2-La planta piloto

Programación y Supervisión de Planta Piloto Utilizada como Plataforma de Ensayo de Controladores Diseñados en MATLAB
2. La planta piloto
2.1 Descripción de la planta .............................................................Pag. 7
2.2 Sensores y actuadores...............................................................Pag. 11
2.3 Cuadro de control .....................................................................Pag. 12
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2.1 Descripción de la planta
A lo largo de los años la planta piloto ha ido evolucionando como consecuencia
natural de los avances en algoritmos de control y de las necesidades de nuevos
dispositivos. La descripción de los elementos que se hace a continuación se refiere a la
situación de la planta durante la realización del presente proyecto.
Fig. 2.1: Vista general de la planta.
La planta piloto ha sido diseñada como instalación de ensayos de distintos
procesos térmicos con el objetivo de ensayar diversas estructuras de control. Es una
planta bastante versátil y permite distintas configuraciones según el proceso térmico que
interese estudiar y controlar. El elemento focal de la planta es un depósito de trabajo
equipado con una resistencia para calentar el agua que éste contenga. Este depósito tiene
dos entradas de agua a distintas temperaturas así como una salida situada en su parte
inferior. El depósito cuenta también con una camisa de refrigeración conectada a un
intercambiador de calor. Como fuente y sumidero de agua para todos estos elementos se
dispone de un tanque de agua situado en la parte inferior de la planta.
A continuación se muestran estos elementos con algo más de detalle:
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Intercambiador
de calor
Depósito de
trabajo
Bomba de
recirculación
Caudalímetro
Sensor de
temperatura
Válvula
automática
Fig. 2.2: Vista posterior de la planta.
Depósito de trabajo
Este es el elemento focal de la planta. Su forma es de cilindro vertical de 20 cm
de diámetro y aproximadamente un metro de altura, lo que le da una capacidad
aproximada de 30 litros. El depósito posee una válvula de venteo que, cuando se
encuentra abierta, mantiene la presión del depósito igual a la ambiental. Cuando la
válvula está cerrada, la presión del depósito no debe superar los 5 bares. Además del
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correspondiente sensor de nivel, el depósito cuenta con un tubo indicador que permite al
usuario conocer el nivel de agua.
Como ya se ha mencionado, el depósito contiene en su interior una resistencia
interna de unos 60 cm de alto situada a lo largo de la parte inferior del depósito. La
resistencia debe estar totalmente cubierta de agua para funcionar sin riesgo de fundirse.
El depósito cuenta también con una camisa de refrigeración alimentada por el circuito
de recirculación.
En la parte superior del depósito se encuentran las tuberías de entrada de agua
fría y caliente, así como la entrada de agua de recirculación a la camisa de refrigeración.
Por su parte la tubería de salida del agua del interior, y la de la camisa de agua se sitúan
en la parte inferior. El depósito cuenta también con un rebosadero provisto de una
válvula manual que, cuando ésta se encuentra abierta, impide que el depósito se llene
por encima de cierta altura máxima.
Intercambiador de calor
El intercambiador de calor es del tipo carcasa y tubo en U. El agua fría
procedente del tanque de abastecimiento pasa por la carcasa absorbiendo el calor del
agua procedente de la camisa de refrigeración del depósito, que circula por el tubo. El
intercambiador está envuelto en material refractario para mantenerse aislado de la
temperatura ambiental.
Termo
Grupo de presión
Tanque de
abastecimiento
Fig. 2.3: Elementos de la zona inferior.
Tanque de abastecimiento
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Situado en la parte inferior de la planta, este tanque es la fuente y el sumidero de
toda el agua que llega al interior del depósito y a la carcasa del intercambiador de calor.
Junto con el grupo de presión, este tanque asegura un caudal y una presión mayores que
los que se obtendrían con la red de abastecimiento. El uso del mismo tanque como
sumidero permite reutilizar siempre la misma agua. En caso de fugas, será necesario
será necesario su llenado a través de la tubería que lo conecta a la red de abastecimiento.
Grupo de presión
Este dispositivo es el encargado de sacar agua del tanque de abastecimiento y
llevarla al intercambiador, al grupo caliente o a la tubería de agua fría. El sistema lo
componen la bomba de alimentación, un presostato y un calderín. Mediante este
dispositivo se garantiza que la presión de los circuitos de agua será de 4 bares.
Termo (grupo caliente)
El termo eléctrico se encuentra en la parte trasera de la planta, y es el encargado
de proveer de agua caliente al depósito de trabajo. Está provisto de una resistencia de
12000 vatios de potencia nominal y su capacidad es de 400 litros, lo que le confiere una
inercia alta al sistema de calentamiento de agua. La temperatura del agua se regula
mediante un termostato tarado a 80ºC. El funcionamiento de este grupo no está regulado
por el autómata, aunque éste cuenta con sensores para conocer la situación del
termostato y de la resistencia.
Grupo frío
El grupo frío es un dispositivo externo a la planta ubicado junto al cuadro de
control que mantiene la temperatura del tanque de abastecimiento en un valor
determinado.
Bomba de recirculación
La electrobomba de recirculación es la encargada de mantener el caudal en el
circuito de recirculación. La bomba no mantenerse en marcha si la válvula del mismo
circuito está cerrada.
Sistema de tuberías
Las tuberías que conectan los distintos elementos de la planta tienen distintos
colores para su identificación. De esta forma las tuberías de agua (fría) procedente del
tanque de abastecimiento son azules, la de agua caliente es roja, la de salida del tanque
es negra, y la del circuito de recirculación es verde. La tubería del rebosadero no está
pintada, y su color es el del cobre.
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2.2 Sensores y actuadores
Entre los sensores de la planta se pueden destacar los transductores de
temperatura y los caudalímetros. También hay un sensor de presión y otro de nivel en el
depósito de trabajo.
Se dispone de 4 caudalímetros colocados en las tuberías de entrada de agua fría
y caliente en el depósito, de salida del depósito y de recirculación. Los correspondientes
a las entradas y salidas de agua son de tipo eléctrico y están unidos a un sensor de
presión diferencial de placa-orificio. El correspondiente al circuito de recirculación, por
el contrario, es de tipo electromagnético. Esto le confiere una mayor precisión, y
además hace innecesario el transductor de placa-orificio.
La lista completa de sensores es la siguiente:
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9
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TT1: Sensor de temperatura de agua caliente entrante en el depósito.
TT2: Sensor de temperatura de agua fría entrante en el depósito.
TT3: Sensor de temperatura de agua saliente del depósito.
TT4: Sensor de temperatura de agua que vuelve al depósito por el circuito de
recirculación.
TT5: Sensor de temperatura del depósito.
FT1: Caudalímetro de la tubería de agua caliente entrante en el depósito.
FT2: Caudalímetro de la tubería de agua fría entrante en el depósito.
FT3: Caudalímetro de la tubería de agua saliente del depósito.
FT4: Caudalímetro del circuito de recirculación.
LT1: Sensor de nivel de agua del depósito.1
PT1: Sensor de presión del depósito.
Termostato del grupo caliente.
Señales de confirmación de las dos bombas.
También se dispone de varias señales de alarma:
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Disparo de protecciones de la resistencia del depósito.
Disparo de protecciones de la resistencia del grupo caliente.
Disparo de protecciones de la bomba de alimentación.
Disparo de protecciones de la bomba de recirculación.
Disparo del interruptor magnetotérmico.
Los principales actuadores del sistema son las válvulas. En la planta piloto hay 3
válvulas controladas por el autómata, siendo el resto de las válvulas manuales de pistón.
Las válvulas manuales permiten escoger qué partes de la planta entrarán en
funcionamiento y cuáles no, mientras que las válvulas automáticas permiten regular el
caudal del conducto en el que se encuentran. Las válvulas automáticas se regulan
mediante manómetros que detectan la presión ejercida sobre las mismas. La lista de
válvulas de la planta es la siguiente:
1
Actualmente el sensor de nivel se encuentra desconectado. A pesar de ello, para la programación del
autómata se ha supuesto que este sensor existe y se encuentra en funcionamiento. Mientras el sensor se
encuentre desconectado, algunos algoritmos no funcionarán correctamente, pero aún será posible trabajar
con la planta.
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9 V1 (manual): Permite el paso de agua fría del tanque de abastecimiento al
depósito y al intercambiador de calor.
9 V2 (manual): Permite el paso de agua caliente del termo al depósito. En este
proyecto se ha supuesto que siempre hay al menos una válvula abierta entre V1
y V2
9 V3 (manual): Cuando V1 está abierta, V3 permite o no el paso de agua fría a la
carcasa del intercambiador de calor.
9 V4 (automática): Regula el caudal de agua caliente que entra en el depósito.
9 V5 (automática): Regula el caudal de agua fría que entra en el depósito.
9 V6 (manual): Abre o cierra la salida de agua del depósito.
9 V7 (manual): Permite o no el uso del rebosadero.
9 V8 (automática): Regula el caudal de recirculación.
9 V9 (manual): Cuando está cerrada, impide el uso del circuito de recirculación.
En el presente proyecto, se ha supuesto que esta válvula siempre está abierta.
9 Vv (manual): Válvula de venteo del depósito.
9 Vs (manual): Válvula de seguridad ante subidas de presión.
Se recomienda mantener siempre abiertas las válvulas V1, V2 y V9.
2.3 Cuadro de control
Este armario contiene el cuadro eléctrico que alimenta al autómata y otros varios
dispositivos y los conecta entre sí. Por seguridad el cuadro de control está derivado a
tierra.
Switch
industrial
ID0
PLC
IM0 IM1 IM2
Fuente de
alimentación
Q0 Q1
RES0
RES1
Fig. 2.4: Cuadro de control.
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En la esquina superior derecha del cuadro de mandos se encuentra la fuente de
alimentación, que suministra 24 voltios de tensión continua y hasta un máximo de 240
vatios. A su izquierda se encuentra el bastidor del PLC. El autómata es un M340
Modicom de Shneider Electric. El PLC está formado por una CPU y una serie de
tarjetas para entradas y salidas. El autómata se conecta con el PC por medio de un
switch industrial que permite gestionar una pequeña red de computadores en paralelo.
Al PLC se le asocia la dirección 84-3-54-82.
A media altura en el cuadro de control se encuentran varios elementos para
cortar la corriente en caso de emergencia: El primero de ellos (desde la izquierda) es un
interruptor diferencial (ID0) que desconecta la instalación en caso de contacto con el
usuario por falta de aislamiento. Su sensibilidad es de 0’3A. A continuación se
encuentran los interruptores magnetotérmicos (IM0, IM1 e IM2), cuya misión es
proteger diversos dispositivos de la planta ante cortocircuito. IM0 protege al grupo frío;
IM1, la resistencia del depósito, e IM2 la del grupo caliente.
Las resistencias también deben protegerse ante sobrecarga, para lo cual se
utilizan dos relés de estado sólido. Estos dispositivos (RES0 y RES1) se encuentran en
el lado derecho del cuadro de control, y desconectan las resistencias en caso de
temperatura excesiva.
Entre los interruptores magnetotérmicos y los relés antes citados, encontramos
dos equipos integrados (Q0 y Q1). Estos equipos protegen respectivamente las bombas
de recirculación y alimentación. Cada uno está compuesto por un contactor, un relé
térmico y un interruptor magnetotérmico. El contactor permite conectar o desconectar
(manualmente) la bomba, mientras que el relé térmico y el interruptor magnetotérmico
protegen la bomba de sobrecarga o cortocircuito respectivamente.
Bajo el interruptor diferencial y los magnetotérmicos se encuentran diversos
regleteros que sirven para conectar diversos dispositivos a su tensión de alimentación.
La fuente de alimentación y el autómata se conectan a tensión alterna de 220V, mientras
que las tarjetas de entradas y salidas, las bombas y el switch industrial van a 24V en
continua. En esta zona se encuentra también el regletero de derivación a tierra.
Por último, en la parte inferior del cuadro de control se encuentran otros
regleteros varios cuyos dispositivos complementan las señales de entrada y salida del
autómata. Aquí podemos encontrar fusibles, protecciones para termopares o relés de
interfase con aislamiento galvánico.
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