Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial
Automatización con sistema de control distribuido comercial de una
maqueta de prácticas
TRABAJO FIN DE GRADO
GRADO EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA
Autor: Juan José Gea Rodríguez Director: Héctor David Puyosa Piña
Cartagena, 12 de Septiembre de 2016.
ÍNDICE
1. Introducción………10
1.1 Conceptos generales………..11
1.1.1 Reacción química……….12
1.1.2 Reactor tipo batch………....15
2. Objetivos del trabajo……….16
3. Selección y comprobación del hardware de la planta……….19
3.1 Ingeniería de detalle………...19
3.1.1 Alcance y procedimientos………..19
3.1.2 Criterios globales de diseño………..20
3.1.3 Arquitectura de sistemas………21
3.1.4 Tecnología de transmisión……….21
3.1.5 Compatibilidad electromagnética……….21
3.1.6 Simbología gráfica………..22
3.1.7 Codificación de instrumentos y señales……….22
3.2 Diagrama de instrumentación y tuberías (P&ID)………...23
3.3 Plano de situación de instrumentos (Setting Plan)……….….24
3.4 Instalación de tuberías……….…24
3.4.1 Selección de tuberías………...24
3.4.2 Selección de conectores………..25
3.5 Sensores y actuadores………26
3.5.1 Sensor de temperatura………26
3.5.1.1 Transmisores de temperatura………...31
3.5.2 Sensor de nivel……….32
3.5.3 Sensor de caudal………35
3.5.4 Actuadores………..37
3.5.4.1 Bomba……….37
3.5.4.2 Variadores de frecuencia……….38
3.5.4.2.1 Regulador de velocidad………..43
3.5.4.3 Válvulas solenoides……….45
3.5.4.4 Resistencia calefactora………...46
3.5.4.5 Calentador de línea……….…52
4. Instalación eléctrica de la planta piloto……….…53
4.1 Circuito de fuerza……….…..54
4.2 Circuito de mando……….….…55
4.3 Elementos de conexión entre campo y sistemas de control.….56 4.3.1 Cables de instrumentación………...56
4.3.2 Caja de conexión (Juction Box)……….….57
4.3.3 Multicables………...58
4.3.4 Armario de Marshalling………....58
4.3.5 Tubing……….……59
4.3.6 Bornero de terminales………...59
5. Sistema de control de la planta piloto………60
5.1 Evolución histórica de la automatización industrial. Estado del arte (I)………....60
5.2 Tipo de control: PLC o DCS………..63
5.3 Delta V Emerson……….67
5.3.1 Resumen del sistema Delta V………..67
5.3.2 Hardware……….……….67
5.3.3 Conceptos del sistema Delta V………...69
5.3.4 Terminología………..69
5.3.5 Aplicaciones del software Delta V………...71
5.3.5.1 Herramientas de ingeniería………...…….72
5.3.5.1.1 Auto-update service………...73
5.3.5.1.2 Configuration assistant………..73
5.3.5.1.3 Continuous historian administration………73
5.3.5.1.4 Control studio……….73
5.3.5.1.5 Database administrator………74
5.3.5.1.6 Delta V explorer………74
5.3.5.1.7 Delta V operate configure………...75
5.3.5.1.8 Flexlock……….76
5.3.5.1.9 Recipe Studio………...76
5.3.5.1.10 System Alarm management……….76
5.3.5.1.11 System preferences………..……76
5.3.5.1.12 User manager………76
5.3.5.2 Herramientas de control avanzado………..77
5.3.5.2.1 Delta V inspect………...…77
5.3.5.2.2 Delta V neural………....77
5.3.5.2.3 Delta V predict………...…77
5.3.5.2.4 Delta V predictpro……….78
5.3.5.2.5 Delta V simulate suite………...………..78
5.3.5.2.6 Delta V tune………..79
5.3.5.3 Herramientas del operador……….79
5.3.5.3.1 Batch history view………...79
5.3.5.3.2 Delta V operator interface…….….……80
5.3.5.3.3 Delta V login……….…….…..80
5.3.5.3.4 Delta V operate run………...…80
5.3.5.3.5 Diagnostics……….80
5.3.5.3.6 MPC operate………..80
5.3.5.3.7 Process history view……….81
5.3.5.4 Otras aplicaciones………..81
5.3.5.4.1 OPC server………81
5.3.5.4.2 Delta V Excel add-in…….………81
5.3.5.4.3 Delta V continuous historian excell add- in………82
5.3.5.4.4 OPC mirror………82
5.3.5.4.5 Introducing Delta V……….82
6. Estrategia de control……….82
6.1 Control clásico vs control moderno………..82
6.2 Desarrollos históricos de la teoría y práctica del control. Estado del arte (II)……….84
6.3 Definiciones básicas en teoría de control………...85
6.4 Ejemplos de sistemas de control………86
6.5 Control en lazo cerrado vs control en lazo abierto..89
6.6 Diseño y compensación de sistemas de control….91 6.7 Estrategia de control utilizada en la planta piloto...92
7. Desarrollo del simulador de la planta piloto…………..94
7.1 Introducción………..94
7.2 Ecuaciones diferenciales de la planta piloto……..94
7.3 Herramientas utilizadas……….95
7.4 Simulación de control de nivel y caudal………….98
7.5 Simulación de control de temperatura………99
7.6 Control de temperatura de entrada al reactor…..101
7.7 Interfaz HMI para el simulador………103
7.7.1 Visualización de datos en el HMI…………104
7.7.2 Animación de objetos………105
7.7.3 Alarmas………...…………105
7.7.4 Modo de operación del HMI……….106
8. Desarrollo del proceso de control real………108
8.1 Funcionamiento real del proceso………...108
8.2 Bloques utilizados………....109
8.3 Controladores PID………...110
8.3.1 Acción proporcional…………...…….…….111
8.3.2 Acción integral………..111
8.3.3 Acción derivativa………..111
8.3.4 PIDs en control studio……….111
8.4 Experimentos reales. Pruebas de lazo…………115
8.4.1 Control de caudal……….115
8.4.2 Control de nivel………....117
8.4.3 Control de temperatura………..119
9. Conclusiones del trabajo realizado………..…120
10. Posibles trabajos futuros………...122
11. Bibliografía y referencias……….……..123 12. Índice de imágenes………...….125 13. Anexos……….130
.
AGRADECIMIENTOS
En primer lugar, quiero dar las gracias al profesor Héctor Puyosa, por haberme dado la oportunidad de realizar este trabajo de fin de grado, gracias al cual he podido aprender a manejar un sistema de control distribuido y comprender mejor el funcionamiento de un proceso industrial. También agradecer la colaboración de los profesores Julio Ibarrola y José Manuel Cano.
En segundo lugar, expresar mis más sinceras gracias a la gente de Sabic, Emerson, Inabensa y demás empresas asociadas que han colaborado en este proyecto, en especial a Santiago Córdoba. Sin ti, y sin el resto, este proyecto no hubiera sido posible. Tu experiencia, ganas de transmitir, es lo que lo ha impulsado esto hacia adelante. Mil gracias.
Quiero dar las gracias a la Universidad Politécnica de Cartagena por estos 4 años vividos. En primer lugar, porque aunque ha sido una experiencia muy dura, me ha enseñado a afrontar los momentos difíciles que un ingeniero se puede encontrar en su día a día. Y en segundo lugar porque gracias a esta etapa he conocido a grandes personas que me llevo para toda la vida.
A mis compañeros de clase y de demás grados. Hemos compartidos grandes momentos, y aunque otros no los hayan sido tanto, hemos salido adelante. Una promoción de las que ya no existen. Esto no es un adiós, porque lo que ha unido la universidad, el tiempo no lo separará.
A todos los profesores que me han dado clase, por intentar transmitirme sus
conocimientos desde la experiencia, y el mensaje de que cuando un profesor te aprieta no es porque quiere ahogarte, sino porque quiere sacar lo mejor de ti.
A mis compañeros de piso Cerrillo, Joaquín y Víctor, por los grandes momentos y risas que hemos vivido durante estos 4 años metidos en nuestra caverna. Inolvidable.
A Manuel y Alberto, compañeros de la planta piloto, por los momentos compartidos durante el desarrollo de nuestros correspondientes TFGs.
A Pepe y todos los demás trabajadores del bar “Dower’s”, por animarnos las noches de fútbol y servirnos cañas en los momentos de dificultad. También a Paco, del asador de pollos, por tu excelente trato. Sois enormes.
Dar gracias eternas a los que me han llevado en volandas desde que tengo uso de razón: mis amigos. Gente de bullas (Duque, Sema, Pipa, Alfonso, Felipe, Muri, Struck, López, Fran, Caballero y el resto de gente de la peña “El Eskorbuto”), gente de la playa (Juan Antonio Pastor, Ángel, Noguera, Cuartero, Alex, Mario, Perikales, Cerdán, Laura Carcelén, Bea, y todos los demás) y en definitiva, toda aquella persona que creyó en mí desde el primer momento y siempre ha estado ahí… millones de gracias. Sin vosotros jamás hubiera llegado hasta aquí.
Y finalmente, y no menos importante, dar las gracias a mi padres y a mi hermana. Por haberme apoyado cuando tomé la decisión de estudiar este grado, por soportarme en las épocas de exámenes, por animarme siempre. Sobre todo tú, mamá. Tú eres la verdadera responsable de que mi vida haya sido posible, de que pueda decir que soy un hombre hecho y derecho. Eres y serás el pilar fundamental de mi día a día, ejemplo a seguir, espejo en el que me miro. Todo lo que sé, y todo lo que soy, sin duda alguna, es gracias a ti.
La maqueta que se pretende automatizar es una planta piloto, la cual se encuentra en el departamento de “Ingeniería de sistemas y automática” de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de la Universidad Politécnica de Cartagena.
Una planta piloto es una planta de proceso fabricada a escala reducida, cuya experimentación constituye una de las técnicas más clásicas en cuanto al diseño de procesos se refiere. Así, el diseño de las plantas piloto surge debido a la necesidad de obtener información sobre el desarrollo de un proceso físico o químico: comportamiento de una reacción química en unas condiciones más estrictas que las que tendría en un laboratorio, estudiar si dicho proceso es viable técnicamente y económicamente,
establecer los parámetros y variables de proceso para el posterior diseño de la planta a escala industrial…
Una planta piloto difiere de una planta de laboratorio no en las dimensiones (ambas pueden ser de igual tamaño), sino en que una planta piloto puede utilizarse para la producción real de un producto, ya que representa de forma exacta todo el proceso de producción, mientras que en una planta de laboratorio no tiene por qué darse esta posibilidad.
El tamaño de una planta piloto puede variar en función del proceso que se quiera estudiar. Así pues, estas plantas se utilizan en un gran abanico de campos industriales, por lo que cada planta piloto se adaptará a las necesidades que se precisen en cada campo.
Los grandes avances producidos en los últimos años en la electrónica y en las
comunicaciones han dado lugar a que en la actualidad las plantas piloto dispongan de una instrumentación óptima, sistemas de adquisición de datos, sistemas de
monitorización y control; además de conseguir que en la planta piloto se alcancen condiciones de temperatura y presión similares a las que se alcanzarían en dicho proceso en una planta industrial. De esta manera, es posible realizar un estudio más a fondo del proceso.
Figura 1.1: Ejemplo de planta piloto.
En concreto, la planta piloto en la que está enfocada este trabajo se desarrolló
inicialmente para realizar estudios y pruebas sobre una planta de control de procesos químicos real.
En la industria de procesos, los reactivos químicos se convierten en productos de manera controlada y bien definida. Un fallo en la carga incorrecta de los reactivos, un error de funcionamiento del sistema de refrigeración, un mal estado de los sensores y/o actuadores o una mala previsión son alguna de las causas que pueden provocar el descontrol de una reacción química en el ámbito industrial. Además, los parámetros de proceso tales como la presión, caudal, temperatura… pueden modificar las condiciones bajo las cuales las reacciones tienen lugar. Y no se debe olvidar tampoco que el peligro puede aparecer debido a la aparición de otras reacciones químicas inducidas e
indeseadas: golpes, calor, fricción, contaminación, cargas electrostáticas…
1.1 CONCEPTOS GENERALES
Debido a la complejidad y cuidado que hay que tener a la hora de ahondar en el control de una planta de procesos químicos, es necesario previamente asentar algunos
conceptos básicos, antes de pasar a explicar los objetivos que se pretenden lograr con la realización de este trabajo.
Figura 1.1.1: Planta de control de procesos químicos real.
1.1.1 REACCIÓN QUÍMICA
Se define como reacción química a una operación unitaria cuyo objetivo es distribuir de forma distinta los átomos de ciertas moléculas reactantes (reactivos) para formar otras nuevas (productos). El lugar físico donde se llevan a cabo las reacciones químicas se denomina reactor químico.
Los factores que hay que tener en cuenta a la hora de llevar a cabo una reacción química son:
Condiciones de temperatura, presión y composición necesarias para que los materiales entren en estado de reacción.
Las fases que se encuentran presentes en dicha reacción.
Las características cinéticas y termodinámicas de la reacción.
La pérdida de control de una reacción química es el desarrollo incontrolado de la misma. El descontrol de una reacción no tiene por qué ocurrir exclusivamente en el reactor químico durante el proceso productivo, sino también en otras unidades como columnas de destilación, tuberías o depósitos de almacenamiento, entre otros.
Como hemos señalado anteriormente, una reacción fuera de control puede
desencadenarse por diversas causas: pérdida de la capacidad de refrigeración del sistema (provocada por la pérdida de fluido refrigerante, disminución del área de intercambio, reducción del coeficiente de intercambio de calor, temperatura de refrigeración demasiado elevada), alteraciones en la materia prima utilizada como reactivo (en su concentración, presencia de impurezas, en las características del flujo de adición…) o incluso por causas externas (fuego…).
Sin embargo, a pesar de que el origen del descontrol de una reacción química puede ser muy diverso, en la mayor parte de los casos el resultado final es muy similar, y las consecuencias dependen principalmente de la energía térmica de la masa de reacción en el momento en el cual se produce el descontrol, más que la causa que la ha
provocado. La energía liberada repentinamente puede causar daños, heridos y/o muertos por el efecto directo de las altas temperaturas y presiones, y puede causar enfermedades y muerte por la liberación de sustancias tóxicas.
Figura 1.1.1.1: Reacción química de combustión.
Las consecuencias de una reacción descontrolada pueden ser muy variadas: desde la simple formación de espuma que inunda la cámara del reactor, hasta un aumento sustancial de la temperatura, al cual le sigue una elevación de la presión generada por los gases producidos en la descomposición o ebullición, o por la presión de vapor de los líquidos en el reactor. Si esta presión nos es aliviada, el reactor puede sufrir sobrepresión y, en el peor de los casos, conducir a una explosión.
Una explosión es una transformación rápida de un sistema material, en el cual se libera una gran cantidad de energía en un periodo de tiempo corto, a la vez que hay una emisión de gas eventualmente inflamable. Cuando el origen de la transformación se debe a un aumento de la temperatura, se habla de explosión térmica. Este aumento de la temperatura puede ser de origen interno o externo, dependiendo del caso.
En resumen, puede producirse una explosión por descontrol térmico con la combinación de dos o más factores de los mostrados a continuación:
Desprendimiento elevado de calor de la reacción química principal, de una reacción secundaria o de la posible descomposición de los reactivos.
Acumulación de reactivos o productos intermedios.
Eliminación insuficiente del calor generado.
Materiales involucrados térmicamente peligrosos.
Pérdida de disipador de calor o de refrigerante.
Presencia de una fuente de ignición.
Figura 1.1.1.2: Explosión en una planta industrial
Finalmente, si se desea valorar la probabilidad de encontrarse ante una situación de descontrol de una reacción química, hay que considerar estos 5 factores:
La temperatura inicial.
Otras fuentes de calor que puedan generarse durante el desarrollo de la reacción.
El potencial energético del sistema, es decir, la cantidad de calor que liberarían todas las reacciones químicas que se consideren posibles.
La cinética de la reacción, que determina la velocidad de liberación del potencial energético del sistema. Es necesario conocer la liberación de calor en función de la temperatura y la conversión.
La capacidad de eliminación de calor del sistema, ya sea por ebullición de la mezcla reaccionante o por intercambio de calor con el exterior.
Generalmente resulta difícil predecir con exactitud el comportamiento de un sistema.
Además, las consecuencias de un pequeño error de cálculo pueden ser muy graves desde el punto de vista de la seguridad. Por este motivo, se realizan pruebas
experimentales que permiten obtener una serie de datos sobre la reactividad del sistema cuando no se conoce bien la cinética de la reacción que se está produciendo.
Hoy en día existen diversas formas y métodos para determinar experimentalmente la reactividad de un sistema y con ello conocer el riesgo intrínseco del propio sistema.
Figura 1.1.1.3: Ejemplo de cálculo de velocidad de reacción de una reacción química.
1.1.2 REACTOR TIPO BATCH
Un reactor tipo Batch es un recipiente agitado, en el cual los reactivos son pre- cargados, que se vacía cuando la reacción se ha completado, y que consta de dos superficies de almacenamiento independientes y separadas: una, un depósito donde se produce la reacción química; y otra llamada camisa, que es de superficie menor que el depósito de alberga la reacción, por la cual circulará un fluido a una determinada temperatura, con el fin de calentar o refrigerar dicha reacción en un proceso de intercambio de calor.
La ventaja principal de este tipo de reactores es la flexibilidad que dan en este tipo de procesos industriales, donde es muy importante ofrecen una gran variedad de
productos e introducir novedades con la mayor rapidez posible, pues el sector químico opera en un mercado altamente competitivo. Se diseñan para manejar un rango de operaciones y productos. La flexibilidad permite manufacturar nuevos productos sin tener que construir una nueva planta o sin tener que hacer grandes modificaciones de equipo. Esta flexibilidad también permite producir pequeñas cantidades de un producto determinado sin arriesgar toda la productividad.
En este tipo de reactores, todos los reactivos son cargados inicialmente en el reactor y la reacción continúa entonces hasta completarse. Una desviación excesiva de la reacción suele ser difícil de controlar.
Los reactores Batch se caracterizan por trabajar en condiciones no estacionarias, es decir, que durante la operación la composición y generación de calor cambian. Son unidades multifuncionales cuya operación es crítica, además de precisar de un control automatizado de la temperatura de reacción. Debido a su naturaleza compleja, un gran porcentaje de reactores Batch en funcionamiento actualmente no puede mantener el control de la temperatura durante todo su periodo de operación. Como resultado de la falta de control automático de la temperatura, se puede resaltar una menor eficiencia y mayor necesidad de operadores para manipular el sistema, así como una calidad del producto fabricado inconsciente a lo largo de los diferentes Batch.
Figura 1.1.2.1: Reactor Batch utilizado en la planta piloto.
2. OBJETIVOS DEL TRABAJO
El abanico de objetivos que abarca la realización de este trabajo es bastante amplio.
En primer lugar, adquirir los conocimientos de los principales elementos de
monitorización y control que suelen presentarse en un proceso químico industrial. Así mismo, el estudio y la comprensión para hacer uso de las herramientas que permitan gestionar dichos elementos ya sea en simulación como en una planta real.
Los procesos industriales modernos no serían posibles de realizar sin la incorporación de los elementos de monitorización y control. La sensorización de los procesos y el control automático de los mismos siguen suponiendo retos para la mejora del
rendimiento, calidad y seguridad de los mismos. La complejidad de las instalaciones industriales y la diversidad de los posibles procesos que involucran, hace necesario en muchas ocasiones disponer de herramientas de simulación que permitan estudiar y desarrollar soluciones de control o formar a los operarios encargados de su vigilancia.
En el perfil de un ingeniero en electrónica y automática industrial resulta fundamental disponer de los conocimientos básicos que le permitan establecer la idoneidad de un determinado sensor, diseñar y sintonizar lazos de control o elegir un determinado actuador. Para ello debe estar capacitado para establecer la estrategia de control adecuada al mismo, simular el comportamiento del proceso e indicar la forma de llevar a la práctica la solución. Así, en base a estas señalizaciones y sabiendo que los
reactores tipo Batch requieren de una gran operación manual, y que el control automático de la temperatura se hace difícil, se ha optado para este trabajo por un sistema de control distribuido (DCS) para el control de la planta piloto, con el fin de solucionar este problema. Señalar que la selección de este sistema de control se debe también a otros aspectos, los cuales serán comentados en el punto 5 de este trabajo.
Con todo esto, el resultado que se espera es el siguiente:
Transmitir información, ideas, problemas y soluciones a un público tanto especializado como no especializado.
Capacidad de resolver problemas con iniciativa, toma de decisiones, creatividad, razonamiento crítico y de comunicar y transmitir conocimientos, habilidades y destrezas en el campo de la Ingeniería Industrial.
Capacidad para diseñar, gestionar y operar procedimientos de simulación, control e instrumentación de procesos industriales.
Establecer las necesidades de sensorización de un proceso industrial
determinando las variables que deben ser medidas así como la instrumentación indicada para dicha medida.
Determinar los parámetros del proceso o diseñar experimentos que puedan llevar a una identificación de los mismos.
Determinar las variables que deben ser objeto de control, las variables que pueden ser manipuladas y diseñar los lazos de control necesarios para el funcionamiento del proceso.
Construir un simulador de aquellas partes del proceso que puedan ser de interés con el objeto de comprobar el funcionamiento de los lazos de control diseñados
Utilizar la simulación con el objeto de sintonizar los parámetros de los lazos de control para conseguir un punto de funcionamiento adecuado.
Establecer las condiciones para la puesta en marcha de las soluciones desarrolladas en el proceso y especificar los índices de funcionamiento para hacer un posterior análisis del mismo.
Para abordar todos los objetivos que se plantean en este trabajo se llevarán a cabo una multitud de tareas. Una de ellas es la utilización del sistema de control distribuido
(DCS) “Delta V” de Emerson para realizar las tareas de control. Se pretende controlar el lazo de control de la línea de fluido caliente: control de nivel, control de caudal y control de temperatura. Se realizarán varios experimentos cambiando las condiciones y se establecerán una serie de resultados y análisis, así como unas conclusiones sobre los mismos. Cabe señalar que antes de comenzar con el lazo de control, hay que realizar dos tareas obvias e imprescindibles: adecuación del software de la planta (es decir, que el controlador esté correctamente instalado) y comprobación del correcto funcionamiento de todos los sensores y actuadores que se van a utilizar.
Se diseñará también un sistema de monitorización y control (SCADA) para una visualización óptima del proceso. Dicho SCADA incluirá gráficos de control y
seguimiento y pantallas de alarma, además de mostrar el funcionamiento de la planta piloto.
Se desarrollará un simulador de la planta piloto, de forma que simule el
comportamiento de dicha planta, con el fin de que se puedan realizar simulaciones del proceso antes de una posible puesta en marcha de la planta piloto. Servirá también para realizar pruebas, ver cómo afectaría al proceso un posible cambio de
condiciones…
Finalmente, se realizará como anexo al trabajo una memoria de prácticas, planteando distintos casos prácticos sobre el lazo de control automatizado, con el fin de que los estudiantes de la Universidad Politécnica de Cartagena puedan realizar prácticas con la planta piloto.
Este trabajo de fin de grado, como cualquier proyecto de ingeniería, constará de 4 fases:
• INICIO: En esta etapa del trabajo se establecerán las bases del trabajo: qué se quiere realizar, cuáles son los objetivos a alcanzar, hasta dónde se quiere llegar con la realización de este trabajo…
• PLANIFICACIÓN: Una vez que se han establecido las bases y objetivos del
proyecto, se realiza una organización temporal de las tareas a realizar. Esta parte es muy importante, puesto que hay que tener en cuenta múltiples aspectos: dificultad de las tareas a realizar, tiempos de espera, análisis y resolución de posibles errores…
• IMPLEMENTACIÓN Y EJECUCIÓN: Se abordan las tareas establecidas en la fase de inicio siguiendo las fechas marcadas en la fase de planificación.
• CONTROL Y SEGUIMIENTO: Comprobación de la correcta ejecución de las actividades del proyecto establecidas en la planificación del mismo. Su propósito es proporcionar un entendimiento del progreso del proyecto de forma que se puedan tomar las acciones correctivas apropiadas cuando la ejecución del proyecto se desvíe significativamente de su planificación.
• CIERRE: El cierre de un proyecto es la culminación del proceso proyectual, y el momento de hacer balance del mismo. Durante el cierre se advierte cómo de bien o de mal se ha terminado y, en especial, si se han alcanzado los objetivos previstos.
Figura 2.1: Fases de un proyecto.
3. SELECCIÓN Y COMPROBACIÓN DEL HARDWARE DE LA PLANTA
En este apartado se establecerá la ingeniería de detalle, se estudiarán y explicarán todos los elementos físicos de la planta; tuberías, equipos, sensores, actuadores… Se dará una visión global del subproceso correspondiente mediante los planos que se requieran, se explicará la función de cada uno de los planos y se definirán las
características y funcionamiento de los instrumentos necesarios para el funcionamiento del sistema. Así, este apartado tiene por objeto definir los aspectos generales relativos a la ingeniería de instrumentación y control no cubiertos por el resto de
especificaciones dedicadas a sistemas o instrumentos.
Quedan fuera del objeto específico de este apartado:
• Enumerar el conjunto completo de especificaciones, hojas de datos y planos estándar de instrumentación y control de la planta piloto
• Tratar las excepciones a la documentación general de los diferentes Complejos Industriales, que se tratan en el Documento de Bases de Diseño (DBD) de cada proyecto.
Las siguientes especificaciones son de aplicación en todos los proyectos de la planta piloto, ya sean tanto de nuevas unidades industriales, como de modificación de unidades existentes, donde se precisen servicios de ingeniería de instrumentación y control, con las excepciones indicadas anteriormente.
3.1 INGENIERÍA DE DETALLE
Fase del proyecto que arranca a partir de la fase de ingeniería básica o FEL (Front End Loading) y que comprende la preparación de la documentación para el diseño válido para construcción y petición de oferta de equipos, la compra de dichos equipos y materiales, construcción, montaje, comisionado, puesta en marcha y entrega de la unidad al complejo. También incluye el desarrollo de toda la documentación AS-BUILT.
3.1.1 ALCANCE Y PROCEDIMIENTOS
Son responsabilidad de Instrumentación y/o Control:
a) Todos los instrumentos de proceso, incluyendo válvulas automáticas y de seguridad.
b) Sistemas de información y monitorización ligados a instrumentos o sistemas de instrumentación.
c) Comunicaciones e integración de los elementos citados en los puntos anteriores.
3.1.2 CRITERIOS GLOBALES DE DISEÑO
Las guías generales que deben seguirse en la el desarrollo de los proyectos de instrumentación son:
a) Cumplimiento de normativas y reglamentaciones aplicables.
b) Maximizar la seguridad para las personas y las instalaciones.
c) Maximizar la disponibilidad de la planta para la producción según requiera el proceso.
d) Minimizar el coste del ciclo integral de vida de la planta.
Minimizar el costo del ciclo integral de vida de la planta significa que en la evaluación de cada alternativa técnica deben considerarse los costes derivados de operación y mantenimiento para cada una de ellas.
Algunos aspectos del diseño asociados a los puntos anteriores y que por lo tanto deben considerarse son:
a) Grado de accesibilidad a los instrumentos desde instalaciones fijas.
b) Nivel de supervisión y mando desde sala de control.
c) Integración de las unidades paquetes en la jerarquía de control y supervisión de la planta.
d) Reducción del número de operaciones manuales requeridas en campo.
e) Uniformidad funcional y de suministradores existentes en cada planta.
f) Intercambiabilidad y uniformidad de los equipos que se instalen.
g) Diseños que minimicen las interrupciones de la producción debidas a mantenimiento.
Todo lo anterior se realizará según las especificaciones y documentos técnicos de referencia de la planta piloto y las instrucciones de los especialistas de su Dirección Técnica.
3.1.3 ARQUITECTURA DE SISTEMAS
La Ingeniería (encargados de desarrollar todas o parte de las actividades
correspondientes a los servicios de ingeniería del proyecto) deberá informarse en cada proyecto de las prácticas específicas de cada Complejo Industrial relativas a los
siguientes aspectos de la arquitectura de control y enclavamientos:
• Sistemas y suministradores existentes.
• Criterios de diseño (hardware y software) específicos.
• Criterios de implantación física de las cabinas de control.
• Criterios para las interfases de mando y supervisión de cada una.
• Criterios de comunicación e integración entre los sistemas de control y enclavamientos.
Para definir los puntos anteriores, la Ingeniería consultará a la Dirección Técnica de la planta piloto.
3.1.4 TECNOLOGÍAS DE TRANSMISIÓN
El método convencional de transmisión de señales entre equipos de instrumentación será el cableado directo entre los mismos, ya sea mediante cables convencionales o por vías de comunicaciones.
Para señales de control, enclavamiento o seguridad se usarán siempre cables convencionales.
3.1.5 COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA
Como criterio general, todos los sistemas eléctricos y electrónicos deben cumplir con las prescripciones habituales de compatibilidad electromagnética fijada por las normas aplicables al lugar de implantación:
a) No ser fuente de interferencias para otros equipos.
b) Estar protegido contra las interferencias generadas por terceros.
Todos los equipos electrónicos destinados a su instalación o uso en la Unión Europea dispondrán de marcado CE en cumplimiento de la directiva 2004/108/CE y su
trasposición nacional al país miembro de la UE donde se instalen.
Los equipos destinados a su instalación o uso fuera de la Unión Europea no están sujetos a lo indicado en el párrafo anterior. Cumplirán las normas IEC/EN 61000/61326 y las normativas locales que se indiquen en el DBD.
3.1.6 SIMBOLOGÍA GRÁFICA
Los criterios relativos a simbología y representación de instrumentos en diagramas mecánicos y de proceso se incluyen en la especificación correspondiente.
Para elementos no recogidos por la especificación correspondiente se usarán como referencia las normas ANSI / ISA S5.1 para instrumentos y ANSI / ISA S5.3 para elementos de control y/o DCS.
En proyectos de modificación de unidades existentes, se respetarán además los
criterios particulares de representación existentes en cada Planta o Complejo Industrial de cara a no dañar la uniformidad de notación.
Para simbología asociada a control, consultar la especificación correspondiente.
Para simbología asociada a enclavamientos, consultar la especificación correspondiente.
3.1.7 CODIFICACIÓN DE INSTRUMENTOS Y SEÑALES
Se usará como referencia principal la norma ISA S5.1.
Se prohíbe el uso de cualquier otro sistema de codificación (DIN, KKS, propietario, etc) para este propósito.
El código de identificación (tag) de los instrumentos y señales se construirá siguiendo el modo ya definido en los estándares correspondientes.
Para la codificación de las señales dentro de los sistemas de control, seguridad o enclavamientos, el criterio de codificación puede modificarse para adaptarlo a los requerimientos de los mismos.
Estas modificaciones pueden requerirse para ajustarse a la longitud disponible del campo destinado al TAG o para adaptarse a limitaciones “históricas” de los sistemas (por ejemplo, disponer sólo de dos literales para el número de anexo).
En los casos cubiertos por el punto anterior, los criterios para los tags se ajustarán a la práctica habitual de la planta y serán transmitidos por la Ingeniería a los responsables de los sistemas afectados.
3.2 DIAGRAMA DE INSTRUMENTACIÓN Y TUBERÍAS (P&ID)
En la planta piloto pueden considerarse varios procesos de control. Este trabajo se centrará en uno de ellos, el control de la línea de fluido caliente. Por tanto, es necesario definir los sensores y actuadores necesarios, que dichos elementos funcionan
correctamente.
Para poder identificar estos equipos e instrumentos de una manera sencilla y poder tener además una idea de las condiciones de diseño de cualquier proyecto de
ingeniería, se desarrollará un diagrama de instrumentación y tuberías, que se conoce comúnmente por las siglas P&ID. Dicha herramienta es básica e imprescindible a la hora de trabajar en una planta industrial.
Un diagrama de instrumentación y tuberías (P&ID, siglas en inglés piping and instrumentation diagram) es un diagrama que muestra el flujo del proceso en las tuberías, así como los equipos instalados y el instrumental. Estos diagramas están compuestos por una serie de símbolos que nos permitirán identificar todos los
componentes que conforman un proceso, como tuberías, número de líneas de tubería y sus dimensiones, válvulas, controles, alarmas, equipos, niveles, presostatos, drenajes, purgas, bombas, etc.
El instrumento de símbolos estándar utilizados en estos diagramas se basa generalmente en la Norma ISA S5.1. Sistemas de Instrumentación y
Automatización de la sociedad, así como de sus correspondientes actualizaciones, tal y como se ha comentado anteriormente.
Este estándar de símbolos se usa tanto en industria química como en petroquímica, metalúrgicas, industrias de aire acondicionado, generadoras de energía, y en otros muchos y numerosos procesos industriales.
Además de estos símbolos se utilizan diferentes tipos de líneas y círculos para indicar como están interconectados los diferentes elementos del proceso y las funciones de cada instrumento.
El P&ID de la planta piloto y la lista de instrumentos se incluirán en un documento aparte, como un anexo a este documento, para una mejor visualización y estudio.
Ahora ya se puede empezar a comprender el subproceso que se pretende controlar. El depósito “V-10101” será el encargado de almacenar y calentar el agua procedente de la red hasta la temperatura deseada. La temperatura de la resistencia estará controlada por un tiristor. Así, cuando el agua alcance la temperatura correspondiente, el agua caliente se llevará a la camisa del reactor. La entrada de agua a la camisa del reactor se regulará por medio de una bomba, que variará su velocidad den función de lo que marque el caudalímetro o el flujo demandado. Dicha variación de velocidad de la bomba se conseguirá por medio de un variador de frecuencia.
3.3 PLANO DE SITUACIÓN DE INSTRUMENTOS (SETTING PLAN)
En instrumentación, un plano de situación es un diagrama que muestra los instrumentos que están montados en los equipos, sus medidas, distancias, y los
picajes. Este último concepto es bastante importante, y no puede pasar desapercibido.
Un picaje es una pieza sobre la cual se monta un conector de instrumentos y tuberías.
Se debe conocer con exactitud las dimensiones de estos elementos para que no haya problemas a la hora de montar sensores, tuberías…
El plano de situación del depósito de agua y del reactor irá incluido como un anexo a este documento, para una mejor visualización y estudio.
Así, una vez realizados el P&ID del proceso y los correspondientes planos de situación, se puede pasar a la explicación de los equipos y sensores montados en la planta, así como la correspondiente comprobación de los mismos para garantizar el correcto funcionamiento del proceso.
3.4 INSTALACIÓN DE TUBERÍAS
Se ha dotado a la planta piloto de un conjunto de tuberías para el correspondiente paso de agua en las distintas fases del proceso. Las tuberías que se han escogido son tuberías de polietileno, debido a que son baratas y tienen mayor flexibilidad que otro tipo de tuberías a la hora de montarlas. De esta forma, se permite ahorrar espacio de trabajo y aumenta la facilidad para cambiar una tubería en caso necesario, aunque a costa de tener un sistema menos robusto que con otro tipo de tuberías.
3.4.1 SELECCIÓN DE TUBERÍAS
A la hora de seleccionar las tuberías, hay que tener en cuenta varias consideraciones.
La primera de ellas es conocer las condiciones de trabajo a las cuales van a estar sometidas las tuberías. En este contexto, se necesitan unas tuberías que puedan trabajar a 80 ºC y a 10 atmósferas. Además, como se ha señalado antes, es
preferente usar tuberías de polietileno en lugar de las de cobre, pues aunque se pierda robustez en el sistema, se gana maniobrabilidad y flexibilidad, lo que permite ahorrar espacio y aumentar la rapidez a la hora de posibles cambios de tuberías.
En estas condiciones, se ha optado por elegir una “manguera martipres de media pulgada de diámetro interior”, cuya presión máxima son 20 bares y puede trabajar en un rango de temperaturas de entre -25ºC y 100ºC, además de cumplir con las
características que se han comentado anteriormente.
Dichas tuberías serán suministradas por la empresa “Auto-industria de Cartagena”, debido a la proximidad entre la empresa y la planta piloto.
Figura 3.4.1.1: Manguera Martipres utilizada en la planta piloto
3.4.2 SELECCIÓN DE CONECTORES
Para la conexión de las válvulas y las bombas con las tuberías, es necesario instalar en la planta una serie de conectores que nos permitan establecer una conexión perfecta entre los elementos. Así pues, se escogerán unos conectores estancos hembra de media pulgada de diámetro interior, que permitirán realizar una fácil conexión y desconexión de las tuberías según las necesidades que se requiera.
Figura 3.4.2.1: Conectores utilizado en planta
3.5 SENSORES Y ACTUADORES
La instrumentación es una parte fundamental de cualquier proyecto o trabajo relacionado con la actividad de una planta industrial. Para cualquier ingeniero o
trabajador a pie de planta, es necesario conocer en todo momento las condiciones del proceso. Por ello, es necesario dotar al sistema de una serie de sensores que estén captando información del funcionamiento del proceso. De esta forma, se puede saber si el proceso está funcionando correctamente o si hay algún fallo.
Este trabajo está enfocado a controlar la temperatura, el caudal y el nivel de una línea de fluido caliente. Por tanto, resulta imprescindible definir los sensores que hay que colocar en la planta piloto.
3.5.1 SENSOR DE TEMPERATURA
La temperatura suele ser una de las variables de proceso más importantes en una planta industrial, y en este caso, no va a ser una excepción. Se debe conocer en todo momento la temperatura del depósito en el cual vamos a calentar el agua procedente de la red. Para ello se puede escoger dos tipos de sensores de temperatura: termopar o termorresistencia (PT-100).
Esta decisión podría ser un auténtico quebradero de cabeza, pues en la selección de instrumentos de medida (en general, no solo de temperatura), es donde se comente un alto porcentaje de error en la ingeniería de detalle de una planta industrial. En este contexto, se puede decir que para regulaciones finas de temperatura (por debajo de 400 ºC) es mejor usar una termorresistencia (PT-100), y en cualquier otro caso termopar (salvo casos específicos). Se descarta directamente la posibilidad de usar una NTC por una simple razón: sí que es cierto que la NTC ofrece una salida bastante lineal, pero sólo puede trabajar en un rango de temperaturas pequeño. Con lo cual, es casi imposible encontrar NTC instaladas en plantas industriales, salvo en aplicaciones sencillas y de bajo coste.
En base a este argumento, se utilizará una PT-100 en la planta piloto como sensor de temperatura, ya que la temperatura con la que se va a trabajar es menor de 400ºC, y es más sensible, estable, lineal y de acondicionamiento de señal más sencillo que un termopar.
Figura 3.5.1.1: PT-100 instalada en el depósito de la planta piloto.
La explicación de cómo mide una PT-100 es sencilla. Los metales tienen un coeficiente térmico positivo, es decir, su resistencia aumenta con la temperatura. Basándose en este efecto, se puede medir la variación de temperatura con la variación de la
resistencia.
La resistencia eléctrica de un conductor metálico aumenta con la temperatura según la siguiente expresión:
Donde:
-- > Resistencia eléctrica del conductor a una temperatura “t”.
-- > Resistencia eléctrica del conductor a 0ºC.
-- > Coeficientes térmicos, dependen del material con el que esté construido el sensor.
En muchos metales, la relación es casi de proporcionalidad entre unos determinados márgenes de medición y puede utilizarse una aproximación lineal:
Los materiales empleados en construcción de transductores de temperatura resistivos deben reunir las siguientes características:
Coeficiente de temperatura elevado.
Resistividad elevada.
Ductibilidad elevada para facilitar el proceso de fabricación del resistor.
Estabilidad de características con el tiempo.
La sensibilidad del transductor dependerá de las dos primeras características, de la tercera dependerá el tamaño y rapidez de respuesta, y de la última el que se comporte prácticamente igual durante su vida útil.
Platino, cobre y níquel son los materiales más empleados debido a que poseen las características anteriores. La variación relativa de la resistencia con la temperatura se indica en la siguiente figura:
Figura 3.5.1.2:
Variación relativa de la resistencia con la temperatura (izqda) PT-100 de hilo bobinado (dcha).
En la siguiente tabla se indican algunas características de las sondas de resistencia metálica fabricadas con estos materiales:
MATERIAL RESISTIVIDAD
(µΩ/cm) COEFICIENTE DE
TEMPERATURA 1 / (ºC)
RANGO DE MEDIDA (ºC)
PRECISIÓN (ºC)
Cobre 1,56 0,00425 -200 a 120 0,1
Níquel 6,38 0,0063-0,0066 -150 a 300 0,5
Platino 9,83 0,00385 -200 a 950 0,01
El platino es la opción más común por su estabilidad, precisión, rango de trabajo, resistencia a la oxidación y por ser químicamente inerte. Por ejemplo, el cobre no puede usarse por encima de los 150ºC. Aunque el platino tiene una menor sensibilidad que otros elementos tiene una mayor repetibilidad. Su principal inconveniente es el coste.
Las especificaciones técnicas de la PT-100 que se va a utilizar son las siguientes:
Material: Platino.
Conexión a tres hilos.
Valor de resistencia: 100Ω a 0ºC.
Rango práctico de operación aproximado: -130ºC a 480ºC.
Exactitud: 0,5ºC.
Tensión: 0-50 mVDC.
Impedancia: 1MΩ.
Salida: 4-20 mA, lineal.
Tiempo de respuesta: <100 ms.
Resolución: 0,004 mA (12 bits).
Tensión de alimentación: 12-35 VDC.
Carga máxima: (VDC - 12) / 0,02 (Ω), siendo VDC la tensión de alimentación.
De la PT-100 es importante señalar dos aspectos más. En primer lugar, se ha escogido una conexión a 3 hilos por lo siguiente:
Figura 3.5.1.3: Conexión a dos hilos de una PT-100.
En una conexión a dos hilos, las resistencias de los hilos se incluyen inevitablemente en el valor medido.
Por el contrario, en una conexión a 3 hilos, si la resistencia de los 3 hilos es idéntica, se puede medir el valor de la resistencia . Se debe mantener a la misma
temperatura los hilos durante las mediciones de W1 y W2.
Figura 3.5.1.4: Conexión a 3 hilos de una PT-100.
En segundo lugar, el valor de la resistencia a cualquier temperatura se podrá aproximar utilizando la siguiente ecuación, con un único coeficiente térmico y con
:
Así que la PT-100 presenta una sensibilidad de 0,385Ω/ºC. Aunque la respuesta de la PT-100 es bastante lineal, la ecuación anterior no deja de ser una aproximación y por tanto se comete cierto error.
Figura 3.5.1.5: Curva de calibración de la PT-100.
3.5.1.1 TRANSMISORES DE TEMPERATURA
En la planta también habrá una serie de transmisores de temperatura, que serán los encargados de traducir la variación del valor de resistencia medido en una señal eléctrica de 4-20 mA. Los transmisores serán unos Rosemount 248 de Emerson, y algunas de sus características se muestran a continuación:
Figura 3.5.1.1.1: Transmisor 248 Rosemount, de Emerson.
Entrada: Termorresistencias de 2,3 y 4 hilos, termopares, milivoltios, ohmios.
Estabilidad: Lectura del 0,1% o 0,1ºC durante 1 año.
Salida: 2 hilos, lineal con la temperatura o entrada en señal Hart / 4-20 mA.
Precisión digital: 0.2ºC o 0,1% del SPAN.
Efecto de la temperatura ambiente: 0,006ºC/ºC por cambio de 1ºC en ambiente (termorresistencia PT100).
Voltaje de alimentación: De 12 a 42,2 VDC en protocolo HART, de 9 a 32 VDC en protocolo Foundation Fieldbus.
Dimensiones: 25,9 X 95,25 X 123,5 mm.
3.5.2 SENSOR DE NIVEL
El agua procedente de la red se almacenará en el depósito V-10101 con el fin de ser calentada. Es imprescindible conocer el nivel de agua del tanque para evitar que
desborde o que la resistencia calentadora trabaje sin presencia de agua. De esta forma se podrá saber cuándo llenar el tanque y cuándo cortar el suministro de agua.
Para ello utilizaremos un sensor de nivel por presión diferencial. En el resto de la planta hay otro tipo de sensores de nivel por razones funcionales y constructivas, pero en cuanto al subproceso en el que se centra el trabajo se refiere, el de presión
diferencial es el que se ha instalado en el depósito.
Este tipo de sensores permite un montaje flexible para niveles en tanque de líquidos, incluidos los que poseen requisitos más amplios de temperatura y presión. Se pueden aislar mediante válvulas. No se ven afectado por: cambios en el espacio de
condensación de vapor, condiciones de la superficie, espuma, fluidos corrosivos y equipamiento interno del tanque. Además, pueden trabajar en recipientes con agitación y espuma.
Este sistema se basa en el principio de medir la carga hidrostática, siendo ésta el peso de fluido existente por encima de un plano de referencia. Este método no tiene en cuenta el volumen de fluido existente o la forma del recipiente, pues lo que mide es la presión ejercida por el mismo. Así, midiendo la presión debido a la carga de fluido (P) y conocida la densidad del mismo (ρ), se puede obtener la altura de fluido sobre el plano de referencia que se haya escogido (H), ya que H= P/ ρ.
En la siguiente figura se muestra un tanque abierto, a presión atmosférica. La rama positiva del transmisor se conectará de en el lado de alta presión (AP) y la rama negativa al lado de baja presión (BP).
Figura 3.5.2.1:
Transmisor de nivel por presión diferencial en tanque abierto.
De esta forma, la presión diferencial medida por el transmisor de nivel será la siguiente:
Con siendo la densidad del producto a medir.
El tanque de la planta piloto es un sistema cerrado, no abierto, por lo que la superficie de fluido está sometida a una presión estática mayor que la atmosférica. En
consecuencia, esta presión se suma a la carga hidrostática, por lo que se debe compensar este valor de presión. Para ello se monta el transmisor de la siguiente manera:
Figura 3.5.2.2:
Montaje del
transmisor de nivel por presión
diferencial en un tanque cerrado.
Al colocar la rama negativa del transmisor en contacto con el gas contenido en el recipiente, se consigue eliminar la columna de líquido “he” con el fin de que el rango de medida esté comprendido entre las conexiones del transmisor (H). Este método para eliminar la columna de líquido se conoce como elevación de cero.
El transmisor de nivel de presión diferencial que se ha instalado en la planta piloto es el modelo 2051 del fabricante Rosemount, siendo algunas de sus especificaciones
técnicas las siguientes:
Figura 3.5.2.3: Transmisor de nivel por presión
diferencial montado en la planta.
Tipo de medición: Diferencial, manométrica, absoluta, de nivel y de caudal.
Sellos de diafragma bridados.
Sello separador Rosemount 1199 opcional.
Estabilidad a largo plazo: 0,1% del límite superior del rango por 2 años.
Salida: 4-20 mA, protocolo Hart, fieldbus FOUNDATION.
Precisión: 0,075 % del SPAN.
Rangeabilidad: 100:1.
Alimentación: de 9 a 32 VDC.
3.5.3 SENSOR DE CAUDAL
Otra variable muy importante del proceso a controlar es caudal de fluido que se debe suministrar a la camisa del reactor. Así, en función de las condiciones que se necesiten en el proceso para controlar la reacción que se produce en el reactor, necesitaremos más o menos flujo, por lo que es necesario conocer en todo momento el caudal de fluido que se está suministrando. Para ello, se pondrá en la planta un sensor de caudal de coriolis.Los flujómetros másicos coriolis se han vuelto una de las mejores alternativas en el sector de procesos industriales en los últimos años. Miden
directamente el flujo másico con un alto grado de exactitud, por lo que proporcionan un óptimo control de procesos y un cumplimiento estable de las formulas y recetas en los procesos de mezclas, dos factores clave para aumentar la calidad del producto y mejorar la eficiencia de los procesos.
Figura 3.5.3.1: Interior de un medidor de caudal de coriolis
Además de la medida directa del caudal másico, permite las medidas de la densidad y de la temperatura de líquidos y gases, así como el cálculo del caudal volumétrico y la masa, o la concentración del volumen y viscosidad, lo que lo convierte en uno de los instrumentos más poderosos del mercado con un solo equipo. Los flujómetros Coriolis no requieren de partes móviles o susceptibles a desgastes, de esta forma se evita la re- calibración frecuente y los mantenimientos periódicos. Por otra parte, están aprobados para uso bajo el concepto de "transferencia de custodia" lo que implica mediciones precisas y no alterables por terceros para garantizar que el monto facturado por una transferencia sea el correcto.
Un caudalímetro másico de tubo único Coriolis consiste en un tubo de medida único , una bobina conductora y dos sensores que están colocados a ambos lados de la bobina. Cuando el medidor está excitado por el paso del fluido, la bobina conductora
hace vibrar el tubo de medición haciendo que oscile y produce una onda (3). La onda seno es monitoreada por los dos sensores.
Cuando un fluido o un gas pasan a través del tubo, el efecto Coriolis causa un cambio de fase en la onda seno que es detectada por los dos sensores. Este cambio de fase es directamente proporcional al caudal en masa. La medición de la densidad se hace mediante la evaluación de la frecuencia de vibración
El modelo de sensor de caudal de turbina que se ha montado en la planta es un
Coriolis de la serie F de altas prestaciones, de Emerson. Algunas de sus características son las siguientes:
Figura 3.5.3.2: Sensor de caudal de coriolis montado en la planta piloto.
Alimentación: 24 VDC
Salida: 4/20 mA
Precisión: 0,05% del caudal para líquidos, 0,5% del caudal para gases.
Material: Acero inoxidable 316L, aleación de níquel C22.
Rango de presión: Hasta 350 bares.
Rango de temperatura: -100 – 350ºC.
3.5.4 ACTUADORES
Ya se han comentado con detalle todos y cada uno de aquellos elementos sensoriales que se van a utilizar en la planta piloto con el fin de conocer en todo momento el estado de la misma. Pero también es necesario dotar al sistema de una serie de elementos que lo hagan funcionar. Estamos hablando de los actuadores. En la planta se han instalado: bomba centrífuga, solenoides, variadores de frecuencia, resistencias calefactoras y tiristores.
3.5.4.1 BOMBA
La bomba B1 (ver plano P&I) será la encargada de dar impulso al agua procedente del depósito T1 hasta la camisa del reactor. Se podrá impulsar más caudal de agua o menos, según se requiera, y esto se podrá conseguir modificando la velocidad de bombeo de la bomba. Es una bomba trifásica, que permite controlar su velocidad a través de los variadores de frecuencia. Sus características son las siguientes:
Figura 3.5.4.1.1: Bomba centrífuga trifásica montada en la planta piloto.
Caudal máximo: 15 Litros/minuto.
Potencia: 250 W.
Frecuencia: 50 Hz.
Tensión: Conexión triángulo / estrella, 230 / 400 V.
Peso: 8 Kg.
IP 55.
Es importante señalar que tenemos que tener un control exhaustivo sobre la velocidad de las bombas, pues si una bomba trabaja con poco caudal de agua puede tener problemas de refrigeración. Si la bomba funcionara en vacío, directamente se quemaría.
3.5.4.2 VARIADORES DE FRECUENCIA
Un variador de frecuencia es un dispositivo electrónico que puede realizar el control completo de la velocidad de rotación de un motor de corriente alterna por medio del control de la frecuencia con la que se alimenta a dicho motor.
En cuanto al subproceso que se pretende automatizar, se utilizará un variador de frecuencia para controlar la velocidad de bombeo de la bomba.
El principio de funcionamiento de un variador de frecuencia se describe principalmente en 4 etapas:
Suministro de la red: Circuito electrónico consistente en una etapa rectificadora con diodos que convierte la corriente alterna de la red en continua. El rectificador puede ser monofásico (para motores pequeños, de 1,5 KW aproximadamente) o trifásico (hasta 630 KW o más), según se requiera.
Bus de continua (filtrado): Etapa cuyo objetivo es filtrar la señal rectificada anteriormente. Se dispone de condensadores de gran capacidad, y a veces bobinas si es necesario, que permiten obtener una tensión continua y estable, al mismo tiempo que guarda la energía suficiente para suministrársela al motor.
Salida: Consiste en un inversor modulado (generalmente modulación PWM) en el cual se obtiene corriente alterna mediante el disparo de los transistores (IGBT principalmente).
Control: Circuito de control del disparo de los transistores con el fin de general los pulsos variables en frecuencia. Además, se incluye un interfaz de
comunicaciones con buses y otros dispositivos de control.
Figura 3.5.4.2.1: Diagrama de bloques de un variador de frecuencia.
Los variadores que se van a utilizar en la planta piloto serán el modelo ATV
11HU12M2E Altivar 11 del fabricante Telemecanique, cuyas características son las siguientes:
Figura 3.5.4.2.2: Variador de frecuencia empleado en la planta piloto.
Tensión de alimentación: 200/240 V de alterna (monofásica).
Frecuencia de alimentación: 50/60 Hz.
Potencia: 0,55 KW.
Corriente de línea de entrada: 6,3 A.
Corriente nominal de cortocircuito: 1 KA.
Corriente nominal: 3 A.
Corriente transitoria máxima: 4,5 A.
Potencia disipada en una carga nominal: 29 W.
IP20.
Frecuencia de salida: 0-200 Hz.
Frecuencia de conmutación: 2-16 KHz.
Temperatura ambiente máxima de funcionamiento: -10 a +50 °C sin la
cubierta protectora en la parte superior del variador. Hasta un máximo de +60 °C disminuye la corriente nominal 2,2% para cada °C por encima de los 50 °C.
Los variadores de frecuencia estarán situados en un cuadro de control instalado en la planta piloto. El armario es el modelo CRN-106/250KT de HIMEL, cuyas características son las siguientes:
Construcción monobloc con laterales de una sola pieza doblada y perfilada.
Parte posterior unida a los laterales a través de perfil especial formando una zona estanca protegida.
IP55.
Pintura interior y exterior con resina de poliéster-epoxi color gris claro RAL 7032 texturizado.
Puerta transparente de cristal templado.
Reversibilidad de la puerta con apertura superior a 120º.
Figura 3.5.4.2.3: Cuadro de variadores de frecuencia instalado en la planta piloto.
En dicho armario se han colocado los siguientes elementos:
7 variadores de frecuencia, cuyas características han sido comentadas anteriormente.
7 Interruptores magnetotérmicos de 2P/10A, ref.24323 para protección de los variadores.
1 Interruptor automático magnetotérmico MG 4P/16A, ref 24363, para protección de acometida.
1 Interruptor diferencial superinmunizado MG 4P/25A 30mA. Ref.23526
1 Distribuidor MG-125A- ref.13512.
1 Regulador de velocidad de c.a modelo R-10 de Cebek.
.
1 Interruptor automático magnetotérmico de 1P+N/10A, ref 21556 para protección del circuito de ventilación.
1 Contactor TEE ref.LC1-D09P7 de 9A con mando de 220Vc.a. para la puesta en marcha del regulador de velocidad monofásico.
Interruptor-seccionador MG INS40, ref.28917, con mando lateral, ref.28944.
1 Embarrado de pletina de cobre de 20x5mm para tierras.
El armario funciona con una tensión de 380V y una frecuencia de 50 HZ. Además, está dotado de un ventilador, filtro y termostato.
Los cables de salida del armario son cables apantallados, los cuales disponen de sus correspondientes borneros, y son con conexión 4-20 mA para control y motores. Son de cobre, ignífugos y libre de halógenos.
Las bornas están colocadas en la parte inferior del armario, separadas las bornas de fuerza de las de señal de entrada de 4-20mA por un lado para mando exterior para marcha y paro por otro.
En la siguiente figura se muestra un esquema de cómo está distribuido el cuadro de variadores de frecuencia instalado en la planta piloto. Las siglas SC hacen referencia a los variadores de frecuencia, las siglas Q a los interruptores magnetotérmicos, DIF es el interruptor diferencial, DIST el distribuidor, K1 es el regulador de velocidad e I1 es interruptor seleccionador con mando lateral.
Figura 3.5.4.2.4: Diagrama de variadores de frecuencia
3.5.4.2.1 REGULADOR DE VELOCIDAD
El regulador de velocidad utilizado es el R10 de Cebek. Este es un regulador de
velocidad para motores trifásicos de corriente alterna de hasta 1500 W de potencia. Es de tipo universal, especialmente indicado para talados, aspiradores… aunque también soporta la regulación de otro tipo de cargas resistivas como por ejemplo resistencias o estufas. Además, dicho módulo incorpora bornes de conexión y potenciómetro de ajuste mínimo, y no admite cargas inductivas como transformadores, fluorescentes…
Sus especificaciones técnicas son las siguientes:
Alimentación: 230 V de corriente alterna.
Tipo de salida: Triac.
Potencia máxima a la salida: 1500 W.
Margen de regulación: Del 33 al 98%.
Tensión mínima de trabajo: 90 V.
Nivel de histéresis: < 3%.
Protección contra interferencias: Sí.
Medidas: 60 X 55 X 25 mm.
Para un correcto funcionamiento del regulador, es aconsejable aislarlo de posibles fuentes de parásitos de red, usando para ello un filtro de red de 230 V a la salida del módulo, el cual consiste una bobina toroidal de 82,53 y un condensador de 220 nF / 400 V, tal y como muestra la siguiente figura:
Figura 3.5.3.1.1.1: Filtro de red de 230 V del regulador de velocidad.
El fusible y el interruptor instalados son imprescindibles para la protección adecuada del regulador y para la del usuario. Son condiciones de seguridad que están reflejadas en la norma CE. Hay que tener en cuenta que por diversos puntos del regulador
circularán 230 V, por lo que hay que tener cuidado a la hora del montaje y la manipulación.
Si se desea ajustar la velocidad mínima del motor, hay que poner el potenciómetro de ajuste de velocidad a 0, y después regular la resistencia variable de “ajuste de mínimo”
hasta que el motor reduzca al máximo su velocidad pero sin pararse, para evitar que se rompa. Cuando el motor haya alcanzado su velocidad mínima, utilizaremos el
potenciómetro de “ajuste de velocidad” para la regulación normal del motor.
Aunque el regulador está protegido de las condiciones meteorológicas, no se debe instalar al descubierto. El circuito disipa una gran cantidad de calor, por lo que deberá tener una buena ventilación, pues de lo contrario su rendimiento se verá reducido.
Figura 3.5.3.1.1.2: Conexionado general del R10. Figura 3.5.3.1.1.3:
Regulador de velocidad R10.
3.5.4.3 VÁLVULAS SOLENOIDES
Las válvulas que se utilizarán en la planta piloto para distribuir el paso de fluido a través de la red de tuberías serán electroválvulas, también llamadas válvulas solenoides.
La apertura o cierre de la válvula se basa en impulsos electromagnéticos de un solenoide (un electroimán) que trabaja junto a un muelle diseñado para devolver a la válvula a su posición neutral cuándo el solenoide se desactiva. Las válvulas solenoides ofrecen funciones de apertura o cierre total y no se pueden utilizar para la regulación del flujo de fluido.
Los solenoides son muy útiles para realizar acciones a distancia sobre válvulas de control de gas y fluidos. Un solenoide es una bobina de material conductor cuyo
funcionamiento se basa en campos electromagnéticos. Al pasar una corriente eléctrica a través de la bobina, se genera un campo electromagnético de cierta intensidad en el interior. Un émbolo fabricado de metal ferroso es atraído por la fuerza magnética hacia el centro de la bobina, lo que proporciona el movimiento necesario para accionar la válvula. La válvula se puede abrir o cerrar, no hay término medio, por lo que no se puede utilizar este sistema para regulación de flujos.
Una vez que se activa el solenoide, la válvula se mantendrá abierta o cerrada, dependiendo del diseño, hasta que se corte la corriente eléctrica y desparezca el
campo electromagnético del solenoide. En este momento, un muelle o resorte empuja el émbolo de nuevo hacia su posición original cambiando el estado de la válvula.
Figura 3.5.4.3.1: Dibujo de funcionamiento de una válvula solenoide.
Las electroválvulas utilizadas en la planta piloto son del tipo fallo cierre (FC ) de Emerson, es decir, la válvula permanecerá cerrada mientras no se le aplique tensión.
Las características técnicas de dichas electroválvulas son las siguientes:
Figura 3.5.4.3.2: Electroválvula instalada en planta piloto.
Material: Aluminio
Rango de presión: 0-9 bares
Rango de temperatura: Hasta 200ºC.
IP67.
Alimentación: 24 VDC.
3.5.4.4. RESISTENCIA CALEFACTORA
En cuanto al subproceso de automatización se refiere, es necesario dotar al conjunto de un elemento que se encargue de calentar el agua procedente de la red. Para ello, se utilizará una resistencia de inmersión.
Cuando un conductor es sometido a una corriente eléctrica, los electrones del mismo se aceleran, de forma que en el conductor se producen múltiples choques entre electrones y entre electrones y la propia pared del conductor. Estos choques se traducen en un intercambio de energía entre los electrones, que a su vez produce energía en forma de calor. Cuanto mayor sea la corriente eléctrica que se le hace pasar al conductor, mayor será la temperatura del mismo. Este fenómeno se conoce como
“Efecto Joule”.
A través de la Ley de Joule, se puede conocer el calor que se produce por unidad de tiempo cuando un conductor es sometido a una corriente eléctrica. Dicha ley establece que el calor (Q, en watios) producido por un conductor cuando éste es sometido a una corriente eléctrica es proporcional al cuadrado del valor de dicha corriente (I), a la resistencia del conductor (R) y al tiempo durante el cual está sometido a dicha corriente (t). Es decir:
La resistencia de inmersión que se va a utilizar en la planta piloto es del tipo P90 094550D10d1 4500W 3-400V, y es muy utilizada en una gran variedad de procesos industriales. Estará instalada en el fondo del depósito T1.
El método de inmersión directa, en el cual la resistencia cede calor directamente al medio en el que se haya sumergido, es muy eficiente. Simplemente hay que tener en cuenta una consideración, y es que si la resistencia funciona en vacío (es decir, sin presencia de fluido) se quema. A continuación se muestran sus características técnicas:
Figura 3.5.4.4.1: Resistencia calefactora de inmersión utilizada en la planta piloto.
Potencia: 4,5 KW.
Incremento de la temperatura: 50ºC.
Capacidad del depósito: 60 litros.
Dimensiones del depósito: 324 X 1200 mm.
Material del depósito: AIS1316.
