CAPITULO II
MARCO TEORICO
En este capítulo se presenta el marco teórico de la investigación, el cual comprende los antecedentes consultados, la fundamentación teórica y la definición de términos básicos referentes al tema de la investigación.
1. Antecedentes de la Investigación
A continuación es presentada una síntesis conceptual de las investigaciones o trabajos realizados sobre problemáticas similares, con el objetivo de obtener un mejor enfoque metodológico para la investigación.
Según Pérez (2012), en su investigación “Sistema de control difuso para la dosificación de química anti incrustante en Planta de Inyección de Agua”, Tesis de Grado para la Maestría de Control y Automatización de la Universidad Rafael Belloso Chacin. Dicha investigación se basa en el diseño de controlador difuso para la dosificación de la química anti incrustante en la PIA BA-2-1, enfocándose en la formulación de las funciones lógicas para la ejecución del controlador difuso seleccionado y verificando su funcionamiento
Enmarcada en la modalidad de proyecto factible, en la cual se realizó la identificación del sistema de inyección para modelar el proceso, realizándose esto por medio del comando IDENT de Matlab, obteniendo de esta manera la función de transferencia del sistema con una aproximación del 96%, para luego proceder al diseño de un controlador difuso, creando funciones de membrecía.
En dicho trabajo se realizó la simulación del sistema de control en lazo cerrado con el controlador en Simulink, probando distintas condiciones de entrada, obteniendo así resultados satisfactorios, ya que el error en estado estacionario tiende a hacerse cero rápidamente. Al mismo tiempo se realizaron simulaciones aplicando perturbaciones bruscas observándose que el controlador lograba estabilizar el sistema y corregir el error presente.
De esta investigación se pueden tomar los aportes de la dinámica de inyección de un sistema de bomba válvula de control, además del procedimiento de identificación de sistemas por medio de Matlab.
En el trabajo presentado por Pacheco (2007), la investigación “Sistema de Automatización de la Planta de Tratamiento de aguas efluentes de la termoeléctrica Ramón Laguna de Enelgen basado en un control optimo H2” opto al grado de Magister en Control y Automatización de Procesos en la Universidad Rafael Belloso Chacin, basándose esta investigación en proporcionar a la empresa Enelgen un sistema automatizado para la planta
de tratamiento de aguas efluentes, con el fin de obtener un sistema más eficiente por medio de la reutilización de esta agua, aplicando las bases del control optimo H2, el cual fue diseñado y simulado.
La investigación es de campo, de diseño experimental, con una metodología basada en la actividad de identificación de datos para la obtención de modelos matemáticos, el diseño del sistema automático y la evaluación del mismo. Se llegó a la conclusión de que el control optimo H2 para los procesos de coagulación y acidificación, fue el más apropiado debido a las características observadas en la simulación donde el sistema estabilizaba con o sin perturbación. Para el proceso de floculación se implanto un sistema de control de relación, obteniéndose para este un control constante del tratamiento.
Esta investigación esquematizó el sistema de tratamiento químico dentro del proceso de tratamiento de agua, proporciona ampliación de las opciones de acciones de control a ser utilizadas como otro aporte de esta investigación, además de las técnicas de modelado de sistemas químicos.
Según Soto (2007), de la Universidad Rafael Belloso Chacin, llevó a cabo la investigación titulada: “Propuesta de un Sistema de Control Automatizado para la Inyección de Aditivos Químicos en el Tratamiento del Agua de Alimentación a las Calderas de la Planta Termoeléctrica Ramón Laguna de ENELGEN”, dicha investigación tuvo como objetivo la propuesta de un
sistema de control automatizado para la inyección de aditivos químicos de la planta de tratamiento de agua, además de sintetizar una propuesta de reestructuración de puntos de medición de variables para proceder al diseño de un control automático eficiente para el control de las variables identificadas. Adicionalmente propone la instrumentación necesaria y demuestra mediante la simulación el funcionamiento del control propuesto.
Esta investigación presenta una estructura metodológica basada en un tipo de investigación descriptiva bajo la modalidad de investigación de campo. Obteniéndose los resultados de los cuales se concluyó que los históricos de datos registrados por la empresa Enelgen no pudieron ser utilizados para el modelado del sistema, debido a que no era posible la identificación de las entradas y las salidas reales del sistema, por lo cual se realizó la propuesta de redistribuir los puntos de toma de muestras en la planta. Se obtuvieron las ecuaciones matemáticas que rigen el proceso, se obtuvo el modelado del mismo y procedió a diseñar el control automático, el cual fue del tipo discreto para un tiempo de muestreo de 2000 minutos, configurándose desde el PLC existente en la planta. Se logró la estabilidad del sistema por medio de un controlador Proporcional Integral Derivativo (PID).
Del trabajo mencionado podemos tomar como aportes más significativos el estudio de la acción de control y los procedimientos de simulación en Simulink para sistemas con tiempos de muestreo altos.
Dicha investigación aporta material de referencia con respecto a las técnicas para el diseño de controladores para el manejo de variables químicas en diferentes rangos de valores.
Los autores Amaya y otros (2004), presentaron la investigación titulada “Control de pH para Planta de Tratamiento de Aguas Residuales” en la publicación Nº 14 de la revista de investigación “Ciencia e Ingeniería Neogranadina”, trabajo en el cual se desarrolló e implementó un controlador clásico PI en un PLC comercial y se automatiza la PTAR mostrando el resultado obtenido en simulación en Matlab.
Esta investigación se encuentra enmarcada en lo documental y consistió en el diseño de un controlador PI, determinación de las variables del sistema y el método de Ziegler - Nichols para la entonación del controlador, con el cual se estabiliza el sistema controlando así el mismo.
Esta investigación aportó además de la información referente a la acción de control PI introduciendo a los conceptos de observabilidad y controlabilidad muy útiles al momento de analizar controladores PI, PD o PID.
2. Bases Teóricas
Para la investigación a ser desarrollada es necesario consultar una serie de temas medulares para poder ir dando cumplimiento a los objetivos
planteados en el Capítulo I, partiendo de la teoría que define cada uno de dichos temas, como se presta a continuación:
2.1. Proceso de Tratamiento de aguas de producción para recuperación secundaria de crudo.
La inyección de agua en los yacimientos de hidrocarburos es muy común debido a que es uno de los métodos más simple, de menor costo cuando hablamos de métodos de recuperación de hidrocarburo y el factor de recobro puede llegar a ser del 60% para algunos de los casos. En principio los pozos de hidrocarburos producen de manera natural gracias a la energía interna del yacimiento hasta llegar a un punto en el que la energía presente en el yacimiento es menor a la necesaria para llevar el crudo hasta la superficie, por lo que es necesario implementar métodos secundarios de producción o recuperación con el fin de mantener el pozo produciendo a una taza fija y aumentando el factor de recobro del yacimiento. El método de recuperación por bombeo de agua es uno de estos métodos y por lo general la inyección de agua se realiza por medio de pozos llamados inyectores que se pueden encontrar en medio de varios pozos productores o al rededor de ellos con el fin de facilitar el desplazamiento de crudo por el medio poroso hasta el pozo y posteriormente hasta la superficie o por inyección desde múltiples de inyección colocados cercanos al yacimiento petrolífero para reutilización de los volúmenes de agua generados por pozos
productores con altos cortes de agua de producción, esto después de prepararla para inyección en plantas de tratamiento que controlan su pH, concentración de crudo y sedimentos y bacterias.
2.2 Descripción del Proceso de proceso de tratamiento.
En los sistemas de tratamiento de aguas de producción, proveniente de la deshidratación del crudo en las estaciones de flujo, para ser utilizada en pozos de yacimientos, debe estimarse o reducirse la presencia de sólidos en suspensión (coloides), crudo emulsionado y crudo libre, bacterias sulfo reductoras, entre otros contaminantes, todo con la finalidad de asegurar la calidad del agua para inyección y garantizar la factibilidad del proceso de recuperación secundaria sin afectar las características del yacimiento.
Entre las técnicas o procesos de tratamiento de agua para cualquier fin industrial se encuentre la clarificación, técnica altamente difundida para la remoción de turbiedad, la misma implica la adición de productos químicos denominados coagulantes y floculantes. Estos aditivos provocan que las partículas se agrupen formando floculos que logran subir a la superficie por la diferencia de densidades para facilitar la remoción de la materia contaminante.
2.2.1. Clarificación
La técnica de clarificación del agua se divide en tres etapas: coagulación, floculación y sedimentación.
La coagulación y la floculación son unas etapas del proceso que pueden resumirse como una sola, en la cual las partículas de sólidos en suspensión se aglutinan en pequeñas masas denominadas floculos, donde los mismos con pesos específicos mayores al del agua precipitan y los menores, como en el caso del crudo, formen una capa en la superficie del clarificador.
La coagulación se refiere al proceso de desestabilización de las partículas suspendidas de modo que se reduzcan las fuerzas de separación entre ellas. El termino coagulo se refiere a las reacciones que suceden al agregar un activo químico (coagulante) en agua, originando productos insolubles.
La floculación tiene relación con los fenómenos de transporte dentro del líquido para que las partículas hagan contacto. Esto implica la formación de puentes químicos entre las partículas de modo que se forme una malla de coágulos, la cual será tridimensional y porosa, formándose de esta manera un floc lo suficientemente pesado para sedimentar.
2.3. Sistema de Control.
Los sistemas de control automático han alcanzado un desarrollo tecnológico de grandes proporciones debido a su alta aplicación en diferentes procesos industriales a nivel mundial, desde controles de
desempeño de maquinas herramientas comunes, hasta robótica aplicada y tecnología espacial.
El objetivo principal de un sistema consiste en controlar las salidas del mismo, por medio de las señales de entrada que atraviesan los elementos del sistema de control. De forma más simplificada la variable controlada es la salida del sistema y la señal de acción es la entrada del mismo.
Un sistema de control es aquel sistema que tiende a mantener una relación preestablecida entre la salida y alguna entrada de referencia comparándolas y utilizando la diferencia como medio de control. Ogata (1998)
Kuo (1996), define un sistema de control como aquel que permite controlar las salidas del sistema cuya acción se realiza manipulando la variable de salida mediante una entrada de referencia y de esta manera se minimiza el error o desviación de la salida o resultado del sistema.
Dependiendo de los propósitos industriales requeridos, puede determinarse el tipo de sistema de control, sea el tipo que se requiera, los sistemas de control usados en un determinado proceso son un factor determinante en el funcionamiento optimo, rentable y confiable del mismo. Teóricamente los sistemas de control pueden clasificarse en: Sistemas de Control de Lazo Abierto y Sistemas de Control de Lazo Cerrado.
2.3.1. Sistemas de control de lazo abierto.
Son aquellos sistemas en donde la salida no tiene efecto alguno sobre la acción de control, es decir, la salida no es medida ni es retroalimentada para poder ser comparada con la entrada.
En los sistemas de control de lazo abierto para cada entrada de referencia corresponde una condición de operación, como se muestra en la Figura # 1
Figura # 1 Sistema de control de lazo abierto Kuo (1996)
Los sistemas de control de lazo abierto no realizan la tarea deseada ante la presencia de perturbaciones. En la práctica real, el control a lazo abierto solo es utilizado si se conoce la relación entre salidas y entradas y si no existe ningún tipo de perturbación interna o externa.
2.3.2. Sistemas de control a lazo cerrado.
En un sistema de control a lazo cerrado o retroalimentado, como suele denominarse en la práctica, se alimenta al controlador con la señal de error de actuación, que no es más que la diferencia entre la señal de entrada y la
señal de realimentación (que puede ser la señal de salida misma o una función de la señal de salida y sus derivadas o integrales) esto con el propósito de reducir el error y llevar la salida del sistema al valor deseado. En la Figura # 2 observamos el diagrama esquemático de un sistema básico de control a lazo cerrado.
Figura # 2 Diagrama de un sistema de control a lazo cerrado, Kuo (1996)
2.4. Control Automático
Los avances modernos en la teoría y práctica del control automático proporcionan medios para lograr el funcionamiento optimo de sistemas dinámicos, mejorando la productividad, liberando operaciones manuales rutinarias, por tanto en base a los criterios de autores como Kuo (1996) y Ogata (1998) el control automático juega un papel fundamental en el avance de las ciencias de la ingeniería.
Dentro del marco del control automático existen instrumentos capaces de medir en modo continuo el valor o la condición de una variable, que actúan automáticamente sobre el equipo para corregir el error resultante de la
comparación de la salida del sistema con el valor previamente ajustado, estos equipos son denominados controladores.
Los controladores automáticos al determinar el error entre la salida y el valor previsto de la entrada, producen una señal de control que reduce dicho error a cero o a un valor muy pequeño, esta tarea la realiza mediante una acción de control la cual determina la clasificación del controlador.
Según el tipo de acción de control, los controladores están clasificados de la siguiente manera:
Acción de control de dos posiciones (on/off) Acción de control Proporcional
Acción de control Integral
Acción de control Proporcional Integral Acción de control Proporcional Derivativa
Acción de control Proporcional Integral Derivativa Control de Relación
Control Discreto
2.4.1. Acción de control de dos posiciones (ON/OFF)
En este sistema de control el elemento de actuación solo tiene dos posiciones fijas, que para muchos casos son simplemente encendido y apagado. Este control es relativamente simple y económico, por lo cual su
uso es extremadamente común en sistemas de control industrial y domésticos.
Si la señal de salida del controlador es u(t) y la señal de error es e(t), entonces, en el control de dos posiciones, la señal u(t) permanece en un valor ya sea máximo o mínimo, dependiendo de si la señal de error es positiva o negativa. De manera tal que:
u(t) = u1 para e(t)>0 (1)
u(t) = u2 para e(t)<0 (2)
Donde u1 y u2 son constantes, por lo general el valor mínimo de u2 es cero
(0) o –u1. Es común que los controladores de dos posiciones sean
dispositivos eléctricos, en ese caso es mayormente usada una válvula eléctrica operada por solenoides. Los controladores neumáticos proporcionales con ganancias muy altas funcionan como controladores de dos posiciones. En la Figura # 3 se muestran los diagramas de bloque para controladores de dos posiciones.
Figura # 3 Diagrama de bloque controlador on/off con brecha y sin brecha diferencial. Ogata (1998)
El rango en el que debe moverse la señal de error antes de ocurrir la conmutación es denominado brecha diferencial.
Para controladores con brecha diferencial, la salida del controlador u(t) conserva su valor presente, hasta que la señal de error se haya desplazado ligeramente mas allá de cero.
Para algunos casos la brecha diferencial es el resultado de una fricción no intencionada o de un movimiento perdido, sin embargo, con frecuencia se provoca de forma intencional para evitar una operación demasiado frecuente del mecanismo de encendido y apagado.
2.4.2. Acción de control proporcional
Un controlador proporcional es aquel dispositivo corrector final el cual no está obligado a tomar una posición de todo o nada, por el contrario, tiene un rango continuo de posiciones posibles. La posición exacta a tomar va a ser proporcional a la señal de error del sistema de control. En otras palabras la salida del bloque del controlador es proporcional a su entrada.
El valor de la corrección introducida por el controlador es definido por una banda proporcional, la cual es porcentaje del rango completo del controlador, que debe cambiar el valor medido del 100% del dispositivo corrector. La mayoría de los controladores proporcionales poseen una banda ajustable, generalmente variable de un porcentaje algunos cientos.
Para un controlador proporcional, la relación entre la salida u(t) y la señal de error e(t) es:
u(t)=Kp(e(t)) (3)
Al aplicar Transformada de Laplace obtenemos:
u(t)/e(t) = Kp (4)
Donde Kp es la ganancia proporcional.
Cualquiera que sea el mecanismo real y la forma de potencia de operación, el controlador proporcional es en esencia un amplificador con una ganancia ajustable. En la Figura # 4 se presenta el diagrama de bloque de un controlador proporcional.
Figura # 4 Diagrama de bloque controlador proporcional. Ogata (1998)
2.4.3. Acción de Control Integral
En el controlador que utiliza la acción de control integral, el valor de la salida del mismo u(t) varía en razón proporcional a la señal de error e(t), es
decir: ( ) Kt(t) dt t du o bien
t dt t e Kt t u 0 ) ( ) ( (5)Donde Kt es una constante ajustable, entonces la función de transferencia del controlador integral es:
S Kt s E s U ) ( ) ( (6)
Si se duplica el valor de e(t), el valor de u(t) varia a doble velocidad. Ante un error igual a cero el valor de u(t) parece estacionario. Es común nombrar a la acción de control integral como control de reajuste o reset.
El diagrama de bloque de la acción de control integral se encuentra representado en la figura # 5.
Figura # 5 Diagrama de bloque Controlador Integral. Ogata (1998)
2.4.4. Acción de Control Proporcional Integral
La acción de control proporcional integral es la más adecuada para ser utilizada en procesos donde los cambios de cargas son grandes y rápidos y el punto de ajuste varia considerablemente.
Esta acción de control se define de la siguiente manera:
t dt t e Ti Kp t e Kp t u 0 ) ( ) ( . ) ( (7) Donde la función de transferencia del controlador es: Tis Kp s E s U 1 1 ) ( ) ( (8)
Donde Kp es la ganancia proporcional y Ti se denomina tiempo integral. Ambos factores son ajustables. El tiempo integral ajusta la acción de control integral, mientras que un cambio en la ganancia proporcional afecta tanto la parte integral como proporcional de la acción de control.
El inverso del tiempo integral Ti se denomina velocidad de reajuste, la cual está definida como la cantidad de veces por minuto que se duplica la parte proporcional de la acción de control. La velocidad de reajuste es medida en términos de las repeticiones por minuto. En la Figura # 6 se observa el diagrama de bloque de un controlador proporcional integral con una entrada escalón.
Figura # 6 Diagrama de bloques controlador PI. Ogata (1998)
2.4.5. Acción de Control Proporcional Derivativa
Esta acción de control está definida por la siguiente ecuación:
dt t de Td Kp t e Kp t u( ) . ( ) . ( ) (9) Donde la función de transferencia estará definida por:
) 1 ( ) ( ) ( TdS Kp S E s U (10)
Kp es la ganancia proporcional y Td es una constante denominada tiempo derivativo. La acción de control derivativa en ocasiones denominada control de velocidad, ocurre donde la magnitud de la salida del controlador es proporcional a la velocidad de cambio de la señal de error.
El tiempo derivativo Td es el intervalo de tiempo durante el cual la acción de la velocidad hace avanzar el efecto de la acción de control proporcional. La acción de control derivativa nunca prevé una acción que nunca ha ocurrido. Aunque la acción de control derivativa tiene la ventaja de ser de previsión y posee la desventaja de que amplifica las señales de ruido, lo que puede provocar un efecto de saturación en el actuador.
En la Figura # 7 se observa el diagrama de bloque de un controlador proporcional derivativo, con una entrada función rampa unitaria.
Figura # 7 Diagrama de bloque control PD. Ogata (1998).
La acción de control derivativa nunca es usada por sí sola, debido a que solo es eficaz en periodos transitorios.
2.4.6. Acción de Control Proporcional Integral Derivativa
La combinación de un acción de control proporcional, una acción de control integral y una acción derivativa es empleada, según Kuo (1996) debido a que el controlador PD puede añadir amortiguamiento a un sistema, esto sin afectar la respuesta en estado estable. El controlador PI puede mejorar la estabilidad relativa y el error en estado estable al mismo tiempo. La acción de control PID combina las ventajas descritas anteriormente y la ecuación del controlador con este tipo de acción de control está determinada por:
t dt t de KpTd dt t e Ti Kp t e Kp t u 0 ) ( ) ( ) ( . ) ( (11)Obteniendo la función de transferencia:
Tds Tis Kp s E s U 1 1 ) ( ) ( (12)
Donde Kp es la ganancia proporcional, Ti el tiempo integral y Td el tiempo derivativo.
En la Figura # 8 se presenta el diagrama de bloque de la acción de control PID, para una entrada rampa unitaria.
Figura # 8 Diagrama de bloque PID. Ágata (1998)
2.4.7. Control de Relación
El objetivo del control de relación es controlar el flujo o el volumen de una variable en función de otra. Esta técnica de control, es aplicada por lo general a dos cantidades de flujo, que deben mantener una relación prefijada por el usuario.
Por lo general se tiene una línea de flujo de un fluido libre y sobre esta se mide la cantidad de fluido existente en velocidad o volumen, este valor se envía a un controlador que contiene un factor multiplicador o divisor, cuya señal actúa sobre la válvula de control de otra línea con flujo proporcional al valor censado (flujo controlado).
El flujo libre se llama variable independiente y el flujo controlado se llama flujo dependiente. Para este tipo de estrategia de control es necesario tomar las siguientes consideraciones:
Ambas señales deben tener las mismas unidades.
El rango de los controladores deben ser compatibles con las señales recibidas de un 0% a un 100%.
Tomar en cuenta que en la medición de fluidos la linealidad se pierde en los extremos de la medición.
Las características de los fluidos deben ser similares.
2.4.8. Control Discreto
Un sistema de control en tiempo discreto es aquel donde una o más variables pueden cambiar solo en valores discretos de tiempo.
Estos instantes pueden especificar los tiempos en los que se lleva a cabo alguna medición de tipo físico o los tiempos en los que se extraen los datos de la muestra de una computadora digital. El intervalo de tiempo entre estos dos instantes discretos se supone es suficientemente corto de modo que el dato para el tiempo entre estos se pueda aproximar mediante una interpolación simple.
Los sistemas de control en tiempo discreto difieren de los sistemas de control en tiempo continuo, en que la señal para el tiempo discreto esta en forma de datos muestreados o de forma digital. Si en el sistema de control está involucrada una computadora digital como un controlador, los datos muestreados deben convertirse en datos digitales.
2.5. Sintonización de un controlador proporcional integral derivativo (PID)
Según Ogata (1998) las ecuaciones de Ziegler y Nichols proponen las pautas para la determinación de los valores de la ganancia proporcional Kp, del tiempo integral Ti y del tiempo derivativo Td, con bases en las características de respuesta transitoria de una planta especifica.
Tal demostración de dichos parámetros la realizan los ingenieros de campo mediante experimentos sobre el proceso mismo a controlar. Dentro de las reglas de Ziegler Nichols se tiene un caso con el que se pretende obtener un 25% de sobre paso máximo en la respuesta escalón, en este caso obteniendo la respuesta a una entrada escalón unitario de manera experimental si la planta no contiene integradores ni polos dominantes complejos conjugados, la curva de respuesta escalón unitario puede tener forma de S. Tales curvas son generadas experimentalmente a través de una simulación de la dinámica de la planta.
La curva de respuesta se caracteriza por dos parámetros, el tiempo de retardo L y la constante de tiempo T. Estos para metros se obtienen dibujando una recta tangente en el punto de inflexión de la curva y determinando las intersecciones de esta recta tangente con el eje del tiempo C(t) = k. En este caso la función de transferencia C(s)/U(s) se aproxima mediante un sistema de primer orden con un retardo de transporte:
1 ) ( ) ( 1 Ts Ke t U t C s (13)
Según Ziegler - Nichols los valores de Kp, Ti y Td pueden calcularse de acuerdo a la siguiente tabla:
Tabla # 2. Tabla de sincronización de Ziegler Nichols, basada en respuesta escalón.
Ogata (1998)
2.6. Controlabilidad y Observabilidad
Se dice que un sistema de control es controlable o de estado controlable, si y solo si, existe una señal de control constante por intervalos de u(kt) definidos a lo largo de un número finito de periodos de muestreo, de forma que a partir de cualquier estado inicial Xo(kt) puede ser transferido al estado deseado Xf en n periodos de muestreo como máximo, esto según Ogata (1998).
La matriz de controlabilidad para un sistema definido por:
H GH G H G H
C 2 ... n 1 (14)
El rango de la matriz de controlabilidad es n.
Un sistema de control en tiempo discreto, lineal e invariante con el tiempo, se dice que es observable, si cualquier estado inicial Xo puede determinarse a partir de la observación de y(kt) y sobre un numero finito de periodos de muestreo.
La matriz de observabilidad para un sistema de tipo:
) ( ) ( ) ( 1 kT Cx kT Y kT Gx T k X (16)
T T T T n T
C G C G C O ... 1 (17)2.7. Controladores Lógicos Programables (PLC)
El controlador lógico programable nació como solución al control por circuito de automatización. Por lo tanto se puede decir que un PLC no es más que un aparato electrónico que sustituye los circuitos auxiliares o de mando de los sistemas automáticos. A el se conectan captadores (finales de carrera, pulsadores…) por una parte, los actuadores (bobinas de contactores, lámparas, pequeños receptores…) por otra.
Un controlador lógico programable se define como un dispositivo electrónico operado digitalmente que utiliza la memoria programable para el almacenamiento interno de instrucciones a fin de implementar funciones especificas, tales como lógicas, secuenciales, tiempo, conteo y aritméticas, y
así de esta manera controlar varios tipos de equipos o maquinas integrantes de un proceso, a través de módulos de entrada y salida analógicos o digitales.
2.7.1. Aplicaciones de los PLC
El campo de aplicación de los PLC es muy amplio dentro del mundo de la automatización de procesos, pero es principalmente utilizado en las siguientes funciones:
Control de procesos.
Visualización y monitoreo de condiciones de una instalación. Control y puesta a punto de maquinas herramientas.
Señalización y control.
2.7.2. Configuración de un PLC
De acuerdo a la necesidad técnica que requiera solución con un controlador lógico programable, la configuración del mismo puede variar a nivel de su complejidad, independientemente de este factor los elementos esenciales del PLC son los descritos a continuación:
- Hardware: Por hardware se entienden los grupos electrónicos. Estos se encargan de activar o desactivar las funciones controlables de la instalación o maquinaria en función de una secuencia lógica
determinada. La parte esencial del hardware del PLC es la unidad central de proceso o CPU, por su construcción la CPU es casi idéntica a un ordenador, su actividad interna se califica de procesador, los datos que procesa y analiza la CPU son señales binarias. Estas se componen respectivamente casi siempre de un bit estado cero (inactivo) o estado 1 (activo).
- Software: Son los programas que determinan los enlaces lógicos, es decir, el mando de los grupos controlables en la instalación o maquinaria. Los programas del PLC son elaborados partiendo de programas o códigos fuente, que el operario programador puede confeccionar de tres formas diferentes: (a) En forma de listado programa de instrucciones (AWL), (b) En forma de diagrama de contactos (KOP) y (c) En forma de diagrama de funciones (FUP). - Sensores: Son transmisores de señales. El PLC utiliza los sensores
para consultar estados en la instalación o en los equipos controlables. El PLC trabaja con electricidad, por ello las señales no eléctricas tienen que ser convertidas por los sensores, de lo contrario, el modulo de entradas no podrá interpretarlas. Los elementos sensores podrán ser conmutadores o detectores de proximidad.
- Actuadores: Son elementos ejecutores, estos toman las señales binarias de los módulos de salida y las amplifican para señales de conmutación o las convierten en señales para otras formas de
electro neumáticos, los elementos actuadores también pueden ser zumbadores o electroválvulas.
- Equipo programador: Se utiliza para introducir o editar los programas, para traducirlos al código PLC, para implementarlos en el PLC y para comprobarlos. Los equipos especiales de programación permiten normalmente la programación con símbolos específicos y propios para la correspondiente tarea de control, los símbolos indicados se basan en la norma DIN 19239.
3. Sistema de Variables de la Investigación.
Las variables de estudio de esta investigación son las siguientes: Sistemas de Control Automático para inyección de química.
3.1. Sistema de Control Automático para inyección de química.
Definición Conceptual: Según Kuo (1986), un sistema de control
automático se refiere a la amplia variedad de elementos, sistemas o procedimientos que operan con poca o ninguna intervención humana. Un sistema de control automático ajusta su operación en respuesta a los cambios de las condiciones externas en tres pasos: medir, evaluar y controlar.
el mismo integra las funcionalidades básicas y fundamentales para el control optimizado de la inyección de una sustancia química a un caudal de fluido dentro de un proceso de producción. Dichos sistemas permiten la inyección de químicos en función de mediciones de otras variables, mediante un control automático del lazo de flujo o en su defecto un sistema alterno de dosificación en lazo abierto, permitiendo la medición en línea de las variables.
Definición Operacional: El sistema de control automático para inyección de química es aquel que solo necesita una calibración inicial para ser capaz de mantener la concentración de crudo en agua de la Planta de Tratamiento dentro del valor permisible en el proceso automáticamente, utilizando una gran variedad de dispositivos encargados de censar los cambios, como los sensores de crudo en agua, bombas de inyección, todos estos con entradas analógicas de 0 a 20 mA, dichos dispositivos estructurados de manera que sea posible obtener las condiciones para evaluar el error entre el valor medido contra el valor deseado para realizar el ajuste necesario. La variable manipulada en este caso es el sistema de control automático para la inyección de química clarificante, ya que es el encargado de regular la cantidad y la frecuencia de inyección del aditivo químico conocido como clarificante a los depósitos de agua de producción, para lo que se realiza el modelado de dicho proceso para la obtención del modelo matemático de
mayor aproximación en porcentaje, al mismo tiempo esta variable es segregada en la medición de otra variable por medio de un sensor de crudo en agua en cual mide en partículas por millón (ppm).
La eficiencia del sistema de control es medida en función de la cantidad de agua tratada diariamente, el nivel de los tanques de química de cada punto de inyección y el control de inyección de aditivos químicos (clarificante).
4. Cuadro de referencias bibliográficas.
A continuación en la Tabla # 3 se presenta el desarrollo de las referencias bibliográficas de la investigación.
Objetivo General: Proponer un sistema de control automático para la inyección de química clarificante con el fin de optimizar el proceso de tratamiento de aguas efluentes de
producción de crudo en la Planta de Tratamiento de Aguas de Producción del Patio de Tanques Lagunillas Norte.
OBJS. ESPECIFICOS VARIABLE AREA SUB-AREA
Determinar el esquema de operación actual de la planta de tratamiento de agua con condiciones reales de funcionamiento.
Sistema de Control Automático para Inyección de Química
Clarificante
Proceso de Tratamiento de Aguas Efluentes de Producción.
• Volumen de agua (BNPD) • Crudo en agua (ppm)
Identificar las variables que intervienen en el proceso de inyección de química clarificante en la planta de tratamiento del patio de tanques
Lagunillas Norte. Entradas y salidas del sistema de inyección de química clarificante.
• Señal de entrada de la bomba inyectora (mA)
• Cantidad de química a inyectar (L)
Obtener el modelo matemático del proceso de inyección de química clarificante para el tratamiento de agua para inyección, mediante la
identificación de sistemas generada por los datos recolectados en sitio. Modelo Matemático del Sistema de Inyección.
• Datos de entrada y salida del proceso (mA, L, ppm)
• Aproximación del modelo (%)
Evaluar el sistema de control automático Proporcional Integral Derivativo
(PID) para el proceso de inyección objeto del modelado del sistema. Estrategias de Control a Utilizar.
• Acciones de control. • Control Discreto. • Control de Relación.
Simular el sistema de control automático PID para la inyección de
química en la herramienta Simulink de Matlab. Simulación de parámetros del
controlador.
• Constantes de Proporcionalidad, Interacción y derivativa (Kp, Ki y Kd). • Señales de perturbación.
Proporcionar la programación del Controlador Lógico Programable de la planta con las características del sistema de control seleccionado.
Programación del Controlador Lógico Programable.
• Forma de funciones (AWL) • Diagrama de Contactos (KOP). • Funciones (FUP).
