CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
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CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
1.-ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
Para el desarrollo de esta investigación se debe realizar la búsqueda e investigación de trabajos previos que ayuden a sustentar y a llevar a cabo la misma y sirvan entonces, como marco de referencia para orientar el desarrollo de un sistema automatizado de control para una central procesadora de caña de azúcar
En primer lugar se tiene el trabajo realizado por Ramírez (2008), llamado
“Sistema de automatización y control para la optimización del proceso de tratamiento de agua en la Planta San Rafael de Cordero de la empresa Hidrosuroeste C.A.”, se planteó como objetivo principal el control y la automatización de la planta de tratamiento de agua potable San Rafael de Cordero, perteneciente a la hidrológica del estado Táchira HIDROSUROESTE C.A. y apoyado en las teorías de Ogata (1998), Kuo (1996) y Creus (2005). El tipo de investigación se considero aplicada, exploratoria y de campo.
La metodología fue la propuesta por Angulo (1986), que consta de ocho fases: Fase I: analizar e l funcionamiento del proceso de los once lechos
filtrantes, Fase II: evaluar un sistema de automatización y control para la optimización del proceso de tratamiento de agua, Fase III: definición de las especificaciones, Fase IV: definición de las variables críticas del proceso, Fase V: definir las alternativas de solución, Fase VI: obtener la mejor alternativa de solución, Fase VII: diseño del software, Fase VIII: simular el diseño y hacer pruebas finales.
La hidrología consta de ocho lechos filtrantes, establecido por filtros rápidos y abiertos denominados “AQUAZUR tipo V”, esta es la fase final de tratamiento de agua, la cual fue analizada detalladamente para realizar la propuesta de optimizar dicho proceso. El filtrado de agua se lleva a cabo dentro de los lechos filtrantes y esta pasa por una serie de etapas en las cuales actúan varios equipos e instrumentos que ayudan a mejorar el proceso, la propuesta se hizo específicamente para mejorar el sistema de control de estos equipos basado en un autómata lógico programable (PLC) de la marca Allen Bradley modelo control logix SLC 500.
De esta forma se le dio un tratamiento relevante a la propuesta desarrollada de manera completa. La optimización de un proceso pasa por la automatización de muchos de sus componentes y para ello se elaboró un cuadro de comparación a nivel de características de eficiencia, productividad y costos de cada una de las posibles soluciones. Todo esto se realizó con el fin de minimizar los costos operativos de mantenimiento y estar a la vanguardia de la tecnología existente hoy en día en dicho aspecto.
Este proyecto aporta a la investigación la experiencia del diseño de un
software para control de procesos con PLC, así como el diseño para el desarrollo de un sistema automatizado lo cual abarca el objetivo general de este trabajo.
Por otra parte se presenta el trabajo realizado por Suárez, Goytisolo, Arzola y Fernández (2006) titulado “Regulación automática de las presiones hidráulicas en los molinos de caña de azúcar”, el cual tiene como objetivo principal proponer un control automático sobre un sistema hidráulico para lograr una mayor eficiencia en la extracción del jugo de caña de azúcar, y se apoya la teoría del modelo matemático propuesto por Crane (1982).
La investigación se basa en una metodología de análisis y modelo matemático en el cual se consideraron los siguientes aspectos: Fuerza hidráulica sobre las chumaceras del árbol superior, Fuerza de contacto sobre la espiga cuadrada del árbol y el acoplamiento, Reacción del colchón de bagazo sobre los rodillos de los árboles, Fricción de los cueros del pistón con la pared de los cilindros. La estrategia de control fue diseñada a través del software Matlab y la relación de presiones hidráulicas sobre los molinos de caña de azúcar fue calculada con la ayuda del método planteado.
Logrando de esta manera optimizar las presiones hidráulicas en los molinos de caña de azúcar y la cual presenta su importancia en la investigación puesto que está estrechamente ligada con el tema de interés y del proceso que se quiere controlar en la misma, además de hacer referencia a una central procesadora objeto de estudio.
En este mismo orden de ideas se muestra el trabajo realizado por Valdés (2006) titulado “Sistema de cosecha de caña de azúcar” que tiene como objetivo principal Conocer las ventajas y desventajas ofrecidas por la caña de azúcar y está apoyado en las teorías de Humbert (1976), Gómez (1983) y García (1976). La investigación es considerada de tipo descriptiva.
Se utilizaron los siguientes métodos de investigación Histórico-Lógico y análisis-síntesis. La investigación principalmente se encarga de desarrollar un estudio centrado en el origen del cultivo de la caña de azúcar y en cómo ha sido su desarrollo a nivel mundial y nacional, teniendo como enfoque principal el impacto ambiental, los residuos de la cosecha y la cosecha en verde, siendo esta última un reto tecnológico debido a la gran cantidad de residuos generados; pero que a su vez pueden ser usados para la protección y recuperación del suelo, conservar la humedad, control de malezas, alimentación animal, cogeneración de electricidad, entre otras.
Dentro de este punto de la cosecha el autor resalta la llamada cosecha mecanizada, en la que actualmente se utilizan unas cosechadoras que pueden realizar una labor combinada, es decir, estas despuntan los tallos de caña, los cortan por su base, seccionan los tallos en pequeños trozos, extraen impurezas y descargan la caña a las unidades de transporte.
En esto último se encuentra el principal aporte de este trabajo de investigación, puesto que, se describen los pasos que se deben tomar en cuenta a la hora de crear el programa mediante el cual se automatizará cada fase del procesamiento de la caña de azúcar, teniendo en cuenta, además, el
aspecto ambiental que a todos como sociedad nos atañe.
En cuarto lugar se tiene, el trabajo de investigación realizado por Eglebert (2005), titulado “Control Automático Primario basado en un controlador lógico programable para el sistema Hipoclorito de Sodio de la planta RAMON LAGUNA” Enelven. En la investigación se planteó como objetivo principal “Diseñar un sistema de control primario basado en un controlador lógico programable (PLC) para el sistema hipoclorito de sodio de la planta Ramón Laguna (ENELVEN); se apoya en las teorías de Catacora (1996), Chiavenato (1998), Maloney (1997), Ogata (1998). La metodología utilizada fue de tipo Descriptiva, proyectiva y de campo.
El propósito de la investigación fue automatizar la planta de hipoclorito de sodio de la central termoeléctrica “Ramón Laguna” a través de un software correspondiente al PLC en este caso Allen Bradley, y realizar los diagramas de conexión del nuevo sistema de control, los cuales serán de gran utilidad en su implementación.
También se realizó una estructuración lógica de control de proceso y se efectuó una simulación del programa. Esta planta posee un sistema electromecánico, donde, el uso masivo, la extensa longitud del cableado y la falta de instrumentación necesaria, trajeron como consecuencias una diversidad de fallas en su funcionamiento.
En vista de lo anterior, todas esas fallas y problemas en el manejo del sistema dieron cabida al PLC, el cual constituye el sistema de control más adecuado para la sustitución de relés que se utilizan en el sistema actual;
respaldando esto totalmente la investigación que se desea realizar puesto que está ligada al objetivo principal que es el control automatizado de un proceso; además, se implementa la utilización del software con el cual trabaja el PLC lo cual sirve para el desarrollo del presente trabajo.
2.-MARCO TEÓRICO.
2.1-SISTEMA
Kendall y Kendall (2005, p. 3) indican que los sistemas se desarrollan con diferentes propósitos, los cuales dependen de las necesidades de la empresa.
En este orden de ideas según lo describe Carenas, G. (2009), un sistema es un conjunto de partes o elementos organizados y relacionados que interactúan entre sí para lograr un objetivo. Los sistemas reciben (entrada) datos, energía o materia del ambiente y proveen (salida) información, energía o materia. Un sistema puede ser físico o concreto o puede ser abstracto o conceptual.
2.1.1-SISTEMA DE CONTROL
Según Creus (2005, p.68), el control ha sido definido bajo dos grandes perspectivas, una perspectiva limitada y una perspectiva amplia. Desde la perspectiva limitada, el control se concibe como la verificación a posteriori de
los resultados conseguidos en el seguimiento de los objetivos planteados y el control de gastos invertidos en el proceso realizado por los niveles directivos donde la estandarización en términos cuantitativos, forman parte central de la acción de control.
Control es entonces, la aplicación de diversos principios que se aplican para el funcionamiento de una organización con el propósito de obtener información correcta y segura, la protección de los activos de la empresa, la promoción de la eficiencia en la operación, entre otros, que permitan cerciorarse de que los hechos vayan de acuerdo a los planes establecidos, señalar las debilidades y errores a fin de rectificarlos e impedir que se produzcan nuevamente.
La ingeniería de control, es por tanto, un hecho fundamental de la industria y la sociedad moderna que se basa en los fundamentos de la teoría de la retroalimentación y el análisis de sistemas lineales, es decir, el control no está limitado a ninguna disciplina de la ingeniería, sino que es igualmente aplicable a la las ingenierías aeronáutica, química, mecánica, del medio ambiente, civil y eléctrica, ya que estos sistemas incluyen con mucha frecuencia componentes eléctricos, mecánicos y químicos.
De esta manera se puede concluir que un sistema de control es una interconexión de componentes que forman una configuración del sistema que proporcionará una respuesta deseada en el mismo, trayendo como beneficios la reducción de costos, la solución y prevención de errores y la eficiencia en los procesos.
2.1.2.-CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL
Según Ogata (2003) los sistemas de control pueden clasificarse en:
a) CONTROL A LAZO ABIERTO
Los sistemas a lazo abierto son aquellos donde la salida no tiene efecto sobre la acción de control. En otras palabras en estos sistemas no se mide la salida ni se realimenta para compararla con la entrada.
En este mismo orden de ideas, es importante resaltar que a cada entrada de referencia le corresponde una operación de condición fija, como resultado de ello la precisión del sistema depende de la calibración, también es sabido que los controladores a lazo abierto ante las perturbaciones no realizan la tarea deseada, por esta razón el sistema de control a lazo abierto en la práctica solo se usa si se conoce la relación entre la entrada y la salida y si no existen perturbaciones internas y externas.
Es evidente entonces que estos sistemas no son realimentados y que cualquier sistema de control que opere con una base de tiempo está en lazo abierto.
b) CONTROL A LAZO CERRADO
Los sistemas a lazo cerrado se definen como sistemas que mantienen una relación determinada entre la salida y la entrada de referencia,
comparándolas y usando la diferencia como medio de control. Un ejemplo de este sistema es el control de temperatura de una habitación.
En la práctica los sistemas de control realimentados no se limitan solo a procesos de ingeniería, sino que también se encuentran en diversos campos ajenas a ella. Por ejemplo el cuerpo humano es un control realimentado muy avanzado.
2.1.3.-TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL INDUSTRIAL
En lo referente a los tipos de sistemas de control industrial Rosado (2004) hace énfasis en tres tipos los cuales son:
a) CONTROL CENTRALIZADO
El control centralizado es el que se utiliza en el caso de sistemas poco complejos donde un proceso puede ser gestionado directamente mediante un único elemento de control encargado de realizar todas las tareas del proceso de producción puesto que puede incluir un sistema de monitorización y supervisión.
b) CONTROL HÍBRIDO
Al hablar de control híbrido se observa que no hay una forma específica que lo defina a la perfección ya que este tipo de gestión de planta puede
considerarse a cualquier estrategia de distribución de elementos de control a medio camino entre el control distribuido y el control centralizado.
En numerosas ocasiones no resulta sencillo separar los procesos de manera completamente autómata, por lo que se debe recurrir a la gestión de varios procesos desde una misma unidad de control pues la complejidad de la separación es mayor que la complejidad que supone su gestión conjunta.
c) CONTROL DISTRIBUIDO
La opción de control distribuido requiere que puedan considerarse procesos, grupos de procesos o áreas funcionales susceptibles de ser definidas por un algoritmo de control que pueda realizarse de forma autómata. A cada unidad se destinará un autómata (o elemento de control) dimensionado de acuerdo con los requerimientos del proceso considerado.
2.2.-.AUTOMATIZACIÓN
Según Asensio y Vilanova (2005, p.11) la Real Academia de las Ciencias Físicas y Exactas define la automatización como el conjunto de métodos y procedimientos para la sustitución del operario en tareas físicas y mentales previamente programadas. De esta definición original se desprende la definición de la automatización como la aplicación de la automática al control de procesos industriales.
En referencia a lo anterior, el mismo autor define proceso a aquella parte del sistema en que, a partir de la entrada de material, energía o información se genera una transformación sujeta a perturbaciones en el entorno, que da lugar a la salida de material en forma de producto.
Se observa entonces que la automatización es el uso de sistemas o elementos para controlar maquinarias y/o procesos industriales sustituyendo a operadores humanos; desempeñando así un papel vital en el avance de la ingeniería y la ciencia puesto que se ha convertido en una parte importante integral de los procesos modernos industriales y de fabricación.
2.2.1.-INDUSTRIA DE PROCESOS
Según Asensio y Vilanova (2005, p.11) las industrias de procesos se pueden definir como fábricas de naturaleza más o menos continua, en las cuales se investiga sobre nuevas tecnologías para la obtención de catalizadores, bioprocesos, membranas para la separación de productos, microrreactores, entre otros; en las mismas se destacan el uso y aplicación de algoritmos de control avanzado como por ejemplo, el control predictivo, o la formación experta de operarios de salas de control mediante simuladores.
2.2.2.-CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
De acuerdo con Asensio y Vilanova (2005, p. 12) la expresión control de procesos industriales, abarca desde un punto de vista académico, la teoría
básica de control de realimentación y acción PID , la instrumentación de control y los elementos capaces de llevar a cabo el control secuencial o la regulación continua.
2.3.-INSTRUMENTACIÓN
Según Creus (2005, p. 1) Es el conjunto de instrumentos que se utilizan para controlar y mantener constantes algunas magnitudes, tales como la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, el pH, la conductividad, la velocidad, la humedad, el punto de rocío, etcétera. Los instrumentos de medición y control permiten el mantenimiento y la regulación de estas constantes en condiciones más idóneas que las que el propio operador podría realizar.
En los inicios de la era industrial, la operatoria de los procesos se llevaba a cabo con un control manual utilizando sólo instrumentos simples, manómetros, termómetros, válvulas manuales, etc., control que era suficiente por la relati va simplicidad de los procesos; sin embargo, la gradual complejidad con que estos se han ido desarrollando ha exigido su automatización progresiva por medio de instrumentos de medición y control.
2.3.1.-ELEMENTOS
En lo que respecta a los elementos en el área de instrumentación Areny (2003) presenta las siguientes definiciones:
a) SENSORES
Son dispositivos que, a partir de la energía del medio donde se mide, da una señal de salida transducible que es función de la variable medida.
Sensor y transductor se emplean a veces como sinónimos, pero sensor sugiere un significado más extenso: la ampliación de los sentidos para adquirir un conocimiento de cantidades físicas que, por su naturaleza o tamaño, no pueden ser percibidas directamente por los sentidos.
b) ACONDICIONADORES
Los acondicionadores de señal, adaptadores o amplificadores, en sentido amplio son elementos del sistema de medidas que ofrecen, a partir de la señal de salida de un sensor electrónico, una señal acta para ser presentada o registrada o simplemente permita un procesamiento posterior mediante un equipo o instrumento estándar. Consisten normalmente en circuitos electrónicos que ofrecen entre otras funciones, las siguientes: amplificación, filtrado, adaptación de impedancias y modulación o demodulación.
c) TRANSDUCTORES
Son dispositivos que convierten una señal de una forma física en una señal correspondiente pero en otra forma física distinta. Es por tanto, un dispositivo que convierte un tipo de energía en otro. Esto significa que la
señal de entrada es siempre una energía o potencia, pero al medir, una de las componentes de la señal suele ser tan pequeña que puede despreciarse, y se interpreta que se mide sólo la otra componente.
Por su parte y siguiendo con la definición de elementos Creus (2005) plantea:
d) TRANSMISORES
Son instrumentos que captan la variable de control y la transmiten a distancia en forma de señal neumática, electrónica o digital. La evolución de las señales de transmisión hacia la digital, propiciada por la irrupción de los microprocesadores, ha permitido satisfacer innumerables necesidades, mientras que por su parte las señales neumáticas y electrónicas se utilizan cada vez menos en beneficio de la señal digital, por las ventajas que ésta ofrece en exactitud, en facilidad de comunicaciones y en grabación de la memoria histórica de las variables del proceso.
Es importante mencionar que la señal neumática ha quedado prácticamente relegada a su uso en las válvulas de control y en los posicionadores electro-neumático y digito-neumático.
2.3.2.-CLASIFICACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS
Según Creus (2005, p.14) los instrumentos de medición y de control son relativamente complejos y su función pueden comprenderse bien si están
incluidos dentro de una clasificación adecuada. Como es lógico, pueden existir varias formas para clasificar los instrumentos, cada una de ellas con sus propias ventajas y limitaciones. Se consideran dos clasificaciones básicas: La primera relacionada con la función del instrumento y la segunda con la variable del proceso.
a) MEDIDORES
En referencia a los medidores Creus (2005) define los siguientes:
• MEDIDORES DE TEMPERATURA
La medida de la temperatura es una de las más comunes y de las más importantes que se efectúan en los procesos industriales. Casi todos los fenómenos físicos están afectados por ella. La temperatura se utiliza frecuentemente para inferir otras variables del proceso.
Existen diversos fenómenos que son utilizados para medirla tales como:
variación en volumen o en estados de los cuerpos, variación de resistencia en un conductor, F.E.M creada en la unión de dos metales distintos, intensidad de la radiación total emitida, entre otros.
De este modo se utilizan instrumentos como termómetros de vidrio, termómetros bimetálicos, elementos primarios de bulbo y capilar rellenos de líquido, gas o vapor, termómetros de resistencias, termopares, pirómetros de radiación, termómetros ultrasónicos, termómetros de cristal de cuarzo…
• MEDIDORES DE CAUDAL
En la mayor parte de las operaciones realizadas en los procesos industriales es muy importante la medición de caudales de líquido y gases.
Existen entonces dos tipos de medidores, los volumétricos que determinan el caudal en volumen del fluido y los de masa que determinan el caudal masa.
Es importante resaltar que se reservan los medidores volumétricos para la medida general de caudal y se destinan los medidores de caudal másico a aquellas aplicaciones en que la exactitud de la medida es importante, por ejemplo en las determinaciones finales del caudal del producto para su facturación.
• MEDIDORES DE NIVEL
En la industria, la medición de nivel es muy importante, ya que es fundamental tanto desde el punto de vista del funcionamiento del proceso como de la consideración del balance adecuado de materias primas o productos finales. Los instrumentos de nivel pueden dividirse en medidores de nivel de líquidos y de sólidos.
• MEDIDORES DE PH
Según Creus (2005, p.350) el pH es una medida de la acidez o alcalinidad del agua con compuestos químicos disueltos. Su expresión viene dada por el
logaritmo de la inversa de la concentración del ion H expresada en moles por litro y para su medida pueden utilizarse varios métodos, de entre los cuales los más exactos y versátiles de aplicación industrial son: el sistema de electrodo de vidrio y el transistor (ISFET-Ion Sensitive Field Effect Transistor).
b) VÁLVULAS
Para Creus (2005, p. 361) en el control automático de los procesos la válvula juega un papel muy importante en el bucle de regulación, ya que realiza la función de variar el caudal de fluido de control que modifica a su vez el valor de la variable medida comportándose como un orificio de área continuamente variable. Dentro del bucle de control tiene tanta importancia como el elemento primario, el transmisor y el controlador.
• TIPOS DE VÁLVULAS
Las válvulas pueden ser de varios tipos dependiendo del diseño del cuerpo y el movimiento del obturador, según Creus (2005, p.362) básicamente se clasifican en dos grandes grupos: Válvulas de obturador de movimiento lineal y válvulas con obturador de movimiento rotativo.
Con respecto a las primeras, el mismo autor explica que en este tipo de válvulas el obturador se mueve en la dirección de su propio eje y se clasifican en válvula de globo, válvula en ángulo, válvula de tres vías
mezcladora o diversora, válvula de jaula, válvula de la compuerta, válvula en Y, válvula del cuerpo partido, válvula Saunders y válvula de compresión.
En lo que se refiere a las segundas, es decir las válvulas con obturador rotativo se explica que el cuerpo tiene una cavidad interna esférica que alberga un obturador en forma de esfera y se clasifican en: Válvula de bola, válvula de macho, válvula de orifico ajustable, válvula de flujo axial, entre otras.
2.4.- CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES (PLC)
Según Teruel (2005, p. 360) un PLC es un módulo programable en sistemas de automatismos que funciona a través de un lenguaje de programación propio de este elemento; así mismo de acuerdo con la definición de “NEMA” (National Electrical Manufacturers Association) un controlador programable es: “un aparato electrónico operado digitalmente, que usa una memoria programable para implementar funciones especificas, tales como lógicas, secuenciación, registro y control de tiempos, conteo y operaciones aritméticas para controlar, a través de módulos de entrada/salida digitales (ON/OFF) o analógicos (1-5 VDC, 4-20mA, entre otros.), varios tipos de maquina o procesos.
En vista de lo anterior el Control Lógico Programable es importante porque todos los procesos de producción experimentan una secuencia repetitiva fija
de operaciones que envuelve pasos y decisiones lógicas. Un PLC es usado para controlar tiempo y regular secuencia”.
2.4.1.-SECUENCIA DE OPERACIONES EN UN PLC
Según Terue l (2005) el controlador lógico programable se maneja bajo la siguiente secuencia:
• Al encender el procesador, éste efectúa un auto chequeo de encendido e inhabilita las salidas. Entra en modo de operación normal.
• Lee el estado de las entradas y las almacena en una zona especial de memoria llena tabla de imagen de entradas.
• En base a su programa de control, el PLC modifica una zona especial de memoria llamada tabla de imagen de salida.
• El procesador actualiza el estado de las salidas “copiando” hacia los módulos de salida el estado detectado de la tabla de imagen de salidas (éstas controlan el estado de los módulos de salida del PLC, relays, triacs, entre otros).
2.4.2.-CLASIFICACION DE PLC
Según Maloney (2006), debido a la gran variedad de tipos distintos de PLC, tanto sus funciones en su capacidad, en su aspecto físico y otros, es que es posible clasificar los distintos tipos en varias categorías.
• PLC tipo Nano: Generalmente PLC de tipo compacto (Fuente, CPU e I/O
integradas) que puede manejar un conjunto reducido de I/O, generalmente en un número inferior a 100. Permiten manejar entradas y salidas digitales y algunos módulos especiales.
• PLC tipo Compactos: Estos PLC tienen incorporado la Fuente de
Alimentación, su CPU y módulos I/O en un solo modulo principal y permiten manejar desde unas pocas I/O hasta varios cientos (alrededor de 500 I/O), su tamaño es superior a los Nano PLC y soportan una gran variedad de módulos especiales, tales como:
Entrada y Salidas análogas.
Módulos contadores rápidos.
Módulos de comunicaciones.
Interfaces de operador.
Expansiones de I/O.
• PLC tipo Modular: Estos PLC se componen de un conjunto de elementos
que conforman el controlador final, estos son:
Rack.
Fuente de alimentación.
CPU.
Módulos de I/O.
De estos tipos existen desde los denominados Micro PLC que soportan gran cantidad de I/O, hasta los PLC de grandes prestaciones que permiten
manejar miles de I/O.
2.4.3.-ARQUITECTURA INTERNA DEL PLC
Los controladores lógicos programables según Maloney (2006) se componen principalmente de los siguientes bloques:
Sección de entrada: esta mediante una interfaz, adapta y codifica de forma comprensible para la CPU las señales procedentes de los dispositivos de entrada o captadores, esto es, pulsadores, finales de carrera, sensores y otros, también tienen como la misión de protección de los circuitos electrónicos internos del controlador, realizando una separación eléctrica entre estos y los captadores.
Unidad central de procesamiento: es la parte principal del autómata, es, por decirlo así, la inteligencia del sistema ya que mediante la interpretación de las instrucciones del programa de usuario, y en función de los valores de las entradas, activa las salidas deseadas.
Sección de salida: mediante la interfaz trabaja de forma inversa a la de entrada, es decir, decodifica las señales procedentes del CPU, las amplifica y manda con ellas los dispositivos de salida o actuadores como motores, válvulas, entre otros.
En este mismo orden de ideas el mismo autor define lo llamado memoria como “dispositivos destinados a guardar información de manera provisional o permanente”. Se cuenta con dos tipos de memorias: Volátiles (RAM) y no volátiles (ROM, PROM, EPROM y EEPROM).
2.4.4.-ARQUITECTURA EXTERNA DEL PLC
Un controlador lógico programable está constituido por un conjunto de tarjetas o circuitos impresos, sobre los cuales están ubicados componentes electrónicos, según Maloney (2006) dichos componentes están conformados principalmente por: el chasis, que es donde se sitúan los diferentes módulos de entradas/salidas, módulos de comunicación, modulo del procesador, entre otros. Y la fuente de poder, la cual es la encargada de suministrar el voltaje y la corriente necesarios para todo el sistema.
El mismo autor define lo anteriormente exp uesto de la siguiente manera:
a) MODULOS DE ENTRADAS Y SALIDAS DIGITALES
Estas son las encargadas de mandar y recibir las diferentes señales discretas al campo, tienen diferentes rangos de voltaje de operación. En caso de las entradas, estas son las que reciben la información de campo, estas pueden estar conectadas a algún pulsador o interruptor. En caso de las salidas, son las que envían las señales a los actuadores para así activarse, estas pueden estar conectadas a válvulas, motores, entre otros.
b) MODULOS DE ENTRADAS Y SALIDAS ANALOGICAS
Estos módulos son los encargados de trabajar con las señales analógicas de campo, en caso de las entradas, estas leen las señales analógicas de
algún transmisor ya sea de voltaje o corriente y las digitalizan para así poder ser tratadas por el procesador.
En el caso de las salidas, estas cumplen la función inversa, estas reciben un mensaje digital del procesador y a continuación convierten dicho mensaje de digital a analógico para ser enviada a campo, estas señales normalmente son para controlar algún tipo de instrumento proporcional.
c) MODULOS DE COMUNICACIÓN
Cuando los sistemas de automatización son muy amplios y existen diversos dispositivos de control y/o supervisión, los módulos de comunicación cumplen la función de enlazar a cada uno de ellos de manera que la información ya bien sea acciones de control o variables tanto analógicas como digitales pueda viajar entre los diferentes dispositivos o dentro de la red de trabajo. Esto se hace gracias a su protocolo estandarizado de comunicación que puede variar según sea el fabricante.
2.4.5.-PROGRAMACION DEL PLC
Desde el punto de vista del procesador, según Peña (2003), un programa es un conjunto de instrucciones o proposiciones bien definidas que le dicen lo que tiene que hacer, cada instrucción le indica que operación realizará a continuación, de donde obtendrá los datos que necesita para realizarla y donde guardara los resultados de la operación.
Desde el punto de vista del usuario, un programa, son las especificaciones de un conjunto de operaciones que debe llevar a cabo el computador para lograr resolver una determinada tarea.
Un programa se escribe en un lenguaje de programación, estos lenguajes permiten simplificar que ha de ejecutar el procesador; en algunos casos, agrupando varias instrucciones y dando un solo nombre al conjunto, de tal forma que la lista de operaciones se reduce considerablemente, resultando fácil la comprensión y resolución de programas. También varios cientos de instrucciones simples se pueden expresar con una lista de unas cuantas líneas. Finalmente, a la acción de realizar un programa se le conoce como programación.
En conclusión, reuniendo estos tres conceptos podemos decir: Un programa se escribe en un lenguaje de programación y a la actividad de expresar un algoritmo en forma de programa se le denomina programación.
A menudo, el lenguaje de programación se denomina software de programación cuando se emplea un término genérico, a fin de distinguirlo del hardware.
Según el IEC (Interna tional Electrotechnical Commission) 1131-3 son definidos cuatro lenguajes de programación. Esto significa que su sintaxis y semántica ha sido también definida, no dejando ningún espacio para los dialectos; una vez que han sido aprendidos, se pueden usar en una gran variedad de sistemas basados en esta norma. Los lenguajes consisten de dos versiones textuales y dos graficas:
• VERSIONES TEXTUALES:
- Lista de instrucciones (IL): Es un lenguaje textual, que se asemeja al lenguaje ensamblador.
- Texto estructurado (ST): es un lenguaje muy poderoso con sus raíces en el ADA, Pascal y C. Puede ser usado excelentemente para la definición de bloques funcionales muy complejos, el cual puede ser usado luego dentro de cualquiera de los otros lenguajes.
• VERSIONES GRÁFICAS:
- Diagrama de escalera (LD): Tiene sus raíces en USA, están basados en una representación grafica de lógicas de escalera por relevadores.
- Diagrama de bloques funcionales (FBD): es muy común a las industrias de procesos. Esta expresa el comportamiento de funciones, bloques funcionales y programas como un conjunto de bloques gráficos interconectados, parecido a diagramas de circuitos electrónicos.
2.5.-SISTEMA DE SUPERVISIÓN Y CONTROL
Según Nava y Quintero (1997, p.40) Los sistemas de supervisión son aquellos que se utilizan para recolectar información proporcionada por ciertos equipos y llevarla después hasta un centro de control donde se tendrá disponible toda esta información transmitida por un medio de comunicación
adecuado para luego analizar y tomar decisiones si estas son necesarias.
Mediante un sistema de supervisión y control, una empresa puede monitorear, tantos puntos de estatus como señales analógicas- digitales que permiten apreciar el estado de operación de cualquier sistema e igualmente el sistema de supervisión permite recabar información para la optimización delo problema estudiado.
2.5.1.-INTERFAZ HUMANO MÁQUINA (IHM)
De acuerdo a lo entendido de Computer Desktop Encyclopedia (2006), la interfaz hombre-máquina (IHM) es la interfa z de usuario en un sistema de control de proceso, provee visualización grafica de un control industrial y sistema de monitoreo y normalmente se encuentra en una oficina, en un ambiente de entorno Windows que se comunica con un computador especializado en la planta como sería un PLC.
2.5.2.-SCADA
Según Asensio y Vilanova (2005), el SCADA o registro de datos y control supervisario es un sistema de control y supervisión de procesos industriales, este término usualmente se refiere a sistemas centralizados que monitorean y controlan sitios o plantas enteras.
La adquisición de datos es hecha a nivel de los PLC y RTU por equipos e instrumentos encargados de medir las tantas variables del proceso, estos
son leídos por los controladores y enviados a la red SCADA, comúnmente se usa un panel de interface hombre-máquina por el cual el encargado de planta puede ver el estado actual del proceso y ejecutar ordenes supervisarias.
2.6.-CAÑA DE AZÚCAR
2.6.1.-COSECHA
Cárdenas (2005, p.66), define la cosecha como el simple trasiego de la caña, donde la materia prima sufre transformaciones no solo físicas, sino también, químicas y microbiológicas las cuales pueden ser controladas por el hombre siempre y cuando este tome conciencia de que existen y sepa de la intensidad cuantitativa que ellas introducen al proceso de pérdida de la sacarosa.
2.6.2.-PROCESADO (MOLIENDA)
Según Cárdenas (2005), la molienda de la caña de azúcar se compone de una serie de procesos básicos, tales como:
a) RECEPCIÓN Y MANIPULACIÓN DE LA CAÑA
Por lo general se dispone de varias mesas alimentadoras dispuestas cómodamente, sobre las que se descarga el contenido de los camiones para alimentar lo que se conoce como conductor principal. Aunque esa es la
alternativa más utilizada, también es posible descargar los camiones al patio y posteriormente, mediante una grúa, dosificar la caña sobre las mesas alimentadoras. Otra forma, tal como se acostumbra en otros países, es vaciar la caña del camión o carro de ferrocarril directamente sobre el conductor. El mismo, así abastecido, lleva la materia prima a la siguiente operación.
b) PREPARACIÓN DE LA CAÑA
El azúcar se encuentra disuelta en el jugo o guarapo y este, a su vez, esta ocluido en el interior de las numerosas fibras de las que se compone la caña.
La razón, pues, de esta operación, es desfibrar lo más posible el material para lograr que en cada fibrilla el jugo contenido quede expuesto a la extracción más fácil posible.
Para ello se dispone de cuchillas picadoras y frecuentemente de una desfibradora, equipos por los que al pasar la caña es sometida a fuertes y repetidos golpes a alta velocidad, mediante los que se logra el desfibrado sin que todavía se extraiga jugo alguno.
La efectividad de la preparación de la caña puede controlarse sistemáticamente en un laboratorio determinando el índice de preparación, parámetro que, teniendo en cuenta los equipos disponibles para esta operación, debe estar entre 85 y 98%, aunque en cada central puede determinarse una meta de índice de preparación que se ha de mover en un rango mucho más estrecho al adecuar los equipos existentes.
c) EXTRACCIÓN DEL JUGO
Esta operación se lleva a cabo en la planta moledora (o tándem de molinos), la cual dispone de 4 a 6 molinos por donde pasa la caña. Cada molino tiene una maza superior (s) que realiza la compresión, dos mazas inferiores, cañera (c) y bagacera (b), que soportan la compresión ejercida por la superior, y una cuarta maza alimentadora (4 m) cuya misión es forzar la entrada de la caña al molino.
Además de introducir la cantidad planificada de materia prima al proceso, en el tándem se buscan otros 3 objetivos donde participan en mayor o menor medida todos los molinos: extraer jugo, extraer azúcar y secar el bagazo.
d) COLADO
Actualmente en la mayoría de los centrales el jugo mezclado es bombeado hacia una batería de coladores estáticos parabólicos, o a un colador rotatorio, para retirarle las partículas de bagazo que arrastra. Todavía en Venezuela pueden verse centrales que carecen de estos coladores y se mantienen utilizando el sistema antiguo de “rastrillos de bagacillo” (también conocidos como “cush-cush”), pero este es un sistema que tiende a desaparecer ya que, en primer lugar, es un punto constante de roturas e interrupciones; por otra parte, es baja su efectividad de colado; y además, resulta ser un activo y peligroso foco de infecciones del jugo.
Siguiendo con lo que respecta al colado, al estar este paso cumplido se sigue el proceso con la etapa denominada: purificación del jugo.
2.6.3.-PURIFICACIÓN DEL JUGO
Según Cárdenas (2005 p.157), la purificación del jugo comprende los siguientes procesos:
a) ALCALIZACIÓN
El metabolismo de la caña hace que durante su crecimiento una parte del fósforo que la planta toma del suelo se transforme en ácido fosfórico que después aparece contenido en el jugo extraído por los molinos. La presencia de este ácido hace posible la operación que ahora se describe, permitiendo así la eliminación de todas las suciedades que el jugo arrastra y otras impurezas.
Al jugo mezclado se le adiciona cal hasta llevarlo a un pH aproximado de 7,4. El óxido de calcio que la cal aporta reacciona con el ácido fosfórico, formándose así un compuesto llamado fosfato tricálcico, capaz de nuclear sobre si a las distintas impurezas, que se agrupan para formar pequeños flóculos (una especie de cuajos), que podrán así ser separados más adelante. Luego de terminar la etapa de alcalización se procede a lo conocido como calentamiento.
b) CALENTAMIENTO
Se hace pasar el jugo por calentadores para lle varlo a 102 o 103°C. Esta temperatura hace posible que los flóculos completen su formación y se compacten algo más para aumentar su densidad. Para esto, se dispone de calentadores turbulares primarios y rectificadores, de los cuales se mantienen unos trabajando mientras otros se limpian de incrustaciones o se mantienen en reserva.
c) FLASHEO Y CLARIFICACIÓN
El jugo alcalizado caliente entra al tanque flash con la presión de bombeo.
Como este tanque esta libre a la atmósfera, el cambio brusco de presión hace descender de inmediato el punto de ebullición, y por lo tanto el jugo hierve instantáneamente, produciéndose un flasheo (ebullición brusca), que hace posible liberar al jugo del aire y otros gases o vapores que pueda contener. La importancia de este paso estriba en que al eliminar el aire aumenta la densidad de los flóculos de cachaza que deben sedimentar en el clarificador, ya que sin ese aumento de densidad tal separación es imposible.
El aumento de la densidad de los flóculos se favorece con la adición del polímero aniónico, es entonces cuando pasa el jugo al clarificador, tanque de gran volumen respecto a los flujos que entran y salen, donde una permanencia en relativo reposo proporciona el tiempo suficiente para que los flóculos de cachaza desciendan y se sedimenten sobre el fondo.
d) FILTRACIÓN DE CACHAZA
La cachaza se extrae del clarificador hacia el cachazó n, recipiente donde se mezcla con bagacillo para mejorar sus propiedades filtrantes.
Posteriormente se le puede adicionar una dosis de polímero aniónico para hacerla algo más compacta y enviarla a los filtros de cachaza.
Al filtrar la cachaza, el guarapo que se recupera se incorpora al flujo normal de jugo alcalizado, la misma ya libre de jugo y con el menor contenido posible de Pol, se saca del central como un subproducto que por lo general se bota, aunque tiene propiedades que la hacen útil para otro usos, tales como abono orgánico, mejoramiento de la capa vegetal de los suelos, producción de biogás, alimento animal y otros.
3.-SISTEMA DE VARIABLES
En el desarrollo de esta investigación, se han observado ciertas características que permiten inferir en relación al estudio planteado de las variables que forma parte de esta investigación que son: control automatizado y central procesadora. En esta sección se busca una comprensión del funcionamiento de forma teórica y práctica.
3.1.-DEFINICION NOMINAL
Control Automatizado. Central Procesadora.
3.2. DEFINICION CONCEPTUAL
En esta sección las variables se definen de forma teórica y general. Para la definición conceptual de las variables se tiene:
3.2.1.-CONTROL AUTOMATIZADO
El control automatizado es según Hernández (2002, p.440) aquello mediante lo cual un sistema efectúa acciones previamente programadas para realizarse en unos puntos del proceso sin intervención humana. En dicho control se distinguen, al menos, tres componentes: un elemento de percepción sensible a la variable a controlar, un sistema que compare a la variable medida con un valor de referencia y produzca una señal proporcional a esa diferencia y finalmente, un dispositivo que actúe sobre algún mecanismo para reducir la diferencia medida.
De esta forma, como en todo sistema automatizado, los procesos serán independientes de la mano obrera, evitando un trabajo tardío y el error humano, además de permitir la optimización en la calidad del producto final.
3.2.2.-CENTRAL PROCESADORA
Según Valero (2010) una central o planta procesadora es un complejo que se encarga de transformar la materia prima mediante múltiples procesos técnicos – químicos.
3.3.- DEFINICION OPERACIONAL
En la definición operacional se pretende suministrar la explicación del funcionamiento de forma práctica aplicada a nuestra investigación de las variables. De esta manera se tiene:
3.3.1.-CONTROL AUTOMATIZADO
El control automatizado es la ejecución automática de tareas industriales, administrativas o científicas haciendo más ágil y efectivo el trabajo y ayudando al ser humano a través de diversas aplicaciones y técnicas como software o hardware especialmente diseñados para llevar a cabo actividades dentro y fuera de las industrias donde se encuentran específicamente sistemas de control para procesos de molienda de la caña de azúcar y todo lo que desde este momento se desprende hasta obtener el producto final.
En vista de lo anterior, es oportuno destacar que dicho control automatizado para el procesado de la caña trae innumerables beneficios en cuestión de reducción de costos, aumento de la producción, mejora del producto final, entre otras.
3.3.2.-CENTRAL PROCESADORA
Una central procesadora de caña de azúcar es aquella donde dicha materia prima será transformada para encontrar el producto final que son todos los derivados que se pueden extraer de ella. El proceso tecnológico de
esta describe tres etapas: la agrícola, la de cosecha y la industrial, donde en esta última al pasar por la transformación antes descrita se obtiene azúcar, panela, miel, melaza, cachaza y bagazo.
