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UMC100 es un excelente controlador de motor flexible, modular y escalable

En las grandes plantas industriales, que a menudo contienen varios miles de motores para proporcionar el movimiento necesario, cualquier parada de motor imprevista o repentina puede conducir fallas en el proceso, las cuales pueden ser muy costosas. Por esta razón, la gestión y protección confiable de estos motores es de vital importancia para asegurar una producción controlada. La mayoría de los arranques actuales están construidos con componentes discretos, utilizando como protección térmica un relé con bimetales. Implantar nuevas funciones de protección y control resulta difícil y complejo, ya que las funciones de control e interbloqueo del motor deberán programarse en el controlador de procesos y todas las señales de control y realimentación se deberán implementar a través de módulos de entrada y salida. Otras funciones de protección, como la supervisión de la temperatura en el devanado del motor mediante un termistor, exigen más dispositivos y cables.
Éstas y otras muchas funciones se pueden integrar en una sola unidad constituyendo un controlador universal inteligente de motores también conocido como módulo de gestión inteligente de motores, el nuevo controlador UMC100 realiza las funciones de control, protección y diagnóstico del motor y adicionalmente brinda la comunicación al sistema de control a través de buses de campo.
Comparado con los arranques de motores convencionales, estos controladores de motores ofrecen muchas ventajas durante todo el ciclo de vida de una planta industrial. Los cambios en los mercados mundiales son una de las razones por la cual muchas empresas se ven obligadas a reducir sus costos de operación y producción mientras deben incrementan la producción y la calidad.
La eficiencia energética es otro factor cuya mejora interesa en particular a los fabricantes de módulos inteligentes. De hecho, existe ahora una creciente demanda de soluciones mas modulares, flexibles e integradas.
Esto, a su vez, hace que muchos proveedores examinen sus carteras de productos y busquen maneras de mejorar sus productos para satisfacer a esta demanda.
Las soluciones integradas se están convirtiendo rápidamente en algo habitual, en parte debido a que los avances tecnológicos están facilitando la integración y también porque este tipo de soluciones funcionan con mayor eficacia como conjunto que como suma de los elementos que las componen.
Además, las tendencias futuras indican que la integración es un factor capaz de favorecer a una empresa.
Desde hace algún tiempo ABB ha estado focalizada en el desarrollo de muchos productos en respuesta a la tendencia de la integración de dispositivos, y el éxito de este esfuerzo puede verse en un dispositivo como lo es el controlador inteligente de motor UMC100.

UMC100 una mirada más cerca

Este controlador universal de motores, está diseñado para motores de inducción de corriente alterna trifásica y combina las funciones de protección y gestión del motor en un único dispositivo, así como diagnóstico y comunicación con un bus de campo.
El controlador UMC100 opera de forma totalmente independiente y asegura que el motor esté protegido en todo momento, incluso si el sistema de control o el bus de campo falle. La alta precisión de la medición electrónica permite la utilización mas optimizada de los motores y garantiza un comportamiento constante de disparo.
Los parámetros pueden configurarse según convenga a través de archivos de descripción de dispositivos por ejemplo, GSD para Profibus o EDS para DeviceNet, o a través del panel de control o vía del Device Type Manager (DTM).
El DTM permite la agrupación de parámetros asociados y visualizar graficamente los parámetros de operación accediendo a la lectura de todas las mediciones mediante una conexión en línea con el dispositivo. El panel de dialogo DTM para la configuración de los parámetros de protección a partir de la medición de la corriente del motor se muestra en la figura 1.

Figura 1. Configuración de los parámetros de protección con el DTM UMC100

Todas las funciones de control que mas suelen necesitarse en la práctica ya están integradas en el controlador UMC100 y se pueden configurar simplemente a través de parámetros. Tales funciones de control permiten la adaptación flexible a los requerimientos de los diferentes clientes y pueden ser ajustados en un amplio rango. Esto reduce considerablemente el esfuerzo de ingeniería en el sistema de control puesto que todas las funciones de control se ejecutan en el controlador del motor. Las funciones de control especificas de una aplicación pueden implantarse usando una lógica de libre programación. Ver figura 2.

Figura 2. Editor para funciones de control personalizadas

Si está previsto reutilizar los módulos existentes de gestión del motor con el sistema de control distribuido (DCS), las señales de control y supervisión también puede adaptarse a la nueva situación. Esto es especialmente beneficioso en la remodelación de plantas industriales antiguas.
El controlador de motores UMC100 cubre la gama de corriente desde 0,24 A hasta 63 A en un solo equipo. Para las intensidades superiores a 63 A hasta 850 A, se utiliza un transformador externo adicional. Inclusive para intensidades nominales pequeñas, equipos similares requieren la utilización de transformadores de corriente.
Los proyectistas o electricista no tienen que seleccionar distintos tipos de dispositivos en función de la intensidad nominal del motor, lo que facilita la planificación, el inventario y la prestación del servicio.
El dispositivo básico está equipado con seis entradas digitales, tres salidas a relé y una salida a transistores en 24 V.
Para aplicaciones mas complejas con un gran número de entradas y salidas o con señales especiales, hay disponibles módulos de expansión.
Se pueden adicionar hasta 8 entradas digitales en 24Vcc ó en 110-220Vca, 4 salidas a relés y una salida analógica.
En el módulo de tensión de rango extendido se puede medir tensión nominal trifásica de 150 a 690 Vca, potencia activa, energía activa, factor de potencia y THD. También adiciona una salida digital.
Los controladores de motores suelen estar integrados en un DCS. Para su uso a escala mundial, deben admitirse distintos buses de campo. El controlador UMC100 soporta los principales buses como ser: Profibus DP, DeviceNet, Modbus y CANopen, pero también puede trabajar autónomamente sin bus de campo.
Hay 4 puntos de control que pueden ser utilizados (bus de campo, en el motor, en puerta del tablero ó en una PC portátil de servicio. Para cada punto de control, el control del motor se puede activar o desactivar dependiendo el modo (automático o local).

Diagnóstico

La fallas en el motor usualmente suele provocar la interrupción del proceso, lo que a su vez repercute considerablemente en los costos de operación y mantenimiento. Es habitual que la información de diagnóstico solo se utilice una vez producida la falla para determinar la causa.
Por lo tanto, el diagnóstico claro y comprensivo de los motores de inducción en su entorno de proceso reviste una importancia fundamental para evitar las fallas y esto hace posible rectificar rápidamente cuando ocurren ellas ocurren.
Hay diferentes tipos de fallas en los motores de inducción, cuyo origen puede ser causas externas y/o internas por diversas razones de índole eléctrica y mecánica. Ver figura 3.

Figura 3. Origen de averías

Los diagnósticos de fallas del motor de inducción (especialmente por problemas relacionados con causas internas) son analizados mediante el análisis espectral de la corriente del motor (MCSA) [2, 3] que es actualmente usado en la industria.
En este sector se utiliza actualmente el diagnóstico de fallas de motores de inducción (en especial, problemas relacionados con fuentes internas) mediante el análisis espectral de la corriente del motor (MCSA) [2, 3]. Sin embargo, por razones económicas, el diagnóstico basado en el MCSA se aplica sobre todo, por ejemplo, a motores grandes y sistemas de diagnósticos avanzados de motores/accionamientos, que son mas complejos y costosos. Otros problemas como las fallas en los rodamientos revisten también interés. Sin embargo, los problemas de los rodamientos pueden no afectar directamente al circuito eléctrico del motor de inducción de forma evidente y, por lo tanto, serán difíciles de detectar utilizando el MCSA. Por esta razón, pueden resultar mas efectivos otros tipos de diagnósticos como, por ejemplo, el análisis de vibraciones.
En lugar de tener que configurar distintos sistemas de diagnósticos para garantizar que se cubren todos los ángulos posibles de fallas del motor, la solución ideal seria disponer de un controlador del motor con un costo comparativamente bajo que ofreciera funciones estándar de protección y diagnóstico, así como funciones de diagnósticos del motor en línea.
El controlador UMC100 responde a éstas características y ofrece completas opciones de prueba y análisis, entre ellas: medición continua de las horas de funcionamiento del motor, recuento de arranques del motor y disparos por sobrecarga, registro de los datos de diagnósticos, determinación del tiempo de arranque del motor, corriente máxima de arranque, etc.
Todos los datos son accesibles a través del bus de campo y pueden utilizarse para la planificación de las operaciones de mantenimiento.
Por ejemplo, un aumento del tiempo de arranque puede reflejar un comportamiento lento de la carga conectada.
Además, la información procedente del modelo del motor puede ayudar al operador de planta durante el funcionamiento de ésta. Por ejemplo, si la carga térmica indicada de un motor supera un umbral predefinido, el operador de planta puede reducir la cantidad de material que se introduce en un agitador para prevenir un disparo.
Las opciones de diagnósticos avanzadas se encuentran entre las principales ventajas de los controladores inteligentes de motores. Puede accederse a las funciones de diagnósticos del controlador UMC100 desde el panel de control de LCD, desde una PC portátil de servicio o a través del bus de campo. En el evento de una falla del motor, un diagnóstico rápido y completo es de particular importancia. La práctica ha demostrado que aunque las PC portátiles suelen estar disponibles, no siempre están listas para su uso inmediato.
Para solucionarlo, el controlador UMC100 dispone de un panel de control LCD multilenguaje y totalmente gráfico montado en la puerta del armario, que muestra todos los datos de estado y los parámetros de una manera fácil de comprender. Ver figura 4.

Figura 4. El panel de control permite presentar todos los datos in situ

Los mensajes de error se presentan en textos claros, y es posible definir textos de mensajes específicos de tags de la planta para configurar a voluntad las entradas de fallas. Por lo tanto, no hace falta ninguna PC portátil para detectar las fallas.

El mantenimiento predictivo es rentable

En combinación con los sistemas de control de ABB, UMC100 Asset Monitor ayuda a identificar rápidamente si una falla está en el propio dispositivo, en el cableado eléctrico externo o en el proceso conectado.
Para ello, Asset Monitor recolecta todos los datos de diagnósticos que proporciona el controlador inteligente de motores UMC100 a intervalos configurables y los asigna a las siguientes categorías, como son definidas en NAMUR según recomendación NE107.
Fallo: el motor no está disponible debido a una anomalía funcional en el dispositivo de campo o su periferia (por ejemplo, disparo térmico).
Comprobación del funcionamiento: la señal de salida no es válida temporalmente debido al trabajo que se está realizando en el arranque del motor (por ejemplo, posición de prueba durante la puesta en servicio).
Fuera de especificaciones: el arranque del motor está disponible, pero fuera de los límites especificados (por ejemplo, la corriente del motor está por encima o por debajo del valor límite preestablecido).
Necesidad de mantenimiento: el arranque está disponible, pero se indica que es preciso realizar de inmediato el mantenimiento (por ejemplo, rotura de cable del PTC).
Estos mensajes ayudan al operario de la planta a adoptar las medidas apropiadas sin verse abrumado por los detalles del dispositivo.
El personal de mantenimiento, por otro lado, puede ver fácilmente todos los detalles disponibles en el panel LCD del dispositivo o a través del DTM vía el bus de campo y, por ejemplo, remitir instrucciones para que se emprendan acciones especificas en relación con el dispositivo y con la planta. Las funciones descriptas de monitoreo y reporte de datos pueden utilizarse para recolectar, combinar, analizar y comparar esta información con los datos históricos para ver, por ejemplo, como ha variado el tiempo de arranque del motor a través del tiempo.
Además, las advertencias de desgaste incipiente de los dispositivos y componentes y sus posibles fallas pueden identificarse con mayor facilidad y presentar al personal de mantenimiento de forma comprensible.
Esto permite una mejor planificación de las operaciones de mantenimiento y reduce al mínimo los tiempos de inmovilización. Todos los datos relacionados con el mantenimiento son totalmente accesibles a través del bus de campo, es decir, que la información está también disponible para las herramientas de gestión del mantenimiento ya existentes, si fuera necesario.
En general, el controlador UMC100 representa un avance enorme hacia una estrategia de mantenimiento predictivo, que hasta hace poco se había asociado con mediciones especiales muy costosas y que ahora se ha convertido en una solución económicamente viable para muchas aplicaciones.

Integración sencilla en espacios reducidos

Gracias a su diseño compacto y a su sistema de medición integrado, los controladores de motores se adaptan incluso a los espacios mas reducidos. Esto supone una ventaja enorme, en especial en aplicaciones que se utilizan en CCMs centro de control de motores de baja tensión extraíbles con un espacio limitado o en la renovación de los sistemas existentes para alojar un sistema moderno de gestión de motores. Ver figura 5. En éstas aplicaciones, una integración directa del nodo del bus de campo en el controlador del motor seria un inconveniente, puesto que se necesitaría una derivación del bus para cada uno de los dispositivos. Esto suele originar problemas de estabilidad en el bus de campo. Como consecuencia, es necesario reducir la velocidad de transmisión, lo que a su vez conduce a ciclos más largos.

Figura 5. Cuando se utiliza para aplicaciones con cajones en centros de control de motores, el UMC100-FBP se coloca dentro de la ranura mientras la conexión del bus de campo se monta externamente

La mejor solución es la separación entre el controlador del motor y el nodo del bus. De este modo, el nodo del bus de campo permanece fijo en el compartimiento de cable del CCM y se comunica con el controlador asociado dentro módulo de potencia por contactos extraíbles. El bus de campo es lineal sin derivaciones ni empalmes, lo que resulta beneficioso para que el funcionamiento sea rápido y seguro. Si el módulo de potencia se retira, la comunicación del bus y dirección del nodo no se pierden, solo el bus de campo queda sin comunicación con el controlador del motor; restableciendo la comunicación cuando se vuelva a insertar el módulo de potencia en el CCM.
Adicionalmente como la dirección del nodo está en la parte fija del CCM, si los módulos se intercambiaran accidentalmente, se detectaría de inmediato.

Funciones de Protección del motor

  • Protección para motores AC trifásicos
  • Protección por sobrecarga con disparo ajustable por clase 5, 10, 20, 30, 40 de acuerdo a la IEC 60947-4-1
  • Protección ajustable por rotor bloqueado
  • Detección de pérdida de fase
  • Detección de asimetría
  • Detección de secuencia de fase
  • Protección del motor por termistores PTC
  • Detección de fugas a tierra
  • Rango de corriente de 240 mA a 63 A en un solo modelo sin accesorios
  • Rango de corrientes > 63 A con transformadores de corriente externos
  • Protección del motor independiente sin conexión del bus de campo

Funciones de Control del motor

  • Integración de las más importante funciones de control
  • Bloques fácilmente parametrizables
  • Arranques directos, inversores de marcha, estrella-triángulo
  • Dahlander de polos conmutables
  • Actuatores
  • Avance lento
  • Estrategia de reinicio de los motores de la planta ante cortes (load shedding)

Funciones de control extendidas

  • Libre programación para funciones de control o aplicaciones especiales
  • Adaptación simple a funciones de control específicas
  • Librería completa y comprensible
  • Bloques lógicos, contadores y timers
  • Acceso a todas las señales de entrada/salida y señales internas

Funciones de estaciones de control

  • Configuración individual de los puntos de control
  • Operación vía DCS
  • Control local
  • Panel de control

Funciones de estado y comunicación de motor

  • Rápido y completo acceso a todos los datos a través de la estación de control, bus de campo y/o PC portátil.

Datos de operación

  • Estado del motor
  • Corriente, tensión, frecuencia, potencia, energía, factor de potencia, THD
  • Máxima corrinte de aranque
  • Tiempo de marcha
  • Carga térmica
  • Tiempo de disparo
  • Tiempo de enfriamiento restante

Datos de Servicio

  • Horas de operación, número de arranques y disparos por sobrecarga

Datos de Diagnósticos

  • Completos y detallados mensajes de error y advertencias
  • Log de los últimos 16 errores

Una solución excelente

Suministrando en forma contínua desde el controlador del motor al sistema de control los datos de operación, diagnóstico y servicio, el controlador UMC100 permite detectar anomalías en una fase temprana y adoptar las medidas oportunas para evitar, o al menos limitar, sus efectos. El moderno panel de control LCD muestra todos los datos de operación y mantenimiento, permitiendo la detección rápida de fallas sin necesidad de utilizar una PC portátil. La estructura modular del dispositivo representa ventajas en las fases de planificación y diseño. El tiempo y el esfuerzo necesarios para el cableado se reducen considerablemente debido a que todas las funciones de protección, supervisión y control están integradas en un solo dispositivo.
En comparación con la tecnología convencional, el controlador UMC100 es una solución excelente para la implementación de arranques de motores en plantas industriales, ya que ofrece muchas ventajas a lo largo de todo el ciclo de vida de la planta.

Referencias

[1] Norma internacional IEC60947-4-1. Contactores y arrancadores de motor. Contactores y arrancadores electromecanicos. Ed. 3.0 (9/2009).
[2] Benbouzid, M. E. H. (2000). “A Review of Induction Motors Signature Analysis as a Medium for Faults Detection.” IEEE Transactions Industrial Electronics, vol. 47, no. 5. pp. 984–993
[3] Thomson W. T., Fenger M. (July/August 2001). “Current signature analysis to detect induction motor faults”. IEEE Industry Applications Magazine, pp. 26–34.

 

Revisión de la nota
Ing. Carlos Chababo
ABB Argentina, S.A.
carlos.chababo@ar.abb.com

 

 

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