Procedimiento para evaluar la eficiencia de los sistemas de control automático utilizados en los centrales azucareros.

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(1)Universidad de Camagüey Facultad de Electromecánica Departamento de Ingeniería Eléctrica. Procedimiento para evaluar la eficiencia de los sistemas de control automático utilizados en los centrales azucareros. Memoria escrita presentada en opción del Título académico de Máster en Eficiencia Energética. Autor: Ing. Julián Idilio Libera Hechavarría. Tutor: P. T. Ing. Milagros Diez Rodríguez, Dra. C.. Camagüey, 2016.

(2) I. PENSAMIENTO “No dudes hombre joven. No niegues, hombre terco. Estudia y luego cree.” José Martí. DEDICATORIA A mis hijos, padres y esposa.. AGRADECIMIENTOS A mi tutora Milagros Diez Rodríguez, por las horas de paciencia y a mi esposa por todo el apoyo..

(3) II. RESUMEN La memoria escrita aborda los sistemas automáticos usados en los centrales azucareros cubanos, específicamente el control y la instrumentación del proceso productivo a través de los lazos de control y variadores de frecuencia. Se desarrolla una breve explicación sobre los procesos de la fabricación de azúcar de caña, así como de las áreas que intervienen en el mismo. La investigación centra su atención en los sistemas de accionamiento eléctrico a partir del uso de los variadores de frecuencia. De igual forma se analiza la eficiencia energética alcanzada mediante el empleo de estos elementos de control. Se diseña un procedimiento para la evaluación de estos sistemas ya implementados en la fábrica, a la vez que se evalúa la eficiencia lograda por los mismos. Dicho procedimiento permite determinar el ahorro de energía que se obtendrá producto de la optimización en estos accionamientos de la industria..

(4) III. ABSTRACT The written memory goes aboard the automatic systems used in the central cuban casters, specifically the control and the instrumentation in the productive process through the ties of control and investors of frequency. A brief explanation on the processes of the manufacturing of cane sugar develops, as well as of the areas that they tap in the same. Investigation centers attention in the systems of electric drive from the use of the investors of frequency. The job of these elements of control just the same parses the attained intervening energy efficiency itself. It´s designs a procedure for the evaluation of these implemented systems at the factory, at the same time as the successful efficiency is evaluated for those systems. This procedure allows determining the energy saving that will obtain product of the optimization in these actions of the industry itself..

(5) IV. Índice INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 1 Capítulo 1. Revisión bibliográfica ....................................................................................... 3 1.1.. Los sistemas de control automático en los ingenios azucareros cubanos. ........... 3. 1.1.1. Conceptos básicos de instrumentación y control. ......................................... 3. 1.1.2. Los sensores. ...................................................................................................... 6 1.1.3. Los elementos finales de control: Válvulas de control, servomotores y actuadores de velocidad variable. ................................................................................... 8 1.1.4. Normas ANSI/ISA S 5.1- 1984 (R1992) para la instrumentación y control. .. 11 1.2.. Sistemas de control mediante controladores lógicos programables (Autómatas. programables o PLC). ....................................................................................................... 12 1.3.. Sistemas de supervisión, control y adquisición de datos. ................................. 13. 1.4.. Descripción del proceso tecnológico del central azucarero y sus sistemas de. regulación y control automático. ...................................................................................... 16 1.4.1.. Área de extracción de jugo, molinos o tándem. .......................................... 18. 1.4.2.. Área de Purificación ................................................................................... 20. 1.4.3.. Área de tachos. ............................................................................................ 23. 1.4.4.. Área de centrífugas. .................................................................................... 25. 1.4.5.. Área de la planta de vapor. ......................................................................... 27. 1.4.6.. Área de planta eléctrica............................................................................... 31. 1.5.. Los variadores de frecuencia y la eficiencia energética. .................................... 33. 1.5.1.. Ventajas de utilizar los variadores de velocidad ......................................... 36. 1.5.2.. Características de los variadores de frecuencia. ......................................... 36. 1.5.3.. Las áreas del central azucarero y los variadores de velocidad.................... 37.

(6) V. Capítulo 2. Eficiencia de los variadores de frecuencia a través de la automática en los centrales azucareros. ............................................................................................................. 39 2.1.. Medidas tomadas por el MINAZ ....................................................................... 39. 2.2.. Características de ahorro en dependencia de la carga. ....................................... 40. 2.2.1.. Ventiladores ................................................................................................ 40. 2.2.2.. Cintas transportadoras................................................................................. 42. 2.2.3.. Bombas ....................................................................................................... 43. 2.3.. Ahorro de energía en instalaciones con variadores de velocidad....................... 43. 2.3.1.. Procedimiento a seguir para la sustitución del motor eléctrico. ................. 44. 2.3.2.. Elección del punto de trabajo y evaluación energética. .............................. 45. 2.3.3. Aspectos que inciden en la explotación de los variadores de velocidad. ......... 46 2.4.. Procedimiento a utilizar para evaluar la eficiencia del sistema de accionamiento. eléctrico asociado al empleo de variadores. ..................................................................... 48 2.4.1. Descripción del procedimiento de evaluación. ................................................ 49 2.4.1.1. Los “Ponderados de eficiencia”. ................................................................... 49 2.4.1.2. Cálculo de la eficiencia aplicando la expresión 2.2. ..................................... 51 2.4.1.3. Validación del procedimiento. ...................................................................... 51 2.4.2.Aplicación del procedimiento a los variadores de velocidad. ........................... 51 2.4.2.1. Caracterización de los variadores de velocidad. ........................................... 51 2.4.2.3. Ponderados de eficiencia. .............................................................................. 52 2.4.3. 2.4.3.1.. Aplicación del procedimiento a los motores eléctricos. ............................. 53 Características de los motores eléctricos. ................................................ 53. 2.4.3.2. Determinación de la eficiencia de los motores utilizados por áreas. ............ 53 2.4.4. 2.4.4.1.. Aplicación del procedimiento al embrague. ............................................... 55 Características del embrague................................................................... 55.

(7) VI. 2.4.5. 2.4.5.1.. Aplicación del procedimiento al mecanismo. ............................................. 56 Características del mecanismo. ............................................................... 56. 2.4.6. Resultados obtenidos ........................................................................................ 57 2.4.6.1. Resultados de los valores de eficiencia por áreas ......................................... 57 2.4.6.2. Resultados de aplicar las ponderaciones por áreas........................................ 58 2.4.6.3. Validación del procedimiento creado............................................................ 58 2.5. Ahorro energético asociado al empleo de variadores......................................... 60. 2.5.1 Análisis de los resultados. ..................................................................................... 61 Conclusiones ...................................................................................................................... 63 Bibliografía ........................................................................................................................ 65 Anexo 1. Sensores .............................................................................................................. 73 Anexo 2. Servo motor eléctrico. ........................................................................................ 76 Anexo 3. Variadores de frecuencia o inversores ................................................................ 76 Anexo 4. Normas por código de letras ............................................................................... 77 Anexo 5. Autómatas programables. ................................................................................... 78 Anexo 6. SCADA GRACIL 32 .......................................................................................... 79 Anexo 7. SCADA EROS PLC ........................................................................................... 80 Anexo 8. Disposición de las áreas...................................................................................... 81 Anexo 9. Área de planta moledora (tándem). .................................................................... 82 Anexo 10. Área de purificación ......................................................................................... 83 Anexo 11. Área de tachos .................................................................................................. 84 Anexo 12. Centrífuga ......................................................................................................... 85 Anexo 13. Área planta de vapor. ........................................................................................ 86 Anexo 14. Área de planta eléctrica. ................................................................................... 87.

(8) …1. INTRODUCCIÓN Hace más de 200 años que Cuba es productora de azúcar de caña, siendo ésta la principal moneda de cambio en las transacciones económicas que realiza el país desde antes de la Revolución (1). Casi un artificio de alquimista en sus orígenes, la fabricación de azúcar devino en sofisticada tecnología al transcurrir el tiempo (2). Producto de las constantes innovaciones en el sistema fabril se ha conocido como ingenio, central, central azucarero, complejo agroindustrial, etc. En los centrales azucareros cubanos se introducen constantemente mejoras en el campo de la automatización que aumentan la productividad y por tanto inciden directamente en la eficiencia de su desempeño. En este informe se tratarán los principales términos y conceptos utilizados en el desarrollo de la automatización industrial, en la industria productora de azúcar de caña. A muchos de los subsistemas instalados en los centrales azucareros se le han colocado variadores de velocidad debido a que está suficientemente documentado que de su explotación se derivan ahorros cercanos al 40% del consumo histórico, esto se ha realizado adaptando a las tecnologías ya instaladas, los nuevos elementos de un sistema automatizado moderno lo que conlleva una disminución significante de pagos excesivos a empresas extranjeras de proyecto, al mismo tiempo que se ha logrado una soberanía tecnológica, un aumento de la producción, llevando más productos al mercado nacional y foráneo; sin embargo en la actualidad no se puede determinar con suficiente exactitud la eficiencia de los sistemas de accionamiento a través de los sistemas automáticos. ¿Cómo determinar la eficiencia de los sistemas automáticos empleados en la fabricación de azúcar? Necesidad de determinar con suficiente exactitud la eficiencia de los sistemas automatizados con variadores. Objeto: La automatización de los procesos a través de variadores de frecuencia en la industria azucarera..

(9) …2. Objetivo general: Diseñar un procedimiento para evaluar la eficiencia de los sistemas de accionamiento eléctrico implementado en los ingenios azucareros teniendo en cuenta su nivel de automatización y el uso de variadores de frecuencia. ¿Los sistemas de control automático con diseño cubano, permiten aumentar la producción y el ahorro energético en los centrales azucareros? ¿El empleo de variadores garantiza el ahorro energético planificado en su inversión? Definimos la hipótesis de la siguiente forma: Un procedimiento que se base en la ponderación numérica de los componentes que constituyen el sistema automatizado a partir de indicadores establecidos según el reemplazo o no y la eficiencia del componente, permitiría determinar el grado de eficiencia del SAE con suficiente exactitud. Esta investigación se estructura en dos capítulos. En el Capítulo 1 se describen los sistemas de control automático utilizados en los centrales azucareros cubanos, se definen los conceptos básicos de instrumentación y control, se describe el proceso productivo del central azucarero mostrando las áreas de la industria. Se identifican las áreas donde son usados los variadores de frecuencia para motores jaula de ardilla y se explica el principio de funcionamiento de los lazos de control. En el Capítulo 2 se explica la incidencia del empleo de los variadores de frecuencia a través de la automática en los centrales azucareros en los resultados energéticos del mismo, haciendo hincapié en un procedimiento que permite evaluar la eficiencia del sistema de accionamiento eléctrico que incluye variadores de velocidad que operan a lazo cerrado. Por último se realiza un análisis que permite evaluar las bondades que desde el punto de vista energético ofrece la automatización, en el central azucarero cubano..

(10) …3. Capítulo 1. Revisión bibliográfica 1.1.. Los sistemas de control automático en los ingenios azucareros cubanos.. El presente informe, en orden de presentar su contenido teórico de manera orgánica y coherente, aborda, primeramente, los conceptos básicos de instrumentación y control relacionados con la temática investigativa. A continuación se describe de forma resumida el proceso de fabricación del azúcar crudo, ligado este a sus sistemas automatizados. La descripción del central azucarero se desglosa por áreas para una mejor comprensión, aunque este centro fabril funciona como un todo indivisible desde que comienza el flujo productivo hasta su resultado final: el azúcar de caña. En la actualidad no se concibe una industria sin un alto grado de automatización, condición que favorece la eficacia y rentabilidad de la fábrica, ya sea mediante sistemas SCADA o simples lazos de control. Por ello la industria azucarera cubana se encuentra en constante desarrollo. Estos sistemas automatizados han sido diseñados e implementados en todas las áreas del ingenio azucarero, llevando a cabo un adelanto en el funcionamiento y mejoras en los índices de calidad de vida de los obreros, a la vez que se obtienen altos rendimientos en materia de eficiencia energética. 1.1.1. Conceptos básicos de instrumentación y control.. El control de un proceso realizado por un grupo de elementos donde cada uno realiza sus funciones, gradual y progresivamente, para producir un resultado final, requiere de la intervención de un número determinado de magnitudes: presión, flujo, temperatura, corriente, entre otras. Dichas variables son registradas mediante instrumentos de medición y control, los cuales permiten la regulación de variables, manteniéndolas en valores constantes, de manera mucho más exacta y eficiente que un operador humano. Variable es cualquier elemento que posee características dinámicas, estáticas, químicas y físicas bajo ciertas condiciones, que constantemente se pueden medir (3). Esta puede ser definida como variable controlada y variable manipulada, La variable controlada es la cantidad o condición que se mide y controla. La variable manipulada es la cantidad o condición que el controlador modifica para afectar el valor de la variable controlada. Comúnmente, la variable controlada es la salida (el resultado) del sistema..

(11) …4. Controlar significa medir el valor de la variable controlada del sistema y aplicar la variable manipulada al mismo, para corregir o limitar una desviación del valor medido a partir de un valor deseado sobre la que constantemente se está accionando, ya que se afecta directamente al sistema, el cual no es más que una combinación de componentes que actúan conjuntamente y cumplen un objetivo. La variable controlada es modificada por la variable manipulada (4). En un estadio menos desarrollado de la industria azucarera, el operario controlaba de forma manual estas variables, al utilizar solo instrumentos simples encargados de interpretar señales proporcionales a la magnitud de la variable, estos eran: manómetros, termómetros, etc. El control, basado en el empleo de válvulas manuales, era suficiente por la relativa simplicidad de los procesos. Sin embargo, la gradual complejidad que estos métodos de fabricación han ido desarrollando, ha exigido la automatización progresiva (3) de los procesos fabriles. Los procesos, a su vez, se definen en discontinuos y continuos. Independientemente de cómo se deben de mantener las variables, fijando un valor deseado o punto de consigna “set point (sp)”, una variable en el tiempo; o guardando una relación con otra variable. Este sistema puede determinarse como condición o variable a controlar con un valor deseado, el cual realiza una acción de corrección de acuerdo con la desviación existente, sin que el operador ejerza alguna acción. El sistema de control logra esta comparación – corrección teniendo en cuenta la unidad de medida, la de control, un elemento final de control y el proceso en cuestión. El cúmulo de unidades forma un lazo de control, que puede ser cerrado o abierto. Estos poseen elementos definidos, tales como: el de medida, transmisor, controlador y el elemento final. Los términos empleados definen las características propias de medida, control, estáticas y dinámicas de los diversos instrumentos utilizados. Los lazos de control son los siguientes: Bucle o lazo abierto (Ver figura 1): Es el sistema donde la salida no tiene efecto sobre la acción del control, no hay comparación entre el valor medido en la salida respecto a la entrada, es el camino que sigue la señal sin retroalimentación.. Figura 1. Sistema de control a lazo abierto..

(12) …5. Sistema en bucle o lazo cerrado (Ver figura 2): La variable controlada se mide y se utiliza esa medición para modificar el sistema de control retroalimentado, donde la señal pasa por el controlador, es comparada y reenviada para establecer el punto de consigna.. Figura 2. Sistema de control a lazo cerrado. Estos sistemas disponen de sensores definidos como dispositivos que no alteran la propiedad sensada y actuadores que es el elemento final de control. Los instrumentos de medición y control se clasifican primeramente relacionados con la función del instrumento y en segundo lugar con la variable del proceso. De acuerdo con la función del instrumento se clasifican en: . Instrumentos ciegos: Aquellos que no tienen indicación visible de la variable.. . Instrumento indicadores: Disponen de un índice y de una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable.. . Instrumentos registradores: Registran con trazos la variable.. . Elementos primarios: Están en contacto con la variable y utilizan o absorben la energía del medio controlado, para dar al sistema de medición una indicación en respuesta a la variación de la variable controlada.. . Transmisores: Captan la variable del proceso a través del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de señal neumática de margen 3 a 15 psi o electrónica de 4 a 20 mA es la estandarizada (también son empleadas otras magnitudes 0 – 10 V, 1 – 5 mA, 10 – 50 mA y de 0 – 20 mA)..

(13) …6. . Transductores: Reciben una señal de entrada en función de una o más cantidades físicas y la convierten, modificada o no, a una señal de salida que puede ser eléctrica.. . Convertidores: Reciben una señal neumática (3-15 psi) o electrónica (4-20 mA) procedente de un instrumento, y luego de modificarla, envía la resultante en forma de señal de salida estándar.. . Receptores: Reciben las señales procedentes de los transmisores y las indican o registran. Los receptores controladores envían otra señal de salida normalizada a los valores ya indicados 3-15 psi o 4-20 mA que actúan sobre el elemento final de control.. . Los controladores: Comparan la variable controlada con un valor deseado (sp) y ejercen una variación correctiva de acuerdo con la desviación.. . El elemento final de control: Recibe la señal del controlador y modifica el caudal del fluido o agente de control. En el control neumático, el elemento suele ser una válvula neumática o un servomotor neumático que efectúa su carrera completa de 3 a 15 psi. En el control electrónico la válvula o el servomotor anteriores son accionados a través de un convertidor de intensidad a presión (I/P) o señal digital a presión que convierte la señal electrónica de 4 a 20 mA c.c. o digital a neumática 315 psi. En el control eléctrico el elemento suele ser una válvula motorizada que efectúa su carrera completa accionada por un servomotor eléctrico.. De acuerdo con la variable del proceso: Los instrumentos se distinguen en de caudal, nivel, presión, temperatura, densidad, peso específico, humedad y punto de rocío, viscosidad, posición, velocidad, pH, conductividad, frecuencia, fuerza, turbidez, etc. 1.1.2. Los sensores. Según la bibliografía consultada, los transductores, sensores y captadores pueden considerarse sinónimos, aunque tienen pequeñas diferencias, pues el término transductor abarca una definición más amplia (3). Este siempre toma energía de la variable medida, por lo que se debe tener en cuenta que la cantidad perdida no impacte sobre el proceso, ni afecte el control..

(14) …7. Por otra parte, los sensores surgen gracias a la invención del transistor en 1947, y luego en 1958, se crea el primer circuito integrado. Aunque no es hasta 1969 que surge el primer sensor CCD (Charge - couple divice: dispositivo de cargas eléctricas interconectadas), este circuito integrado es muy usado en cámaras digitales (5). Los sensores son altamente usados en la industria debido a su versatilidad (ver Anexo 1), ya que un sistema de control requiere medir las variables a controlar. Se considera a un sensor como el instrumento que produce una señal usualmente eléctrica y es capaz de medir magnitudes física o químicas llamadas en instrumentación variable. Los sensores siempre están en contacto directo con la variable a medir (6) a diferencia de los transductores. Estos se clasifican convencionalmente en: . Principio de conversión.. . Variable o magnitud medida.. . Tecnología empleada.. . Aplicación.. Para una mejor compresión según su aplicación y magnitud a medir ver Tabla 1: Tabla 1. Aplicación y Magnitud a Medir Posición lineal o angular Desplazamiento o deformación Velocidad lineal y angular Aceleración Fuerza y par Presión Caudal Temperatura Sensores de presencia Sensores táctiles Visión Sensor de proximidad Sensor acústico Sensores de acides Sensor de luz Sensores de captura de movimiento. Instrumento o Sensor Potenciómetro, enconder Galga extensiométrica, magneto estrictivos, magneto resistivos. Enconder, Detector inductivo, servo inclino metros, giroscopio. Acelerómetro, servo acelerómetros Triaxiales, Galga extensiométrica Captador digital, Piezoeléctricos, manómetros de membrana. Magnéticos, medidores ultrasónicos de caudal, turbinas. Termopar, termo resistencias, termistores, Sensores circuitos integrados de temperatura, pirómetros, bimetálicos. Inductivos, capacitivos, ópticos. Matriz de contactos, piel artificial. Cámaras de video, cámaras CCD o CMOS Sensor final de carrera, capacitivo, inductivo, fotoeléctrico. Micrófono Transistor de efecto campo sensible a iones usado para medir pH. Fotodiodo, fotorresistencia, fototransistor, célula fotoeléctrica. Sensores inerciales.

(15) …8. Como se ha evidenciado existen un gran número de sensores, y gracias al avance de la electrónica, se pueden usar en la lectura de casi cualquier magnitud física o química. Su alto grado de complejidad ha logrado una interacción directa mediante salidas, estas se pueden clasificar según la forma de codificar la magnitud (6): . Analógicos: Las salidas envían la información mediante variaciones de tensión o corriente que suministra señales normalizadas 0-10 V o 4-20 mA. hacia los. autómatas programables (PLC) o cualquier tipo de elemento de control. . Digitales: Dan una señal de salida codificada en forma de pulsos o una palabra codificada en binario.. . Todo o nada: Indica solo cuando rebasa el umbral o el límite, dando solo dos estados 1 ó 0.. Los sensores y captadores de las distintas magnitudes y fabricantes utilizados en la industria azucarera cubana se relacionan en el Anexo 1. 1.1.3. Los elementos finales de control: Válvulas de control, servomotores y actuadores de velocidad variable. En el control automático de los procesos industriales la válvula de control juega un papel muy importante en el lazo de regulación. Realiza la función de regulación al caudal del fluido, que modifica a su vez, el valor de la variable medida, comportándose como un orificio de área continuamente variable del lazo de control. Esta válvula tiene tanta importancia como el elemento primario o el transmisor (3) ver figura 3. Un elemento significativo, acoplado a la válvula, es el posicionador, el cual puede o no encontrarse en la válvula de control. Las fuerzas de desequilibrio que influyen en la posición del vástago de la válvula y hacen que el control sea errático e incluso inestable son corregidas por el posicionador. Estas fuerzas son: 1. Fuerza de rozamiento del vástago al deslizarse a través de la empaquetadura. 2. Fuerza estática del fluido sobre el obturador que depende de la presión diferencial existente en dependencia del grado de abertura de la válvula y de las presiones anteriores y posteriores..

(16) …9. Figura 3. Válvula de control. Antiguamente los posicionadores eran, en su gran mayoría, neumáticos. En la actualidad los más usados en la industria azucarera son electroneumáticos y la señal proviene de un controlador PLC, el cual le envía una señal en 4-20 mA. Este tipo de posicionador contiene un convertidor que transfigura la señal electrónica o digital a neumática, la cual puede ser amplificada de 3-9 psi a 3-15 psi hecho que mejora el accionamiento de la válvula. Normalmente se dispone de tres manómetros para indicar las presiones de aire de alimentación (7) ver figura 4.. Figura 4. Posicionador.

(17) …10. Otros dispositivos auxiliares de las válvulas de control son los multiplicadores (booster) y los interruptores límites, de los que generalmente se obtienen alarmas o posiciones específicas del vástago de la válvula para la retroalimentación (7). Puede afirmarse que el 90% de las válvulas en la industria son accionadas neumáticamente (3). Los servomotores: pueden ser neumáticos, eléctricos, hidráulicos y digitales (3). En la industria azucarera, el servomotor hidráulico es usado para manejar las compuertas de los ventiladores de las calderas, debido a que es necesario un gran torque para controlar el flujo de la ventilación. El funcionamiento de este dispositivo consiste en una bomba de accionamiento eléctrico que suministra fluido hidráulico a una servoválvula. Estos son veloces, potentes y suaves, su inconveniente radica en ser muy costosos para su obtención. Las válvulas digitales: son muy factibles para el flujo de melazas, masa cocida y en el sistema de tratamiento de condensado, el cual aporta un ahorro de agua sustancial al ingenio. Estas responden a estados de 1 ó 0 dados por el PLC dando la posición de abierto o cerrado y son de acción rápida (3). El servomotor eléctrico: es un motor acoplado al vástago de la válvula a través de un tren de engranajes (ver Anexo 2). Presenta como mayor desventaja que cuando la regulación del proceso varía constantemente, manteniendo un movimiento continuo en la acción de la servoválvula, el conjunto motor- relé está sometido a un trabajo forzado, por lo que su durabilidad se ve afectada y es relativamente corta, volviéndose insostenible para la mayoría de los procesos del ingenio. Los actuadores de velocidad variable: son aquellos que controlan el caudal de un fluido actuando directamente sobre las bombas centrífugas, ventiladores, compresores, etc. Tienen como ventaja que evitan la pérdida de energía que absorben las válvulas de control (3). En las fábricas de azúcar cubanas se han instalado actuadores de velocidad variable, en busca de lograr controles de procesos más precisos y el consiguiente ahorro de energía. Para alcanzar su objetivo el ya desaparecido Ministerio del Azúcar (MINAZ), denominado ahora como el Grupo Empresarial AZCUBA, determinó el uso de los variadores de frecuencia o inversores, debido a su versatilidad y eficiencia (ver Anexo 3)..

(18) …11. 1.1.4. Normas ANSI/ISA S 5.1- 1984 (R1992) para la instrumentación y control. Para el entendimiento y estandarización de los procesos de instrumentación y control fue preciso la creación de normas. Las normas usadas en este informe fueron creadas por la Instrument Society of America de los Estados Unidos de América. Dicha organización se ocupa de mantener actualizadas las normas empleadas en la instrumentación. La simbología (ver tabla 2) fue consultada con grupos interdisciplinarios de tal forma que se logró una amplia gama de aplicaciones industriales. Este hecho permitió obtener herramientas de diseño y mostrar dispositivos. Dicha simbología comunica conceptos, hechos, instrucciones y conocimientos. Tabla 2. LOCALIZACIÓN PRIMARIA (Normalmente accesible al operador). MONTADOS EN EL CAMPO. LOCALIZACIÓN AUXILIAR (Normalmente accesible al operador). INSTRUMENTOS DISCRETOS. INSTRUMENTOS CON DISPLAY Y CONTROL. EN LA COMPUTADORA. EN EL PLC. Dentro de cada uno de estos símbolos, según sea el caso, se debe colocar en su parte superior la variable medida y la función del instrumento, y en la parte inferior la numeración que identifica el elemento de control. En el Anexo 4 se definen cada una de las letras del alfabeto como variable, variable modificador de salida o función pasiva..

(19) …12. 1.2. Sistemas de control mediante controladores lógicos programables (Autómatas programables o PLC). Todo proceso industrial precisa ser controlado para lograr una alta eficiencia, ya sea en cuanto a la calidad del producto como en la eficiencia energética y rentabilidad. Debido a esta necesidad surgieron los primeros sistemas de control, desde el regulador centrífugo de James Watt (1733-1819) hasta los modernos PLC utilizados actualmente. En los centrales azucareros cubanos los procesos son controlados por autómatas, que son provistos, casi en su totalidad, por los fabricantes LG, Mitsubishi y Siemens (ver Anexo 5), estos últimos en menor grado. Dichos dispositivos son complejos y presentan diferentes estructuras: compacta, en la que todos los elementos se encuentran en un solo bloque, o modular, la cual presenta dos variantes de estructura: americana y europea (6). Estos controladores tienen, como norma general, fuente de alimentación DC-AC, unidad central de procesamiento (CPU), elementos de entradas y salidas, digitales y analógicos, módulos de comunicación y módulos especiales, estos pueden medir temperaturas, voltajes, etc. (8). La estructura de la CPU del PLC puede consultarse en la figura 5.. Figura 5. Estructura del CPU. Los PLC ingresan y procesan datos otorgando un resultado, estos se estructuran como: Nivel de entrada. Nivel de procesamiento..

(20) …13. Nivel de emisión. Las entradas reciben las señales del campo, ya sean digitales o analógicas, las convierten en información binaria y son entregadas al microprocesador del CPU, este dispone de un área de memoria a la que se le programan las funciones a realizar cíclicamente. Este procesa la información y. toma las decisiones previamente programadas por un especialista, las. respuestas son enviadas a los elementos finales de control mediante salidas digitales o analógicas o hacia sistemas SCADA, mediante los módulos de comunicación soportados sobre computadoras, en cuartos de control o una interfaz HMI (¨Human Machine Interface¨ o interfaz hombre maquina) (9). 1.3. Sistemas de supervisión, control y adquisición de datos. Estos sistemas son software diseñados para una mejor gestión de control. Permiten el acceso de datos remotos de los procesos de una planta mediante los sistemas de comunicación escogido y el control del mismo. No es un sistema de control, es un software de monitorización y supervisión que funciona mediante interfaces entre los niveles de control (PLC) y los de gestión, es un nivel superior de control (6). El sistema SCADA almacena un historial de todas las operaciones o aquellas escogidas por el operador y de las variables del proceso, proporcionándole a este no solo la posibilidad de supervisar, logrando tener registros de las alarmas, sino que también se pueden obtener gráficos en tiempo real para hacer comparaciones entre variables y elementos finales de control, para luego hacer correcciones sobre el sistema en tiempo real sin tener que detener el mismo. El software supervisorio o SCADA debe ser flexible en su arquitectura (6): Deben ser sistemas de arquitecturas abiertas. Deben comunicarse con total facilidad y de forma transparente para el usuario con el equipo de planta ("drivers") y con el resto de la empresa (acceso a redes locales y de gestión)..

(21) …14. Los programas deberán ser sencillos de instalar, sin excesivas exigencias, y fáciles de utilizar, con interfaces amables con el usuario (sonido, imágenes, pantallas táctiles, etc.). Fácilmente configurable y escalable, debe ser capaz de crecer o adaptarse según las necesidades cambiantes de la empresa. Ser independiente del sector y la tecnología. Funciones de mando y supervisión integradas. Al lograr una conectividad con la planta y el resto de la empresa se establece un sistema jerárquico de automatización. Ver la figura 6.. Figura 6. Sistema jerárquico. El supervisorio tiene que ser capaz de dominar varios protocolos de comunicación e interactuar con ellos, y así lograr abarcar una plataforma amplia de protocolos abiertos, para que diferentes equipos y fabricantes se entiendan entre sí dentro de la misma red. Ver figura 7..

(22) …15. Figura 7. Red industrial. En Cuba, específicamente en los centrales azucareros, son utilizados dos software SCADA: el sistema Grácil 32 y el EROS. El primero fue desarrollado por Instituto Cubano de Investigaciones Azucareras (ICINAZ) en el año 1998. Este ha perdido terreno en el ámbito tecnológico, toda vez que no se creó una plataforma estable de actualización, por lo que no se adapta a las nuevas tecnologías y protocolos de comunicación, debido a esta deficiencia se ha estado remplazando por el sistema EROS (ver Anexo 6). El sistema EROS, creado en Cuba por el grupo EROS perteneciente a la empresa SERCONI del grupo empresarial Cuba Níquel, equipo que tiene su casa matriz en el municipio Moa. Dicho grupo de trabajo mantiene en constante actualización el supervisorio, y ante cualquier inconveniente, se les notifica y el grupo da respuesta al mismo. Otra ventaja respecto a otros sistemas es que al ser de producción nacional, su costo es mucho menor que los importados y más seguro en términos de asistencia técnica (ver Anexo 7). Existe una amplia variedad de protocolos de comunicación industrial y Bus de campo para la conectividad de la red industrial y su enlace con la empresarial. Los PLC han alcanzado una alta estandarización, los formatos más usados en la industria azucarera son el RS - 232, RS - 422, RS - 485 utilizando protocolos que, por lo general, son los siguientes: modbus, modbus - ASCII, o Ethernet TCP/IP. También se cuentan con otros protocolos de estándar internacional o creados por los propios fabricante de PLC, que en ocasiones, son utilizados para algún elemento especifico o para comunicarse entre equipos de la misma marca, tal es.

(23) …16. el caso de Mitsubishi Electric que recomienda el uso del protocolo CC-Link para la comunicación entre el PLC y los variadores de frecuencia o inversores Mitsubishi (9). Son conectados a la computadora industrial por puerto serie (COM) o tarjeta de red (Ethernet), mediante un bus al protocolo Ethernet TCP/IP formando una robusta red que puede brindar no solo información al proceso, mediante conexiones con otros dispositivos, sino que también es enviada hacia accesos remotos usando plataformas ya implementadas como la telefónica, fibra óptica y satelital (6). 1.4. Descripción del proceso tecnológico del central azucarero y sus sistemas de regulación y control automático. El ingenio o central azucarero está concebido como una unidad productora fundamentalmente de azúcar de caña, a la vez que produce energía tanto en vapor como en electricidad, así como otros derivados, producto de la industria química. La fábrica funciona como un sistema indivisible y se divide internamente en áreas, las cuales se ocupan de segmentos de la producción hasta obtener un producto final con calidad. Por lo que optimizando la eficiencia de cada una de estas, se mejora la eficiencia general del ingenio y la calidad del producto. Las áreas se dividen en: extracción de jugo, purificación de jugo (clarificación), evaporación, cristalización, centrifugado y la re-cocción de melazas (10) ver figura 8. El central dispone de dos áreas energéticas las cuales le brindan toda la energía necesaria para la producción. Estas son la planta de vapor y la planta eléctrica, ambas de vital importancia pues aunque no son parte del proceso de formación del grano, sin ellas sería imposible llevar a cabo la fabricación de azúcar..

(24) …17. Figura 8. Esquema general del central de azúcar crudo. A nivel internacional no todos los centrales azucareros poseen planta eléctrica, ya que se pueden nutrir de sistemas energéticos externos, pero en Cuba todos los ingenios la poseen, pues es una política establecida en el país: generar electricidad con biomasa. (Ver en la figura 9) una vista en planta de las áreas de un central azucarero así como una disposición de las distintas áreas (11) (ver Anexo 8).. Figura 9. Vista en planta del central de azúcar crudo..

(25) …18. 1.4.1. Área de extracción de jugo, molinos o tándem. El área de extracción de jugo, molinos o tándem la cual será denominada como área I, está compuesta por el basculador, las esteras transportadoras, las cuchillas, las esteras elevadoras y las alimentadoras (12). Estas últimas son controladas mediante variadores de frecuencia, el control sobre estas influye en casi todas las variables del sistema. Este control mediante inversor mantiene la altura del colchón estable, mejorando considerablemente el ritmo de la molienda (11), se protegen los motores de las cuchillas y de la desmenuzadora de posibles atascamientos y sobre corriente. El uso de variadores de frecuencia mantiene el nivel de la tolva que suministra el flujo de caña a los molinos (ver Anexo 9). Para la extracción del guarapo se emplean potentes molinos múltiples en serie, denominados corrientemente tándem. Un tándem moderno puede constar de una cuchilla rotativa, una o dos desmenuzadoras, y de cuatro a siete molinos o trapiches (13). En el tándem se realiza la primera parte de la fabricación del azúcar, la cual consiste en extraer todo el jugo posible con un mínimo de pérdida de sacarosa. El bagazo salido de los molinos pasa directamente al área de planta de vapor para ser quemado como combustible o a la casa de bagazo. Instrumentación y control del área de molinos: El nivel del colchón de bagazo en la tolva Donnelly (LT101) regula la velocidad de la estera alimentadora y elevadora mediante los variadores de frecuencia LCZ101.1 y LCZ101.2 respectivamente. La próxima variable a medir es el nivel del tanque de jugo mezclado, se decide donde fijar el nivel y se coloca el sp del valor deseado en el SCADA (3), el autómata resuelve el PID y fija la velocidad de regulación de las esteras, enviando la orden al variador de frecuencia. De esta forma se evita que se derrame el jugo mezclado y una parada innecesaria del central, manteniendo el flujo continuo de producción. Posteriormente se regula el flujo del agua de imbibición (FT103) la cual consiste en aplicar agua al bagazo que sale del penúltimo molino, el guarapo que sale del último molino se aplica al bagazo que va saliendo del penúltimo y así sucesivamente (10). Otra variable a medir es la temperatura del agua de imbibición (TT105) la cual es regulada por la válvula de vapor (TCV105)..

(26) …19. Luego se encuentran las variables de supervisión, las cuales el operador las va tener presente en el sistema SCADA como alarmas y bloqueos, como la protección de los motores: corriente 1er juego de cuchillas, corriente 2do juego de cuchillas, corrientes del 1ro al 6to molino. Los estados de funcionamiento así como los estados de arranque, marcha y parada se supervisan mediante entradas digitales tabla 3. Los arranques y las paradas de los distintos elementos se accionan mediante salidas digitales. Las acciones directas sobre cada dispositivo se realizan mediante las salidas digitales del autómata, actuando directamente sobre el elemento en cuestión, los cuales son: (YZ 101) arranque variador estera alimentadora, (YZ102) parada variador estera alimentadora, YZ103 bloqueo de variador de frecuencia estera alimentadora. Arranque variador de frecuencia estera elevadora (YZ104), parada variador estera elevadora (YZ105), bloqueo variador de frecuencia estera elevadora (YZ106). Arranque de la secuencia de limpieza (YSH107), (YSH108) drenaje del aire de instrumentación, (YSH 109) FARVAL 1 y (YSH110) FARVAL2. Posición YSH101 YSH102 YSH103 YSH104 YSH105 YSH106 YSH107 YSH108 YSH109 YSH110 YSH111 YSH112 YSH113 YSH114 YSH115 YSH116 YSH117 YSH118 YSH119 YSH120 YSH121 YSH122 YSH123 YSH124 YSH125. Tabla 3 Variable Energizado Var. de Frecuencia Estera Alimentadora Marcha Var.de Frecuencia Estera Alimentadora Fallo Variador de Frecuencia Estera Alimentadora Energizado Var. de Frecuencia Estera Elevadora Marcha Variador de Frecuencia Estera Elevadora Fallo Variador de Frecuencia Estera Elevadora Estado de Funcionamiento Estera Alimentadora Estado de Funcionamiento Estera Elevadora Estado de Funcionamiento Molino No 1 Estado de Funcionamiento Molino No 2 Estado de Funcionamiento Molino No 3 Estado de Funcionamiento Molino No 4 Estado de Funcionamiento Molino No 5 Estado de Funcionamiento Molino No 6 Estado de Funcionamiento Conductor Intermedio No 1 Estado de Funcionamiento Conductor Intermedio No 2 Estado de Funcionamiento Conductor Intermedio No 3 Estado de Funcionamiento Conductor Intermedio No 4 Estado de Funcionamiento Conductor Intermedio No 5 Estado de Funcionamiento Conductor de Bagazo Estado de Funcionamiento Bomba de Agua de Imbibición No 1 Estado de Funcionamiento Bomba de Agua de Imbibición No 2 Estado de Funcionamiento Bomba de Guarapo No 1 Estado de Funcionamiento Bomba de Guarapo No 2 Estado de Funcionamiento Bomba de Guarapo No 3. Estado Energizado Marcha Alarma de Fallo Energizado Marcha Alarma de Fallo Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha.

(27) …20. YSH126 YSH127 YSH128 YSH129 YSH130. Estado de Funcionamiento Bomba de Guarapo No 4 Estado de Funcionamiento Bomba de Maceración No 1 Estado de Funcionamiento Bomba de Maceración No 2 Estado de Funcionamiento Bomba de Maceración No 3 Estado de Funcionamiento Bomba de Maceración No 4. Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha. 1.4.2. Área de Purificación En el área de purificación esta se denominara área II (ver Anexo10), se trabaja a partir del jugo que exprimen los molinos. Éste es ácido, turbio y de color verde oscuro. El proceso de clarificación (o defecación) es usado para eliminar tanto las impurezas solubles como insolubles, y se emplean la cal y el calor como agentes clarificadores (10). Se mantiene estricto control sobre la alcalinización para mantener el pH del jugo en valores aceptables (10). El jugo clarificado, que posee casi la misma composición que el jugo crudo extraído (con la excepción de las impurezas precipitadas que fueron extraídas por el tratamiento de cal) contiene aproximadamente 85% de agua. Las dos terceras partes de esta agua se evapora en evaporadores de múltiples-efectos al vacío. La melaza sale continuamente del último cuerpo, con un aproximado 65% de sólidos y 35% de agua (10). Instrumentación y control del área de purificación Para controlar las variables de esta área, una de las más extensas, es necesario utilizar uno o más PLC y elementos finales de control, los cuales se exponen a continuación (ver Anexo 8.). Se comenzara por la temperatura antes del mezclador de flujo (TT209). Luego se supervisa la temperatura después del mezclador de jugo (TT210) las cuales se regulan mediante la válvula de vapor (TCV209). La regulación del flujo de jugo mezclado a fábrica se realiza mediante el variador de frecuencia (FCZ201) retroalimentado por el flujómetro (FT201). El flujo se mantiene constante sin tener que detener la bomba; y aunque fuese preciso detener las bombas por llenado en los pre-evaporadores, el arranque sería suave y controlado, de forma tal que se evitan grandes picos de corriente que alteren el sistema eléctrico del central. Menos de una década atrás, este flujo se controlaba mediante una válvula de control en la cual sucedían muchas pérdidas de energía, producto de la estrangulación a la salida de la bomba. En algunos.

(28) …21. casos, esta debía detenerse por lo que se producían los picos de corriente en cada arranque, hecho que afectaba el sistema eléctrico del central. La temperatura a la salida de los calentadores rectificadores es supervisada por el captador (TT211), es regulada mediante la válvula de vapor (TCV211), proveniente este vapor del pre-evaporador. La alcalización en frío es el método más usado en Cuba para alcalización y la química (14), puede aplicarse a todos ellos debido a que existen varios tipos de alcalizaciones. Las variaciones del proceso pueden tener un efecto pronunciado en las características físicas del sistema debido, especialmente, a la inestabilidad de la materia coloidal y los fenómenos tales como estados de agregación, adsorción e hidratación. Bajo esas condiciones es imposible hacer predicciones de los resultados que serán obtenidos en la defecación, ya que la partícula de jugo está sujeta a muchas especificaciones. Todos estos métodos de alcalización influyen de distinta manera en la clarificación de los jugos (14). El control del pH se mide mediante el pH-metro (PHT202) a la salida del tanque flash y la regulación (PHCV202) mediante un elemento final ya sea una válvula o un pantalón, los cuales constituyen los mecanismos más usados para añadir la cal (14). Agregar cal al jugo es un momento de vital importancia durante el proceso fabril, pues los excesos o defectos de cal son de gran trascendencia en la fabricación de azúcares (14) . Al salir el jugo alcalizado del tanque flash se mide la temperatura y pasa al tanque de jugo alcalizado donde se mide el nivel (LT205). Inmediatamente se calcula el nivel del tanque clarificado (LT206) y del tanque de cachaza (LT207). El jugo clarificado pasa al preevaporador el cual se controla (LT203) y regula el nivel (LCV203). Posteriormente se evalúan y controlan otras variables que complementan el proceso tales como la presión de vapor en líneas de escoba (PT204) y su regulación tiene lugar mediante la válvula reductora de vapor de escobas (PCV204), temperatura en la línea de 25psi (TT212) la cual es ajustada por la válvula atemperadora línea de 25psi (TCV212)..

(29) …22. Posición YSH201 YSH202 YSH203 YSH204 YSH205 YSH206 YSH207 YSH208 YSH209 YSH210 YSH211 YSH212 YSH213 YSH214 YSH215 YSH216 YSH217 YSH218 YSH219 YSH220 YSH221 YSH222 YSH223 YSH224 YSH225 YSH226 YSH227 YSH228 YSH229 YSH230. Tabla 4 Variable Energizado Var. de Frec. Bombas de Jugo Mezclado Marcha Var. de Frec. Bombas de Jugo Mezclado Fallo Variador de Frec. Bombas de Jugo Mezclado Estado de Funcionamiento Bomba 1 de Jugo Mezclado Est. de Funcionamiento Bomba 2 de Jugo Mezclado Est. de Funcionamiento Bomba 1 de Lechada de Cal Est. de Funcionamiento Bomba 2 de Lechada de Cal Est. de Funcionamiento Bomba 1 de Jugo Alcalizado Est. de Funcionamiento Bomba 2 de Jugo Alcalizado Est. de Funcionamiento Bomba 3 de Jugo Alcalizado Est. de Funcionamiento Bomba 1 de Jugo Clarificado Est. de Funcionamiento Bomba 2 de Jugo Clarificado Est. de Funcionamiento Bomba 1 de Condensado Est. de Funcionamiento Bomba 2 de Condensado Est. de Funcionamiento Bomba 1 de Pre a Triple Est. de Funcionamiento Bomba 2 de Pre a Triple Est. de Funcionamiento Bomba 1 de Triple a Cuádruple Est. de Funcionamiento Bomba 2 de Triple a Cuádruple Est. de Funcionamiento Bomba 1 de Meladura Est. de Funcionamiento Bomba 2 de Meladura Est. de Funcionamiento Bomba 3 de Meladura Est. Funcionamiento Bomba 1 Agua de Inyección a Filtros Est. Funcionamiento Bomba 2 Agua de Inyección a Filtros Est. Funcionamiento Bomba 3 Agua de Inyección a Filtros Est. Funcionamiento Bomba 4 Agua de Inyección a Filtros Est. Funcionamiento Filtro 1 Est. Funcionamiento Filtro 2 Est. Funcionamiento Filtro 3 Clarificador No. 1 Clarificador No. 2. Estado Energizado Marcha Alarma de Fallo Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha Marcha. Las variables de alarma y estados de funcionamiento están conectadas a las entradas digitales del PLC ver tabla 4. Los accionamientos mediantes salidas digitales y relés son los siguientes: arranque del variador de frecuencia de las bombas del tanque de jugo mezclado a calentadores (YZ201), parada del variador de frecuencia bombas del tanque de jugo mezclado a calentadores (YZ202), bloqueo del variador de frecuencia de las bombas de jugo mezclado (YZ203). El bloqueo del variador de frecuencia es usado como precaución, debido a que si ocurre un vaciado del tanque de jugo mezclado se detiene el variador o tiene lugar un disparo del motor de la bomba..

(30) …23. 1.4.3. Área de tachos. Al salir el jugo del área de purificación, pasa a los tanques de meladura y luego al área de los tachos. Los tachos de calandria (ver Anexo 11) tecnología usada en Cuba, son equipos para la producción y desarrollo de cristales de azúcar a partir del jarabe. La concentración inicial de los tachos es de 60 a 650Brix (unidad de densidad que se usa para medir la concentración de granos de azúcar), en los azucares crudos. Este proceso es el más delicado, ya que pone en peligro la producción de conglomerados y falsos granos (10). En Cuba, la mayoría de los tachos son manuales, solo los tachos del ingenio “30 de Noviembre” en Pinar del Rio y el “Argentina”, en Camagüey, están automatizados o semi automatizados. Esta baja estadística en el país está determinada por las peculiaridades de esta área fabril. La automatización de los tachos en un central azucarero es una operación en extremo compleja, debido a la precisión del crecimiento del cristal y la cantidad de operaciones que deben de realizarse en el proceso, principalmente las mediciones de densidad. A continuación se relaciona el algoritmo de trabajo de una templa (cantidad de masa cocida que descarga un tacho) en la cocción de azúcar, para que se visualice mejor su magnitud operacional. . Se semilla (cebar) el tacho, mientras la concentración se encuentre en la zona metastable. Luego de logrado el grano, la masa cocida tiene que mantenerse en esta área hasta el final de la templa. Si la concentración bajara se disolverían los cristales de azúcar, o al contrario, si sobrepasa esta zona, rápidamente se formarían falsos granos.. . Para hacer grano por choque se ceba en la zona metastable y se hace que la concentración entre en la zona intermedia, para así inducir la formación de granos nuevos en presencia de otros (choque). Después que se han obtenido núcleos suficientes, hay que llevar la templa de nuevo a la zona metastable. Luego de creado el grano de azúcar y supervisado por el puntista se rompe el vacío del tacho y se comienza la descarga de la templa hacia la centrífuga..

(31) …24. Con la automatización de los tachos se pretende obtener una mayor eficiencia en el proceso de cristalización y cocción de la masa cocida, obteniéndose el tamaño deseado de los cristales de sacarosa en el menor tiempo posible, sin riesgo de aparición del “falso grano” o “reproducción”. Instrumentación y control del área de los tachos. El inicio de la templa comienza con la selección de la masa cocida, que puede ser meladura, miel A o miel B. Mediante la válvula digital de guillotina (YZ107, 107, 108) se alimenta el tacho, al accionarse la válvula de control (DV101.1) tomando la medición del densímetro (DT101), en dependencia del Brix se le suministra agua caliente por la válvula (DV101.2). A continuación se empieza a semillar por medio de la válvula de digital (YZ113). Posición YSH101 YSH102 YSH103 YSH104 YSH105 YSH106 YSH107 YSH108 YSH109 YSH110 YSH111 YSH112 YSH113 YSH114 YSH115 YSH116 YSH117 YSH118 YSH119 YSH120 YSH121 YSH122 YSH123 YSH124 YSH125 YSH126 YSH127 YSH128. Tabla 5 Variable Válvula de Romper Vacío Válvula de Romper Vacío Válvula de Escoba Válvula de Escoba Válvula de Vacío General Válvula de Vacío General Válvula de Agua Válvula de Agua Válvula de Ducha Válvula de Ducha Válvula de Meladura Válvula de Meladura Válvula de Miel “A“ Válvula de Miel “A“ Válvula de Miel “B“ Válvula de Miel “B“ Válvula de Descarga Válvula de Descarga Válvula de Pase Válvula de Pase Válvula de Condensado Contaminado Válvula de Condensado Contaminado Válvula de Condensado Puro Válvula de Condensado Puro Válvula de Semillar Válvula de Semillar Válvula Pie Templa Elaborada Válvula Pie Templa Elaborada. Estado Abierta Cerrada Abierta Cerrada Abierta Cerrada Abierta Cerrada Abierta Cerrada Abierta Cerrada Abierta Cerrada Abierta Cerrada Abierta Cerrada Abierta Cerrada Abierta Cerrada Abierta Cerrada Abierta Cerrada Abierta Cerrada. La presión de vapor de la calandria (PT102) es controlado por la válvula (PV102) y el nivel de la masa cocida en la calandria se supervisa por (LT104) y se controla manualmente. Para.

(32) …25. lograr el control del vacío del tacho (PT103) es inspeccionado mediante la válvula (PV103). La temperatura del agua de inyección es supervisada por el captador (TE108). El rompimiento del vacío se realiza mediante la válvula digital (YZ101), dando lugar a la escarga del tacho mediante la válvula (YZ109) hacia la centrífuga. Al descargarse la templa es necesario limpiarlo para quitar las incrustaciones por lo que se hace pasar vapor de escoba mediante la válvula (YZ102) para luego ser enjuagada mediante las duchas alimentadas por (YZ105). La válvula (YZ110) es usada para pasar la templa de un tacho a otro si esta no transita a las centrífugas. El condensado es dirigido a los tanques de condensado, dependiendo de la calidad de este, se accionan las válvulas (YZ111) para condensado contaminado y (YZ112) condensado puro. Para evacuar el agua dulce es activada la válvula (YZ103). Es controlado el vacío general mediante la válvula (YZ104), esta acción es muy importante debido a que la templa debe mantenerse estable para no causar daño al grano. La cantidad de magma (pie de templa) (10) que se utiliza debe ser suficiente para cubrir la calandria, esta es suministrada por la válvula (YZ114). Los Tachos de la industria cubana usan revolvedores para hacer homogénea la masa, este se activa mediante (YZ115). El tanque de semillar también presenta revolvedor (YZ116). Las señales de alarma y estado son registradas por el PLC mediante sus entradas digitales, las cuales se muestran en la tabla 5. 1.4.4. Área de centrífugas. Las masas cocidas, en la forma que salen de los tachos o de los cristalizadores, van primero a un mezclador. Este es un tanque en forma de canal con paletas giratorias para evitar el asentamiento de cristales. Los cristales son separados de las melazas por la acción de la fuerza centrífuga en máquinas de igual nombre, en el área de las centrífugas en lo sucesivo podrá ser llamada área III. Una centrífuga está compuesta por un canasto perforado el cual gira, en un eje, dentro de un envolvente metálico que recoge la melaza expulsada por la fuerza centrífuga. Está compuesta por varias mallas y una tela de bronce o latón. Las centrífugas poseen un potente.

(33) …26. motor eléctrico de corriente directa con enfriamiento forzado (ver Anexo 12), gobernado por tiristores y complejas tarjetas electrónicas a lógica de relé. Logran alcanzar hasta 1200rpm. En Cuba existen varios tipos de centrífugas, las más difundidas son las ASEA de 500 y 1000 kg. Las centrífugas marca ASEA, debido a su uso continuo desde la década del 70 y las numerosas reparaciones y mantenimientos a las viejas tarjetas electrónicas (garantes de la secuencia de operación), se convirtieron en la mayor dificultad de esta área de la industria. La rotura de las tarjetas y las inaccesibles piezas de repuesto definieron la decisión del MINAZ de cambiar la lógica por autómatas, manteniendo los circuitos de fuerza. Los elementos finales de control, los cuales eran servomotores eléctricos, fueron remplazados por sistemas de aire, mediante válvulas digitales, accionadas por electroválvulas. En los centrales azucareros cubanos, el motor empleado es el de corriente directa mediante el sistema convertidor motor. Este consiste en tomar corriente alterna de tres fases, pasarla a través de un rectificador controlado y alimentar el motor. Tiene como ventaja fundamental que la velocidad de operación de la centrífuga es a libre elección, independientemente de la fuente de energía de la fábrica (11). Existen otros motores para el proceso de las centrífugas, estos son los de corriente alterna (CA) del tipo asincrónicos de tres fases, algunas veces con rotor bobinado. Pero lo más frecuentes son los de jaula de ardilla. Durante el proceso inversionista, en el central “Ciro Redondo”, se remplazan ocho centrífugas ASEA de 500 kg, por tres Silver Weibull Sweden AB de 1500 kg (ver Anexo 12), controladas por PLC Siemens-S7 y panel de operador HMI Siemens-MP277 el protocolo de comunicación es ABB. Los motores ABB de 300 kW son controlados mediante convertidores de frecuencia (variadores de frecuencia) marca ABB modelo ACS800-170400-5 de 350 kW, y emplean un voltaje y una frecuencia de 460 V y 60 Hz respectivamente. El variador de frecuencia ofrecido por ABB para este tipo de centrífuga presenta grandes ventajas energéticas ya que contiene un accionamiento regenerativo, incluyendo el filtro de línea. La unidad de potencia activa permite el flujo de potencia completa al motor..

(34) …27. Normalmente, los sistemas de frenado de las centrífugas son mediante frenado eléctrico y mecánico por los cuales se pierde energía en forma de calor. A través del uso del variador de frecuencia la energía del frenado se devuelve a la red eléctrica hasta un 70 %. Combinando el sistema de control DTC, la unidad de alimentación activa puede compensar incluso variaciones rápidas de la tensión de línea y no se corre el riesgo de caídas de tensión, ni daños a los componentes. 1.4.5. Área de la planta de vapor. La planta de vapor o área IV (Anexo 13) es donde se genera toda la energía bruta del ingenio, sin esta no puede realizarse ninguna operación en la fábrica. El generador de vapor, desde el punto de vista de unidad termo energética, es un equipo tecnológico donde se combinan las diferentes formas de transferencia de calor en los diversos equipos que lo conforman. Su uso y aplicación radica en obtener vapor con ciertos requerimientos técnicos para el proceso tecnológico a partir de la sustancia de trabajo. En Cuba se aplica el quemado de combustión en torbellino (15) para quema del bagazo integral con un 50% de humedad. Este horno incinera el bagazo en suspensión a través de chorros de aire suministrados por toberas colocadas en las esquinas, de manera que se genera un torbellino en el eje vertical de la cámara de combustión. Por ello es obligatoria la característica cuadrada de la sección del horno para que no existan zonas de débil aerodinámica. El horno dispone a su vez de diferentes niveles de toberas que pueden oscilar entre tres y cinco, en dependencia del tipo de combustible, cada nivel cuenta con cuatro toberas. Anteriormente todo el control era electromecánico mediante servomotores y compuertas. Por lo que se precisó una modernización en el control de las calderas (ver Anexo 12.), mediante autómatas programables y variadores de frecuencia para controlar los motores de los alimentadores de bagazo al horno, los cuales dosifican la cantidad a suministrar. En una segunda etapa se decide sustituir las compuertas de los Ventiladores de Tiro Forzado (VTF) y Ventiladores de Tiro Inducido (VTI) por variadores de frecuencia Mitsubishi de 110 kW y 260 kW, incluyendo las bombas de agua alimentar de 250 kW..

(35) …28. Estos cambios optimizarían la combustión dentro del horno, logrando mayor cantidad de vapor por tonelada de bagazo, lo cual mejora la eficiencia energética y la generación eléctrica, ya que todo el vapor sobrante puede ser entregado al área de la planta eléctrica. Aunque a nivel internacional no todos lo centrales tienen la obligación de poseer una planta eléctrica, en Cuba es política del estado que toda la biomasa sea convertida en corriente eléctrica, lo cual ahorra grandes cantidades de combustible crudo (petróleo). Todas estas plantas tributan al sistema electroenergético nacional y venden a este la energía sobrante que no consume el ingenio. Otra de las ganancias es el acopio de bagazo sobrante para ser utilizado en la industria química. Instrumentación y control del área Planta de vapor. El control más importante de la caldera es el nivel de agua en el domo, ya que una desviación de la variable de corta duración en los límites no admisibles puede conducir a un resultado negativo traducido en cuantiosos daños a la industria (16), tanto en equipos como en la producción debido a tiempo perdido. Algunos ejemplos de estas roturas son el golpe de agua en las turbinas de los generadores y las perturbaciones en la circulación del agua por los paneles evaporativos, llegando a provocar roturas en los tubos. El esquema de control en cascada, que utiliza dos reguladores, tiene su inicio en la identificación del nivel de agua en la caldera como la variable principal del sistema. Emplea un lazo interno de flujo de vapor (FT402) con una acción de control rápido, para corregir directamente las variaciones de flujo de agua (FT403), a través de la rama izquierda del sumador cuya salida actúa en el punto de ajuste remoto del regulador de flujo de agua (PCZ403.1) el cual es un variador de frecuencia de 355 kW. También recurre a un lazo externo Master del nivel de agua (LT401) de la caldera, con acción de control lenta, a través de la rama derecha del sumador, que únicamente tendrá la función de corregir cualquier desviación que pudiera quedar, luego que el control de flujo de agua compensara el cambio de carga de la caldera. (ver figura 10) El lazo interno o esclavo, debe ser más rápido que el Master y debe ser por lo menos cinco veces más rápido. Luego la combustión se registra mediante la medición de presión en el domo (PT405) donde se fija un sp, y se controlan mediante los cinco alimentadores de bagazo, estos a su vez son.

(36) …29. controlados mediante variadores de frecuencia (FCZV405.1), mientras que el aire de combustión es regulado por el ventilador por medio del variador de frecuencia (FCV405.2). Se controla el vacío en el horno según la medición del captador (PT404) mediante la regulación del VTI, el cual es controlado por el variador de frecuencia (FCV404.1). El nivel del desareador (LT406) es regulado mediante la válvula (LCV406) al igual el nivel del pailón (LT407), controlado por el elemento final (LCV407).. Figura 10. Representación del lazo en cascada. Las mediciones restantes solo de supervisión son: Temperatura de Agua en Colector de Alimentar (TT408). Temperatura de vapor de salida (TT409). Temperatura de los gases de combustión (TT410). Temperatura del aire salida de calentadores (TT411). Temperatura de agua Después del Economizador (TT412). Corriente del VTF (IT413). Corriente del VTI (IT414)..

(37) …30. Las señales de alarma y estado son registradas por el PLC mediante sus entradas digitales, las cuales se muestran en la tabla 6. Posición YSH 401 LSH 402 LSL 403 YSH 404 YSH 405 YSH 406 YSH 407 YSH 408 YSH 409 YSH 410 YSH 411 YSH 412 YSH 413 YSH 414 YSH 415 YSH 416 YSH 417 YSH 418 YSH 419 YSH 420 YSH 421 YSH 422 YSH 423 YSH 424 YSH 425 YSH 426 YSH 427 YSH 428 YSH 429 YSH 430 YSH 431 YSH 432 YSH 433 YSH 434 YSH 435 YSH 436 YSH 437 YSH 438 YSH 439 YSH 440. Tabla 6 Variable Protección Conectada Nivel Alto Peligroso Nivel Bajo Peligroso Estado de Funcionamiento VAS Estado de Funcionamiento VTF Estado de Funcionamiento VTI Estado de Funcionamiento Alimentador No. 1 Estado de Funcionamiento Alimentador No. 2 Estado de Funcionamiento Alimentador No. 3 Estado de Funcionamiento Alimentador No. 4 Estado de Funcionamiento Alimentador No. 5 Estado de Funcionamiento Lanzador No. 1 Estado de Funcionamiento Lanzador No. 2 Estado de Funcionamiento Lanzador No. 3 Estado de Funcionamiento Lanzador No. 4 Estado de Funcionamiento Lanzador No. 5 Energizado Variador de Frecuencia Alimentador 1 Marcha Variador de Frecuencia Alimentador No. 1 Fallo Variador de Frecuencia Alimentador No. 1 Energizado Variador de Frecuencia Alimentador 2 Marcha Variador de Frecuencia Alimentador No. 2 Fallo Variador de Frecuencia Alimentador No. 2 Energizado Variador de Frecuencia Alimentador 3 Marcha Variador de Frecuencia Alimentador No. 3 Fallo Variador de Frecuencia Alimentador No. 3 Energizado Variador de Frecuencia Alimentador 4 Marcha Variador de Frecuencia Alimentador No. 4 Fallo Variador de Frecuencia Alimentador No. 4 Energizado Variador de Frecuencia Alimentador 5 Marcha Variador de Frecuencia Alimentador No. 5 Fallo Variador de Frecuencia Alimentador No. 5 Energizado Variador de Frecuencia Bomba de Agua Alimentar Marcha Variador de Frecuencia Bomba de Agua Alimentar Fallo Variador de Frecuencia Bomba de Agua Alimentar Energizado Variador de Frecuencia VTI* Marcha Variador de Frecuencia VTI Fallo Variador de Frecuencia VTI Energizado Variador de Frecuencia VTF* Marcha Variador de Frecuencia VTF Fallo Variador de Frecuencia VTF. Estado Conectada Alto Bajo Funcionamiento Funcionamiento Funcionamiento Funcionamiento Funcionamiento Funcionamiento Funcionamiento Funcionamiento Funcionamiento Funcionamiento Funcionamiento Funcionamiento Funcionamiento Energizado Marcha Fallo Energizado Marcha Fallo Energizado Marcha Fallo Energizado Marcha Fallo Energizado Marcha Fallo Energizado Marcha Fallo Energizado Marcha Fallo Energizado Marcha Fallo. Las acciones digitales son referidas a los arranques y paradas de los variadores de frecuencia..

(38) …31. 1.4.6. Área de planta eléctrica. Es la instalación compuesta por turbogeneradores de vapor (ver Anexo14), paneles de fuerza, control, mando, protección y señalización donde se genera la electricidad consumida por los equipos del ingenio y en muchos casos por los consumidores del Sistema Electroenergético Nacional (SEN). Los turbogeneradores de mayor uso en la industria azucarera son de contrapresión, los cuales trabajan con una presión de escape según las necesidades del proceso tecnológico. También se instalan turbogeneradores de extracción - condensación, cuya extracción se utiliza para satisfacer las necesidades de vapor del proceso. Estos turbogeneradores pueden en tiempo inactivo continuar generando electricidad condensando todo el vapor. La cantidad y potencia de los turbogeneradores está en dependencia, en primer lugar, del balance energético del ingenio, el cual estará influenciado en gran medida por la capacidad de molida del mismo, los parámetros de trabajo del vapor y el grado de electrificación que tenga, especialmente el tándem. Entre las áreas del central azucarero, ésta es una de las más complejas e incidentes en el resultado final del trabajo, y junto a la planta de generación de vapor forman el bloque energético de esta industria. El funcionamiento deficiente de cualquiera de estas áreas repercute negativamente en la actividad de las restantes. Sin electricidad no pueden trabajar ninguna de ellas. Esta dependencia de la planta eléctrica tiene una tendencia creciente, pues cada día se avanza en una electrificación mayor de los ingenios. Es oportuno señalar que, entre otras causas, debido a la poca disponibilidad de recursos energéticos con que cuenta el país, las altas instancias gubernamentales han insistido en la necesidad de transformar a la industria azucarera, además de productora de azúcar, a productora de la electricidad que consume, e incluso haga aportes de esta, al Sistema Electroenergético Nacional (SEN). Para ello se toma en cuenta que la cogeneración eléctrica es muy eficiente y se hace en base al bagazo como combustible, que es una fuente renovable. Es por ello imprescindible darle la atención requerida para lograr la operación óptima desde el punto de vista técnico y económico. La conjugación correcta entre estos dos aspectos implica elevar la eficiencia y garantiza los resultados para los cuales se han concebido dichas instalaciones..