CD-5611.pdf

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y
ELECTRÓNICA
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS
DE UNA A.P.U. (AUXILIARY POWER UNIT) APLICABLE EN
AVIONES C-130 DE LA FUERZA AÉREA ECUATORIANA
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE
INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y CONTROL
IVÁN JAVIER CURAY MINIGUANO
[email protected]
STALIN FABRICIO QUISHPE SALGUERO
[email protected]
DIRECTOR: MSc. JORGE LUIS ROSERO BELTRÁN
[email protected]
CODIRECTOR: Dr. JORGE ANDRÉS ROSALES ACOSTA
[email protected]
Quito, Abril 2014
I
DECLARACIÓN
Nosotros, Iván Javier Curay Miniguano y Stalin Fabricio Quishpe Salguero,
declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que
no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y,
que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este
documento.
A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad
intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional,
según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por
la normatividad institucional vigente.
_______________________
_______________________
Iván Javier Curay Miniguano
Stalin Fabricio Quishpe Salguero
II
CERTIFICACIÓN
Certificamos que el presente trabajo fue desarrollado por Iván Javier Curay
Miniguano y Stalin Fabricio Quishpe Salguero, bajo nuestra supervisión.
_______________________
Ing. Jorge Luis Rosero, Msc.
DIRECTOR DEL PROYECTO
_______________________
PhD. Andrés Rosales
CO-DIRECTOR DEL PROYECTO
III
AGRADECIMIENTO
En primer lugar agradezco a Dios, quien me ha dado la fortaleza y sabiduría para
levantarme y alcanzar un objetivo más en mi vida. A mi madre santísima del
Cisne, quien es de mi devoción y es la que guía mi camino.
A mi madre Laura Miniguano, quien siempre me ha apoyado y me ha ayudado a
cumplir mis objetivos. Gracias por estar ahí cuando lo he necesitado, por
brindarme todo tu amor y confianza. A mi padre Marcelino Curay, quien ha sido un
ejemplo de lucha y perseverancia para llegar a cumplir mis objetivos. Gracias por
los consejos y vivencias que me has compartido. A mis hermanos Fabián y Ariel,
por ser un apoyo en mi vida.
A Alejandra Días, quien es mi compañera de vida y madre de mi hijo, la persona
que amo y respeto. Gracias por tu amor y apoyo incondicional. A mi hijo Matías
Curay quien ha llegado a iluminar mi vida, quien con su presencia me ha dado la
fortaleza, ilusión y confianza de seguir creciendo para él. Gracias por ser mi
inspiración.
A mi amigo Stalin Quishpe, que a pesar de los inconvenientes hemos salido
adelante con esfuerzo y dedicación, formando un buen equipo de trabajo.
A la mejor universidad del país la Escuela Politécnica Nacional, por haberme
permitido formar profesionalmente junto a los mejores docentes.
A toda mi familia y personas que siempre estuvieron pendientes de mí. Gracias
por su apoyo y preocupación.
A todos los miembros del Escuadrón Mantenimiento No.1121 del Ala de
Transportes No. 11 de la FAE, en especial a Sgto. Figueroa, Sgto. Durango, Sgto.
Revelo y Sgto. Amagua.
Iván Javier Curay Miniguano
IV
AGRADECIMIENTO
Agradezco a mi Poderoso Dios, mi Salvador, mi Maestro y fiel Amigo, quien
renueva mis fuerzas cada mañana y me sostiene en todo momento, porque me ha
demostrado que sus planes siempre van más alto y son mejores que los míos,
junto a Él cada segundo de mi vida es intenso.
A mi amada madre Fanny Salguero quien me demuestra su amor de todas las
maneras posibles, una mujer llena de sabiduría, una luchadora quien siempre ha
estado dispuesta a sacrificar su propio bienestar por el de su familia, mi respeto y
admiración. A mi querido padre Pedro Quishpe quien es mi ejemplo a seguir de
dedicación, entrega y sacrificio, por estar siempre pendiente de su familia, un
hombre de Dios valiente y esforzado. A mi hermano Alexis Quishpe mi primer
mejor amigo, por tu valiosa compañía y apoyo, no te cambiaría por nadie.
A mi mamita Delita, mi segunda madre gracias por cuidarme siempre. A mis tíos,
mis primos, gracias por su preocupación constante, los amo hasta la eternidad.
A mi amigo Iván Curay, por su responsabilidad y entrega, por el tiempo invertido,
no lo hubiera hecho solo, misión cumplida hermano.
A los miembros del Escuadrón Mantenimiento del Ala de Transportes No. 11 de la
FAE, Sgto. Durango, Sgto. Revelo y Sgto. Amagua gracias por su valiosa ayuda.
A la mejor universidad del país la Escuela Politécnica Nacional, por su formación
académica de gran valor, al Msc. Jorge Rosero y al PhD. Andrés Rosales por ser
nuestros directores y sus oportunas ideas para el presente proyecto.
A todas aquellas personas, que han compartido gratos y duros momentos,
amigos, compañeros de trabajo y conocidos, gracias por su tiempo, cada uno es
importante y único en sus enseñanzas.
Stalin Fabricio Quishpe Salguero
V
DEDICATORIA
Este trabajo está dedicado a mis padres que siempre me han apoyado y dado su
amor.
A mis hermanos y familiares que de una u otra manera me han brindado su apoyo
y valiosos consejos.
A Alejandra y Matías quienes son mi inspiración.
Iván Javier Curay Miniguano
VI
DEDICATORIA
A mis padres, Pedro y Fanny, a mi hermano Alexis, quienes son la mayor
bendición que Dios me ha dado, por su dedicación y entrega incondicional, los
amo mucho.
Stalin Fabricio Quishpe Salguero
VII
CONTENIDO
RESUMEN ............................................................................................................................ XI
PRESENTACIÓN ............................................................................................................... XIII
CAPÍTULO 1 ............................................................................................................................. 1
1
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA ........................................................................................... 1
1.1 A.P.U. (UNIDAD DE POTENCIA AUXULIAR) ............................................................................ 1
1.1.1
HISTORIA DE LA A.P.U................................................................................................... 1
1.1.2
UBICACIÓN DE LA A.P.U. EN LA AERONAVE ................................................................. 2
1.1.3
COMPONENTES GENERALES DE UNA A.P.U. ................................................................ 3
1.1.3.1
Sección de potencia ............................................................................................. 4
1.1.3.2
Compresor de carga ............................................................................................. 4
1.1.3.3
Caja de engranajes ............................................................................................... 4
1.1.4
TIPOS DE A.P.U. ............................................................................................................ 4
1.1.4.1
Grupos de Arranque de Transmisión Mecánica .................................................. 4
1.1.4.2
Grupos de Arranque Neumático ......................................................................... 5
1.1.4.2.1 Grupos con Alimentación de Aire por Compresor de Prioridad...................... 5
1.1.4.2.2 Grupos con Alimentación de Aire con compresor de Carga ........................... 5
1.1.5
CARACTERÍSTICAS Y CONDICIONES GENERALES DE USO DE LA A.P.U. ......................... 6
1.1.6
FASE DE OPERACIÓN DEL AVIÓN .................................................................................. 6
1.1.6.1
En Tierra ............................................................................................................... 6
1.1.6.2
En Vuelo ............................................................................................................... 6
1.1.6.3
En el Despegue..................................................................................................... 7
1.2 AVIÓN HÉRCULES C-130 ........................................................................................................ 7
1.3 A.P.U. DEL AVIÓN HÉRCULES C-130 ....................................................................................... 9
1.3.1
PARTES DEL SISTEMA DE LA A.P.U. ............................................................................. 10
1.3.2
COMPONENTES DE LA A.P.U. ..................................................................................... 11
1.3.2.1
Compresor ......................................................................................................... 12
1.3.2.2
Potencia ............................................................................................................. 12
1.3.2.3
Sección de Accesorios ........................................................................................ 13
1.3.3
CONTROL ELÉCTRICO DE LA A.P.U. ............................................................................. 14
1.3.4
SISTEMA DE LUBRICACIÓN DE LA A.P.U. .................................................................... 15
VIII
1.3.5
SISTEMA DE COMBUSTIBLE ........................................................................................ 17
1.3.6
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LA A.P.U. ................................................................ 20
CAPÍTULO 2 ...........................................................................................................................21
2
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS PARA LA A.P.U. ............................21
2.1 REQUERIMIENTOS DE DISEÑO DEL BANCO DE PRUEBAS .................................................... 21
2.2 SELECCIÓN DE EQUIPOS DE CONTROL Y SENSORES ............................................................ 22
2.2.1
SELECCIÓN DE EQUIPOS DE CONTROL........................................................................ 22
2.2.1.1
Plc....................................................................................................................... 22
2.2.1.2
Módulo de entradas de señales analógicas ....................................................... 23
2.2.1.3
Pantalla táctil ..................................................................................................... 24
2.2.1.4
Relés ................................................................................................................... 25
2.2.2
SELECCIÓN DE SENSORES ........................................................................................... 26
2.2.2.1
Sensores de Presión ........................................................................................... 26
2.2.2.2
Sensores de Nivel ............................................................................................... 27
2.2.2.3
Sensor de Temperatura ..................................................................................... 27
2.3 DISEÑO DE LOS TABLEROS DE CONTROL ............................................................................. 28
2.3.1
TABLERO PRINCIPAL DE CONTROL.............................................................................. 28
2.3.2
TABLERO SECUNDARIO DE CONTROL ......................................................................... 29
2.4 IMPLEMENTACIÓN DEL TABLERO PRINCIPAL ...................................................................... 30
2.4.1
FUNCIÓN DE LOS ELEMENTOS DEL TABLERO DE CONTROL PRINCIPAL ..................... 32
2.4.1.1
Interruptor MASTER SWITCH ............................................................................. 32
2.4.1.2
Interruptor STOP, START, RUN .......................................................................... 33
2.4.1.3
Interruptor AIR UNLOAD.................................................................................... 33
2.4.1.4
Interruptor START VALVE SWITCH ..................................................................... 34
2.4.1.5
Luz START APU ................................................................................................... 34
2.4.1.6
Luz ON SPEED ..................................................................................................... 34
2.4.1.7
Luz AIR PRESSURE .............................................................................................. 34
2.4.1.8
Luz START VALVE................................................................................................ 34
2.4.1.9
Pantalla KTP600 ................................................................................................. 34
2.4.1.10
Relés ................................................................................................................... 35
2.4.1.11
Plc S7-1200......................................................................................................... 35
2.4.1.12
Módulo SM 1231 ............................................................................................... 35
IX
2.5 IMPLEMENTACIÓN DEL TABLERO SECUNDARIO ................................................................. 35
2.5.1
FUNCIÓN DE LOS ELEMENTOS DEL TABLERO DE CONTROL SECUNDARIO ................. 37
2.5.1.1
Relé de arranque................................................................................................ 37
2.5.1.2
Relé de apagado de emergencia........................................................................ 37
2.5.1.3
Relé de la electroválvula de combustible .......................................................... 38
2.5.1.4
Relé de APU dentro de la velocidad nominal .................................................... 38
2.5.1.5
Fuente de alimentación Logo ............................................................................ 38
2.6 CONEXIÓN DE LOS SENSORES DE PRESIÓN.......................................................................... 39
2.7 CONEXIÓN DE LOS SENORES DE NIVEL ................................................................................ 40
2.8 ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES DE VOLTAJE, TEMPERATURA Y VELOCIDAD. ............. 41
2.8.1
ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL DE TEMPERATURA........................................... 42
2.8.2
ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL DE VOLTAJE ..................................................... 44
2.8.3
ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL DEL TACO GENERADOR ................................... 45
PRESENTACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS DE LA APU ..................................................... 50
2.9
CAPÍTULO 3 ............................................................................................................................52
3
DESARRROLLO DEL PROGRAMA DE CONTROL DEL PLC Y PANTALLA KTP600 .....................52
3.1 DESCRIPCIÓN GENERAL ....................................................................................................... 52
3.2 DESARROLLO DEL PROGRAMA DEL PLC ............................................................................... 53
3.2.1
DIAGRAMAS DE FLUJO................................................................................................ 53
3.2.1.1
Tipos de operación............................................................................................. 54
3.2.1.2
Encendido Manual ............................................................................................. 54
3.2.1.3
Encendido automático ....................................................................................... 55
3.2.1.4
Simulación de parámetros ................................................................................. 56
3.2.1.5
Apagado de la APU ............................................................................................ 57
3.2.1.6
Apagado de Emergencia .................................................................................... 58
3.2.2
PROGRAMACIÓN EN TIA PORTAL ............................................................................... 59
3.2.2.1
Estructura del programa .................................................................................... 60
3.2.2.2
Encendido de la APU .......................................................................................... 61
3.2.2.3
Apagado de emergencia .................................................................................... 63
3.2.2.4
Escalado de los sensores de presión.................................................................. 64
DESARROLLO DE LA INTERFAZ GRÁFICA.......................................................................... 64
3.3
3.3.1
DESCRIPCIÓN GENERAL .............................................................................................. 65
3.3.1.1
Imagen de Bienvenida. ...................................................................................... 66
X
3.3.1.2
Imagen Procedimiento de Seguridad ................................................................ 67
3.3.1.3
Imagen Operación de la A.P.U. .......................................................................... 67
3.3.1.4
Imagen Tipo de Operación................................................................................. 68
3.3.1.5
Imagen de pasos para el encendido .................................................................. 69
3.3.1.6
Imagen de datos ................................................................................................ 69
3.3.1.7
Imagen del visor de curva .................................................................................. 70
3.3.1.8
Imagen de pasos para el apagado ..................................................................... 70
CAPÍTULO 4 ............................................................................................................................71
4
PRUEBAS Y RESULTADOS DEL FUNCIOAMIENTO DEL BANCO DE PRUEBAS DE LA APU .......71
4.1 FUNCIONAMIENTO DE LA APU ............................................................................................ 71
4.2 FUNCIONAMIENTO Y SIMULACIÓN DE LA APU.................................................................... 72
CAPÍTULO 5 ............................................................................................................................75
5
CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES ...........................................................................75
5.1 CONCLUCIONES ................................................................................................................... 75
5.2 RECOMENDACIONES ........................................................................................................... 77
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................................79
ANEXOS..................................................................................................................................82
XI
RESUMEN
El actual proyecto, desarrolla el diseño e implementación de un banco de
pruebas de una A.P.U. (Auxiliary Power Unit) aplicable en aviones C-130 de la
Fuerza Aérea Ecuatoriana, el cual cumple con los requerimientos técnicos de
funcionamiento y con las necesidades del personal a cargo del sistema.
La A.P.U. está ubicada en una estructura de acero inoxidable el cual está
adaptado para la instalación de los diferentes componentes del banco de
pruebas, como tableros de control y visualización, soportes para los
transductores de presión
y tarjeta de acondicionamiento de señales; es
importante señalar que el sistema tiene la capacidad de ser transportado al
lugar que los técnicos lo requieran.
El sistema está compuesto por una pantalla HMI y un PLC que permite el
control y supervisión de la operación de la A.P.U.; el banco de pruebas está
diseñado para operar la A.P.U. tanto de una manera manual como automática.
Modo Manual
En el modo manual el sistema está compuesto por dos subsistemas: arranque
normal y simulador de parámetros.
En el arranque normal, la A.P.U. entra en funcionamiento como lo hace en el
avión; por tal motivo tiene instalado un panel de control similar al que se
encuentra en cabina.
En el simulador de parámetros, la A.P.U. funciona normalmente como en el
arranque normal, con la diferencia, que cuando alcance los valores nominales
de operación, se puede ingresar valores de cualquier parámetro que se
encuentra bajo supervisión por el sistema, esto con el fin de simular errores de
operación en la A.P.U., en este subsistema los valores que ingresan se
comparan con los valores teóricos y el sistema realiza las acciones
XII
preventivas como apagado de emergencia de la A.P.U., indicando siempre
información, como mensajes de error, diagnóstico y posibles soluciones.
Este modo de funcionamiento está dedicado para el personal con un mayor
conocimiento con respecto a la puesta en marcha del sistema.
Modo Automático
En el modo automático la A.P.U. entra en funcionamiento únicamente con la
habilitación de un pulsador en la pantalla de visualización, con el fin de facilitar
y agilizar el proceso de arranque.
Este modo está dedicado para todo el tipo de personal que requiera el uso de
la A.P.U.
En todos los modos de operación, el sistema explica cada uno de los pasos a
seguir para evitar interpretaciones en su operación por parte del personal a
cargo; adicionalmente el monitoreo en tiempo real es una herramienta que se
utiliza en el sistema, el banco de pruebas consta de gráficas para cada una de
las señales monitoreadas, las cuales se almacenan en memoria, esto con el
fin de tener datos de funcionamiento durante todo el tiempo de uso de la
unidad para los 4 arranques que permite el sistema, donde se puede visualizar
valores máximos y mínimos, rangos de operación y hacer un análisis completo
de acuerdo al tipo de gráfica que se obtenga.
XIII
PRESENTACIÓN
En este proyecto se presentó la oportunidad de estudiar y trabajar con los
diferentes mecanismos que equipan una aeronave, el conocimiento previo de los
instrumentos de vuelo, es importante para el diseño e implementación del banco
de pruebas, permitiéndonos en todo momento una operación eficiente y en
condiciones seguras del sistema; por tal motivo se ha desarrollado 5 capítulos
para cumplir con esta meta.
El FUNDAMENTO TEÓRICO brinda información detallada acerca de la A.P.U.,
componentes, funcionamiento y especificaciones técnicas, además de una
descripción general acerca de su utilidad y aplicación en el avión Hércules C-130.
El DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN abarca todo lo que se refiere a la selección y
dimensionamiento de la instrumentación utilizada para el proyecto,
que esta
implementada y fusionada con los instrumentos de vuelo. Además del diseño de
tableros y acondicionamiento de señales.
La parte correspondiente al DESARROLLO DEL PROGRAMA DE CONTROL
presenta los diagramas de flujo y criterios de programación para el control del
PLC y la pantalla táctil HMI.
PRUEBAS Y RESULTADOS presenta un informe en modo de tablas sobre las
pruebas de cada una de los modos de operación del banco de pruebas, hasta
llegar a cumplir con todos los requisitos planteados.
El último capítulo presenta las conclusiones que se obtuvo después de haber
realizado el proyecto, así como las recomendaciones que se dejan planteadas
para la correcta operación del banco de pruebas.
1
CAPÍTULO 1
1 FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
1.1 A.P.U. (UNIDAD DE POTENCIA AUXULIAR)
A.P.U. son las siglas de Auxiliary Power Unit, o Unidad de Potencia Auxiliar, esta
unidad consiste en un generador eléctrico empleado para el arranque de motores
a reacción, un ejemplo de estos motores es el turborreactor, turbofan, turbohélice
(Figura 1.1)
que es el cual se usa en el C-130; otras aplicaciones de la A.P.U. es la
de suministrar energía neumática para el sistema de aire acondicionado,
proporcionar independencia de los equipos en tierra para la operación de los
diferentes sistemas de una aeronave y es de mucha ayuda al brindar una fuente
alternativa de energía en vuelo.
La tarea principal de la A.P.U. es el arranque de motores a reacción y el
acondicionamiento del aire en la cabina. [1]
Figura 1.1 Motor a reacción tipo turbohélice usado por el avión Hércules C-130 [2]
1.1.1 HISTORIA DE LA A.P.U.
Durante la Primera Guerra Mundial, las aeronaves de clase costeros británicos,
llevaban un motor auxiliar de 1.75 caballos de fuerza el cual operaba como
2
generador para el transmisor de radio y en caso de emergencia, podía encender
un ventilador auxiliar; uno de los primeros aviones militares en usar una A.P.U. fue
el Noel Pemberton Billing P.B.3. Durante la 2 ª Guerra Mundial, varios aviones
militares de gran tamaño ya estaban equipados con una Unidad de Potencia
Auxiliar A.P.U. [3]
El Boeing 727 en el año 1963 fue la primera aeronave comercial en incorporar en
su sistema una A.P.U., consiguiendo de esta manera una operabilidad en
pequeños aeropuertos sin hacer uso de las instalaciones propias de la base. La
A.P.U. puede ser identificada en muchos aviones modernos por un tubo de
escape en la cola de la aeronave. [4]
1.1.2 UBICACIÓN DE LA A.P.U. EN LA AERONAVE
Aunque las A.P.U. se montan en diferentes lugares de los aviones tanto civiles
como militares normalmente se encuentran ubicados en el compartimiento de
accesorios en la parte posterior del avión, la unidad está protegida por un sistema
de detección y extinción de incendios que puede ser operado desde el panel de
control en la cabina.
Figura 1.2 Ilustración de las opciones de montaje de la A.P.U. en un avión
Las ventajas que ofrece al encontrarse ubicado en la parte posterior son:
·
El espacio amplísimo que encuentra en el cono de cola.
·
Disminución del nivel de ruido.
·
Reducción de contaminación al nivel del suelo por gases de escape.
3
·
Disminución del riesgo general del avión en caso de incendio.
·
Disminución del riesgo general en caso de fragmentación de algún disco del
rotor o turbina del eje de la A.P.U.
1.1.3 COMPONENTES GENERALES DE UNA A.P.U.
La APU posee un sistema autónomo de arranque, generalmente con tres o cuatro
etapas de compresión y dos rotores en la turbina, también dispone de uno o más
purgas de aire a distintas presiones para abastecer las necesidades del sistema
neumático.
Principalmente una A.P.U. está compuesta por una turbina y un compresor que
puede ser centrífugo, axial o una combinación de ambos; estos dos componentes
trabajan en conjunto pues la sección de alabes del compresor se encuentra
acoplado al eje de la turbina.
Adicionalmente, el eje del compresor está acoplado a un segundo compresor
llamado compresor de carga, con el fin de producir energía neumática para el
sistema de control medioambiental y la puesta en marcha de la planta de potencia
del avión. [1]
Figura 1.3 Secciones y componentes principales de una A.P.U. [5]
4
Una A.P.U., se divide en tres secciones principales: Ver Figura 1.3
·
Sección de potencia
·
Compresor de carga
·
Caja de engranajes
1.1.3.1 Sección de potencia
Es una sección compuesta por un compresor centrífugo, una cámara de
combustión y el grupo de turbinas, este conjunto se convierte en un generador
que proporciona energía a la APU para su funcionamiento.
1.1.3.2 Compresor de carga
Este compresor es el encargado de suministrar la energía neumática necesaria a
la aeronave, con este sistema se pone en marcha los motores y es de gran ayuda
para el sistema de acondicionamiento de aire en la cabina.
1.1.3.3 Caja de engranajes
Esta sección es indispensable pues es la encargada de transmitir la fuerza a un
generador eléctrico mediante una transmisión mecánica directa que se encuentra
acoplado al compresor de carga.
La energía eléctrica que proporciona la A.P.U. permite el funcionamiento del
sistema general del avión, algunos de estos sistemas son la unidad de control de
combustible, el módulo de lubricación y el ventilador de refrigeración.
1.1.4 TIPOS DE A.P.U.
Debido al arranque de la A.P.U. se clasifican en dos grupos:
·
Grupos de arranque de transmisión mecánica.
·
Grupos de arranque neumático.
1.1.4.1 Grupos de Arranque de Transmisión Mecánica
La A.P.U. mecánica se pone en marcha mediante un motor eléctrico, alimentado
de los acumuladores eléctricos a bordo, una vez encendida la cámara de
5
combustión, se dispone de potencia mecánica en el eje de salida de la unidad. La
APU transmite al motor el movimiento de giro necesario por medios mecánicos.
[6]
Estas unidades son ampliamente utilizadas en la aviación militar, su característica
operacional es:
·
La simplicidad.
·
Bajo coste.
·
Potencia de salida pequeña.
1.1.4.2 Grupos de Arranque Neumático
Este grupo se emplea en la aviación comercial, y son los que cumplen en todo
aspecto la funcionalidad de una A.P.U.
Las A.P.U. neumáticas se clasifican por el modo de alimentación de aire de
servicio a los sistemas del avión. [6]
·
Grupos con alimentación de aire por compresor de prioridad.
·
Grupos con alimentación de aire con compresor de carga.
1.1.4.2.1 Grupos con Alimentación de Aire por Compresor de Prioridad
Aquí el arrancador por turbina se alimenta con aire a presión procedente del
compresor centrífugo del propio APU.
El flujo de aire comprimido se divide a la salida del compresor en dos ramas, una
rama se dirige a la cámara de combustión del APU y la otra se canaliza hacia la
turbina de aire de puesta en marcha. Obviamente la función de alimentar con aire
la cámara de combustión del propio APU tiene siempre prioridad sobre la cesión
de aire de servicio al exterior. [6]
1.1.4.2.2 Grupos con Alimentación de Aire con compresor de Carga
En este caso, la turbina de potencia del APU conduce a un compresor centrífugo
independiente, llamado compresor de carga. El compresor de carga admite aire
exterior por su boca de entrada, y lo comprime. El aire comprimido pasa a la
turbina de aire para la puesta en marcha y/o servicios neumáticos del avión. El
6
APU con compresor de carga permite mejor adaptación del grupo a las
necesidades de aire de servicio del avión. Es la solución óptima para aviones poli
motores. Por ello es el más usado en aviones comerciales. [6]
1.1.5 CARACTERÍSTICAS Y CONDICIONES GENERALES DE USO DE LA
A.P.U.
La A.P.U. está diseñada de forma que pueda funcionar hasta unos 9.000 metros
de altitud y en condiciones de formación de hielo.
Sus características son variables según el tipo de avión que deba equipar.
Dependiendo de la aeronave la APU suministra en vuelo solo energía eléctrica,
otras A.P.U. solo se utilizan en tierra, y en algunos casos son capaces de
suministrar energía eléctrica y neumática hasta unos 4.500 metros de altitud. [7]
1.1.6 FASE DE OPERACIÓN DEL AVIÓN
Según la fase de operación del avión, estas funciones se dividen de la siguiente
manera:
1.1.6.1 En Tierra
La A.P.U. abastece de aire de su propio compresor para el arranque de los
motores y para el sistema de acondicionamiento de aire, adicionalmente
suministra energía eléctrica al sistema general del avión. [8]
1.1.6.2 En Vuelo
La A.P.U. actúa como sistema de respaldo en la aeronave, y suministra servicios
como:
• Energía eléctrica.
• Energía Neumática.
• Anti hielo de planos principales. [8]
7
1.1.6.3 En el Despegue
Presente en algunos aviones, la A.P.U. proporciona aire a presión para la
presurización de la cabina. [8]
1.2 AVIÓN HÉRCULES C-130
El avión Hércules C-130 es un avión de transporte militar, el cual posee cuatro
motores turbohélice, fue fabricado por la compañía LOCKHEED MARTIN en el
año de 1950 en Estados Unidos.
El compartimiento del Hércules C-130 puede ser una bodega de carga libre o se
puede adaptar para el transporte de tropas. Su diseño tuvo como primer objetivo
el transporte de carga, de tropas y para apoyo médico, sin embargo puede ser
acondicionado para apoyo aéreo, búsqueda, rescate y asalto aéreo.
El avión Hércules presta su servicio en más de 50 países, con sus diferentes
versiones y distintos modelos. El C-130 se convirtió en el año de 2006 la quinta
aeronave en alcanzar 50 años de uso continuo, en la actualidad es la única
aeronave militar que continua en producción. [9]
Figura 1.4 Avión Hércules C-130H. [10]
Las dimensiones de la bodega de almacenamiento en el Hércules C-130 son
12.50 [m] de longitud, 3.14 [m] de ancho y 2.74 [m] de altura; esta aeronave se
8
encuentra equipada con cuatro motores Allison T56 A-15 de 4910 C.V. de
potencia, proporcionando mejores características para despegues cortos.
Figura 1.5 Bodega de Almacenamiento del Hércules C-130 [11]
Posee un indicador de posición de choque y un radar de navegación y
meteorología
AN/APN-59,
el
cual
cumple
funciones
como
detección
meteorológica, mapeo terrestre y navegación con un alcance de detección mayor
a los 380 [Km]. [12]
Un avión C-130 H puede transportar hasta 20 toneladas de peso, es decir el
equivalente a 5 vehículos militares multipropósito HUMVEE o 2 helicópteros cobra
AH-1; toda la carga puede ser llevada hasta una altura de 2.298 [km]. [9]
Figura 1.6 Capacidad de carga del C-130
9
1.3 A.P.U. DEL AVIÓN HÉRCULES C-130
El sistema de Unidad de Potencia Auxiliar (A.P.U.) en el avión C-130, en zonas
aisladas o bases donde los equipos de apoyo en tierra no están disponibles,
proporciona al avión la capacidad de ser independiente en el mantenimiento y
análisis de problemas, así como en la operación normal de la aeronave. Durante
el vuelo, la A.P.U. es una fuente de alimentación auxiliar de emergencia que
permite mejorar las capacidades operativas. [13]
La A.P.U. del Hércules C-130 es relativamente pequeña y está diseñada para
ocupar el menor espacio posible dentro de la aeronave, la distribución de los
componentes y sistemas principales, hacen que la APU sea un equipo
relativamente compacto y que el trabajo de los operadores sea fácil con respecto
a otras A.P.U.
Figura 1.7 A.P.U. del avión Hércules C-130 [14]
10
1.3.1 PARTES DEL SISTEMA DE LA A.P.U.
La A.P.U. en el Hércules C-130, está instalada en un compartimiento situado en la
parte delantera de la rueda de tren de aterrizaje principal izquierdo, como se
indica en la Figura 1.8
El compartimiento se construye a partir de materiales a prueba de fuego, además
tiene una puerta de acceso grande que proporciona el fácil mantenimiento o
reemplazo de
la unidad. El compartimiento de la APU consta de ventilación,
detección y extinción de incendios, conductos de admisión de aire y de escape.
El sistema de la APU está compuesto por un suministro de combustible, el
sistema de encendido/arranque, purga de aire, panel de control e indicadores de
la APU, tubo de escape, y los subsistemas de suministro de aceite.
Figura 1.8 Ubicación y Partes de la A.P.U. del C-130 [14]
El panel de control de la A.P.U. se encuentra adyacente a la esquina superior
izquierda del panel de control del sistema anti-hielo del avión. Dicho panel está
compuesto por un medidor de temperatura de los gases de escape y un indicador
de velocidad en RPM, interruptores para los sistemas de admisión de aire, purga
11
de aire, al igual que tres luces indicadoras: DOOR OPEN (rojo), START (ámbar), y
ON SPEED (verde). Ver Figura 1.9
Figura 1.9 Ubicación del Panel de Control de la A.P.U.
en la Cabina del C-130. [14]
La energía eléctrica para el funcionamiento de la APU puede ser suministrada por
la batería del avión o mediante una alimentación externa, como es el caso de una
planta de energía que suministre 28V DC, la FAE dispone de varios tipos de
plantas externas pero la más utilizada por el Hércules C-130 es un sistema portátil
de energía recargable, fácil de transportar y dedicado exclusivamente para el
arranque de grandes motores.
1.3.2 COMPONENTES DE LA A.P.U.
El APU se compone de tres secciones básicas.
·
Compresor
·
Potencia (Cámara de combustión y la turbina)
·
Sección de accesorios
12
1.3.2.1 Compresor
La sección del compresor está formada por un compresor de dos etapas, es decir
un compresor formado por dos impulsores y dos difusores.
En términos simples, el compresor es como una bomba de aire. Los impulsores
rotativos absorben un gran volumen de aire desde el pleno de entrada y provocan
que el gas se acelere a gran velocidad debido al movimiento de los alabes del
impulsor. Mientras giran los alabes se genera una fuerza centrífuga que empuja el
aire hacia afuera, esto produce una baja presión en el ojo del impulsor que hace
que atraiga más aire.
Del borde exterior del impulsor el aire es llevado hacia un pasaje llamado difusor,
el difusor reduce la velocidad del gas y convierte la energía en aumento de
presión.
Figura 1.10 Ilustración de funcionamiento de un impulsor
y difusor en un compresor centrifugo. [13]
1.3.2.2 Potencia
La sección de potencia consta de los componentes que proporcionan la potencia
para accionar la unidad, estos son:
·
Cámara de combustión
·
Cámara de Turbina
·
Turbina
13
La sección de potencia está apoyada por la segunda etapa de entrada del difusor
del compresor, la cámara de turbina es la que recibe la descarga de aire
comprimido y también sirve como un compartimento para la cámara de
combustión, en la cual el aire comprimido se mezcla con el combustible,
quemándose y produciendo gas caliente.
El calor generado por la combustión aumenta la presión del aire dentro de la
cámara, este flujo de gas caliente sale de la cámara, pasa a través de los álabes
de la turbina haciendo que el gas pierde presión y gane velocidad, esta energía
hace que la A.P.U. sea autosustentable en su accionamiento.
1.3.2.3 Sección de Accesorios
La sección de accesorios consiste en el tren de engranajes de reducción
(impulsada por el rotor) y la cubierta. Los accesorios necesarios para el
funcionamiento de la unidad básica, y el generador de AC que proporciona
energía eléctrica auxiliar, se encuentran en la cubierta.
Figura 1.11 Diagrama de Bloques del Funcionamiento de la A.P.U.
La turbina convierte la energía calorífica en potencia del eje (torque) para accionar
el compresor y accesorios.
14
Figura 1.12 Ilustración de ensamblaje de las secciones que componen la A.P.U.
[14]
1.3.3 CONTROL ELÉCTRICO DE LA A.P.U.
La APU está diseñada para proporcionar un sistema de control sencillo. El
interruptor de control “APU CONTROL” posicionado a START, RUN, o STOP
controla la unidad. El interruptor de la válvula de purga de aire “BLEED AIR
VALVE” posicionado para abrir o cerrar, controla la extracción de aire.
El encendido se inicia con el interruptor de control de la APU. Una vez que se
selecciona START, el sistema de control eléctrico es automático. El flujo de
combustible y la ignición se inician automáticamente por un interruptor de presión
de aceite, a su vez inicia el encendido del motor de arranque y la unidad.
El motor de arranque y el encendido se desactivan automáticamente por el
interruptor de velocidad centrífuga accionado por la APU, cuando la unidad llega a
la velocidad máxima que soporta el sistema.
15
El interruptor de la válvula de purga de aire se utiliza para controlar el uso de aire
de la unidad. Este circuito es controlado por el interruptor de velocidad centrífuga
accionado por la APU.
Se proporcionan varias funciones automáticas para proteger de daños a la unidad.
El interruptor de presión de aceite, no permite el flujo de combustible o de
encendido sin que la presión de aceite sea la adecuada, y se apaga
automáticamente el flujo de combustible si la unidad tiene una pérdida de presión
de aceite durante el funcionamiento de la unidad.
Un interruptor de sobre velocidad apaga automáticamente el flujo de combustible
en el caso de que haya exceso de velocidad durante el funcionamiento. El sistema
de control está diseñado para probar la función de apagado automático de exceso
de velocidad cada vez que la unidad se encuentra en funcionamiento.
1.3.4 SISTEMA DE LUBRICACIÓN DE LA A.P.U.
El sistema de lubricación de la A.P.U., es un sistema de presión positiva, sirve
para la lubricación de los cojinetes principales de la unidad, para los accesorios de
accionamiento del tren de engranajes, para la recolección de residuos del aceite y
para la refrigeración del aceite antes de su devolución al depósito de suministro.
Los componentes principales del sistema son:
·
Tanque de alimentación de aceite
·
Montaje de la bomba de aceite
·
Presostatos
·
Enfriador de aire-aceite
La función del sistema de lubricación es evitar el desgaste de las piezas de la
APU, la bomba de presión toma aceite del tanque y lo fuerza a través del filtro de
aceite, la caída de presión a través del filtro es muy baja.
16
El diferencial de entrada del filtro y la presión de salida se aplica a la válvula de
derivación del filtro que se encuentra normalmente cerrada, si el filtro se obstruye
por lo que se evita una lubricación adecuada de los cojinetes y engranajes, la
válvula de derivación se abre y permite que el aceite se desvíe del filtro.
Después del filtro, el aceite fluye a los puertos alojados en la bomba, estos
puertos están disponibles para la instalación de un bulbo de temperatura y / o un
conector de prueba de presión de aceite. El aceite posteriormente pasa a un
grupo de puertos de descarga, este se dirige a la conexión de entrada en la parte
superior de la caja de transmisión de accesorios, allí el aceite es forzado a través
de conductos y surtidores para lubricar los engranajes de los accesorios,
rodamientos, sistema de engranaje de la unidad, y el cojinete principal delantero;
los dos interruptores de presión de aceite también están conectados a esta línea
de presión.
El aceite fluye desde un segundo puerto y a través de una línea externa a la parte
inferior de la segunda etapa del compresor, en el que se fuerza a través de un
tubo para lubricar la parte trasera del cojinete principal de la turbina.
La bomba de lubricación proporciona aproximadamente 4.5 galones por minuto a
la velocidad nominal de funcionamiento. La restricción al flujo a través del filtro,
líneas, pasajes y chorros, ocurre cuando hay exceso de presión en el sistema, por
lo tanto el exceso de flujo se desvía de nuevo a la entrada de la bomba de aceite
por la válvula de regulación de presión.
La
válvula
está
configurada
para
regular
la
presión
del
sistema
en
aproximadamente 95 PSIG que proporciona la lubricación deseada para los
rodamientos y engranajes.
Cualquier fallo de la APU que resulta en la contaminación del sistema de aceite,
requiere la limpieza del depósito de suministro de aceite y las tuberías asociadas
para evitar posible fallo prematuro y la sustitución de la APU.
17
Figura 1.13 Diagrama Esquemático del Sistema de Aceite
1.3.5 SISTEMA DE COMBUSTIBLE
El funcionamiento del sistema de combustible es totalmente automático y no
requiere que el operador manipule los controles, después del accionamiento del
interruptor de arranque de la APU, el sistema de combustible proporciona el flujo
de combustible necesario para el arranque y la aceleración.
Durante el funcionamiento, el sistema regula el flujo de combustible según sea
necesario, para mantener una velocidad relativamente constante. El sistema de
combustible no sólo protege de sobrecalentamiento a la turbina durante el
arranque y la aceleración, sino también al funcionamiento en velocidad sin carga
de purga de aire.
El sistema de combustible se compone de cuatro componentes principales:
·
La unidad de control de combustible
·
Válvula solenoide de corte de combustible
·
Atomizador de combustible
·
Termostato neumático
18
El tanque principal del avión, suministra combustible al sistema de la A.P.U., un
filtro de combustible se encuentra en la línea adyacente al compartimiento de la
unidad.
La bomba de combustible de la unidad de control es una bomba de
desplazamiento positivo, bombea mayor volumen de combustible durante el
arranque; el combustible pasa a través del filtro, si el filtro se ensucia y restringe el
flujo de combustible, puede provocar un funcionamiento anormal de la unidad, el
flujo de combustible pasa al atomizador cuando el operador abre la electroválvula
permitiendo el paso de combustible de la unidad.
La unidad de control de combustible tiene tres componentes
·
Válvula de limitación de aceleración
·
Gobernador de combustible
·
Válvula de alivio de alta presión
La válvula de alivio de alta presión no es un componente de medición; su función
es la de evitar daños a la unidad de control de combustible y las líneas al limitar a
la presión máxima de funcionamiento.
La válvula de limitación de aceleración y el gobernador de combustible son los
dos dispositivos de medición de combustible.
El limitador de aceleración proporciona el control de flujo de combustible para el
arranque y la aceleración hasta que la APU alcance la velocidad deseada (95 % a
100 %). Como la presión de combustible se acumula con la rotación de la bomba,
el limitador de aceleración permite aproximadamente 60 PSI de presión de
combustible. Esto se conoce como presión de apertura, y es uno de los ajustes de
la unidad de control de combustible.
El limitador de aceleración establece una condición de derivación que proporciona
un mayor flujo de combustible cuando se requiera mantener la velocidad de la
A.P.U., esto proporciona la energía de calor adicional que se requiere para
19
continuar la suave aceleración hasta que la unidad alcance la velocidad nominal
de funcionamiento.
El motor de arranque eléctrico es el encargado del arranque inicial y ayuda a la
turbina hasta que la APU alcance el 35% de RPM. SI la velocidad está debajo del
35% de la velocidad nominal, la turbina no tiene la capacidad de desarrollar la
potencia necesaria para la aceleración. Si la velocidad está encima del 35%, se
considera autosuficiente para el funcionamiento normal de la APU.
Figura 1.14 Diagrama Esquemático del Sistema de Combustible [14]
20
1.3.6 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LA A.P.U.
Tabla 1.1 Especificaciones Técnicas de la A.P.U. Modelo GTCP85-180L [13]
DIMENSIONES
MEDIDAS
Largo
36 pulgadas
Ancho
32 pulgadas
Alto
20 pulgadas
Peso
290 libras
VELOCIDAD DEL MOTOR
Velocidad del Motor sin carga
42.000 RPM
TEMPERATURA DEL MOTOR
Temperatura de gases de escape
620°C (1150°F)
SISTEMA DE LUBRICACIÓN
Presión de Operación
95+ 5 PSIG
SISTEMA ELÉCTRICO
Fuente de Alimentación
26+2 VDC
Electroválvula de paso de combustible
26+2 VDC
Voltaje de Operación
11 a 30 VDC
Corriente de Operación
1A
ARRANQUE
Voltaje de Operación
14 a 30 VDC
Corriente de Operación inicial
900 A
Disparo 7% aproximadamente
300 A
Arranque 35%
70 A
21
CAPÍTULO 2
2 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL BANCO DE
PRUEBAS PARA LA A.P.U.
2.1 REQUERIMIENTOS DE DISEÑO DEL BANCO DE PRUEBAS
Según las necesidades y requerimientos del personal de la sección de Motoristas
del avión C-130 de la Fuerza Aérea Ecuatoriana, el banco de pruebas debe
constar de lo siguiente:
·
HMI
En el HMI se indica todos los pasos, requisitos y protecciones que se necesitan
tanto para el encendido como para el apagado de la APU. Además, durante el
funcionamiento se puede monitorear las variables de presión de combustible,
aceite y aire, la temperatura de funcionamiento, y la velocidad de rotación del
compresor de la APU, se puede visualizar alarmas y probables fallas que se
produzcan durante el funcionamiento.
·
CONTROL DE ENCENDIDO Y APAGADO
El control de encendido y apagado, en el modo manual, se realiza a través de
interruptores colocados en el panel de control principal, y en el modo automático,
se realiza mediante un pulsante colocado en la HMI; estas acciones son
determinadas de acuerdo a los parámetros de funcionamiento de la APU, las
cuales son programadas en el controlador; esto nos ayudará a tomar acciones
correctivas en el caso que sea necesario.
22
2.2 SELECCIÓN DE EQUIPOS DE CONTROL Y SENSORES
2.2.1 SELECCIÓN DE EQUIPOS DE CONTROL
De acuerdo a las necesidades expuestas anteriormente para el control
y
monitoreo del funcionamiento de la APU; se utiliza un PLC, un módulo de
entradas de señales analógicas, relés para el control de encendido y apagado, y
una pantalla táctil en la cual se visualizara las variables de la APU.
2.2.1.1 Plc
Para el control del funcionamiento del Banco de Pruebas, se utiliza un PLC
SIEMENS S7-1200 1214c DC/DC/DC modelo 6ES7214-1AG31-0XB0 (figura 2.1),
en la siguiente tabla se indica las principales especificaciones técnicas:
Tabla 2.1 Especificaciones técnicas del PLC S7-1200 1214c DC/DC/DC [15]
Tensión de alimentación
24 V DC
Rango admisible, límite inferior (DC)
Rango admisible, límite superior (DC)
Intensidad de consumo
Memoria de usuario
Tiempos de ejecución de la cpu
Para operaciones a bits
Para operaciones a palabras
Para aritmética de coma flotante
Número de entradas digitales
Número de salidas
Número de entradas analógicas
Interfaz
Tipo de interfaz
Norma física
Temperatura de funcionamiento
Dimensiones
Ancho
Alto
Profundidad
Peso aproximado
20,4 V
28,8 V
1,5ª
75 Kbyte
0,085 µs/instrucción
1,7 µs /instrucción
2,5 µs /instrucción
14
10
2 de 0 a 10V
PROFINET
Ethernet
Min -20 °C Max 60 °C
110 mm
100 mm
75 mm
415 g
23
Fig. 2.1 PLC SIEMENS S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC [15]
2.2.1.2 Módulo de entradas de señales analógicas
Para las señales tomadas de la APU, tres son de presión y una de temperatura;
por tal motivo se utiliza un módulo de cuatro entradas analógicas de la marca
SIEMENS SM 1231 AI4 modelo 6ES7 231-4HD30-0XB0 (figura 2.2), en la Tabla
2.2 se indica las principales especificaciones técnicas:
Tabla 2.2 Especificaciones técnicas del módulo SM 1231 AI4 [16]
Tensión de Alimentación
24 V DC
Intensidad de Consumo
Número de entradas analógicas
Tiempo de ciclo (todos los canales), máx.
Rangos de entrada
Tensión
Intensidad
Temperatura de funcionamiento
Dimensiones
Ancho
Alto
Profundidad
Peso aproximado
45 mA
4 tipo corriente o tensión
625 µs
±10 V, ±5 V, ±2,5 V
0 a 20 mA
0 °C a 55 °C
45 mm
100 mm
75 mm
180 g
24
Fig. 2.2 Módulo SIEMENS SM1231 AI4 [16]
2.2.1.3 Pantalla táctil
Para el monitoreo y control del funcionamiento de la APU, se utiliza una pantalla
táctil SIEMENS SIMATIC KTP600 BASIC COLOR PN modelo 6AG1647-0AD112AX0 (figura 2.3), en la Tabla 2.3 se indica las principales especificaciones
técnicas:
Tabla 2.3 Especificaciones técnicas SIMATIC KTP600 Basic Color PN [17]
Tensión de Alimentación
24 V DC
Rango admisible, límite inferior (DC)
Rango admisible, límite superior (DC)
Intensidad de Consumo
Resolución (píxeles)
Resolución de imagen horizontal
Resolución de imagen vertical
Memoria de usuario
Display
Tipo de display
Diagonal de pantalla
Anchura del display
Altura del display
Nº de colores
Interfaz
Tipo de interfaz
Norma física
LED de estado Industrial Ethernet
Temperatura de funcionamiento
19,2 V
28,8 V
0.35 A
320
240
1 Mbyte
TFT
5,7 in
115,2 mm
86,4 mm
256
PROFINET
Ethernet
2
Min -20 °C Max 60 °C
25
Fig. 2.3. Pantalla SIEMENS SIMATIC BASIC COLOR PN [17]
2.2.1.4 Relés
Para el control de las salidas del PLC, tanto para el encendido y apagado; y para
realizar acciones de protección y/o corrección en el caso que lo requiera el
sistema, se utiliza relés SIEMENS LZX PT370024, en la Tabla 2.4 se indica las
principales especificaciones técnicas:
Tabla 2.4 Especificaciones técnicas relé SIEMENS LZX [18]
Tipo de tensión
DC
Tensión de mando
24 V
Corriente máxima
10 A
Número de contactos de apertura
para contactos auxiliares
0
Número de contactos NA
para contactos auxiliares
0
Número de conmutadores
para contactos auxiliares
3
Corriente de servicio / de los contactos auxiliares
a 24 V
8A
Ejecución de la función de maniobra
conmutador
Comportamiento de conmutación
monoestable
26
Ejecución de la conexión eléctrica
conexión por tornillo
Ejecución del accionamiento de relé
con polaridad
Anchura
22,5 mm
Altura
28 mm
Profundidad
35 m
2.2.2 SELECCIÓN DE SENSORES
2.2.2.1 Sensores de Presión
Para las señales de presión de combustible, aceite y aire, se necesita sensores
que soporten una presión máxima de 200 psi, que sean robustos y compatibles
para cualquier fluido, por lo cual se utiliza sensores de la marca SICK modelo
PBT- RB016SGTSSNALA0Z número de serie 6042297 (figura 2.4), en la tabla
2.5 se indica las principales especificaciones técnicas:
Tabla 2.5 Especificaciones técnicas sensor SICK [19]
Tensión de alimentación:
8 V DC ... 30 V DC
Tipo de presión
Margen de medida:
Temperatura de funcionamiento
Salida de señal:
Precisión:
Consumo de corriente:
Manómetro
0 bar ... 16 bar
0 °C ... 80 °C
4...20 mA
<= +/- 1 % (del span)
Max. 8 mA para señal de salida de
voltaje, señal de corriente (máx. 25
mA) para la salida de corriente
Fig. 2.4 SICK modelo PBT-RB016SGTSSNALA0Z serie 6042297 [19]
27
2.2.2.2 Sensores de Nivel
Para medir el nivel mínimo y máximo de combustible en el tanque, se necesita
dos sensores discretos de nivel, por lo que se utiliza sensores de nivel SICK
modelo MHF15-21NG1HSM número de serie 1052273 (figura 2.5), en la tabla 2.6
se indica las principales especificaciones técnicas:
Tabla 2.6 Especificaciones técnicas sensor SICK modelo MHF15-21NG1HSM
serie 1052273 [20]
Tensión de alimentación:
8 V DC ... 30 V DC
Consumo de corriente:
Medio:
Medición:
Fuente de luz:
Tipo de luz:
Longitud de onda:
Presión de funcionamiento:
Temperatura de Funcionamiento
Tiempo de respuesta:
Frecuencia de conmutación:
≤ 30 mA
Fluidos
Switch
LED
Luz roja
650 nm
-0,5 bar ... 16 bar
-25 °C ... 55 °C
2 ms
250 Hz
Fig. 2.5 SICK modelo MHF15-21NG1HSM serie 1052273 [20]
2.2.2.3 Sensor de Temperatura
Para el monitoreo de la temperatura en la APU se utiliza una termocupla tipo K de
la marca Honeywell propia de la unidad (figura 2.6), la cual está formado por los
elementos de Cromel y Alumel; la temperatura máxima de funcionamiento de la
28
termocupla es 1200 °C. Por motivos de seguridad de la FAE no se puede indicar
las características generales, número de modelo y parte de la termocupla
Fig. 2.6 Termocupla Honeywell de Cromel y Alumel
2.3 DISEÑO DE LOS TABLEROS DE CONTROL
2.3.1 TABLERO PRINCIPAL DE CONTROL
En el tablero principal de control se encuentra el PLC, el módulo de entradas
analógicas, cinco relés electromecánicos, la pantalla Ktp600, cuatro interruptores,
y cuatro luces piloto.
El tablero principal tiene una dimensión estandarizada de 40x30x20 cm, fabricado
en lámina de acero estirado y pintado con pintura anticorrosiva.
En la parte frontal del tablero se encuentra la pantalla táctil Ktp600, los cuatro
interruptores, y las cuatro luces piloto, que son:
-
Interruptor MASTER SWITCH
-
Interruptor de tres posiciones: STOP, START, RUN
-
Interruptor AIR UNLOAD
-
Interruptor START VALVE SWITCH
-
Luz START APU
-
Luz ON SPEED
29
-
Luz AIR PRESSURE
-
Luz START VALVE
A continuación se presenta en la figura 2.7 el diseño de la parte frontal del tablero
de control:
AIR
UNLOAD
START VALVE
SWITCH
RUN
START
STOP
MASTER
SWITCH
START
APU
ON
SPEED
AIR
PRESSURE
START
VALVE
Fig. 2.7 Parte frontal del tablero principal
En el interior del tablero se encuentra el PLC, el módulo de señales analógicas,
los cinco relés electromecánicos. Además, se encuentran canaletas y borneras de
conexión para la distribución del cable eléctrico entre todos los elementos. Todos
estos elementos se encuentran sujetos por medio de riel din, distribuido en el
doble fondo del tablero de control.
En el Anexo B se presenta el diseño con la distribución de los elementos en el
tablero principal de control:
2.3.2 TABLERO SECUNDARIO DE CONTROL
Para el diseño del tablero de control se toma en consideración: cuatro relés
propios del avión C-130H para el control del arranque y apagado de la APU,
barras de distribución de voltaje de 28 VDC; y además se encuentran borneras de
conexión y canaletas para la distribución del cable eléctrico. También se
encuentra una fuente de poder logo de 24VDC para los sensores y equipos de
control SIEMENS.
30
Tomando en consideración lo expuesto anteriormente se utiliza un tablero de
control metálico de medidas estandarizadas de 60x40x20 cm, fabricado en lámina
de acero estirado y pintado con pintura anticorrosiva.
En el Anexo B se presenta el diseño con la distribución de los elementos en el
tablero secundario de control:
En la parte frontal del tablero como se indica la figura 2.8, se coloca un selector de
tres posiciones para encender el sistema de control, ya sea para alimentar a la
fuente logo con 110v para que suministre al sistema de control con 24VDC, o con
la opción de suministrar al sistema con una batería externa recargable de 24VDC.
El sistema de control a alimentar está comprendido por el PLC, el módulo de
entradas analógicas, relés SIEMENS, interruptores, pantalla ktp600, y los
sensores.
OFF
ON BATERIA 25V
ON 110V
Fig. 2.8 Parte frontal del tablero secundario
2.4
IMPLEMENTACIÓN DEL TABLERO PRINCIPAL
Para el montaje de todos los elementos eléctricos antes mencionados en el
tablero principal de control, se utiliza lo siguiente:
-
Gabinete metálico 40x30x20 cm
-
Canaletas ranurada 25x40 mm
-
Riel din 15mm
-
Borneras 2.5mm² (AWG 26…12)
Para la conexión eléctrica de los interruptores, luces, PLC, módulo de entradas
analógicas, relés SIEMENS, y pantalla Ktp600, se utiliza conductor comercial
AWG número 18, en la tabla 2.7 se indican las principales especificaciones
técnicas:
31
Tabla 2.7 Especificaciones técnicas de los conductores eléctricos AWG [21]
Calibre
awg
ó mcm
Sección
mm2
Espesor
chaqueta
mm.
Diámetro
exterior
mm.
20
18
2/0
0,519
0,823
67,43
0,10
0,10
0,18
1,77
1,98
13,50
Capac. de
Capac. de
corriente
corriente
para 1
para 3
conductor conductores
al aire libre en conduit
amp.
amp.
15
15
300
10
10
195
De acuerdo al diseño expuesto anteriormente, en la figura 2.9 y la figura 2.10 se
presenta el tablero ya implementado:
Fig. 2.9 Vista frontal del tablero principal de control
Fig. 2.10 Conexión interna del Tablero principal de control
32
El PLC y la pantalla KTP600 se comunican mediante protocolo Ethernet TCP/IP,
por lo que se utiliza cable Ethernet con sus respectivos conectores RJ45 como se
observa en la figura 2.10.
2.4.1 FUNCIÓN DE LOS ELEMENTOS DEL TABLERO DE CONTROL
PRINCIPAL
2.4.1.1 Interruptor MASTER SWITCH
El interruptor MASTER SWITCH es de palanca de dos posiciones ON-OFF. En la
posición ON se energizan con 28 VDC todos los relés del sistema de control de
encendido y apagado de la APU ubicados en el tablero secundario de control,
además, se abre la electroválvula de paso de combustible a la APU.
La batería que energiza al sistema es propia de los aviones C-130, esta
suministra 28VDC y 2400A máx., en la figura 2.14 se indica las especificaciones
de la batería.
Fig. 2.11 Especificaciones de la batería de alimentación de la APU
En la posición OFF desenergiza toda el sistema de encendido de la APU. El
interruptor también sirve como paro de emergencia en el caso que se requiere
apagar por completo la unidad cuando esté en funcionamiento.
33
2.4.1.2 Interruptor STOP, START, RUN
El interruptor STOP, START, RUN es de palanca de tres posiciones. El interruptor
en la posición START el sistema de control eléctrico es automático de la APU, se
energiza todos los componentes de la APU para el encendido, comprendido por el
motor de arranque (STARTER), el relé de encendido y la unidad de ignición. En la
posición RUN, se da un pulso para encender el motor de arranque y empieza la
secuencia de encendido automático de la APU. En la figura 2.12 se indican los
componentes del sistema de arranque e ignición de la APU.
Fig. 2.12 Componentes del sistema de arranque e ignición [14]
2.4.1.3 Interruptor AIR UNLOAD
El interruptor AIR UNLOAD es de palanca de dos posiciones ON-OFF, su función
es controlar la apertura o cierre del suministro de aire de la APU; en caso de
apoyo en tierra, este suministro ayuda a romper la inercia inicial de los motores
para el arranque del avión C-130H.
34
2.4.1.4 Interruptor START VALVE SWITCH
El interruptor STAR VALVE SWITCH es un interruptor de palanca retorno; en
caso de apoyo en tierra, su función es dar un pulso de voltaje de 28 VDC a la
electroválvula del motor del avión C-130H.
2.4.1.5 Luz START APU
Esta luz es de color ámbar, indica que la APU ha arrancado y está en secuencia
de encendido.
2.4.1.6 Luz ON SPEED
Esta luz es de color verde, indica que la APU ha alcanzado la velocidad nominal
de funcionamiento, que es 420000 RPM.
2.4.1.7 Luz AIR PRESSURE
Esta luz es de color rojo, indica que se realizó la apertura de la válvula de
expulsión de aire de la APU.
2.4.1.8 Luz START VALVE
Esta luz es de color rojo, indica que se está enviando 28VDC por el terminal
instalado hacia la electroválvula del motor del avión C-130H.
2.4.1.9 Pantalla KTP600
En la pantalla se indica todos los parámetros de funcionamiento de la APU,
condiciones de encendido y apagado, protecciones, alarmas, visualización de las
variables de presión, temperatura, voltaje y velocidad. Además, durante el
funcionamiento de la APU se muestra el histórico de cada una de las variables
para facilitar el registro de datos que realice el personal a cargo.
35
2.4.1.10 Relés
Los relés están controlados mediante el PLC, este toma la acción de cada
interruptor mencionado anteriormente, y según las condiciones de funcionamiento
se activan o se desactivan los relés, y así estos realizan la acción de los
interruptores.
2.4.1.11 Plc S7-1200
El PLC es un controlador en donde se programa todos los requerimientos para el
encendido y apagado de la APU; también se programa todas las protecciones y
acciones de emergencia que se toma durante el funcionamiento de la APU.
2.4.1.12 Módulo SM 1231
En el
módulo señales analógicas ingresan
las señales de presión de
combustible, aceite, aire y la señal acondicionada del voltaje de alimentación de la
APU, estas señales ingresan acondicionadas de 4 a 20mA y de 0 a 10V, y por
medio del programa del PLC se realiza el respectivo escaldo de la señal para
poder visualizar en la pantalla principal.
2.5
IMPLEMENTACIÓN DEL TABLERO SECUNDARIO
En este tablero se encuentra todo el circuito electrónico de encendido y apagado
propios de la APU, consta de cuatro relés del avión C-130H, barras de distribución
para el voltaje de 28VDC, además se encuentra la fuente logo de SIEMENS.
Para el montaje de todos los elementos eléctricos mencionados, utilizamos lo
siguiente:
-
Gabinete metálico 60x40x20 cm
-
Canaletas ranurada 25x40 mm y 40x40mm
-
Riel din 15mm
-
Borneras 2.5mm² (AWG 26…12)
36
-
Selector/manija metálico tres posiciones Siemens 3SB3602-2KA11
Para la conexión eléctrica de los elementos del sistema de encendió y apagado
de la APU, y de los relés
ON speed, apagado de emergencia, y de la
electroválvula, se utilizó conductores AWG número 20.
Para la toma del voltaje externo de la batería de 28VDC, para las barras de
voltaje, y la conexión del motor de arranque se utiliza conductores AWG número
2/0, en la tabla 2.7 se indica las principales características eléctricas de los
conductores:
De acuerdo al diseño expuesto anteriormente, en la figura 2.13 se observa el
tablero ya implementado:
Fig. 2.13 Conexión interna del Tablero secundario de control
37
2.5.1 FUNCIÓN DE LOS ELEMENTOS DEL TABLERO DE CONTROL
SECUNDARIO
2.5.1.1 Relé de arranque
Este relé tiene como función permitir el paso de los 28 VDC y 300A de la batería
de alimentación hacia el motor de arranque de la APU. En la figura 2.14, se indica
el relé implementado:
Fig. 2.14 Relé de arranque de la APU
2.5.1.2 Relé de apagado de emergencia
Este relé permite el apagado de emergencia de la APU, cuando el operador lo
crea conveniente, por ejemplo, ya sea por sobre velocidad del rotor del
compresor, sobre presión o sobre temperatura de la APU. En la figura 2.15, se
indica el relé implementado:
Fig. 2.15 Relé de apagado de emergencia de la APU
38
2.5.1.3 Relé de la electroválvula de combustible
Este relé tiene como función permitir el cierre o apertura de la electroválvula al
paso de combustible del tanque hacia la APU. En la figura 2.15, se puede
observar el relé con sus especificaciones.
2.5.1.4 Relé de APU dentro de la velocidad nominal
Este relé ayuda a verificar el funcionamiento de la APU, verifica que la velocidad
de rotación del compresor tenga una velocidad mayor al 95% de RPM y alcance la
velocidad nominal del 100%. En la figura 2.16 se indica el relé con sus
especificaciones técnicas.
Fig. 2.16 Relé de ON SPEED
2.5.1.5 Fuente de alimentación Logo
La fuente de alimentación logo, necesita una alimentación de 110VAC para
suministrar 24 VDC a los sensores y todos los elementos de control del tablero
principal.
39
Aquí cabe señalar que el banco de pruebas también debe ser un equipo de apoyo
terrestre y debe ser trasportable, por tal motivo no debe depender de fuentes de
alimentación estáticas. Tomando en consideración lo antes dicho, los sensores y
los elementos del tablero principal pueden ser alimentados con baterías
recargables, por tal motivo se utiliza dos batería de 12VDC de 7A en serie.
2.6
CONEXIÓN DE LOS SENSORES DE PRESIÓN
Para la conexión de los sensores de presión se utiliza cable de mando Chainflex
PVC de tipo CF140.05.05.UL, en la tabla 2.8 se indica las especificaciones del
cable utilizado:
Tabla 2.8 Especificaciones técnicas del cable de mando CF140.05.05.UL [22]
American Wire Gauge AWG
20
Apantallado/No apantallado
Apantallado
Color de la Funda
Gris
Diámetro Externo
9mm
Forma del Cable
Multiconductor
Material Conductor
Cobre Desnudo
Material de Aislamiento
Elastómero Termoplástico
Material de la Funda
PVC
Máxima Temperatura de funcionamiento
+70°C
Número de Núcleos
5
Resistente al Fuego
Sí
Tipo de Pantalla
Trenza
Para los sensores de presión de combustible, aceite y aire, se realiza una
conexión a dos hilos como se indica en la figura 2.17.
40
Fig. 2.17 Conexión de sensores de 4 a 20mA a dos hilos [23]
En las figura 2.18 se puede observar los sensores de presión ya implementados
en el banco de pruebas.
Fig. 2.18 Sensores de presión implementados en el banco de pruebas
2.7
CONEXIÓN DE LOS SENORES DE NIVEL
Para la conexión de los sensores de nivel se utiliza cable receptor M12-5PIN de
SICK tipo DOL-1205-W05M, en la tabla 2.9 se indica las principales
especificaciones técnicas del cable utilizado:
41
Tabla 2.9 Especificaciones técnicas del cable SICK DOL-1205-W05M [24] [25]
Rosca
M12
Número de pines
Versión de conexión
Conector
Tensión de trabajo máx.
Corriente de trabajo máx.
Temperatura de trabajo
Material de aislamiento
5
Angular
Enchufe
30V CA, 36V CC
4ª
-25...80°C
PVC
En la figura 2.19 se puede observar el sensor de nivel ya implementado en el
tanque de combustible, estos sensores indican el nivel alto y bajo de combustible
en el tanque.
Fig. 2.19 Sensores de Nivel implementado en el tanque de combustible
2.8
ACONDICIONAMIENTO
DE
SEÑALES
DE
VOLTAJE,
TEMPERATURA Y VELOCIDAD.
Además, de conocer la presión de combustible, de aceite y de aire, a la cual está
funcionando la APU, también se debe conocer la temperatura de los gases de
expulsión, la velocidad de rotación del compresor y el voltaje que suministra la
batería de 28 VDC para el arranque de la APU; por lo que se acondiciona estas
señales de 0 a 10 V, para que ingrese al PLC y así poder escalar las señales a
sus valores reales en grados centígrados (°C), en revoluciones por minuto (RPM
y %) y voltaje (V) respectivamente.
42
2.8.1 ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL DE TEMPERATURA
Como se explicó anteriormente, se utiliza una termocupla tipo K de cromel y
alumel propia de la APU. Para acondicionar esta señal se toma como referencia el
manual de la APU, que indica que la termocupla entrega un voltaje de 28 a 28.3
mV a la temperatura de 677°C.
La temperatura se acondiciona de la siguiente manera: al valor de 0 °C
corresponda el valor de 0 V y al valor de 1000°C corresponda el valor de 10V. A
1000 °C la termocupla nos entrega 41.2 a 41.4 mV.
Utilizando un amplificador diferencial no inversor como se indica en la figura 2.20,
la ganancia es la siguiente:
R2
R1
R1
+
Vo
V2
R2
Fig. 2.20 Amplificador diferencial no inversor
‫ܩ‬ൌ
ܸை
ൌ ʹͶʹǡͳ͵
ܸଶ െ ܸଵ
Para el acondicionamiento se utiliza dos etapas, la primera de ganancia 10 y la
segunda de ganancia 24.
Por lo tanto, para el primer amplificador de ganancia 10, el valor de las
resistencias es la siguiente:
‫ܩ‬ൌ
ܴଶ
ൌ ͳͲ
ܴଵ
43
Sea ܴଵ ൌ ͳ‫ܭ‬π
Por lo tanto:
ܴଶ ൌ ͳͲ‫ܭ‬π
Para el segundo amplificador de ganancia 24, el valor de las resistencias es la
siguiente:
Sea: ܴଵ ൌ ͳ‫ܭ‬π
Por lo tanto:
ܴଶ ൌ ʹͶ‫ܭ‬π
Para un mejor acople de impedancias y disminuir el efecto de acople del mismo,
se utiliza un seguidor de voltaje a la entrada del primer amplificador.
En la salida del segundo amplificador se coloca un diodo zener de 10 V para
limitar el voltaje que ingresa al PLC.
En la figura 2.21 se puede observar el diseño del circuito de acondicionamiento
de la temocupla.
Fig. 2.21 Circuito de acondicionamiento de la termocupla
44
2.8.2 ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL DE VOLTAJE
Para el arranque y funcionamiento de la APU, se necesita una fuente de
alimentación externa, en este caso es la batería de 28VDC antes mencionada. Se
toma la señal de voltaje de la fuente y se le acondiciona de 0 a 10 V para que
ingrese al PLC y posteriormente se pueda visualizar en la pantalla el voltaje real
de la fuente de alimentación para la APU.
El voltaje se acondicionó de la siguiente manera: al valor de 0V corresponda el
valor de 0V y al valor de 30V corresponda el valor de 10V.
Para el acondicionamiento primero se realiza un divisor de voltaje como se indica
en la figura 2.22, que corresponda los valores antes mencionados, por lo tanto se
tiene:
Vin
R1
Vout
R2
Fig. 2.22 Circuito divisor de voltaje
Sea ܴଵ ൌ ʹͲ‫ܭ‬π
ܸ௢௨௧ ൌ
ܴଶ
ήܸ
ܴଵ ൅ ܴଶ ௜௡
Por lo tanto:
ܴଶ ൌ ͳͲ݇π
Para un mejor acople de impedancias y disminuir el efecto de acople del mismo,
se utiliza un seguidor de voltaje a la salida del divisor.
45
Además, se utiliza un amplificador diferencial no inversor como se indica en la
figura 2.20, de ganancia 1, para filtrar y estabilizar la señal de voltaje que ingresa
al PLC, por lo tanto se tiene:
‫ܩ‬ൌ
ܸை
ܴଶ
ൌ
ൌ ͳ
ܸଶ െ ܸଵ ܴଵ
Sea: ܴଵ ൌ ͳͲ݇π
Entonces: ܴଶ ൌ ͳͲ݇π
En la salida del amplificador se coloca un diodo zener de 10 V para limitar el
voltaje que ingresa al PLC.
En la figura 2.23 se puede observar el diseño del circuito de acondicionamiento
del voltaje de la fuente de alimentación para la APU.
Fig. 2.23 Circuito de acondicionamiento del voltaje de la fuente para la APU
2.8.3 ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL DEL TACO GENERADOR
Durante el funcionamiento se necesita monitorear la velocidad del taco generador
del rotor del compresor. Para acondicionar las señal de voltaje se toma como
46
referencia el manual de la APU; el manual indica que a 42000 RPM nos entrega
28.4 VAC a 70 Hz.
Para el acondicionamiento primero se realiza un puente rectificador de onda
completa con filtro capacitivo como se indica en la figura 2.24. Para esto tomamos
en consideración los parámetros de funcionamiento de la APU,
el sistema
funciona normalmente a una velocidad de 98% a 110% máx. de la nominal que es
42000 RPM, por lo tanto vamos a condicionar la señal de 0 a 50400 RPM.
El taco generador a 50400 RPM entrega 34 VAC, por lo tanto se rectifica esta
señal y por medio del capacitor se obtener un voltaje continuo.
+
C
34 V
RL
-
Fig. 2.24 puente rectificador de onda completa con filtro capacitivo
Primero se encuentra el voltaje pico:
ܸ௣ ൌ ξʹ ή ܸ௡ െ ‫ܦ‬
Donde Vn es el voltaje nominal a acondicionar de la señal del taco generador y D
es la caída de voltaje producida por los diodos, que está entre 0,7 V a 1 V, como
es un rectificador tipo puente conducen de dos en dos los diodos, por lo que el
voltaje de caída es 2V.
Por lo tanto:
ܸ௣ ൌ Ͷ͸ǡͲͺܸ
47
Un capacitor > a 1000uF tiene como ventaja disminuir el Voltaje de rizado (ܸ௥ ) por
lo que la señal rectificada será más continua, el Voltaje promedio rectificado (ܸ௖௖ )
será mayor, y la impedancia capacitiva será menor.
Sea ‫ ܥ‬ൌ ʹʹͲͲߤ‫ܨ‬,ܴ௅ ൌ ͳ‫ܭ‬π, y el valor de la frecuencia es 140Hz porque es un
puente rectificador de onda completa, por lo tanto el voltaje de rizado es:
ܸ௥ ൌ
Dónde:
‫ܫ‬௅
݂ή‫ܥ‬
‫ܫ‬௅ ൌ
Y:
ܸ௖௖
ܴ௅
ܸ௖௖ ൌ ܸ௣ െ
ܸ௥
ʹ
Por lo tanto:
ܸ
ܸ௣ െ ʹ௥
ܸ௥ ൌ
݂ ή ‫ ܥ‬ή ܴ௅
Despejando el voltaje de rizado ܸ௥ :
ܸ௥ ൌ
ʹ ή ܸ௣
ʹ ή ݂ ή ‫ ܥ‬ή ܴ௅ ൅ ͳ
Se obtiene:
ܸ௥ ൌ ͲǡͳͶͻܸ
El valor promedio en la carga es:
ܸ௖௖ ൌ ܸ௣ െ
ܸ௥
ʹ
Por lo tanto:
ܸ௖௖ ൌ Ͷ͸ܸ
48
Una vez ya rectificado el voltaje, se acondiciona de la siguiente manera: al valor
de 0V corresponda el valor de 0V y al valor de 46,08 V corresponda el valor de
10V.
Para el acondicionamiento primero realizamos un divisor de voltaje como se indica
en la figura 2.20, por lo tanto se tiene:
ܸ௢௨௧ ൌ
ܴଶ
ήܸ
ܴଵ ൅ ܴଶ ௜௡
Sea ܴଵ ൌ ʹͲ‫ܭ‬π
Por lo tanto:
ܴଶ ൌ ͷͷͶ͵ǡʹ͵π
Para ܴଶ se utiliza un potenciómetro de ͳͲ‫ܭ‬π.
Para mejor la señal de voltaje continuo obtenido por la rectificación y el divisor de
voltaje, a continuación se coloca un filtro de butterworth pasa bajos, para que
permita el paso de frecuencias bajas desde la frecuencia cero hasta su frecuencia
de corte. Para el diseño de este filtro se utiliza el software FILTER PRO, en la
figura 2.25 se puede observar el circuito obtenido del filtro de butterworth:
C1
220nF
Vin
R1
8.2kΩ
R2
15kΩ
+
-
C2
100nF
Fig. 2.25 Filtro pasa bajos de butterworth
V0
49
Para un mejor acople de impedancias y disminuir el efecto de acople del mismo
se utiliza un seguidor de voltaje a la salida del divisor de voltaje.
Se utiliza un amplificador diferencial no inversor como se indica en la figura 2.20,
de ganancia 1, para mejorar y estabilizar la señal de voltaje que ingresa al PLC,
por lo tanto se tiene:
‫ܩ‬ൌ
ܸை
ܴଶ
ൌ
ൌ ͳ
ܸଶ െ ܸଵ ܴଵ
Sea: ܴଵ ൌ ͳͲ݇π
Entonces: ܴଶ ൌ ͳͲ݇π
En la salida del amplificador se coloca un diodo zener de 10 V para limitar el
voltaje que ingresa al PLC.
En la figura 2.26 se puede observar el diseño del circuito de acondicionamiento
del taco generador del rotor del compresor de la APU.
Fig. 2.26 Circuito de acondicionamiento de la señal de voltaje del taco generador
En la figura 2.27 se puede observar el diseño ya implementado con los tres
circuitos de acondicionamiento de las señales de voltaje, temperatura y velocidad
50
Fig. 2.27 Circuito de acondicionamiento de las señales
2.9 PRESENTACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS DE LA APU
A continuación se presenta las fotografías del banco de pruebas
ya
implementado (figura 2.28 y figura 2.29), en donde se indica las partes principales
que lo conforman y en donde se encuentran ubicados.
Además, en el ANEXO A se puede observar el diagrama de conexiones eléctricas
de los elementos de control del banco de pruebas ubicados en del tablero
principal de control.
51
Fig. 2.28 Vista frontal del Banco de pruebas de la APU
Fig. 2.29 Vista lateral del Banco de pruebas de la APU
52
CAPÍTULO 3
3 DESARRROLLO DEL PROGRAMA DE CONTROL DEL
PLC Y PANTALLA KTP600
3.1 DESCRIPCIÓN GENERAL
Para la programación tanto del PLC Siemens S7-1200 y para la pantalla táctil
KTP600 se utiliza el software de siemens TIA “Totally Integrated Automation”
PORTAL BASIC V11.
A continuación se indican los pasos para configurar los dispositivos en el software:
1. Se crea un nuevo proyecto en el software TIA Portal.
2. Se configura el PLC, seleccionando la CPU 1214C DC/DC/DC y el modelo
6ES7214-1AG31-0XB0.
3. Se configura la HMI, seleccionando la pantalla de 6 pulgadas SIMATIC
KTP600 BASIC COLOR PN modelo 6AG1647-0AD11-2AX0.
4. Se determina la conexión entre el PLC y la pantalla, se conectan mediante
interfaz PROFINET, con protocolo Ethernet TCP/IP, como se indica en la
figura 3.1.
5. Una vez configurado el PLC y la pantalla se configura el módulo de
entradas analógicas, se selecciona el módulo AI4 de 13 bits modelo 6ES7
231-4HD30-0XB0, como se indica en la figura 3.2.
Una vez configurados todos los dispositivos en el software TIA portal, se puede
empezar a desarrollar el programar del PLC y la pantalla KTP600.
53
Fig. 3.1 Conexión entre el PLC y pantalla KTP600 en TIA portal V11
Fig. 3.2 Selección del módulo SM1231 en TIA portal V11
.
A continuación se presenta el desarrollo del programa de control del PLC y la
HMI.
3.2
DESARROLLO DEL PROGRAMA DEL PLC
3.2.1 DIAGRAMAS DE FLUJO
A continuación se presenta los diagramas de flujo para la operación de la APU,
como son: tipos de operación, encendido, apagado normal, y apagado por
emergencia
54
3.2.1.1 Tipos de operación
El programa tiene dos tipos de operación: manual y automático, en el modo
manual se tiene el arranque normal y también la opción de simulación de
parámetros, para poder editar los datos reales de temperatura, velocidad, presión
de combustible, aceite y aire, esto para poder simular y observar todas las
protecciones que presenta el programa hacia la APU. En la figura 3.3 se presenta
el diagrama de flujo de los tipos de operación de la APU.
TIPOS DE OPERACION DE LA APU
ARRANQUE MANUAL
ARRANQUE NORMAL
SIMULADOR DE PARÁMETROS
PROCESO DE
ENCENDIDO MANUAL
PROCESO DE ENCENDIDO Y
SIMULACIÓN
ARRANQUE
AUTOMÁTICO
PROCESO DE ENCENDIDO
AUTOMÁTICO
Fig. 3.3 Diagrama de Flujo del Encendido de la APU
3.2.1.2 Encendido Manual
En el encendido manual se utiliza los interruptores colocados en el tablero
principal de control, como son: interruptor MASTER SWITCH, interruptor STOP,
START, RUN, estos interruptores son las entradas que activan los relés que son
las salidas del PLC, estos se activan una vez que hayan cumplido las condiciones
del programa, como son: nivel alto de combustible en el tanque, nivel lleno de
aceite en el recipiente, y la temperatura de la APU debe ser menor a 200°C. En la
figura 3.4 se presenta el diagrama de flujo del encendido manual.
55
PROCESO DE
ENCENDIDO MANUAL
Verificar nivel de
combustible
Verificar nivel de
aceite
Temperatura de la
APU < 200 C
Cumplo
requisitos
anteriores
NO
SI
ON MASTER SWICTH
Apertura de la electroválvula y de la
alimentación de 28VDC a la APU
START APU
RUN APU
Datos reales de presiones,
temperatura, velocidad
Fig. 3.4 Diagrama de flujo del encendido manual
3.2.1.3 Encendido automático
En el encendido automático se utiliza el interruptor MASTER SWICTH, y un
pulsador ubicado en la pantalla que remplaza al interruptor STOP, START, RUN.
En este modo también se debe cumplir las condiciones del programa para la
operación de la APU, que son: nivel alto de combustible en el tanque, nivel lleno
de aceite en el recipiente, y la temperatura de la APU debe ser menor a 200°C. En
la fig. 3.5 se presenta el diagrama de flujo del encendido automático.
56
PROCESO DE ENCENDIDO
AUTOMÁTICO
Verificar nivel de
combustible
Verificar nivel de
aceite
Temperatura de la
APU < 200 C
NO
Cumplo
requisitos
anteriores
SI
ON MASTER SWICTH
Apertura de la electroválvula y de la
alimentación de 28VDC a la APU
PUSADOR EN LA PANTALLA PARA
EL ENCENDIDO DE LA APU
Datos reales de presiones,
temperatura, velocidad
Fig. 3.5 Diagrama de flujo del encendido automático
3.2.1.4 Simulación de parámetros
En este modo el encendido es automático, cumple todas condiciones del
programa antes expuestas, además se puede editar los datos de temperatura,
velocidad, presión de combustible, aceite y aire, ingresando los valores por medio
de la pantalla, y así poder observar las protecciones que tiene el programa del
PLC hacia la APU. En la figura 3.6 se presenta el diagrama de flujo de la
Simulación de parámetros.
57
PROCESO DE ENCENDIDO Y
SIMULACIÓN
Verificar nivel de
combustible
Verificar nivel de
aceite
Temperatura de la
APU < 200 C
NO
Cumplo
requisitos
anteriores
SI
ON MASTER
SWICTH
PUSADOR EN LA PANTALLA PARA
EL ENCENDIDO DE LA APU
Pulsador de
simulación por
pantalla
OFF
Datos reales de presiones,
temperatura, velocidad
ON
Ingresamos los
datos por medio
de la pantalla
Fig. 3.6 Diagrama de flujo de la simulación de parámetros
3.2.1.5 Apagado de la APU
Para el apagado de la APU en el modo manual, primero se lo realiza con el
interruptor STOP, START, RUN, una vez que la APU se apaga completamente el
interruptor MASTER SWITCH se coloca en la posición OFF.
El apagado en modo automático, primero se lo realiza con un pulsador ubicado en
la pantalla, una vez que la APU se apaga completamente el interruptor MASTER
58
SWITCH se coloca en la posición OFF. En la figura 3.7 se presenta el diagrama
de flujo del apagado de la APU.
APAGADO DE LA APU
APAGADO
MANUAL
APAGADO
AUTOMÁTICO
STOP APU
APAGADO MEDIANTE
PULSANTE DE LA PANTALLA
OFF MASTER SWICTH
Cierre de la electroválvula y de la
alimentación de 28VDC a la APU
OFF MASTER SWICTH
Cierre de la electroválvula y de la
alimentación de 28VDC a la APU
TIPOS DE OPERACION DE LA APU
TIPOS DE OPERACION DE LA APU
Fig. 3.7 Diagrama de flujo del apagado de la APU.
3.2.1.6 Apagado de Emergencia
Se puede apagar de emergencia la APU con el interruptor MASTER SWITCH
cuando el operador lo crea necesario, como por ejemplo cuando haya fuego,
fugas en las mangueras, etc. Además se apaga cuando en el momento de
encender la APU no llega a estabilizarse el sistema, es decir no alcanza los
parámetros mínimos de velocidad, presión de combustible y aceite.
Durante el funcionamiento, si el nivel de combustible es bajo o los valores de
temperatura, velocidad, presión de combustible, aceite o aire no están dentro del
rango de funcionamiento como se indica en la figura 3.8 la APU se apaga
automáticamente de emergencia. En la figura 3.8 se presenta el diagrama de flujo
del apagado de emergencia
59
OFF MASTER
SWITCH
.
Después
de 1 min.
del encendido tiene
que estabilizarse
la APU
NO
SI
Presión de
aceite (Pa)
85<Pa<100
PSI
NO
SI
Presión de
combustible (Pc)
PC>50
PSI
APAGADO DE LA APU POR
EMERGENCIA
CONTINUA OPERANDO LA APU
NORMALMENTE
NO
SI
NO
Temperatura
de la APU (T)
T<677 C
SE APAGA LA APU
TIPOS DE OPERACION DE LA
APU
SI
Velocidad (V)
95%<V<110%
RPM
NO
SI
ON AIR
UNLOAD
Presión de
aire (Pae)
25<Pae<32
PSI
NO
SI
BAJO NIVEL DE
COMBUSTIBLE
Fig. 3.8 diagrama de flujo del apagado de emergencia.
3.2.2 PROGRAMACIÓN EN TIA PORTAL
El desarrollo del programa en el software TIA portal se lo realiza en lenguaje de
programación KOP.
KOP (esquema de contactos) es un lenguaje de programación gráfico. Su
representación se basa en esquemas de circuitos. Los elementos de un esquema
60
de circuitos forman segmentos, estos elementos pueden ser: contactos
normalmente cerrados o normalmente abiertos, y las bobinas.
3.2.2.1 Estructura del programa
El programa consta de la utilización de los siguientes bloques lógicos:
·
Bloque de organización (OB), es un bloque cíclico en donde se encuentra el
programa principal, este bloque nos permite estructurar todo el programa y
ejecutar las funciones específicas del mismo. Además sirve como interfaz
entre el sistema operativo y el programa de usuario.
·
Bloque de función (FB) es una subrutina que se ejecuta cuando se llama
desde otro bloque lógico (OB o FB). Los FB tienen una memoria variable
ubicada en un bloque de datos (DB), estos almacenan datos una vez que haya
finalizado el FB.
El programa tiene una estructura modular como se indica en la figura 3.9, esta
estructura simplifica la depuración del programa y reduce el tiempo de puesta en
marcha de la aplicación a ejecutarse.
Fig. 3.9 Estructura modular del programa
En la figura 3.10 se presenta un ejemplo de los bloques de funciones en el
programa, estos bloques de funciones son:
·
Operación Manual
·
Operación Automática
61
·
Simulación de Parámetros
·
Escalado sensor de presión de combustible
·
Escalado sensor de presión de aceite
·
Escalado sensor de presión de aire
·
Escalado de Temperatura
·
Escalado de Velocidad
·
Escalado de Voltaje de la alimentación de la APU
Fig. 3.10 Bloques de funciones de operación manual y automática.
En el bloque principal de organización OB se encuentran todos los bloques de
funciones, las alarmas y las condiciones de apagados de emergencia.
En la figura 3.11 se presenta el diagrama de bloques de la estructura del
programa implementado en el PLC.
3.2.2.2 Encendido de la APU
Para el encendido de la APU se utiliza la instrucción flip flop de activación/
desactivación (SR), en donde la entra R (desactivación) prevalece sobre la
entrada S (activación), este instrucción sirve para condicionar tanto el encendido
como el apagado como se indica en los diagramas de flujo; en la figura 3.12 se
presenta la aplicación de la instrucción.
62
FB
OPERACIÓN
AUTOMÁTICA
DB
OB
BLOQUE PRINCIPAL DEL
PROGRAMA
FB
OPERACIÓN
MANUAL
DB
FB
Escalado sensor
presión de
combustible en PSI
FB
MANUAL_NORMAL
DB
FB
SIMULACIÓN
DB
DB
FB
Escalado sensor
presión de aceite en
PSI
DB
FB
Escalado sensor
presión de aire en
PSI
DB
FB
Escalado
Termocupla en °C
DB
FB
Escalado Velocidad
en RPM
DB
FB
Escalado Voltaje de
alimentación
DB
Fig. 3.11 Diagrama de Bloques de la estructura del programa en el PLC
Fig. 3.12 Condiciones de apagado y encendido
63
Una vez cumplidas las condiciones de encendido, se puede iniciar con la
secuencia de arranque de la APU; con los interruptores en el modo manual o con
un pulsante en el modo automático, en la figurara 3.13 se presenta un ejemplo de
la activación de la electroválvula y alimentación de 28VDC a la APU.
Fig. 3.13 Inicio de la secuencia de encendido
3.2.2.3 Apagado de emergencia
Para el apagado de emergencia por variables fuera del rango de funcionamiento
se usa comparadores, por ejemplo se utiliza la instrucción valor fuera de rango
(OUT_RANGE), en esta instrucción se determina los límites de funcionamiento
como es el valor mínimo y máximo, si la variable no se encuentra dentro del límite,
se activa una marca que apaga el APU y envía un mensaje de Emergencia al
operador. En la figura 3.14 se presenta un ejemplo de esta instrucción en el
programa.
Fig. 3.14 Apagado por fuera de rango del sensor de aceite
64
3.2.2.4 Escalado de los sensores de presión
Para realizar el escalado de la señal de presión se utilizan las instrucciones
normalizar (NORM_X) y escalar (SCALE_X), el sensor entrega: 4mA a 0 PSI y
20mA a 232 PSI; entonces para la normalización a 4mA tiene un valor decimal de
5530 y a 20mA tiene un valor de 27648, en la figura 3.15 se presenta un ejemplo
del escalado del sensor de combustible.
Fig. 3.15 Escalado del sensor de presión de combustible
En la figura 3.16 se presenta un ejemplo del bloque de funciones del escalado del
sensor de presión de combustible.
Fig. 3.16 Bloque de función del escalado del sensor de combustible
3.3
DESARROLLO DE LA INTERFAZ GRÁFICA
El desarrollo de la interfaz gráfica HMI se la realiza con el mismo software de
programación que se utiliza para el PLC, el TIA “Totally Integrated Automation”
PORTAL BASIC V11.
65
En el siguiente apartado se explica de manera general como trabaja y es
controlado el sistema mediante la pantalla KTP600, así como una explicación
general del modo de integración entre la HMI y el controlador PLC.
3.3.1 DESCRIPCIÓN GENERAL
La interfaz gráfica HMI está compuesta por grupos de imágenes las cuales
permiten supervisar y controlar los diferentes procesos de encendido, simulación y
apagado del sistema. Las distintas acciones que realiza el usuario en la pantalla,
no son más que confirmaciones que son reconocidas por el controlador, que a su
vez por la estructura y lógica de la programación, hace que se produzca un evento
como puede ser el inicio de un proceso, cambio de imagen o monitoreo de las
variables. En el siguiente diagrama de flujo (figura 3.17) se ofrece una explicación
resumida de la interacción entre las diferentes imágenes (ventanas) de la HMI.
INICIO
Inicio de sesión
Usuario Y
Contraseña, datos
correctos
NO
SI
Información procedimiento
de seguridad
sisguiente
sisguiente
Requisitos de operación
regresar
regresar
sisguiente
sisguiente
Tipos de operación
MANUAL
regresar
regresar
NO
SI
NO
automático
Proceso
manual
simulación
regresar
regresar
SI
Proceso
automático
Fig. 3.17 Diagrama de flujo resumido de interacción entre pantallas.
66
3.3.1.1
Imagen de Bienvenida.
La imagen de bienvenida es la primera que se muestra en la pantalla al momento
de energizar el banco de pruebas (figura3.18), es una imagen donde
necesariamente se debe validar los datos del operador mediante un usuario y una
contraseña, adicionalmente la imagen consta con información acerca de sistema
general.
Fig. 3.18 Imagen de bienvenida.
Al momento continuar con el proceso mediante la flecha siguiente, solo al inicio de
la HMI se abre una ventana auxiliar de Inicio de Sesión (Figura 3.19), una vez
ingresado los datos, estos se comparan con los almacenados en la memoria y si
son correctos, se habilitan las demás imágenes del banco de pruebas.
Fig. 3.19 Imagen de bienvenida.
67
3.3.1.2
Imagen Procedimiento de Seguridad
En esta imagen se presenta la información necesaria para el uso del banco de
pruebas, esta información consta de requisitos y pasos que el o los operadores
deben seguir para una operación segura y eficiente del banco de pruebas. (Figura
3.20)
Fig. 3.20 Imagen de Procedimiento de Seguridad.
3.3.1.3 Imagen Operación de la A.P.U.
La imagen de operación de la A.P.U. es una imagen de información y diagnóstico
de las señales más importantes del sistema, que deben verificadas previo al
proceso de encendido de la A.P.U. (Figura3.21)
Fig. 3.21 Imagen de Operación de la A.P.U.
68
El nivel de combustible se encuentra monitoreado por los sensores de nivel
discretos, los cuales llevan la información al controlador PLC y este a la pantalla
para la visualización, consta de tres niveles VACÍO, MEDIO Y LLENO,
refiriéndose al nivel de combustible en el tanque.
El nivel de aceite es el único parámetro el cual debe ser comprobado por el
personal, se manda una señal de confirmación de VACÍO o LLENO al PLC,
mediante el algoritmo de control esta señal habilita marcas para seguir o
interrumpir con el proceso de funcionamiento en el banco de pruebas.
La temperatura es un parámetro que se encuentra monitoreado constantemente,
esta señal llega al PLC y el controlador manda la información para poder
visualizarla en la pantalla. La pantalla utiliza las marcas de confirmación de estas
señales para habilitar los botones de avance o retroceso a la imagen Tipo de
Operación del sistema.
3.3.1.4 Imagen Tipo de Operación
En esta imagen se visualiza un menú con los dos posibles tipos de operación del
banco de pruebas (Figura 3.22), el operador puede escoger una operación
manual o automática dependiendo del nivel de conocimiento que tenga con
respecto al sistema, la HMI está diseñada con animaciones que son muy
amigables con el usuario, facilitando la interactividad.
Fig. 3.22 Imagen Tipo de Operación
69
Cuando se escoge una de las opciones se habilitan las flechas de siguiente, que
llevarán al operador, a las imágenes de información y procedimiento respectivas.
El nivel de seguridad con respecto a la operación de funcionamiento está
respaldado tanto por el algoritmo de la HMI como el algoritmo del controlador
PLC.
3.3.1.5 Imagen de pasos para el encendido
En esta imagen se visualiza los pasos que deber seguir el operador para el
encendido de la APU ya sea en modo manual o automático (Figura 3.23).
Fig. 3.23 Imagen de pasos para el encendido automático
3.3.1.6
Imagen de datos
En esta imagen se visualiza todos los datos de variables en tiempo real como son:
presión de combustible, presión de aceite, temperatura, y velocidad, además se
tiene la opción de descarga de aire y el apagado de la APU (Figura 3.24).
Fig. 3.24 Imagen de Datos
70
3.3.1.7 Imagen del visor de curva
En esta imagen se visualiza las curvas de comportamiento de cada una de las
variables durante el funcionamiento de la APU, se puede obtener los datos con los
valores exactos y con sus respectivos tiempos (Figura 3.25).
Fig. 3.25 Visor de Curvas de la señal de combustible
3.3.1.8 Imagen de pasos para el apagado
En esta imagen se visualiza los pasos que deber seguir el operador para el
apagado de la APU ya sea en modo manual o automático (Figura 3.16).
Fig. 3.26 Imagen de pasos para el apagado manual
71
CAPÍTULO 4
4 PRUEBAS Y RESULTADOS DEL FUNCIOAMIENTO
DEL BANCO DE PRUEBAS DE LA APU
4.1
FUNCIONAMIENTO DE LA APU
Durante el funcionamiento del banco de pruebas de la APU en modo manual y
automático, se obtuvo una respuesta satisfactoria en el momento de la secuencia
de encendido y del apagado del mismo. Durante el funcionamiento se puede
visualizar todos los valores de las variables de la APU, así como las curvas de
comportamiento de cada una de ellas.
El sistema de control implementado en el banco de pruebas funcionó
correctamente, los datos obtenidos durante el funcionamiento de la APU
estuvieron dentro del rango permitido por lo que no se produjo ningún apagado de
emergencia.
En la tabla 4.1 se presenta los resultados que se obtuvo durante el
funcionamiento de la APU.
Tabla 4.1 Resultados del Banco de Pruebas en modo manual y automático
Estado
MODO MANUAL
MODO AUTOMÁTICO
Secuencia de Encendido
Secuencia de Encendido
Master
Interruptor
Interruptor
Master
Secuencia de encendido
Switch
posición
posición
Switch
automático,
ON
START
RUN
ON
pulsante en la pantalla
OK
OK
OK
OK
OK
72
Apagado
Apagado
Master
Interruptor
Apagado de
Master
Apagado
Apagado
Switch
posición
emergencia
Switch
pulsante en
de
OFF
STOP
Master
OFF
la pantalla
Emergenci
Switch
a Master
Switch
Estado
OK
OK
OK
OK
OK
OK
Datos Obtenidos
Arranque
Durante el
Arranque
Funcionamiento
Funcionamiento
V
Durante el
26
25.5
25.8
25.3
166
162
168
162
90
88
90
88
18
25
19
25
570
330
577
325
98%
101%
98%
101%
Voltaje
PSI
Combustible
PSI
Aceite
PSI
Aire
°C
Temperatura
RPM
Velocidad
4.2
FUNCIONAMIENTO Y SIMULACIÓN DE LA APU
Durante el funcionamiento normal del banco de pruebas se procedió a verificar los
apagados de emergencia que se pueden producir durante el funcionamiento de la
APU. Mediante la opción de simulación de parámetros se puede ingresar los
valores de las variables antes mencionadas y así poder observar el apagado de
73
emergencia de la APU, el mensaje de emergencia y una lista de las posibles
soluciones para cada error.
Además, se verifico el apagado de emergencia por falta de combustible, por no
estabilización en el arranque de la APU y las condiciones de encendido que se
deben cumplir para encender la APU que son: suficiente combustible en el
tanque, recipiente de aceite lleno y temperatura menor a 200 °C.
En la tabla 4.2 se presenta los resultados obtenidos de la simulación de errores
durante el funcionamiento de la APU.
Tabla 4.2 Resultados de la simulación de errores durante el funcionamiento de la
APU.
MODO SIMULACIÓN
CONDICIONES DE ENCENDIDO
Nivel de
Nivel de
Temperatura
Encendido de la APU
combustible
aceite
menor a 200 °C
Prueba 1
VACIO
LLENO
MENOR
No se puede encender
Prueba 2
MEDIO
VACIO
MENOR
No se puede encender
Prueba 3
MEDIO
LLENO
MAYOR
No se puede encender
Prueba 4
MEDIO
LLENO
MENOR
Se puede encender
DURANTE EL ARRANQUE
Durante el arranque se estabilizo la
Estado de la APU
APU dentro de 1 minuto de iniciado
Prueba 1
No se estabilizo
Se apagó automáticamente
74
Prueba 2
Si se estabilizo
Continuo con el encendido
normal
DURANTE EL FUNCIONAMIENTO
Estado de la APU
Durante el funcionamiento Nivel de
combustible
Prueba 1
Bajo
Apagado automático de la APU
Ingreso de Valores para cada variable
Valor
Valor
Apagado
Mensaje de
Mensaje
real
ingresad
automático
advertencia
pasos a
o
Prueba 1
PSI
seguir
160
30
Ok
Ok
Ok
88
80
Ok
Ok
Ok
Combustible
Prueba 2
PSI
Aceite
Prueba 3
PSI Aire
30
40
Ok
Ok
Ok
Prueba 4
°C
325
680
Ok
Ok
Ok
RPM
101
111%
Ok
Ok
Ok
Velocidad
%
Temperatura
Prueba 5
75
CAPÍTULO 5
5 CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 CONCLUCIONES
·
Con el banco de prueba implementado se puede monitorear de una manera
más exacta las variables de operación de la APU como son: presión de
combustible, presión de aceite, presión de aire, temperatura, y velocidad de
rotación del compresor, permitiendo al operador tener datos confiables para el
posterior análisis y mantenimiento de la APU.
·
Tomando en cuenta el manual de operación de la APU y las necesidades del
personal, se desarrolló e implemento un sistema de emergencia, el cual
permite detectar fallas y dar posibles soluciones durante la operación de la
APU, como ejemplo variable fuera del rango de operación que indica
probables fallas en el sistema mecánico de la APU.
·
En el caso que la APU presente fallas de operación, el banco de pruebas
realiza un apagado de emergencia, preservando la seguridad del personal
encargado de la operación y también permitiendo que la APU no sufra
mayores daños.
·
El banco de pruebas a más de ayudarnos a analizar el funcionamiento de la
APU, sirve como un equipo de apoyo en tierra para el arranque del avión
Hércules C-130, por
tal motivo
el banco de prueba es transportable,
brindando en todo momento seguridad y funcionamiento al 100% durante la
operación.
76
·
Para el sistema de control se utiliza un PLC siemens que en comparación a un
microcontralador
es
más
robusto
y
brinda
mayor
seguridad
contra
interferencias y vibraciones, dando confiabilidad al sistema implementado bajo
cualquier condición de operación.
·
Con el fin de tener una interfaz amigable con el operador, con un monitoreo
interactivo y de fácil entendimiento, se utiliza una pantalla de color KTP600, ya
que brinda las facilidades en su operación, programación y además es un
equipo económico.
·
Antes de programar el PLC con el módulos SM1231 y pantalla KTP600,
además de realizar la comunicación IP entre ellos, se tiene que sincronizar los
equipos mediante el programa TIA PORTAL, para esto se los conecta en
modo online, se realiza el mantenimiento y se procede a poner en modo RUN
los equipos.
·
Para el momento del acondicionamiento de las señales de presión en el
módulo SM1231 se debe tener en cuenta si se trabaja con una señal de
corriente o de voltaje, además se debe seleccionar adecuadamente las marcas
y algoritmos en la programación en TIA PORTAL y la escala a la cual debe
trabajar el sensor.
·
Para el acondicionamiento de las señales de voltaje, temperatura y velocidad
de rotación del compresor, primero se utilizó equipos de medición analógicos
de la aeronave con el fin de tener una referencia de los valores reales durante
el
funcionamiento
y
de
esta
manera
proceder
a
su
respectivo
acondicionamiento.
·
Se utilizó y adaptó elementos de control propios de la aeronave, con el fin de
tener un control en la operación prácticamente similar a la de un avión
Hércules C-130, para tal objetivo se tuvo la asesoría del grupo técnico de la
FAE en el estudio e implementación, basándose siempre en los manuales de
77
operación de la APU, por tal motivo se debe tener confidencialidad en los
equipos utilizados y circuitos eléctricos del avión y de la APU.
·
Con el proyecto desarrollado se ayudará a realizar las pruebas y
mantenimientos de la APU en el banco y ya no necesariamente en el avión,
por lo que ya no se verán obligados a retrasar o cancelar operaciones aéreas
programadas, manteniendo los aviones disponibles (en buen estado y
completamente operativos), brindado seguridad tanto para los tripulantes y
para la comunidad.
5.2 RECOMENDACIONES
·
Se debe operar el banco de pruebas en lugares abiertos debido a la potencia y
alto ruido que genera la APU, además el personal a cargo de la operación
debe tener todos los equipos de seguridad, como son: extintor, orejeras, overol
y guantes.
·
Se recomienda que el banco de pruebas sea operado por personal capacitado
en el funcionamiento de la APU, además siga paso a paso las instrucciones
que la pantalla y el manual ofrece para cada procedimiento.
·
Se recomienda que durante el funcionamiento del banco de pruebas el
operador siempre debe monitorear y revisar las variables de presión, voltaje,
temperatura, velocidad y nivel de combustible, con el fin de tomar acciones
correctivas en el caso que sea necesario, y además como medida de
seguridad, el sistema tiene un apagado de emergencia automático y manual,
para tal acción se utiliza el interruptor MASTER SWITCH.
·
Para el arranque de la APU se debe tener en cuentas los tiempos de
operación y apagado de la APU, es decir después del primer arranque se debe
esperar un minuto para el segundo arranque, para el tercer arranque se debe
esperar cinco minutos y para el cuarto arranque se debe esperar veinte
minutos.
78
·
Se recomienda que el abastecimiento de combustible al banco de pruebas se
lo realice siempre cuando la APU este apagada.
·
Se recomienda cargar las baterías de 12VDC cuando el sistema de control
este alimentado por la red de 110VAC, y siguiendo el procedimiento que
consta en el manual de operación.
79
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=csopen&extranet=standard&viewreg=WW.
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family.jpg.
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82
ANEXOS
L+ M
24VDC
3
L+ M
1+ 1AI
Línea 2O sensor de aceite
Línea - fuente 24Vdc
Línea M APU solenoide de sobre velocidad
Línea L APU encendido relé FHR
Línea J APU arranque relé ASR
RELÉ 4
A.U.
Línea G APU elevtroválvula de descarga
RELÉ 5
S.V.S.
A1 5
Línea A1/R1 salida PQa.0
A1 5
Línea + fuente 28Vdc
Línea A1/R3 salida PQa.2
Línea A1/R4 salida PQa.3
Línea 4SV switch S.V.S.
Línea H APU solenoide Valve Switch
OFF
ON
Línea 0M/DIa.0
Línea 2S/Dia.1
Línea 5R/Dia.2
INTERRUPTOR MASTER SWITCH
Línea + fuente 24Vdc
2
5
Línea 3AU/Dia.3
INTERRUPTOR STOP-START-RUN
Línea + fuente 24Vdc
1
4
DIAGRAMA DE CONEXIONES ELÉCTRICAS DE LOS EQUIPOS DE CONTROL
Línea A1/R2 salida PQa.1
Línea + fuente 24Vdc
-
0+ 0AI
Línea 2G sensor de gasolina
Línea - fuente 24Vdc
RELÉ 3
RUN
4 4
3 3
+
L+ M
24VDC
Línea + fuente 24Vdc
Línea - fuente 24Vdc
A1 5
-
2M 0 1
Analogas
input
Linea - fuente 24Vdc
Línea 0T señal de temp.
Línea 1S señal de velocidad
4
+
.0 .1
DIb
Línea 1BK sensor nivel alto
Línea 2BK sensor nivel bajo
RELÉ 2
Start-Stop
ON
Línea 4SV/Dia.4
INTERRUPTOR AIR UNLOAD
OFF
ON
-
ANEXO A
1M .0 .1 .2 .3 .4 .5 .6 .7
DIa
ENTRADAS
Línea - fuente 24Vdc
Línea 0M switch M.S.
Línea 2S Switch START
Línea 5R switch RUN
Línea 3AU switch A.U.
Línea 4SV switch S.V.S.
A1 2
A2 8
Línea + fuente 24Vdc
OFF
CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO
T
INTERRUPTOR START VALVE SWITCH
Línea + fuente 24Vdc
Línea - termocupla
Línea + termocupla
Línea 1Taco Generador
1
AC
2
-
Línea + fuente 24Vdc PLC
Línea - fuente 24Vdc PLC
RELÉ 1
M.S.
A2 8
Línea 4R/A1 relé A.U.
Línea 5R/A1 relé S.V.S.
Línea - fuente 24Vdc
A1 5
8
Línea - fuente 24Vdc
Línea + fuente 28Vdc
MÓDULO de AI
SM1231
A2
Línea - fuente 24Vdc
Línea + fuente 28Vdc
SELECTOR DE VOLTAJE DE 24VDC
Línea + Fuente BATERIAS 24Vdc
Linea 2 Taco Generador
V
2V
Línea – fuente de 24Vdc
Línea - fuente 28Vdc
Línea 2V/2+ Modulo SM1231
Línea + fuente 28Vdc
Línea - fuente 24Vdc
Línea + fuente 24Vdc
0T 1S
Línea – fuente de 24Vdc
7
Línea + fuente 28Vdc
Línea + fuente LOOGO 24Vdc
L+ M
24VDC
Línea 0T/0AI PLC.
Línea 1S/1AI PLC.
Línea - fuente 24Vdc
Línea N APU relé ASR
A2 8
Línea + alimentación 24Vdc
Línea + alimentación 24Vdc
X1P1
PANTALLA KTP600
Línea + fuente 24Vdc
Línea - fuente 24Vdc
Línea a Electroválvula
A2 8
Línea - fuente 24Vdc
Línea 2BK/Dib.1 PLC
Línea X1P1K/X1P1P ethernet
AI
3+ 3-
SENSORES DE NIVEL
SENSOR DE NIVEL
BAJO
Línea BN/fuente + 24Vdc
Línea BE/fuente - 24Vdc
L+ M
24VDC
AI
2+ 2-
Línea 2V señal de voltaje
Línea - fuente 24Vdc
Línea 1BK/Dib.0 PLC
X1P1
SENSOR DE NIVEL
ALTO
Línea 2A sensor de aire
Línea - fuente 24Vdc
Línea BN/fuente + 24Vdc
Línea BE/fuente - 24Vdc
PLC
2
Línea X1P1P/X1P1K ethernet
SALIDAS
Línea 1R/A1 relé M.S
Línea 2R/A1 relé Start-Stop
Línea 3R/A1 relé RUN
Línea 4R/A1 relé A.U.
Línea 5R/A1 relé S.V.S.
DQa
3L+ 3M .0 .1 .2 .3 .4 .5 .6 .7
1
Línea + fuente 24Vdc
Línea + fuente 24Vdc
Línea - fuente 24Vdc
SENSORES DE PRESIÓN
Línea + fuente 24Vdc
3
1
3
2
AIRE
Línea 2A/AI.2+ SM1231
2
ACEITE
Línea 2O/AI.1+ SM1231
Línea + fuente 24Vdc
1
GASOLINA
Línea 2G/AI.0+ SM1231
Línea + fuente 24Vdc
ANEXO B
DISEÑO DEL INTERIOR DEL TABLERO PRINCIPAL Y SECUNDARIO
CANALETA
CPU 1214C
SM 1231
CANALETA
CANALETA
BORNERAS
CANALETA
RELES
BORNERAS
MASTER START RUN
SWITCH STOP
START
AIR
UNLOAD VALVE
SWITCH
CANALETA
INTERIOR DEL TABLERO PRINCIPAL DE CONTROL
CANALETA
FUENTE LOGO
BORNERAS
CANALETA
CANALETA
CANALETA
RELÉ 1
RELÉ 2
RELÉ 3
CANALETA
BARRAS DE DISTRIBUCIÓN
RELÉ 4
INTERIOR DEL TABLERO SECUNDARIO DE CONTROL