MODBUS CON CLIC02 y un CFW08 (1)

Con las versiones 3.X del Clic 02 de WEG (o el SG2 de la firma TECO) se abre la posibilidad de utilizar a este equipito como master Modbus y realizar una pequeña red con otros dispositivos.
La idea es comunicar dos o mas equipos:

En los siguientes ejemplos se muestra como acceder a parámetros del CFW08 y verlos en el HMI del Clic.

CIRCUITO
Se debe conectar al Clic con el puerto RS485 del convertidor. Este se forma con una HMI opcional que cuenta con dicho puerto.

El clic debe contar con un puerto. Por ejemplo el modelo 20VT-D como el que se va a usar en estos ejemplos y debe ser de la versión 3.X. En el frente del PLR figura como 3rd en rojo.

El clic tiene etiquetados los terminales del puerto en forma invertida.
Se debe utilizar un cable de tipo RS485 ( par trensado enmallado) conectando el terminal A del Clic con el B del CFW08 y el B del Clic con el A del CFW.

Es recomendable colocar una resistencia de 120 Ohms en cada fin de línea para evitar reflexiones. La HMI del CFW08 la incluye, se deben habilitar los dipswitch ubicados cerca de la bornera del puerto.

CONFIGURACION DEL CFW08
Se configura el puerto de comunicación con los mismos parámetros que se usan en el Clic 02:

P308= 2 (dirección en la red Modbus)

P312=3 (Modbus RTU, 9600 bps, paridad par)

P314=0 (sin función watch-dog)

CONFIGURACION DEL CLIC02

El clic02 se configura en el modo Modbus, para ello debe colocarse el Remote I/O en N y la dirección del master en un valor diferente de 0 (1 en este caso).

UN PRIMER PROGRAMA

El Clic 02 cuenta con las instrucciones MU para enviar telegramas Modbus. Dado que solo hay un puerto se debe realizar en el ladder enclavamientos para que solo una instrucción MU se utilice por vez. En este primer ejemplo se va a usar solo una instrucción MU.

1-      En el registro DR 01 se indica que se debe leer la dirección de memoria 2 del esclavo (correspondiente al P002 del CFW08, es decir a la frecuencia de salida).

2-      La longitud el dato se indica en el DR 02 (1 en este caso).

3-      En la instrucción MU, se indica que el master debe leer en el esclavo 2, la dirección indicada en el DR 01. El resultado leído se almacena en el DR E0.

4-      La pantalla H1 indica el valor leído y almacenado en ese registro.

     INSTRUCCIÓN MU1: 

El modo 1 indica leer un registro, en el remote ID 2 (el CFW08), en la dirección indicada en Comm. Add, es decir la indicada en el registro DR 01, con longitud guardada en el DR 02, y el resultado leído en el CF se guarda en el registro DR E0 del Clic.

La pantalla H1 se configura de esta forma:

De esta forma se visualiza el valor de la frecuencia multiplicada por 100 en la pantalla del Clic02 mientras esté accionada I1.

Los telegramas intercambiados entre maestro y esclavo son los siguientes:

Mas detalles sobre el protocolo Modbus en el manual Introducción a los PLC, relés lógicos programables del autor de este Blog. En siguientes post se verán otros ejemplos.

GOLPE DE ARIETE

Al trabajar con bombas es habitual escuchar un estampido en el momento del apagado. Este se debe a que la energía cinética del fluido no se puede disipar inmediatamente y la masa de agua sigue moviéndose y rebotando contra la válvula de retención. Esto produce un transitorio de presión en el sistema que deteriora cañería, sujeciones mecánicas y válvulas. Este transitorio se conoce como golpe de ariete (water hammer).

Existen técnicas mecánicas para amortiguarlo (como siempre en ingeniería, la palabra "eliminar" es mala palabra... valga la redundancia!) que no serán tratadas aquí. Sí, se analizan dos variantes de control del motor y su influencia en la amplitud de este golpe. 

Los valores indicados corresponden a una bomba KSB equipada con un motor WEG de 100HP, 1485 RPM, que abastece (junto con otras 4) una planta de bombeo ubicada en zona sur del gran Buenos Aires.

Estas bombas toman agua de una cisterna y la elevan a un tanque de aproximadamente 30m de altura ubicado a unos 30m de la estación de bombeo. Este tanque lleva por acción de la gravedad, el vital elemento hasta la ciudad.

CON ARRANQUE ESTRELLA TRIANGULO 

En el video que sigue se visualiza el arranque y la parada de la bomba con un arranque estrella triángulo convencional:

En este video, se escucha un fuerte estampido cuando golpea la válvula de retención y se observa la amplitud de la vibración en la cañería incluso después del manchón.

A continuación la evolución de la corriente (en Amperes y segundos) durante el funcionamiento de la bomba.

Se ve una corriente de arranque (en estrella) del orden de 280A de pocos segundos de duración, un breve tiempo (10 segundos aproximadamente) de corriente cercana a los 140A en triángulo y luego la corriente de régimen permanente de aproximadamente 120A (la nominal del motor es de 139A)

Los siguientes son oscilogramas de corriente en una fase, donde se indica, solo como anecdótico para aquellos que hayan seguido post´s anteriores, el transitorio de la conmutación E-T en el primero  y el efecto del capacitor de factor de potencia en la parada final en el segundo:

CON ARRANCADOR SUAVE

En el mismo tablero, se reemplazaron los contactores del E-T por un SSW07 de 171A. El banco de compensación de factor de potencia, se activa con un contacto auxiliar del equipo, cuando se  termina la rampa de aceleración.

Si la misma bomba se acciona con un arrancador suave, se logran dos ventajas: una reducir la corriente de arranque, sin conmutación (como el pasaje de estrella a triángulo) con su efecto favorable sobre la red y a su vez sobre el transitorio de presión. Y la segunda ventaja es reducir el golpe de ariete en la parada.  Esto último se logra  haciendo que el motor se encargue de frenar a la masa de agua lentamente, de forma que la energía se vaya reduciendo lo más suavemente posible.

Desde el punto de vista de la parametrización del arrancador, se dispone de varias herramientas. En este caso se utilizó una rampa de tensión, controlando su duración, para prolongar el tiempo de parada. Se empezó configurando solo el tiempo de deceleración. Luego de unos cuantos intentos con diferentes rampas, se llegó a la conclusión de que este parámetro solo no fue suficiente ya que si bien se producía un golpe más suave  seguía siendo importante. Se tuvo que experimentar con tres variables: el tiempo de deceleración, el salto de tensión en el momento del apagado y el valor de tensión final de la rampa. El conjunto de valores correctos se obtuvo experimentando y a “oído”,  ya que solo se contaba con manómetro en el lado de la bomba, no del otro lado de la válvula de retención. El resultado se “oye” en el siguiente video:

La gráfica de corriente  observada es:

Se observa que si bien la corriente de arranque orilla los 400A, la duración de este transitorio es inferior al caso del E-T. Además se ve el aumento de corriente en el final de la rampa de deceleración como se mencionó previamente, esto no sucede en el ET pero es aquí donde se está usando al motor para detener a la masa de agua en movimiento!!! Además existe una oscilación en el momento donde se produce el primer golpe, que es evidentemente mas suave que en el caso del ET. En algunos ensayos se presenciaron dos golpes.
La evolución de la tensión que entrega el soft starter, con la mejor parametrización experimentada es:

y un oscilograma con la corriente en el momento de dar la orden de apagar al arrancador:

Dado que la corriente en la parada aumenta mientras el motor está frenando a la masa de agua en movimiento se debe verificar que esté bien ajustada la protección del motor, puesto que en el fragor de la lucha cuerpo a cuerpo entre el técnico y la máquina durante la puesta en marcha es muy fácil excederse!!!.

También se debe respetar el tiempo entre arranques. Para ellos es útil configurar un parámetro que no permita arranques sucesivos en menos de unos minutos, de forma que el equipo logre refrigerar su etapa de potencia.

AJUSTE RECOMENDADOS.

Se recomienda iniciar con:

• una rampa de deceleración del orden de los 15 segundos, 
• un escalón de tensión en el inicio de la rampa de deceleración del orden de 80% de la tensión nominal del motor 
• y un nivel de tensión de salida en el momento de la desconexión del orden del 50% 

(en el caso de un SSW07 de la casa WEG, como en este trabajo son los parámetros 103, 104 y 105, a los que se accede con un opcional  HMI o con una interface PC. Ya que el equipo en formato comercial viene sin ellos, se deben adquirir por separado).

En este caso puntual los valores de dichos parámetros fueron respectivamente 80% / 10seg / 55%.

Para llegar a ellos, se realizaron al menos 15 juegos de valores de estas 3 variables, durante la puesta a punto, llegando a esta configuración como la que permitió el menor impacto.
Para el ajuste de la rampa de aceleración  fue de utilidad el manómetro que se encontraba en la entrada de la válvula de retención. Se encontró así que con una rampa de 10 segundos se lograba un valor aceptable de oscilación en la presión durante el arranque:

Se observa que la presión no inicia con el arranque del motor. Esto se debe a la curva caudal-velocidad de la bomba.
Además se tuvo que configurar el voltaje inicial en el 80% de la tensión nominal para lograr que el motor empiece a girar inmediatamente aplicada la orden de arranque al equipo.


NOTA IMPORTANTE.
No siempre se logra un valor bajo de golpe de ariete con un control en rampa de tensión. En determinados casos, en sistemas hidráulicos mas complejos se requiere de un "control de par". Dado que el SSW07 no lo incluye, se debe recurrir a un SSW06, de mayores prestaciones. Esto debe tenerse en cuenta a la hora de evaluar la solución ya que los costos se incrementan.
Además se puede contar con un convertidor de frecuencia, con la ventaja adicional de poder controlar el caudal y reducir el consumo en situaciones que así lo permitan. 

PAR DISPONIBLE EN CONTROL ESCALAR.

No siempre los fabricantes de convertidores de frecuencia ofrecen un medio de estimar que par puede lograrse con sus equipos. Para tratar de esclarecer este tema se ha ensayado con un dinamo-péndulo a un CFW10 (en modo escalar) con un motor de 1.5HP 2 polos. El banco de ensayos es el provisto al ISFT 188 de Gral. Rodriguez, que en esta imagen se ve con un motor monofásico:

Principio de funcionamiento:

El dinamo está montado sobre soportes de pie con rodamientos, en lugar de sobre sus patas, de forma que su carcasa  puede moverse libremente. Sobre la misma se encuentran montados dos brazos de acero con pesas de 10N que pueden deslizarse como en una báscula. Cuando se aplica carga al dínamo este reacciona. Equilibrando el par de fuerzas de reacción con los contrapesos, se puede determinar la fuerza de reacción y con ella el par motor desarrollado. Lograr el equilibrio es complicado, el movimiento de la barra es de tipo pendular  como se observa en el video:

A medida que se acerca al equilibrio la frecuencia de la oscilación se hace mas baja, permitiendo encontrar una medida de la pesa que se inclina mas hacia la derecha y otra posición que se inclina mas a la izquierda. Con un poco de pericia en su uso, estas dos medidas pueden diferir entre si en un par de mm. Tomando el promedio de ambas mediciones se obtiene la posición de equilibrio. En primer lugar se busca equilibrio sin girar. Esto se trata de determinar con las pesas a 50cm del extremo del soporte. Luego con el motor girando a diferentes cargas del dínamo. La diferencia entre las posiciones de equilibrio se multiplica por el peso de la pesa y se obtiene el par desarrollado.

Junto con estas mediciones se toman las RPM del eje,

también se mide la corriente del motor y se grafican los resultados a diferentes frecuencias de trabajo.

Ensayo:

El convertidor ensayado es un WEG, CFW10 de 7.3A con alimentación monofásica. El motor es un WEG de 1.5HP 2800RPM, 50Hz conectado en triángulo, con una corriente nominal de 4.55A. El par nominal de este motor es de 3.75Nm.

El gráfico de par motor (eje vertical en Nm) en función de la velocidad del eje (eje horizontal en RPM), para diferentes frecuencias de trabajo es el siguiente:

En este gráfico se ven varias características del modo de control escalar:

1) la velocidad no es constante, depende de la carga. La frecuencia indicada en el display del HMI, solo permite estimar la velocidad real del motor cuando este está en vacío. Con carga, debido al resbalamiento característico del motor asincrónico y como además el convertidor en escalar no corrige frecuencia al aumentar la corriente, se ve una caída en las RPM al aumentar la carga mecánica. 

2) en frecuencias bajas el par máximo obtenido es muy inferior al nominal (3.75Nm)

3) en sobrevelocidad (frecuencias superiores a la nominal) el par máximo vuelve a reducirse.

3) incluso a 50Hz, no se obtiene el par nominal del motor.

En este gráfico no se indican los valores de corriente, por lo que podría parecer que se puede exigir un poco mas al motor. No es así... En el siguiente gráfico se marcan los valores de par obtenidos a la corriente nominal del motor, antes de que el convertidor saliera de servicio por error de sobrecarga (E05):

Los valores que superan los óvalos rojos son pares medidos con el motor sobrecargado. La línea imaginaria que forman estos puntos debería ser tomada como primer aproximación del par de régimen permanente disponible por el conjunto motor-CFW10. Los valores medidos por encima de estos puntos, activaron la protección por sobrecorriente del convertidor.

Se observa muy claramente que no puede llegarse al valor de par nominal en ninguna de las frecuencias ensayadas, llegando como máximo a un 80 % del mismo. Este problema es característico del control escalar.
Además se debe aclarar que en estas mediciones no se ha tomado en cuenta el efecto del calentamiento debido a armónicas ni a la falta de refrigeración del motor en bajas revoluciones, dado que por la corta duración de los ensayos, estos no resultaban de importancia. En una aplicación real deberá reducirse el par de régimen permanente para tomar en cuenta dicho calentamiento.

ARMONICAS (2° parte: corrientes por el neutro)

En una planta industrial tienen un tablero con 20 convertidores monofásicos alimentados desde la red trifásica:

En un principio vino la consulta porque los interruptores duraban muy poco. Sospechando que la cercanía al trafo de distribución significara una corriente de cortocircuito elevada y que no sirvieran los pequeños interruptores din, se fue a medir y se observó que efectivamente estaba muy cerca, siendo recomendable utilizar un interruptor en caja moldeada (16 o 25kA), mas que interruptores din (6kA como mucho) pero además surgió otra sospecha:  quien midiera la corriente para elegir el interruptor, tomó en cuenta el efecto de las armónicas?

Medidas Trms, arrojaron los siguientes valores:

Fase negra:  40Arms

Fase roja:    43Arms

Fase negra:  29Arms

La corriente en el neutro, normalmente en un sistema casi equilibrado debería ser muy baja. Uno hubiera esperado que fuera del orden de los 10A aproximadamente. Moraleja, se puso un interruptor de 63 A para protección del conjunto. Pero…..:

       Mediciones en el neutro arrojaron un valor de 66Arms!!!!!........

Al colocar el osciloscopio con un adaptador de efecto Hall, se observó lo siguiente:

50A/div, aproximadamente 40Arms, 125A de cresta:

y para el neutro:

No muy sorprendente, pero se ve que la frecuencia es de 150Hz, no de 50Hz como hubiera sido de esperar en una red lineal..... Además hay 66Arms y casi 150A de cresta. 

Una señal de 150Hz habla a las claras de la tercera armónica en estado natural... en vivo y en directo.

¿Por qué? 

Si se analizan gráficamente las sumas de las corrientes de las tres fases, se ve que en el neutro no se cancelan como cuando se operan cargas balanceadas con señales sinusoidales puras:

El valor eficaz de la corriente por el neutro en un sistema “equilibrado”, es decir con 3 corrientes iguales con armónicas, se puede calcular en forma aproximada con Ifase * 1.73. Es decir que siempre será superior a la corriente de fase. Si las corrientes de cada fase son diferentes, la corriente del neutro será inferior a este valor. Por ejemplo en el caso particular de dos fases con una corriente de igual magnitud y la tercera sin carga, la corriente del neutro resulta ser 1.41* I fase. Sigue siendo superior a la de fase.

 La solución  a este problema es en principio colocar un interruptor en caja moldeada de 4*80A, o dos de 4*63 en grupos de 10 convertidores,  replantear cálculo de cables y pensar seriamente en colocar reactancias de red en al menos paquetes de convertidores.

Quedaría la impresión que este problema solo afecta a cosas industriales. En las escuelas, ciber, centros de cómputo, oficinas, etc. hay muchas computadoras, conectadas en forma monofásica a una red trifásica. Por ejemplo la corriente en una fase de un laboratorio de informática de una escuela es poco sinusoidal:

En una tienda de venta de electrodomésticos, donde se exhiben televisores, en una casa con muchas lámparas de bajo consumo, en una oficina con muchos balastos electrónicos y computadoras, y en todos los lugares imaginables donde abunden cargas no lineales, se tendrá algún efecto no deseado debido a las armónicas.

Para elegir los calibres de las protecciones se deben realizar mediciones con instrumentos trms (true rms) ya que si solo se mide la componente de la primer armónica (la fundamental) con un instrumento de valor medio, el interruptor elegido quedará chico para la aplicación.

Además se debe medir la corriente en el neutro.

ARMONICAS (1° parte)

Las armónicas son tensiones o corrientes senoidales puras que sumadas conforman la onda de tensión o corriente de carga que se está observando.

Como ejemplo, una onda cuadrada simétrica de 1V de amplitud máxima, con un período de 1000mseg, es decir de 1Hz se puede decir que es una composición de ondas senoidales con el siguiente “espectro”:

Primer armónica (fundamental): 1Hz, 1.27V de pico

Segunda armónica: No tiene

Tercer armónica: 3Hz, 0.42V

Cuarta armónica: no tiene

Quinta armónica: 5Hz, 0.25V

Y así se puede seguir hasta el infinito y mas allá. Graficando la onda original y sus armónicas 1°, 3° y 5°:

Si se suman algebraicamente y punto a punto estas señales senoidales, hasta la 5° armónica se obtiene:

Que se asemeja bastante a la onda cuadrada!!!! Sumando las armónicas superiores se va logrando un mejor acuerdo con la función original. Por ejemplo si se sigue sumando, hasta la 9° armónica:

Si bien este análisis no es muy formal desde un punto de vista científico, es evidente la veracidad de que se pueden sumar muchas ondas senoidales con la amplitud y frecuencia correcta, para obtener una onda cuadrada.  Fue el Barón de Fourier quien primero halló una forma matemática para obtener la amplitud y fase de las señales armónicas por el año 1822 mientras buscaba la forma de resolver el problema de conducción del calor en placas metálicas. Postuló en su ThéorieAnalytique de la Chaleur que cualquier señal periódica de cualquier forma, se podía descomponer en suma de senos y cosenos de frecuencias múltiplos de la frecuencia de la señal. Llevó años poder justificar esta afirmación y de hecho hoy algunos matemáticos siguen investigando el campo de validez de la misma… pero ese es tema de otro blog…

APLICACIONES  A LA ELECTROMECATRONICA:

Muchos equipos eléctricos y electrónicos generan armónicas. Como es esto? Si el equipo utiliza elementos no lineales, la onda de corriente es distorsionada, no es senoidal pura, aunque sí se lo alimente con una onda senoidal pura. 

Que es un elemento no lineal? Es mas fácil decir lo que es un elemento lineal: una resistencia perfecta… Casi todo lo demás que se conecta a una red de distribución tiene no linealidades, es decir que si se aumenta la tensión la corriente varía en forma no lineal. Los principales elementos que introducen no linealidades son los núcleos ferromagnéticos en trafos, motores, reactancias, etc y la electrónica, especialmente los equipos que tienen fuentes de tipo conmutada (o switching) ya que rectifican la red directamente.

Por ejemplo, en un rectificador de media onda con carga resistiva, las tensiones (azul) y corrientes (rojo) de red serían:

Si encima (como sucede en prácticamente todas las aplicaciones) el rectificador tuviera carga capacitiva (un filtro) se produce un gran transitorio de corriente mientras el capacitor se carga a traves del diodo tomando energía de la red. 

En el oscilograma siguiente se muestra en azul la tensión de salida al rectificador y en rojo la corriente tomada del transformador:

El diodo deja pasar corriente al capacitor mientras la tensión de red es superior a la tensión del capacitor, que se está cargando con dicha corriente.  Cuando la tensión del capacitor es mayor que la de red, el diodo deja de conducir. No hay corriente mientras la tensión de red sea inferior a la del capacitor. Durante ese tiempo, el capacitor entrega corriente a la carga y su tensión se reduce exponencialmente con el tiempo de descarga.

El primer transitorio es de mayor amplitud ya que debe cargarse el capacitor desde cero. Los siguientes serán de menor amplitud:

Esta corriente deformada la manifiestan muchos equipos modernos. Dado que utilizan rectificadores de onda completa, se verá también el pico negativo en la corriente de red como en los ejemplos siguientes donde se muestran capturas de ondas de intensidad de diferentes cargas no lineales.

Computadora: se visualiza tensión y corriente en una notebook.

Lámparas de bajo consumo: 10A/div, 8 lámparas de 105W en una red monofásica. Valor de corriente rms:  Valor de cresta, aproximadamente 20A. 

Variadores de velocidad monofásicos:

en este caso con mucho ruido en la línea producto de la contaminación electromagnética producida.

Variadores de velocidad trifásicos:

Y algunos equipos no tan modernos, también generaban armónicas (aunque nunca las hubieramos visto!!!)

Capacitor para corregir Factor de potencia de 10KVAr:

Transformador monofásico 1KVA:

Lámparas fluorescentes. Tensión (azul) corriente (rojo) para un tubo de 20W:

Para 7 tubos de 40W:

Comparativa entre balastos electrónicos (rojo) y estándar (azul) para fluorescentes:

El valor rms del electrónico es inferior al std, pero el valor de cresta evidentemente no.

Incluso la tensión de red deja mucho que desear, en el sentido de la “pureza” de su onda ya que el trasnformador de distribución que está en el poste tiene núcleo de hierro, que no es un material magnéticamente hablando, muy lineal que se diga.

La mayoria de las cargas no lineales, generan un valor de cresta muy elevado. Muchos instrumentos no lo pueden medir correctamente por lo que encontrar un problema  a “tester” es algo mas que complicado. Este elevado valor de cresta será responsable de producir una mayor caída de tensión en el pasaje por la cresta, lo que tiende a aplanar los máximos de voltaje de salida de los transformadores distorsionando la tensión de red y produciendo mas problemas aún.

La circulación de corrientes armónicas generan calor como cualquier otra corriente. Esto se manifiesta en un calentamiento no deseado en motores, cables, transformadores, interruptores, etc. Es por eso que se trata de atenuar estas componentes lo mas posible o al menos tomarlas en cuenta al dimensionar la instalación.

Softs para diseño, simulación y Dibujo Técnico.

Dos soft de gran utilidad y de uso libre:
CADe-simu: un muy buen simulador de esquemas con relés temporizadores, etc pueden descargarlo de:

http://personales.ya.com/canalPLC/descarga.htm

junto con otros soft de gran utilidad (simuladores de PLC, SCADA, etc)
La clave de uso del producto se solicita por mail al diseñador del soft.

El segundo es un soft de dibujo asistido en 2D similar al popular de una marca muy conocida, lee y guarda en formato DWG. Es el Draft Sight que puede descargarse de:

http://www.3ds.com/products/draftsight/free-cad-software/

Solo es necesario registrarse y empezar a usarlo.

Contactores para capacitores: Sirven?

Cuando se conecta un capacitor trifásico  a la red, la corriente de inserción depende de la impedancia de la red. Un oscilograma típico (para un capacitor de 10kVAr)  es :

Este transitorio elevado se puede reducir colocando una resistencia en serie durante la inserción para luego realizar un bypass anulándola. Los contactores para conexión de capacitores permiten realizar toda la maniobra:

La resistencia es de un bajo valor pero lo suficiente como para reducir dramáticamente la corriente de inserción:

El oscilograma obtenido con una cascada de 3 contactores y 3 bancos de 10KVAr (un contactor habilita al siguiente entrando así un capacitor después del otro con intervalos del orden de los 20mseg.)  fue la siguiente:

Es clarísimo que se reduce notablemente el transitorio inicial.