Al final, no os preguntarán qué habéis sabido, sino qué habéis hecho (Jean de Gerson)

CONTROL EN RANGO PARTIDO


Control Rango Partido


1. QUÉ ES UN CONTROL EN RANGO PARTIDO
2. TIPOS DE CONTROL EN RANGO PARTIDO
2.1 Rango partido (propiamente dicho)
2.2 Rango en oposición
2.3 Rango en secuencia

3. PARTICULARIDADES DEL CONTROL EN RANGO PARTIDO
3.1- Rango en secuencia
3.2- Rango partido con margen
3.3- ¿Por qué un rango partido?

3.4- Detractores del control en rango partido
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1- QUÉ ES UN CONTROL EN RANGO PARTIDO

Un control en rango partido es controlar varios actuadores con una sola función PID (proporcional, integral y derivada).

Nota: "Pulsar este enlace" si se quiere saber más sobre la función PID.

Para entender cómo aplicar un control en rango partido, se mostrarán varios ejemplos de casos reales que se pueden encontrar en una planta  industrial.



En los ejemplos, se usarán  2 válvulas de control modulables. En estas válvulas se puede modificar desde un controlador el porcentaje de apertura a través de una señal cableada.



Control Industrial

Ambas válvulas, intentarán regular la misma variable (que podría ser presión, temperatura, nivel,...).

La variable será media por un instrumento de campo y enviada al controlador.

Instrumentacion y Control
Todo lo expuesto en este artículo pretende explicar qué se puede programar en el controlador para que ambas válvulas actúen de forma coordinada.

I&C control partido
Para la programación de estos lazos en el controlador se configurará una sola función PID, y a cada válvula se le asignará un rango de la salida de dicha función PID (Es decir el rango se "parte" asignando a cada válvula un trozo del rango del PID).
Función PID

Esto requiere que además de una función PID, se debe configurar otra función a cada actuador que le indique el rango asignado (F1(x), F2(x)).



Control en rango partido


Nota: Esto se entenderá mejor, viendo los siguientes ejemplos ;)

2- Tipos de control en rango partido

- Rango partido (propiamente dicho)
- Rango en secuencia
- Rango en oposición

2.1- Rango partido (propiamente dicho)

Este tipo de control se utiliza principalmente cuando hay que regular una variable y para ello se dispone de dos equipos cuya acción influye de forma opuesta sobre dicha variable.

Por ejemplo se necesita mantener una presión constante de 5 barg en un tanque (presurizado con nitrógeno), y se dispone de una válvula que aporta nitrógeno (aumentando la presión) y otra válvula que ventea el nitrógeno (disminuyendo la presión).



Nota: Set-Point =5 barg

Control partido nitrógeno
El controlador recibe continuamente el valor de presión medido en el tanque y debe de indicar en todo momento a las válvulas en qué posición deben colocarse para mantener el valor deseado (5 barg). Para ello se ha decidido programar un lazo en rango partido que controle ambas válvulas


Representación P&ID rango partido

A la válvula que aumenta la presión aportando nitrógeno, se le asigna por ejemplo la mitad del rango del PID 0-50% e invertido.

Control Partido válvula 1


La fórmula F1(x) es:
Salida a la válvula = 2 x (50% - ( Salida del PID))

De forma que la válvula estará totalmente abierta (100%) cuando la salida del PID sea 0% y cerrada cuando el PID tenga a su salida 50%.

Salida del PID = 0%, Salida de la válvula1= 100%
Salida del PID = 25%, Salida de la válvula1 = 50%
Salida del PID = 50%, Salida de la válvula1= 0%

A la segunda válvula (venteo de nitrógeno), se le asignará la otra mitad del rango (50%-100%).
Control Partido válvula 2




La fórmula F2(x) es:
Salida de la válvula = 2 x ((salida del PID)-50%)

Salida del PID = 50%, Salida de la válvula 2= 0%
Salida del PID = 75%, Salida de la válvula 2 = 50%
Salida del PID = 100%, Salida de la válvula 2= 100%


Gráfica control partido
Cuando el controlador vea que falta presión (valor medido < set point) irá reduciendo su salida hasta 0%, hasta que la válvula de entrada de gas quede totalmente abierta y la de venteo de gas totalmente cerrada.
Rango partido

A medida que la presión del proceso aumenta la válvula de entrada comienza a cerrarse.
Rango partido

Cuando la salida del PID llega al 50%, las dos válvulas están totalmente cerradas.
Rango partido

Si la presión del proceso continúa aumentando, la salida del PID superará el 50% y la válvula de venteo comenzará a abrir.
Rango partido

Si el valor de presión se mantiene muy alto la válvula de venteo podría llegar a abrirse completamente.
Rango partido


2.2- Rango en oposición

Este tipo de control se utiliza principalmente cuando se necesita regular una variable y para
ello se controla dos equipos cuya acción influye de forma opuesta sobre dicha variable.

Pero a diferencia del caso anterior, en esta aplicación el proceso nos exige mantener el paso del fluido para que el caudal sea más o menos constante (por lo que no deberían estar ambas válvulas cerradas a la vez).

Por ejemplo, hay que aportar un caudal más o menos constante a un reactor, y el fluido tiene dos caminos con una válvula de control cada uno.



Control en oposición


En un camino el fluido atraviesa un intercambiador calentándose.

En el otro camino el fluido pasa sin calentarse.
Para regular la temperatura a la salida del sistema, se utilizarán las 2 válvulas configurando un control partido con rango en oposición.


Control en oposición


Cuando la temperatura medida, sea superior a la temperatura objetivo (set-point), habrá que enfriar el reactor, con lo que la válvula del intercambiador irá cerrando mientras la otra va abriendo proporcionalmente.


Cuando la temperatura medida, sea inferior a la temperatura objetivo (set-point), habrá que calentar el reactor, con lo que la válvula del intercambiador irá abriendo mientras la otra va cerrando proporcionalmente.

La fórmula F1(x) es:
Salida de la válvula = Salida del PID
(Son iguales)

La fórmula F2(x) es:
Salida de la válvula = 100- (Salida del PID)
(Es invertir el valor)

Salida del PID = 0%
Salida de la válvula1= 0%
Salida de la válvula2= 100%

Salida del PID = 100%
Salida de la válvula1= 100%
Salida de la válvula2= 0%


Nota: En resumen cuando una válvula abre la otra cierra.


Nota: La diferencia principal entre esta filosofía y la anterior, es que en el rango partido propiamente dicho se buscaba que nunca estén ambas válvulas abiertas al mismo tiempo (o se aportaba presión o se venteaba), evitando malgastar fluido. Sin embargo en el control en oposición se busca mantener constante el paso del fluido, haciendo que en la mayoría de los casos se esté trabajando con ambas válvulas abiertas al mismo tiempo.

2.3- Rango en secuencia

Este tipo de control se suele dar cuando hay dos o más equipos que influyen de forma similar sobre el proceso.

Por ejemplo dos válvulas que ventean gases de un tanque. La válvula 1 envía gases a otro tanque del proceso y la válvula 2 ventea gases hacía la atmosfera por una antorcha. Actuando sólo en los casos en los que la primera válvula esté abierta 100% y la presión no se reduzca lo suficiente.

Rango en secuencia
Las graficas que les corresponden podrían quedar así.

Rango en secuencia




Salida de la válvula 1 = 2 x (Salida del PID)
Salida de la válvula 2 = 2 x (Salida del PID - 50%)

Cuando la presión medida en el ejemplo (por ejemplo 6 barg) supera el set-point establecido (por ejemplo 5 barg). La salida del PID empezará a incrementarse, con lo que la "Válvula 1" comenzará a abrir, mientras las "Válvula2" se mantendrá cerrada.


Cuando la presión sigua aumentando y la salida del PID haya alcanzado el 50%, la primera válvula estará 100% y la segunda válvula empezará a abrir.

3- PARTICULARIDADES DEL CONTROL EN RANGO PARTIDO

3.1- Rango en secuencia


Otro ejemplo de rango en secuencia, es cuando se tiene que regular el caudal que pasa por una tubería y el rango de caudales posibles, es muy amplio.

En esta aplicación, es común instalar dos válvulas en paralelo, una para regular los bajos caudales y otra para los altos caudales.

En el ejemplo que hemos visto de rango en secuencia del apartado 2.3, se ha repartido la salida del PID al 50% para cada válvula, pero cuando el tamaño de las válvulas es distinto se puede asignar más peso a la válvula más grande.


Por ejemplo el 25% del las salida del PID a la pequeña y el 75% de la salida del PID a la grande.


Gráfica Rango en secuencia
En todos los ejemplos, se han utilizado dos actuadores. Pero al igual que dos, se podrían instalar tres o más válvulas y repartir el rango en tres o más partes. Provocando que las válvulas se abran o cierren secuencialmente en función de la variable a controlar.
Rango en secuencia tres actuadores


 3.2- Rango partido con margen

En una aplicación real, la gráfica mostrado en el primer ejemplo, se suele realizar una pequeña modificación.
Control partido nitrógeno


Se suele dejar un margen llano del 5 o 10% en el que ambas válvulas permanecen cerradas, esto evita posible oscilaciones en el momento en el que una válvula cierra y debe empezar a abrir la otra.


Esto evita que cuando la variable medida esté fluctuando en torno al set-point, que el control demande continuamente pequeñas aperturas de una y otra válvula. Estas pequeñas aperturas no hacen que el control mejore en nada y sin embargo desgastan a las válvulas innecesariamente.
Gráfica control partido real


3.3- ¿Por qué un rango partido?

Control partido o sin control partido


Representación P&ID rango partido
Si no se aplicase control en rango partido y a cada válvula se asignase un PID independiente, como en este ejemplo. Las dos válvulas se pondrían a controlar la misma variable (la presión del tanque) de forma independiente.


Sin control partido


Tras dejarlas un tiempo trabajando de forma independiente, se podría llegar a situaciones en las que se estaría perdiendo nitrógeno de forma innecesaria.


Por ejemplo, si la presión deseada es 5 barg y el transmisor indica que el valor medidor es 5 barg. Una válvula esta abierta 25% introduciendo 3 m3/h de nitrógeno y la otra abierta al 10% expulsando 3 m3/h. Como el valor medido es el deseado, ninguna válvula se mueve.
Sin control partido
En este ejemplo, se está consumiendo nitrógeno cuando no sería necesario. Si ambas válvulas estuvieran cerradas seguramente la presión se mantendría en 5 barg. Para evitar que se pueda dar esta situación se aconseja un control en rango partido, como el que se expuso al principio de este artículo.

3.4- Detractores del control en rango partido

Los detractores del control en rango partido, como solución prefieren configurar dos PID independientes con distintos set-points cada uno.


Por ejemplo, la válvula de venteo con una consigna de 5,5barg y la válvula que presuriza con una consigna de 4,5 bar.



sin control partido
De esta forma la válvula que ventea y cuyo PID suele ser más lento, empezará a abrir cuando el valor medido se acerque a su set-point (5,5 barg), en este punto la otra válvula permanecerá cerrada ya que su set-point (4,5 barg) tiene un margen adecuado de diferencia.

Esto evitará que el sistema pueda llegar a situaciones de equilibrio con ambas válvulas abiertas.


Nota: Cómo conclusión, en instrumentación y control, no suele haber una sola manera correcta de hacer bien las cosas, normalmente, nos encontraremos varios caminos y basándonos en nuestra experiencia, recomendaremos más, unos que otros.

Tras habernos estrellado con muchos muros levantados por nosotros mismos, nuestro consejo personal, es que debéis tener siempre la mente abierta y saber escuchar. No existe la opción correcta, sólo existen opciones mejores que otras y lo que hoy se hace de una manera, mañana por las circunstancias que sea, se hará de diferente forma.




Elaborado por:
David Espinos Palenque y Julio.C Fernández Losa 28/05/2017
Si tiene algo que corregir o añadir agradecería que me mandara sus comentarios a:
InstrumentacionHoy@gmail.com

INTERPRETAR EL DIAGRAMA UNIFILAR GENERAL DE UNA PLANTA INDUSTRIAL

1. ¿QUÉ ES UN DIAGRAMA UNIFILAR GENERAL?
2. PLANO DE SIMBOLOGÍA
3. REPRESANTACIÓN DE LOS EQUIPOS ELÉCTRICOS EN LOS UNIFILARES
  3.1. Representación de Conductores
  3.2. Representación de Interruptores
  3.3. Representación de Seccionadores
  3.4. Representación de Otros Equipos Eléctricos
4. ALGUNOS CONCEPTOS BÁSICOS
  4.1. Diferencias entre un Interruptores un Seccionador y un Contactor
  4.2. Interruptores
  4.3. Salida tipo Feeder o Control
  4.4. Control Local y Remoto
  4.5. Control Automático Manual
  4.6. Elementos de Protección
  4.7. Elementos de Medida
5. PARTES PRINCIPALES DE UN DIAGRAMA UNIFILAR GENERAL
  5.1. Conexión con la Red
  5.2. Subestación
  5.3. Transformador Principal
  5.4. Edificio Eléctrico
  5.5. Cabinas de Medida
  5.6. Transformador de Baja Tensión
  5.7. Cuadro de Distribución de Baja Tensión
  5.8. CCM
  5.9. Sistema de Esenciales
  5.10. Sistema de Tensión segura
    5.10.1. Sistema de Corriente Continua
    5.10.2. Sistema de Alimentación Ininterrumpida (SAI)

6. ALIMENTACIÓNES REDUNDANTES


1. ¿QUÉ ES UN DIAGRAMA UNIFILAR GENERAL?
Interpretar un unifilar


“El Diagrama Unifilar General de una Planta Industrial”, es un documento que representa gráficamente las partes más relevantes del sistema eléctrico, dentro de una planta industrial.

ejemplo unifilar
Este documento es alcance del departamento eléctrico, sin embargo es imprescindible que cualquier ingeniero de instrumentación y control, sepa interpretarlo adecuadamente para poder realizar correctamente su trabajo.
electricidad versus I&C
En este tipo de plano, todos los conductores de cada circuito (haya 2, 3 o más conductores), se representarán con una sola línea y por eso recibe el nombre de plano unifilar.

Unifilar I&C
Como norma general los unifilares, se dibujan siguiendo el sentido de la energía de arriba hacia abajo. Por arriba los puntos de interconexión con la red y por abajo los consumidores finales.
Dibujo unifilar

2. PLANO DE SIMBOLOGÍA

Al igual que la mayoría de planos de ingeniería, los esquemas unifilares deben de contar con un plano general de simbología que facilite la tarea de reconocer cada uno de los elementos representados.

Simbología Unifilar Eléctrico
Aunque resulte sencillo encontrar en internet normativa de como representar toda la aparamenta eléctrica (como por ejemplo la norma UNE 60617), lo cierto es que cada proyecto tiene sus peculiaridades, por lo que siempre es conveniente empezar ojeando la simbología utilizada en cada caso.

3. REPRESANTACIÓN DE LOS EQUIPOS ELÉCTRICOS EN LOS UNIFILARES

A continuación se muestran algunos ejemplos de representación de equipos eléctricos en unifilares.

3.1. Representación de Conductores

Unifilar conductor

3.2. Representación de Interruptores

Unifilar interruptor


3.3. Representación de Seccionadores

Unifilar seccionador

3.4. Representación de Otros Equipos Eléctricos

Unifilar equipo

4. ALGUNOS CONCEPTOS BÁSICOS

4.1. Diferencias entre un Interruptores un Seccionador y un Contactor

Interruptor seccionador contactor

Interruptor: Es un equipo electromecánico capaz de establecer o interrumpir el paso de corriente.

Su función principal es de protección, aunque muchas veces puede cumplir también una función de control (energizando y desenergizando los sistemas eléctricos)

Seccionador: Es un equipo electromecánico capaz de mantener aislada eléctricamente una instalación según las especificaciones, y señalizar adecuadamente su estado.

Su función principal es de seguridad de las personas y equipos.

Nota: Normalmente, un seccionador no está diseñado para interrumpir el paso de la corriente en carga.

Interruptor-seccionador: Es un equipo electromecánico con las ventajas de un interruptor y de un seccionador.

Capaz de establecer o interrumpir el paso de corriente y capaz de mantener aislada eléctricamente una instalación según las especificaciones señalizando adecuadamente su estado.

Contactor: Es un equipo electromecánico capaz de establecer o interrumpir el paso de corriente. 


Su función principal es de control (energizando y desenergizando los sistemas eléctricos). 

Normalmente, estos equipos están diseñados para soportar un gran número de maniobras.

Como se muestra en el siguiente dibujo, es muy común que antes de un contactor se instale un interruptor para poder proteger el equipo.

Interruptor contactor


Nota: En algunas ocasiones no se instala contactor y se usa directamente el interruptor para controlar, enviando las ordenes de apertura y cierre directamente al interruptor. Por ejemplo, es muy común que en los cuadros de distribución, aunque requiera que estén controlados desde algún sistema de control, como el número de maniobras que suelen realizar estos equipos es muy bajo, no se suelen instalar contactores.

4.2. Interruptores

En una planta industrial, los interruptores pueden ser de muy distintos tipos. Se pueden encontrar desde interruptores muy sencillos como los que se utilizan para el alumbrado, a otros interruptores mucho más complejos mecánicamente como podría ser el interruptor de acometida principal de la planta. Hay interruptores monofásicos, trifásicos, presurizados con aire, presurizados con gas SF6, aceite o vacío, etc; sus características dependerán de su nivel de tensión, antigüedad o tecnología utilizada.

Principalmente los interruptores y contactores tienen dos posiciones, abiertos o cerrados.

Abiertos (interrumpen el paso de la energía eléctrica)

Cerrados (permiten el paso de la energía eléctrica)
Interruptor unifilar

Aunque resulte una obviedad, cuando aguas arriba de un interruptor hay tensión, al cerrar el interruptor, la electricidad se transmite a los equipos que se encuentren aguas abajo.
Interruptor

Nota: No obstante que el interruptor de acometida esté abierto no es signo inequívoco de que no haya presencia de tensión aguas abajo. A veces se diseñan caminos secundarios para alimentar de forma redundante y/o equipos capaces de generar o acumular energía. El no tener en cuenta esta consideración le ha costado la vida a unas cuantas personas. De aquí la importancia de seguir siempre las 5 reglas de oro:


5 reglas de oro eléctricas

Para la puesta a tierra de la instalación durante tareas de mantenimiento es muy común usar seccionadores de puesta tierra.

En el siguiente ejemplo, vemos el unifilar de una subestación eléctrica.

subestación
Costa de dos seccionadores de puesta tierra y un interruptor en el medio.

Si se necesitase realizar actividades de mantenimiento en el interruptor (se aplicarían las 5 reglas de oro), tras haber cortado la tensión aguas arriba, se cerrarán los seccionadores de puesta a tierra, para asegurar una mayor protección.


Al cerrar los seccionadores, cualquier fuga eléctrica que provenga de cualquier lado del interruptor, se derivaría hacia tierra.

seccionadores de puesta a tierra
Además de abierto o cerrado, algunos interruptores pueden tener otros estados, como por ejemplo modo extraído o modo test.

Cuando un interruptor esté extraído, el interruptor además de quedar abierto, no podrá ser accionado para cerrar el circuito hasta que no sea manualmente insertado de nuevo.

Se utilizan las flechas para representar en el unifilar que el interruptor es extraíble.


Interruptor extraible

Los interruptores extraíbles, suelen tener también un modo test, el modo test es una posición intermedia entre extraído e insertado que aunque no permite cerrar el interruptor, si que permite realizar pruebas para comprobar que los comandos de control y los accionamientos están bien.

Nota: A veces, es necesario enclavar entre si algún equipo eléctrico, haciendo que la situación de un equipo afecto al control de otro. Para representar que un interruptor es enclavado con otro interruptor se suelen unir ambos con una línea discontinua. En el siguiente ejemplo vemos dos interruptores enclavados.


Enclavamientos unifilares

Por ejemplo, este enclavamiento podría indicar, que para poder cerrar o abrir uno de los interruptores de acometida, dependemos del estado del otro interruptor. Si por ejemplo un interruptor está cerrado el otro no podría cerrarse. Para ver esto en detalle, se tendrían que utilizar la documentación del cuadro en cuestión.

4.3. Salida tipo Feeder o Control


Según el tipo de carga que alimenten, hay salidas (interruptores o contactores) para cargas tipo “feeder” o para“control”.

Una carga tipo feeder, es un equipo que podemos dejar energizado indefinidamente, porque el propio equipo gestiona cuando tiene que funcionar o no.

Por ejemplo, un ordenador de sobremesa es un equipo tipo feeder, lo enchufamos, una vez y lo dejamos enchufado. En el propio equipo tenemos un botón para encenderlo y apagarlo, no hay que estar enchufándolo y desenchufándolo. En las plantas industriales hay mucho equipos que siguen esta filosofía, como por ejemplo, el compresor de aire, los equipos de aire acondicionado, los cuadros de control, etc..

Una vez que se cierran los interruptores que alimentan a estos equipos no tendrían porque volver a abrirse.

Sin embargo hay otras muchas cargas que requieren de control, como por ejemplo los salidas que alimentan a la mayoría de los motores para ventiladores y bombas.


Para arrancar y parar el motor se tendrá que cerrar o abrir el contactor o el interruptor, por lo que se tendrá que actuar de alguna manera sobre dichos contactores o interruptores para controlar el proceso.

Unifilares Instrumentación y Control


En el dibujo anterior se muestran dos salidas eléctricas. Una alimenta a una bomba y otra sin control remoto será un salida tipo feeder que alimenta al armario del sistema de aire comprimido.

4.4. Control Local o Remoto

Las salidas eléctricas pueden ser accionadas localmente o controlados remotamente..

Muchas salidas son de acción exclusivamente local (principalmente para cargas tipo feeder), estos interruptores sólo pueden ser accionados desde el propio cuadro.


Nota: No obstante, en las plantas industriales se ven muchas cargas tipo feeder con interruptores con la capacidad de ser controlados remotamente desde el DCS o cualquier otro sistema.


CCM Instrumentacion


Sin embargo otras salidas, además de poder ser controladas localmente, pueden ser accionadas remotamente a través de señales cableadas. Muchas veces estas señales de control remoto serán cableadas al sistema de control principal de la planta.

Por ello resaltar que, aunque el interruptor está ubicado en el cuadro eléctrico (que alimenta eléctricamente la carga), la acción de cerrar o abrir dicho interruptor es trasladada a otro sistema remoto.
Unifilar CCM

Estás acciones remotas se suelen implementar a través de la excitación de alguna bobina auxiliar que a su vez cierra algún contacto auxiliar que acabará actuando sobre el contacto de fuerza del motor.

Unifilar Representación

Hay que tener en cuenta que en el unifilar general sólo se representan los interruptores de fuerza, no se representan las bobinas ni contactos auxiliares. Para ver esto con detalle habrá que estudiar los esquemas de cableado desarrollados de cada cuadro.

4.5. Control Automático o Manual


Al margen que el control sea local o remoto. El elemento final que decide sobre el control del equipo (por ejemplo el sistema de control de la planta), puede estar configurado de modo manual o automático.
 Control remoto motor
En modo manual será el operador el que decida cuándo y cómo debe funcionar el equipo.

En modo automático, la programación de algún automatismo arrancará y detendrá el equipo en función de lo que se haya preestablecido.

faceplate motor

Nota: Aunque parezca algo muy sencillo, muchos ingenieros confunden estos conceptos Automático / Manual, Local /Remoto.

automático manual local remoto

4.6. Elementos de Protección

En muchas ocasiones en los unifilares eléctricos se representará parte de las protecciones eléctricas.

Los elementos de protección pueden estar integrados dentro de los propios equipos. Por ejemplo muchos interruptores pueden tener integrados algunas funciones de protección, como la acción diferencial, un magneto-térmico o un fusible. Estas protecciones se podrían reflejar en el unifilar si se considera adecuado.

protecciones unifilares
Otras acciones de protección son realizadas por equipos específicos con esta función, como los relés de protección.
relé de protección
Los relés de protección, son equipos cuya principal función es proteger los sistemas eléctricos.

Por un lado, reciben información del sistema eléctrico, supervisando variables como, los niveles de tensión, corrientes, desfases, derivaciones a tierra, temperaturas, etc, y por otro lado en función de la información captada del sistema, son capaces de originar disparos para proteger los equipos cuando es necesario.

Cada función de protección de los relés, tiene un número asignado que está estandarizado.

Por ejemplo:

27- Indica mínima tensión
49- Alta temperatura
50- Indica sobre-intensidad
…etc.

Aunque no se suelen representar directamente los relés de protección en los esquemas unifilares, se pueden representar las funciones de protección que realizará el relé sobre los interruptores y/o otros equipos.

relé de protección unifilar
En el dibujo del ejemplo se representa, un interruptor que es accionado por un relé de protección con las funciones 27, 49 y 50.

Nota: Como norma general el sistema de control de la planta (que podría ser un SCD o un PLC), no debería asumir ninguna función de protección eléctrica. Las protecciones eléctricas deben ser gestionadas por los sistemas eléctricos. Como regla general, el sistema de control de las plantas industriales, TIENE LA FUNCIÓN DE CONTROLAR EL PROCESO DE LA PLANTA. No debería de suplir las funciones de seguridad, aunque durante su diseño siempre se tendrá en cuenta la protección de las personas y la protección de los equipos.

4.7. Elementos de Medida

Los elementos de medida más representativos de los sistemas eléctricos son, los trafos de tensión y los trafos de corriente.

Estos elementos de medida, suelen enviar los valores recogidos, a los relés de protección o a los analizadores de red.

Los analizadores de red registrarán los parámetros más relevantes del sistema eléctrico, y pueden reenviarán esta información a otros sistemas.


Medida unifilares eléctrico



analizadores unifilar eléctrico


Nota: Es probable que en el unifilar general no se llegue representar toda esta información. Pero si se reflejará en la documentación de cada cuadro.

5. PARTES PRINCIPALES DE UN DIAGRAMA UNIFILAR GENERAL

En un diagrama unifilar general de una planta industrial, se representarán los equipos con mayor relevancia dentro del sistema eléctrico. Cuando la planta industrial es relativamente grande y compleja, el diagrama general puede estar constituido por una colección de varios planos.

A continuación veremos un ejemplo muy sencillo de lo que podría ser el unifilar general de una planta industrial.
Unifilar general de una planta industrial

5.1. Conexión con la Red

La mayoría de las plantas industriales, se conectan a la red eléctrica.

En la parte superior de su unifilar general se podría ver el punto de conexión con la red eléctrica.

En este ejemplo, se ha diseñado una línea aérea que llega a una pequeña subestación. 
Conexión a la red eléctrica
5.2. Subestación

La subestación eléctrica es un emplazamiento destinado a distribuir, medir y/o adecuar la energía eléctrica.

Normalmente estará ubicada en la periferia de la planta y suele ser una zona de acceso restringido.

Constará principalmente de equipos de medida de energía eléctrica, interruptores, seccionadores, etc.
subestacion unifilar
De la sub-estación saldrán los cables que conectarán el resto de la planta a la red eléctrica.

5.3. Transformador Principal

En un caso típico el nivel de tensión que le llega de la red eléctrica tiene un valor muy alto (ejemplo 230 kVac). La planta normalmente requerirá unos niveles de tensión más bajos (6,9 kVac), y para reducir este valor se instalará un transformador de tensión.

Transformador unifilar
En este ejemplo se pasa de un nivel de tensión de la red de 230 kV a 6,9 kV.

5.4. Edificio Eléctrico

Siguiendo el ejemplo propuesto, desde el transformador los cables se dirigirán al edificio eléctrico.

El edificio eléctrico suele ser una construcción de varias plantas.



Edificio eléctrico

La primera planta del ejemplo está destinada a la instalación de armarios eléctricos. En esta planta suele haber varias salas independientes:

1º- Sala eléctrica para la instalación de los armarios eléctricos principales (cabinas de media, CCM, etc).

2º- Una sala destinada a armarios de electrónica de potencia (rectificadores, inversores, variadores, etc).

3º- Otra sala independiente destinada para la instalación de las baterías de corriente continua.

planta eléctrica
En la segunda planta del ejemplo se ha instalado:

1º- Sala electrónica. Destinada principalmente para los armarios de control y comunicaciones.

2º- Una sala de control, con los puestos de operación demás ordenadores desde los que se supervisa y se controla la planta industrial.
Planta de control



Unifilar
5.5. Cabinas de Medida

Siguiendo el ejemplo, los primeros equipos representados en el unifilar que se ubican en el edificio eléctrico, son las cabinas de media (instalados en la sala eléctrica de la primera planta).



cabinas de media unifilar
cabina de media

1º- El primer elemento representado en el dibujo, es el interruptor de acometida de media tensión.

2º- En segundo equipo del ejemplo, es el interruptor que alimenta al transformador de baja tensión.


3º- El tercer equipo del ejemplo es un interruptor que alimenta a un variador de velocidad.


4º, 5º- Los siguientes interruptores alimentan directamente a motores.

Nota: Todos estos motores que cuelgan del sistema de media tensión, suelen ser los motores de mayor potencia de la planta. Para evitar grandes secciones en los cables estos equipos, se diseñan para trabajar con un nivel de tensión mayor que el resto de las cargas.

5.6. Transformador de Baja Tensión

El transformador de baja tensión suele estar emplazado fuera del edifico eléctrico, reduce la tensión de media a un nivel de tensión apto para la mayoría de los equipos eléctricos. Por ejemplo de 6,9 kV a 0,48 kV.


baja tensión unifilar

5.7. Cuadro de Distribución de Baja Tensión

Del transformador de baja, se alimentará al cuadro de distribución de baja tensión.

cuadro de distribución

Este cuadro consta de un interruptor de acometida, y de varios interruptores que alimentarán a los distintos cuadros de baja tensión. En una planta industrial puede haber bastantes cuadros de baja tensión, pero. en el unifilar general la planta se suelen representar sólo, los que se consideren más relevantes.

5.8. CCM

Un ejemplo de cuadro de baja tensión, son los CCM (Cuadro de Control de Motores).

Estos armarios suelen estar subdivididos en pequeños cubículos repartidos por el cuadro. Cada cubículo puede constar de un interruptor, botoneras selectores e indicaciones que permiten operar el interruptor de forma local (desde el CCM) o remota.


CCM unifilar

5.9. Sistema de Esenciales

El sistema de esenciales es capaz de seguir funcionar de forma autónoma durante un fallo de tensión de la red, esto se logra mediante la conmutación de un grupo electrógeno que está configurado para entrar a funcionar cuando detecte un fallo de alimentación.


esenciales unifilar





A este sistema se conectarán todas las cargas eléctricas que en caso de fallo de tensión de la red deban seguir funcionando, hasta llevar la planta a una parada segura.

Según el ejemplo en el sistema de esenciales se ha instalado, un cuadro de distribución de esenciales, el grupo electrógeno (o grupo diésel) y el cuadro del grupo electrógeno.

grupo eléctrógeno unifilar
Nota: El grupo electrógeno se suele instalar en exterior del edificio mientras que su cuadro de control suele estar instalado en el interior.

5.10. Sistema de Tensión segura

En las plantas industriales suele haber otros dos sistemas eléctricos que deben tener la capacidad de funcionar en caso de fallo en la red eléctrica, “sistema de corriente continua” y el “SAI”.

Estos sistemas son más restrictivos que el sistema de esenciales, ya que se especifican para que en caso de fallo de la red, deben seguir funcionando si generar perturbaciones en los equipos que alimentan. Por esta razón a estos dos sistemas se les llama “sistema de tensión segura”.

5.10.1. Sistema de Corriente Continua

Las grandes plantas industriales suelen contar con un sistema de corriente continua (por ejemplo 125 Vdc).

Este sistema se suele considerar como un sistema de tensión segura, ya que no dependerá exclusivamente de la red eléctrica sino que paralelamente tiene un grupo de baterías que aumentan su disponibilidad.

Normalmente el sistema de continua, es alimentado por el rectificador. El rectificador transforma la tensión alterna de baja (ejemplo 0,48 kVac), en tensión de continua (ejemplo 125 Vdc).


rectificador unifilar
El rectificador es uno de los equipos que se debe instalar en la sala reservada para equipos de electrónica de potencia (junto con el inversor y los variadores de velocidad).Estos equipos se aíslan del resto haciendo especial atención a su puesta a tierra, debido principalmente a su capacidad de transmitir armónicos al resto de los equipos eléctricos.

Normalmente desde el rectificador a la vez que se alimenta a todo el sistema de corriente continua, se recargan las baterías.


baterías unifilar
Debido a las sustancias químicas con las que están fabricadas las baterías, también se suelen instalar en una sala independiente.

Si la alimentación de baja fallara, las baterías dejarían de recargarse y comenzaría a alimentar al sistema de continua.

Baterías
Nota: Un ejemplo típico donde debido a su criticidad se suele especificar una alimentación de corriente continua, es para la alimentación del control de las cabinas de media tensión. Para controlar remotamente un interruptor del sistema eléctrico, no se suele actuar directamente sobre la solenoide del interruptor de fuerza, se suele requerir de otra alimentación auxiliar para alimentar la tensión de control de la cabina. Como se muestra enel siguiente dibujo.
tensión de control unifilar

5.10.2. Sistema de Alimentación Ininterrumpida (SAI)

Sistema de Alimentación Ininterrumpida (SAI), en inglés Uninterruptible Power Supply (UPS), cumple una función similar al sistema de corriente continua, pero en este caso alimentará a las cargas de alterna que requieren alimentación segura ininterrumpida.


SAI unifilar
El sistema del SAI dispone de dos alimentaciones redundantes. Una desde el sistema de corriente continua y otra desde el sistema de esenciales. No obstante siempre no haya una fallo del sistema se alimentará desde el sistema de continua.
SAI
La alimentación de continua se transforma en corriente alterna al pasar a través de un equipo llamado inversor (al contrario de lo que hace el rectificador).

Los rectificadores se instalan en la sala de electrónica de potencia.

6. ALIMENTACIÓNES REDUNDANTES

Disponer de alimentaciones redundantes, implica disponer de varios caminos para alimentar eléctricamente un equipo o un cuadro eléctrico aumentando así la disponibilidad.

En las especificaciones es cada vez más común ver requisitos de redundancia en alguno o en cada casi todos los cuadros eléctricos.

En los sistemas eléctricos redundantes, normalmente disponen de dos caminos para alimentarse eléctricamente. Uno de estos caminos estará habilitado mientras el otro permanece abierto en standby. Cuando hay un fallo de alimentación por el camino principal el sistema lo detectará deshabilitando el camino principal y habilitando el camino secundario.

El siguiente ejemplo de alimentación redundante contiene cuatro elementos.

ATS unifilar
-Dos interruptores (1 y 2) de acometida.

- Un interruptor de acoplamiento (3).

- Un sistema de control que gestione la transferencia (ATS) (4)

Normalmente cada barra es alimentada desde su propio interruptor de acometida, mientras el interruptor de transferencia permanece abierto.

ATS automatic transfer switch
Cuando hay una falla en una de las alimentaciones, el sistema que controla la transferencia detecta una baja tensión, abriendo el interruptor de la alimentación (1) que dio fallo y cerrando inmediatamente el interruptor de transferencia (3).
ATS sistema de transferencia automática de barras
Nota: El Sistema de Transferencia Automática (ATS Automatic Transfer Switch), suele ser un sistema de control específicamente diseñado para esta aplicación. En algunas ocasiones se utiliza el propio sistema de control de la planta u otros sistemas no específicos para esta función, pero esto nunca es recomendable. Como se ha comentado anteriormente, los sistemas de control principales están diseñados para el control del proceso, la disponibilidad y seguridad de la planta, se debería ceder a otros sistemas específicos para dichas funciones.






Agradecemos las aclaraciones recibidas de Javier Iglesias


Elaborado por: Julio.C Fernández Losa 06/01/2017 
Si tiene algo que corregir o añadir agradecería que me mandara sus comentarios a: InstrumentacionHoy@gmail.com