Top Drive Course Level I

This course provides an introduction and orientation to your electric or hydraulic Tesco Top Drive system. It is designed for people who operate, maintain, or troubleshoot a Tesco Top Drive drilling system. Tesco offers a unique Level I training course for each top drive model it currently sells (ECI, EMI, HCI, etc.). Please note: All courses are taught in English.

Please Note: The sales contract for a Tesco Top Drive System includes three seats in the Level I top drive course. This training must be completed or scheduled within 90 days of accepting delivery of the top drive system. Extensions will be granted based on the training schedule and availability of training seats for the specific training required. If this training offer is not completed or scheduled within the 90 days it will be considered void. Extensions will be granted based on the training available and number of training seats open for the specific top drive training required. Any training scheduled past the 90 days will be invoiced at the current cost stated on this website.

Objectives and Content

Participants receive introductory information on all major Tesco Top Drive sub-systems (mechanical, hydraulic, electric). Students learn to interpret electrical, hydraulic, and mechanical schematic drawings and formulate troubleshooting strategies based on their knowledge of system design. Discussion topics include:

• Tesco Top Drive Familiarization

• Common Electrical Terminology

• Power System Start-up (hydraulic or electrical)

• Top Drive Robotics

• Lubrication and Cooling Systems

• Control Systems (PLC or Relay Logic)

• Load Path Components and Associated Inspection Schedules

• Electrical, Hydraulic, and Mechanical Safety

Prerequisites

Tesco assumes all participants have a basic understanding of drilling practices and field operating conditions, however, no top drive experience is required.

Duration

Five (5) days

500/650 ECI 900 Top Drive

A modular, high performance AC top drive for demanding drilling applications.

TESCO’s ECI top drive system represents a significant advance in electric top drive technology.

Traditional induction or brush style DC motors have been replaced with liquid cooled, permanent magnet synchronous motors. These motors, capable of producing 450HP each, set the standard for reliability, durability and power density.

Compact enough to fit into any triple mast, the ECI provides the performance and pipe handling features required for medium and deep drilling applications.

The ECI system includes a uniquely engineered power system suitable for all drilling requirements. This system is compatible with most 600V AC rig power systems.

The ECI top drive is available with an integrated swivel or can use the customer’s swivel. Casing load ratings of 500 or 650 tons are available. If applications require, the load path can be easily reconfigured.

The modular ECI is available in 900 and 1350HP configurations. An ECI 900 system can also be upgraded to a full 1350HP.

Operational Advantages

The complete system including the top drive, torque system and power unit can be installed in less than one day. In most cases, no rig modifications are necessary.

• The ECI can be interfaced with the existing power supply with minimal degradation to rig power. The system is monitored using a dedicated diagnostic computer and specialized software.

• PA44 permanent magnet synchronous motors have been successfully tested to 60G triaxial loading, making them the ideal choice for rough drilling environments.

• Modular design of the system allows drilling to continue at reduced HP with one motor.

• A double ball mud saver/safety valve is incorporated into the system design.The ECI package includes a specially designed torque system.

• The track/torque bushing configuration is simple to install and requires minimal maintenance.

• The ECI offers an expanded suite of hydraulic pipe-handling functions including elevator link-tilt, an extend/retract feature for making mousehole connections up to 60 in. from well center, 360° pipe-handler rotation, and grabber. The ECI grabber acts as a back-up tong for making or breaking connections and will accommodate tool joints from 3 in. to 8-3/4 in. OD.

• The entire ECI can be transported in three standard 20 ft. sea containers.

SPECIFICATIONS: ECI 900 HP 500 / 650 TON (without swivel)

Rated Capacity 500/650 ton 454/590 tonne

Rated Power 900 hp 670 kW

Weight 13,000 lbs. 5 909 kg

Operating Length (incl. 9’ links & elevators) 14.3 ft. 4 360 mm

Width 62 in. 1 575 mm

Max. Drill Torque 36,700 ft-lb. 4 976 daN-m

Make-up Torque 45,000 ft-lb. 6 101 daN-m

Breakout Torque 56,000 ft-lb. 7 592 daN-m

Max. Speed 193 RPM 193 RPM

Quill ID 2.5 in. 63.5 mm

Power System (Mechanical Module)

Weight (approximate) 7,600 lb. 3 340 kg

Length 115 in. 2 921 mm

Width 91 in. 2 311 mm

Power System (Power Module)

Weight (approximate) 8,800 lb. 3 545 kg

Length 115 in. 2 921 mm

Width 91 in. 2 311 mm

• Weight includes top drive, pipe handling equipment and torque bushing.• The ECI can be equipped with 500 or 650 ton swivel.• Power unit workshop, high ambient cooling and optional stacking kits are also available.

PERFORMANCE CURVE:

SISTEMA TOP DRIVE EN LA PERFORACION DE POZOS 09/01/2010

En 1983 comienza el desarrollo del DDM (Derrick Drilling Machine), para reemplazar la forma convencional de rotar la sarta de perforación con Vástago y Mesa Rotaria. El primer modelo fue lanzado en 1984, este fue el DDM 650 DC, un Top Drive a corriente continua de 650 toneladas de peso y diseñado para instalaciones offshore.

Siguiendo con el desarrollo, se introduce un Top Drive hidráulico en 1987, el DDM 500/650 HY.

La demanda por el incremento de la capacidad de torque resulto en el desarrollo de 2 versiones del Top Drive, el DDM 500/650 EL y el DDM650 HY de alto torque, ambos lanzados en 1989.

En 1993, se introduce en el mercado un motor Top Drive de 2.100 Hp y 8.800 N.m. de torque de salida, con este equipo se perforo un pozo direccional de 12.000 m. Es obvio

que en las últimas décadas la perforación con Top Drive ha venido a ser el método predominante de perforación en pozos offshore. Al presente hemos experimentado que operaciones críticas en pozos onshore son perforados usando sistemas de Top Drive.

La perforación de un pozo es la única forma de saber si hay depósitos de hidrocarburos en el sitio donde la geología propone que se podrían localizar.

La profundidad de un pozo es variable, dependiendo de la región y de la profundidad a la cual se encuentra la formación seleccionada con posibilidades de contener hidrocarburos comerciales. Hay pozos que van desde los 1.500 metros y otros que superan los 10.000 metros de profundidad.

Además de considerar lo anterior y factores que van desde los costos que implica el alquiler de las herramientas de perforación, el tiempo que toma en perforar cada pozo, factores de seguridad y otros; fueron los que obligaron de alguna manera la búsqueda de nuevas tecnologías para llevar a cabo la perforación.

Si bien se indica que el Sistema Top Drive es costoso, también es necesario indicar los múltiples beneficios que implica su adopción dentro las tareas de perforación.

Tanto las ventajas de este sistema como aspectos técnicos, operativos y de seguridad son los que se expondrán en el presente documento.

2. DEFINICION DEL SISTEMA TOP DRIVEEl Sistema Top Drive puede definirse como una herramienta de manera general, pero siendo más precisos podemos definirlo como un motor eléctrico o hidráulico que se suspende en cualquier tipo de mástil de un equipo de perforación. Esta herramienta se encarga de hacer rotar la sarta de perforación y el trépano.

El sistema de top drive reemplaza las funciones de una mesa rotaria, permitiendo rotar la sarta de perforación desde el tope, usando una cabeza de inyección propia, en lugar de la cabeza de inyección, vástago y mesa rotaria convencionales. Además el sistema se maneja a control remoto desde la consola del perforador.

3. BENEFICIOS DEL SISTEMA TOP DRIVE

Se instala fácilmente en cualquier tipo de mástil o torre de perforación, con lasmínimas modificaciones y frecuentemente en un solo día.

Sustituye a la Mesa Rotaria y al Vástago (Kelly). El Top Drive hace rotar la sarta de perforación de manera directa.

“Mejora la seguridad en el manejo de la tubería”. Todas las operaciones se las realiza por control remoto desde la cabina del perforador; reduciendo las labores manuales y riesgos asociados que tradicionalmente acompañan a la tarea.

Capacidad de enroscar las conexiones dándoles un torque adecuado.

Perfora secciones de 90 pies (1 tiro), reduciendo el tiempo de conexiones, al eliminar dos tercios de las mismas.

Realiza toma de núcleos en intervalos de 90 pies sin necesidad de tener que hacer conexiones.

En la perforación direccional, mantiene la orientación en intervalos de 90 pies, reduciendo el tiempo de supervisión (survey time) mejorando el control direccional.

Apto para toda operación de perforación: direccional, horizontal, bajo balance, perforación de gas o aire, control de pozo, pesca, etc.

Reduce el riesgo de aprisionamiento de la sarta, por su habilidad de rotar y circular al mismo tiempo.

Mejora la respuesta en operaciones de control de pozo. Durante perforaciones bajo balance con presión hidrostática por debajo de la presión de la formación, el Top Drive aumenta la seguridad del pozo al reducir el desgaste del preventor de reventones y al permitir que este y que el preventor de cabeza rotario empaquen alrededor de un tubo redondo en lugar de alrededor de un kelly, cuadrante o hexagonal.

Se tiene para perforación en tierra (Onshore) o costa fuera (Offshore)

4. COMPONENTES DEL SISTEMA TOP DRIVE

4.1 COMPONENTES PRIMARIOS.En primera lugar tenemos los componentes primarios, llamados así porque son parte de la herramienta que se instala en el mástil del equipo de perforación.

Estos componentes debido a la universalización y conocimiento dentro la industria petrolera se halla en el idioma inglés, junto a alguno de ellos se indica su posible traducción en español.

Torque track (huella de torsión)

Optional swivel (unión giratoria opcional)

Torque bushing (cojinete de torque)

Swivel sub (sub unión giratoria)

Extend frame (extensión del armazón)

Quill (pluma)

Mainframe assembly (ordenador central)

Load nut (tuerca de carga)

Pipe handler assembly (arreglo del asa de la tubería)

Tilt assembly (mecanismo de inclinación)

Stabbing valve (valvula punzante)

Saver sub (sub ahorrador)

Grabber assembly (llave de contrafuerza)

Bail assembly (arreglo del eslabón)

Elevator (elevador)

Fig. 1. Panel de Perforaciones

4.2 COMPONENTES SECUNDARIOSDenominamos a estos así, porque son principalmente elementos de apoyo, pero aún así cabe aclarar que sin ellos el Sistema en su totalidad no funcionaría.

Los principales componentes secundarios lo conforman: el Panel de Perforaciones (Drillers Panel), Módulo de Poder (Power Module), Bucle de Servicio (Service Loop), Elevadores Hidráulicos (Hydraulic Elevators) y la Válvula ahorradora de lodo y Actuator (Mud Saver Valve and Actuator); los cuales se describen a continuación:

Panel de perforaciones (Drillers Panel)El Panel de Perforaciones es un tablero de acero inoxidable equipado con todos los controles o mandos, los indicadores luminosos, instrumentos de medición y conectores requeridos para operar el Top Drive desde la posición del perforador.

Todos los mandos son de 24 voltios (DC). Hay dos cables principales, compuesto a su vez por otros 37 cables, cada uno con una función específica. Uno de ellos conecta el módulo de poder (power module) al panel del perforaciones y otro conecta el Top Drive también con panel del perforaciones.

Fig. 2. Panel de Perforaciones

Módulo de Poder (Power Module)Los Sistemas Top Drive de carácter hidráulico, vienen complementadas con bombas hidráulicas de diferentes clases. Estas bombas envían un flujo hidráulico a través de un bucle cerrado, un sistema de alta presión hacia el motor del Top Drive, el cual provee la rotación a la pluma (quill).

Bombas adicionales envían un flujo hidráulico a través de un sistema auxiliar al Top Drive, permitiendo la operación de varias funciones automáticas así como la circulación del aceite hidráulico a través de una filtración y de un sistema de enfriamiento antes de retornar hacia el depósito.

El módulo de poder también contiene un tablero eléctrico que acepta una entrada de 480 o 600 voltios AC de los generadores del equipo de perforación y lo convierte a otro voltaje para que de esta manera puedan operar los componentes eléctricos del Sistema Top Drive.

Bucle de Servicio (Service Loop).El Bucle de Servicio es un conjunto de líneas que permiten la comunicación de los elementos que comprenden al Sistema Top Drive.

El Bucle de Servicio envía y recibe comunicación eléctrica desde el módulo de poder y el panel de perforación, así como el flujo hidráulico hacia y desde el Top Drive.

Es de alta importancia que se da al momento de instalar estas líneas; debiendo tener el cuidado para que no se dañen por el levantamiento o se vean obstruidas en medio de la torre.

El Bucle de Servicio no debería de estar en contacto con ninguna parte de la torre.

Elevadores Hidráulicos (Hydraulic Elevators).Los elevadores automáticos, eliminan la necesidad de tener a una persona operándolos manualmente.

Esto da la capacidad de abrir y cerrar los elevadores en posiciones sumamente altas de BHA (Bottom Hole Assembly), y reduciendo de la misma forma la exposición del operario a los riesgos adicionales asociados con operaciones manuales de los elevadores.

Fig. 3. Elevadores Hidraúlicos

Válvula ahorradora de lodo y Actuador (Mud Saver Valve and Actuator)Estos son elementos que actúan como parte del Sistema de seguridad del Top Drive.

La Válvula ahorradora de lodo junto con el actuador remoto actúan como una válvula de prevención de reventones de emergencia similar a un BOP. El Actuador esta diseñado para abrir o cerrar la válvula ahorradora de lodo en cualquiera punto en la torre.

Es crítico que el Actuador nunca funcione mientras la pluma (quill) este girando; esto puede dañar los componentes internos y llevar al fracaso del actuador.

Fig. 4. Válvula ahorradora de lodo

5. FUNCIONAMIENTO DEL TOP DRIVEEs necesario hacer mención que dentro el Sistema Top Drive, como cualquier otra tarea, se identifica intervenciones de carácter manual y de carácter automatizado; este último que caracteriza al Sistema Top Drive.

5.1 FUNCIONES AUTOMATIZADAS.Están comprendidas por las operaciones de Extensión, Inclinación, Operación de la Llave de Contrafuerza (Grabber).

Extensión.

Esta operación permite al Top Drive ubicarse por encima la ratonera (mouse hole), lugar donde se alojarán las tuberías que han de bajarse para la perforación del pozo.

1. Es acá donde el Top Drive baja y se extiende hasta la ratonera (mouse hole).

2. Realiza la conexión por medio de la pluma (rotación del quill), con la tubería alojada en la ratonera (mouse hole).

3. El Top Drive inicia su elevación por la torre, junto a la tubería conectada,

Los 3 pasos mencionados anteriormente se repiten 3 veces, ya que el Top Drive nos ofrece la facilidad de perforar por tiros (1 tiro = 90 pies = 3 tuberías).

Inclinación de los Eslabones (Link Tilt).Normalmente conocido como “Afianzadores”, estos pueden ser inclinados hacia delante unos 35º y hacia atrás unos 55º, moviendo de esta manera al elevador y permitiendo realizar diversas tareas asociadas con el manejo tuberías de forma segura y reduciendo el tiempo en las operaciones.

4) Durante la elevación, los eslabones (link tilt) y el elevador se afianzan a la tubería para otorgarle un mejor sostenimiento.

Operación de la Llave de Contrafuerza (Grabber).El Llave de Contrafuerza o Grabber actúa como una tenaza, que permite al momento del enrosque y desenrosque de las tuberías, otorgar un adecuado torque.

Normalmente el Grabber necesita una presión por encima de los 1000 psi, para poder efectuar su debida operación de afiance. Cabe recordar que esta presión proviene del Módulo de Poder (Power Module). La operación realizada por el Grabber suele tomar un tiempo aproximado de 20 - 30 segundos.

5.2 PROCESO DE PERFORACIÓN.Hay que tener en cuenta que con este nuevo sistema, se debe adherirse a las mismas prácticas operativas, de seguridad y procedimientos utilizados en perforación rotaria convencional.

Antes de cualquier maniobra con el Top Drive, se debe tener en cuenta que este ocupa mucho más espacio en el piso de la torre de lo que el Kelly lo hace; así que el trabajo debe mantenerse libre de obstáculos que pudiesen interferir con el movimiento de la herramienta y del mismo personal.

Cuando el Top Drive se esta moviendo a través de la torre, se debe estar muy al tanto en todo momento de la posición que el operario vaya a ocupar y que el Top Drive este ocupando, ya que no siempre se lo podrá ver.

El Procedimiento Básico de Perforación con Top Drive es el siguiente:

1) Se baja el Top Drive y se extiende hasta por encima de la ratonera (mouse hole)

2) Se realiza la conexión por medio de la pluma (rotación del quill), con la tubería alojada en la ratonera (mouse hole). La conexión se lleva a cabo dentro la caja de conexión (thread box), donde la llave de contrafuerza (grabber) y la pluma quill le aplican el torque necesario.

3) El Top Drive se eleva a lo largo de la torre, junto a la tubería conectada,

4) Durante la elevación, los eslabones (link tilt) y el elevador se afianzan a la tubería para otorgarle un mejor sostenimiento,

5) Se procede a realizar la conexión, se utilizan las llaves cadenas para sostener la tubería que se encuentre suspendida en la mesa rotaria, ayudándonos del mismo modo a una efectiva conexión. La llave de contrafuerza (grabber) y la pluma (quill) se encargarán de otorgarle el torque adecuado.

6) Una vez hecho la conexión, se procede a retirar las cuñas de perforación (slips) de la mesa de perforación; luego desde la cabina del perforador, se activan las bombas de lodo e inmediatamente se activa la función de perforación.

Al mismo tiempo se asigna a la pluma (quill) el RPM indicado (Revoluciones por minuto), ya sea incrementando o reduciendo el flujo hidráulico proveniente de las bombas.

Se debe tomar en cuenta que sería demasiado crítico que el actuador no funcione mientras la pluma (quill) este rotando, ya que esto dañaría los componentes internos y conduciría a una falla del actuador. Ya que sin fluido de perforación no hay un funcionamiento efectivo de las herramientas.

7) Se encuentra ahora el equipo ya perforando y se debe de tener controlando los datos obtenidos del Panel del Perforador y demás instrumentos de medición. (Presiones y Volúmenes).

5.3 FUNCIONES MANUALES.Básicamente las funciones manuales (operaciones donde intervienen directamentelos operarios), comprenden aquellas que incluyen la perforación convencional; claro esta que con este sistema hay beneficios que se tornan en ventajas. Estas operaciones son:

Limpiado de las tuberías y el piso de la mesa.

Uso de las llaves cadenas: Necesarias para ajustar y desajustar las tuberías en boca de pozo.

Puesta de las Cuñas de Perforación (Slip): Permiten sostener la tubería en la mesa rotaria y evitar que resbale dentro del pozo cuando se está conectando o desconectando con el Top Drive.

Control de las mediciones y datos del Panel de perforaciones (Driller Panel): Uno de las funciones principales e importantes, del cual el encargado de perforación junto con la coordinación de todo el personal determinarán el éxito de la perforación.

Los controladores lógicos programables o PLC (Programmable Logic Controller en sus siglas en inglés) son dispositivos electrónicos muy usados en automatización industrial.

Contenido [ocultar]

• 1 Usos

• 2 Funciones

• 3 Ventajas

• 4 Historia

• 5 Otros usos

• 6 Estructura

• 7 Enlaces externos

[editar] Usos

Como su mismo nombre lo indica, se ha diseñado para programar y controlar procesos secuenciales en tiempo real. Por lo general, es posible encontrar este tipo de equipos en ambientes industriales.

Los PLC sirven para realizar automatismos, se puede ingresar un programa en su disco de almacenamiento, y con un microprocesador integrado, corre el programa, se tiene que saber que hay infinidades de tipos de PLC, los cuales tienen diferentes propiedades, que ayudan a facilitar ciertas tareas para las cuales se los diseñan.

Los PLC son llamados tambièn por algunos autores Autòmatas Programables Industriales.

[editar] Funciones

Para que un PLC logre cumplir con su función de controlar, es necesario programarlo con cierta información acerca de los procesos que se quiere secuenciar. Esta información es recibida por captadores, que gracias al programa lógico interno, logran implementarla a través de los accionadores de la instalación. Es decir, a través de los dispositivos de entradas, formados por los sensores (transductores de entradas) se logran captar los estímulos del exterior que son procesados por la lógica digital programada para tal secuencia de proceso que a su vez envía respuestas a través de los dispositivos de salidas (transductores de salidas, llamados actuadores.

Un PLC es un equipo comúnmente utilizado en maquinarias industriales de fabricación de plástico, en máquinas de embalajes, en automóviles, entre otras; en fin, son posibles de encontrar en todas aquellas maquinarias que necesitan controlar procesos secuenciales, así como también, en aquellas que realizan maniobras de instalación, señalización y control.

Dentro de las funciones que un PLC puede cumplir se encuentran operaciones como las de detección y de mando, en las que se elaboran y envían datos de acción a los pre-accionadores y accionadores. Además cumplen la importante función de programación, pudiendo introducir, crear y modificar las aplicaciones del programa.

[editar] Ventajas

Dentro de las ventajas que estos equipos poseen se encuentra que, gracias a ellos, es posible ahorrar tiempo en la elaboración de proyectos, pudiendo realizar modificaciones sin costos adicionales. Por otra parte, son de tamaño reducido y mantenimiento de bajo costo, además permiten ahorrar dinero en mano de obra y la posibilidad de controlar más de una máquina con el mismo equipo. Sin embargo, y como sucede en todos los casos, los controladores lógicos programables, o PLC’s, presentan ciertas desventajas como es la necesidad de contar con técnicos calificados y adiestrados específicamente para ocuparse de su buen funcionamiento.

[editar] Historia

Su historia se remonta a finales de la década de 1960, cuando la industria buscó en las nuevas tecnologías electrónicas una solución más eficiente para reemplazar los sistemas de control basados en circuitos eléctricos con relés, interruptores y otros componentes comúnmente utilizados para el control de los sistemas de lógica combinacional.

En un rack, de izquierda a derecha: fuente de alimentación PS407 4A, CPU 416-3, módulo de interfaz IM 460-0 y procesador de comunicaciones CP 443-1.

[editar] Otros usos

Hoy en día, los PLC's no sólo controlan la lógica de funcionamiento de máquinas, plantas y procesos industriales, sino que también pueden realizar operaciones aritméticas, manejar señales analógicas para realizar estrategias de control, tales como controladores PID (Proporcional Integral y Derivativo).

[editar] Estructura

Su estructura básica son dos o más planos de puertas lógicas, normalmente AND y OR, que el programador debe conectar de forma adecuada para que hagan la función lógica requerida. Suelen programarse con lenguaje en escalera ó también con bloques de funciones. Para aplicaciones de mayor capacidad son sustituidos por FPGAs.

Los PLC's actuales pueden comunicarse con otros controladores y computadoras en redes de área local, y son una parte fundamental de los modernos sistemas de control distribuido.

[editar] Enlaces externos

• Que es un PLC (Básico)

• Que es un PLC (Avanzado)

• Fabrica argentina de PLCs

• Que es un PLC (Básico)

Qué es un P.L.C.?P.L.C. (Programmable Logic Controller) significa Controlador Lógico Programable.

Un PLC es un dispositivo usado para controlar. Este control se realiza sobre la base de una lógica, definida a través de un programa.

Estructura de un Controlador Lógico Programable

Para explicar el funcionamiento del PLC, se pueden distinguir las siguientes partes:

Interfaces de entradas y salidas

CPU (Unidad Central de Proceso)

Memoria

Dispositivos de Programación

El usuario ingresa el programa a través del dispositivo adecuado (un cargador de programa o PC) y éste es almacenado en la memoria de la CPU.

La CPU, que es el "cerebro" del PLC, procesa la información que recibe del exterior a través de la interfaz de entrada y de acuerdo con el programa, activa una salida a través de la correspondiente interfaz de salida.

Evidentemente, las interfaces de entrada y salida se encargan de adaptar las señales internas a niveles del la CPU. Por ejemplo, cuando la CPU ordena la activación de una salida, la interfaz adapta la señal y acciona un componente (transistor, relé, etc.)

Pero, Cómo funciona la CPU?

Al comenzar el ciclo, la CPU lee el estado de las entradas. A continuación ejecuta la aplicación empleando el último estado leído. Una vez completado el programa, la CPU ejecuta tareas internas de diagnóstico y comunicación. Al final del ciclo se actualizan las salidas. El tiempo de ciclo depende del tamaño del programa, del número de E/S y de la cantidad de comunicación requerida.

Leer entradas Ejecutar programa

Ciclo PLC

Actualizar salidas Diagnósticos-Comunicación

Las ventajas en el uso del PLC comparado con sistemas basados en relé o sistemas electromecánicos son:

• Flexibilidad: Posibilidad de reemplazar la lógica cableada de un tablero o de un circuito impreso de un sistema electrónico, mediante un programa que corre en un PLC.

• Tiempo: Ahorro de tiempo de trabajo en las conexiones a realizar, en la puesta en marcha y en el ajuste del sistema.

• Cambios: Facilidad para realizar cambios durante la operación del sistema.

• Confiabilidad

• Espacio

• Modularidad

• Estandarización

Aspectos Generales del S7-300

Este nuevo miniautómata de SIEMENS ideado especialmente para aumentar la cadencia y disminuir sensiblemente los tiempos ciclo y de respuesta y aumentar la calidad del proceso, opera más allá de los límites de prestaciones anteriores, asegurando la adquisición y tratamiento de señales (analógicas o digitales) a cualquier velocidad y en cualquier forma en que se presenten, de allí que es ideal para usarlo en maquinarias de embalaje y en máquinas herramientas, sector agroalimentario o en industria química o farmacéutica.

Posee una CPU cuya velocidad es 100 veces mayor a las convencionales (la más potente de sus 5 CPU no necesita más de 0,3 ms para ejecutar 1024 instrucciones binarias y no mucho más al procesar palabras), una Memoria de programa de 16K instrucciones de capacidad máxima, 1024 entradas/salidas digitales y 32 módulos dentro de un solo sistema (para tareas especiales se ofrecen módulos específicos), alta potencia de cálculo con hasta aritmética de 32 bits en coma flotante e interfaces multipunto o puerto MPI.

Pequeño, extremadamente rápido y universal son las características más importantes de éste PLC, además de su modularidad, sus numerosos módulos de extensión, su comunicabilidad por bus, sus funcionalidades integradas de visualización y operación así como su lenguaje de programación bajo entorno Windows 95.

Principales Componentes del P.L.C.

El autómata programable consta de los siguientes componentes:

• Unidad central de procesamiento (CPU), que constituye el "cerebro" del sistema y toma decisiones en base a la aplicación programada.

• Módulos para señales digitales y analógicas (I/O)

• Procesadores de comunicación (CP) para facilitar la comunicación entre el hombre y la máquina o entre máquinas. Se tiene procesadores de comunicación para conexión a redes y para conexión punto a punto.

• Módulos de función (FM) para operaciones de cálculo rápido.

Existen otros componentes que se adaptan a los requerimientos de los usuarios:

• Módulos de suministro de energía

• Módulos de interfaces para conexión de racks múltiples en configuración multi-hilera

En los módulos de entrada pueden ser conectados:

• Sensores inductivos, capacitivos, ópticos

• Interruptores

• Pulsadores

• Llaves

• Finales de carrera

• Detectores de proximidad

En los módulos de salida pueden ser conectados:

• Contactores

• Electroválvulas

• Variadores de velocidad

• Alarmas

Tamaño del S7-300

El tamaño de la CPU (independientemente del modelo) es de 80cm. de largo, 12,5 cm de alto y 13 cm de profundidad. En cuanto a los módulos, sus medidas son 40cm x 12,5cm x 13cm, respectivamente.

Además, el S7-300 requiere una alimentación de 24 VDC. Por ésta razón, los módulos (fuentes) de alimentación de carga transforman la tensión de alimentación de 115/230 VAC en una tensión de 24 VDC. Los módulos de alimentación se montan a la izquierda junto a la CPU.

Descripción de los 5 Módulos Centrales

El sistema modular comprende de cinco CPU para distintas exigencias, módulos de entradas y salidas analógicas y digitales, módulos de función de contaje rápido, posicionamiento de lazo abierto y lazo cerrado, así como módulos de comunicación para el acoplamiento a redes en bus.

La CPU más potente puede tratar 1024 instrucciones binarias en menos de 0,3 ms. Pero como las instrucciones puramente binaria constituyen mas bien la excepción, tenemos que mencionar los tiempos de ejecución de las instrucciones mixtas: 65% de instrucciones con bits y un 35% con palabras, el más rápido de los autómatas puede con 1K en sólo 0,8 ms.

Otro detalle es la simplicidad de diagnóstico. Los datos de diagnóstico de todo el autómata están fijamente almacenados en la CPU (hasta 100 avisos). Estos datos pueden consultarse centralizadamente en la CPU, ya que todos los módulos relevantes son accesibles vía interfaces MPI de ésta, lo que permite ahorrarse gastos suplementarios y evita molestas manipulaciones de conectores.

En una configuración de PLC en red, el puesto central de mando puede acceder directamente a cualquier CPU y a cualquier módulo de función, a cualquier panel de operador y a cualquier procesador de comunicaciones de la red, todo ello sin hardware ni software adicional.

El sistema de diagnóstico inteligente de la CPU se activa al reemplazar un módulo: se encarga de verificar si la configuración del autómata es aún compatible y evita así funcionamientos anómalos en la instalación, incluso la destrucción de módulos.

Además realiza automáticamente el registro de la hora y la memorización de los fallos, contribuyendo así a un diagnóstico rápido y puntual a posteriori cuando ya no se manifieste más el defecto o cuando éste sea de naturaleza esporádica.

Si nombramos sus características generales, tenemos:

• Los cinco ofrecen hasta 2048 marcas, 128 temporizadores y 64 contadores

• Según el tipo de CPU, una parte de ellos o su totalidad puede hacerse remanente, es decir, no volátil

• La salvaguarda y gestión de datos está asegurada por una memoria especial exenta de mantenimiento y que funciona sin pila (depende del tipo de CPU)

1 -CPU 312 IFM

Este es capaz de procesar 1024 instrucciones binarias en 0,6 ms. Es la solución óptima para aplicaciones que requieren funciones simples como contaje y medición de frecuencias.

Para tareas sencillas no hay más que usar la función Contador con dos canales para contar atrás y adelante (el contador puede contar señales de hasta 10 Khz y tiene un ancho de banda de 32 bits).

Puesto que ésta CPU lleva incorporada una memoria para el programa de usuario, (E)EPROM y dispositivos de respaldo sin pilas, no necesita mantenimiento alguno.

2 -CPU 313

Es similar al CPU 312 IMF con la diferencia de que tiene el doble de memoria. Además permite guardar el programa en una Memory Card, con lo cual éste autómata tampoco requiere mantenimiento.

3 -CPU 314

Ejecuta el programa al doble de velocidad, es decir, en 0,3 ms. Por 1K de instrucciones binarias.

Tampoco hay peligro de perder datos pues también permite guardar el programa en una Memory Card tipo Flash-EEPROM.

4 -CPU 315

Tiene la misma rapidez que la CPU 314 (1K de instrucciones al bit en 0,3ms.), pero dos veces mas de memoria (48 Kbytes), es decir, para mas de 16.000 instrucciones.

También contiene una memoria Flash del tipo EPROM que le permite salvaguardar los datos. Además, el reloj está asociado a un acumulador de energía enchufable dotado de una reserva de marcha de 4 semanas en caso de falla de la red.

5- CPU 315-2DP

Si configuramos el S7-300 con ésta CPU, es posible extender el autómata a 64 estaciones DP (periferia descentralizada), totalizando más de 1000 entradas/salidas a varios kilómetros de distancia y con puertos abiertos y normalizados.

Esta posibilidad que brinda el CPU 315-DP, confiere una flexibilidad total, ya que permite la libertad de direccionamiento de entradas/salidas centralizadas y descentralizadas.

Montaje e Interconexión de los Módulos

El diseño simple permite que el S7-300 sea flexible y fácil de utilizar.

Rieles de montaje DIN: Los módulos son enganchados de la parte superior del riel, ajustándola hasta el tope y luego atornillando arriba y abajo.

En cuanto a la interconexión de módulos se refiera, éstos llevan incorporados el bus posterior (de fondo de panel), lo que significa que no hay mas que enchufar los conectores de bus suministrados en la parte posterior de la carcasa y así, todos los módulos quedarán correctamente interconectados.

Además, si queremos montar una CPU o cambiar solamente un módulo, oprimiendo un pulsador se suelta el conector frontal, quedando a la vista el esquema de conexiones del módulo; por su parte, los conectores frontales están codificados por lo que resulta imposible enchufarlos accidentalmente en un módulo equivocado (además, el plano de conexiones está situado en la parte interior de la tapa frontal, por lo que siempre estará disponible) y, en posición de montaje, se interrumpe la conexión eléctrica.

Otra ventaja que tiene el S7-300 es el sistema de precableado (llamado SITOP) que se compone solamente de elementos pasivos, tales como conectores frontales, cables planos en vaina redonda, bloques de bornes y además el cableado ya viene preparado. Este sistema permite establecer conexiones a 1, 2 ó 3 hilos con toda facilidad y evitar errores en el cableado.

Es especialmente útil cuando los módulos E/S y los sensores y actuadores conectados se encuentran a una distancia de 30 mts. como máximo.

Prestaciones

Si hablamos de las prestaciones, diremos que la CPU permite montar 256 entradas/salidas digitales en un sólo perfil y, si bien es cierto que en la fila central sólo caben 8 módulos de E/S además de la CPU, pueden emplearse otras cuatro filas de éste tipo: por ejemplo, la CPU 314 permite incorporar hasta 32 módulos, repartidos en cuatro filas.

Para enlazar las distintas filas basta usar los módulos de interconexión, también llamados interfaces (IM).

Estos se encargan por sí solos de comunicar las demás filas, incluso salvando las distancias de hasta 10 mts.

Los módulos de interconexión son dos :IM360 e IM361. El IM360 se monta en la fila central y por cada fila adicional se coloca un IM361, respectivamente. Si solo necesita una fila adicional, la pareja de módulos IM365 es la más económica (el primero de ellos se coloca en al fila central y el segundo, en la fila adicional).

• Pueden ser instalados 32 módulos en 4 racks: un total de 3 racks de expansión pueden ser conectados al rack central. Ocho módulos pueden ser conectados en cada rack.

• Módulos de conexión vía interfaces: cada rack tiene su propio módulo de interfaces. Este es siempre conectado en la ranura adyacente al CPU.

• Instalación separada: los racks individuales pueden ser instalados también en forma separada. La distancia máxima entre racks es de 10 metros

• Distribución versátil: los racks pueden ser instalados horizontalmente o verticalmente, de manera de obtener la distribución óptima en el espacio del que se dispone.

Tipos de Módulos

Disponibles

Tanto si son analógicas o digitales como si son entradas o salidas, éste autómata trata las señales a medida que se van presentando.

• Módulos de entradas digitales

Los módulos de entradas digitales convierten las señales digitales externas del proceso al nivel interno del autómata.

Por ejemplo, si se va a utilizar detectores de proximidad o finales de carreras con una tensión de 24 VDC, se debe elegir el modulo de entrada de 24 V., que le ofrece 16/32 entradas y conecta los sensores con separación galvánica y en grupos de 8 entradas con contacto común.

Para señales de corriente alterna de 120 ó 230 V., existe un módulo de 8 canales que se encarga de traducir las señales para que las pueda leer el autómata.

• Módulos de salidas digitales

Los módulos de salidas digitales convierten las señales internas del S7-300 en señales externas adaptadas al proceso.

Por ejemplo, si desea conectar electroválvulas, contactores, pequeños motores, lámparas, etc., entonces necesitará un módulo de éste tipo. En lo que respecta a los actuadores de 24 VDC, como por ejemplo contactores y válvulas, el autómata ofrece varias alternativas como ser: desde módulos de 16/32 canales y 0,5 A. Con separación galvánica hasta módulos de relé de 8 a 16 canales

• Módulos de entradas analógicas

Este convierte las señales analógicas en señales digitales que autómata procesa internamente. Se puede conectar sensores y emisores de señal de tipo tensión o intensidad, resistencia, así como termopares y termoresistencias y se puede elegir entre módulos que van de los 2 a 8 canales.

• Módulos de salidas analógicas

Este módulo convierte las señales digitales del S7-300 en señales analógicas para el proceso. Es una herramienta indispensable para convertidores de frecuencias, regulaciones, etc. Además dispone de 2 ó 4 canales y tiene una resolución de 4 bits, con posibilidad de configuración para señales tipo tensión o corriente.

• Módulos económicos

Este módulo es especial cuando el factor económico es fundamental. Tiene una resolución de 8 bits, convierte señales analógicas en digitales y viceversa, y está dotado de 4 entradas y 2 salidas.

• Módulos de función para tareas especiales

Son módulos de contaje rápido que superan el ámbito de los 100 kHz y son idóneos para medir frecuencias, procesar los valores medidos, medir revoluciones o longitudes, así como para realizar tareas de posicionamiento.

Se ofrecen diversos módulos de poscionamiento para controlar tareas de posicionamiento, motores paso a paso, así como para simular controladores de levas y accionamiento de 2 marchas (lenta/rápida).

• Módulo de simulación

Este módulo se utiliza par4a comprobar el programa de aplicación antes de poner el sistema en marcha, o durante su funcionamiento. Este módulo permite simular señales de sensores mediante interruptores y averiguar los estados de señal de las salidas por medio de indicadores LED. Se monta en lugar de un módulo de E/S digitales.

• Módulo de suministro de energía

Este módulo es la fuente de alimentación del autómata que transforma la tensión externa de suministro en la tensión operativa interna. Las tensiones de alimentación posibles para el S7-300 son: 24 VCC, 115 VCA o 230 VCA.

• Módulos de interconexión o interface

Estos módulos permiten la comunicación entre los distintos racks. Se encuentran IM360, IM361, IM 365.

Prestaciones Especiales del P.L.C.

El PLC ofrece otras prestaciones de hardware y software que aumentan su flexibilidad. A continuación se describen algunas de estas prestaciones:

• Contadores de alta velocidad : Diseñados para contar a mayor velocidad que el autómata programable, son capaces de detectar eventos, pudiendo contar tres trenes de impulsos simultáneamente y cambiar el sentido de cómputo.

• Protección con contraseña : Permitiendo el usuario definir su propia contraseña se puede prevenir el acceso no autorizado a las funciones y a la memoria del autómata programable.

• Función de forzado : Forzar entradas y salidas aunque no estén presentes en el programa; puede utilizarse en modo RUN o STOP.

• Modo Freeport : El usuario puede definir desde el esquema de contactos los parámetros para las interfaces de comunicación, lo que permite ampliar las posibilidades de conexión con otras unidades inteligentes, tales como impresoras, lectores de códigos de barras, balanzas, etc.

• Marcas especiales : Se trata de bits de datos internos que ejecutan funciones de estado y control entre el sistema y el programa.

• Direccionamiento simbólico : Permite utilizar en el programa un nombre simbólico asignado a un punto de E/S como operando.

• Libre mantenimiento : El condensador de alto rendimiento hace superfluo el uso de pilas para respaldar los datos en la memoria.

APLICACIONES DEL S7-300

Las áreas de aplicación del SIMATIC S7-300 incluyen:

• Sistemas de transporte : Gracias a su sencillez, permite programar y monitorear rápidamente aplicaciones como por ejemplo cintas transportadoras. La programación basada en " arrastrar y soltar " ayuda a configurar lógica de marcha/paro para motores con mando por pulsador y permite asimismo seleccionar contadores para supervisar el número de piezas producidas.

• Controles de entrada y salida : Gracias a su diseño compacto, permite además una integración fácil en dispositivos de espacio reducido, como por ejemplo en barreras de aparcamientos o entradas. Como por ejemplo se puede detectar un vehículo tanto a la entrada como a la salida, abriendo o cerrando la barrera automáticamente. La cantidad de vehículos estacionados resulta fácil de comprobar programando simplemente un contador.

• Sistemas de elevación : El potente juego de instrucciones de un PLC, permite que controle una gran variedad de sistemas de elevación de material. La vigilancia de secuencias de control (arriba/abajo) así como la capacidad de tomar decisiones eficientes en cuanto a tareas de control complejas son algunas de las tareas asistidas por todas las instrucciones residentes en el PLC.

• Otras aplicaciones : Además de los ejemplos representado arriba, cabe considerar algunas de tantas otras tareas de automatización, para las que este PLC constituye la solución ideal:

○ Líneas de ensamblaje

○ Sistemas de embalaje

○ Máquinas expendedoras

○ Controles de bombas

○ Mezclador

○ Equipos de tratamiento y manipulación de material

○ Maquinaria para trabajar madera

○ Paletizadoras

○ Máquinas textiles

○ Máquinas herramientas

COMUNICACIÓN

El SIMATIC S7-300 tiene diferentes interfaces de comunicación:

• Procesadores de comunicación CP 343-5, CP 343-1 y CP 343 TCP para conexión al PROFIBUS y sistemas bus de Ethernet Industrial.

• Procesador de comunicaciones CP 340 para conexión a sistemas punto a punto.

• La interface multipunto (MPI) está integrada al CPU; para conexión simultánea de los mandos de programación, PC, sistemas MMI y sistemas de automatización SIMATIC S7, M7 o C7.

MECANISMOS DE COMUNICACIÓN

El SIMATIC S7-300 tiene varios mecanismos de comunicación:

• Intercambio cíclico del conjunto de datos entre redes de CPU mediante la comunicación global de datos

• Comunicación de resultado transmitidos por las redes utilizando bloques de comunicación.

Mediante el servicio de comunicación global de datos, las redes de CPU pueden intercambiar datos cíclicamente con cada una de las otras unidades centrales de procesamiento. Esto permite a uno CPU acceder a la memoria de datos de otra CPU. La comunicación global de datos solo puede ser enviada vía interfaces multipunto (MPI).

FUNCIONES DE COMUNICACIÓN

El PLC, al ser un elemento destinado a la Automatización y Control y teniendo como objetivos principales el aumento de la Productividad o Cadencia y la disminución de los Tiempos Ciclos, no puede o mejor dicho no es un simple ejecutador de datos almacenados en su memoria para trasmitir directivas a sus dispositivos que controla.

Es decir, debe ser un elemento que en cualquier momento sea capaz de cambiar la tarea que realiza con simples cambios en su programación, ésta tarea sería imposible sin la ayuda de otros dispositivos tales como PC´s, programadoras o paneles de control, dispositivos de campo, PLC´s, etc.

Por lo tanto necesitamos COMUNICAR al PLC. Estos conceptos no son otros en los que se basa la Fabricación Flexible, y una comunicación eficiente depende esencialmente de la red en la que se encuentra trabajando el PLC. No solamente el PLC sino también los computadores industriales, unidades de programación, etc., que una vez conectados todos a la red, desde cualquier punto es posible acceder a cada uno de los componentes.

En particular el S7-300 de Siemmens viene dotado con 3 interfaces para trabajar en equipo o red, ellos son:

○ El M.P.I. (Interface Multi Punto)

○ El P.P.I. (Interface Punto por Punto)

○ El Profibus-DP

Existen además a nivel industrial otras redes tales como la Profibus-FMS, Industrial Ethernet, etc., pero no intervendrán en nuestro trabajo a pesar de que también puede ser conectado a cualquiera de ellas.

Interface punto por punto (P.P.I)

Esta interface permite la comunicación de nuestro dispositvo con otros tales como modems, scanners, impresoras, etc., situados a una cierta distancia del PLC. En la parte frontal del módulo de la CPU posee fichas DB 9 o DB 25 para la comunicación serial vía RS 232 y RS 485.

La conexión Punto a Punto puede ser establecida económicamente y convenientemente por medio del procesador de comunicaciones CP 340. Hay varios protocolos disponibles por debajo de las tres interfaces de conexión:

• 20 mA (TTY)

• RS 232 C/V.24

• RS 422 / RS485

Los siguientes dispositivos pueden ser conectados:

• Controladores programables SIMATIC S7 y SIMATIC S5

• Impresoras

• Robots controladores

• Modems

• Scanners, lectores de códigos de barras, etc.

INTERFACE MULTIPUNTO (M.P.I.)

Todas las CPU´s (312, 313, 314, 315 y 315 -2DP) lo incorporan desde fábrica. Con éste puerto se puede comunicar fácilmente a distancias reducidas sin requerir módulos adicionales, por ejemplo hacia equipos de M+V (manejo + visualización), unidades de programación y otros autómatas S7-300 o S7- 400 para probar programas o consultar valores de estado.

Se pueden enviar datos a 4 distintos aparatos al mismo tiempo y utilizando siempre el mismo puerto a una velocidad de 187,5 Kbits / seg o 187,5 Kbaudios. Para pequeñas redes de comunicación o pequeños volúmenes de datos la CPU ofrece el servicio de Datos Globales, que permite intercambiar cíclicamente cantidades de datos en paquetes de hasta 22 bytes como máximo.

Distancia máxima entre dos estaciones o nudos de red de MPI adyacentes: 50 metros (sin repetidores); 1100 metros (con dos repetidores); 9100 metros (con más de 10 repetidores en serie); por encima de los 500 Klm. (cable de fibra óptica, con módulos de conexión ópticas)

Capacidad de expansión: los componentes comprobadores de campo son usados para configurar la comunicación de interface multipunto: cables LAN, conectores LAN y

repetidores RS485, desde el PROFIBUS y la línea de productos de entradas/salidas distribuidas.

Estos componentes permiten una óptima utilización de la configuración.

PROFIBUS DP

Esta interface de comunicación es usada para gran capacidad de transmisión de datos, llamada Simatic Net o Sinec L2 de Siemmens. El S7 300 mantiene una relación muy estrecha con él. Un módulo de comunicación permite conectarlo al Sinec L2 para comunicarse con otros autómatas Simatic y dispositivos de campo. La CPU 315 – 2DP ya la trae integrada. De éste modo, el autómata se adapta armoniosamente en arquitecturas descentralizadas que integran componentes de automatización y dispositivos de campo. El PLC puede desenvolverse aquí como maestro – esclavo, además también se dispone de los prácticos servicios de comunicación llamados Datos Globales.

Para entablar comunicación se utilizan cables LAN, conectores LAN, repetidores, etc.

Digamos entonces que es una red suplementaria que ofrece un gran rendimiento, arquitectura abierta o descentralizada y gran robustez o confiabilidad.

Existe además la gran ventaja del Manejo + Visualización (paneles de operador, llamados Coros) que permite tanto en ésta interface como en las otras de la búsqueda de errores a partir de cualquier dispositivo y así por ejemplo generar una base de datos con los errores (hora y tipo)que puedan existir.

Los siguientes dispositivos pueden ser conectados como maestros:

○ SIMATIC S7-300 (vía CPU 315-2DP o CP 342-5DP)

○ SIMATIC S7-400 (vía CPU 41-2)

○ SIMATIC S5-115U-H, S5-135U, S5-155UH, S5 95U con interface de PROFIBUS, SIMATIC TI505

○ Dispositivos programables y Pc’s con STEP7 (solo con CPU 41-2 y CPU 315-2)

○ Paneles del operador (OP).

Los siguientes dispositivos pueden conectarse como esclavo:

○ ET 200U/B/C/L/M con dispositivos de entrada y salida distribuida.

○ S7-300 vía CP342-5

○ CPI 315-2 DP

○

Dispositivo de campo

Por encima de 10 repetidores, pueden ser conectados en series, por ejemplo para puentear largas distancias entre alguno de los nodos del MPI dados.