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CAPITULO IV
RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN
A. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
En este ultimo capitulo se explica detalladamente el proceso que se lleva actualmente en Molinos Sagra C.A., donde el trabajo a investigar se concentra en el área de servicio, sección de los calentadores, tomando en cuenta el punto de vista más relevante según los intereses de MOSACA con respecto al desarrollo de la investigación de este proyecto, que beneficia la producción que se lleva a cabo en la empresa. Esta parte esta realizada a través de cinco (5) fases esenciales, definidas con anterioridad en el Capitulo III y desarrolladas a continuación.
1. EVALUACIÓN DEL PROCESO ACTUAL
Según estudios realizados de observación, adiestramiento técnico y recaudación de material de apoyo didáctico, se describe el proceso que se maneja en Molinos Sagra C.A. división de alimentos de la Empresas Polar, que se encarga de la producción, a nivel nacional de pasta para el consumidor tales como pasta premium PRIMOR, pasta extra GRAN SEÑORA y la popular SENSACIONAL.
Donde los procesos más importantes son realizados en las líneas de producción las cuales se encargan de la fabricación de los distintos tipos de pastas. Estando constituidas por cuatro líneas, las cuales son: tres líneas de pasta larga y una de pasta corta.
Las líneas de pastas largas son las encargadas de la fabricación de Spaghetti y Vermicelli, para ello se utilizan las líneas: Línea 1, Línea 2 y Línea 6.
Estas tres líneas están divididas en cuatro etapas: Prensado, Secadero, Estabilización y Humidificación. Estas líneas están divididas a su vez por zonas, por ejemplo la Línea 1 esta conformada por diez (10) zonas con sus cuatro (4) etapas, mientras que la Línea 2 y Línea 6 constan de nueve (9) zonas e igualmente de cuatro (4) etapas.
FIGURA 9. Línea de producción pasta larga. Fuente: Molpasta (2002, en línea).
Por otro lado la Línea 3 que suministra pastas cortas tales como: Plumas, Güergüeritos, Coditos, Rigatones, Caracoles, Macarrones, Tornillos. Contiene cuatro (4) etapas las cuales son: Trabatto, Pre-secado, Secadero y Enfriador. Y cada una de estas etapas conforma una zona, es decir, la Línea 3 contiene cuatro (4) zonas.
FIGURA 10. Línea de producción pasta corta. Fuente: Axor, (2002, en línea).
Para llevar a cabo la fabricación de los distintos productos, se requieren de recetas que exigen estándares de calidad para cada una de las distintas pastas, teniendo que adaptar las líneas a las recetas correspondientes, ajustando así patrones de temperatura nominales en cada una de las zonas según se ha determinado por la receta. Un ejemplo de esto se puede observar en la tabla 1.
Tabla 1.
M
MOOLILINNOO SSAGAGRARA C.C.AA.. Receta: Primor vermicelli. Línea 2. Pasta larga.
Valores nominales.
Línea 2. Pasta larga. Valores reales Temperaturas. 1 54.0°C 54.1°C 2 65.0°C 72.0°C 3 78.0°C 77.6°C 4 83.0°C 83.1°C 5 83.0°C 82.9°C 6 77.0°C 78.0°C 7 73.0°C 76.0°C 8 44..0°C 38.9°C ZONAS 9 32.0°C 28.6°C
Fuente: Molinos Sagra C.A. (2002).
En la tabla 1, se encuentra un proceso de una receta, donde los valores nominales según lo indica la receta es el que se establece en las diferentes zonas según sus temperaturas deseadas, obteniendo un producto final de
buena calidad, mientras que en los valores reales se obtiene de temperaturas registradas al mismo tiempo que se cumple el proceso de producción. Se observa también que para cada una de las zonas del proceso requieren de temperaturas diferentes, por esta razón la temperatura es controlada y suministrada en cada zona por válvula electro-neumáticas, las cuales obstruyen o permiten el paso del agua caliente (razón agua/temperatura) para cada una de las zonas suministrada, estos valores de temperaturas se distribuyen con anterioridad por una ramificación que de tubos que lleva agua caliente proveniente de los calentadores con temperatura comprendida entre 120ºC y 130°C.
Este valor de temperatura es suministrado por las calderas (calentadores) mediante líquido caliente que llega a unos radiadores que se encuentran distribuidos entre las líneas de producción, estos radiadores cumplen con la función de intercambiador de calor, separando el agua del medio ambiente externo, irradiando calor por medio de panel e insuflando aire para así distribuir el calor producido por el radiador.
Estos radiadores se encuentran encapsulados en las distintas zonas que requieran de temperaturas altas, procesando secados de pastas (extracción de humedad de las pastas) por medio de un circuito cerrado.
Para lograr temperatura estables comprendida entre 120°C y 130°C con intervalo 10°C, sé necesita unas calderas para genera tal energía calorífica, que cumplan con las demandas de la planta sin afectar el proceso que se lleve en las distintas líneas.
Por este motivo se cuenta con dos (2) calderas adaptadas como calentadores de agua, las calderas de marca Continental de 400HP son unas unidades completas, totalmente automática, con su hogar y sus tubos con paso de fuego horizontales con diseño de doble paso o circuito invertido (caldera horizontal tubular de retorno) que por definición es una caldera pirotubular. El aire para la combustión entra al hogar a través de unas guías tangenciales situadas alrededor del cabezal del quemador. El cabezal del quemador esta localizado en la garganta del hogar, el cual esta formado por una cámara de acero, calentada por los gases de la combustión en su trayectoria hacia la chimenea.
El hogar se encuentra totalmente cubierto por la cámara de agua, que lo envuelve en toda la extensión de la caldera. Al salir del hogar, los vapores caloríficos del combustible retroceden por los pirotubos horizontales a gran velocidad con movimiento helicoidal, provocado por los difusores helicoidales colocados dentro de cada tubo para así garantizar con un buen movimiento de gases.
Las compuertas abisagradas delante ra y trasera facilita la limpieza e inspección de las superficies de intercambiado de calor. El revestimiento de fibra y forro metálico, reduce las perdidas de calor hacia el ambiente exterior y toda la unidad esta montada sobre una estructura de acero.
La puerta trasera es sostenida con bisagra o pescante y forrada en su interior con un aislante refractario para evitar el calentamiento en los pernos. La puerta se abre en unos pocos minutos, dando acceso a los tubos con
paso de fuego y los difusores. No tiene tabiques divisores de pase ni construcciones de paredes de ladrillos, los soportes apernados y la empacadura aseguran un sello perfecto en el asiento de la puerta, hay una ventana central de observación de la llamarada.
La puerta delantera se encuentra igualmente abisagrada y esta soporta los elementos siguientes: la caja del ventilador soldada a la parte inferior de la puerta delantera de la caldera, el ventilador de tiro forzado situado en la caja anterior, el motor del ventilador montado en la caja del mismo y acoplado directamente al eje del ventilador.
El quemador esta fijado herméticamente en la parte frontal del hogar (cabezal del quemador, figura 11) sobre una empacadura de asbesto, la pared interna del quemador esta cubierta con refractario para alta temperatura. En el centro del cono cóncavo del quemador se encuentran los pulverizadores de gasoil que alimenta el hogar por una apertura del refractario montado en el cabezal del quemador, estando dotada con el piloto o el conjunto de encendido, además del detector de llama y una mirilla de observación.
El aire primario es insuflado en el hogar por el ventilador, entra en la cámara de combustión girando en el sentido de las agujas del reloj por medio del cabezal del quemador, dirigido por una serie de alabes o aspas direccionales localizadas alrededor del quemador.
La mezcla de aire y combustible se complementa en el cuerpo cilíndrico del hogar, cuando el gasoil pulverizado sale de las boquillas en forma de una
neblina, se mezcla a gran velocidad con el aire permitiendo una eficiencia de combustión mayor del 80%.
FIGURA 11. Cabezal de los calentadores. Basado en el Manual de instrucciones para instalación y mantenimiento de calderas automáticas Continental (2002). Fuente: Jiménez A. (2003).
El soporte de las boquillas y el electrodo de ignición (piloto de ignición o el conjunto de encendido) se encuentran montados en el quemador, donde para encender el piloto (que luego encenderá la llamarada principal del hogar con combustible gasoil), se tiene que activar con corriente alterna y un voltaje no menor a 10.000 Voltios contenido entre las terminales de los electrodos de ignición. Dos cables con conectores de enchufe rápido y aislado, conectan el transformador y los electrodos de ignición.
La unidad detectora de llama de ignición es un dispositivo que consta de una celda sensible a la luz emitida por rayos infrarrojos o rayos ultravioleta, esta localizada en el quemador, de tal manera de que se pueda detectar continuamente en el hogar, si hay o no hay llama.
FIGURA 12. (a) Perspectiva frontal, (b) horizontal y (c) vertical del piloto con los electrodos. Fuente: Mosaca (Calderas automáticas Continental, Manual de instrucciones para instalación y mantenimiento 2002).
Existe un control de nivel Interior de agua, que mide constantemente el nivel del agua en la caldera, si baja a un nivel peligroso, un relevo entra en acción para interrumpir y desactivar los circuitos de encendido y enciende la luz roja del tablero de control, esto ocurrirá comúnmente cuando el control de nivel de agua funcione anormalmente.
a b
MOSACA cuenta con dos (2) calderas o calentadores de agua que se alternan entre sí, cuando una de ellas se encuentra apagada queda alimentación eléctrica en los circuitos de las unidades de: Control de llama, Las bombas de agua y Niveles de agua con sus límites de control de agua de la caldera. El fin de este suministro de corriente y voltaje, es obtener una supervisión constante de estas posibles alarmas.
Estos calentadores están conectados en serie por medio de sus conexiones de entrada y salida de la demanda de la planta, ósea, el agua que produce cual quiera de ellas que se encuentre en servicio pasa por el interior de la que no este en servicio, si una de ellas se encuentra encendida garantiza a la otra que yace apagada una reducción del choque térmico del agua además del acondicionamiento o precalentamiento del hogar para facilitar la cremación del gasoil.
Una vez que sé inicialice el intercambiado entre un calentador y otro, la caldera apagada inicia uno de sus tantos procedimientos de encendidos, que serán secuénciales según sea requerida su intervención en la demanda de la planta.
El procedimiento de encendido se basa en el barrido del hogar, en la ignición del piloto y en el encendido de la bomba de gasoil.
El barrido del hogar, es el primer procedimiento y el más importante en el encendido de la caldera. El aire se hace pasar por una rendija mecánica que cierra o abre regulando el flujo de aire suministrado por el ventilador de tiro forzado, junto con este mecanismo se encuentra conectado la válvula de
control de los inyectores, donde habrá una relación aire/combustible (Control de combustión de posicionamiento de un solo eje), para lograr el barrido del hogar se cierra una válvula precedente de la válvula de control de los inyectores, que cortara el suministro de gasoil. El funcionamiento principal es la expulsión de los gases residuales producto de la combustión acumulada en el hogar, desalojando los gases a través de la chimenea. El insuflado de aire se realiza como medida de seguridad, pues la idea es evitar un estampido por los residuos de combustión.
La ignición del piloto, presenta dos (2) etapas que ocurren al mismo tiempo, una de ellas es el arco de corriente con 10.000 Voltios que se produce enfrente de la boquilla del suministro de gas propano (gas natural) la razón de esto es lógica, causar la chispa para la ignición que se producirá en la boquilla del piloto. En el momento que se produce el arco de corriente se activa una electroválvula de presición (no explosivo ) Todo o Nada, que permitirá el acceso del gas propano hacia la boquilla del piloto de ignición.
Además, se cuenta con una unidad detectora de llama para el piloto, donde su función principal es la verificación de la correcta flama del piloto, sensor que pertenece al sistema de alarma de la caldera.
Para el encendido de la bomba de gasoil, es necesario haber llevado a cabo correctamente el proceso de barrido del hogar y la ignición del piloto sin falla alguna , pues solo así se cual suministrara el combustible necesario para el calentamiento del hogar y integrara el encendido de la bomba de gasoil, el la sección de caldera. A esta parte se adiciona de nuevo la unidad detectora
de llama, que en este caso supervisa continuamente si se produce llama en el quemador, ahora en caso de que no haya flama se activara una alarma que representara falla de llama, apagando la bomba de gasoil y por consecuencia la caldera. Es la bomba de gasoil en conjunto con los inyectores quienes pulverizan el combustible formando una neblina por la combinación de combustible y aire, teniendo en cuenta que para que esto ocurra, debe estar activada (abierta) la válvula Todo o Nada precedente a la válvula de control de los inyectores y luego empezará la verificación constante de la unidad detectora de llama, para así haber completado el proceso de encendido de los calentadores. (Vea figura 14 y anexo 3).
FIGURA 13. Distribución a las demandas de la planta. Fuente: Jiméne z A. (2003).
FIGURA 14. Ubicación de la bomba de gasoil. Fuente: Jiménez A. (2003).
En las calderas, el proceso de apagado se efectúa a través de controladores de temperatura, por medio de este se ajusta un rango o set-point que esta comprendido entre 120°C y 130°C, a esto se complementa un intervalo limite que indica al control maestro que debe de apagar el calentador de agua.
El apagado de los calentadores ocurre y se precipita por varias razones, pudo haber ocurrido una poca demanda por las zonas, provocando una mayor velocidad de retorno del agua (retroalimentación del agua), otra es la cantidad de líneas de producción estando en servicio causando el efecto anterior.
2. IDENTIFICACIÓN DE LAS VARIABLES CONTROLADAS Y MANIPULADAS
Para la selección de un sistema de control para los calentadores pirotubulares por medio de un PLC, se deben tomar en cuenta dos factores muy importantes: El número de variables entradas y el número variables de salidas, ya que estas se encargan de extraer, proporcionar y transformar al mundo exterior los datos provenientes de los captadores y actuadores en códigos capaces de ser interpretados por la maquina. Esta identificación se realizo mediante adiestramiento técnico y observación directa en el área de los calentadores, y como resultados tenemos a continuación:
2.1. VARIABLES DE ENTRADA
• TERMOCUPLAS
Cada uno de los calentadores, están provistos de tres (3) termocuplas ubicadas en la parte superior, es decir, en el domo, en la sección de salida a la demanda de la planta . Estas temocuplas son de tipo J, ver la figura 15, con un rango de temperaturas de -200°C a +600°C, y un voltaje comprendido entre -7,52mV a -50,05mV, fabricada por Honeywell.
• MEDIDOR DE NIVEL DE LOS CALENTADORES
Es un transductor que consisten en un flotador situado en el seno del líquido en la parte superior del calentador, conectado al exterior del tanque a
través de sus terminales, indicando por medio de un contactor el nivel del líquido en el calentador y proporciona ndo una señal discreta. Este dispositivo se emplea como sistema de seguridad en el nivel del agua, usándose en cada uno de los calentadores de 400HP (figura 16).
FIGURA 15. Termocupla tipo J. Fuente: Honeywell. (2003, en línea).
• DETECTOR DE LLAMA
Ubicado en la cabezal del quemador al lado de los pilotos de cada uno de los calentadores (minipeeper Ultraviolet Flama Detectors. C7027A, figura 17) marca Honeywell, es un sensor de luz ultravioleta la cual es producida por la combustión en el interior del calentador, produciendo señal continúa manipulada.
• MEDIDOR DE PRESIÓN O PRESOSTATO
Es un dispositivo que se encarga de medir la presión en una tubería la cual se encuentra dispuesta para tal fin, midiendo en cada uno de los calentadores la presión del vapor que estas despiden, traduciendo la variable de presión a una señal discreta manipulada de 24Vdc,ver figura 18.
FIGURA 16. Medidores de nivel. Fuente: Kobold (2003, en línea).
FIGURA 17. Sensor de luz ultravioleta. Fuente: Honeywell (2003, en línea).
• CAUDALÍMETRO (MEDIDOR DE FLUJO)
Es un nuevo dispositivo preciso que se desea instalar en el sistema de control de ambos calentadores, el cual medirá el flujo de gasoil consumido. Integrándose al sistema con una señal bien sea de voltaje, corriente o digital (figura 19).
FIGURA 19. Medidores de caudal. Fuente: Danfoss (2003, en línea).
• MEDIDOR DE NIVEL DEL TANQUE RETROALIMENTADO DE GASOIL
Es un nuevo dispositivo necesario para el sistema de control de este tanque el cual garantizara confianza del suministro de gasoil a los calentadores, Esta trabajara en conjunto con un rele temporalizado para proporcionar una señal discreta de 24Vdc, vea la figura 20.
• SERVOMOTOR
Honeywell empleado en cada uno de los calentadores para el control automático de la relación aire/combustible, este dispositivo maneja señales discretas de 24Vdc.
FIGURA 20. Medidores de nivel. Fuente: Kovold (2003, en línea).
FIGURA 21. Servomotor de las calderas Modutrol IV . Fuente: Honeywell (2003, en línea).
2.2.VARIABLES DE SALIDA
• ELECTROVÁLVULA
Es una válvula todo o nada controlada por medios electrónicos estando operada con una señal de 24Vdc, ella permite el paso del gasoil al piloto y el quemador (figura 22).
• CONTACTORES
Son dispositivos controlados por una señal discreta digital de 24vdc (ver figura 23).
FIGURA 22. Electroválvulas. Fuente: Elion (2003, en línea).
A continuación se muestra en la tabla 2 y tabla 3, un resumen de las variables que cuantificaron en el sistema de control situado en el área de los calentadores de Molinos Sagras C.A. (MOSACA), como también otras que se desean adicionar a este.
Tabla 2 C CCaaallleeennntttaaadddooorrr111 V VVaaarrriiiaaabbbllleeedddeeeeeennntttrrraaadddaaasss VVVaaarrriiiaaabbbllleeesssdddeeesssaaallliiidddaaasss V VVaaarrriiiaaabbbllleeesss TTTiiipppooodddeeessseeeñññaaalll UUUbbbiiicccaaaccciiióóónnn VVVaaarrriiiaaabbbllleee TTTiiipppooodddeeessseeeñññaaalll UUUbbbiiicccaaaccciiióóónnn Termocupla 7,52mVdc - 50,05mVdc Análoga En la salida de la caldera a la planta.
Electroválvula 24Vdc Entrada de gasoil.
Termocupla Análoga 7,52mVdc - 50,05mV En la salida de la caldera a la planta. Electroválvula 24Vdc Entrada de gas propano.
Continuación de la tabla 2 C CCaaallleeennntttaaadddooorrr111 V VVaaarrriiiaaabbbllleeedddeeeeeennntttrrraaadddaaasss VVVaaarrriiiaaabbbllleeesssdddeeesssaaallliiidddaaasss V VVaaarrriiiaaabbbllleeesss TTTiiipppooodddeeessseeeñññaaalll UUUbbbiiicccaaaccciiióóónnn VVVaaarrriiiaaabbbllleee TTTiiipppooodddeeessseeeñññaaalll UUUbbbiiicccaaaccciiióóónnn Termocupla Análoga 7,52mVdc - 50,05mVdc En la salida de la caldera a la planta. Contactor para el ventilador de tiro forzado Digital 0Vdc - 24Vdc En el calentador. Termocupla Análoga 7,52mVdc - 50,05mVdc En la entrada de la caldera a la planta. Contactor para la bomba de gasoil Digital 0Vdc - 24Vdc En el gabinete de los calentadores . Medidor de nivel Digital 0Vdc - 24Vdc En el interior del calentador. Contactor para la bomba de gasoil Digital 0Vdc - 24Vdc En el gabinete de los calentadores . Medidor de nivel Digiatal 0Vdc - 24Vdc En el tanque retroalimenta do de gasoil. Contactor 1, para la bomba de suministro de agua a la planta. Digital 0Vdc - 24Vdc Tablero #8. Detector de llama - En la cabezal del quemador. Contactor 2, para la bomba de suministro de agua a la planta. Digital 0Vdc - 24Vdc Tablero #8. Medidor de presión para el gasoil Digital 0Vdc - 24Vdc En el calentador. Servomotor Digital 0Vdc - 24Vdc En el calentador Medidor de presión para el agua de la caldera Digital 0Vdc - 24Vdc Al lado del gabinete de los calentadores
Servomotor 0Vdc - 24VdcDigital calentador En el
Medidor de
flujo -
En la salida del tanque
retroalimentado
Tabla 3 C CCaaallleeennntttaaadddooorrr222 V VVaaarrriiiaaabbbllleeedddeeeeeennntttrrraaadddaaasss VVVaaarrriiiaaabbbllleeesssdddeeesssaaallliiidddaaasss V VVaaarrriiiaaabbbllleeesss TTTiiipppooodddeeessseeeñññaaalll UUUbbbiiicccaaaccciiióóónnn VVVaaarrriiiaaabbbllleee TTTiiipppooodddeeessseeeñññaaalll UUUbbbiiicccaaaccciiióóónnn Termocupla 7,52mVdc - 50,05mV Análoga En la salida de la caldera a la planta. Electroválvula 24Vdc Entrada de gasoil. Termocupla 7,52mVdc - 50,05mVAnáloga En la salida de la caldera a la planta.
Electroválvula 24Vdc Entrada de gas
propano. Termocupla 7,52mVdc - 50,05mV Análoga En la salida de la caldera a la planta. Contactor para el ventilador de tiro forzado Digital 0Vdc - 24Vdc En el calentador. Termocupla Análoga 7,52mVdc - 50,05mV En la entrada de la caldera a la planta. Contactor para la bomba de gasoil Digital 0Vdc - 24Vdc En el gabinete de los calentadores . Medidor de nivel Digital 0Vdc - 24Vdc En el interior del calentador. Contactor para la bomba de gasoil Digital 0Vdc - 24Vdc En el gabinete de los calentadores . Medidor de nivel Digiatal 0Vdc - 24Vdc En el tanque retroaliment ado de gasoil. Contactor 1, para la bomba de suministro de agua a la planta. Digital 0Vdc - 24Vdc Tablero #8. Detector de llama - En la cabezal del quemador. Contactor 2, para la bomba de suministro de agua a la planta. Digital 0Vdc - 24Vdc Tablero #8. Medidor de presión para el gasoil Digital 0Vdc - 24Vdc En el calentador. Servomotor Digital 0Vdc - 24Vdc En el calentador Medidor de presión para el agua de la caldera Digital 0Vdc - 24Vdc Al lado del gabinete de los calentadores Servomotor Digital 0Vdc - 24Vdc En el calentador
Continuación de la tabla 3 C CCaaallleeennntttaaadddooorrr222 V VVaaarrriiiaaabbbllleeedddeeeeeennntttrrraaadddaaasss VVVaaarrriiiaaabbbllleeesssdddeeesssaaallliiidddaaasss V VVaaarrriiiaaabbbllleeesss TTTiiipppooodddeeessseeeñññaaalll UUUbbbiiicccaaaccciiióóónnn VVVaaarrriiiaaabbbllleee TTTiiipppooodddeeessseeeñññaaalll UUUbbbiiicccaaaccciiióóónnn Medidor de flujo - En la salida del tanque retroalimentado
Fuente: Espinel D. y Jiménez A. (2003).
3. PLANTEAMIENTO DE ALTERNATIVAS
El control actual de la empresa por retroalimentación actúa sobre un error entre el punto de control y la variable controlada, lo cual significa que, una vez que un disturbio entra al proceso, se debe propagar a lo largo de todo el sistema y forzar a que la variable controlada se desvié del punto de control antes de que se emprenda una acción correctiva para compensar la perturbación. Por ello resulta necesario integrar un nuevo sistema para un buen equilibrio, y así eliminar al máximo toda perturbación para obtener el desempeño de control requerido.
Para desarrollar un sistema, es necesario establecer una lógica de control, con este fin se examinaron alternativas de las diferentes necesidades de demanda en la planta. Para ello se realizo de manera sencilla una selección y descarte, de sistemas de controles no adaptable para el proceso de la empresa.
que estos entren al proceso y se calcula el valor que se desea o de punto de control. De esta manera las perturbaciones se compensan antes de que se afecte a la variable controlada. Para la integración del control por acción precalculada es necesario compensar los disturbios mayores, es decir, aquellos que ocurren con mayor frecuencia y ocasionan grandes desviaciones en la variable controlada.
Para la medición precalculada en el sistema se necesitaría de diferentes dispositivos los cuales midan las distintas variables que entran y salen del proceso. Debido a las cantidades de variables que el sistema consideraría como criticas, un control de este tipo arrojaría un consumo económico no justificado. Por otro lado aunque proceso actual consta de pocas perturbaciones y la acción precalculada como ya se dijo con anterioridad se utiliza para compensar los disturbios mayores, este método no aplica a los requerimientos del sistema de control que se desea instalar, pues no es necesaria tal precisión en el proceso deseado.
Ahora en el sistema de control por computadora, este se realiza de modo discreto, y para ello se requiere que en cada instante de muestreo se exprese la señal del transmisor, se calcule la variable manipulada y se actualice la señal de salida del controlador. Entonces, de esta manera la señal de salida se mantiene constante durante un intervalo completo de muestreo, hasta la siguiente actualización. Para el logro de estas operaciones de muestreo y mantenimiento sobre el desempeño del controlador, se hace ajuste de sus parámetros mediante la utilización de
microprocesadores, minicomputadoras y computadoras digitales.
Estudios de mercado previos en la empresa, han demostrado que un sistema de este tipo presenta altos costos tanto en equipos como para su instalación, además, no es totalmente fiable para el proceso de la ind ustria puesto que un proceso por ajuste no es una ciencia exacta o precisa, mas bien, este requiere de un sistema estable que se adapte a las necesidades, y el proceso por computo requiere de muestreos constantes que pueden afectar a ciertos parámetros del sistema, además no todas las señales que el proceso maneja son discretas, por lo tanto no todas las variables se integrarían al sistema con buena precisión al control por computo, por ello no se recomienda.
Por otro lado el control por sobreposición se utiliza generalmente como un control de protección para mantener las variables del proceso dentro de ciertos límites. Otro esquema de protección es el de control entrelazado, el cual se utiliza principalmente como protección contra el mal funcionamiento del equipo, es decir, cuando se detecta mal funcionamiento el proceso se detiene mediante el sistema entrelazado. La acción del control por sobreposición no es tan drástica, ósea, el proceso se mantiene en operación, pero bajo condiciones más segura (Smith C. y Corripio A.1997, p. 472).
En los calentadores es obligatoria la protección en ciertos parámetros pero no es primordial para muchos de ellos ya que consta de ciertos dispositivos que tiene su propio circuito de protección, entonces, la instalación de este sistema por sobreposición y entrelazado seria obviamente
innecesario, arrojando una inversión alta y excusada.
Por otro lado el control en cascada también resulta de difícil aplicación por que a pesar de su aplica en sistemas de retroalimentación, se realiza en sistemas donde su proceso conste de diferentes controles dependientes de otros, formando una especie de sistema conexionado en serie. Entonces se tendría que hacer una reestructuración del proceso actual de los calentadores, provocando un impacto de reingeniería en esta industria.
El control de razón o control de relación, basado en el texto de Smith
C. y Corripio A. (1997, p.430), es una técnica de control muy común, ventajosa y útil en los procesos industriales.
La razón de control principal en el sistema de los calentadores es la relación aire/combustible, La cual esta basada principalmente en la proporción en peso del aire y carburante que se alimenta durante la combustión controlando la relación estequiométrica del proceso. Por medio de esta relación no se asegura un funcionamiento preciso de las variables que componen todos los lazos de control existentes en el sistema. Generalmente se utiliza el flujo de los combustibles como variable manipulada, para mantener el valor que se desea de energía calorífica de los calentadores necesaria para la demanda de la planta. En la figura 24 y 25, se muestra el esquema de las variables a controlar y señales para los elementos finales de control, siguiendo el proceso que se conoce como control medición completa y con el cual se evitan perturbaciones de la razón aire/combustible, se implanta un nuevo sistema de control por relación de
FIGURA 24. Diagrama del control por relación Temperatura/Modulación, calentador 1. Fuente: Espinel D. y Jiménez A. (2003).
FIGURA 24. Diagrama del control por relación Temperatura/Modulación, calentador 2 . Fuente: Espinel D. y Jiménez A. (2003).
temperatura/modulación.
El control de razón temperatura/modulación se inicia desde el momento en que el controlador maestro CM1 de la orden que comience el funcionamiento de M5 (motor de abanico tiro forzado) por medio de C1 (controlador de encendido razón aire/combustible), C1 verifica que A1 no reporta alarma de bajo nivel del tanque retroalimentado de gasoil, una vez que la lógica es falsa (no hay alarma), se procede inmediatamente a encender CC (controlador secundario).
CC cumple con la función control de encendido de M5 (motor de abanico tiro forzado), y CR1 (controlador de retardo), el cual es un controlador de retardo que después de un tiempo determinado de espera, permitirá alcanzar a M1 su máxima velocidad, dando la señal para hacer un barrido o purga para el encendido correcto a través del motor M4 (motor modulador), este moverá un damper para permitir el paso del aire y simultáneamente el cierre/apertura de la válvula contra presión, (figura 25).
FIGURA 25. Esquema de control para la razón aire a combustible. Fuente: Espinel D. y Jiménez A. (2003).
Por otro lado CR1 energiza a CR2 (control de retardo), permitiendo luego este la acción de control de C2 (controlador de las bombas) y CGS . C2 tiene la tarea de decidir el encendido de una de las dos bombas, sea M2 o M3. Mientras que CGS (controlador de electroválvula ) controla el gas propano y el gasoil en modo secuencial, primero encendiendo el transformador de ignición y la electroválvula del piloto seguido de la verificación de llama (por medio de E/E), y luego el encendido del quemador, esta secuencia se logra a través de las válvulas y M1 (motor para el gasoil) por el cual fluye el gasoil. Ver figura 26.
FIGURA 26. Esquema de control para bombas, gas propano, gasoil. Fuente: Espinel D. y Jiménez A. (2003).
Una vez ejercido la acción de control del encendido del quemador, se procede a la verificación de las posibles alarmas a través de A1 (controlador de alarmas) supervisando sus diferentes entradas, las cuales son CL1 (controlador de nivel), CL2 (controlador de nivel del tanq ue de retroalimentado de gasoil), presostato para gasoil y presostato para el
calentador. Si A1 considera alguna de estas entradas como relevante, esta se declarara como alarmas notificándole a CM1 a través de C1, deteniendo el proceso (ver figura 27).
FIGURA 27. Lazos de control de alarma. Fuente: Espinel D. y Jiménez A. (2003).
Este proceso tiene una secuencia constante donde el control maestro CM1 forma un sistema de relación temperatura/modulación la cual es controlada por CT (controlador de temperatura).
La temperatura que maneja CT es proveniente de cuatro termocuplas (vea la figura 28) las cuales están localizadas, tres en la salida y una en la entrada de los calentadores. Las tres termocuplas en la salida de los calentadores justifican su ubicación por la medición de relieve del flujo del agua (ley de termodinámica) que se envía a la planta, mientras que la otra termocupla traduce la variable a un patrón de referencia mediante un cálculo del gradiente de variaciones de temperaturas de la entrada y salida, el resultado de esta diferencia determinara la perdida caloríficas del proceso que se lleva en las líneas de producción de pastas, y el propósito de este gradiente es formar una estadística de temperatura disipada en función del
tiempo, de tal forma de verifica la transmisión efectiva del calor en las zonas del proceso de secado de pastas. Un cálculo previo puede respaldar este proceso:
?T1 = Variación de la termocupla 1. ?T2 = Variación de la termocupla 2. ?T3 = Variación de la termocupla 3. ?T4 = Variación de la termocupla 4.
?P1 = Variación del promedio de temperatura 1.
?P2 = variación de la energía calorífica disipada temperatura. Es = Estadística de temperatura transmitida.
n = numero de Es.
Un sistema como este permite establecer periodos precisos de servicios y ajuste en los calentadores, creando eficacia, confianza y precisión de un mejor control de proceso.
FIGURA 28. Controlador de temperatura. Fuente: Espinel D. y Jiménez A. (2003). ?P1 = (?T1 + ?T2 + ?T3) 3 ?P2 = ?P1 - ?T4 Es = ?P2 n ∑ t=8 t=0 (IV-1) (IV-2) (IV-3)
El consumo de gasoil entre los calentadores, es supervisado a través de un panel frontal F (Medidor de flujo o caudalimetro, figura 29), el cual cuantificara tal razón.
FIGURA 29. Controlador del medidor de flujo. Fuente: Espinel D. y Jiménez A. (2003).
Los módulos CM1 y CM2 (ver la figura 30) son controladores que permiten un vínculo, logrando una comunicación estrecha entre los calentadores causando una redundancia entre ellos.
FIGURA 30. Controladores redundantes. Fuente: Espinel D. y Jiménez A. (2003).
Para que el sistema funciones con eficiencia se debe de verificar la relación en peso del aire y el combustible, este es calibrado manualmente en el calentador, para el cual idealmente se debe de obtener una razón de 10:1, es decir;
Esta relación se maneja automáticamente por medio del modulador M4, obteniendo una modulación directamente proporcional a la intensidad calorífica emitida, donde la intensidad calorífica determinara si se modulara, más, hasta llegar al set-point o posiblemente menos por estar dentro del intervalo. La construcción de la caldera, permitió diseñar un juego de ecuaciones matemáticas las cuales determinaran la modulación que corresponderá a los intervalos del set-point, es decir, solo entraran funcionamientos cuando la temperatura este en el intervalo, el método es el siguiente:
K1 = Menor valor del set-point. K2 = Mayor valor del set-point.
Pts = Media de temperatura del set-point. Rt = Razón de la temperatura.
M = Porcentaje de modulación.
El Valor de M (obtenido de la formula IV-7), es un porcentaje que permite modular el calentador en diferentes intervalo o ángulos, el cual puede ser
Razón = Kg de aire Kg de gasoil Pts = K1 + K2 2 Rt = ?P1 x 100 - 100 Pts M = (M - Rt) (IV-4) (IV-5) (IV-6) (IV-7)
designado por una programación como la que se muestra en la figura 31 o por el fabricante del equipo a instalar, determinando así intervalos angulares que será directamente proporcional al porcentaje de M.
El Modutrol IV marca Honeywell que esta instalado en los calentadores, tienes dos modos angulares, fuego mínimo y fuego máximo, para el cual el sistema y los cálculos realizados no aplican, vea la figura 32.
FIGURA 32. Ángulos fuego máximo y fuego mínimo, en el motor Modutrol IV. Fuente: Honeywell (2003).
4. EVALUAR LAS ALTERNATIVAS PLANTEADAS
En la fase anterior se estudiaron diferentes alternativas de control del proceso los cuales se precisaron mediante un descarte, tomando como patrón el sistema precedente instalado en los calentadores.
Determinando de esta manera una evaluación de la técnica a integrar, efectuada por relación temperatura/modulación, logrando un ahorro del consumo de combustible en planta. Por tanto se considera este control de
proceso como el más adaptable a los requerimientos del sistema con el manejo total de todos los parámetros determinados, para así presentarlo como propuestas a la empresa.
El control del combustible que se llevaba a cabo en la empresa era de forma manual, este se realizaba con estadísticas, donde se calculaba el valor promedio de su consumo diario ocasionando perdida de tiempo y menor precisión en la inspección de llenado de los tanques del gasoil, de esta manera el proceso era poco confiable y menos eficiente para el control total requerido por los distintos porcentajes de la demanda de la planta, es decir, el numero de líneas de producción que estén en labor.
En la gráfica 1, se puede observar un promedio de consumo de combustible diario, estableciendo las perdidas ocasionadas por la deficiencia del proceso. Seguido por una comparación de los dos sistemas, se presenta la gráfica 2, la cual refleja el porcentaje del consumo de gasoil una vez instalado el nuevo sistema, obteniendo así un 25% de mejoras en el manejo del control requerido.
Estimando el proceso, el cual se limita a las alternativas de un control exacto como el aquí estudiado se tiene previsto el controlar todas las variables que engloban el proceso de recalentado del agua, por ello para la integración del sistema de control por relación temperatura/modulación, es necesaria la adquisición de dispositivos como tales:
• Medidor de nivel para el tanque retroalimentado del gasoil: Este es un dispositivo necesario para prevenir el desabastecimiento del tanque del
gasoil, el control tendrá la opción de alarma para la inspección y verificación del nivel bajo y nivel alto del tanque., el cual con lleva a el apagado instantáneo de los calentadores.
GRÁFICA 1. Estadísticas del consumo de gasoil del proceso actual. Fuente: Molino Sagra C.A (2003).
• Caudalímetro: Este es necesario integrarse al sistema para una mejor medición o un control correcto del consumo del combustible. Este dispositivo puede ser un contador de flujo o medidor de flujo. En este estudio se decidió instalar el contador de flujo por su menor costo y fácil instalación. Este contador de flujo es un caudalímetro de turbina de alta precisión. Ver figura 33.El presostato: Es necesario establecer de manera constante una supervisión de la bomba de gasoil y el filtro, por ello se
evaluó en el proceso la implantación de este dispositivo , ya que en muchas ocasiones el trabajo ejercido por los calentadores no es eficiente y es debido a la obstrucción del filtro, con este sistema de control se establecerá el error desde el momento en que falla el motor, la bomba o el filtro, para luego ser verificado por el operador.
GRÁFICA 2. Estadísticas del consumo de gasoil con nuevo sistema integrado. Fuente: Espinel y Jiménez (2003).
• El motor modulador: Este motor debe tener la virtud de operar de manera exacta para diferentes ángulos, los cuales varían en intervalos de bajo fuego y alto fuego, y así de esta manera obtener un mayor rendimiento y control del combustible.
Una vez integrado el sistema por razón temperatura/modulación, se lleva el control de las variables mediante un controlador dedicado el cual
supervisara que el sistema lleve su correcto funcionamiento y de esta manera estableciendo una relación hombre-maquina. Este equipo que tiene la capacidad de brindar diferentes características dedicadas a procesos individuales como también tiene características individualizadas.
FIGURA 33. Caudalímetros (Medidor de flujo). Fuente: Kobold (2003, en línea).
El equipo que se ha escogido en esta evaluación es el MOD 30ML. Este es un controlador multilazo basado en microprocesador que reúne E/S internas y modulares, borneras de campo extraíbles, acondicionadores de señales, fuente de alimentación y una poderosa interfase de operación en un mismo equipo. Internamente posee 2 entradas analógicas universales aisladas, 2 salidas en corriente y 1 puerta de comunicaciones, hasta 11 módulos de E/S individuales y 1 módulo de comunicaciones adicionales pueden ser instalados en un controlador. Su flexible configuración permite
reunir todas las combinaciones de control, según las necesidades del proceso.
El controlador MOD 30ML, provee funciones de control continuo como PID, feedforward, seguimiento de setpoint y salida, realimentación externa, limitadores de setpoint y salida, entre otros, agregándose funciones aritméticas con operadores, relacionadores y lógicas como son: temporizadores, funciones de E/S, y es utilizado tanto en aplicaciones de control regulatorio, lógico, secuencial ó batch, como para adquisición de datos. La cantidad de lazos corriendo en un mismo controlador MOD 30ML, es definido por el usuario, como así también la base de tiempo de ejecución y las E/S asignadas. Hasta 6 lazos PID simples (o 4 cascadas) pueden ser implementados desde su frente. Sus potentes bloques secuenciadores, fáciles de usar, están basados en programadores a levas, diseñados con hasta 100 entradas, 80 pasos y 30 salidas, los cuales pueden estar ligados para grandes secuencias. Estos bloques permiten avanzar y retroceder pasos, saltar ilimitadamente y tener salidas de cualquier tipo de las soportadas por el MOD 30ML (discreta, punto flotante IEEE, enteros, tiempo, fecha, ASCII ó hexa).
Su unidad básica esta disponible en 2 formatos según las necesidades de instalación. Su formato estándar incluye 15 posiciones para E/S ó comunicaciones, 2 borneras extraíbles para conexión directa de campo en la parte posterior del equipo. Su segunda opción permite conexión directa a cables MOD 30, permitiendo al MOD 30ML tener una interfase directa a los
paneles de terminación (STP) de MOD 30 existentes. El instrumento posee una fuente de alimentación AC/DC interna que permite alimentarlo en 24 VCC ó en tensiones de 85 a 250 VAC. El formato MOD 30, posee solamente alimentación de 24 VCC. Ambos formatos incluyen una poderosa CPU de alta velocidad basada en un microprocesador Motorola 68302, y su firmware asociado para soportar las E/S, comunicaciones y funciones de control. Cada procesador multilazo MOD 30ML tiene 64 Kbytes de RAM no volátil, para almacenar su base de datos y todos los parámetros corrientes de proceso y operativos. Un módulo de memoria opcional removible, provee de 64 Kbytes de RAM no volátil redundante, dónde se puede realizar el back-up de la base de datos y demás parámetros, pudiendo dejar otra unidad en servicio con todos los valores actualizados en segundos, vea la figura 34.
Para aplicaciones más complejas, el software basado en iconos Application Builder, es usado para salvar, crear, editar, cargar y documentar la base de datos del controlador MOD 30ML en un ambiente gráfico. La carga de la configuración puede ser realizada mediante el ICN ó Modbus en RS-232 ó RS-485 4 hilos. El soporte de operación en tiempo real puede realizarse en cualquiera de los paquetes de software comunes para terminales tipo PC ó industriales, como ser: PC-30, Génesis, Génesis for Windows, Fix de Intellution, Wonderware de InTouch, Citec, entre otros. Pantallas de operación local pueden usarse mediante el empleo del 2021W (Local Control Panel) con el uso de ICN ó bien por cualquier terminal con Modbus.
FIGURA 34. Mod30 ML. Fuente: ABB Inc. (2003, en línea).
Dos canales de comunicaciones serie permite en un mismo MOD 30ML funcionar en 2 redes independientes simultáneamente. El primer canal de comunicaciones viene incluido en su base, pudiéndose seleccionar (mediante puentes) entre ICN, RS-232 ó RS-485 (Modbus). El segundo canal se agrega mediante el uso de módulos de comunicaciones enchufable dentro de los 11 slots disponibles para E/S adicionales. El controlador MOD 30ML se comunica con otras unidades MOD 30ML, Modcell, instrumentos Mod 30 ó software PC-30, mediante el uso de comunicaciones punto a punto dentro de la Red de Comunicaciones de Instrumentos (ICN), permitiendo la integración con estrategias de control existentes y nuevas. Las comunicaciones ICN proveen de esta capacidad al equipo. Los módulos (internos y externos) de comunicaciones serie proveen de interfaces RS-232 y RS-485 (2 y 4 hilos) usan el protocolo estándar Modbus en formato maestro y/o esclavo. Los módulos de comunicaciones RS-485 pueden proveer de las resistencias de pull-up y pull-down de la red Modbus. Las comunicaciones con controladores
de simple lazo Modcell 2050 y software de supervisión de diferentes marcas y modelos, pueden ser implementados con MOD 30ML usando el protocolo estándar Modbus RTU. Ambos, ICN y Modbus (maestro / esclavo) pueden estar simultáneamente operando en una misma base.
Los módulos de E/S y comunicaciones; son agregados separadamente según las necesidades de la aplicación. Estos módulos enchufables incluyen varios tipos de entradas analógicas, salidas analógicas, entradas digitales, salidas digitales de estado sólido y mecánicas, comunicaciones ICN y Modbus, y son provistas individualmente, dónde pueden ser mezcladas en forma y tipo dentro de una misma plataforma. Todo acondicionamiento de señales se realiza dentro de los módulos, los cuales son aislados óptica y galvánicamente por punto. Además, cada punto permite configurar su posición de falla segura y su valor de rearranque en caso de caída de la energía eléctrica.
Los módulos de E/S analógicos generan una señal de alta resolución acondicionando la entrada. Las señales de proceso, incluyendo RTD y termocuplas, son conectadas directamente a la bornera del Modcell, sin necesidad de transmisores ó transductores externos. Un único módulo soporta todos los tipos de termocuplas con detección de apertura de la misma; hay también módulos de entradas en corriente de 4-20 mA con alimentación para transmisores de 2 hilos. La compensación de junta fría es provista por un mismo módulo para todas las entradas de T/C. Otros módulos incluyen entradas en volts, milivolts, RTD en 2 y 3 hilos con detección de
apertura de cables y 4-20 mA sin alimentación a campo. Los módulos de salida analógicas generan 4-20 mA ó 0-20 mA u otro rango configurable. Todas las E/S analógicas son individualmente aisladas ópticamente y soportan hasta 250 Vrms continuos.
Las opciones de E/S digitales incluyen ambos módulos aislados y no aislados. Las versiones de relés de estado sólido ofrecen una capacidad de aislación de alta tensión. Los módulos no aislados proveen de tensión de interrogación para lógicas TTL, como así también la posibilidad de interfase entre módulos similares sin necesidad de fuentes de alimentación externa. Los módulos de salida de relés mecánicos soportan Form A, Form B y Form C. Además este tiene la particularidad de tener posibles conexiones con señales digitales expansivas con un controlador multilazo Modcell el cual se expande para incorporar hasta 100 E/S digitales usando módulos remotos de E/S CS-31 de ABB. Los módulos se comunican con el MOD 30ML usando la Red de E/S Remotas CS-31, una red de campo (fieldbus) sobre RS485 conecta a la base mediante un módulo enchufable. Para mayor detalle refiérase a la especificación de E/S Remotas CS-31. Con este se puede controlar el nivel del tanque de retroalimentación junto con los demás subprocesos (información suministrada por ABB).
Ha este equipo se le realizo un estudio de mercado por medio de un proveedor de nuestro país, el cual vende, distribuye y brinda servicios de estos equipos, ellos en conjunto con la evolución del sistema propuesto,
lograron cotizar un sistema automatizado con el equipo Mod 30ML, permitiendo conocer los resultado de estas, como se muestra en el anexo 14.
Una vez determinado todo el sistema de control por relación apreciado, se conseguirá corregir las fallas de producción del anterior proceso de los calentadores, tomando en cuenta todas sus variables manipuladas y controladas.
B. DISCUSIÓN DE RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN
Después de realizar el análisis del sistema de control por razón planteado, para los calentadores que cumplen con el proceso de secado de pastas, condujo a determinar que para integrar un sistema al proceso, se toma en consideración la configuración de dispositivos como las termocuplas, el medidor de nivel, el medidor de presión, el detector de llama, el motor modulador y los diferentes contactores que conforman los motores y bombas del proceso, para que ejecuten la supervisión de las variables seleccionadas, también es importante destacar que el sistema de control diseñado puede integrarse al proceso actual sin modificaciones extremas. Lo anteriormente expuesto coincide con lo planteado por guerrero (2000), cuando dice que los sistemas de control son diferentes en función pero compatibles con respecto a la comunicación, entre ellos pueden integrarse sin modificar de manera significativa su configuración. Además este también coincide con la definición dada por Smith y corripio (1997), ya que él integra a un sistema de control retroalimentado el control por razón sin alterar la estructura anterior del
proceso.
Otro elemento a destacar con el estudio, es que de implementarse dicho sistema, este generara ahorros en tiempo productivo, reemplazo y reparación de los equipos y sistemas de la empresa, ya que los problemas son detectados y notificados de inmediato para su solvencia; del mismo modo, torres (2001), afirma que la implantación de este tipo de sistemas debe asumir los lineamientos de calidad, seguridad y eficiencia para reducir las fallas en los equipos de las estaciones de las empresas.
Por otro lado es necesario enfatizar en que el control por razón fue desarrollado para unas calderas pirotubulares las cuales proveen agua a altas temperaturas, lo cual no concuerda con Mosher (1989) y Lafacu (2002, en línea), que explican que estas calderas son solamente para el suministro de vapor.
Para la implantación de este proyecto es completamente necesario un control dedicado por su velocidad de respuesta precisa en el manejo de variables criticas, es por ello que zubia (2002, en línea) no coordina con lo aquí dicho ya que este asegura que los controladores lógicos programables (PLC) son equipos que pueden ser instalados a cualquier proceso industrial.
