de lenguaje los más conocidos son los siguientes: Lenguajes literales: El lenguaje de lista de instrucciones (Statement List). El lenguaje de texto estructurado (Structured Control Language), lenguaje de alto nivel similar al Pascal que cumple la norma IEC Se utiliza en la programación de tareas complejas en las que es necesario realizar un procesamiento de gran cantidad de datos. Lenguajes gráficos: El lenguaje de esquema de contactos (Ladder Diagram). El lenguaje de diagrama de funciones (Fuction Block Diagram). El diagrama funcional de secuencias (Sequential Function Chart) SFC tal como se muestra en la figura Transición Etapa 2 Fig.2 Diagrama de secuencias GRAFCET. 2. Descripción del proceso de maniobra. El sistema de maniobra está constituido por dos grupos de elementos (AutoChief II, 1995): Elementos mecánicos del sistema de arranque y maniobra cuya estructura se muestra en la figura 3, y el sistema de mando y control de la maniobra del que el PLC es la parte mas importante desde una perspectiva de control y cuya estructura modular se muestra en la figura 4. En la figura 3 se muestran los elementos básicos de actuación que intervienen en los procesos de arranque e inversión.

4 Fig. 3. Elementos que intervienen en el proceso de maniobra La secuencia a seguir es la siguiente: Habilitación de maniobra Comprobación estado del sistema Control de la maniobra Diagnosis del estado del sistema: Acople virador Válvula de aire maniobra y arranque Presión de aire Pres. y Temp. Lubricante Pres. y Temp. Refrigeración Pres. y Viscosidad combustible Control de la maniobra: Arranque Inversión Regulación velocidad Diagnosis

5 Fig. 4. Módulos principales del sistema de maniobra 3. Proceso de automatización del sistema de maniobra. Para describir el sistema de maniobra se parte de los parámetros y elementos sobre los que tiene que interactuar el autómata, distinguiendo entre variables digitales y analógicas, a las que denominaremos con un símbolo y nombre de variable para identificarla y poder trabajar con ella. El tipo de lenguaje escogido es GRAFCET, ya que se trata de un proceso completamente secuencial. MOTOR PARADO VERIFICAR VARIABLES ANTES DE ARRANQUE SETA DE EMERGENCIA AVANTE ATRAS SETA DE EMERGENCIA INTENTO DE ARRANQUE AVANTE. INTENTO DE ARRANQUE ATRAS. SETA DE EMERGENCIA MOTOR EN FUNCIONAMIENTO AVANTE MOTOR EN FUNCIONAMIENTO ATRAS PARADA CAMBIO DE AVANTE A ATRAS CAMBIO DE ATRÁS A AVANTE PARADA Fig.5 Esquema GRAFCET del sistema de maniobra. Según la figura que representa el GRAFCET la programación en las etapas es la siguiente: ETAPA 0: etapa en la que el motor esta parado o inactivo. Programa en lenguaje de texto estructurado:!(*freno Motor*) %Q2.7:=%X0;!(*Calentadores*) %Q2.5:=%IW3.3<50; %Q2.6:=%IW3.3<30;!(*RESET %C1*) IF %X0 THEN RESET %C1; END_IF;

6 Transición entre la etapa 0 y la etapa 1: Se procede al diagnostico del sistema, verifica que las presiones sean las correctas, que el virador no este engranado y que no halla alarma de niebla en el carter. Programa en lenguaje de texto estructurado: %IW3.5>8 OR %MW5>8 AND %IW3.6>6 OR %MW6>6 AND %IW3.7>5 OR %MW7>5 AND %IW3.1>70 OR %MW1>70 AND %IW3.2>110 OR %MW2>110 AND %IW3.3>60 OR %MW3>60 AND NOT %I1.3 ETAPA 1: el sistema indica que esta listo para una arranque y espera una maniobra de avante o atrás. Programa en lenguaje de texto estructurado:!%m1:=%x1; Transición entre la etapa 1 y la etapa 2: para cumplir esta transición se debe hacer clic sobre el botón DESPACIO de la pantalla de control en maniobra de AVANTE. Programa en lenguaje de texto estructurado: %M10 ETAPA 2: en esta etapa se desplaza el eje de camones accionando el mando hidráulico por la salida del autómata (%Q2.1). Programa en lenguaje de texto estructurado: %Q2.1:=%X2; Transición entre la etapa 2 y la etapa 3: esta transición se cumple cuando el final de carrera (%I1.2) detecta que el eje de camones se ha desplazado correctamente. Programa en lenguaje de texto estructurado: %I1.2 ETAPA3: la acción en esta etapa es la de inyectar aire de arranque a los cilindros por medio del distribuidor, se actúa en la solenoide de la válvula (%Q2.4). Además se debe abrir el paso de combustible (%Q2.3). Con un temporizador interno del autómata se temporiza la apertura de la válvula de aire de arranque. Por lo tanto en esta etapa también se pone en marcha el temporizador (%TM1). El contador se incrementa cada vez que comienza la etapa 3. Programa en lenguaje de texto estructurado: %Q2.4:=%X3; IF %X3 THEN SET %Q2.3; START %TM1; UP %C1; END_IF; Transición entre la etapa 3 y la etapa 4: la transición entre estas dos etapas se cumple cuando el sensor de revoluciones (%IW3.1), situado en el volante de inercia del motor toma una lectura de más de 20 rpm. Programa en lenguaje de texto estructurado: %TM1.V<30 AND %IW3.4>20

7 Transición entre la etapa 3 y la etapa 3: esta transición es necesaria cuando el motor no ha arrancado y el sistema intenta un nuevo arranque. La detección de que el sistema no ha arrancado lo hace el sensor de revoluciones (%IW3.1). El número de intentos de arranque es de tres. Programa en lenguaje de texto estructurado: %TM1.V>30 AND %IW3.4<20 Transición entre la etapa 3 y la etapa 0: se cumple esta transición cuando el motor ya ha intentado tres arranque sin éxito, es decir (%C1=3). Otra opción para que se cumpla la transición es la de pulsar la seta de emergencia. Programa en lenguaje de texto estructurado: %I1.0 OR %C1.D ETAPA 4: en esta etapa el motor esta arrancado y a las revoluciones seleccionadas. En esta etapa se pone a cero el contador de intentos de arranque. Transición entre la etapa 4 y la etapa 5: se cumple esta transición cuando se hace un cambio de maniobra de avante a atrás, es decir, pulsando en la pantalla de control cualquier botón de atrás. Transición entre la etapa 4 y la etapa 11: en esta transición se pretende un paro del motor haciendo clic en el botón PARA de la pantalla. Programa en lenguaje de texto estructurado: %I1.0 OR %M0 ETAPA 5: en esta etapa se procede a la parada del motor para hacer un cambio de maniobra de avante a atrás. ETAPA 11: a diferencia de la etapa 5 el motor se detiene al accionar la seta de emergencia o al querer detener el motor sin que halla un cambio de maniobra de avante a atrás. Para la maniobra de ATRÁS sucede la misma secuencia que la descrita en la maniobra de AVANTE. El único cambio es que en la etapa 6 se produce el desplazamiento del eje de camones. En la figura 6 se muestra una pantalla de la interfaz hombre-máquina destinada al control y supervisión del sistema de maniobra. La pantalla muestra las posibilidades que ofrece el sistema. Cada variable numérica que aparece en la pantalla corresponden a sensores alojados en diferentes partes del motor con el fin de diagnosticar el estado del mismo. Los pulsadores en la pantalla de la figura 6, son entradas que dan ordenes al autómata. Estas entradas no son físicas como ocurre con los captadores o pulsadores en panel de control, sino que son objetos de memoria disponibles por e el autómata (objetos de número limitado), que pueden hacer que cambien de estado (0 a 1). Los pulsadores que se encuentran en la parte superior de la pantalla, son botones de navegación de pantalla que nos permiten acceder al control de otros procesos por ejemplo: pantalla de control de compresores, pantalla del histórico de alarmas, control de motores auxiliares, etc.

8 Fig.6. Pantalla de control del motor para un arranque o maniobra. 4. Conclusiones Se ha mostrado un sistema de maniobra de arranque e inversión de marcha de un motor de propulsión marino genérico. Se destaca la capacidad de diagnosis y toma de decisiones durante la maniobra y las estrategias de automatización utilizando como herramienta fundamental de automatización el PLC. Tiene ventajas adicionales al coste de implementación, como son la facilidad de modificaciones de la secuencia de maniobra, o el diagnóstico avanzado de todo el sistema. Referencias AutoChief II, NORControl (1995).

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