Automatización de prototipo de seguidor solar para fines de investigación

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo de fin de grado Ingeniería en tecnologías industriales Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2013 Automatización de prototipo de seguidor solar para fines de investigación Autor: Gonzalo García Labrador Tutor: Dr. Luis Fernando Castaño Castaño Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingenieríaniversidad de Sevilla Sevilla, 2013 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales Dpto. de ingeniería de sistemas y automática ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 iii Trabajo fin de grado Grado en ingeniería de tecnologías industriales Automatización de prototipo de seguidor solar para fines de investigación Autor: Gonzalo García Labrador Tutor: Dr. Luis Fernando Castaño Castaño Dpto. de ingeniería de sistemas y automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 v Trabajo de fin de grado: Automatización de prototipo de seguidor solar para fines de investigación Autor: Gonzalo García Labrador Tutor: Dr. Luis Fernando Castaño Castaño El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2018 El Secretario del Tribunal vii A mi familia y amigos ix Agradecimientos Agradecerle a mi tutor Fernando Castaño, todo el tiempo dedicado a resolver toda cuestión que se me ha planteado en la realización del Proyecto. Y especialmente por la pasión que ha sido capaz de transmitir en todo tema relacionado con la automatización. Asimismo a los Investigadores Manu y Jose Antonio que han estado trabajabdo de forma continua con el proyecto y han estado más que encantados de dedicar su tiempo a ayudarme a desarrollar las siguientes líneas. 4.6.1 Desconexión de los paneles solares del lado DC 58 4.6.2 Desconexión de los paneles solares del lado AC 59 5 ESPECIFICACIONES DE FUNCIONAMIENTO Y VARIABLES DE PROGRAMACIÓN 60 5.1 Modos básicos de operación 60 5.2 Variables de programación 65 6 INFORME DE SEGURIDAD 67 6.1 Elaboración informe de seguridad 67 6.1.1 Introducción Normativa 67 6.1.2 Paso 1: Evaluación de riesgos 70 6.2 Solución propuesta para la parada de emergencia de los motores 75 6.2.1 Parada sin necesidad de rearme 75 6.2.2 Parada de emergencia con relé de seguridad SSR10 77 Referencias 80 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1 Características técnicas CPV1 13 Tabla 2 Características técnicas Sunny boy SB2.5 16 Tabla 3 Valores de tensión e intensidad según configuración y paneles 18 Tabla 4 Conexionado sensor solar 21 Tabla 5 Parámetros de comunicación Solarmems 24 Tabla 6 Registros de comunicación Solarmems 27 Tabla 7 Parámetros de comunicación seleccionados 37 Tabla 8 Datos procedentes de PLC prueba 1 43 Tabla 9 Datos procedentes de web prueba 1 43 Tabla 10 Datos procedentes de web prueba 2 44 Tabla 11 Datos procedentes de PLC prueba 2 44 Tabla 12 Características Variador ATV312 49 Tabla 13 Variables principales relacionadas a sensores y actuadores 65 Tabla 14 Explicación esquemática sobre aplicación normativa 69 ÍNDICE DE FIGURAS Ilustración 1 Evolución futura energía solar en España. [1] 6 Ilustración 2 Seguidor fotovoltaico desarrolado instalada en la ETSI, Sevilla 7 Ilustración 3 Extracto de catálogo Shneider electric [9] 9 Ilustración 4 Imagen de la caja de control del seguidor instalado. ETSI, Sevilla 10 Ilustración 5 Sensor óptico SolarMems 11 Ilustración 6 Extracto del documento técnico del módulo fotovoltaico 12 Ilustración 7 Módulo de concentración GEN 2 12 Ilustración 8 Intensidad y voltaje según configuración serie o paralelo 14 Ilustración 9 Inversor SunnyBoy instalado en seguidor 15 Ilustración 10 Parte inferior del seguidor Solar, se aprecia la conexión en serie de los paneles. ETSI, Sevilla 18 Ilustración 11 Sensor óptico instalada en la estructura del seguidor 20 Ilustración 12 Extracto del documento técnico de producto 20 Ilustración 13 Extracto del datasheet del sensor: aclaración sobre el cable de color gris [2] 22 Ilustración 14 Conexión del sensor a través del módulo maxrs85 22 Ilustración 15 Pantalla de operación software SolarMens 23 Ilustración 16 Explicación detallada de los parámetros de comunicación 25 Ilustración 17 Explicación detallada de los parámetros de comunicación 2 26 Ilustración 18 Pin Out MAX485 28 Ilustración 19 Gráficas de radiación y posición solar 08/10/17 33 Ilustración 20 Gráficas de radiación y posición solar 15/10/17 34 Ilustración 21 Pin out conector RJ45 36 Ilustración 22 Captura configuración comunicación Unity Pro 36 Ilustración 23 Configuración parámetros Modbus en Unity Pro 37 Ilustración 24 Extracto de código usado para la comunicación 38 Ilustración 25 Bloque funcional para ecuaciones horarias [10] 40 Ilustración 26 Parámetros variable udtTime 40 Ilustración 27 Parámetros variables udtLocation 41 Ilustración 28 Parámetros variable udtSunCoordinates 41 Ilustración 29 Coordenadas seleccionadas 42 Ilustración 30 Configuración parámetros modo manual 42 Ilustración 31 Valores de acimut y elevación obtenidos 42 Ilustración 32 Activación modo automático 42 Ilustración 33 Programación para obtención hora y fecha Unity Pro 45 3 Ilustración 34 Programación para obtención hora y fecha Unity Pro 2 46 Ilustración 35 Autómata Modicom MC_80 [8] 47 Ilustración 36 Extracto manual de programación autómata [8] 48 Ilustración 37 Variador ATV 312 49 Ilustración 38 Imagen tomada de los dos variadores instalados en el seguidor 50 Ilustración 39 Módulos de comunicación CANopen para cada variador 50 Ilustración 40 Extracto variables variador 1, Unity Pro Xl 51 Ilustración 41 Inclinómetro digital T7 52 Ilustración 42 Encoder AH36 53 Ilustración 43 En comunicación CANopen basta con añadir el módulo del dispositivo a comunicar para establecer la comunicación 53 Ilustración 44 Extracto Unity Pro XL variable CAN_SEN_1 54 Ilustración 45 Extracto ITB-BT-40 56 Ilustración 46 Extracto ITC-BT-40 56 Ilustración 47 Intensidad máxima nominal para contactor según cableado en serie de polos 59 Ilustración 48 En la parte central izquierda se aprecia el contactor montado para este fin 59 Ilustración 49 Captura de la ventana de explotación del seguidor 60 Ilustración 50 Esquema de modos en pantalla operación 61 Ilustración 51 Captura de la ventana de explotación donde se muestran los controles del JOG y SET POINT de izquierda a derecha 63 Ilustración 52 Cartel de seguridad obligatoriedad casco 72 Ilustración 53 Cartel seguridad riesgo atrapamiento 73 Ilustración 54 Cartel seguridad riesgo eléctrico 73 Ilustración 55 Señalización en suelo zona peligrosa 73 Ilustración 56 Nivel de prestaciones/PL seguidor [5] 74 Ilustración 57 Extracto documentación técnica variador ATV312 [6] 75 Ilustración 58 Extracto manual de programación ATV 312 [6] 76 Ilustración 59 Selección de submenú para programación parada 76 Ilustración 60 Lay-out Sentry SR10 [7] 77 Ilustración 61 Cableado SSR10 para solución propuesta [7] 78 Ilustración 62 Cableado para modo automático SSR10 79 1 INTRODUCCIÓN: SISTEMA Y COMPONENTES 1.1 Contexto actual en España La situación en torno a la energía solar fotovoltaica en los últimos dos años ha vuelto a experimentar una subida drástica, tanto en potencia instalada, eficiencia, competitividad como en rentabilidad, parámetros que guardan una estrecha relación entre sí.Según numerosos estudios, como aquel llevado a cabo por la Agencia internacional de Energías Renovables es el “aumento de competitividad de la tecnología” lo que ha llevado que el coste de generación de la energía procedente de la fotovoltáica haya caída un 73 %. Ilustración 1 Evolución futura energía solar en España. [1] Por tanto de años anteriores donde el campo de las renovables “sobrevivía” a costa de unas primas que terminarían por desaparecer ha pasado, a ser un campo totalmente rentable. Las entidades financieras son totalmente consciente de ello y se está llevando a cabo una gran inversión de capital. Aún así, a pesar de todas estas innovaciones, es mucho el camino para recorrer tanto en eficiencia de producción como almacenaje. El objetivo de este proyecto ha sido el de proporcionar un seguidor solar automatizado para fines de investigación, es decir, se ha desarrollado en gran parte el funcionamiento del seguidor y de los sensores asociados, así como toda la documentación necesaria y las medidas de seguridad. 1.2 Prototipo seguidor fotovoltaico Ilustración 2 Seguidor fotovoltaico desarrolado instalada en la ETSI, Sevilla En el comienzo del proyecto solo estaba presente el bastidor principal de la estructura y la caja con los dispositivos de control, carecía de los paneles fotovoltáicos, de la propia vela así como muchos de los elementos de control y seguimiento que se han añadido. Introducción: Sistema y componentes 8 8 Objetivo y fin de la instalación El objetivo que se ha seguido durante la realización del Proyecto ha sido el de dotar a la Universidad de un seguidor fotovoltaico con un sistema de automatización abierto e intuitivo con el que futuros investigadores puedan realizar experimentos y trabajos de distinta índole. Todo el trabajo, así como la elección de los distintos componentes, se han orientado en este sentido, por lo que difiere de los componentes básicos que podemos encontrar en una planta solar comercial. - Recopilación de toda la documentación técnica de los componentes de la instalación. Facilitar tareas y comprensión del sistema. - Sistema abierto e intuitivo. - Desarrollo de mapas de cableado del sistema de control existente. Para facilitar modificaciones y añadido de nuevos dispositivos - Implementación sensor óptico avanzado de seguimiento, para poder obtener numerosa información para su posterior análisis. Sensor SolarMems. - Dimensionado técnico del sistema. Elección paneles e inversor. - Elaboración informe de seguridad según normativa. 1.4 Componentes de la instalación En la captura anterior se muestran todos los componentes de una possible instalación destinada exclusivamente al seguimiento solar del fabricante SchneiderElectric. Nuestra instalación se presenta en la siguiente imagen, los números identificativos de los principales componentes se han hecho coincidir con la ilustración 3 para facilitar su comprensión y análisis. Además se añaden otros que no estaban presentes: Ilustración 3 Extracto de catálogo Shneider electric [9] DIMENSIONADO TÉCNICO 16 16 Modelo SB 2.5 VDC MAX 600 V VDC MPP 260-500 V IDC MAX 10 A VAC nom 230 V fac nom 50/60 Hz PAC nom 2500 W IAC nom 11 A 𝑐𝑜𝑠𝜑 1 Tabla 2 Características técnicas Sunny boy SB2.5 2.3.2 Análisis de parámetros 2.3.2.1 Potencia nominal El factor cuya elección hará que obtengamos la mayor eficiencia posible del inversor es el de la potencia nominal, más en concreto se deberá cumplir la siguiente ecuación: 0.8 0.9GP INV GPP P P Como podemos deducir de la fórmula presentada debemos dimensionar el sistema generador para que la potencia del inversor se encuentre entre el 80% y 90% de la potencia total del sistema generador. Ese 10-20% de la potencia total posible de entrega por los efectos tales como la temperatura de operación de los módulos, la acumulación de suciedad… Esto se tiene en cuenta para adoptar un valor lo más realista posible y no adquirir un inversor de características superiores y por tanto de mayor precio a las necesidades reales de la instalación. Por el contrario en el caso de que la potencia generada por los módulos sea superior a la del inversor, esta no podrá ser aprovechada, ya que el inversor limita su potencia de salida a la potencia nominal del inversor. DIMENSIONADO TÉCNICO 18 18 2.4 Análisis del montaje realizado De los paneles que denominamos en el apartado anterior como CPV 2 se han montado 24 de ellos en serie, con el objetivo de maximizar la eficiencia según las características del inversor. Ilustración 10 Parte inferior del seguidor Solar, se aprecia la conexión en serie de los paneles. ETSI, Sevilla Por tanto y refiriéndonos a las ecuaciones ya presentadas la intensidad y voltaje obtenidos serían los siguientes: Tabla 3 Valores de tensión e intensidad según configuración y paneles IG=IMOD=5,73 A Vg=NsxVmod =24x18,45=442,8 V 3 SEGUIMIENTO SOLAR En este apartado se tratarán los temas relacionados directamente con el seguimiento solar así como el sensor usado para ello, SolarMems ISS, los algoritmos para implementar dicho seguimiento entre otras cuestiones como el segundo método de seguimiento propuesto: seguimiento solar por ecuaciones horarias. 3.1 Estructuración capítulo Estructuración: 1. Sensor óptico SolarMems 1.1 Conexionado y comunicación 1.2 Prueba de funcionamiento con microcontrolador 1.3 Programación orientada al autómata usado en el seguidor: Modicom MC_80 2. Ecuaciones horarias 2.1 Presentación de ecuaciones 2.2 Programación orientada al autómata usado en el seguidor: Modicom MC_80 2.3 Comprobación de funcionamiento SEGUIMIENTO SOLAR 20 20 Ilustración 12 Extracto del documento técnico de producto Ilustración 11 Sensor óptico instalada en la estructura del seguidor 3.2 Sensor solar SolarMems A pesar de existir numerosos sensores ópticos de seguimiento solar en el mercado en este caso se justifica la elección del SolarMems, como se ha comentado anteriormente, por la gran cantidad de información que se puede extraer de él. Características principales: - Giroscopio - Radiacción solar - Ángulo de incidencia solar con alta precisión 3.2.1 Conexionado Todo el conexionado físico de los cables al sensor se hace acorde a lo establecido en el datasheet del sensor, no obstante se procede a continuación a realizar una descripción más exhaustiva de este. Añadiremos que este apartado es totalmente válido para los sensores modelo ISS-DX como el MASS-X. Color Descripción Comentarios Rojo Alimentación positiva (+), el recomendado es 5-12 V (16 V max). Se ha estado trabajando con el sensor alimentado a 5 V y el funcionamiento ha sido el correcto Azul Alimentación negativa (-). - Amarillo Comunicación: RS-485+ En el datasheet encontramos recomendado el uso de resistencias de 120 ohmios de terminación. En este caso no ha sido necesario su uso. Verde Comunicación: RS-485- En el datasheet encontramos recomendado el uso de resistencias de 120 ohmios de terminación. En este caso no ha sido necesario su uso. Gris Tierra, GND Solo será necesario su uso, si el elemento con el que se comunica el sensor es distinto al que lo alimenta. Shield En el datasheet se recomienda que este cable, se conecte directamente al azul, en cualquier tipo de comunicación. Terminal fácilmente identificable puesto es el de mayor grosor y carece de cubierta de plástico. Tabla 4 Conexionado sensor solar SEGUIMIENTO SOLAR 22 22 Ilustración 13 Extracto del datasheet del sensor: aclaración sobre el cable de color gris [2] Una vez hemos procedido a la conexión del sensor es recomendable que antes de empezar a trabajar con él se compruebe que este funciona correctamente, se haya conectado bien y se restablezcan los valores de comunicación predeterminados. Para ello se conecta el sensor al pc por medio de un convertidor usb-rs485. Ilustración 14 Conexión del sensor a través del módulo maxrs85 Ilustración 15 Pantalla de operación software SolarMens 3.2.2 Prueba de funcionamiento Introducimos el cd de SolarMems donde nos viene una serie de programas para realizar la lectura del sensor, dependiendo del modelo que estemos usando abrimos uno u otro, en nuestro caso será el MASS viewer. Seleccionamos el puerto en el que se encuentra el sensor y le damos a PLAY, debiendo aparecer lo que muestra la imagen siguiente: Como se observa la señal RX se enmarca en verde y aparece toda la información que nos envía el sensor. Si esto no es así, y no se recibe nada se puede probar lo siguiente: 1) Comprobar que el puerto seleccionado es el correcto 2) En lado superior derecho nos aparecen los ajustes por defecto del sensor, puede que estos hayan sido modificados, reestablecer todos estos valores haciendo click en SET en cada uno de los casos. SEGUIMIENTO SOLAR 24 24 Una información muy importante que obtenemos de este pequeño programa de prueba, es la trama que se le envía al sensor para posteriormente recibir la información, esta será la que deberemos imitar y enviar cuando realicemos la lectura por medio de otros dispositivos y programas en Arduino, M340… La trama es: 01 03 00 08 00 0F 84 0C 3.2.3 Configuración de parámetros de comunicación Atendiendo tanto a lo que ya se ha podido observar en la interfaz gráfica del programa anterior y según el datasheet tenemos los siguientes parámetros, mostrados los que vienen por defecto y los que hemos establecido salvo convenga específicamente otros en el apartado anterior: Lo siguiente que se realizó fue una prueba de lectura con la misma conexión hardware ya presente pero ahora intentando realizar la lectura bajo un programa de comunicación Modbus genérico y no el específico del fabricante. El seleccionado fue Qmodbus, en este podemos configurar todos los parámetros mencionados y además nos muestra por pantalla la trama que se va a enviar: Velocidad Comunicación 19200 bps (por defecto) Bits de datos 8 Bits Bits de parada 1 (por defecto) Paridad No(por defecto) Id esclavo 1(por defecto) Código de función 0x03  Lectura 0x01  Escritura Dirección inicio de lectura 8 (este valor se explicará a continuación pues su valor fue objeto de distintos problemas) Nº coils 15 [ en el caso del MASS-DX] Tabla 5 Parámetros de comunicación Solarmems La trama “01 03 00 01 00 16” Como vemos difiere de la originial: “01 03 00 08 00 0F 84 0C” Estos primeros valores atendiendo al datasheet corresponden a identificador, campo de visión, modelo, referencia, bit rate, paridad, bits de parada respectivamente. Podemos observar que los valores son correctos. Nos percatamos que por un lado el valor de la radiación [14] es siempre nulo, no importa si está o no expuesto al sol. Por otro lado observamos que el campo de la temperatura [15] cambia aleatoriamente entre 64184 y 310. Deducimos que la comunicación no es correcta. Ilustración 16 Explicación detallada de los parámetros de comunicación SEGUIMIENTO SOLAR 32 32 Serial.print("BIT "); Serial.println(au16data[4]); Serial.print("PARITY: "); Serial.println(au16data[5]); Serial.print("STOP : "); Serial.println(au16data[6]); Serial.print("ADITIONAL "); Serial.println(au16data[7]); Serial.print("RAD "); Serial.println(au16data[8]); Serial.print("TEMP "); Serial.println(au16data[9]); Serial.print("AZ : "); Serial.println(au16data[14]); Serial.print("ELEV : "); Serial.println(au16data[15]); Serial.print("ACEL Z"); Serial.println(au16data[22]); Serial.println("_____________________"); delay(2000); break; } } Resultados obtenidos 1. Prueba realizada el 8/10/17 con condiciones meteorológicas favorables y constantes (soleado) Ilustración 19 Gráficas de radiación y posición solar 08/10/17 SEGUIMIENTO SOLAR 34 34 Ilustración 20 Gráficas de radiación y posición solar 15/10/17 2. Prueba realizada el 15/10/17 con condiciones meteorológicas desfavorables para el seguimiento solar por métodos ópticos : sol con constantes nubes. Conclusiones: Con los datos y gráficas obtenidos realizamos una comparación con datos procedentes de otras fuentes y comprobamos que estos son fiables y coherentes con lo esperado. El hecho de mayor relevancia que podemos extraer de esta prueba es la necesidad de contar con un sistema alternativo para obtener la posición del sol, puesto como se observa en el segundo experimento, en días nublados cuando la radiación captada por el sensor óptico disminuye este no es capaz de indicar la posición. SEGUIMIENTO SOLAR 36 36 3.2.5 Implementación en Unity Pro XL Por último realizamos la implementación del programa de lectura del sensor en Unity, puesto aquí es donde tendrá el uso final. Conexionado La comunicación se hará a través de Modbus RTU y usaremos un conector rj45 con cable trenzado: Programación En primer lugar deberemos configurar los parámetros de comunicación Modbus: 1. En la carpeta de configuración accedemos con doble click a Puerto serie de la CPU 1. Señal RXD 2. Señal TXD 3. Señal RTS 4. Señal D1 (RS485+) 5. Señal D0 (RS485-) 6. Señal CTS 7. Fuente alimentación 5V/190 mA 8. Puesta a tierra 0V Ilustración 21 Pin out conector RJ45 Ilustración 22 Captura configuración comunicación Unity Pro Ilustración 23 Configuración parámetros Modbus en Unity Pro 2. Cómo se ha tratado en los capitulos anteriores en la comunicación con Arduino procemos a configurar los parámetros según el datasheet del fabricante. En cuanto a la velocidad de comunicación puesto no podemos saber con seguridad si se ha modificado el valor por defecto e recommendable usar el software propio del sensor para establecer una velocidad de transmisón que conozcamos con seguridad, en este caso 19200 baudios. Velocidad Comunicación 19200 bps (por defecto) Bits de datos 8 Bits Bits de parada 1 (por defecto) Paridad No(por defecto) Id esclavo 1(por defecto) Código de función 0x03  Lectura 0x01  Escritura Dirección inicio de lectura 8 (este valor se explicará a continuación pues su valor fue objeto de distintos problemas) Nº coils 15 [ en el caso del MASS-DX] Tabla 7 Parámetros de comunicación seleccionados SEGUIMIENTO SOLAR 38 38 3. Procedemos a crear una sección en LD y usamos los bloques funcionales ADDM y READ_VAR: Dirección por defecto para conexión Modbus Por cada pulso en la variable botón se realiza una lectura del sensor Vector en el que guardamos toda la información recibida Ilustración 24 Extracto de código usado para la comunicación 3.3 SPA: Ecuaciones horarias solares Si en el apartado anterior se buscaba un seguimiento solar en tiempo real y bucle cerrado, en este desarrollaremos un seguimiento en bucle abierto donde a partir de una serie de ecuaciones el sistema estimará la posición del sol. Nuestro objetivo es llegar a unas ecuaciones que nos puedan proporcionar de forma coherente la posición del sol cuando el método óptico no dé los resultados esperados (días nublados por ejemplo). 3.3.1 Parámetros  Declinación Solar: ángulo entre la línea sol-tierra y el plano ecuatorial. [grados]  Ángulo de azimuth: lo podemos definir como la distancia angular entre el sur y la proyección horizontal de los rayos del sol.  Ángulo de elevación: ángulo que forma la línea que une los centros del sol y el observador con su proyección en el plano horizontal desde-90 ° a + 90 °. La altitud solar es positivo cuando el sol está sobre el horizonte, negativo cuando el sol está por debajo de ella  Zenit: si tomamos como referencia el plano horizontal al observador, la intersección del cuerpo celeste con la normal a este plano se denomina así. El ángulo cenital es el ángulo complemento al de elevación: cenit=90º-elevación. SEGUIMIENTO SOLAR 40 40 Ilustración 25 Bloque funcional para ecuaciones horarias [10] Ilustración 26 Parámetros variable udtTime 3.3.2 Implementación en Unity Pro XL La implementación de dichas ecuaciones en Unity se hará a través del bloque funciones sunpos el cual a partir de las coordendas geodráficas y la hora local nos dará los ángulos de zenith y elevación. A continuación se hará una descripción detallada de la función y especialmente de los parámetros de salida y entrada para una correcta interpretación y uso de ellos: 3.3.2.1 Parámetros de entrada - udtTime: hora local en GMT +1 , se introduce a través de una variable derivada de tipo cTime como se muestra a continuación: Ilustración 27 Parámetros variables udtLocation Ilustración 28 Parámetros variable udtSunCoordinates - udtLocation: coordenadas del seguidor. Variable tipo cLocation: 3.3.2.2 Parámetros de salida - udtSunCoordinates: - Zenit: la función da como salida el ángulo de zenit, al ser más gráfico e intuitito trabajaremos con el ángulo de elevación, atendiendo a la definición teórica del primer apartado simplemente lo obtenemos mediante: zenit=90º-elevación. Variable tipo REAL. - Azimut: nos devuelve directamente el ángulo de azimuth. Variable tipo REAL. COMPONENTES Y PROPUESTAS TÉCNICAS 48 48 Ilustración 36 Extracto manual de programación autómata [8] 1. Unidad de fuente de alimentación 2. Puerto usb 3. Botón de reset 4. Link Ethernet 5. Ajuste de dirección IP 6. Funciones I/O 7. Terminal de tierra 8. Link serie, comunicación 9. Link CANopen Además de la documentación necesaria para programación usando el software propio Unity Pro XL, cabe destacar la necesidad de un driver para el uso de este PLC: UnityPro_Vx_HF_MC80 El cual se adjunta en la documentación del trabajo. Ilustración 37 Variador ATV 312 4.2 Variadores ATV 312 Modelo ATV312H055M2 Potencia motor 0.55 kW Tipo motor asíncrono Rango alimentación 170-264 V Frecuencia 47.5 – 63 Hz Tabla 12 Características Variador ATV312 COMPONENTES Y PROPUESTAS TÉCNICAS 50 50 Ilustración 38 Imagen tomada de los dos variadores instalados en el seguidor Ilustración 39 Módulos de comunicación CANopen para cada variador 4.2.1 Comunicación y programación La comunicación con el PLC se hace a través del protocolo CANopen, modelos de comunicación industrial de alto nivel recogido en la norma EN 50325-4. Ilustración 40 Extracto variables variador 1, Unity Pro Xl COMPONENTES Y PROPUESTAS TÉCNICAS 52 52 Ilustración 41 Inclinómetro digital T7 4.3 Encoders de posición 4.3.1 Inclinómetro digital T7 - 360 º de operación - Precisión de +- 0.1 º - IP68 - RS485 para hasta 32 dispositivos en el bus - Alimentación 5.5 – 30 V 4.3.1.1 Variables de programacio n asociadas Dicho inclinómetro se comunica mediante comunicación MODBUS, el volcado de información se realiza en la variable “inclinometro”: Ilustración 43 En comunicación CANopen basta con añadir el módulo del dispositivo a comunicar para establecer la comunicación Ilustración 42 Encoder AH36 4.3.2 Encoder absoluto AHS36 - Tipo: encoder rotativo absoluto - Comunicación: CANopen con interfaz - IP67 - Diámetro carcasa 36 mm 4.3.2.1 Variables de programacio n asociadas La comunicación con el encoder AH36 se hace a través de CANopen, se muestra a continuación: COMPONENTES Y PROPUESTAS TÉCNICAS 54 54 En cuanto a la variable en la que se produce el volcado de información, la cual se encuentra en: Variables elementales  Device DDT CAN_SEN_1 Ilustración 44 Extracto Unity Pro XL variable CAN_SEN_1 4.4 Esquema eléctrico COMPONENTES Y PROPUESTAS TÉCNICAS 56 56 4.5 Propuesta de protecciones DC y AC de la instalación En este apartado se hará un análisis de la normativa vigente tanto la norma UNE como la de la compañía distribuidora de red, una vez hecho un análisis desde estas dos perspectivas se hará una propuesta de todas las protecciones necesarias. 4.5.1 Protecciones según GUÍA TÉCNICA DE APLICACIÓN BT-40 (REBT) Las protecciones mínimas a disponer serán las siguientes: [3] - De sobreintensidad, mediante relés directos magnetotérmicos o solución equivalente. - De mínima tensión instantáneos, conectados entre las tres fases y neutro y que actuarán, en un tiempo inferior a 0,5 segundos, a partir de que la tensión llegue al 85% de su valor asignado. - De sobretensión, conectado entre una fase y neutro, y cuya actuación debe producirse en un tiempo inferior a 0,5 segundos, a partir de que la tensión llegue al 110% de su valor asignado. - De máxima y mínima frecuencia, conectado entre fases, y cuya actuación debe producirse cuando la frecuencia sea inferior a 49 Hz o superior a 51 Hz durante más de 5 períodos. Para el caso de un generador conectado directamente a la red de BT, se añade además lo siguiente: Ilustración 45 Extracto ITB-BT-40 Ilustración 46 Extracto ITC-BT-40 Del lado de AC el sistema deberá contar por tanto con las siguientes protecciones: 5 Interruptor automático 6 Interruptor diferencial 7 Protección contra sobretensiones Del lado DC del inversor se deberá disponer de los siguientes: 1. Seccionador 2. Protección contra sobretensiones Otro documento/guía básico es el proporcionado por el fabricante del inversor seleccionado en este caso el Sunnyboy 1.5/2.5 de SMA. [4] En este se establece para el lado de conexión AC que: - En el caso de instalar un interruptor diferencial externo al sistema este deberá ser de una corriente residual de 100 mA o superior, quedando descartados los diferenciales de uso en hogar de 30 ESPECIFICACIONES DE FUNCIONAMIENTO Y VARIABLES DE PROGRAMACIÓN 64 64 3. Modo manual local: En este modo de operación el operador conectará directamente al operador un mando físico de operación. Requiere estar junto al seguidor. 3.1 JOG: movimiento directo del seguidor pero en este caso usando las flechas de operación del mando físico. 3.2 Limpieza: idéntico al modo anterior pero indicándolo con el mando físico. 3.3 Viento: idéntico al modo anterior pero indicándolo con el mando físico. 5.2 Variables de programación En la siguiente tabla mostraremos una relación de las principales variables de programación con el objetivo de facilitar y favorecer el uso y modificación de estos por parte de un futuro investigador o utilitario que no esté familiarizado con la programación realizado en el seguidor: Tabla 13 Variables principales relacionadas a sensores y actuadores VARIABLE TIPO DESCRIPCIÓN Inclinometro ARRAY[1..8] OF INT Volcado de toda la información extraída del inclinómetro mediante comunicación MODBUS Registro_a_cambiar_inclinometro Modos operación inclinómetro: 0-1= PONE EL CERO, 2- 3= OFFSET, 4=TIEMPO DE MUESTREO, 5=DIRECCION DE MEDIDA (0 NORMAL, 1INVERSO), 6=MODO DE MEDIDA(0 -180000 A 179000, 1 0 A 359000) CAN_SEN_1 Device DDT( DINT & INT) Almacenado información extraída del encoder de posición rotación CAN_MOD_1 Device DDT(INT) Información y control variador 1 (ELEVACIÓN) Tabla_gestion_variador_elevacion ARRAY[1..4] OF INT Tabla que gestiona los parametros de lectura del variador elevacion CAN_MOD_2 Device DDT(INT) Información y control variador 2 (AZIMUT) ESPECIFICACIONES DE FUNCIONAMIENTO Y VARIABLES DE PROGRAMACIÓN 66 66 Tabla_gestion_variador_azimut ARRAY[1..4] OF INT Tabla que gestiona los parametros de lectura del variador azimut Solarmems ARRAY[1..7] OF INT Comunicación sensor solar SolarMems Tabla_gestion_solarmems ARRAY[1..4] OF INT Tabla que gestiona los parametros de lectura del solarmems Fecha_Hora_Actual ARRAY[1..4] OF INT Obtención de la hora PLC Hora_Formato_PLC ARRAY[1..4] OF INT Variable que contiene la fecha y hora del PLC en un formato válido para su uso directamente en la proramación Actualizar_fecha_hora BOOL Flanco de subida para actualizar hora Seta_pulsada BOOL Entrada digital asociada a la seta de emergencia Calibracion ARRAY[1..11] OF INT Datos a mandar al pc para realizar la calibración 6 INFORME DE SEGURIDAD En este capítulo se contemplará todo lo relacionado a las medidas de seguridad existentes, las tomadas y propuestas de mejora. Asimismo se comenzará con una introducción a las normativas existentes de seguridad y en las que se sustentan las propuestas realizadas. 6.1 Elaboración informe de seguridad Seguridad en sistemas de control  norma EN ISO 13849-1 Cuando hablamos de seguridad en maquinaria hay dos conceptos claves con los que debemos trabajar, PL y SIL. El primero, Nivel de prestaciones, es un concepto más amplio y se refiere y aplica tanto a soluciones de seguridad eléctricas, mecánicas, neumáticas e hidráulicas. Por el contrario SIL, Nivel de integridad de seguridad, el cual solo puede utilizarse en soluciones de seguridad eléctricas electrónicas o programables. 6.1.1 Introducción Normativa PL es una medida de la fiabilidad del Sistema en función de su seguridad, se divide en cinco niveles del tipo a al e, de menor a mayor peligrosidad. Términos especificados en norma UNE ISO 13849-1:  PL: Se establece el rango de nivel prestaciones dividido como se acaba de comentar de “a” a “e”  PLr: Este por el contrario establece el nivel de prestaciones para la función/uso particular ante la que nos encontremos.  MTTFd: tiempo medio hasta que se produzca un fallo que pueda ocasionar un daño de gravedad, se divide en bajo,medio,alto.  B10d : Número de usos/repeticiones hasta que el 10% de los componentes sufra un fallo peligroso  T10d: tiempo medio hasta que  CCF: fallo de causa usual  DC: cobertura del diagnóstico, se divide en baja, media y alta  PFHd: probabilidad de fallo peligroso por hora INFORME DE SEGURIDAD 68 68 Esquema elaboración informe de seguridad No Análisis de riesgos ¿Se ha disminuido el riesgo a niveles aceptables? Sí No Reducir el riesgo (Diferentes propuestas que se desarrollan a continuación) Determinar el alcance del sistema Identificar las operaciones críticas Evaluación del riesgo ¿Se depende de un sistema de control? ¿Se generan nuevos riesgos? No Sí FIN Sí * [5] Análisis funciones de seguridad Cálculo PLr Diseño e implementación Solución Cálculo PL ¿PL>= PLr? Sí No * Tabla 14 Explicación esquemática sobre aplicación normativa INFORME DE SEGURIDAD 70 70 6.1.2 Paso 1: Evaluación de riesgos 6.1.2.1 Determinar los límites y funciones de la máquina Destino de aplicación: equipo de seguimiento Solar, equipo que aspira a mantener los rayos de incidencia solares siempre perpendiculares a los paneles que soporta. Límites del espacio del sistema: AÑADIR DIMENSIONES REALES Uso temporal: estará en funcionamiento durante las horas de Sol, durante la noche permanecerá parado en posición de reposo. 6.1.2.2 Tareas de la máquina El sistema tiene como objetivo el siguimiento de forma autónoma de la posición del sol, por tanto, la mayor parte del tiempo será el propio sistema el que vaya moviéndose sin que sea el usuario el que se lo esté inidicando. No obstante el sistema también dispone de un control local por el que un operador puede actuar directamente sobre la posición del seguidor. Se distinguen por tanto 2 modos de operación principales:  Modo automático  Modo local ( usuario/operador cerca del sistema) 6.1.2.3 Identificación de riesgos 1. Colisión de la estrucura del Seguidor con usuario no autorizado/experto 2. Constricción de alguna parte del cuerpo quedando bloqueado por la estructura 3. Colisión de la estrucura del Seguidor con operador del sistema en modo manual 4. Riesgo eléctrico por manejo indebido del cuadro 6.1.2.4 Cálculo de riesgos 1. Colisión de la estrucura del Seguidor con usuario no autorizado/experto El sistema no se encuentra en un área de paso habitual, aún así el acceso no está restringido y además pueden tener acceso a él otros alumnos/docentes que estén realizando otros proyectos en esta zona. Por lo tanto hay que considerar que van a acceder al espacio de trabajo del seguidor personas que no están familiarizadas ni con este ni con su zona de actuación. Gravedad: Colisión fortuita con la estrucura, daños de tipo leve, medio. Frecuencia: media. 2. Constricción de alguna parte del cuerpo quedando bloqueado por la estructura Caso similar al anterior pero dándose la situación en que alguna parte del usuario quede bloqueada. Gravedad: puede llegar a causar roturas importantes, incluso la muerte. Frecuencia: mínima. Situación poco probable por el tipo de estrucura y velocidad de movimiento del sistema 3. Colisión de la estrucura del Seguidor con operador del sistema en modo manual Como se ha comentado el sistema dispone de un control manual, un operario puede controlar el movimiento del sistema sin ningún tipo de restricción en el movimiento. En esta situación se debe vigilar especialmente que no impacte la vela del seguidor con el inversor presente en la propia estrucura, pues esta es una situación que en modo automático por el tipo de movimiento necesario no se va a dar pero en modo manual sino se puede llegar a dar si no se presta atención Gravedad: daños personales, nos referimos a los casos 1 y 2 ya planteados. Importantes daños materiales que en caso de producirse puede llegar a suponer un riesgo eléctrico para el usuario. Frecuencia: media INFORME DE SEGURIDAD 72 72 Ilustración 52 Cartel de seguridad obligatoriedad casco 4. Riesgo eléctrico por manejo indebido del cuadro El cuadro de mandos está alimentado a 230V AC. Gravedad: muerte. Frecuencia: Baja. El cuadro eléctrico solo debe ser abierto para su manipulación por expertos. 6.1.2.5 Valoración y reducción de los riesgos De los riesgos identificados los 3 primeros hacen alusión directa al movimiento del sistema, por tanto las medidas deberán estar relacionado directamente con la parada de emergencia de los motores. Para ello el propio sistema dispone de una seta de emergencia. Pulsándola deberemos asegurar que el sistema va a realizar una parada directa y segura. Por otro lado para evitar choques fortuitos con la estructura se debería delimitar en el suelo mediante señalización el campo de acción y movimiento del seguidor, para que cualquier persona no familiarizada con el aparato sea informada de que aunque en ese instante el seguidor no esté en una determinada posición a lo largo de su movimiento horario sí lo va a estar. En cuanto al riesgo eléctrico será suficiente con la implementación de las protecciones que se desarrollan en el apartado 3.2 de este trabajo. 6.1.2.6 Medidas informativas sobre los riesgos 1. Para prevención de riesgo de impacto directo Ilustración 53 Cartel seguridad riesgo atrapamiento Ilustración 54 Cartel seguridad riesgo eléctrico 2. Para indicar la posibilidad de quedar bloqueado por la estructura 3. Riesgo eléctrico dentro del cuadro de control 4. Delimitación del área de movimiento de la estrucura. Ilustración 55 Señalización en suelo zona peligrosa REFERENCIAS [1] UNEF. [2] Documento técnico sensor SolarMems. [3] Reglamento electrotécnico baja tensión, ITC-BT-40. [4] Documento Técnico inversor SunnyBoy. [5] Nomativa UNE ISO 13849-1. [6] Documento técnico variador ATV312. [7] Documento técnico Sentry SSR10. [8] Documento técnico Autómata MODICOM MC 80. [9] "Schneiderelectric," [Online]. [10] "http://www.psa.es," [Online].