diseÑo del controlador para el sistema filtro motor...

DISEÑO DEL CONTROLADOR PARA EL SISTEMA FILTRO MOTOR DEL AGUA DEL SELLO DEL EJE DE LA TURBINA EN LA CENTRAL MIEL I

JUAN FELIPE SALDARRIAGA DIEZ JUAN GUILLERMO SÁNCHEZ VALENCIA

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA

FACULTAD DE INGENIERÍA MEDELLÍN

2011

CONTENIDO

Pág.

GLOSARIO 7

INTRODUCCIÓN 10

1. INFORMACIÓN GENERAL DEL PROYECTO 12

1.1 INTEGRANTES 12

1.2 TIPO DE INVESTIGACIÓN 12

1.3 TIPO DE PROYECTO 12

1.4 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN 13

2. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO 14

2.1 UBICACIÓN 14

2.1.1 Presa Patángoras 15

2.1.2 Estructura de desviación y descarga de fondo 16

2.1.3 Bocatoma y túnel de carga 16

2.1.4 Casa de máquinas 17

2.1.5 Caverna de máquinas 17

2.1.6 Caverna de transformadores 17

2.1.7 Caverna de oscilación 17

2.1.8 Túnel de fuga 17

2.1.8.1 Equipos principales 17

2.1.9 Conexión al Sistema de Transmisión Nacional, STN 18

2.2 PROBLEMA 18

3. OBJETIVOS 22

3.1 OBJETIVOS GENERAL 22

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 22

4. ESTADO DEL ARTE 23

5. MARCO TEÓRICO 24

6. JUSTIFICACIÓN 28

7. DESARROLLO DEL PROYECTO 29

7.1 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE. 29

7.1.1 CPU 12/24RC 29

7.1.2 Modulo de expansión de entrada digitales LOGO DM8 12 / 24R 30

7.1.3 Módulo de Expansión de Entrada Analógicas LOGO AM2 30

7.2 DIFERENCIAL DE PRESIÓN UNITED ELECTRIC 4W 31

7.3 FLUJOMETRO DIGITAL KOBOLD RCD 31

7.4 PROGRAMA DEL CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABEL PLC. 32

7.4.1 Entradas y salidas 32

7.4.2 Rutinas de programación 33

7.5 DIAGRAMAS DE CONEXIÓN DE CONTROL Y DE POTENCIA 43

7.5.1 Diagrama eléctrico de conexión del PLC y del tablero de control 43

7.5.2 Diagrama de conexión del motor y válvula solenoide 46

7.5.3 Diagrama señales tablero de protecciones y del sistema SCADA. 46

8. METODOLOGÍA PROPUESTA 47

8.1 FASE 1. INICIO E INVESTIGACIÓN PRELIMINAR 47

8.2 FASE 2. PRUEBA PILOTO Y MODELAMIENTO 47

8.3 FASE 3. PRUEBAS DE CAMPO Y VALIDACIÓN 47

9. RECURSO 48

9.1 HUMANO 48

9.2 EQUIPOS, MATERIALES Y OTROS 48

9.3 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 49

10. CONCLUSIONES 50

11. RECOMENDACIONES 51

12. BIBLIOGRAFÍA - CIBERGRAFÍA 52

13. ANEXOS 53

LISTA DE IMÁGENES

Pág. Imagen 1. Localización. 14

Imagen 2. Localización de la Presa y el Embalse 15

Imagen 3. Embalse La Miel 16

Imagen 4. Partes de la Central Hidroeléctrica 25

Imagen 5. Turbina 26

Imagen 6. CPU 29

Imagen 7. Módulo de expansión de entrada digitales 30

Imagen 8. Módulo de Expansión de Entrada Analógicas 30

Imagen 9. Diferencial de presión 31

Imagen 10. Flujometro digital 31

Imagen 11. Tablero de control 44



LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Principio de funcionamiento del filtro 19

Figura 2. Principio de funcionamiento del retrolavado del filtro. 19

Figura 3. Filtro motor y sus componentes 21

Figura 4. Entrada I1 33

Figura 5. Entrada I3. 34



Figura 8. Conjunto de bloques (Q1) 36

Figura 9. Entrada del transmisor de presión diferencial 36

Figura 10. Control de la electroválvula 37

Figura 11. Contador de ciclos de lavado 37

Figura 12. Protección del motor 38

Figura 13. Contador de tiempo de funcionamiento del motor 38

Figura 14. Alarma por alta presión diferencial 39

Figura 15. Monitoreo sensor de posición intermedio 39

Figura 16. Monitoreo sensor de posición inicial 40

Figura 17. Confirmación de señal de lavado 40

Figura 18. Monitoreo de señales de alarma del flujometro. 40

Figura 19. Monitoreo de señales de disparo del flujometro 41

Figura 20. Monitoreo señales analogas flujometro y diferencial de presión 42

Figura 21. Diagrama eléctrico de conexión del PLC y de control 43

Figura 22. Diagrama de conexión del motor y válvulas solenoide 46

Figura 23. Diagrama de señales tablero de protecciones del sistema SCADA 46

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Componentes del filtro motor 20

Tabla 2. Equipos, materiales y otros 48

Tabla 3. Cronograma de actividades 49

GLOSARIO

ADVANT CONTROL: Sistema SCADA propiedad de la firma ABB. BAR: Unidad de presión equivalente a un millón de barias, aproximadamente igual a una atmósfera (1 Atm.) o a 14,50 libras/pulgada². CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE (PLC): Equipo electrónico sustituto

de los sistemas de control basados en relés . CORIOLIS: La fuerza Coriolis aparece siempre y cuando se trata de una superposición de movimientos rectos con movimientos giratorios. Para el uso industrial de su principio se sustituye el movimiento giratorio por una oscilación mecánica. Dos tubos de medición por donde pasa el producto oscilan en su frecuencia de resonancia. DESPACHO: Programa de energía hora a hora diario asignado a cada planta generadora. DISPONIBILIDAD: Definido como la probabilidad de que un equipo opere de

manera satisfactoria en el momento que se le requiera, es elevada en la medida que éste es confiable y las reparaciones del mismo se realicen de manera rápida. ENERGÍA POTENCIAL: Capacidad que tienen los cuerpos para realizar un

trabajo dependiendo de la configuración que tengan en un sistema de cuerpos que ejercen fuerzas entre sí. Puede pensarse como la energía almacenada en un sistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede entregar. EQUIPO OBSOLETO: Equipo inadecuado para las circunstancias actuales. FLUJO: Es la denominado como la cantidad de un fluido en unidad de volumen por el tiempo. FLUJOMETRO: Instrumento destinado a la medición de flujo. FLUJOSTATO: Interruptor de flujo, instrumento que abre o cierra un circuito

dependiendo del valor de flujo al cual fue ajustado. FRONTERA COMERCIAL: Se define como frontera comercial entre el comercializador y el usuario los puntos de conexión del equipo de medida, a partir del cual este último se responsabiliza por los consumos, y riesgos operativos inherentes a su Red Interna.

GENERADOR: El generador de corriente alterna es un dispositivo que convierte la

energía mecánica en energía eléctrica. GRAFITO: El grafito es la forma más estable del carbono. Es la modificación hexagonal del carbono y según los estudios de su estructura las propiedades del grafito hacen que se lo considere uno de los materiales de sellado más seguro. Su capacidad ha sido puesta a prueba tanto a elevadas temperaturas como en ambientes agresivos. La resistencia del grafito a los ácidos es excelente, así como a los compuestos orgánicos y a las soluciones alcalinas. HORÓMETRO: Dispositivo diseñado para contar las horas de servicio de un

equipo. INDISPONIBILIDAD HISTÓRICA (IH): Indisponibilidad para cada unidad generadora ocasionada por limitaciones de su capacidad efectiva o por desconexiones programadas o no programadas durante los últimos tres años. INTERRUPTOR: Dispositivo diseñado para abrir o cerrar un circuito eléctrico, en condiciones normales o anormales de funcionamiento. LADDER: Denominado lenguaje de contactos o escalera utilizado para la

programación de autómatas programables. MM3: Millones de metros cúbicos. PRESIÓN DIFERENCIAL: Es la diferencia de presión entre dos puntos PRESIÓN: Es la magnitud que relaciona la fuerza con aplicada a determinada área. PRESOSTATO: Interruptor de presión, es un dispositivo que cierra o abre un

circuito eléctrico dependiendo de la lectura de presión a la cual fue ajustada. PSI: Unidad de presión cuyo valor equivale a 1 libra sobre pulgada cuadrada, su nombre se deriva del inglés (Pounds per Square Inch) RECONCILIACIÓN NEGATIVA: Sanción económica pagada por los generadores

cuando se incumple con el despacho de energía. RTD: Resistencia detectora de temperatura utilizada como elemento sensor en procesos térmicos SCADA: aplicación de software especialmente diseñada para funcionar sobre

computadores en el control de producción, proporcionando comunicación con los

dispositivos de campo y controlando el proceso de forma automática desde la pantalla del ordenador. SETPOINT: Valor en cual se ajusta un sistema control, con el fin de que este realice una acción para el cual fue programado. SIN: Sistema Interconectado Nacional, compuesto por las plantas y equipos de

generación, la red de interconexión nacional, las redes regionales e interregionales de transmisión, las redes de distribución, y las cargas eléctricas. TARJETA ELECTRÓNICA: TCP/IP: protocolo de comunicaciones diseñado para el control de transmisión y

comunicación por Internet, su nombre realmente obedece a la abreviación del inglés (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) TEMPERATURA: Magnitud física que expresa el grado o nivel de calor de los

cuerpos o del ambiente. Su unidad en el Sistema Internacional es el kelvin (K).

INTRODUCCIÓN

ISAGEN es una empresa de servicios públicos mixta, constituida en forma de Sociedad Anónima, de carácter comercial, de orden nacional y vinculada al Ministerio de Minas y Energía de Colombia. Su objeto social principal es la generación y comercialización de energía eléctrica. ISAGEN, cuenta con una capacidad instalada de 2132 MW, constituyéndose como la tercera generadora más grande de Colombia, dentro de las centrales generadoras de energía se encuentra la Central Hidroeléctrica Miel I la cual aporta a la generación del país 396 MW. La central Hidroeléctrica Miel I cuenta con tres unidades generadoras cada una de 132 MW con generador sincrónico y una turbina tipo Francis de eje vertical, cuyo forma de trabajo es sumergida, al trabajar de esta forma el agua tiende a pasar hacia la parte superior y para evitar el paso de agua hacia esta se tiene instalado un sello de grafito alrededor del eje. Debido al giro del eje la fricción produce un calentamiento en este, el cual si no se refrigera se empieza a deformar el material, lo cual conlleva a perdida de estanquidad ocasionando fugas de agua hacia el exterior y daños a los sistemas auxiliares de la turbina, lo cual ocasionaría una indisponibilidad muy alta de la unidad y grades pérdidas económicas a la organización. Este sello está siendo refrigerado por agua sin tratar (agua del embalse) el cual le inyecta un flujo constante manteniéndolo a una temperatura de 23ºC, como es agua sin tratar esta trae partículas sólidas que pueden ocasionarle al sello pequeños rayones originando fugas de agua y una posible inundación en la cuba de aceite. Para garantizar un flujo de agua constante y además que las partículas de esta sean mínimas se tiene un sistema conformado por un flujostato y un filtro adaptado a un motor el cual es operado por una tarjeta electrónica, la cual recibe señales de un instrumento que monitorea la presión antes y después del filtro y entrega dos salidas de contacto cuando la presión diferencial alcanza los valores del set point dando la orden de limpieza del filtro, para el ciclo de lavado se tiene dos sensores que me indican la posición inicial e intermedia del motor. Aunque este sistema lleva trabajando varios años en lo relacionado con la limpieza del filtro, ha presentado falsas alarmas y disparos ocasionando indisponibilidades, las cuales tienen costo a nivel económico bastante amplio. Como se menciono anteriormente este sistema es operado por una tarjeta electrónica, la cual fue diseñada especialmente para esta aplicación, pero no se tiene referencia alguna del fabricante, por tal razón en caso de falla y debido a la importancia de acuerdo a la labor que cumple dentro del funcionamiento de la unidad, conllevaría a una indisponibilidad de la unidad generadora. Aprovechando

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las bondades que ofrecen los controladores lógicos programables PLC, se busca realizar un programa el cual realice las funciones que actualmente ejecuta la tarjeta electrónica y adicionarle otras que permita tener un sistema más confiable en lo relacionado con las señales de alarma y de disparo.

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1. INFORMACIÓN GENERAL DEL PROYECTO

Diseño del controlador para el sistema del Filtro Motor del Agua del Sello del Eje de La Turbina en la Central Miel I 1.1 INTEGRANTES Nombre: Juan Felipe Saldarriaga Diez Código: 1015135 Cedula: 70.141.041 Programa: Ingeniería electrónica Teléfono: 4062851 – 3165000 extensión 5601 Email: [email protected] Nivel (semestre): Décimo

Nombre: Juan Guillermo Sánchez Valencia Código: 1015154 Cedula: 98.669.790 Programa: Ingeniería electrónica Teléfono: 2220307– 3165000 extensión 4803 Email: [email protected] Nivel (semestre): Decimo 1.2 TIPO DE INVESTIGACIÓN

Exploratoria Predictiva

Descriptiva X Proyectiva X

Comparativa Interactiva

Analítica Confirmatoria

Explicativa Evaluativa 1.3 TIPO DE PROYECTO

Investigación en Ciencia básica

Investigación aplicada X

Desarrollo tecnológico

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1.4 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN

Línea y grupo de investigación USB

Trabajo empresarial ISAGEN S.A.E.S.P.

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2. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

2.1 UBICACIÓN

La Central Hidroeléctrica Miel I, localizada en el municipio de Norcasia, forma parte del potencial hídrico del oriente del departamento de Caldas, región conformada por las cuencas de los ríos Guarinó, La Miel, Moro, Manso, Samaná Sur y afluentes menores como los ríos Pensilvania y Tenerife. Norcasia se encuentra a 45 Km del municipio de La Dorada y dista de tres importantes ciudades del país (Medellín, Bogotá, Manizales) entre 174 y 180 Km, en promedio, por vía terrestre. La cercanía con La Dorada le facilita el acceso al río Magdalena y al ferrocarril de Santa Marta.

Imagen 1. Localización1.

1 Extraída de Presa - Informe final de construcción. (Documento No. MI-INT- 06-03-INGETEC)

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Imagen 2. Localización de la Presa y el Embalse2

2.1.1 Presa Patángoras. Con 188 m de altura es la segunda más alta del

mundo, construida en Concreto Compactado con Rodillo (CCR). Es de tipo gravedad, con rebosadero incorporado. Está situada sobre el río La Miel , aguas abajo de la desembocadura del río Moro. Forma el embalse Amaní de 1.220 ha y con una capacidad de almacenamiento de 571Mm3. La corona de la presa tiene 340 m de longitud, corresponde a la cota 454 m .s.n.m. y el nivel máximo normal

2 Extraída de http://www.isagen.com.co/imagesComun/rinstitucional/aumen_mapa2.jpg

www.googleheart.com

http://www.isagen.com.co/imagesComun/rinstitucional/aumen_mapa2.jpg

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del embalse está a la cota 445,5 m .s.n.m. La presa tiene un volumen de 1,73 millones de m3.

Imagen 3. Embalse La Miel

Imagen extraída del Centro de Información Técnica de la Central Miel I.

2.1.2 Estructura de desviación y descarga de fondo. Para la construcción en seco de la presa, el río se desvió a través de un túnel localizado en el estribo derecho, de 550 m de longitud y sección rectangular con bóveda circular de 10,8 x 10,8 m, sin revestimiento, el cual fue sellado al terminar la construcción de la presa. La descarga de fondo consta de una estructura de captación y un pozo que alimenta a dos túneles paralelos. El flujo en los túneles está controlado con válvulas Mariposa y Howell-Bunger. Está en capacidad de descargar hasta 250 m3/s y permitirá descargar el caudal ecológico cuando se requiera. 2.1.3 Bocatoma y túnel de carga. La bocatoma y el túnel de carga están

ubicados en la margen izquierda del río. El control del túnel de carga se realiza mediante dos compuertas instaladas en el pozo de compuertas, ubicado a 68 m de la entrada. Las compuertas son operadas por medio de servomotores localizados en la parte superior del pozo. Luego de la bocatoma se encuentra el túnel superior de carga, de 90 m de longitud, revestido en concreto reforzado de 6,55 m de diámetro. A continuación está un codo vertical revestido en concreto reforzado que conecta con el pozo de carga (vertical) de 119,20 m de profundidad. El túnel inferior, de 58 m de longitud, incluye un tramo revestido en concreto reforzado y un blindaje de acero de 45 m de longitud. A partir de este punto, se

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encuentran dos bifurcaciones metálicas que se conectan con los tres túneles inferiores, blindados, de 3,35 m de diámetro, que conducen el agua a presión a la caverna de máquinas. 2.1.4 Casa de máquinas. La central subterránea se localiza en la margen

izquierda del río La Miel y consta de tres cavernas, de aguas arriba a aguas abajo: caverna de máquinas, caverna de transformadores y caverna de oscilación. 2.1.5 Caverna de máquinas. La caverna principal tiene 19,3 m de ancho, 86,5 m

de longitud y 38,8 m de altura, y aloja 3 turbinas Francis con sus correspondientes generadores y equipos auxiliares. Cuenta con ventilación permanente y forzada a través de galerías horizontales y del pozo de ventilación localizado al noroccidente de la caverna. 2.1.6 Caverna de transformadores. Aloja los 3 transformadores de 150 MVA.

Los cables secos de 230 kV de los transformadores salen al exterior a través de una galería y un pozo, hasta el pórtico de cables, en la ladera de la montaña. De estos pórticos salen dos líneas aéreas, una de circuito sencillo y otra de doble circuito, hasta la subestación Miel I. 2.1.7 Caverna de oscilación. Está localizada aguas abajo de la caverna de

máquinas y sirve para colectar las descargas de las turbinas y para amortiguar los transientes de presión ocasionados por la operación normal de las máquinas. La caverna tiene 52 m de longitud, 15 m de ancho y 44,5 m de altura. 2.1.8 Túnel de fuga. Está localizado en la margen izquierda del río La Miel y vierte nuevamente las aguas al mismo río. El túnel de fuga de 9,0 m por 9,05 m de sección se inicia a continuación de la caverna de oscilación y tiene una longitud total de 4,1 km, con solera de concreto y revestimiento en concreto neumático. En la salida tiene una estructura de concreto reforzado con guías para tablones metálicos. 2.1.8.1 Equipos principales. La Central cuenta con tres unidades de generación

impulsadas por turbinas tipo Francis de eje vertical, que operan a 300 r.p.m. y tienen una potencia nominal de 132 MW cada una. Los tres generadores sincrónicos de eje vertical, de 24 polos y 13,8 kV, tienen sistemas de enfriamiento por aire para rotor y estator, excitación estática con sistemas de control, protecciones e instrumentación que incorporan las últimas tecnologías y las hacen compatibles con el sistema de control digital de la Central. Para elevar el voltaje para la transmisión de la energía generada de 13,8 kV a 230 kV se utilizan transformadores trifásicos de 150 MVA, incluyendo una unidad de reserva.

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2.1.9 Conexión al Sistema de Transmisión Nacional, STN. La energía se

evacuará hacia la subestación Miel I mediante cables aislados tipo XLPE y tramos cortos de líneas aéreas. Esta subestación (propiedad de ISA) es de tipo convencional, a 230 kV. 2.2 PROBLEMA La central hidroeléctrica Miel I perteneciente a ISAGEN ubicada en el oriente de Caldas cuenta con una capacidad instalada de 396 MW, en tres unidades generadoras cada una 132 MW, cada unidad está conformada por tres cojinetes que son los que guían el eje, estos son Cojinete guía Superior, Cojinete Guía Inferior y Cojinete Guía Turbina, en este ultimo para impedir el paso del agua turbinada tiene un sello en grafito el cual por el rozamiento generado por el giro de la unidad se calienta y para mantener este a una temperatura inferior a 30 ºC, se tiene un sistema de suministro de agua constante. Como se menciono anteriormente, para la refrigeración del sello del eje de la turbina es necesario un suministro constante de agua no tratada (Agua de embalse) la cual contienen muchos sedimentos y por tal razón pasa por dos filtros, un filtro canasta que impide el paso de partículas superiores a 2mm y el otro es el sistema filtro motor el cual realiza un filtrado mucho más fino. El sistema filtro motor evita que partículas solidas lleguen hacia el sello del eje y le ocasionen fisuras que causen perdida de la estanquidad que se requiere. El funcionamiento del filtro motor consiste en que el líquido con sedimentos entra por los elementos filtrantes pasando desde el interior hacia afuera de estos quedando los sedimentos en su interior (fig. 1), a medida que la cantidad de residuos retenidos aumente, la diferencia de presión entre las zonas sucias y limpias cambiara proporcionalmente y el suiche de presión diferencial actuara a un valor de 5 mbar iniciando el ciclo de retrolavado (fig. 2), este ciclo consiste en: El motorreductor gira la placa de deslizamiento superior e inferior que con sus orificios hacen que se invierta el flujo en uno filtros y a la vez se abre la electroválvula para expulsar los sedimentos por el desagüe durante 5 segundos, este ciclo de lavado se termina cuando todos los elementos de filtro han sido individualmente enjuagados y todo quede en la posición inicial. Todo el sistema de control del filtro motor es operado por una tarjeta electrónica, de la cual no se tiene ninguna referencia que permita su consecución en el mercado y en caso de falla de esta, dejaría indisponible la unidad generadora, causando un impacto económico a la organización. El flujo de agua a la salida del filtro es monitoreado por un flujostato mecánico cuyo principio es el de platina de orificio el cual tiene dos contactos para alarma y

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disparo por bajo flujo, este elemento no permite tener una indicación remota donde se pueda llevar una tendencia de su comportamiento, además por permanecer actuado va perdiendo su ajuste hasta llegar a un punto que tiene que ser reemplazado causando indisponibilidad de la unidad generadora.

Figura 1. Principio de funcionamiento del filtro

Figura 2. Principio de funcionamiento del retrolavado del filtro.

Tomados de Documento 549394a Manual del RF2 Back-flushing filter HYDAC Process Technology GMBH.paf 64

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Tabla 1. Componentes del filtro motor

1 Motoreductor

2 Interruptor de posición

3 Interruptor de Posición para la posición cero

4 Placa de cubierta

5 Eje impulsor

6 Resorte

7 Medidor de presión diferencial

8 Elementos filtrantes

9 Casco

10 Placa de deslizamiento inferior

11 Parte inferior de la placa de deslizamiento

12 Válvula de desagüe

13 Actuador

14 Control

15 Lado limpio

16 extremo superior placa

17 Placa de deslizamiento superior

18 Lado con partículas

19 tapón de ventilación

20 placa del interruptor de control de ciclo fijo y la posición cero

I Entrada

O Salida

B Línea de desagüe

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Figura 3. Filtro motor y sus componentes

O

I

B

Tomado de Documento 549394a Manual del RF2 Back-flushing filter HYDAC Process Technology

GMBH.paf 66

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3. OBJETIVOS

3.1 OBJETIVOS GENERAL Automatizar el sistema filtro-motor de suministro de agua al sello del eje para las tres turbinas que componen la central hidroeléctrica Miel I. 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Diseñar programa en un PLC Controlador Lógico Programable, con las funciones identificadas en la tarjeta electrónica de control del sistema filtro-motor.

Realizar cálculos para el nuevo sistema de medición de flujo aguas arriba del sello con el fin determinar cuál es el instrumento más adecuado para la medición y transmisión de flujo.

Presentar documentación sobre el diseño e instrumentación del sistema de control.

Presentar planos del sistema de instrumentación y control

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4. ESTADO DEL ARTE La empresa HYDAC fabricante de todo el sistema electromecánico del sistema filtrado del agua del sello del eje instalado en la central Miel I, diseña diferentes sistemas electromecánicos exclusivos para otras empresas, pero la parte de control es subcontratada. Existen otras empresas en Colombia como lo es AUTOMATIZACIÓN AVANZADA, realiza la automatización de sistemas con la marca Schneider Electric, el cual ofrece el PLC QUANTUM, pantallas Magellis y un sistema SCADA, esta empresa realizo el control de compuertas en el proyecto Guarino, propiedad de ISAGEN. Automatización LTDA el cual representa importantes firmas en el área de instrumentación presta sus servicios de automatización con equipos de última tecnología utilizando incorporando en sus proyectos una sola marca o también integra equipos de diferentes fabricantes de los cuales representa. La empresa Hidráulica y Neumática LTDA que trabaja con equipos SIEMENS, ha realizado automatización de sistemas periféricos como lo fue con el sistema de bombeo de emergencia de la central Hidroeléctrica Miel I en el año 2009, a un costo bastante elevado en lo relacionado al diseño e ingeniería del proyecto. Redes eléctricas S.A representante de la firma General Electric ha realizado importantes proyectos de automatización de sistemas tanto en grandes empresas como lo es Cervecería Unión y Bimbo, y en empresas del sector eléctrico realizo la automatización del sistema de supervisión y control de la Central Hidroeléctrica Guavio.

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5. MARCO TEÓRICO

La central hidroeléctrica Miel I utiliza para la generación de energía eléctrica mediante el aprovechamiento de la energía hidráulica. Sabemos que la energía se transforma, es decir, no se pierde. De igual manera, para obtener energía eléctrica debemos partir de alguna otra forma de energía y realizar un proceso de transformación. En un embalse con Millones de metros cúbicos de agua se obtiene inicialmente energía potencial. Por la acción de la gravedad, el agua adquiere energía cinética o de movimiento: pasa de un nivel superior a otro muy bajo, a través de las tuberías de conducción, a la caída de agua se le denomina energía hidráulica. Por su masa y velocidad, el agua produce un empuje que se aplica a las turbinas, las cuales transforman la energía hidráulica en energía mecánica. Esta se propaga a los generadores acoplados a las turbinas.

Los generadores producen energía eléctrica y esta se conecta a traves de dos interruptores uno ubicado en casa de maquinas que conecta al generador con el transformador a 13800 Volt y el otro con la subestación a 230000 Volt con Sistema Interconectado Nacional.

Donde: Phidr : Potencia hidráulica en el eje de la turbina en kW. Pelec: Potencia eléctrica obtenida en la frontera comercial de la planta en kW.

turb: Eficiencia hidráulica de la turbina en %.

gen: Eficiencia eléctrica del generador en %.

trafo: Eficiencia eléctrica del transformador de potencia y barrajes en %. 9.81: Factor de conversión de trabajo en energía. Q: Caudal turbinado en m3/s. H: Caída neta disponible para el caudal turbinado, expresado en metros de columna de agua. Las partes principales de una central hidroeléctrica.

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Imagen 4. Partes de la Central Hidroeléctrica

Consulta en línea: //www.valenciad.com/Proyectos/hidroelectricidad.pdf

TURBINA

Es el elemento que transforma la energía hidráulica en mecánica para accionar el generador. Las turbinas hidráulicas son de varios tipos, en general se tienen: Turbinas Pelton. Son ruedas de impulso empleadas en caídas grandes. El eje es de posición horizontal. En Colombia las centrales hidroeléctricas que operan con este tipo de turbinas son: San Carlos, Tasajera, Guatape y Chivor. Turbinas Francis. Llamadas también de reacción, de remolino o de vórtice. En ellas el agua incide de costado y chorro cae verticalmente luego. Se emplea en caídas medianas. Centrales hidroeléctricas que emplean este tipo de turbina son las instaladas en las plantas Miel I, Jaguas, Playas y Porce II.

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Imagen 5. Turbina

Imagen extraída del Centro de Información Técnica de la Central Miel.

Equipo de sellado del eje de una turbina Francis, como su nombre indica, está destinado a sellar e impedir el paso de agua que pudiera fluir desde el rodete hacia el exterior de la turbina, por el espacio existente entre la tapa de la misma y el eje. En esencia consta de una serie de aros formados por juntas, bien sea de carbón, de material sintético o grafitadas presionadas sobre un casquillo o collarín solidario con el eje, por medio de muelles de acero inoxidable o servomecanismos convenientemente distribuidos alrededor de la periferia del mismo. Se conoce como junta del eje o junta de carbones. Según sean las características constructivas de cada turbina, la junta puede estar diseñada para trabajar radial o axialmente. Una serie de aros concéntricos, radial o axialmente, alternos entre la parte giratoria y fija, contribuyen eficazmente al cierre hidráulico. Constituyen los denominados laberintos, que también se suelen disponer en zonas de llanta y núcleo del rodete. Dependiendo del sistema y material de sellado cada turbina dispone de un sistema de agua para refrigerar, evitando el calentamiento y el rápido desgaste de

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las juntas, así como anular o reducir el paso de agua del rodete siendo suministrada a mayor presión que la que posee el agua en la zona del rodete. Esta agua de refrigeración, una vez cumplida su doble misión mediante la acción de bombas o hidroeyectores instalados en la zona conocida como pozo de turbina, es conducida por colectores al pozo de bombas, donde confluyen los drenajes de la central. En turbinas modernas, instaladas por debajo de la cota de salida del agua, en dirección aguas abajo, se dispone de una junta inferior de goma, hinchable, razón por la que se denomina junta hinchable, a la cual, solamente cuando el grupo está parado, se le inyecta aire a presión, para eliminar las fugas agua.

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6. JUSTIFICACIÓN

La central hidroeléctrica Miel I entro en operación comercial hace 8 años, cuenta con equipos modernos y otros no muy actuales y estos requieren ser mejorados con el fin de garantizar un buen funcionamiento y darle la confiabilidad que el sistema requiere, ya que la tarjeta de control que se tiene instalada es un diseño exclusivo para esta aplicación, de la cual no se conoce el proveedor y caso de falla ocasionaría una indisponibilidad a las unidades generadoras y las consecuencias económicas a la que esta conlleva. ISAGEN S.A.E.S.P. considera el conocimiento de su personal como un activo de la organización y busca el desarrollo integral de sus trabajadores, razón por la cual da la oportunidad al recurso humano de implementar desarrollos confiables y seguros para dar solución a este tipo de problemas haciendo uso de la integración equipos de última tecnología que permitan obtener los resultados de confiabilidad y buen funcionamiento, para garantizar la disponibilidad de las unidades generadoras y así mantener la competitividad en el mercado de energía. Dada la diversidad y los avances tecnológicos en el área de la instrumentación y control, y la versatilidad de estos equipos ofrecen se integrara de manera conjunta la supervisión del caudal y el control del funcionamiento del sistema de limpieza del filtro de alimentación de agua hacia el sello del eje, a través de un Controlador Lógico Programable PLC y este a la vez con las protecciones de la unidad y con el sistema SCADA. Después de realizar los análisis técnicos y económicos se concluye que el integración de estos equipos para reemplazar la tarjeta electrónica para el control sistema filtro motor y el flujostato que supervisa el flujo de agua hacia el sello del eje, además de ser confiable brinda al personal de operación la posibilidad de seguimiento en línea o el análisis de esta variable a través de tendencias y al personal mantenimiento reducción en tiempo de ejecución de las labores y en el tiempo de identificación de fallas.

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7. DESARROLLO DEL PROYECTO Para la implementación del proyecto se realizó un análisis técnico de los elementos que serían requeridos durante el desarrollo y los que se podían utilizar del sistema anterior, del cual solo se utilizo la etapa de potencia para el motor y los sensores de proximidad de posición del filtro. Para el desarrollo del programa son necesarios los siguientes elementos:

PLC LOGO DE SIEMENS

FLUJOMETRO KOBOLD RCD

DIFERENCIAL DE PRESIÓN UNITED ELECTRIC 4W

SENSOR PROXIMIDAD SIEMENS REF.66366 7.1 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE. Este controlador seleccionado es uno de los versátiles y amigables de la familia SIEMENS, gracias a su modo de programación en bloques de instrucciones. La configuración general del controlador está conformado por su CPU LOGO 12 / 24RC, modulo de entradas y salidas digitales LOGO DM8 12 / 24R y modulo de entradas análogas LOGO AM2. 7.1.1 CPU 12/24RC. Esta CPU permite la entrada de 8 señales digitales o dos

analógicas y cinco digitales configurables y opera a una frecuencia de 2HZ para cargas resistivas y 0.5 HZ para cargas inductivas y para el ciclo de procesamiento de cada función es de un 0.1 ms.

Imagen 6. CPU

Consulta en línea de: http://www.automation.siemens.com/mcms/programmable-logic-

controller/en/logic-module-logo/Pages/Default.aspx

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7.1.2 Modulo de expansión de entrada digitales LOGO DM8 12 / 24R. El

modulo expansión de entrada digitales permite la conexión de cuatro señales digitales y cuatro salidas digitales con capacidad para cargas resistivas de 5A a operando a una frecuencia de 2 HZ y para cargas capacitivas de 3A de 0.5 HZ.

Imagen 7. Módulo de expansión de entrada digitales



7.1.3 Módulo de Expansión de Entrada Analógicas LOGO AM2. El modulo expansión de entrada analógicas permite la conexión de dos señales analógicas de un rango de 0 - 10V o de 0 a 20 mA con una resolución de 10 bits, escalados de o a 1000.

Imagen 8. Módulo de Expansión de Entrada Analógicas



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7.2 DIFERENCIAL DE PRESIÓN UNITED ELECTRIC 4W

Este instrumento trabaja en un rango de 0 – 1 bar, cuenta con dos salidas digitales y una análoga de 4 -20 mA, indicación digital, grado de protección IP66, el diafragma en acero inoxidable y una conexión al proceso de ¼ NPT.

Imagen 9. Diferencial de presión

Consulta en linea: Http://Www.Ueonline.Com/Products/Cust/13841.Pdf

7.3 FLUJOMETRO DIGITAL KOBOLD RCD El medidor de caudal KOBOLD modelo RCD se usa para medición y monitoreo de flujos gaseosos y líquidos. El dispositivo trabaja según el muy conocido principio de la Boquilla Venturi. Una diferencia de presión pequeña proporcional al caudal es producida por el medio fluyente en un orificio constrictor (boquilla) en la cubierta del dispositivo. La forma de la boquilla está basada en el flujo, por lo cual las características del flujo permanecen constantes en todo el rango de medición, además cuenta con dos salidas digitales (contactos) y un salida análoga de 4 – 20 mA.

Imagen 10. Flujometro digital

Imagen extraída del manual Medidor/Monitor de Caudal por Presión Diferencial Modelo RCD.

Cálculos matemáticos para la selección del rango del medidor.

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Por diseño.

7.4 PROGRAMA DEL CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE PLC. 7.4.1 Entradas y salidas ENTRADAS DIGITALES I1 Sensor de posición inicial I2 Pulso del diferencial para la orden lavado, tiene un retardo de 3 segundos I3 Sensor de posición intermedio I4 Pulsador de lavado manual I5 Pulso de muy alto del diferencial I6 Reset

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I7 alama por bajo flujo I8 disparo por muy bajo flujo ENTRADAS ANÁLOGAS AI1 Entrada para un transmisor de presión diferencial (mejora) AI2 Entrada para un transmisor de flujo (Mejora) SALIDAS Q1 Motor Q2 Electroválvula Q3 Alarma por diferencial alto con retardo de un minuto, en caso de que no se pierda la señal del diferencial. Q4 Falla en sensor posición inicial, cuando pasa dos veces por el intermedio sin llegar la señal del inicial. Q5 Falla en sensor intermedio, Q6 Contador para registro del número de lavadas Q7 Señal de muy alto, con temporizador de 3 segundos Q8 Falla general, condición de no paro del motor manda parar el sistema. Q9 bajo flujo Q10 Muy bajo flujo Q11 Falla AI1 transmisor de presión diferencial (mejora) Q12 Falla AI2 transmisor de flujo (Mejora)

7.4.2 Rutinas de programación

I1 corresponde a la entrada digital del sensor de posición inicial la cual es

utilizada para: protección del motor, permisivo de lavado y como señal de entrada al contador de lavadas, funciones que son realizadas en los diferentes bloques (B009, B010, B011, B014 y B022) donde llega esta señal.

Figura 4. Entrada I1

Tomado del Programa del Controlador del sistema filtro motor de agua del sello del eje.

(Central hidroeléctrica Miel I)

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I3 corresponde a la entrada digital del sensor de posición intermedia la cual es

utilizada para: protección del motor, control y temporizado de la electroválvula, funciones que son realizadas en los diferentes bloques (B004, B005, B013 y B018) donde llega esta señal.

Figura 5. Entrada I3.

Tomado del Programa del Controlador del sistema filtro motor de agua del sello del eje. (Central

hidroeléctrica Miel I)

La entrada I6 permite realizar reset de alarmas, cuando se presente falla de alguno de los componentes y este sea reparado y así habilitar el sistema a condiciones normales de operación.




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En este conjunto de Bloques se reciben las diferentes órdenes de arranque del motor y su salida llega a los bloques de protecciones y a la marca M1 para conteo de ciclos de lavado. La entrada I4 que corresponde al pulsador de lavado manual cuenta con un retardo para asegurarnos que la orden sea real.



hidroeléctrica Miel I) En este conjunto de bloques se encuentran programadas las condiciones de protección del sistema para detener el motor en caso de falla de algún componente del sistema, ya que estas llegan de manera directa a la salida del motor (Q1).

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Figura 8. Conjunto de bloques (Q1)



En este conjunto de bloques se procesa la condición de lavado por parte análoga y parte digital, cuenta con un temporizado de 3s para garantizar que la señal sea real. La señal análoga se utiliza como respaldo en caso de falla de los contactos del instrumento.

Figura 9. Entrada del transmisor de presión diferencial



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Conjunto de bloques encargado de energizar la electroválvula durante 3 segundos y parar el motor cada vez que este llega a posición intermedia y así evacuar la suciedad

Figura 10. Control de la electroválvula



Estos bloques se encargan de mantener la orden de lavado hasta que el filtro sea lavado 3 veces y también tiene la salida Q6 para contar los ciclos de lavado en un contador externo e interno.

Figura 11. Contador de ciclos de lavado



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Condición de falla general del sistema, si por alguna razón el motor está girando más de 20 segundos se da la alarma de falla general y para el motor.

Figura 12. Protección del motor



Figura 13. Contador de tiempo de funcionamiento del motor



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Esta parte esta encarga de la alarma por alto diferencial de presión, si después de 1 minuto de estar presente la orden de lavando manda a parar el motor y da la alarma al control.

Figura 14. Alarma por alta presión diferencial



Bloque donde se monitorea que no falle el sensor de posición intermedia, su salida llega al bloque de protecciones para dar orden de paro

Figura 15. Monitoreo sensor de posición intermedio



Aquí se monitorea las fallas del sensor de posición inicial, queriendo decir que si el motor arranca y pasa 2 veces por el sensor intermedio sin presentarse la señal de posición inicial da la alarma por falla del sensor de posición inicial y para el motor.

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Figura 16. Monitoreo sensor de posición inicial



Señal de muy alta presión diferencial con un retardo de 3 segundos para garantizar que sea real

Figura 17. Confirmación de señal de lavado



Estos bloques se encargan de monitorear la señal análoga y digital del flujometro, ya que con cualquiera de las dos señales que se presenten este enviara la señal de alarma por bajo flujo sello del eje al sistema SCADA.

Figura 18. Monitoreo de señales de alarma del flujometro.

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Estos bloques se encargan de monitorear la señal análoga y digital del flujometro, ya que con cualquiera de las dos señales que se presenten este enviara la señal de disparo por muy bajo flujo sello del eje al sistema de protecciones de unidad y al sistema SCADA.

Figura 19. Monitoreo de señales de disparo del flujometro



Estos bloques están encargados de monitorear que las señales análogas estén dentro del rango adecuado y de mostrar alarma cuando la señal no cumple con lo programado

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Figura 20. Monitoreo de las señales analogas del flujometro y del diferencial de presión



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7.5 DIAGRAMAS DE CONEXIÓN DE CONTROL Y DE POTENCIA 7.5.1 Diagrama eléctrico de conexión del PLC y del tablero de control

Figura 21. Diagrama eléctrico de conexión del PLC y de control

Tomado del diagrama eléctrico del sistema filtro motor de agua del sello del eje. (Central hidroeléctrica Miel I)


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Imagen 11. Tablero de control

Tomado del tablero control del sistema filtro motor de agua del sello del eje. (Central hidroeléctrica

Miel I)



Miel I)

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Miel I)

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7.5.2 Diagrama de conexión del motor y válvula solenoide

Figura 22. Diagrama de conexión del motor y válvulas solenoide


7.5.3 Diagrama señales tablero de protecciones y del sistema SCADA. Figura 23. Diagrama de señales tablero de protecciones del sistema SCADA


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8. METODOLOGÍA PROPUESTA

El trabajo a realizo se centro en las siguientes etapas. 8.1 FASE 1. INICIO E INVESTIGACIÓN PRELIMINAR Conformación del equipo de trabajo y distribución de tareas Recolección de la información correspondiente a los equipos de

instrumentación y control que se encontraban instalados. Análisis de la información e identificación de los equipos necesarios para la

implementación del nuevo sistema de control. Exploración de proveedores para la adquisición de los equipos e insumos

necesarios para el desarrollo del proyecto. 8.2 FASE 2. PRUEBA PILOTO Y MODELAMIENTO

Configuración de la lógica y programación del controlador. Integración del sensor y transmisor de flujo al sistema seleccionado. Simulación y pruebas de funcionamiento en laboratorio 8.3 FASE 3. PRUEBAS DE CAMPO Y VALIDACIÓN Pruebas de funcionamiento en campo. Análisis y seguimiento de la información recibida. Correcciones y ajustes. Socialización de los resultados.

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9. RECURSO

9.1 HUMANO Para la implementación de este sistema se requieren dos ingenieros electrónicos con amplios conocimientos en instrumentación y control, para el análisis, diseño y pruebas de funcionamiento. 9.2 EQUIPOS, MATERIALES Y OTROS

Tabla 2. Equipos, materiales y otros

DESCRIPCIÓN CANTIDAD PRECIO

CPU siemens 12/24rc 1UN $ 500.000

Modulo de expansión dm8 12/24r 1UN $ 450.000

Modulo de expansión am2 1UN $ 480.000

Diferencial de presión united electric 4w. 1UN $ 2.120.000

Flujometro digital kobold rcd 1UN $ 5.750.000

Rele finder 5 UN $ 275.000

Lámpara indicadora telemecanique 4UN $ 80.000

Terminales de punta para cable 22 300UN $ 75.000

Cable de control calibre 22 50m $ 45.000

Canaleta 25mmx60mm 2m $ 9.550

Correas de amarre 200 UN $ 5.650

Caja policarbonato MF244 43X39X19.5 1UN $ 180.000

Riel omega 2m $ 10.440

Bornera sencilla UK-5- MTK PHOENIX 100UN $ 2.126.400

TOTAL $ 12.107.040

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9.3 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

Tabla 3. Cronograma de actividades

CRONOGRAMA AUTOMATIZACIÓN FILTRO MOTOR

ACTIVIDAD A DESARROLLAR

JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE S

em

1

Sem

2

Sem

3

Sem

4

Sem

5

Sem

6

Sem

7

Sem

8

Sem

9

Sem

10

Sem

11

Sem

12

Sem

13

Sem

14

Sem

15

Sem

16

Sem

17

Sem

18

Sem

19

Sem

20

Sem

21

Sem

22

Sem

23

Sem

24

Sem

25

Sem

26

Estudio del sistema actual y listado de funciones

Selección de equipos y materiales a utilizar

Proceso de compras

Diseño del programa, simulación, pruebas de funcionamiento e informe final.

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10. CONCLUSIONES

Con la automatización de filtro motor permite al personal de operación y mantenimiento, minimizar el tiempo de respuesta para la identificación de una falla de alguno de los componentes que conforman este sistema, ya que estas son visualizadas en el tablero de control. El automatismo del sistema filtro motor permitirá proteger tanto la unidad generadora como el motor evitando que este trabaje vacio ya que por falla de algunos de los componentes que activen el motor presentara la alarma y dará orden de paro del motor. Al realizar el cambio de la tarjeta electrónica de la cual no se tiene el proveedor por el controlador lógico programable se reduciría el tiempo de reparación en caso de falla del control, ya que se tendría disponible tanto el repuesto como el conocimiento. Con la implementación de las señales análogas desde el controlador lógico programable hacia el SCADA, permitirá que el personal de operación y mantenimiento tenga más claridad en momento de analizar un disparo de la unidad generadora o tomar acciones para evitarlo ya se tendrá los valores de flujo y presión diferencial en línea.

51

11. RECOMENDACIONES Después de haber comprobado la confiabilidad del controlador lógico programable (PLC) utilizado, la versatilidad en la operación, la disminución en los costos de mantenimiento, y la efectividad del sistema supervisión de flujo y de presión diferencial, se recomienda implementar este proyecto en las demás unidades generadoras instalados en la central. Considerando la experiencia obtenida con la programación de este sistema, se recomienda realizar estudios de las diferentes necesidades que se presentan en la Central Hidroeléctrica Miel I con el fin de desarrollar e implementar nuevas alternativas de control y supervisión. Una vez implementado y comprobada la efectividad del proyecto, se recomienda ampliar la periodicidad y disminuir el tiempo del mantenimiento correspondiente al filtro autolimpiante.

52

12. BIBLIOGRAFÍA - CIBERGRAFÍA

CREUS, Antonio. Instrumentación Industrial. 6ª Edición, editorial Alfaomega 750 p. Documento 549394a Manual del RF2 Back-flushing filter HYDAC Process Technology GMBH. Reglamento técnico eléctrico de Colombia : Resolución CREG 063-2000- artículo 6°:Reconciliaciones Resolución CREG 073-2000- artículo 1°:Indisponibilidad Histórica: www.cea-ifac.es/actividades/jornadas/XXII/documentos/A_03_IC.pdf www.ceimtun.unal.edu.co/Documentos/manual_automation.pdf www.cidet.com.co/pdf/RETIE_Academico.pdf [Citado Enero 18 de 2010] www.creg.gov.co [Citado Febrero 09 de 2009] www.eletta.com/english/products/products_s0_eng.html www.koboldmessring.com/fileadmin/koboldfiles/pdf/es/s5es_rcd.pdf www.siemens.com.co/siemensdotnetclient.../get_download_Framework_1_1.aspx

http://www.cea-ifac.es/actividades/jornadas/XXII/documentos/A_03_IC.pdf

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13. ANEXOS

ANEXO 1. Parámetros del programa

Número de bloque (tipo)

B001(Retardo a la conexión) :


B004(Relé autoenclavador) :




B009(Contador adelante/atrás) :

B016(Contador de horas de funcionamiento)

:




B023(Conmutador analógico de valor umbral

diferencial) :

B025(Conmutador analógico de valor umbral diferencial) :

Parámetro

Rem = off 02:00s+

Rem = off 03:00s+

Rem = off

Rem = off 03:00s+

Rem = off 15:00s+

Rem = off

Rem = off On=3+ Off=4

MI=9999h 0m+ OT= 0h 0m Q->0=R+En

Rem = on On=0+ Off=0



Gain=1.0 Offset=0 On=3 Delta=19

Gain=1.0 Offset=0 On=3 Delta=19

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Número de bloque (tipo)




B030(Conmutador analógico de valor umbral) :

B033(Conmutador analógico de valor

umbral) :

B034(Conmutador analógico de valor

umbral) :

I1(Entrada) : SPI

I2(Entrada) : PSD

I3(Entrada) : SI

I4(Entrada) : LM

Parámetro

Rem = off 20:00s+

Rem = off 03:00s+

Rem = off

Gain=1.25+ Offset=-250 On=12 Off=8 Point=3

Gain=1.0+ Offset=0 On=10 Off=6

Gain=1.0+ Offset=0 On=6 Off=12

55

ANEXO 2. Programa desarrollo en Logo!soft confort

diseÑo del controlador para el sistema filtro motor...

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