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1
Módulo de entrenamiento profesional de instrumentación industrial
con variador de frecuencia
Professional training module for industrial instrumentation with
frequency inverter
Christian Chillán
1
; Carlos Román
2
1,2
Instituto Tecnológico Universitario ISMAC-Carrera de Electromecánica, 170184, Quito, Ecuador
Fecha de recepción: agosto 2022 Fecha de aprobación: octubre 2022
RESUMEN
El presente trabajo aborda el proceso de
diseño e implementación de un módulo de
entrenamiento profesional de
instrumentación industrial con variador de
frecuencia Delta destinado al Instituto
Tecnológico Universitario ISMAC. Este
módulo tiene la capacidad de controlar la
frecuencia de los motores en tiempo real,
permitiendo así regular el flujo y la presión
de un sistema de fluido. Además, emplea
tecnología innovadora que simula procesos
industriales a través de la programación
específica aplicada al variador de frecuencia
Delta. En última instancia, se llevó a cabo
una encuesta dirigida a 20 estudiantes del
Instituto ISMAC para evaluar la utilidad y la
importancia de la implementación de este
módulo. Los resultados de esta encuesta
destacan cómo el módulo contribuye de
manera significativa a satisfacer las
necesidades educativas, promoviendo el
desarrollo integral de los estudiantes en el
ámbito de la instrumentación industrial y la
automatización.
Palabras Clave: Módulo, variador de
frecuencia, instrumentación industrial.
ABSTRACT
This paper addresses the process of design
and implementation of a professional
training module of industrial
instrumentation with Delta frequency
inverter for the ISMAC University
Technological Institute. This module has the
ability to control the frequency of motors in
real time, thus allowing to regulate the flow
and pressure of a fluid system. In addition, it
uses innovative technology that simulates
industrial processes through specific
programming applied to the Delta frequency
inverter. Ultimately, a survey was conducted
for 20 students from the ISMAC Institute to
assess the usefulness and importance of
implementing this module. The results of
this survey highlight how the module
contributes significantly to meeting
educational needs, promoting the integral
development of students in the field of
industrial instrumentation and automation.
Key Words: Module, frequency variator,
industrial instrumentation.
1
Tecnólogo en Electromecánica, c.chillan@tecnologicoismac.edu.ec
2
Ingeniero Mecánico, croman@tecnologicoismac.edu.ec
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1. INTRODUCCIÓN
En la actualidad, se observa una brecha significativa entre la formación teórica y la
aplicación práctica en el ámbito educativo, especialmente en el campo de la tecnología
electromecánica. Aunque se reconoce la importancia del uso de instrumentación
industrial para el desarrollo integral de los estudiantes, muchos centros de capacitación y
aprendizaje, incluido el Tecnológico Universitario ISMAC, carecen de las herramientas
específicas necesarias para la práctica, manipulación y comprensión de la
instrumentación industrial.
Esta carencia de recursos adecuados crea un desafío significativo para la preparación
de los estudiantes para el mundo laboral. Sin acceso a un entrenamiento práctico activo y
participativo, los estudiantes enfrentan dificultades para desarrollar las habilidades
necesarias para enfrentar los desafíos del entorno laboral de manera efectiva. La falta de
familiaridad con herramientas como un variador de frecuencia Delta y la incapacidad para
programar y secuenciar comandos para controlar la velocidad de los motores, así como
regular flujos y presiones, limita su capacidad para integrarse en la industria de manera
competente.
La implementación de un módulo de entrenamiento profesional que proporcione a los
estudiantes la oportunidad de interactuar directamente con instrumentación industrial,
como el variador de frecuencia Delta, es fundamental para abordar esta problemática.
Este módulo no solo permitirá a los estudiantes adquirir habilidades prácticas
indispensables, sino que también les brindará la experiencia necesaria para comprender y
controlar procesos industriales de manera eficiente, preparándolos de manera más
efectiva para el mercado laboral.
2. MARCO TEÓRICO
Hoy en día, la instrumentación industrial es algo común en instituciones educativas
como universidades o colegios técnicos, así como también en empresas o compañías, por
lo cual, a medida del tiempo y de recursos estas instituciones se han ido adaptando para
tener mejor instrumentación para satisfacer las necesidades de sus empleados o
estudiantes.
Según Gómez y Castro (2019), en su trabajo de investigación Diseño de un módulo
didáctico para el laboratorio de automatización de la carrera de ingeniería electrónica
para el laboratorio de automatización de la Universidad Nacional de ingeniería facultad
de electrotecnia y computación ingeniería electrónica, Nicaragua. El enfoque del proyecto
se basa en seleccionar los equipos actuadores, captadores, PLC y accesorios del módulo
didáctico que permitan la recreación de los procesos industriales más comunes en
Nicaragua tales como: Control de llenado de tolvas, control de caldera, transportadoras
secuenciales. El diseño del módulo didáctico presentó la oportunidad de manejo y control
de los procesos en la industria. No obstante, consideran importante seguir las normas de
seguridad e investigar a profundidad sobre el manejo y control de los autómatas como los
PLC, así como de los captadores y actuadores.
2.1 Módulo de instrumentación industrial
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Un módulo está diseñado para realizar procesos de mezcla de fluidos, control de
temperatura, control de caudal, control de presión y medir el nivel en tiempo real de un
sistema de fluidos, por medio de instrumentación y tecnología innovadora.
En el módulo de instrumentación, los elementos que generan el flujo del agua son:
- Bomba trifásica: Varía la velocidad de los fluidos mediante el variador de
frecuencia.
- Bomba monofásica: Controla la presión del fluido mediante el presostato.
Los elementos que controlan la temperatura son:
- Piristor
- Sensor de temperatura PT100
Los elementos de supervisión son:
- Flujómetro: determina el caudal.
- Manómetro: determina la presión.
Los elementos de mando y control son:
- PLC DVP 20SX211R
- HMI
2.2 Educación técnica
La educación técnica es considerada por el Centro Internacional para la Educación y
Formación Técnica y Profesional (EFTP) como la educación y formación que abarca los
programas educativos con la finalidad de compartir conocimientos con el objetivo de
desarrollar destrezas para participar activamente del mundo del trabajo (UNESCO-
UNEVOC, 2015)
2.3 Módulo de instrumentación industrial
El módulo de instrumentación resulta ser confiable y seguro, porque controla y mide
las variables necesarias, logrando simular un proceso industrial, con el objetivo de que el
estudiante o usuario reciba conocimientos para manipular todos los elementos que fueron
incorporados en el módulo de instrumentación. (Garzón & García, 2016)
2.4 Variador de Frecuencia
Los variadores o convertidores de frecuencia son sistemas que se encuentran entre la
fuente de alimentación eléctrica y los motores eléctricos. Sirven para regular la velocidad
de giro de los motores de corriente alterna (AC). Por sus siglas en inglés, solemos
referirnos al variador de frecuencia como VFD, que viene de variable frequency drive,
que se traduciría literalmente como “regulador/variador de frecuencia variable”.
A pesar de ello, también están presentes en el mercado otras acepciones como puede
ser VSD (variable speed drive o regulador de velocidad variable) o ASD (adjustable speed
drive, conocido en castellano como “accionamiento de velocidad variable).
Regulando la frecuencia de la electricidad que recibe el motor, el variador de frecuencia
consigue ofrecer a este motor la electricidad demandada, evitando así la pérdida de
energía, o lo que es lo mismo, optimizando el consumo.
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Figura 1. Variador Delta VFD-E
2.4.1 Estructura de un variador
Él término estructura de un variador se refiere al aspecto físico exterior del mismo,
bloques o elementos en que está dividido (Guillermo campos automation manager).
Mediante la estructura del variador se puede verificar si el escogido es ideal para algún
proyecto en específico.
Figura 2. Estructura de un variador de frecuencia
2.5 Programación
Para permitir una configuración sencilla los parámetros del VFD-EL están divididos
en 11 grupos. En la mayoría de las aplicaciones, el usuario puede concluir con todas las
configuraciones de los parámetros antes de comenzar, sin tener que hacer reajustes
durante la operación.
2.6 Funcionamiento en el modulo
Existen 2 formas de conexión para dar las señales de arranque y paro mediante las
terminales, estas son: 2 cables, y tres cables, dependiendo de la forma en la que se escoja
la configuración es como debe de hacerse la conexión de las terminales, cuando muevas
el selector a una posición cerrara el contacto NA entre DCM y M1 lo que hará que gire
hacia un lado, cuando pongas el selector en medio se abrirán los contactos y no habrá
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señal ni de FWR ni de REV lo que hará que el motor se pare y cuando lo pongas en la
última posición girara hacia el otro lado ya que cerrará el contacto NA que existe entre
DCM y M2. Para modificar la frecuencia de forma externa se utilizará un potenciómetro
que se conectará de la siguiente forma, e esta manera cuando giremos el potenciómetro
variará la frecuencia de 0,00 a 60,00 HZ. Y se mostrara en la pantalla del variador.
3. METODOLOGÍA
El presente trabajo de investigación se centra en un enfoque experimental, con una
investigación de campo, el cual permitió medir los datos relacionados con el proceso de
instrumentación industrial en el Instituto Tecnológico Universitario ISMAC. El
instrumento de investigación empleado fue la encuesta con un cuestionario de preguntas
relacionadas con la elaboración de módulos de entrenamiento para el Instituto.
3.1 Análisis de datos
De acuerdo a la encuesta aplicada a los 20 estudiantes que ingresan a los laboratorios
de la carrera de Electromecánica, se evidencio la importancia de la implementación de un
módulo de instrumentación que simule procesos industriales, para el desarrollo activo e
integral de los estudiantes del Instituto Tecnológico Universitario ISMAC.
4. RESULTADO
El uso de módulo de entrenamiento profesional de instrumentos es importante para la
comprensión de conceptos fundamentales y para el fortalecimiento de habilidades que
necesitan los profesionales de distintas tecnologías, y que pueden ser adquiridas mediante
procesos de aprendizaje activo (Felder y Brent, 2003).
Por consiguiente, el diseño del módulo fue realizado mediante la Aplicación SketchUp,
en la que se observó de manera digital la estructura preliminar del módulo, analizando los
elementos mecánicos de la estructura y teniendo en cuenta dichos elementos para revisar
las dimensiones y armado de este.
Figura 3. Módulo de entrenamiento profesional de instrumentación industrial
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4.1 PLC
El controlador lógico programable (programmable logic controller PLC) es un equipo
mayormente utilizado para la automatización de las industrias que buscan un sistema de
control en sus procesos y sus operaciones electrónicas (Robles 2009). Este dispositivo se
entiende como una computadora industrial que utiliza la ingeniería centrada en
microprocesadores que permiten el control secuencial y periódico en tiempo real de una
máquina (Rodríguez, 2018).
Figura 4. Programador lógico programable visto de cerca
4.2 HMI
El HMI se trata de una Interfaz Humano-Máquina (human machine interfase). Este se
entiende como el medio de interacción entre un usuario y un determinado hardware, en
el caso de control de procesos la HMI, debe ser capaz de mostrar al usuario datos básicos
de todo el sistema. (Ruiz, Inche y Chung, 2008). Una de la función principal de los HMI
es mostrar la información en tiempo real, proporcionar gráficos visuales y digeribles que
aporten significado y contexto sobre el estado del motor, la válvula, niveles y demás
parámetros de un determinado proceso (Autycom, 2018). De esta manera, comparten
información operativa del proceso y permiten controlar y optimizar los objetivos de la
maquinaria y el proceso en sí.
Figura 5. Diseño exterior HMI
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4.3 Programación de control (PLC Delta)
La programación del PLC consiste en “generar un conjunto de instrucciones y de
órdenes que provocarán la ejecución de una tarea determinada. Podemos decir que un
programa es una respuesta predeterminada a todas las combinaciones posibles de estados
de la información que recibe” (Programación en PLC: controladores programables |
Edimar, 2020)
Para esta investigación, se profundizará en el funcionamiento, programación y utilidad
del variador de frecuencia en el módulo. Un variador de frecuencia está diseñado
para regular la velocidad de motores eléctricos y para que la electricidad que llega al
motor se ajuste a la demanda real de la aplicación, reduciendo el consumo energético del
motor entre un 20 y un 70%, el variador de frecuencia DELTA VFD-E 2,2KW-230V
puede ser configurado para que mediante un selector de 3 posiciones externo se arranque
hacia adelante, pare, o se arranque hacia atrás, a una frecuencia configurada mediante un
potenciómetro externo.
Antes de realizar la respectiva conexión y programación del variador de frecuencia se
debe conocer el diagrama eléctrico que nos permitirá conocer los diferentes componentes
y terminales de conexión siguiendo las normas establecidas por el fabricante.
Dependiendo del tipo de entradas y salidas del Variador de frecuencia podemos practicar
más casos que fácilmente se pueden encontrar en el ámbito laboral, en este caso el
Variador DELTA VFD-E 2,2KW-230V cuenta con el siguiente diagrama electrónico.
Figura 6. Diagrama electrónico variador DELTA VFD-E
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Para permitir una configuración sencilla los parámetros del VFD-EL están divididos en
11 grupos. En la mayoría de las aplicaciones, el usuario puede concluir con todas las
configuraciones de los parámetros antes de comenzar, sin tener que hacer reajustes
durante la operación.
Grupo 0: Parámetros del usuario
Grupo 1: Parámetros básicos
Grupo 2: Parámetros del método de operación
Grupo 3: Parámetros de la función de salida
Grupo 4: Parámetros de la función de entrada
Grupo 5: Parámetros de velocidad multi-etapa
Grupo 6: Parámetros de protección
Grupo 7: Parámetros del motor
Grupo 8: Parámetros especiales
Grupo 9: Parámetros de comunicación
Grupo 10: Parámetros de control del PID
Existen 2 formas de conexión para dar las señales de arranque y paro mediante las
terminales, estas son: 2 cables, y tres cables, dependiendo de la forma en la que se escoja
la configuración es como debe de hacerse la conexión de las terminales. Para este ejemplo
utilizaremos la configuración de 2 y 3 cables.
Tabla 1. Dos Cables / Tres cables
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Tabla 2. Configuración de 2 y 3 cables
Como se puede ver en la figura, los parámetros relacionados a esta práctica que debe
conocer son, 02.00, 02.01 y 04.04.
Figura 7. Esquema conexión entradas y salidas potencia del variador
En la siguiente figura, se muestran las entradas y salidas analógicas, digitales, así como
los diferentes módulos de comunicación del variador de frecuencia.
El variador tiene una fuente interna que da 24 y otra de 10 V.
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Las salidas Ml1 y Ml2 (Ml1 FWD, ADELANTE. Ml2 REV REVERSA)
La Ml3 al Ml6 (Salidas digitales multifunción).
AVI (Entrada Analógica)
DCM (Común Entrada Digital)
AFM (Salida Análoga Multifunción)
ADM (Señal Análoga Común)
Figura 8. Entradas, salidas y módulo de comunicación
De tal forma es como se encuentra realizada la conexión para el funcionamiento del
variador de frecuencia, de modo que cuando se mueva el selector a una posición cerrara
el contacto NA entre DCM y M1 hará que gire hacia un lado, y cuando se ponga el selector
en medio se abrirán los contactos y no habrá señal ni de FWR ni de REV lo que hará que
el motor se pare y cuando se coloque en la última posición girara hacia el otro lado ya
que cerrará el contacto NA que existe entre DCM y M2. Para modificar la frecuencia de
forma externa se utilizará un potenciómetro que se conectará de la siguiente forma, e esta
manera cuando giremos el potenciómetro variará la frecuencia de 0,00 a 60,00 HZ. Y se
mostrara en la pantalla del variador.
Figura 9. Conexiones de configuración de potenciómetro en el variador
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Para que el variador responda de forma correcta con las terminales externas es
necesario cambiar los parámetros 02.00, 02.01 y 04.04. En el parámetro 02.00 cargaremos
un valor 1.
En el parámetro 02.01 cargaremos un valor de 2. En el parámetro 04.04 cargaremos un
valor de 0. Primero se presiona MODE y aparecerá H 0,0 para cambiar de parámetro se
utilizarán las teclas de ARRIBA/ABAJO del variador cuando tengas el parámetro
requerido presionas ENTER después ajustaras el valor del parámetro y vuelves a
presionar ENTER.
5. DISCUSIÓN
La introducción de un módulo de formación profesional en instrumentación industrial
con variador de frecuencia representa un avance notable en la instrucción técnica y
profesional en el ámbito de la automatización industrial. Este módulo ofrece a los
estudiantes una oportunidad invaluable para desarrollar habilidades prácticas y obtener
experiencia directa en la manipulación y control de sistemas de instrumentación industrial
esenciales en diversos entornos de la industria.
Al adoptar un enfoque práctico y experimental, este módulo permite a los estudiantes
profundizar en los principios fundamentales de la instrumentación industrial y su
aplicación práctica. Mediante el uso del variador de frecuencia, los estudiantes pueden
familiarizarse con la regulación y control de la velocidad de los motores, así como con la
manipulación de otros parámetros fundamentales como el flujo, la presión y la
temperatura.
Además, este tipo de módulo de formación ofrece una plataforma versátil y adaptable
que puede ser configurada para simular una amplia variedad de escenarios industriales.
Esto permite a los estudiantes enfrentarse a situaciones realistas y desarrollar habilidades
prácticas que son directamente transferibles al ámbito laboral.
La incorporación de un variador de frecuencia en el módulo de formación profesional
en instrumentación industrial también responde a las necesidades actuales del mercado
laboral. Dado el creciente uso de tecnologías de automatización en la industria, los
profesionales capacitados en el manejo de variadores de frecuencia y otros dispositivos
de control son altamente valorados por las empresas.
6. CONCLUSIONES
Se desarrolló el diseño de un módulo de entrenamiento profesional de instrumentación
industrial, mediante los diagramas de tuberías e instrumentación (P& ID) y los diagramas
eléctricos, utilizando software de diseño asistido, los cuales sirvieron como guía para la
construcción e implementación del módulo en el Instituto Tecnológico Universitario
ISMAC.
El enfoque práctico y experimental proporcionado por este módulo permite a los
estudiantes comprender en profundidad los principios fundamentales de la
instrumentación industrial y su aplicación práctica.
La versatilidad y adaptabilidad de este tipo de módulo de entrenamiento también son
destacables, ya que puede ser configurado para simular una amplia gama de escenarios
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industriales. Esto permite a los estudiantes enfrentarse a situaciones realistas y desarrollar
habilidades prácticas que son directamente transferibles al campo laboral.
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