UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS POZA RICA-TUXPAN INGENIERÍA QUÍMICA “MANUAL DE PRÁCTICAS PARA LA EXPERIENCIA EDUCATIVA DE INGENIERÍA DE CONTROL PARA LAS VARIABLES DE FLUJO Y PRESIÓN DEL EQUIPO DC-MV-200 PARA LA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS” TRABAJO PRÁCTICO EDUCATIVO PARA ACREDITACIÓN DEL EXAMEN DE LA E.E. DE EXPERIENCIA RECEPCIONAL PRESENTA: CORAL MAOLY GONZÁLEZ QUIROZ DIRECTOR: M.C. MARCO ANTONIO ZUÑIGA LÓPEZ ASESOR: DR. SERGIO NATAN GONZÁLEZ ROCHA POZA RICA DE HIDALGO, VER. A OCTUBRE DE 2013 1 2 3 Contenido Justificación .......................................................................................................................... 10 Capítulo I. Descripción del equipo DC-MV-200 ..................................................................... 11 1.1 Descripción General del Equipo .................................................................................. 16 Gabinete de Control. ...................................................................................................... 16 Software de adquisición de datos .................................................................................. 16 Dimensiones aproximadas del equipo ........................................................................... 16 1.2 Diagrama de Flujo de Proceso (DFP) del Equipo DC-MV-200 ..................................... 17 Capítulo II. Consideraciones Técnicas para las Prácticas de Flujo y Presión ........................ 18 2.1 Operación del equipo .................................................................................................. 19 Servicios auxiliares ........................................................................................................ 19 Energizado del gabinete de control ................................................................................ 20 Alineación del equipo ..................................................................................................... 21 Equipo en operación ...................................................................................................... 23 Control de presión ......................................................................................................... 24 Control de nivel .............................................................................................................. 25 Control de flujo .............................................................................................................. 25 Control de temperatura .................................................................................................. 26 Paro del equipo.............................................................................................................. 27 2.2 Mantenimiento y limpieza ............................................................................................ 28 Capitulo III. Práctica 1: Identificación de componentes, reconocimiento del equipo y de los controladores PID, PD y PI. .................................................................................................. 29 Introducción....................................................................................................................... 29 Fundamento Teórico ......................................................................................................... 30 3.1 Variable Controlada y Variable Manipulada. ................................................................ 30 3.2 Elementos del Loop de control .................................................................................... 31 Elemento primario de medición. ..................................................................................... 32 Transductores. ............................................................................................................... 32 Transmisor..................................................................................................................... 33 Controlador. ................................................................................................................... 33 Elemento final ................................................................................................................ 34 3.3 Tipos de control ........................................................................................................... 34 4 Control Proporcional Integral Derivativo ......................................................................... 34 Funcionamiento ............................................................................................................. 35 Proporcional .................................................................................................................. 37 Integral .......................................................................................................................... 38 Derivativo....................................................................................................................... 39 3.4 Controlador Lógico Programable (PLC) ....................................................................... 40 A) Práctica de identificación de componentes ............................................................. 43 Objetivo de aprendizaje ................................................................................................. 43 Materiales ...................................................................................................................... 44 Cuestionario .................................................................................................................. 48 B) Práctica de reconocimiento del sistema .................................................................. 48 Objetivo ......................................................................................................................... 48 Cuestionario .................................................................................................................. 50 Capítulo IV. Práctica 2: Variable de flujo ............................................................................... 51 Introducción ................................................................................................................... 51 Medición de flujo o caudal. ............................................................................................ 51 Fluido. ............................................................................................................................ 51 Fundamento teórico ....................................................................................................... 52 4.1 Sensores de flujo ..................................................................................................... 52 4.2 Tipos de Medidores de flujo que utilizan una caída de presión ................................ 52 Medidor de flujo Venturi ................................................................................................. 52 Medidores de codo ........................................................................................................ 54 Medidores de velocidad de flujo..................................................................................... 55 Rotámetro ...................................................................................................................... 57 Objetivos........................................................................................................................ 57 Materiales ...................................................................................................................... 57 Descripción del proceso................................................................................................. 58 Procedimiento experimental (Programación Manual) ..................................................... 58 Procedimiento experimental (Programación por Software) ............................................ 63 Capitulo V. Práctica 3.- Variable de Presión ......................................................................... 72 Introducción ................................................................................................................... 72 Fundamento Teórico ...................................................................................................... 72 5.1 Elementos para la medición de la presión ................................................................... 72 5 Barómetro. ..................................................................................................................... 72 Manómetros:.................................................................................................................. 73 5.2 Elementos de Presión .............................................................................................. 74 5.3 Medición de presión diferencial ................................................................................ 75 5.4 Transductores de presión ........................................................................................ 77 Objetivo de aprendizaje ................................................................................................. 81 Materiales ...................................................................................................................... 81 Descripción del proceso................................................................................................. 81 Procedimiento experimental (Programación Manual) ..................................................... 82 Procedimiento experimental (Programación por Software) ............................................ 86 Conclusiones ........................................................................................................................ 93 Anexo ................................................................................................................................... 94 Bibliografía .......................................................................................................................... 108 Índice de imágenes. Figura 1.1 Equipo para el estudio de control de nivel, presión, temperatura y flujo DC-MV-200………………………………………………………………….………………10 Figura 1.2 Diagrama de Flujo de Proceso (DFP) del Equipo DC-MV-200…………...15 Figura 3.1 Intercambiador de calor…………………………………………………….…25 Figura 3.2 Diagrama de flujo de un intercambiador de calor…………………………..26 Figura 3.3 Loop de control………………………………………………………………....27 Figura 3.4 Sensor electrónico de flujo tipo turbina………………………………………28 Figura 3.5 Controlador lógico programable del equipo DC-MV-200…………………..36 Figura 4.1 Sensor de tipo flotador……………………………………………………..….47 Figura 4.2 A…………………………………………………………………………….…....48 Figura 4.3 B Instrumentos de medida directa de nivel……………………………...….59 Figura 4.4 Tubo Venturi…………………………………………………………………....50 Figura 4.5 Tubo Pitot…………………………………………………………………..…...51 Figura 4.6 Medidor de codo…………………………………………………………..…...52 Figura 4.7 Medidor de velocidad de flujo…………………………………………….…..53 Figura 4.8 Medidor de flujo tipo turbina…………………………………………..….…..53 Figura 4.9 Rotámetro…………………………………………………………………....….54 Figura 4.10 Pantalla Principal……………………………………………………………..59 Figura 4.11 Lazos: Flujo, Presión, Nivel y Temperatura………………………………..60 Figura 4.12 Control de Loop de Flujo……………………………………………………..61 Figura 4.13 Tablero…..……………………………………………………………………..63 Figura 4.14 Captura de información del controlador……………………………………64 Figura 4.15 Opciones Principales…………………………………………………………65 6 Figura 4.16…………………………………………………………………………………..66 Figura 5.1 Barómetro………………………………………………………………….……69 Figura 5.2 Manómetro de tubo en U………………………………………………….…..70 Figura 5.3 Manómetro inclinado………………………………………………….…….…70 Figura 5.4 Elementos de presión……………………………………………………….....71 Figura 5.5 Manómetro de mercurio para medir la presión diferencial…………….......72 Figura 5.6 Medidor de presión diferencial tipo campana………………………….……73 Figura 5.7 Medidor electromecánico de presión por inductancia………………..….…74 Figura 5.8 Transductor tipo capacitativo………………………………………………….75 Figura 5.9 Transductor piezoeléctrico…………………………………………………….76 Figura 5.10 Pantalla Principal……………………………………………………………..82 Figura 5.11 Lazos: Flujo, Presión, Nivel y Temperatura………………………………..83 Figura 5.12 Control de Loop de Presión……………………………………………..…..85 Figura 5.13 Captura de información del controlador……………………………………86 Figura 5.14 Opciones Principales…………………………………………………………87 Figura 5.15…………………………………………………………………………………..87 7 Introducción El presente trabajo se propone como un apoyo hacia el docente, para el desarrollo del conocimiento de los estudiantes de la Facultad de Ciencias Químicas, siendo un manual para realizar prácticas con el equipo adquirido por esta facultad llamado DCMV-200, equipo para estudio de control de presión, nivel, temperatura y flujo; específicamente para la experiencia educativa de “ingeniería de control”. Existe una gran diversidad de procesos industriales, pero en general, todos tienden a tener en común, que se requiere controlar y mantener constantes algunas magnitudes, como son: la temperatura, la presión, el flujo, etc. El sistema de control para estas magnitudes se puede definir como: Un sistema que compara el valor de una variable a controlar con un valor deseado y cuando existe una desviación, efectúa una acción de corrección sin que exista intervención humana. Los procesos son muy variados y abarcan distintos tipos de productos: La fabricación de los productos derivados del petróleo, de los productos alimenticios, la industria cerámica, las centrales generadoras de energía, la siderurgia, los tratamientos térmicos, la industria papelera, la industria textil, etc. A lo largo del tiempo, la operatoria de los procesos se ha ido desarrollando de una manera muy compleja lo cual ha exigido la automatización progresiva por medio de los instrumentos de medición y control. Gracias a éstos, la función del personal de campo ha pasado de ser presencial y física, a sólo de vigilancia y supervisión del proceso. También, ha sido posible fabricar productos complejos en condiciones estables de calidad y de características, condiciones que al operatorio le serían imposibles de conseguir, realizando exclusivamente un control manual. Los sistemas de control industrial pueden ser operados como sistemas de lazo abierto o sistemas de lazo cerrado, (procesos continuos o procesos discontinuos). En general, en ambos deben mantenerse las variables (presión, caudal, nivel, temperatura, etc.), bien en un valor deseado fijo, bien en un valor variable con el tiempo de acuerdo con una relación predeterminada, o bien guardando una relación determinada con otra variable. 8 En el primer capítulo habrá una descripción detallada del equipo DC-MV-200, con ayuda de los datos que otorga la compañía que lo fabrica, utilizando también diagramas de flujo. En el segundo capítulo se explicarán las consideraciones técnicas para las prácticas específicamente de flujo y presión; el manejo general del equipo, las normas de seguridad a seguir, consideraciones de pre-arranque y de paro del equipo. A partir del tercer capítulo se describirán a detalle las prácticas que llevarán a cabo los alumnos de la Facultad de Ciencias Químicas enfocadas en el área de flujo y presión con el equipo DC-MV-200, donde se incluirá el fundamento teórico de cada una, relacionados con el control de procesos y su dinámica de control así como las características de un sistema de control para entender los conceptos que se utilizarán en las prácticas. 9 Justificación Es muy importante establecer la información en los manuales los cuáles son guías básicas para realizar cada una de las actividades o prácticas que se buscan desarrollar. Se debe dejar en claro la relevancia de especificar todas y cada una de las operaciones a realizar en los ejercicios que se llevarán a cabo con éste equipo, que como su nombre lo dice ayuda con el entendimiento y estudio del control de presión, nivel, temperatura y flujo; todos temas muy importantes para varias experiencias educativas de las carreras que imparte la facultad. Cabe resaltar que a lo largo de los años se ha planteado un debate y demanda por la calidad de la educación superior y como alumnos tenemos conocimiento de que el área practica es la más importante a la hora de aprender, es de experiencia personal que a la gran mayoría de los estudiantes se le dificulta más aprender de la teoría que de la práctica y que esos conocimientos son primordiales para el desempeño laboral. El hecho de desarrollar las habilidades de seguir los pasos para aprender a utilizar y manejar equipos, sea cual sea. Es así, que la universidad como lugar privilegiado en la producción del conocimiento, precisa el ampliar la conceptualización de la relación teoría-práctica. Por ello es preciso comprender la importancia de integrar los conocimientos previos, y de reforzar aquellos necesarios que permitan analizar el tema en estudio y su relación con lo cotidiano. También, es indispensable la descripción clara de los procedimientos de trabajo a fin de alcanzar los objetivos. En toda actividad práctica no hay que olvidar la necesidad de seguir las medidas de seguridad e inculcar una cultura de protección frente a los riesgos. El objetivo del trabajo es realizar un Manual de prácticas del equipo “DC-MV-200 para el estudio de Control, Nivel, Temperatura y Flujo” para reforzar el conocimiento de la experiencia educativa de “ingeniería de control” de los alumnos de la Facultad de Ciencias Químicas. 10 Capítulo I. Descripción del equipo DC-MV-200 El equipo DC-MV-200 que fue adquirido por la Facultad de Ciencias Químicas con fines meramente prácticos y de enseñanza cuenta con una unidad piloto completamente instrumentada escala laboratorio, que está montada sobre una estructura en perfil de aluminio reforzado tipo industrial y cuenta con ruedas para su fácil manejo y transporte. Está compuesto de una unidad de proceso y un gabinete de control, ambas unidades están interconectadas entre sí formando una sola instalación. Tiene un tanque de alimentación de agua al sistema, fabricado en HDPE con capacidad de 20 litros. Una bomba centrifuga para alimentación de agua en circuito cerrado de 0.5 HP de potencia. Esta cuenta con una válvula, tubería y accesorios, fabricados en PVC cedula 80. Un divisor en Tee para selección de tanque de control. El tanque de control uno está fabricado en material transparente, cilíndrico de 15 litros de capacidad, un diámetro nominal DN 8 inch, y con una altura de 45 cm. Tiene un sistema inferior y superior de bridas, sellos y tapas, con una tubería de alimentación de agua fabricada en PVC cédula 80, tubería de alimentación de aire comprimido fabricada en acero inoxidable. Una válvula de regulación de flujo de entrada de aire comprimido para perturbar el sistema, tipo aguja fabricada en acero inoxidable de acuerdo con los requerimientos de la Norma PED 97/23/EC (ISO9001:2008 -BMT CO., LTD). También una válvula de seguridad para rompimiento de presión en tanque. Y una válvula de regulación manual de flujo de salida de agua de tanque, o válvula de drenado del tanque. Así como tubería y accesorios de salida de agua de tanque fabricados en PVC cédula 80. 11 Fig.1.1 Equipo para el estudio de control de nivel, presión, temperatura y flujo, DC-MV.200 El equipo tiene un rotámetro para medición de flujo de agua con válvula de regulación manual para perturbar el sistema en el tanque de control uno, con un rango de 100 a 1000 LPH. 12 Tiene un sensor electrónico de flujo tipo turbina para el lazo de control en el tanque uno, colocado sobre la línea de alimentación de agua, con las uniones y conexiones necesarias. Señal de salida hacia controlador de 4-20 mA. Controlador con indicador digital tipo PID para el lazo de control de flujo, en cumplimiento a lo dispuesto por las normas USA-UL 1092, UL 916, QUXY –File E67237, CSA Spec 142 – File E67237: Pending así como NEMA 3 (WEST Instruments), montado sobre el gabinete de control. Ajuste del set-point, entrada de señal universal, dos señales de salida y menú de configuración manual. Señal de salida a la interfase y software de adquisición de datos. Tiene un convertidor de señal eléctrico para el lazo de control de flujo, colocado en el gabinete de control. Tiene una válvula de control para lazo de control de flujo de agua en tanque uno, con operación del vástago de apertura y cierre por acción eléctrica, configuración local para válvula normalmente abierta (NO) y normalmente cerrada (NC); Colocada sobre la línea de proceso con conexiones y uniones necesarias. Cuenta con un sensor electrónico de presión para lazo de control en el tanque uno, con uniones y conexiones necesarias. Señal de salida hacia controlador de 4-20 mA. Controlador con indicador digital tipo PID para el lazo de control de presión, en cumplimiento a lo dispuesto por las normas USA-UL 1092, UL 916, QUXY –File E67237, CSA Spec 142 – File E67237: Pending así como NEMA 3 (WEST Instruments), montado sobre el gabinete de control. Ajuste del set-point, entrada de señal universal, dos señales de salida y menú de configuración manual. Señal de salida a interfase y software de adquisición de datos. Una válvula de bola fabricada en acero inoxidable para perturbación y rompimiento manual de presión en tanque de control uno. Y una válvula de control para lazo de control de presión en tanque uno, con operación del vástago de apertura y cierre por acción eléctrica, configuración local para válvula normalmente abierta (NO) y normalmente cerrada (NC). Colocada sobre tubería de proceso de control de aire comprimido con conexiones y uniones necesarias. 13 El tanque de control dos; está fabricado en material transparente cilíndrico de 15 litros de capacidad, tiene un diámetro nominal DN 8 inch, la altura del tanque es de 45 cm. Tiene un sistema inferior y superior de bridas, sellos y tapas, con tubería de alimentación de agua fabricada en PVC cédula 80. Serpentín de inmersión fabricado en acero inoxidable para el calentamiento de agua en el tanque de control dos, de acuerdo con los requerimientos de la Norma PED 97/23/EC (ISO-9001:2008 -BMT CO.,LTD). Agitador para el tanque de control dos, acoplado a un motor de corriente directa con tarjeta electrónica que permite la variación de la velocidad de agitación. Y una válvula de drenado del tanque con su respectiva tubería y accesorios de salida de agua de tanque fabricados en PVC cédula 80. Tiene un rotámetro para la medición de flujo de agua con una válvula de regulación manual para perturbar el sistema en el tanque de control dos, con un rango de 100 a 1000 LPH. El sistema de calentamiento para el tanque de control dos, está conformado por una unidad de calentamiento de fluido térmico para serpentín de inmersión, con resistencia de calentamiento y bomba de circulación. Con funcionamiento en el circuito cerrado. Controlador integrado tipo PID de la temperatura de calentamiento con ajuste y configuración local. Perturbación de la temperatura de circulación de fluido por serpentín en el tanque de control. Tubería de fluido térmico fabricada en acero inoxidable. El sistema de by-pass para el lazo de control de temperatura, cuenta con válvulas, tubería y accesorios fabricados en PVC cedula 80. Posee un sensor de temperatura tipo sonda de platino Pt-100, de tres hilos para el lazo de control, en cumplimiento a lo dispuesto por las normas USA-UL 1092, UL 916, QUXY –File E67237, CSA Spec 142 – File E67237: Pending así como NEMA 3 (WEST Instruments). Colocado en el interior del tanque de control dos. Señal de salida de 100 ohm. 14 Así como un controlador con indicador digital tipo PID, para el lazo de control de temperatura, en cumplimiento a lo dispuesto por las normas USA-UL 1092, UL 916, QUXY – File E67237, CSA Spec 142 – File E67237: Pending así como NEMA 3 (WEST Instruments), montado sobre gabinete de control. Ajuste del set-point., entrada de señal universal, dos señales de salida y menú de configuración manual. Señal de salida a la interfase y software de adquisición de datos. El equipo cuenta con un convertidor de señal eléctrico para el lazo de control de temperatura, colocado en el gabinete de control. Una válvula de control para lazo de control de temperatura, asociada al flujo de alimentación de agua al tanque dos, con operación del vástago de apertura y cierre por acción eléctrica, configuración local para válvula normalmente abierta (NO) y normalmente cerrada (NC). Colocada sobre la línea de proceso con conexiones y uniones necesarias. Cuenta con un sensor integrado a un controlador electrónico digital de nivel para lazo de control, con indicador local, manipulación y configuración en sitio. Ajuste del setpoint, alimentación 24 VCD, cuatro señales de salida y se encuentra montado en el tanque de control dos. Una electroválvula de acción tipo ON-OFF para control de nivel de agua del tanque de control dos, colocada sobre la línea de salida del tanque con conexiones y uniones necesarias. Una válvula de regulación manual de flujo de salida de agua de tanque de control dos para la perturbación de nivel. Y por último tubería y accesorios de salida de tanque de control dos fabricados en PVC cedula 80 hacia el depósito de recuperación de agua. 15 1.1 Descripción General del Equipo Gabinete de Control. Tipo industrial NEMA 4X. Botones con indicador luminoso verde para puesta en marcha de la bomba, (Sistema de calentamiento y agitador). Botones con indicador luminoso rojo para el paro de bomba, (Sistema de calentamiento y agitador). Contactores de protección y arranque para todos los motores. Portafusibles de protección. Fuente convertidora de voltaje. Indicador luminoso amarillo de tablero energizado. Paro de emergencia tipo hongo de media vuelta. Cableado por medio de canaleta y con número de identificación. Componentes eléctricos montados sobre riel. De acuerdo con la norma: CAN/CSA-C22.2 No. 14-10 (Legrand). De acuerdo con la norma: CAN/CSA-C22.2 No. 94-M91 (Legrand). Software de adquisición de datos Disco de instalación. El software permite la visualización, monitoreo y adquisición de datos del procesos en tiempo real. Biblioteca virtual con información teórica de los distintos procesos. Pantalla amigable al usuario. Los datos adquiridos pueden ser exportados a hojas de cálculo como Excel. Dimensiones aproximadas del equipo Largo: 180 cm. Profundidad: 70 cm. Altura: 200 cm. 16 1.2 Diagrama de Flujo de Proceso (DFP) del Equipo DC-MV-200 17 Capítulo II. Consideraciones Técnicas para las Prácticas de Flujo y Presión Seguridad e higiene son los procedimientos, técnicas y elementos que se aplican en los centros de trabajo y laboratorios, para el reconocimiento, evaluación y control de los agentes nocivos que intervienen en los procesos y actividades, con el objeto de establecer medidas y acciones para la prevención de accidentes o enfermedades, a fin de conservar la vida, salud e integridad física de las personas, así como evitar cualquier posible deterioro al lugar. A continuación se enumeran algunas normas que se deben de acatar dentro del laboratorio cuando se esté manejando el equipo. Todas las actividades que se realicen con este equipo deberán estar supervisadas por el personal responsable. Siempre que el equipo se opere es necesario revisar que la puerta del gabinete de control se encuentre cerrada. Si hay necesidad de abrirla, el gabinete debe estar desenergizado. Asegurarse que esté debidamente conectado el equipo a la toma del laboratorio. Voltaje 120 VAC. Es obligatorio que todos los operadores sigan las normas de seguridad e higiene indicadas en el reglamento interno del laboratorio. Debe revisarse que la estructura del equipo esté fija con los frenos puestos colocados en las llantas. 18 Asegurarse de alinear las válvulas del sistema antes de arrancar el equipo. Si no se tiene conocimiento de algún componente interno del gabinete no intente retirarse. Unidad de calentamiento La unidad de calentamiento puede causarle quemaduras. Nunca deberá prenderse la unidad sin supervisión. Por ningún motivo debe tocarse el líquido de calentamiento de la tina mientras esté operando. Para poder cambiar el líquido; este debe estar a temperatura ambiente. 2.1 Operación del equipo Servicios auxiliares 1. Verificar que el equipo se encuentre conectado a 120 VAC, a una fase. 2. Verificar que la protección de corriente del equipo sea superior a 32 A. 3. Verificar la disposición del drenaje. 4. Verificar que se tenga suministro de agua de la red. 5. Verificar que se tenga suministro de aire de la red. 19 6. Verificar que esté conectada la computadora para el software de control y adquisición de datos. Energizado del gabinete de control 7. Asegurarse que se encuentra cerrada la puerta del gabinete de control. 8. Asegurarse que el botón tipo hongo de paro de emergencia de media vuelta esté en la posición adecuada, es decir, no presionado; de lo contrario dar media vuelta para liberarlo. 9. Verificar que el switch del protector termo magnético se encuentre hacia arriba. 10. Verificar que el guardamotor mantenga presionado el botón ON (en color negro). 11. Colocar el interruptor general en la posición ON, con esto se energizará el botón luminoso del tablero, los indicadores de los controladores y los botones rojos de paro de los componentes. Fig. Interruptor General (ON) y paro de emergencia. (Equipo DC-MV-200) 20 Alineación del equipo 12. Antes de arrancar el equipo es necesario revisar que la alineación de válvulas sea correcta para el módulo de control que se vaya a operar. 13. Asegurarse que todas las válvulas de drenado de los tanques se encuentren cerradas. 14. Al tanque de alimentación se conecta la toma de agua, tiene un sensor de nivel para garantizar que el tanque esté lleno durante la operación. 15. Para todos los estudios de control, asegurarse que la válvula previa a la succión de la bomba se encuentre abierta. 16. Abrir la válvula de By Pass (a la descarga de la bomba) y cerrarla tanto como demande la experimentación. 17. La línea de entrada al tanque de alimentación tiene una electroválvula que permanecerá abierta para permitir el llenado del tanque. Esta se cerrará cuando el agua haya llegado hasta la posición del electronivel. Con esto se garantiza que el tanque siempre va a tener un nivel adecuado. 21 Fig. Tablero Encendido. (Equipo DC-MV-200) 18. Si se va a estudiar el control de flujo, debe permanecer abierta la válvula de regulación de la línea de alimentación a tanque 1 (lado derecho), y abierta; ya sea la válvula para drenado del tanque o la válvula de regulación para circulación hacia el tanque de alimentación. Todas las demás deben permanecer cerradas. 19. Si se va a estudiar el control de presión, debe permanecer abierta la válvula de regulación de la línea de alimentación a tanque 1 (lado derecho), y abierta; ya sea la válvula para drenado del tanque o la válvula de regulación para circulación hacia el tanque de alimentación. Esto si se va a generar presión mediante la formación de un “colchón de aire”. Si se va a generar presión mediante aire comprimido. Las válvulas de salida del tanque deben permanecer cerradas; asegurarse que esté conectada una 22 manguera para suministro de aire en el conector rápido en la tapa del tanque. Abrir la válvula de regulación (acero inoxidable) paulatinamente para permitir la entrada de aire al tanque. Todas las demás válvulas deben permanecer cerradas 20. Si se va a estudiar el control de temperatura, debe permanecer abierta la válvula de regulación de la línea de alimentación al tanque 2 (lado izquierdo), y abiertas las válvulas de la línea donde se encuentra la válvula de control. La válvula de descarga de ese tanque debe permanecer cerrada. Todas las demás válvula deben permanecer cerradas. 21. Si se va a estudiar el control de nivel (ON-OFF), debe permanecer abierta la válvula de regulación de la línea de alimentación al tanque 2 (lado izquierdo), y cerrada la válvula de drenado de ese tanque. El sensor de nivel mandará una señal a la válvula de solenoide (válvula color verde, en la salida del tanque) cuando haya alcanzado el nivel programado, abriendo esta. La válvula de solenoide se cerrará cuando el nivel bajo, programado en el sensor se haya alcanzado. Todas las demás válvulas deben permanecer cerradas. Equipo en operación 22. Para los controles de flujo, temperatura y presión es necesario establecer un set point desde el software de control y adquisición de datos. 23. La variación de la banda proporcional y constantes derivativa e integral también se varían en el software 24. Abrir la válvula de regulación dependiendo del circuito a trabajar. 25. Antes de alimentar agua y aire, colocar el set point correspondiente mediante indicador según parámetro a trabajar. 23 26. Alimentar aire al primer tanque y regular con la válvula de aguja. Fig. Tablero, bomba encendida. (Equipo DC-MV-200) Control de presión 27. Alimentar agua por la línea del segundo rotámetro. 28. Verificar que la válvula de desfogue se encuentre cerrada. 29. Verificar que la válvula del aire esté abierta. 30. Colocar el set point de la presión en el indicador adecuado. 31. Registrar los valores en el manómetro hasta tener la presión ajustada. 24 Control de nivel 32. Alimentar agua a través del primer rotámetro. 33. Colocar el rango de operación. 34. Abrir la válvula del by-pass de descarga a tanque. 35. Visualizar el nivel con las regletas que se encuentran dentro de los tanques. Control de flujo 36. Alimenta agua al equipo por medio de la línea del segundo rotámetro. 37. Regular la descarga del 1er tanque para que no haya desbordamiento o vaciado del mismo. 38. Es posible obtener el flujo de dos maneras, observarlo mediante el rotámetro o tomar mediciones del volumen que se descarga en uno de los tanques en un determinado tiempo y registrarlos y la relación entre ellos será el flujo. 25 Fig. Tanque de control uno en operación. (Equipo DC-MV-200) Control de temperatura 39. Alimentar agua en el primer rotámetro. 40. Alimentar a través del by-pass el segundo tanque hasta tener un nivel adecuado. 41. Iniciar el calentamiento con el gabinete, encendiendo la tina de calentamiento. 42. Mantener bomba apagada mientras se obtiene una temperatura mayor a la del set point. 26 43. Suministrar agua de enfriamiento con bomba, cerrando el by-pass. 44. La electroválvula abrirá o cerrará hasta lograr la estabilización cerca del set point. 45. Iniciar agitación mediante el gabinete de control y la perilla correspondientes, esto para homogeneizar la temperatura en el tanque. 46. Cerciorarse de que la tina de calentamiento tenga el nivel adecuado, no hasta el desborde. 47. Verificar que la válvula del tanque de enfriamiento esté cerrada. Paro del equipo 48. Para detener la operación se debe presionar el botón rojo localizado en el gabinete de control y a su vez bajar la regulación del calentamiento mediante la perilla. 49. Si por alguna razón se tiene que detener la experimentación de emergencia debe presionarse el hongo de paro de emergencia y automáticamente todos los componentes que estén funcionando dejaran de hacerlo. 50. Una vez terminada la experimentación, y los componentes hayan sido apagados se debe colocar el interruptor general en la posición OFF. Con esto deben quedar apagados tanto los indicadores como los botones del gabinete. 27 2.2 Mantenimiento y limpieza El Programa o Plan de Mantenimiento Preventivo se trata de la descripción detallada de las tareas de Mantenimiento Preventivo asociadas a un equipo o máquina, explicando las acciones, plazos y recambios a utilizar; en general, hablamos de tareas de limpieza, comprobación, ajuste, lubricación y sustitución de piezas. Para una mayor durabilidad del equipo se recomienda tener en cuenta estos puntos: Es recomendable limpiar el equipo una vez que se ha terminado la experimentación. El equipo requiere poco mantenimiento y la limpieza es realmente fácil. En general los componentes de la unidad son de tipo industrial y no requieren de mantenimiento en un periodo largo de tiempo. La limpieza exterior se puede hacer con un trapo húmedo, generalmente lo que es necesario remover es simplemente polvo. No limpiar con solventes. GABINETE DE CONTROL: Cada vez que sea necesaria una revisión eléctrica, es indispensable estar seguros que el cuadro de control se encuentra NO ENERGIZADO. Colocar el interruptor general en OFF. Bajar la pastilla de alimentación principal localizada en el tablero de distribución eléctrica del laboratorio. 28 Capitulo III. Práctica 1: Identificación de componentes, reconocimiento del equipo y de los controladores PID, PD y PI. Introducción Los instrumentos de medición y de control de procesos son partes esenciales de cualquier industria, desde la industria alimenticia hasta la de fábrica de aviones. Los avances en los dispositivos de medición y de los procesos de control han permitido mejorías esenciales en la calidad y la cantidad de servicios y beneficios para la sociedad actual. La instrumentación es la tecnología del uso de instrumentos para medición para medir y controlar las propiedades físicas y químicas de los materiales. Los instrumentos no siempre pueden medir y controlar directamente algunas variables como: la temperatura, la presión, el nivel de flujo, la humedad, la densidad, la viscosidad, etcétera, y estas variables pueden afectar los procesos. Las variables a medir se llaman variables medidas o controladas y se puede hacer con instrumentos indicadores, registradores y monitores, que deben tener lecturas que deben ser correctamente interpretadas y, eventualmente, cuando tengan errores, requerirán de ajustes. Por esta razón, la lectura y ajuste de los instrumentos de medición resulta un tema de interés para esta competencia. Se deben tener en cuenta las características generales de los instrumentos las cuales se dividen en dos categorías: Características estáticas y características dinámicas. Las características estáticas son aquellas a las cuales se refieren las variables cuando no están cambiando, por el contrario, las características dinámicas son aquellas que se aplican cuando las variables están cambiando. Las características estáticas de los instrumentos son: precisión, reproducibilidad y sensibilidad. La precisión, es la capacidad del instrumento para indicar o registrar el valor real de la variable medida. La reproducibilidad es un instrumento de medición, es 29 la capacidad del instrumento para indicar o registrar valores idénticos de la variable, medida, cada vez que las condiciones sean las mismas. La sensibilidad en un instrumento de medición es el menor cambio en el valor de la variable medida al cual los instrumentos responden. Las características dinámicas de los instrumentos son: su capacidad de respuesta a los cambios de la variable medida y la fidelidad, que es la capacidad de instrumento para indicar correctamente o registrar un cambio en el valor de la variable medida. Fundamento Teórico 3.1 Variable Controlada y Variable Manipulada. La variable controlada es el parámetro más importante del proceso, debiéndose mantener estable (sin cambios), pues su variación alteraría las condiciones requeridas en el sistema, su monitoreo a través de un sensor es una condición importante para dar inicio al control. Es decir, por ejemplo, intercambiador de calor se observa, la intención de calentar agua a través del vapor, para lo cual se debe de tener en cuenta las diversas variable de proceso como son: los flujos de vapor y agua, las presiones de vapor y las temperaturas del agua; pero, la más importante del sistema es la temperatura de salida del agua, por lo tanto la Variable Controlada, ver ejemplo figura 3.1. 30 Figura 3.1.- Intercambiador de calor. Fuente: Controles Eléctricos y Automatización Ing. Jorge Cosco Grimaney, 2008 Por lo tanto la variable manipulada es el parámetro a través del cual se debe corregir las perturbaciones del proceso, colocándose un actuador para lograr estabilizar el sistema. En el ejemplo del intercambiador de calor, quien proporciona mayor o menor cantidad de energía al sistema es el ingreso de vapor, por lo tanto la variable a manipular será el flujo de ingreso de vapor. Figura 3.2.- Diagrama de un Intercambiador de calor. Fuente: Controles Eléctricos y Automatización Ing. Jorge Cosco Grimaney, 2008 3.2 Elementos del Loop de control Es de suma importancia comprender que, en general, las partes básicas de cualquier sistema de control tendrán los mismos nombres y proporcionaran las mismas funciones en distintos tipos de sistemas de control. El elemento primario de medición, los transductores, el transmisor, el controlador o registrador y el elemento final de control, son quizás las partes más importantes de un sistema de control industrial, se usan tanto en los sistemas de control de procesos como en el control de motores y los sistemas de control de movimiento, éstos se pueden encontrar virtualmente en cada sistema, debido a que proporcionan retroalimentación acerca de lo que el sistema está haciendo o qué 31 tan bien lo hace. A continuación en la siguiente figura se muestran las variables que pueden intervenir en un proceso de control: Figura. 3.3 Loop de Control (Harper, 2004) Elemento primario de medición. El elemento primario de medición (sensor): se define como un dispositivo que es sensible al movimiento, calor, luz, presión, energía eléctrica, magnética u otro tipo de energía. Transductores. Los transductores se definen como dispositivos que pueden recibir un tipo de energía y convertirlo en otro tipo de energía, esto significa que un transductor puede incluir un sensor para sensar la cantidad de presión, un circuito para convertir la cantidad de presión a una señal eléctrica y transmitirla a un sistema de control eléctrico donde se usa en la variable del proceso de retro-alimentación. 32 Las principales formas de energía que los sensores pueden detectar se clasifican como: movimiento, temperatura, luz, presión, eléctrica, magnética, química y nuclear. Figura 3.4 Sensor electrónico de flujo tipo turbina (Equipo DC-MV-200) Transmisor Un transmisor es un dispositivo que puede convertir una señal muy pequeña a una señal más usable, los transmisores para los sensores usados en señales de retroalimentación industrial deben típicamente convertir señales eléctricas muy pequeñas, tales como: microvolts (𝛍V), milivolts (mV), miliamperes (mA) o frecuencia en señales mayores de voltaje, corriente o frecuencia, tales como: 0-10 volts ó 4-20 mA. El transmisor generalmente usa dispositivos tales como los amplificadores operacionales para amplificar y linealizar la señal de salida. Controlador. 33 Los controladores leen la señal de medida, comparan la variable medida con la deseada (punto de consigna) para determinar el error, y estabilizan el sistema realizando el ajuste necesario para reducir o eliminar el error. En los sistemas industriales, el controlador puede actuar de acuerda con los tipos de sistemas de control siguientes: Elemento final El elemento final de control es un mecanismo que altera el valor de la variable manipulada en respuesta a una señal de salida desde el dispositivo de control automático; típicamente recibe una señal del controlador puede ser una válvula de control, variadores de frecuencia y motores eléctricos, una servo válvula, un relé, elementos de calefactores de carácter eléctrico o un amortiguador. El elemento final de control consta generalmente de dos partes: Un actuador que convierte la señal del controlador en un comando para el dispositivo manipulador. Un mecanismo para ajustar la variable manipulada. En los procesos industriales la válvula de control juega un papel muy importante en el bucle de regulación. Realiza la función de variar el caudal del fluido de control que modifica a su vez el valor de la variable de medida comportándose como un orificio de área continuamente variable. Dentro del bucle de control tiene tanta importancia como el elemento primario, el transmisor y el controlador. 3.3 Tipos de control Control Proporcional Integral Derivativo 34 Un PID (Proporcional Integral Derivativo) es un mecanismo de control por realimentación que se utiliza en sistemas de control industriales. Un controlador PID corrige el error entre un valor medido y el valor que se quiere obtener calculándolo y luego sacando una acción correctora que puede ajustar al proceso acorde. El algoritmo de cálculo del control PID se da en tres parámetros distintos: el proporcional, el integral, y el derivativo. El valor Proporcional determina la reacción del error actual. El Integral genera una corrección proporcional a la integral del error, esto nos asegura que aplicando un esfuerzo de control suficiente, el error de seguimiento se reduce a cero. El Derivativo determina la reacción del tiempo en el que el error se produce. La suma de estas tres acciones es usada para ajustar al proceso vía un elemento de control como la posición de una válvula de control o la energía suministrada a un calentador, por ejemplo. Ajustando estas tres constantes en el algoritmo de control del PID, el controlador puede proveer un control diseñado para lo que requiera el proceso a realizar. La respuesta del controlador puede ser descrita en términos de respuesta del control ante un error, el grado el cual el controlador llega al "set point", y el grado de oscilación del sistema. Nótese que el uso del PID para control no garantiza control óptimo del sistema o la estabilidad del mismo. Algunas aplicaciones pueden solo requerir de uno o dos modos de los que provee este sistema de control. Un controlador PID puede ser llamado también PI, PD, P o I en la ausencia de las acciones de control respectivas. Los controladores PI son particularmente comunes, ya que la acción derivativa es muy sensible al ruido, y la ausencia del proceso integral puede evitar que se alcance al valor deseado debido a la acción de control. Funcionamiento Para el correcto funcionamiento de un controlador PID que regule un proceso o sistema se necesita, al menos: 35 Un sensor, que determine el estado del sistema (termómetro, caudalímetro, manómetro, etc). Un controlador, que genere la señal que gobierna al actuador. Un actuador, que modifique al sistema de manera controlada (resistencia eléctrica, motor, válvula, bomba, etc). El sensor proporciona una señal analógica o digital al controlador, la cual representa el punto actual en el que se encuentra el proceso o sistema. La señal puede representar ese valor en tensión eléctrica, intensidad de corriente eléctrica o frecuencia. En este último caso la señal es de corriente alterna, a diferencia de los dos anteriores, que son con corriente continua. El controlador lee una señal externa que representa el valor que se desea alcanzar. Esta señal recibe el nombre de punto de consigna (o punto de referencia), la cual es de la misma naturaleza y tiene el mismo rango de valores que la señal que proporciona el sensor. Para hacer posible esta compatibilidad y que, a su vez, la señal pueda ser entendida por un humano, habrá que establecer algún tipo de interfaz (HMI-Human Machine Interface), son pantallas de gran valor visual y fácil manejo que se usan para hacer más intuitivo el control de un proceso. El controlador resta la señal de punto actual a la señal de punto de consigna, obteniendo así la señal de error, que determina en cada instante la diferencia que hay entre el valor deseado (consigna) y el valor medido. La señal de error es utilizada por cada uno de los 3 componentes del controlador PID. Las 3 señales sumadas, componen la señal de salida que el controlador va a utilizar para gobernar al actuador. La señal resultante de la suma de estas tres se llama variable manipulada y no se aplica directamente sobre el actuador, sino que debe ser transformada para ser compatible con el actuador que usemos. 36 Las tres componentes de un controlador PID son: parte Proporcional, acción Integral y acción Derivativa. El peso de la influencia que cada una de estas partes tiene en la suma final, viene dado por la constante proporcional, el tiempo integral y el tiempo derivativo, respectivamente. Se pretenderá lograr que el bucle de control corrija eficazmente y en el mínimo tiempo posible los efectos de las perturbaciones. Proporcional La parte proporcional consiste en el producto entre la señal de error y la constante proporcional como para que hagan que el error en estado estacionario sea casi nulo, pero en la mayoría de los casos, estos valores solo serán óptimos en una determinada porción del rango total de control, siendo distintos los valores óptimos para cada porción del rango. Sin embargo, existe también un valor límite en la constante proporcional a partir del cual, en algunos casos, el sistema alcanza valores superiores a los deseados. Este fenómeno se llama sobreoscilación y, por razones de seguridad, no debe sobrepasar el 30%, aunque es conveniente que la parte proporcional ni siquiera produzca sobreoscilación. Hay una relación lineal continua entre el valor de la variable controlada y la posición del elemento final de control (la válvula se mueve al mismo valor por unidad de desviación). La parte proporcional no considera el tiempo, por lo tanto, la mejor manera de solucionar el error permanente y hacer que el sistema contenga alguna componente que tenga en cuenta la variación respecto al tiempo, es incluyendo y configurando las acciones integral y derivativa. La fórmula del proporcional está dada por: Psal = Kp e(t) El error, la banda proporcional y la posición inicial del elemento final de control se expresan en tanto por uno. Nos indicará la posición que pasará a ocupar el elemento final de control. 37 Ejemplo: Cambiar la posición de la una válvula (elemento final de control) proporcionalmente a la desviación de la temperatura (variable) respeto al punto de consigna (variable deseada). Integral El modo de control Integral tiene como propósito disminuir y eliminar el error en estado estacionario, provocado por el modo proporcional. El control integral actúa cuando hay una desviación entre la variable y el punto de consigna, integrando esta desviación en el tiempo y sumándola a la acción proporcional. El error es integrado, lo cual tiene la función de promediarlo o sumarlo por un periodo de tiempo determinado; Luego es multiplicado por una constante I. I representa la constante de integración. Posteriormente, la respuesta integral es adicionada al modo Proporcional para formar el control P + I con el propósito de obtener una respuesta estable del sistema sin error estacionario. El modo integral presenta un desfasamiento en la respuesta de 90º que sumados a los 180º de la retroalimentación (negativa) acercan al proceso a tener un retraso de 270º, luego entonces solo será necesario que el tiempo muerto contribuya con 90º de retardo para provocar la oscilación del proceso (la ganancia total del lazo de control debe ser menor a 1, y así inducir una atenuación en la salida del controlador para conducir el proceso a estabilidad del mismo.) Se caracteriza por el tiempo de acción integral en minutos por repetición. Es el tiempo en que delante una señal en escalón, el elemento final de control repite el mismo movimiento correspondiente a la acción proporcional. El control integral se utiliza para obviar el inconveniente del offset (desviación permanente de la variable con respeto al punto de consigna) de la banda proporcional. 38 La fórmula del integral está dada por: ∫ ( ) Ejemplo: Mover la válvula (elemento final de control) a una velocidad proporcional a la desviación respeto al punto de consigna (variable deseada). Derivativo La acción derivativa se manifiesta cuando hay un cambio en el valor absoluto del error; (si el error es constante, solamente actúan los modos proporcional e integral). El error es la desviación existente entre el punto de medida y el valor consigna, o "Set Point". La función de la acción derivativa es mantener el error al mínimo corrigiéndolo proporcionalmente con la misma velocidad que se produce; de esta manera evita que el error se incremente. Se deriva con respecto al tiempo y se multiplica por una constante D y luego se suma a las señales anteriores (P+I). Es importante adaptar la respuesta de control a los cambios en el sistema ya que una mayor derivativa corresponde a un cambio más rápido y el controlador puede responder acordemente. La fórmula del derivativo está dada por: El control derivativo se caracteriza por el tiempo de acción derivada en minutos de anticipo. La acción derivada es adecuada cuando hay retraso entre el movimiento de la válvula de control y su repercusión a la variable controlada. Cuando el tiempo de acción derivada es grande, hay inestabilidad en el proceso. 39 Cuando el tiempo de acción derivada es pequeño la variable oscila demasiado con relación al punto de consigna. Suele ser poco utilizada debido a la sensibilidad al ruido que manifiesta y a las complicaciones que ello conlleva. El tiempo óptimo de acción derivativa es el que retorna la variable al punto de consigna con las mínimas oscilaciones. Ejemplo: Corrige la posición de la válvula (elemento final de control) proporcionalmente a la velocidad de cambio de la variable controlada. La acción derivada puede ayudar a disminuir el rebasamiento de la variable durante el arranque del proceso. Puede emplearse en sistemas con tiempo de retardo considerables, porque permite una repercusión rápida de la variable después de presentarse una perturbación en el proceso. Otro tipo de controlador que se estará ocupando en este equipo y es de suma importancia mencionar es el Controlador Lógico Programable. 3.4 Controlador Lógico Programable (PLC) Los Controladores Lógico Programables (PLC) fueron inventados como respuesta a las necesidades de la industria automotriz. Inicialmente fueron adoptados por las empresas para sustituir la lógica cableada. En 1968 GM Hydramatic (la división de transmisiones automáticas de General Motors) emitió una solicitud para realizar una propuesta que sustituyera la lógica cableada. Un controlador lógico programable (Programmable Logic Controller PLC) es un dispositivo operado digitalmente, que usa una memoria para el almacenamiento interno de instrucciones con el fin de implementar funciones específicas, tales como lógica, secuenciación, registro y control de tiempos, conteo y operaciones aritméticas, para 40 controlar a través de entradas/salidas digitales o analógicas, varios tipos de máquinas o procesos. Fig. 3.4 Controlador Lógico Programable del Equipo DC-MV-200 Los PLC´s operan de manera secuencial y cíclica, es decir, una vez finalizado el recorrido completo de un programa, comienza a ejecutar su primera instrucción. Los elementos que contiene un PLC son: 41 Unidad Central de proceso Módulos de entrada Módulos de salida Fuente de Alimentación Dispositivos periféricos Interfaces La unidad central es el “cerebro” del PLC. Este toma las decisiones relacionadas al control de la máquina o proceso. Durante su operación, el CPU recibe entradas de diferentes dispositivos de sensado, ejecuta decisiones lógicas, basadas en un programa almacenado en la memoria, y controla los dispositivos de salida de acuerdo al resultado de la lógica programada. Los módulos de entradas y salidas son la sección del PLC en donde sensores y actuadores son conectados y a través de los cuales el PLC monitorea y controla el proceso. La fuente de alimentación convierte altos voltajes de corriente de línea (115V 230V CA) a bajos voltajes (5V, 15V, 24V CD) requeridos por el CPU y los módulos de entradas y salidas. El funcionamiento del PLC es un continuo ciclo cerrado, primero el sistema operativo inicia la vigilancia de tiempo de ciclo, después el CPU escribe lo valores de imagen de proceso de las salidas en los módulos de salida, a continuación la CPU lee el estado de las entradas en los módulos de entrada y actualiza la imagen de proceso de las entradas, el CPU procesa el programa del usuario en segmentos de tiempo y ejecuta las operaciones indicadas en el programa, al final de un ciclo el sistema realiza las tareas pendientes por ejemplo carga y borrado de bloques. 42 Los PLC´s han ganado popularidad en las industrias y probablemente continuarán predominando por algún tiempo, debido a las ventajas que ofrecen [6]: Son un gasto efectivo para controlar sistemas complejos Son flexibles y pueden ser aplicados para controlar otros sistemas de manera rápida y fácil. Su capacidad computacional permite diseñar controles más complejos La ayuda para resolver problemas permite programar fácilmente y reduce el tiempo de inactividad del proceso. Sus componentes confiables hacen posible que pueda operar varios años sin fallas. Capacidad de entradas y salidas Monitoreo Velocidad de operación Están diseñados para trabajar en condiciones severas como: vibraciones, campos magnéticos, humedad, temperaturas extremas. A) Práctica de identificación de componentes Objetivo de aprendizaje Que el alumno reconozca y refuerce toda la información antes mencionada, identificando los componentes del equipo de control DC-MV-200. 43 Materiales Respectivo equipo de protección según las normas del laboratorio de operaciones unitarias. Equipo DC-MV-200. Descripción A continuación se presentan algunas fotos del equipo, debiendo colocar el nombre del accesorio correspondiente en la tabla 3.1. 44 45 46 Tabla 3.1.- Escritura de los nombres identificados en el equipo Número 1 2 3 4 5 6 7 Nombre del Accesorio Variable (mide) o función 47 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Cuestionario Listar los balances de materia y energía que puedan desarrollarse en el sistema. ¿Cuáles son las aplicaciones industriales más comunes? Relacionarlas con el sistema. B) Práctica de reconocimiento del sistema Objetivo de aprendizaje Establecer el esquema general de un sistema de control y reconocer éste en el DC-MV200. Materiales Respectivo equipo de protección según las normas del laboratorio de operaciones unitarias. Equipo DC-MV-200. 48 Descripción Identificar los componentes del equipo y responder el cuestionario siguiente: Control ON-OFF: Sensor de nivel, electroválvula de solenoide, válvula de regulación, rotámetro. Control de flujo: Sensor de flujo tipo turbina, electroválvula de control de flujo, válvula de regulación, rotámetro. Control de presión: Sensor de presión, válvula de alivio (liberadora de presión), válvula de regulación, rotámetro. Control de temperatura: Baño de calentamiento, serpentín de circulación de agua caliente, válvula de regulación, rotámetro. Elementos de medición. Componentes eléctricos y electrónicos. Válvulas de todo el sistema. 49 Cuestionario Desarrollar un diagrama de flujo de proceso del sistema. Desarrollar un diagrama de tubería e instrumentación del sistema. Listar las líneas principales del sistema. ¿Qué es un sistema de control PID? Importancia de la interpretación de las constantes en un sistema de control. ¿Cuáles son las aplicaciones industriales más comunes? Relacionarlas con el sistema. 50 Capítulo IV. Práctica 2: Variable de flujo Introducción Medición de flujo o caudal. Para medición del flujo o caudal se pueden adoptar dos métodos generales de medición, denominados volumétrico o másico. Los medidores volumétricos determinan el flujo en volumen del fluido, ya sea en forma directa por deducción (presión diferencial, área variable, velocidad, fuerza tensión inducida) o directamente (indicando el desplazamiento). Con los medidores de presión diferencial el flujo obtenido se determina con la siguiente expresión: √ Dónde: H= Diferencia de altura de presión del fluido o presión diferencial. K= Constante que depende de los diámetros de la placa y de la tubería. Fluido. Es un término que describe cualquier sustancia que fluye, los líquidos tal como el agua, los fluidos hidráulicos y los gases tales como el oxígeno o nitrógeno, son todos considerados fluidos, dado de aquellos fluyen. Los términos líquido y gases describen dos de los tres estados (sólidos, líquidos y gaseosos) de cualquier substancia. La capacidad del flujo de un fluido que fluye a través de una tubería se puede calcular con la fórmula: 51 Q= V x A Dónde: Q= Flujo del líquido a través de un tubo. V= Velocidad promedio del flujo. A= Sección transversal o área del tubo. Fundamento teórico 4.1 Sensores de flujo Muchas aplicaciones industriales requieren una medición de flujo, algunas veces la medición debe ser muy exacta, tal como la medición del material que se está usando en el proceso o manufactura, de manera que se pueda determinar la cantidad total del material en bruto. 4.2 Tipos de Medidores de flujo que utilizan una caída de presión Varios tipos de medidores de flujo utilizan una caída de presión para determinar el flujo de un líquido, en estos tipos de medidores de flujo el método para crear la caída de presión tiene diferencias entre ellos de hecho, estos tipos de medidores de flujo usan realmente un sensor de presión diferencial para producir una señal eléctrica, la operación del sensor de presión es diferencial ya se ha explicado anteriormente. Medidor de flujo Venturi. Un Venturi, es el punto en un tubo que ha sido estrechado de manera que el flujo sea restringido ligeramente. En la siguiente figura se observa un puerto de alta presión que está localizado enfrente del punto donde el Venturi se ha estrechado hacia abajo y el puerto de baja presión se coloca directamente después del punto donde el tubo se 52 estrecha. El puerto de alta presión esta aprovisionado para detectar incremento de la presión del fluido, donde el mismo se incrementara ligeramente, debido a la restricción causada por el Venturi y el puerto de baja presión. Esta aprovisionado para detectar la caída de presión después que el flujo pasa por la restricción dada por el Venturi. Fig.4.4 Tubo Venturi (Harper Enríquez, 2004) Un medidor de Venturi usa una ligera restricción (un punto donde el diámetro del tubo se hace estrecho) para crear una caída de presión. Tubo de Pitot El tubo de pitot es un dispositivo que tiene dos tubos que están colocados en un flujo de fluido para detectar la caída de presión. 53 Fig. 4.5 Tubo de Pitot (Harper Enríquez, 2004) El flujo que tiene una boquilla la cual produce una caída de presión. Medidores de codo Otro método para crear una caída de presión en un sistema de fluido, es usar un codo existente en un sistema de tubería, el fluido que fluye cerca del radio interior del codo tiene una presión menos que el fluido que fluye por el otro radio del codo. 54 Fig. 4.6 Medidor de Codo Los puertos de presión están localizados sobre el radio interior y el radio exterior de un codo para medir las pequeñas caídas de presión cuando el fluido fluye por el codo. Medidores de velocidad de flujo Los medidores de velocidad del flujo usan el cambio que ocurre en la velocidad cuando el flujo del fluido cambia para medir la cantidad de flujo, los medidores de velocidad se pueden usar en sistemas que no se ven afectados en forma adversa por cambios en la viscosidad. Ejemplos de medidores de velocidad del flujo son los medidores de flujo tipo turbina y los medidores de flujo electromagnéticos. En la siguiente figura, se muestra el principio de operación de cada uno de estos tipos de medidores de flujo: 55 Fig. 4.7 Medidor de velocidad de flujo (Harper Enríquez, 2004) Un medidor de flujo tipo turbina tiene un imán montado en cada extremo. Cuando el fluido fluye y pasa por la turbina se producen pulsos eléctricos. Fig. 4.8 Medidor de flujo tipo turbina (Harper Enríquez, 2004) Un medidor de flujo electromagnético no produce una obstrucción. Usa bobinas electromagnéticas para crear un campo magnético con el fluido que fluye. El fluido actúa como conductor y se induce un voltaje en el mismo, que es proporcional al flujo. 56 Rotámetro Otros dispositivos de medición de flujo son los rotámetros, los medidores de flujo electromagnéticos o los medidores de flujo tipo turbina, todos son adaptables al control de flujo, los rotámetros usados son del tipo de transmisión. Fig. 4.9 Rotámetro (Harper Enríquez, 2004) Objetivos Establecer la curva característica de control en un tanque mediante la variación de flujo de agua. Establecer un comparativo entre los controles tipo PID, PD y PI. Materiales 57 Respectivo equipo de protección según las normas del laboratorio de operaciones unitarias. Equipo DC-MV-200. Agua corriente. Descripción del proceso El tanque de alimentación suministrará agua por el sistema de tuberías del equipo mediante la bomba centrífuga. En la descarga de la bomba existe un by pass que desviará parte de la carga hacia el tanque de alimentación si esto fuera necesario. El agua pasará por la válvula de regulación donde manualmente se puede ajustar el caudal, el cual se puede medir en el rotámetro de flotador. El agua pasará después por el sensor de flujo (de tipo turbina); este sensor manda una señal electrónica hacia el controlador que se encuentra montado en el gabinete de control y éste a su vez envía una orden a la electroválvula que responderá a ésta y se ajustará en tal forma que permita el flujo que se ordene en el controlador. El agua finalmente regresa al tanque de alimentación donde será succionada nuevamente para repetir el proceso. Procedimiento experimental (Programación Manual) 1. Asegurarse que el tanque contenedor cuente con al menos un 70% de su capacidad total. 2. Asegurarse que el equipo se encuentre debidamente conectado a 220 VAC, dos fases, neutro y tierra. 58 3. Asegurarse que el botón tipo hongo de paro de emergencia se encuentre en posición adecuada, es decir, no presionado. De lo contrario dar media vuelta en el sentido que indican las flechas para liberarlo. 4. Colocar el interruptor general en posición ON. Deben estar iluminados: el controlador, el indicador luminoso de tablero energizado y el botón de paro de la bomba. 5. Cerrar la válvula de drenado del tanque de alimentación, localizada a la derecha del tanque (a menos que esté conectado al tanque de descarga del loop 2). 6. Si se requiere, abrir la válvula de by pass de la bomba. 7. Asegurarse que la válvula de regulación de flujo -diafragma- (previa al rotámetro) se encuentre abierta. 8. Asegurarse de cerrar la válvula que da paso hacia el tanque de estudio de nivel y temperatura; obligando así a que toda el agua pase por la línea de estudio de control de flujo. 9. Alimentar el agua mediante la bomba centrífuga, accionándola con el botón pulsador verde localizado en el gabinete de control. 10. Controlar y fijar un flujo mediante la válvula de regulación (previa al rotámetro). 11. El caudal en el rotámetro se mide en la parte baja de la cabeza del flotador. 12. Para utilizar el control PID es necesario hacer uso del controlador montado en el gabinete de control. La pantalla cuenta con dos displays; el de números rojos indica el valor actual de flujo. Los números verdes es el set point al que se desea llegar. 59 13. El controlador cuenta con 4 botones para su manipulación; el botón confirmar órdenes; los botones el botón o sirve para sirven para ajustar los valores necesarios y sirve para ingresar a la programación del set point y para confirmar órdenes. 14. Para fijar un set point es necesario presionar una vez el botón palabra SET; después con los botones o y aparecerá la debe ajustarse el valor deseado. Para confirmar se debe presionar nuevamente el botón . 15. Una vez que esté fijo el set point la electroválvula empezará a trabajar (abriéndose o cerrándose) hasta que llegue al set point programado. 16. La estabilización de la electroválvula está en función de los parámetros fijados para la banda proporcional (Kp), la constante de integración (Ki) y la constante derivativa (Kb). El propósito de la experimentación es manipular estas variables y obtener los tiempos de estabilización del sistema para poder trazar la gráfica de control. 17. Para variar estos parámetros es necesario entrar al menú de ajuste del controlador realizándolo en la siguiente forma: Presionar simultáneamente los botones hasta que aparezca la palabra SETP; confirmar con el botón o y e ingresar con el número 10 que es el código de acceso al ajuste. 60 18. Una vez en el menú de ajuste (setup) hay que desplazarse con hasta que se encuentren las palabras Pb_p ; Pb_s ; ArSt y rAtE. Las cuales significan Pb_p es la banda proporcional primaria; Pb_s es la banda proporcional secundaria. Ambas tienen valor establecido de 10. ArSt es la constante de tiempo de la integral y tiene por valor establecido 5. Y rAtE es la constante de tiempo derivativo con valor establecido de 1.15 19. Para variar los valores predeterminados es necesario, una vez que aparezca el parámetro que se va a variar presionar el botón y con los botones ajustar el valor que se desee. Para confirmar hay que presionar el botón después o y . 20. Para salir del menú de ajuste es necesario presionar simultáneamente los botones y hasta que se encuentre la palabra OPtr. Una vez que esta salga presionar . 21. El equipo permanecerá trabajando automáticamente hasta que llegue al set point deseado. 22. Si se desea perturbar al sistema es necesario variar manualmente el caudal mediante la válvula de diafragma. Permitir que se estabilice y seguir tomando datos experimentales. 23. Con la ayuda de un cronómetro es necesario medir el tiempo de estabilización de la electroválvula una vez que se hayan ajustado los parámetros en el controlador y comience la electroválvula a actuar. 61 24. En esta experimentación se pueden realizar control PID, PD y PI. Para ello es necesario modificar las constantes derivativa e integral en el controlador como se ha descrito en el paso 18. 62 Procedimiento experimental (Programación por Software) 1.- Preparar el equipo como se establece en la puesta a punto del sistema. 2.- Conectar mediante el cable USB el equipo DC-MV-200 al puerto de su computadora o laptop. 3.- Hacer clic en Inicio – carpeta DC-VM-200 – DCVM200. . 4.10 Pantalla Principal 63 4.11 Lazos: Flujo, Presión, Nivel, Temperatura. La pantalla de captura para la programación de los controladores y para realizar las gráficas de los mismos permite trabajar los lazos de Flujo, Presión, Nivel y Temperatura, colocando el cursos sobre cada lazo (loop). 64 4.12 Control de Loop de Flujo El lazo seleccionado aparece en pantalla mostrando los siguientes elementos: Cajas de captura de valores de Ganancia proporcional (Kc), Tiempo integral (Ti) y Tiempo Derivativo (Td) Set point 65 Frecuencia de registro Duración El botón iniciar El botón Terminar Adicionalmente se muestran dos graficos donde se observan los comportamientos de dichos controladores y el DFP del lazo seleccionado, donde se verá en tiempo real los valores alcanzados por los indicadores y el % de apertura de la válvula, como se muestra en la figura 4.13. 66 Figura 4.13 Tablero Al seleccionar el tipo de controlador, el set point y la frecuencia de registro, se procede a dar clic en el botón Inicio, para que proceda a iniciar el proceso de lectura y control del lazo seleccionado. Seguido de elegir el lazo, iniciar el equipo, previamente puesto a punto para su arranque. 67 Para terminar el proceso de captura de información del controlador, se da clic al botón Terminar, apareciendo la pantalla de captura del nombre del archivo de resultados, dichos datos se exportarán a Excel para su graficación y análisis posterior, tal y como se muestra en la figura 4.14 siguiente. 4.14 Captura de información del controlador 68 Se puede reiniciar el proceso para reconfigurar los datos de los controladores P, I, D, PI, PD, PID, el setpoint y en el caso del lazo de nivel, se puede cambiar de valvula 1 a valvula 2, ya que este es el único lazo que controla dos válvulas. Es importante no olvidar encender o apagar el equipo para evitar daños por sobrepresión o cavitación de la bomba. Pantalla principal 4.15 Pantalla Principal Al presionar el botón Menú se despliegan los siguientes botones: 1. Manual: Abre un archivo en PDF del manual del sistema. 2. Teoría: Abre un archivo explicativo de la teoría de diseño del sistema. 3. Salir: Cierra completamente la aplicación. Fallas Falla de comunicación con el dispositivo NI cDAQ. Figura 4.16 Figura 4.16 69 Solución: Verificar que el cable USB esté conectado a la computadora. Verificar que el dispositivo NI cDAQ esté encendido. Una vez revisado lo anterior volver a iniciar el programa. Llenar las siguientes tablas: Tipo de control: PID; PD, PI. Corrida Flujo (L/min) Flujo en controlador (L/min) Kp Ki Kb Banda proporcional Cte. Integral Cte. Derivativa 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Tabla. 4.1 Registro de PID, PD y PI. Si se lleva a cabo control PID; Kp, Ki y Kb tendrán el valor que se haya ajustado en el controlador. Si se lleva a cabo control PD, el valor de Ki debe ser cero. Si se lleva a cabo control PI, el valor de Kb deber ser cero. 70 Estabilización de la electroválvula Tiempo (Segundo) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Flujo (LPM) Tabla 4.2 Registro de Flujo 26. Graficar el flujo que el controlador indique en función del tiempo de estabilización. 27. Detener la alimentación del agua presionando el botón pulsador rojo de paro de la bomba localizado en el gabinete de control. 28. Una vez terminada la experimentación, se debe presionar el botón tipo hongo de paro de emergencia para interrumpir el paso de corriente eléctrica al gabinete. 29. Poner el interruptor general en posición OFF. 71 30. Se recomienda drenar el tanque de alimentación para evitar la formación de precipitados. Capitulo V. Práctica 3.- Variable de Presión Introducción La presión es una fuerza por unidad de superficie y se puede expresar en unidades tales como , , bar, atmosferas y (Pascal), el valor de presión puede ser absoluta o diferencial. Para medir la presión, se requiere de sensores de presión, este tipo de sensores es de los más útiles para aplicaciones industriales, debido a que la presión se puede convertir para determinar el nivel de un líquido en un tanque o la temperatura, además de medir la cantidad de fuerza que actúa sobre un objeto. La presión se puede usar para determinar el nivel de un fluido en un tanque o recipiente, convirtiendo la cantidad de altura de presión en la altura de una columna del líquido. La presión se puede usar también para determinar la temperatura haciendo uso de las tablas de conversión, debido a que hay una correlación directa entre temperatura y la presión de los gases confinados. En conclusión, la presión se define como la fuerza aplicada a un área, se puede definir matemáticamente como que, la presión es igual a la fuerza por unidad de área, es decir: Fundamento Teórico 5.1 Elementos para la medición de la presión Barómetro. 72 El instrumento para medir la presión barométrica es el barómetro, el barómetro más simple consiste de un tubo de vidrio largo que esta sellado de un extremo y se llena con mercurio, se invierte y se coloca en un recipiente con mercurio, el mercurio en el tubo deja un vacío sobre el mismo. La altura del mercurio en el tubo sobre el nivel del mercurio en el recipiente indica la presión atmosférica en pulgadas de mercurio. Fig. 5.1 Barómetro (Harper Enríquez, 2004) Manómetros: El dispositivo más simple para la medición de líquidos o de gases es el manómetro, la forma más sencilla es el llamado tubo U que consiste de un tubo de vidrio en forma de U y con una escala marcada en pulsadas o centímetros. Sobre la escala aparece el cero en el centro, el fluido que va dentro del tubo normalmente es mercurio aunque también puede ser agua. El líquido se vacía en el tubo hasta que alcanza la marca de cero, con ambas columnas abiertas hacia la atmosfera, el nivel del fluido permanece en cero. Cuando una línea de presión se conecta a una columna del manómetro, el fluido en la columna se ve forzado a bajar y en la otra columna se eleva, midiendo la diferencia en la altura del fluido en las dos columnas, se expresa la presión en centímetros o pulsadas del fluido. 73 Fig. 5.2 Manómetro de tubo en U (Harper Enríquez, 2004) 5.2 Elementos de Presión Hay una serie de dispositivos mecánicos los cuales están diseñados para alterar su forma cuando se aplica presión a ellos, estos dispositivos se llaman “elementos de presión de deformación elástica” y cada elemento en particular responde a un rango de presión distinto. En la tabla siguiente, se da una lista de tales elementos de presión. Tabla. 5.1 Elementos de Presión Elementos De Presión Diafragma Fuelle Cápsula Tubo de bourdon Espiral Hélice Rango Mínimo 0-2 pulg. De agua 0-5 pulg. De agua 0-1 pulg. De agua 0 a 12 lb/pulg 0 a 15 lb/pulg 0 a 50 lb/pulg Rango Máximo 0 a 400 lb/pulg 0 a 800 lb/pulg 0 a 50 lb/pulg 0 a 10000 lb/pulg 0 a 4000 lb/pulg 0 a 10000 lb/pulg 74 Fig. 5.4 Elementos de Presión (Harper Enríquez, 2004) 5.3 Medición de presión diferencial Con frecuencia es importante medir la diferencia entre dos presiones, esto se conoce como “La medición de la presión diferencial”, para registrar la presión diferencial se usa un manómetro especial de tubo y cubeta, en este tipo de instrumento el manómetro esta hecho de metal y esta fijo o cerrado en el estuche del instrumento, el movimiento del flotador se usa para accionar una aguja indicadora o una pluma registradora, además que mide la diferencia en la altura del líquido de la columna y la cubeta. El movimiento del flotador dentro de manómetro debe ser transferido al eslabón externo sin que se pierda el líquido del manómetro. El mecanismo del flotador debe ser libre de fricción y se debe fabricar con mucha precisión para proporcionar sensibilidad y precisión. 75 Fig. 5.5 Manómetro de Mercurio para medir la presión diferencial (Harper Enríquez, 2004) Para medir presión diferencial se puede usar también el manómetro tipo campana, en este tipo de manómetro una campana (o copa invertida) se encierra en un recipiente de presión y se admiten dos presiones a la campana, una al interior de la superficie y la otra a la superficie exterior. Se requiere un líquido de sellado para separar los dos fluidos de presión, una alta presión sobre el lado interior produce que la campana se eleve y una alta presión sobre la superficie exterior produce que la campana se baje, este movimiento se transfiere a brazo registrador o indicador a través de un balero de presión o algún otro dispositivo conveniente. 76 Fig. 5.6 Medidor de presión diferencial tipo campana (Harper Enríquez, 2004) 5.4 Transductores de presión Un transductor es un dispositivo que convierte un tipo de movimiento o señal en otro, por ejemplo, alguna clase de movimiento mecánico generado por fuerzas de presión se convierte en una señal eléctrica o electrónica para ser utilizada en la medición o el control. Los transductores usados para detectar presiones operan con base a los principios del extensiómetro o los transductores tipo inductivo, piezoeléctrico, capacitivo, etc. Transductores inductivos Estos transductores son unidades magnéticas que están acopladas y se pueden usar para mediciones de presiones tanto diferenciales como manométricas. El transductor básico consiste de un diafragma o algún otro tipo de propulsor magnético acoplado a un sistema balanceado de captación eléctrica que emite una salida de milivolts por volt en un puente de corriente alterna. La acción del transductor es muy similar a la 77 del flotador que se muestra en el medidor de manómetro inductivo de la siguiente figura: Fig. 5.7 Medidor Electromecánico de presión por inductancia (Harper Enríquez, 2004) Este medidor inductivo de presión es un manómetro de metal de mercurio que emplea una campana flotante para mover una varilla de hierro en forma ascendente y descendente dentro de una bobina que está dividida y que está diseñada para emitir una salida eléctrica que es proporcional al movimiento del flotador reducidos por los cambios de presión. Transductores tipo capacitivo Los transductores de tipo capacitivo para la medición de presión consisten de dos placas conductivas y un dieléctrico, funcionan basándose en el principio de que varía la capacitancia cuando se desplaza una placa de un capacitor simple, esto se logra aplicando presión a un diafragma que actúa como la placa de un capacitor; el transductor en si consiste de un diafragma que experimenta deflexiones y que sirve 78 como placa móvil, está separado de la placa fija por medio de un material dieléctrico compresible. Fig. 5.8 Transductor tipo capacitativo (Harper Enríquez, 2004) 79 Transductores piezoeléctricos Estos transductores están compuestos de materiales cristalinos que producen una señal eléctrica cuando se deforman físicamente por acción de una presión. Dos de los materiales cristalinos más importantes que se utilizan en esos transductores de presión son el cuarzo y el titanato de bario, que soportan temperaturas hasta de 120ºC (300ºF) y en servicio intermitente hasta 234ºC (450ºF). Tienen las desventajas de su sensibilidad a los cambios de temperatura, su poca adaptabilidad a aplicaciones estáticas y su alta impedancia de salida. Sus principales ventajas son su salida elevada, tamaño pequeño y construcción resistente así como alta respuesta de frecuencia. Fig. 5.9 Transductor Piezoeléctrico (Harper Enríquez, 2004) 80 Objetivo de aprendizaje Establecer la curva característica de control en un tanque mediante la variación de presión ocasionado por una columna hidrostática. Establecer un comparativo entre los controles tipo PID, PD y PI. Materiales Respectivo equipo de protección según las normas del laboratorio de operaciones unitarias. Equipo DC-MV-200. Agua corriente. Descripción del proceso El tanque de alimentación suministrará agua por el sistema de tuberías del equipo mediante la bomba centrífuga. En la descarga de la bomba existe un by pass que desviará parte de la carga hacia el tanque de alimentación si esto fuera necesario. El agua pasará por la válvula de regulación donde manualmente se puede ajustar el caudal, el cual se puede medir en el rotámetro de flotador. El control de presión se lleva a cabo mediante el suministro de agua al tanque 1, también destinado al uso del control flujo. El agua se irá depositando en el tanque el cual se encontrará con las descargas cerradas. Conforme el agua vaya subiendo de nivel se irá formando un colchón de aire que presurizará el sistema. El sensor de presión montado en la parte superior del tanque censará esa presión; el valor podrá leerse en el controlador correspondiente. Además de poder leerlo en el controlador la presión puede medirse en un manómetro de carátula relleno de glicerina. En el 81 controlador se fija la presión que se desea en el tanque. Una vez que se alcanza la presión una electroválvula permitirá la salida del aire acumulado para mantener el set point requerido. Procedimiento experimental (Programación Manual) 1. Asegurarse que el tanque contenedor cuente con al menos un 70% de su capacidad total. 2. Asegurarse que el equipo se encuentre debidamente conectado a 220 VAC, dos fases, neutro y tierra. 3. Asegurarse que el botón tipo hongo de paro de emergencia se encuentre en posición adecuada, es decir, no presionado. De lo contrario dar media vuelta en el sentido que indican las flechas para liberarlo. 4. Colocar el interruptor general en posición ON. Deben estar iluminados: el controlador, el indicador luminoso de tablero energizado y el botón de paro de la bomba. 5. Cerrar la válvula de drenado del tanque de alimentación, localizada a la derecha del tanque. 6. Si se requiere, abrir la válvula de by pass. 7. Asegurarse que la válvula de regulación de flujo -diafragma- (previa al rotámetro) se encuentre abierta. 8. Asegurarse de cerrar la válvula que da paso hacia el tanque de estudio de nivel y temperatura; obligando así a que toda el agua pase por la línea de estudio de control de flujo. 9. Alimentar el agua mediante la bomba centrífuga, accionándola con el botón pulsador verde localizado en el gabinete de control. 82 10. Controlar y fijar un flujo mediante la válvula de regulación (previa al rotámetro). 11. El caudal en el rotámetro se mide en la parte baja de la cabeza del flotador. 12. Para utilizar el control PID es necesario hacer uso del controlador montado en el gabinete de control. La pantalla cuenta con dos displays; el de números rojos indica el valor actual de flujo. Los números verdes es el set point al que se desea llegar. 13. El controlador cuenta con 4 botones para su manipulación; el botón para confirmar ordenes; los botones necesarios y el botón o sirve sirven para ajustar los valores sirve para ingresar a la programación del set point y para confirmar órdenes. 14. Para fijar un set point es necesario presionar una vez el botón la palabra SET; después con los botones o y aparecerá debe ajustarse el valor deseado. Para confirmar se debe presionar nuevamente el botón . 15. Una vez que esté fijo el set point la electroválvula empezará a trabajar (abriéndose o cerrándose) hasta que llegue al set point programado. 16. La estabilización de la electroválvula está en función de los parámetros fijados para la banda proporcional (Kp), la constante de integración (Ki) y la constante derivativa (Kb). El propósito de la experimentación es manipular estas variables y obtener los tiempos de estabilización del sistema para poder trazar la gráfica de control. 83 17. Para variar estos parámetros es necesario entrar al menú de ajuste del controlador realizándolo en la siguiente forma: Presionar simultáneamente los botones y hasta que aparezca la palabra SETP; confirmar con el botón e ingresar con o el número 10 que es el código de acceso al ajuste. 18. Una vez en el menú de ajuste (setup) hay que desplazarse con hasta que se encuentren las palabras Pb_p ; Pb_s ; ArSt y rAtE. Las cuales significan Pb_p es la banda proporcional primaria; Pb_s es la banda proporcional secundaria. Ambas tienen valor establecido de 10. ArSt es la constante de tiempo de la integral y tiene por valor establecido 5. Y rAtE es la constante de tiempo derivativo con valor establecido de 1.15 19. Para variar los valores predeterminados es necesario, una vez que aparezca el parámetro que se va a variar presionar el botón y con los botones ajustar el valor que se desee. Para confirmar hay que presionar el botón después o y . 20. Para salir del menú de ajuste es necesario presionar simultáneamente los botones y salga presionar hasta que se encuentre la palabra OPtr. Una vez que esta . 21. El equipo permanecerá trabajando automáticamente hasta que llegue al set point deseado. 84 22. Si se desea perturbar al sistema es necesario variar manualmente el caudal mediante la válvula de diafragma. Permitir que se estabilice y seguir tomando datos experimentales. 23. Con la ayuda de un cronómetro es necesario medir el tiempo de estabilización de la electroválvula una vez que se hayan ajustado los parámetros en el controlador y comience la electroválvula a actuar. 24. En esta experimentación se pueden realizar control PID, PD y PI. Para ello es necesario modificar las constantes derivativa e integral en el controlador como se ha descrito en el paso 18. 85 Procedimiento experimental (Programación por Software) 1.- Preparar el equipo como se establece en la puesta a punto del sistema. 2.- Conectar mediante el cable USB el equipo DC-MV-200 al puerto de su computadora o laptop. 3.- Hacer clic en Inicio – carpeta DC-VM-200 – DCVM200. . 5.10 Pantalla Principal 86 5.11 Lazos: Flujo, Presión, Nivel, Temperatura. La pantalla de captura para la programación de los controladores y para realizar las gráficas de los mismos permite trabajar los lazos de Flujo, Presión, Nivel y Temperatura, colocando el cursos sobre cada lazo (loop). 87 El lazo seleccionado aparece en pantalla mostrando los siguientes elementos: Cajas de captura de valores de Ganancia proporcional (Kc), Tiempo integral (Ti) y Tiempo Derivativo (Td) Set point Frecuencia de registro Duración El botón iniciar El botón Terminar Adicionalmente se muestran dos graficos donde se observan los comportamientos de dichos controladores y el DFP del lazo seleccionado, donde se verá en tiempo real los valores alcanzados por los indicadores y el % de apertura de la válvula, como se muestra en la figura 5.12. 88 Figura 5.12 Control de Loop de Presión Al seleccionar el tipo de controlador, el set point y la frecuencia de registro, se procede a dar clic en el botón Inicio, para que proceda a iniciar el proceso de lectura y control del lazo seleccionado. Seguido de elegir el lazo, iniciar el equipo, previamente puesto a punto para su arranque. 89 Para terminar el proceso de captura de información del controlador, se da clic al botón Terminar, apareciendo la pantalla de captura del nombre del archivo de resultados, dichos datos se exportarán a Excel para su graficación y análisis posterior. Se puede reiniciar el proceso para reconfigurar los datos de los controladores P, I, D, PI, PD, PID, el setpoint y en el caso del lazo de nivel, se puede cambiar de valvula 1 a valvula 2, ya que este es el único lazo que controla dos válvulas. Es importante no olvidar encender o apagar el equipo para evitar daños por sobrepresión o cavitación de la bomba. Pantalla principal 5.14 Pantalla Principal Al presionar el botón Menú se despliegan los siguientes botones: 1. Manual: Abre un archivo en PDF del manual del sistema. 2. Teoría: Abre un archivo explicativo de la teoría de diseño del sistema. 3. Salir: Cierra completamente la aplicación. Fallas Falla de comunicación con el dispositivo NI cDAQ. Figura 5.15 90 Figura 5.15 Solución: Verificar que el cable USB esté conectado a la computadora. Verificar que el dispositivo NI cDAQ esté encendido. Una vez revisado lo anterior volver a iniciar el programa. Llenar las siguientes tablas: Tipo de control: PID; PD, PI. Corrida Flujo (L/min) Presión en controlador ( ) Kp Ki Kb Banda proporcional Cte. Integral Cte. Derivativa 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Tabla 5.2 Registro PID, PD, PI Si se lleva a cabo control PID; Kp, Ki y Kb tendrán el valor que se haya ajustado en el controlador. Si se lleva a cabo control PD, el valor de Ki debe ser cero. Si se lleva a cabo control PI, el valor de Kb deber ser cero. 91 Estabilización de la electroválvula Tiempo (Segundo) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Presión ( ) Presión en Manómetro ( ) Tabla 5.3 Registro de Presión 26. Graficar el flujo que el controlador indique en función del tiempo de estabilización. 27. Detener la alimentación del agua presionando el botón pulsador rojo de paro de la bomba localizado en el gabinete de control. 28. Una vez terminada la experimentación, se debe presionar el botón tipo hongo de paro de emergencia para interrumpir el paso de corriente eléctrica al gabinete. 29. Poner el interruptor general en posición OFF. 92 30. Se recomienda drenar el tanque de alimentación para evitar la formación de precipitados. Conclusiones A lo largo de este trabajo se ha llegado a la conclusión de que la elaboración de este manual servirá de gran ayuda para un mejor entendimiento de las variables y el aprendizaje acerca del manejo de un equipo de proceso y como controlarlo, algo importante para la vida laboral. Refuerza los conocimientos del alumno mediante la práctica no solo de ingeniería de control, sino también de experiencias educativas como: balance de materia y energía, mecánica de fluidos, dinámica y control de procesos, entre otras. Apoya al docente gracias a que podrá explicar más fácilmente algunas definiciones que no muy claras para los alumnos en la teoría con la ayuda del equipo. El desarrollo de este trabajo práctico permitirá a los docentes y alumnos de ingeniería química a poner en práctica los conocimientos teóricos de ingeniería de control, formando cuadros de profesionistas en esta área. Se fomenta con este trabajo el uso de equipos de control con tecnología PLC, aplicando los modelos PID de uso en la industria mexicana. Por último, ayuda a la reputación de la facultad ampliando el uso de los equipos para todos los alumnos de las diferentes carreras, e incluso foráneos. 93 Anexo Considérese el proceso que se muestra en la figura 3-18, en éste se tiene interés en conocer cómo responde el nivel, h(t), del líquido en el tanque a los cambios en el flujo de entrada, (t), y a los cambios en la apertura de la válvula de salida, vp(t). El flujo de líquido a través de una válvula está dado por: dónde: q(t) = flujo, gpm Cv = Coeficiente de la válvula, gpm/( ) vp(t) = Posición de la válvula. Este término representa la fracción de apertura de la válvula; si su valor es 0, eso indica que la válvula está cerrada; si su valor es 1, indica que la válvula está completamente abierta. AP(t) = Caída de presión a través de la válvula, psi. G = Gravedad específica del líquido que fluye a través de la válvula, sin dimensiones. . 94 Para este proceso, la caída de presión a través de la válvula está dada por dónde: P = presión sobre el líquido, psia = densidad del líquido, lbm/ g = aceleración debida a la gravedad, 32.2 pies/ gc = factor de conversión, 32.2 lbm-pies/lbfh(t) = nivel en el tanque, pies. = presión de salida de la válvula hacia adelante, psia En esta ecuación se supone que las pérdidas por fricci6n.a lo largo del conducto que va del tanque a la válvula son despreciables. La relación que se desea es posible obtenerla a partir de un balance de masa de estado dinámico alrededor del tanque: dónde: A = Área transversal del tanque; 7.48 = factor de conversión de gal a 95 Si se supone que la densidad de entrada es igual a la densidad de salida, se tiene: Ahora se tiene una ecuación con dos incógnitas y, por tanto, se debe encontrar otra ecuación independiente para describir el proceso; la de la válvula proporciona la otra ecuación que se requiere: Con este sistema de ecuaciones, (3-52) y (3-53), se describe al proceso. Para simplificar esta descripción se puede substituir la ecuación (3-53) en la (3-52): No es posible resolver esta ecuación de manera analítica, a causa de la naturaleza no lineal del segundo término en el lado izquierdo de la misma. La única forma de resolverla analíticamente es linealizando el término no lineal; la otra única manera de resolverla es mediante métodos numéricos (solución por computadora). A continuación se aplica la técnica expansión de series de Taylor para linealizar el término no lineal de la ecuación (3-54). Puesto que este término se debe realizar respecto a h y vp, la linealización se debe hacer alrededor de los valores h y vp, que son los valores nominales de estado estacionario: 96 Para simplificar la notación, sea: de manera que: Al substituir esta última ecuación en la ecuación (3-54), se obtiene una ecuación diferencial lineal: 97 No se debe perder de vista el hecho de que, ésta es una versión linealizada de la ecuación (3-54).Con la ecuación (3-58) se pueden obtener soluciones precisas alrededor del punto de linealización, ̅ y ̅̅̅̅; fuera de un cierto rango alrededor de este punto, termina la linealización, lo cual da lugar a resultados erróneos. Ahora que se tiene una ecuación diferencial lineal, se pueden obtener las funciones de transferencia que se desean, para lo cual se continúa con el proceso anterior. Al escribir el balance de masa de estado estacionario alrededor del tanque se ve que Al substraer esta ecuación de la (3-58) Se obtiene Y se definen las siguientes variables de desviación: Se substituyen estas variables de desviación en la ecuación diferencial linealizada y, al reordenar esta ecuación algebraicamente, se tiene: 98 dónde: = 7.48A/ , minutos K1 = 1/ pies/gpm K2 = C1/ , pies/posición de la válvula Finalmente se obtiene la transformada de Laplace a partir de la cual se obtienen las dos funciones de transferencia El lector debe comprobar por sí mismo que las unidades de la constante de tiempo y las ganancias son las correctas; también debe recordar el significado de estos tres parámetros; K1 es la ganancia o sensibilidad de (t), en relación a H(t), lo cual da la cantidad de cambio del nivel en el tanque por unidad de cambio de flujo de entrada al tanque. El cambio tiene lugar mientras se mantiene una apertura constante en la válvula de salida; K2 proporciona la cantidad de cambio de nivel en el tanque por unidad de cambio en la posición de la válvula. Nótese que el signo de la ganancia es negativo, lo cual indica que: 99 Conforme la posición de la válvula cambia positivamente y se abre la misma, el nivel cambia negativamente o cae, lo cual tiene sentido físicamente. En la figura 3-19 se muestra el diagrama de bloques de este proceso. En este ejemplo se eligió hacer la linealización del término no lineal alrededor de los valores ̅ y ̅̅̅̅, los cuales son los valores nominales de estado estacionario y forman parte de las expresiones de las ganancias y la constante de tiempo; si se elige un valor diferente del estado estacionario para la linealización, supóngase ̅ y ̅̅̅̅ , los valores numéricos de las ganancias y la constante de tiempo son diferentes. Esto indica la no linealidad del proceso, los parámetros que describen la “personalidad” del proceso son funciones del nivel de operación o condiciones de operación, lo cual difiere de lo que ocurre en los sistemas lineales, en los cuales estos parámetros son constantes, sobre todo el rango de operación. El hecho de que la mayoría de los procesos sean no lineales por naturaleza es muy importante en el control de proceso; mientras más alinea1 es un proceso, más difícil es su control. Por el momento es importante comprender el significado de las alinealidades, de dónde provienen y en qué forma afectan la personalidad del proceso. A continuación, un ejemplo utilizando datos recabados del equipo DC-MV-200 P = 14.7 psia = 62.43 lbm/ 100 g = 32.2 pies/ gc = 32.2 lbm-pies/lbf̅ = 0.74 pies. = 24.09 psia. G= 1 Cv= 4.7 gpm ̅̅̅̅= 0.5 Aplicados para las formulas: Sustituyendo: ( √ )( ( )( )( ) ) 101 = ( ( )( ( )( )( )( )( )( ( ) )( )( ) ) ) [ ] 0.045 Para obtener los valores: = 7.48A/ , minutos K1 = l/ pies/gpm K2 = C1/ , pies/posición de la válvula = 7.48 = 58.17 K1 = = 22.22 K2 = = 1159.33 Y sustituyéndolos en las formulas (3-60) y (3-61): ( ) ( ) ( ) (3-62) ( ) (3-63) ( ) ( ) Introduciendo éstos valores a Matlab obtenemos la siguiente gráfica: >> tf(22.2,[58.17 1]) 102 Transfer function: 22.2 ----------58.17 s + 1 >> tf(22.22,[58.17 1]) Transfer function: 22.22 ----------58.17 s + 1 >> g=tf(22.22,[58.17 1]) plot(g) Transfer function: 22.22 ----------58.17 s + 1 >> step(g) >> h=tf(-1159.33,[58.17 1]) 103 La cuál indica que el flujo del tanque se podrá mantener controlado en 350 segundos (de 5 a 6 minutos aproximadamente). Aplicamos éste modelo para el tanque que tenemos: 104 Así, partir de las ecuaciones anteriores se puede estimar el tipo de control (P,PI,PID) tomando en cuenta cuál sería la variable controlada y cuál la manipulada: Caso 1: Si deseamos controlar el nivel manipulando el flujo para obtener la variable proporcional tenemos que: ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )( ( ) ( ( ) ) ) Y sustituimos con los valores obtenidos en las ecuaciones (3-62) y (3-63): ( ) ( ) E introducimos lo obtenido a Matlab. Caso 2: Como el flujo es una función inversa al nivel podemos decir que la variable ( ) sería el inverso de la expresión anterior, entonces: ( ) ( ) 105 Y sustituimos: ( ) ( ) Como es el flujo lo que procuramos mantener, buscamos la solución en Matlab donde: >>num = [50.17 23.22 0 0] num = 50.1700 23.2200 0 0 >>den = [22.22] den = 22.2200 Se aplica el comando “residue” >> [ a, b, k ] = residue ( num, den ) a= [ ] b= [ ] k= 2.2579 1.0450 0 0 106 Los valores obtenidos de k son las ganancias proporcionales que se pueden ingresar al software, (de 1.0450 a 2.2579) para controlar un flujo de 5LPM a una apertura de la válvula al 50%. 107 Bibliografía Anónimo. (02 de Octubre de 2005). Textos Cientificos. Obtenido de http://www.textoscientificos.com/polimeros/polietileno/ambiental Corripio, A. B., & Smith, C. A. (1991). Control Automatico de Procesos, Teoria y Práctica. Editorial Limusa. Generatoris S.A. de C.V. . (s.f.). Manual Pedagógico, Técnico y de Uso del Equipo DC-MV200. México, DF. 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