manual de prácticas para la expe

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS
POZA RICA-TUXPAN
INGENIERÍA QUÍMICA
“MANUAL DE PRÁCTICAS PARA LA EXPERIENCIA EDUCATIVA DE
INGENIERÍA DE CONTROL PARA LAS VARIABLES DE FLUJO Y
PRESIÓN DEL EQUIPO DC-MV-200 PARA LA FACULTAD DE
CIENCIAS QUÍMICAS”
TRABAJO PRÁCTICO EDUCATIVO
PARA ACREDITACIÓN DEL EXAMEN DE LA E.E. DE EXPERIENCIA
RECEPCIONAL
PRESENTA:
CORAL MAOLY GONZÁLEZ QUIROZ
DIRECTOR:
M.C. MARCO ANTONIO ZUÑIGA LÓPEZ
ASESOR:
DR. SERGIO NATAN GONZÁLEZ ROCHA
POZA RICA DE HIDALGO, VER. A OCTUBRE DE 2013
1
2
3
Contenido
Justificación .......................................................................................................................... 10
Capítulo I. Descripción del equipo DC-MV-200 ..................................................................... 11
1.1 Descripción General del Equipo .................................................................................. 16
Gabinete de Control. ...................................................................................................... 16
Software de adquisición de datos .................................................................................. 16
Dimensiones aproximadas del equipo ........................................................................... 16
1.2 Diagrama de Flujo de Proceso (DFP) del Equipo DC-MV-200 ..................................... 17
Capítulo II. Consideraciones Técnicas para las Prácticas de Flujo y Presión ........................ 18
2.1 Operación del equipo .................................................................................................. 19
Servicios auxiliares ........................................................................................................ 19
Energizado del gabinete de control ................................................................................ 20
Alineación del equipo ..................................................................................................... 21
Equipo en operación ...................................................................................................... 23
Control de presión ......................................................................................................... 24
Control de nivel .............................................................................................................. 25
Control de flujo .............................................................................................................. 25
Control de temperatura .................................................................................................. 26
Paro del equipo.............................................................................................................. 27
2.2 Mantenimiento y limpieza ............................................................................................ 28
Capitulo III. Práctica 1: Identificación de componentes, reconocimiento del equipo y de los
controladores PID, PD y PI. .................................................................................................. 29
Introducción....................................................................................................................... 29
Fundamento Teórico ......................................................................................................... 30
3.1 Variable Controlada y Variable Manipulada. ................................................................ 30
3.2 Elementos del Loop de control .................................................................................... 31
Elemento primario de medición. ..................................................................................... 32
Transductores. ............................................................................................................... 32
Transmisor..................................................................................................................... 33
Controlador. ................................................................................................................... 33
Elemento final ................................................................................................................ 34
3.3 Tipos de control ........................................................................................................... 34
4
Control Proporcional Integral Derivativo ......................................................................... 34
Funcionamiento ............................................................................................................. 35
Proporcional .................................................................................................................. 37
Integral .......................................................................................................................... 38
Derivativo....................................................................................................................... 39
3.4 Controlador Lógico Programable (PLC) ....................................................................... 40
A)
Práctica de identificación de componentes ............................................................. 43
Objetivo de aprendizaje ................................................................................................. 43
Materiales ...................................................................................................................... 44
Cuestionario .................................................................................................................. 48
B)
Práctica de reconocimiento del sistema .................................................................. 48
Objetivo ......................................................................................................................... 48
Cuestionario .................................................................................................................. 50
Capítulo IV. Práctica 2: Variable de flujo ............................................................................... 51
Introducción ................................................................................................................... 51
Medición de flujo o caudal. ............................................................................................ 51
Fluido. ............................................................................................................................ 51
Fundamento teórico ....................................................................................................... 52
4.1 Sensores de flujo ..................................................................................................... 52
4.2 Tipos de Medidores de flujo que utilizan una caída de presión ................................ 52
Medidor de flujo Venturi ................................................................................................. 52
Medidores de codo ........................................................................................................ 54
Medidores de velocidad de flujo..................................................................................... 55
Rotámetro ...................................................................................................................... 57
Objetivos........................................................................................................................ 57
Materiales ...................................................................................................................... 57
Descripción del proceso................................................................................................. 58
Procedimiento experimental (Programación Manual) ..................................................... 58
Procedimiento experimental (Programación por Software) ............................................ 63
Capitulo V. Práctica 3.- Variable de Presión ......................................................................... 72
Introducción ................................................................................................................... 72
Fundamento Teórico ...................................................................................................... 72
5.1 Elementos para la medición de la presión ................................................................... 72
5
Barómetro. ..................................................................................................................... 72
Manómetros:.................................................................................................................. 73
5.2 Elementos de Presión .............................................................................................. 74
5.3 Medición de presión diferencial ................................................................................ 75
5.4 Transductores de presión ........................................................................................ 77
Objetivo de aprendizaje ................................................................................................. 81
Materiales ...................................................................................................................... 81
Descripción del proceso................................................................................................. 81
Procedimiento experimental (Programación Manual) ..................................................... 82
Procedimiento experimental (Programación por Software) ............................................ 86
Conclusiones ........................................................................................................................ 93
Anexo ................................................................................................................................... 94
Bibliografía .......................................................................................................................... 108
Índice de imágenes.
Figura 1.1 Equipo para el estudio de control de nivel, presión, temperatura y flujo
DC-MV-200………………………………………………………………….………………10
Figura 1.2 Diagrama de Flujo de Proceso (DFP) del Equipo DC-MV-200…………...15
Figura 3.1 Intercambiador de calor…………………………………………………….…25
Figura 3.2 Diagrama de flujo de un intercambiador de calor…………………………..26
Figura 3.3 Loop de control………………………………………………………………....27
Figura 3.4 Sensor electrónico de flujo tipo turbina………………………………………28
Figura 3.5 Controlador lógico programable del equipo DC-MV-200…………………..36
Figura 4.1 Sensor de tipo flotador……………………………………………………..….47
Figura 4.2 A…………………………………………………………………………….…....48
Figura 4.3 B Instrumentos de medida directa de nivel……………………………...….59
Figura 4.4 Tubo Venturi…………………………………………………………………....50
Figura 4.5 Tubo Pitot…………………………………………………………………..…...51
Figura 4.6 Medidor de codo…………………………………………………………..…...52
Figura 4.7 Medidor de velocidad de flujo…………………………………………….…..53
Figura 4.8 Medidor de flujo tipo turbina…………………………………………..….…..53
Figura 4.9 Rotámetro…………………………………………………………………....….54
Figura 4.10 Pantalla Principal……………………………………………………………..59
Figura 4.11 Lazos: Flujo, Presión, Nivel y Temperatura………………………………..60
Figura 4.12 Control de Loop de Flujo……………………………………………………..61
Figura 4.13 Tablero…..……………………………………………………………………..63
Figura 4.14 Captura de información del controlador……………………………………64
Figura 4.15 Opciones Principales…………………………………………………………65
6
Figura 4.16…………………………………………………………………………………..66
Figura 5.1 Barómetro………………………………………………………………….……69
Figura 5.2 Manómetro de tubo en U………………………………………………….…..70
Figura 5.3 Manómetro inclinado………………………………………………….…….…70
Figura 5.4 Elementos de presión……………………………………………………….....71
Figura 5.5 Manómetro de mercurio para medir la presión diferencial…………….......72
Figura 5.6 Medidor de presión diferencial tipo campana………………………….……73
Figura 5.7 Medidor electromecánico de presión por inductancia………………..….…74
Figura 5.8 Transductor tipo capacitativo………………………………………………….75
Figura 5.9 Transductor piezoeléctrico…………………………………………………….76
Figura 5.10 Pantalla Principal……………………………………………………………..82
Figura 5.11 Lazos: Flujo, Presión, Nivel y Temperatura………………………………..83
Figura 5.12 Control de Loop de Presión……………………………………………..…..85
Figura 5.13 Captura de información del controlador……………………………………86
Figura 5.14 Opciones Principales…………………………………………………………87
Figura 5.15…………………………………………………………………………………..87
7
Introducción
El presente trabajo se propone como un apoyo hacia el docente, para el desarrollo
del conocimiento de los estudiantes de la Facultad de Ciencias Químicas, siendo un
manual para realizar prácticas con el equipo adquirido por esta facultad llamado DCMV-200, equipo para estudio de control de presión, nivel, temperatura y flujo;
específicamente para la experiencia educativa de “ingeniería de control”.
Existe una gran diversidad de procesos industriales, pero en general, todos tienden a
tener en común, que se requiere controlar y mantener constantes
algunas
magnitudes, como son: la temperatura, la presión, el flujo, etc. El sistema de control
para estas magnitudes se puede definir como: Un sistema que compara el valor de
una variable a controlar con un valor deseado y cuando existe una desviación,
efectúa una acción de corrección sin que exista intervención humana.
Los procesos son muy variados y abarcan distintos tipos de productos: La fabricación
de los productos derivados del petróleo, de los productos alimenticios, la industria
cerámica, las centrales generadoras de energía, la siderurgia, los tratamientos
térmicos, la industria papelera, la industria textil, etc.
A lo largo del tiempo, la operatoria de los procesos se ha ido desarrollando de una
manera muy compleja lo cual ha exigido la automatización progresiva por medio de
los instrumentos de medición y control. Gracias a éstos, la función del personal de
campo ha pasado de ser presencial y física, a sólo de vigilancia y supervisión del
proceso. También, ha sido posible fabricar productos complejos en condiciones
estables de calidad y de características, condiciones que al operatorio le serían
imposibles de conseguir, realizando exclusivamente un control manual.
Los sistemas de control industrial pueden ser operados como sistemas de lazo
abierto o sistemas de lazo cerrado, (procesos continuos o procesos discontinuos). En
general, en ambos deben mantenerse las variables (presión, caudal, nivel,
temperatura, etc.), bien en un valor deseado fijo, bien en un valor variable con el
tiempo de acuerdo con una relación predeterminada, o bien guardando una relación
determinada con otra variable.
8
En el primer capítulo habrá una descripción detallada del equipo DC-MV-200, con
ayuda de los datos que otorga la compañía que lo fabrica, utilizando también
diagramas de flujo.
En el segundo capítulo se explicarán las consideraciones técnicas para las prácticas
específicamente de flujo y presión; el manejo general del equipo, las normas de
seguridad a seguir, consideraciones de pre-arranque y de paro del equipo.
A partir del tercer capítulo se describirán a detalle las prácticas que llevarán a cabo
los alumnos de la Facultad de Ciencias Químicas enfocadas en el área de flujo y
presión con el equipo DC-MV-200, donde se incluirá el fundamento teórico de cada
una, relacionados con el control de procesos y su dinámica de control así como las
características de un sistema de control para entender los conceptos que se
utilizarán en las prácticas.
9
Justificación
Es muy importante establecer la información en los manuales los cuáles son guías
básicas para realizar cada una de las actividades o prácticas que se buscan
desarrollar.
Se debe dejar en claro la relevancia de especificar todas y cada una de las
operaciones a realizar en los ejercicios que se llevarán a cabo con éste equipo, que
como su nombre lo dice ayuda con el entendimiento y estudio del control de presión,
nivel, temperatura y flujo; todos temas muy importantes para varias experiencias
educativas de las carreras que imparte la facultad.
Cabe resaltar que a lo largo de los años se ha planteado un debate y demanda por la
calidad de la educación superior y como alumnos tenemos conocimiento de que el
área practica es la más importante a la hora de aprender, es de experiencia personal
que a la gran mayoría de los estudiantes se le dificulta más aprender de la teoría que
de la práctica y que esos conocimientos son primordiales para el desempeño laboral.
El hecho de desarrollar las habilidades de seguir los pasos para aprender a utilizar y
manejar equipos, sea cual sea. Es así, que la universidad como lugar privilegiado en
la producción del conocimiento, precisa el ampliar la conceptualización de la relación
teoría-práctica.
Por ello es preciso comprender la importancia de integrar los conocimientos previos,
y de reforzar aquellos necesarios que permitan analizar el tema en estudio y su
relación con lo cotidiano.
También, es indispensable la descripción clara de los procedimientos de trabajo a fin
de alcanzar los objetivos. En toda actividad práctica no hay que olvidar la necesidad
de seguir las medidas de seguridad e inculcar una cultura de protección frente a los
riesgos.
El objetivo del trabajo es realizar un Manual de prácticas del equipo “DC-MV-200
para el estudio de Control, Nivel, Temperatura y Flujo” para reforzar el conocimiento
de la experiencia educativa de “ingeniería de control” de los alumnos de la Facultad
de Ciencias Químicas.
10
Capítulo I. Descripción del equipo DC-MV-200
El equipo DC-MV-200 que fue adquirido por la Facultad de Ciencias Químicas con
fines meramente prácticos y de enseñanza cuenta con una unidad piloto
completamente instrumentada escala laboratorio, que está montada sobre una
estructura en perfil de aluminio reforzado tipo industrial y cuenta con ruedas para su
fácil manejo y transporte.
Está compuesto de una unidad de proceso y un gabinete de control, ambas unidades
están interconectadas entre sí formando una sola instalación. Tiene un tanque de
alimentación de agua al sistema, fabricado en HDPE con capacidad de 20 litros. Una
bomba centrifuga para alimentación de agua en circuito cerrado de 0.5 HP de
potencia. Esta cuenta con una válvula, tubería y accesorios, fabricados en PVC
cedula 80. Un divisor en Tee para selección de tanque de control.
El tanque de control uno está fabricado en material transparente, cilíndrico de 15
litros de capacidad, un diámetro nominal DN 8 inch, y con una altura de 45 cm. Tiene
un sistema inferior y superior de bridas, sellos y tapas, con una tubería de
alimentación de agua fabricada en PVC cédula 80, tubería de alimentación de aire
comprimido fabricada en acero inoxidable. Una válvula de regulación de flujo de
entrada de aire comprimido para perturbar el sistema, tipo aguja fabricada en acero
inoxidable de acuerdo con los requerimientos de la Norma PED 97/23/EC (ISO9001:2008 -BMT CO., LTD). También una válvula de seguridad para rompimiento de
presión en tanque. Y una válvula de regulación manual de flujo de salida de agua de
tanque, o válvula de drenado del tanque. Así como tubería y accesorios de salida de
agua de tanque fabricados en PVC cédula 80.
11
Fig.1.1 Equipo para el estudio de control de nivel, presión, temperatura y flujo, DC-MV.200
El equipo tiene un rotámetro para medición de flujo de agua con válvula de
regulación manual para perturbar el sistema en el tanque de control uno, con un
rango de 100 a 1000 LPH.
12
Tiene un sensor electrónico de flujo tipo turbina para el lazo de control en el tanque
uno, colocado sobre la línea de alimentación de agua, con las uniones y conexiones
necesarias. Señal de salida hacia controlador de 4-20 mA. Controlador con indicador
digital tipo PID para el lazo de control de flujo, en cumplimiento a lo dispuesto por las
normas USA-UL 1092, UL 916, QUXY –File E67237, CSA Spec 142 – File E67237:
Pending así como NEMA 3 (WEST Instruments), montado sobre el gabinete de
control. Ajuste del set-point, entrada de señal universal, dos señales de salida y
menú de configuración manual. Señal de salida a la
interfase y software de
adquisición de datos. Tiene un convertidor de señal eléctrico para el lazo de control
de flujo, colocado en el gabinete de control. Tiene una válvula de control para lazo de
control de flujo de agua en tanque uno, con operación del vástago de apertura y
cierre por acción eléctrica, configuración local para válvula normalmente abierta (NO)
y normalmente cerrada (NC); Colocada sobre la línea de proceso con conexiones y
uniones necesarias.
Cuenta con un sensor electrónico de presión para lazo de control en el tanque uno,
con uniones y conexiones necesarias. Señal de salida hacia controlador de 4-20 mA.
Controlador con indicador digital tipo PID para el lazo de control de presión, en
cumplimiento a lo dispuesto por las normas USA-UL 1092, UL 916, QUXY –File
E67237, CSA Spec 142 – File E67237: Pending así como NEMA 3 (WEST
Instruments), montado sobre el gabinete de control. Ajuste del set-point, entrada de
señal universal, dos señales de salida y menú de configuración manual.
Señal de salida a interfase y software de adquisición de datos. Una válvula de bola
fabricada en acero inoxidable para perturbación y rompimiento manual de presión en
tanque de control uno. Y una válvula de control para lazo de control de presión en
tanque uno, con operación del vástago de apertura y cierre por acción eléctrica,
configuración local para válvula normalmente abierta (NO) y normalmente cerrada
(NC). Colocada sobre tubería de proceso de control de aire comprimido con
conexiones y uniones necesarias.
13
El tanque de control dos; está fabricado en material transparente cilíndrico de 15
litros de capacidad, tiene un diámetro nominal DN 8 inch, la altura del tanque es de
45 cm. Tiene un sistema inferior y superior de bridas, sellos y tapas, con tubería de
alimentación de agua fabricada en PVC cédula 80. Serpentín de inmersión fabricado
en acero inoxidable para el calentamiento de agua en el tanque de control dos, de
acuerdo con los requerimientos de la Norma PED 97/23/EC (ISO-9001:2008 -BMT
CO.,LTD). Agitador para el tanque de control dos, acoplado a un motor de corriente
directa con tarjeta electrónica que permite la variación de la velocidad de agitación. Y
una válvula de drenado del tanque con su respectiva tubería y accesorios de salida
de agua de tanque fabricados en PVC cédula 80.
Tiene un rotámetro para la medición de flujo de agua con una válvula de regulación
manual para perturbar el sistema en el tanque de control dos, con un rango de 100 a
1000 LPH.
El sistema de calentamiento para el tanque de control dos, está conformado por una
unidad de calentamiento de fluido térmico para serpentín de inmersión, con
resistencia de calentamiento y bomba de circulación. Con funcionamiento en el
circuito cerrado. Controlador integrado tipo PID de la temperatura de calentamiento
con ajuste y configuración local. Perturbación de la temperatura de circulación de
fluido por serpentín en el tanque de control. Tubería de fluido térmico fabricada en
acero inoxidable.
El sistema de by-pass para el lazo de control de temperatura, cuenta con válvulas,
tubería y accesorios fabricados en PVC cedula 80. Posee un sensor de temperatura
tipo sonda de platino Pt-100, de tres hilos para el lazo de control, en cumplimiento a
lo dispuesto por las normas USA-UL 1092, UL 916, QUXY –File E67237, CSA Spec
142 – File E67237: Pending así como NEMA 3 (WEST Instruments). Colocado en el
interior del tanque de control dos. Señal de salida de 100 ohm.
14
Así como un controlador con indicador digital tipo PID, para el lazo de control de
temperatura, en cumplimiento a lo dispuesto por las normas USA-UL 1092, UL 916,
QUXY – File E67237, CSA Spec 142 – File E67237: Pending así como NEMA 3
(WEST Instruments), montado sobre gabinete de control. Ajuste del set-point.,
entrada de señal universal, dos señales de salida y menú de configuración manual.
Señal de salida a la interfase y software de adquisición de datos.
El equipo cuenta con un convertidor de señal eléctrico para el lazo de control de
temperatura, colocado en el gabinete de control. Una válvula de control para lazo de
control de temperatura, asociada al flujo de alimentación de agua al tanque dos, con
operación del vástago de apertura y cierre por acción eléctrica, configuración local
para válvula normalmente abierta (NO) y normalmente cerrada (NC). Colocada sobre
la línea de proceso con conexiones y uniones necesarias.
Cuenta con un sensor integrado a un controlador electrónico digital de nivel para lazo
de control, con indicador local, manipulación y configuración en sitio. Ajuste del setpoint, alimentación 24 VCD, cuatro señales de salida y se encuentra montado en el
tanque de control dos.
Una electroválvula de acción tipo ON-OFF para control de nivel de agua del tanque
de control dos, colocada sobre la línea de salida del tanque con conexiones y
uniones necesarias. Una válvula de regulación manual de flujo de salida de agua de
tanque de control dos para la perturbación de nivel. Y por último tubería y accesorios
de salida de tanque de control dos fabricados en PVC cedula 80 hacia el depósito de
recuperación de agua.
15
1.1 Descripción General del Equipo
Gabinete de Control.

Tipo industrial NEMA 4X.

Botones con indicador luminoso verde para puesta en marcha de la bomba,
(Sistema de calentamiento y agitador).

Botones con indicador luminoso rojo para el paro de bomba, (Sistema de
calentamiento y agitador).

Contactores de protección y arranque para todos los motores.

Portafusibles de protección.

Fuente convertidora de voltaje.

Indicador luminoso amarillo de tablero energizado.

Paro de emergencia tipo hongo de media vuelta.

Cableado por medio de canaleta y con número de identificación.

Componentes eléctricos montados sobre riel.

De acuerdo con la norma: CAN/CSA-C22.2 No. 14-10 (Legrand).

De acuerdo con la norma: CAN/CSA-C22.2 No. 94-M91 (Legrand).
Software de adquisición de datos

Disco de instalación.

El software permite la visualización, monitoreo y adquisición de datos del
procesos en tiempo real.

Biblioteca virtual con información teórica de los distintos procesos.

Pantalla amigable al usuario.

Los datos adquiridos pueden ser exportados a hojas de cálculo como Excel.
Dimensiones aproximadas del equipo

Largo: 180 cm.

Profundidad: 70 cm.

Altura: 200 cm.
16
1.2 Diagrama de Flujo de Proceso (DFP) del Equipo DC-MV-200
17
Capítulo II. Consideraciones Técnicas para las Prácticas de Flujo y
Presión
Seguridad e higiene son los procedimientos, técnicas y elementos que se aplican en los
centros de trabajo y laboratorios, para el reconocimiento, evaluación y control de los
agentes nocivos que intervienen en los procesos y actividades, con el objeto de
establecer medidas y acciones para la prevención de accidentes o enfermedades, a fin
de conservar la vida, salud e integridad física de las personas, así como evitar cualquier
posible deterioro al lugar.
A continuación se enumeran algunas normas que se deben de acatar dentro del
laboratorio cuando se esté manejando el equipo.
 Todas las actividades que se realicen con este equipo deberán estar
supervisadas por el personal responsable.
 Siempre que el equipo se opere es necesario revisar que la puerta del gabinete
de control se encuentre cerrada. Si hay necesidad de abrirla, el gabinete debe
estar desenergizado.
 Asegurarse que esté debidamente conectado el equipo a la toma del laboratorio.
Voltaje 120 VAC.
 Es obligatorio que todos los operadores sigan las normas de seguridad e higiene
indicadas en el reglamento interno del laboratorio.
 Debe revisarse que la estructura del equipo esté fija con los frenos puestos
colocados en las llantas.
18
 Asegurarse de alinear las válvulas del sistema antes de arrancar el equipo.
 Si no se tiene conocimiento de algún componente interno del gabinete no intente
retirarse.
Unidad de calentamiento

La unidad de calentamiento puede causarle quemaduras.

Nunca deberá prenderse la unidad sin supervisión.

Por ningún motivo debe tocarse el líquido de calentamiento de la tina mientras
esté operando. Para poder cambiar el líquido; este debe estar a temperatura
ambiente.
2.1 Operación del equipo
Servicios auxiliares
1. Verificar que el equipo se encuentre conectado a 120 VAC, a una fase.
2. Verificar que la protección de corriente del equipo sea superior a 32 A.
3. Verificar la disposición del drenaje.
4. Verificar que se tenga suministro de agua de la red.
5. Verificar que se tenga suministro de aire de la red.
19
6. Verificar que esté conectada la computadora para el software de control y adquisición
de datos.
Energizado del gabinete de control
7. Asegurarse que se encuentra cerrada la puerta del gabinete de control.
8. Asegurarse que el botón tipo hongo de paro de emergencia de media vuelta esté en
la posición adecuada, es decir, no presionado; de lo contrario dar media vuelta para
liberarlo.
9. Verificar que el switch del protector termo magnético se encuentre hacia arriba.
10. Verificar que el guardamotor mantenga presionado el botón ON (en color negro).
11. Colocar el interruptor general en la posición ON, con esto se energizará el botón
luminoso del tablero, los indicadores de los controladores y los botones rojos de paro de
los componentes.
Fig. Interruptor General (ON) y paro de emergencia.
(Equipo DC-MV-200)
20
Alineación del equipo
12. Antes de arrancar el equipo es necesario revisar que la alineación de válvulas sea
correcta para el módulo de control que se vaya a operar.
13. Asegurarse que todas las válvulas de drenado de los tanques se encuentren
cerradas.
14. Al tanque de alimentación se conecta la toma de agua, tiene un sensor de nivel para
garantizar que el tanque esté lleno durante la operación.
15. Para todos los estudios de control, asegurarse que la válvula previa a la succión de
la bomba se encuentre abierta.
16. Abrir la válvula de By Pass (a la descarga de la bomba) y cerrarla tanto como
demande la experimentación.
17. La línea de entrada al tanque de alimentación tiene una electroválvula que
permanecerá abierta para permitir el llenado del tanque. Esta se cerrará cuando el agua
haya llegado hasta la posición del electronivel. Con esto se garantiza que el tanque
siempre va a tener un nivel adecuado.
21
Fig. Tablero Encendido.
(Equipo DC-MV-200)
18. Si se va a estudiar el control de flujo, debe permanecer abierta la válvula de
regulación de la línea de alimentación a tanque 1 (lado derecho), y abierta; ya sea la
válvula para drenado del tanque o la válvula de regulación para circulación hacia el
tanque de alimentación. Todas las demás deben permanecer cerradas.
19. Si se va a estudiar el control de presión, debe permanecer abierta la válvula de
regulación de la línea de alimentación a tanque 1 (lado derecho), y abierta; ya sea la
válvula para drenado del tanque o la válvula de regulación para circulación hacia el
tanque de alimentación. Esto si se va a generar presión mediante la formación de un
“colchón de aire”. Si se va a generar presión mediante aire comprimido. Las válvulas de
salida del tanque deben permanecer cerradas; asegurarse que esté conectada una
22
manguera para suministro de aire en el conector rápido en la tapa del tanque. Abrir la
válvula de regulación (acero inoxidable) paulatinamente para permitir la entrada de aire
al tanque. Todas las demás válvulas deben permanecer cerradas
20. Si se va a estudiar el control de temperatura, debe permanecer abierta la válvula de
regulación de la línea de alimentación al tanque 2 (lado izquierdo), y abiertas las
válvulas de la línea donde se encuentra la válvula de control. La válvula de descarga de
ese tanque debe permanecer cerrada. Todas las demás válvula deben permanecer
cerradas.
21. Si se va a estudiar el control de nivel (ON-OFF), debe permanecer abierta la válvula
de regulación de la línea de alimentación al tanque 2 (lado izquierdo), y cerrada la
válvula de drenado de ese tanque. El sensor de nivel mandará una señal a la válvula de
solenoide (válvula color verde, en la salida del tanque) cuando haya alcanzado el nivel
programado, abriendo esta. La válvula de solenoide se cerrará cuando el nivel bajo,
programado en el sensor se haya alcanzado. Todas las demás válvulas deben
permanecer cerradas.
Equipo en operación
22. Para los controles de flujo, temperatura y presión es necesario establecer un set
point desde el software de control y adquisición de datos.
23. La variación de la banda proporcional y constantes derivativa e integral también se
varían en el software
24. Abrir la válvula de regulación dependiendo del circuito a trabajar.
25. Antes de alimentar agua y aire, colocar el set point correspondiente mediante
indicador según parámetro a trabajar.
23
26. Alimentar aire al primer tanque y regular con la válvula de aguja.
Fig. Tablero, bomba encendida.
(Equipo DC-MV-200)
Control de presión
27. Alimentar agua por la línea del segundo rotámetro.
28. Verificar que la válvula de desfogue se encuentre cerrada.
29. Verificar que la válvula del aire esté abierta.
30. Colocar el set point de la presión en el indicador adecuado.
31. Registrar los valores en el manómetro hasta tener la presión ajustada.
24
Control de nivel
32. Alimentar agua a través del primer rotámetro.
33. Colocar el rango de operación.
34. Abrir la válvula del by-pass de descarga a tanque.
35. Visualizar el nivel con las regletas que se encuentran dentro de los tanques.
Control de flujo
36. Alimenta agua al equipo por medio de la línea del segundo rotámetro.
37. Regular la descarga del 1er tanque para que no haya desbordamiento o vaciado del
mismo.
38. Es posible obtener el flujo de dos maneras, observarlo mediante el rotámetro o
tomar mediciones del volumen que se descarga en uno de los tanques en un
determinado tiempo y registrarlos y la relación entre ellos será el flujo.
25
Fig. Tanque de control uno en operación.
(Equipo DC-MV-200)
Control de temperatura
39. Alimentar agua en el primer rotámetro.
40. Alimentar a través del by-pass el segundo tanque hasta tener un nivel adecuado.
41. Iniciar el calentamiento con el gabinete, encendiendo la tina de calentamiento.
42. Mantener bomba apagada mientras se obtiene una temperatura mayor a la del set
point.
26
43. Suministrar agua de enfriamiento con bomba, cerrando el by-pass.
44. La electroválvula abrirá o cerrará hasta lograr la estabilización cerca del set point.
45. Iniciar agitación mediante el gabinete de control y la perilla correspondientes, esto
para homogeneizar la temperatura en el tanque.
46. Cerciorarse de que la tina de calentamiento tenga el nivel adecuado, no hasta el
desborde.
47. Verificar que la válvula del tanque de enfriamiento esté cerrada.
Paro del equipo
48. Para detener la operación se debe presionar el botón rojo localizado en el gabinete
de control y a su vez bajar la regulación del calentamiento mediante la perilla.
49. Si por alguna razón se tiene que detener la experimentación de emergencia debe
presionarse el hongo de paro de emergencia y automáticamente todos los
componentes que estén funcionando dejaran de hacerlo.
50. Una vez terminada la experimentación, y los componentes hayan sido apagados se
debe colocar el interruptor general en la posición OFF. Con esto deben quedar
apagados tanto los indicadores como los botones del gabinete.
27
2.2 Mantenimiento y limpieza
El Programa o Plan de Mantenimiento Preventivo se trata de la descripción detallada de
las tareas de Mantenimiento Preventivo asociadas a un equipo o máquina, explicando
las acciones, plazos y recambios a utilizar; en general, hablamos de tareas de limpieza,
comprobación, ajuste, lubricación y sustitución de piezas.
Para una mayor durabilidad del equipo se recomienda tener en cuenta estos puntos:
Es recomendable limpiar el equipo una vez que se ha terminado la experimentación.
El equipo requiere poco mantenimiento y la limpieza es realmente fácil.
En general los componentes de la unidad son de tipo industrial y no requieren de
mantenimiento en un periodo largo de tiempo.
La limpieza exterior se puede hacer con un trapo húmedo, generalmente lo que es
necesario remover es simplemente polvo. No limpiar con solventes.
GABINETE DE CONTROL: Cada vez que sea necesaria una revisión eléctrica, es
indispensable estar seguros que el cuadro de control se encuentra NO
ENERGIZADO. Colocar el interruptor general en OFF. Bajar la pastilla de alimentación
principal localizada en el tablero de distribución eléctrica del laboratorio.
28
Capitulo
III.
Práctica
1:
Identificación
de
componentes,
reconocimiento del equipo y de los controladores PID, PD y PI.
Introducción
Los
instrumentos de medición y de control de procesos son partes esenciales de
cualquier industria, desde la industria alimenticia hasta la de fábrica de aviones. Los
avances en los dispositivos de medición y de los procesos de control han permitido
mejorías esenciales en la calidad y la cantidad de servicios y beneficios para la
sociedad actual.
La instrumentación es la tecnología del uso de instrumentos para medición para medir y
controlar las propiedades físicas y químicas de los materiales. Los instrumentos no
siempre pueden medir y controlar directamente algunas variables como: la temperatura,
la presión, el nivel de flujo, la humedad, la densidad, la viscosidad, etcétera, y estas
variables pueden afectar los procesos. Las variables a medir se llaman variables
medidas o controladas y se puede hacer con instrumentos indicadores, registradores y
monitores, que deben tener lecturas que deben ser correctamente interpretadas y,
eventualmente, cuando tengan errores, requerirán de ajustes. Por esta razón, la lectura
y ajuste de los instrumentos de medición resulta un tema de interés para esta
competencia.
Se deben tener en cuenta las características generales de los instrumentos las cuales
se dividen en dos categorías:
Características estáticas y características dinámicas. Las características estáticas son
aquellas a las cuales se refieren las variables cuando no están cambiando, por el
contrario, las características dinámicas son aquellas que se aplican cuando las
variables están cambiando.
Las características estáticas de los instrumentos son: precisión, reproducibilidad y
sensibilidad. La precisión, es la capacidad del instrumento para indicar o registrar el
valor real de la variable medida. La reproducibilidad es un instrumento de medición, es
29
la capacidad del instrumento para indicar o registrar valores idénticos de la variable,
medida, cada vez que las condiciones sean las mismas. La sensibilidad en un
instrumento de medición es el menor cambio en el valor de la variable medida al cual
los instrumentos responden.
Las características dinámicas de los instrumentos son: su capacidad de respuesta a los
cambios de la variable medida y la fidelidad, que es la capacidad de instrumento para
indicar correctamente o registrar un cambio en el valor de la variable medida.
Fundamento Teórico
3.1 Variable Controlada y Variable Manipulada.
La variable controlada es el parámetro más importante del proceso, debiéndose
mantener estable (sin cambios), pues su variación alteraría las condiciones requeridas
en el sistema, su monitoreo a través de un sensor es una condición importante para dar
inicio al control.
Es decir, por ejemplo, intercambiador de calor se observa, la intención de calentar agua
a través del vapor, para lo cual se debe de tener en cuenta las diversas variable de
proceso como son: los flujos de vapor y agua, las presiones de vapor y las
temperaturas del agua; pero, la más importante del sistema es la temperatura de salida
del agua, por lo tanto la Variable Controlada, ver ejemplo figura 3.1.
30
Figura 3.1.- Intercambiador de calor.
Fuente: Controles Eléctricos y Automatización Ing. Jorge Cosco Grimaney, 2008
Por lo tanto la variable manipulada es el parámetro a través del cual se debe corregir
las perturbaciones del proceso, colocándose un actuador para lograr estabilizar el
sistema. En el ejemplo del intercambiador de calor, quien proporciona mayor o menor
cantidad de energía al sistema es el ingreso de vapor, por lo tanto la variable a
manipular será el flujo de ingreso de vapor.
Figura 3.2.- Diagrama de un Intercambiador de calor.
Fuente: Controles Eléctricos y Automatización Ing. Jorge Cosco Grimaney, 2008
3.2 Elementos del Loop de control
Es de suma importancia comprender que, en general, las partes básicas de cualquier
sistema de control tendrán los mismos nombres y proporcionaran las mismas funciones
en distintos tipos de sistemas de control. El elemento primario de medición, los
transductores, el transmisor, el controlador o registrador y el elemento final de control,
son quizás las partes más importantes de un sistema de control industrial, se usan tanto
en los sistemas de control de procesos como en el control de motores y los sistemas de
control de movimiento, éstos se pueden encontrar virtualmente en cada sistema, debido
a que proporcionan retroalimentación acerca de lo que el sistema está haciendo o qué
31
tan bien lo hace. A continuación en la siguiente figura se muestran las variables que
pueden intervenir en un proceso de control:
Figura. 3.3 Loop de Control
(Harper, 2004)
Elemento primario de medición.
El elemento primario de medición (sensor): se define como un dispositivo que es
sensible al movimiento, calor, luz, presión, energía eléctrica, magnética u otro tipo de
energía.
Transductores.
Los transductores se definen como dispositivos que pueden recibir un tipo de energía y
convertirlo en otro tipo de energía, esto significa que un transductor puede incluir un
sensor para sensar la cantidad de presión, un circuito para convertir la cantidad de
presión a una señal eléctrica y transmitirla a un sistema de control eléctrico donde se
usa en la variable del proceso de retro-alimentación.
32
Las principales formas de energía que los sensores pueden detectar se clasifican como:
movimiento, temperatura, luz, presión, eléctrica, magnética, química y nuclear.
Figura 3.4 Sensor electrónico de flujo tipo turbina
(Equipo DC-MV-200)
Transmisor
Un transmisor es un dispositivo que puede convertir una señal muy pequeña a una
señal más usable, los transmisores para los sensores usados en señales de
retroalimentación industrial deben típicamente convertir señales eléctricas muy
pequeñas, tales como: microvolts (𝛍V), milivolts (mV), miliamperes (mA) o frecuencia en
señales mayores de voltaje, corriente o frecuencia, tales como: 0-10 volts ó 4-20 mA. El
transmisor generalmente usa dispositivos tales como los amplificadores operacionales
para amplificar y linealizar la señal de salida.
Controlador.
33
Los controladores leen la señal de medida, comparan la variable medida con la
deseada (punto de consigna) para determinar el error, y estabilizan el sistema
realizando el ajuste necesario para reducir o eliminar el error.
En los sistemas industriales, el controlador puede actuar de acuerda con los tipos de
sistemas de control siguientes:
Elemento final
El elemento final de control es un mecanismo que altera el valor de la variable
manipulada en respuesta a una señal de salida desde el dispositivo de control
automático; típicamente recibe una señal del controlador puede ser una válvula de
control, variadores de frecuencia y motores eléctricos, una servo válvula, un relé,
elementos de calefactores de carácter eléctrico o un amortiguador.
El elemento final de control consta generalmente de dos partes:

Un actuador que convierte la señal del controlador en un comando para el
dispositivo manipulador.

Un mecanismo para ajustar la variable manipulada.
En los procesos industriales la válvula de control juega un papel muy importante en el
bucle de regulación. Realiza la función de variar el caudal del fluido de control que
modifica a su vez el valor de la variable de 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.
3.3 Tipos de control
Control Proporcional Integral Derivativo
34
Un PID (Proporcional Integral Derivativo) es un mecanismo de control por
realimentación que se utiliza en sistemas de control industriales. Un controlador PID
corrige el error entre un valor medido y el valor que se quiere obtener calculándolo y
luego sacando una acción correctora que puede ajustar al proceso acorde. El algoritmo
de cálculo del control PID se da en tres parámetros distintos: el proporcional, el integral,
y el derivativo. El valor Proporcional determina la reacción del error actual. El Integral
genera una corrección proporcional a la integral del error, esto nos asegura que
aplicando un esfuerzo de control suficiente, el error de seguimiento se reduce a cero. El
Derivativo determina la reacción del tiempo en el que el error se produce. La suma de
estas tres acciones es usada para ajustar al proceso vía un elemento de control como
la posición de una válvula de control o la energía suministrada a un calentador, por
ejemplo. Ajustando estas tres constantes en el algoritmo de control del PID, el
controlador puede proveer un control diseñado para lo que requiera el proceso a
realizar. La respuesta del controlador puede ser descrita en términos de respuesta del
control ante un error, el grado el cual el controlador llega al "set point", y el grado de
oscilación del sistema. Nótese que el uso del PID para control no garantiza control
óptimo del sistema o la estabilidad del mismo. Algunas aplicaciones pueden solo
requerir de uno o dos modos de los que provee este sistema de control.
Un controlador PID puede ser llamado también PI, PD, P o I en la ausencia de las
acciones de control respectivas. Los controladores PI son particularmente comunes, ya
que la acción derivativa es muy sensible al ruido, y la ausencia del proceso integral
puede evitar que se alcance al valor deseado debido a la acción de control.
Funcionamiento
Para el correcto funcionamiento de un controlador PID que regule un proceso o sistema
se necesita, al menos:
35

Un sensor, que determine el estado del sistema (termómetro, caudalímetro,
manómetro, etc).

Un controlador, que genere la señal que gobierna al actuador.

Un actuador, que modifique al sistema de manera controlada (resistencia
eléctrica, motor, válvula, bomba, etc).
El sensor proporciona una señal analógica o digital al controlador, la cual representa el
punto actual en el que se encuentra el proceso o sistema. La señal puede representar
ese valor en tensión eléctrica, intensidad de corriente eléctrica o frecuencia. En este
último caso la señal es de corriente alterna, a diferencia de los dos anteriores, que son
con corriente continua.
El controlador lee una señal externa que representa el valor que se desea alcanzar.
Esta señal recibe el nombre de punto de consigna (o punto de referencia), la cual es de
la misma naturaleza y tiene el mismo rango de valores que la señal que proporciona el
sensor. Para hacer posible esta compatibilidad y que, a su vez, la señal pueda ser
entendida por un humano, habrá que establecer algún tipo de interfaz (HMI-Human
Machine Interface), son pantallas de gran valor visual y fácil manejo que se usan para
hacer más intuitivo el control de un proceso.
El controlador resta la señal de punto actual a la señal de punto de consigna,
obteniendo así la señal de error, que determina en cada instante la diferencia que hay
entre el valor deseado (consigna) y el valor medido. La señal de error es utilizada por
cada uno de los 3 componentes del controlador PID. Las 3 señales sumadas,
componen la señal de salida que el controlador va a utilizar para gobernar al actuador.
La señal resultante de la suma de estas tres se llama variable manipulada y no se
aplica directamente sobre el actuador, sino que debe ser transformada para ser
compatible con el actuador que usemos.
36
Las tres componentes de un controlador PID son: parte Proporcional, acción Integral y
acción Derivativa. El peso de la influencia que cada una de estas partes tiene en la
suma final, viene dado por la constante proporcional, el tiempo integral y el tiempo
derivativo, respectivamente. Se pretenderá lograr que el bucle de control corrija
eficazmente y en el mínimo tiempo posible los efectos de las perturbaciones.
Proporcional
La parte proporcional consiste en el producto entre la señal de error y la constante
proporcional como para que hagan que el error en estado estacionario sea casi nulo,
pero en la mayoría de los casos, estos valores solo serán óptimos en una determinada
porción del rango total de control, siendo distintos los valores óptimos para cada porción
del rango. Sin embargo, existe también un valor límite en la constante proporcional a
partir del cual, en algunos casos, el sistema alcanza valores superiores a los deseados.
Este fenómeno se llama sobreoscilación y, por razones de seguridad, no debe
sobrepasar el 30%, aunque es conveniente que la parte proporcional ni siquiera
produzca sobreoscilación. Hay una relación lineal continua entre el valor de la variable
controlada y la posición del elemento final de control (la válvula se mueve al mismo
valor por unidad de desviación). La parte proporcional no considera el tiempo, por lo
tanto, la mejor manera de solucionar el error permanente y hacer que el sistema
contenga alguna componente que tenga en cuenta la variación respecto al tiempo, es
incluyendo y configurando las acciones integral y derivativa.
La fórmula del proporcional está dada por: Psal = Kp e(t)
El error, la banda proporcional y la posición inicial del elemento final de control se
expresan en tanto por uno. Nos indicará la posición que pasará a ocupar el elemento
final de control.
37
Ejemplo: Cambiar la posición de la una válvula (elemento final de control)
proporcionalmente a la desviación de la temperatura (variable) respeto al punto de
consigna (variable deseada).
Integral
El modo de control Integral tiene como propósito disminuir y eliminar el error en estado
estacionario, provocado por el modo proporcional. El control integral actúa cuando hay
una desviación entre la variable y el punto de consigna, integrando esta desviación en
el tiempo y sumándola a la acción proporcional. El error es integrado, lo cual tiene la
función de promediarlo o sumarlo por un periodo de tiempo determinado; Luego es
multiplicado por una constante I. I representa la constante de integración.
Posteriormente, la respuesta integral es adicionada al modo Proporcional para formar el
control P + I con el propósito de obtener una respuesta estable del sistema sin error
estacionario.
El modo integral presenta un desfasamiento en la respuesta de 90º que sumados a los
180º de la retroalimentación (negativa) acercan al proceso a tener un retraso de
270º, luego entonces solo será necesario que el tiempo muerto contribuya con 90º de
retardo para provocar la oscilación del proceso (la ganancia total del lazo de control
debe ser menor a 1, y así inducir una atenuación en la salida del controlador para
conducir el proceso a estabilidad del mismo.) Se caracteriza por el tiempo de acción
integral en minutos por repetición. Es el tiempo en que delante una señal en escalón, el
elemento final de control repite el mismo movimiento correspondiente a la acción
proporcional.
El control integral se utiliza para obviar el inconveniente del offset (desviación
permanente de la variable con respeto al punto de consigna) de la banda proporcional.
38
La fórmula del integral está dada por:
∫
( )
Ejemplo: Mover la válvula (elemento final de control) a una velocidad proporcional a la
desviación respeto al punto de consigna (variable deseada).
Derivativo
La acción derivativa se manifiesta cuando hay un cambio en el valor absoluto del error;
(si el error es constante, solamente actúan los modos proporcional e integral).
El error es la desviación existente entre el punto de medida y el valor consigna, o "Set
Point".
La función de la acción derivativa es mantener el error al mínimo corrigiéndolo
proporcionalmente con la misma velocidad que se produce; de esta manera evita que el
error se incremente.
Se deriva con respecto al tiempo y se multiplica por una constante D y luego se suma a
las señales anteriores (P+I). Es importante adaptar la respuesta de control a los
cambios en el sistema ya que una mayor derivativa corresponde a un cambio más
rápido y el controlador puede responder acordemente.
La fórmula del derivativo está dada por:
El control derivativo se caracteriza por el tiempo de acción derivada en minutos de
anticipo. La acción derivada es adecuada cuando hay retraso entre el movimiento de la
válvula de control y su repercusión a la variable controlada.
Cuando el tiempo de acción derivada es grande, hay inestabilidad en el proceso.
39
Cuando el tiempo de acción derivada es pequeño la variable oscila demasiado con
relación al punto de consigna. Suele ser poco utilizada debido a la sensibilidad al ruido
que manifiesta y a las complicaciones que ello conlleva.
El tiempo óptimo de acción derivativa es el que retorna la variable al punto de consigna
con las mínimas oscilaciones.
Ejemplo: Corrige la posición de la válvula (elemento final de control) proporcionalmente
a la velocidad de cambio de la variable controlada.
La acción derivada puede ayudar a disminuir el rebasamiento de la variable durante el
arranque del proceso. Puede emplearse en sistemas con tiempo de retardo
considerables, porque permite una repercusión rápida de la variable después de
presentarse una perturbación en el proceso.
Otro tipo de controlador que se estará ocupando en este equipo y es de suma
importancia mencionar es el Controlador Lógico Programable.
3.4 Controlador Lógico Programable (PLC)
Los Controladores Lógico Programables (PLC) fueron inventados como respuesta a las
necesidades de la industria automotriz. Inicialmente fueron adoptados por las empresas
para sustituir la lógica cableada. En 1968 GM Hydramatic (la división de transmisiones
automáticas de General Motors) emitió una solicitud para realizar una propuesta que
sustituyera la lógica cableada.
Un controlador lógico programable (Programmable Logic Controller PLC) es un
dispositivo operado digitalmente, que usa una memoria para el almacenamiento interno
de instrucciones con el fin de implementar funciones específicas, tales como lógica,
secuenciación, registro y control de tiempos, conteo y operaciones aritméticas, para
40
controlar a través de entradas/salidas digitales o analógicas, varios tipos de máquinas o
procesos.
Fig. 3.4 Controlador Lógico Programable del Equipo DC-MV-200
Los PLC´s operan de manera secuencial y cíclica, es decir, una vez finalizado el
recorrido completo de un programa, comienza a ejecutar su primera instrucción.
Los elementos que contiene un PLC son:
41
Unidad Central de proceso
Módulos de entrada
Módulos de salida
Fuente de Alimentación
Dispositivos periféricos
Interfaces
La unidad central es el “cerebro” del PLC. Este toma las decisiones relacionadas al
control de la máquina o proceso. Durante su operación, el CPU recibe entradas de
diferentes dispositivos de sensado, ejecuta decisiones lógicas, basadas en un programa
almacenado en la memoria, y controla los dispositivos de salida de acuerdo al resultado
de la lógica programada.
Los módulos de entradas y salidas son la sección del PLC en donde sensores y
actuadores son conectados y a través de los cuales el PLC monitorea y controla el
proceso.
La fuente de alimentación convierte altos voltajes de corriente de línea (115V 230V CA)
a bajos voltajes (5V, 15V, 24V CD) requeridos por el CPU y los módulos de entradas y
salidas.
El funcionamiento del PLC es un continuo ciclo cerrado, primero el sistema operativo
inicia la vigilancia de tiempo de ciclo, después el CPU escribe lo valores de imagen de
proceso de las salidas en los módulos de salida, a continuación la CPU lee el estado de
las entradas en los módulos de entrada y actualiza la imagen de proceso de las
entradas, el CPU procesa el programa del usuario en segmentos de tiempo y ejecuta
las operaciones indicadas en el programa, al final de un ciclo el sistema realiza las
tareas pendientes por ejemplo carga y borrado de bloques.
42
Los PLC´s han ganado popularidad en las industrias y probablemente continuarán
predominando por algún tiempo, debido a las ventajas que ofrecen [6]:
Son un gasto efectivo para controlar sistemas complejos
Son flexibles y pueden ser aplicados para controlar otros sistemas de manera
rápida y fácil.
Su capacidad computacional permite diseñar controles más complejos
La ayuda para resolver problemas permite programar fácilmente y reduce el
tiempo de inactividad del proceso.
Sus componentes confiables hacen posible que pueda operar varios años sin fallas.
Capacidad de entradas y salidas
Monitoreo
Velocidad de operación
Están diseñados para trabajar en condiciones severas como: vibraciones, campos
magnéticos, humedad, temperaturas extremas.
A) Práctica de identificación de componentes
Objetivo de aprendizaje
Que el alumno reconozca y refuerce toda la información antes mencionada,
identificando los componentes del equipo de control DC-MV-200.
43
Materiales

Respectivo equipo de protección según las normas del laboratorio de
operaciones unitarias.

Equipo DC-MV-200.
Descripción
A continuación se presentan algunas fotos del equipo, debiendo colocar el nombre del
accesorio correspondiente en la tabla 3.1.
44
45
46
Tabla 3.1.- Escritura de los nombres identificados en el equipo
Número
1
2
3
4
5
6
7
Nombre del Accesorio
Variable (mide) o función
47
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Cuestionario

Listar los balances de materia y energía que puedan desarrollarse en el sistema.

¿Cuáles son las aplicaciones industriales más comunes? Relacionarlas con el
sistema.
B) Práctica de reconocimiento del sistema
Objetivo de aprendizaje
Establecer el esquema general de un sistema de control y reconocer éste en el DC-MV200.
Materiales

Respectivo equipo de protección según las normas del laboratorio de
operaciones unitarias.

Equipo DC-MV-200.
48
Descripción
Identificar los componentes del equipo y responder el cuestionario siguiente:

Control ON-OFF: Sensor de nivel, electroválvula de solenoide, válvula de
regulación, rotámetro.

Control de flujo: Sensor de flujo tipo turbina, electroválvula de control de flujo,
válvula de regulación, rotámetro.

Control de presión: Sensor de presión, válvula de alivio (liberadora de presión),
válvula de regulación, rotámetro.

Control de temperatura: Baño de calentamiento, serpentín de circulación de agua
caliente, válvula de regulación, rotámetro.

Elementos de medición.

Componentes eléctricos y electrónicos.

Válvulas de todo el sistema.
49
Cuestionario

Desarrollar un diagrama de flujo de proceso del sistema.

Desarrollar un diagrama de tubería e instrumentación del sistema.

Listar las líneas principales del sistema.

¿Qué es un sistema de control PID?

Importancia de la interpretación de las constantes en un sistema de control.

¿Cuáles son las aplicaciones industriales más comunes? Relacionarlas con el
sistema.
50
Capítulo IV. Práctica 2: Variable de flujo
Introducción
Medición de flujo o caudal.
Para medición del flujo o caudal se pueden adoptar dos métodos generales de
medición, denominados volumétrico o másico.
Los medidores volumétricos determinan el flujo en volumen del fluido, ya sea en forma
directa por deducción (presión diferencial, área variable, velocidad, fuerza tensión
inducida) o directamente (indicando el desplazamiento).
Con los medidores de presión diferencial el flujo obtenido se determina con la siguiente
expresión:
√
Dónde:
H= Diferencia de altura de presión del fluido o presión diferencial.
K= Constante que depende de los diámetros de la placa y de la tubería.
Fluido.
Es un término que describe cualquier sustancia que fluye, los líquidos tal como el agua,
los fluidos hidráulicos y los gases tales como el oxígeno o nitrógeno, son todos
considerados fluidos, dado de aquellos fluyen. Los términos líquido y gases describen
dos de los tres estados (sólidos, líquidos y gaseosos) de cualquier substancia. La
capacidad del flujo de un fluido que fluye a través de una tubería se puede calcular con
la fórmula:
51
Q= V x A
Dónde:
Q= Flujo del líquido a través de un tubo.
V= Velocidad promedio del flujo.
A= Sección transversal o área del tubo.
Fundamento teórico
4.1 Sensores de flujo
Muchas aplicaciones industriales requieren una medición de flujo, algunas veces la
medición debe ser muy exacta, tal como la medición del material que se está usando en
el proceso o manufactura, de manera que se pueda determinar la cantidad total del
material en bruto.
4.2 Tipos de Medidores de flujo que utilizan una caída de presión
Varios tipos de medidores de flujo utilizan una caída de presión para determinar el flujo
de un líquido, en estos tipos de medidores de flujo el método para crear la caída de
presión tiene diferencias entre ellos de hecho, estos tipos de medidores de flujo usan
realmente un sensor de presión diferencial para producir una señal eléctrica, la
operación del sensor de presión es diferencial ya se ha explicado anteriormente.
Medidor de flujo Venturi.
Un Venturi, es el punto en un tubo que ha sido estrechado de manera que el flujo sea
restringido ligeramente. En la siguiente figura se observa un puerto de alta presión que
está localizado enfrente del punto donde el Venturi se ha estrechado hacia abajo y el
puerto de baja presión se coloca directamente después del punto donde el tubo se
52
estrecha. El puerto de alta presión esta aprovisionado para detectar incremento de la
presión del fluido, donde el mismo se incrementara ligeramente, debido a la restricción
causada por el Venturi y el puerto de baja presión. Esta aprovisionado para detectar la
caída de presión después que el flujo pasa por la restricción dada por el Venturi.
Fig.4.4 Tubo Venturi
(Harper Enríquez, 2004)
Un medidor de Venturi usa una ligera restricción (un punto donde el diámetro del tubo
se hace estrecho) para crear una caída de presión.
Tubo de Pitot
El tubo de pitot es un dispositivo que tiene dos tubos que están colocados en un flujo de
fluido para detectar la caída de presión.
53
Fig. 4.5 Tubo de Pitot
(Harper Enríquez, 2004)
El flujo que tiene una boquilla la cual produce una caída de presión.
Medidores de codo
Otro método para crear una caída de presión en un sistema de fluido, es usar un codo
existente en un sistema de tubería, el fluido que fluye cerca del radio interior del codo
tiene una presión menos que el fluido que fluye por el otro radio del codo.
54
Fig. 4.6 Medidor de Codo
Los puertos de presión están localizados sobre el radio interior y el radio exterior de un
codo para medir las pequeñas caídas de presión cuando el fluido fluye por el codo.
Medidores de velocidad de flujo
Los medidores de velocidad del flujo usan el cambio que ocurre en la velocidad cuando
el flujo del fluido cambia para medir la cantidad de flujo, los medidores de velocidad se
pueden usar en sistemas que no se ven afectados en forma adversa por cambios en la
viscosidad. Ejemplos de medidores de velocidad del flujo son los medidores de flujo tipo
turbina y los medidores de flujo electromagnéticos.
En la siguiente figura, se muestra el principio de operación de cada uno de estos tipos
de medidores de flujo:
55
Fig. 4.7 Medidor de velocidad de flujo
(Harper Enríquez, 2004)
Un medidor de flujo tipo turbina tiene un imán montado en cada extremo. Cuando el
fluido fluye y pasa por la turbina se producen pulsos eléctricos.
Fig. 4.8 Medidor de flujo tipo turbina
(Harper Enríquez, 2004)
Un medidor de flujo electromagnético no produce una obstrucción. Usa bobinas
electromagnéticas para crear un campo magnético con el fluido que fluye. El fluido
actúa como conductor y se induce un voltaje en el mismo, que es proporcional al flujo.
56
Rotámetro
Otros dispositivos de medición de flujo son los rotámetros, los medidores de flujo
electromagnéticos o los medidores de flujo tipo turbina, todos son adaptables al control
de flujo, los rotámetros usados son del tipo de transmisión.
Fig. 4.9 Rotámetro
(Harper Enríquez, 2004)
Objetivos

Establecer la curva característica de control en un tanque mediante la variación
de flujo de agua.

Establecer un comparativo entre los controles tipo PID, PD y PI.
Materiales
57

Respectivo equipo de protección según las normas del laboratorio de
operaciones unitarias.

Equipo DC-MV-200.

Agua corriente.
Descripción del proceso
El tanque de alimentación suministrará agua por el sistema de tuberías del equipo
mediante la bomba centrífuga. En la descarga de la bomba existe un by pass que
desviará parte de la carga hacia el tanque de alimentación si esto fuera necesario. El
agua pasará por la válvula de regulación donde manualmente se puede ajustar el
caudal, el cual se puede medir en el rotámetro de flotador.
El agua pasará después por el sensor de flujo (de tipo turbina); este sensor manda una
señal electrónica hacia el controlador que se encuentra montado en el gabinete de
control y éste a su vez envía una orden a la electroválvula que responderá a ésta y se
ajustará en tal forma que permita el flujo que se ordene en el controlador. El agua
finalmente regresa al tanque de alimentación donde será succionada nuevamente para
repetir el proceso.
Procedimiento experimental (Programación Manual)
1. Asegurarse que el tanque contenedor cuente con al menos un 70% de su capacidad
total.
2. Asegurarse que el equipo se encuentre debidamente conectado a 220 VAC, dos
fases, neutro y tierra.
58
3. Asegurarse que el botón tipo hongo de paro de emergencia se encuentre en posición
adecuada, es decir, no presionado. De lo contrario dar media vuelta en el sentido que
indican las flechas para liberarlo.
4. Colocar el interruptor general en posición ON. Deben estar iluminados: el controlador,
el indicador luminoso de tablero energizado y el botón de paro de la bomba.
5. Cerrar la válvula de drenado del tanque de alimentación, localizada a la derecha del
tanque (a menos que esté conectado al tanque de descarga del loop 2).
6. Si se requiere, abrir la válvula de by pass de la bomba.
7. Asegurarse que la válvula de regulación de flujo -diafragma- (previa al rotámetro) se
encuentre abierta.
8. Asegurarse de cerrar la válvula que da paso hacia el tanque de estudio de nivel y
temperatura; obligando así a que toda el agua pase por la línea de estudio de control de
flujo.
9. Alimentar el agua mediante la bomba centrífuga, accionándola con el botón pulsador
verde localizado en el gabinete de control.
10. Controlar y fijar un flujo mediante la válvula de regulación (previa al rotámetro).
11. El caudal en el rotámetro se mide en la parte baja de la cabeza del flotador.
12. Para utilizar el control PID es necesario hacer uso del controlador montado en el
gabinete de control. La pantalla cuenta con dos displays; el de números rojos indica el
valor actual de flujo. Los números verdes es el set point al que se desea llegar.
59
13. El controlador cuenta con 4 botones para su manipulación; el botón
confirmar órdenes; los botones
el botón
o
sirve para
sirven para ajustar los valores necesarios y
sirve para ingresar a la programación del set point y para confirmar
órdenes.
14. Para fijar un set point es necesario presionar una vez el botón
palabra SET; después con los botones
o
y aparecerá la
debe ajustarse el valor deseado.
Para confirmar se debe presionar nuevamente el botón
.
15. Una vez que esté fijo el set point la electroválvula empezará a trabajar (abriéndose
o cerrándose) hasta que llegue al set point programado.
16. La estabilización de la electroválvula está en función de los parámetros fijados para
la banda proporcional (Kp), la constante de integración (Ki) y la constante derivativa
(Kb). El propósito de la experimentación es manipular estas variables y obtener los
tiempos de estabilización del sistema para poder trazar la gráfica de control.
17. Para variar estos parámetros es necesario entrar al menú de ajuste del controlador
realizándolo en la siguiente forma: Presionar simultáneamente los botones
hasta que aparezca la palabra SETP; confirmar con el botón
o
y
e ingresar con
el número 10 que es el código de acceso al ajuste.
60
18. Una vez en el menú de ajuste (setup) hay que desplazarse con
hasta que se
encuentren las palabras Pb_p ; Pb_s ; ArSt y rAtE. Las cuales significan Pb_p es la
banda proporcional primaria; Pb_s es la banda proporcional secundaria. Ambas tienen
valor establecido de 10. ArSt es la constante de tiempo de la integral y tiene por valor
establecido 5. Y rAtE es la constante de tiempo derivativo con valor establecido de 1.15
19. Para variar los valores predeterminados es necesario, una vez que aparezca el
parámetro que se va a variar presionar el botón
y con los botones
ajustar el valor que se desee. Para confirmar hay que presionar el botón
después
o
y
.
20. Para salir del menú de ajuste es necesario presionar simultáneamente los botones
y
hasta que se encuentre la palabra OPtr. Una vez que esta salga presionar
.
21. El equipo permanecerá trabajando automáticamente hasta que llegue al set point
deseado.
22. Si se desea perturbar al sistema es necesario variar manualmente el caudal
mediante la válvula de diafragma. Permitir que se estabilice y seguir tomando datos
experimentales.
23. Con la ayuda de un cronómetro es necesario medir el tiempo de estabilización de la
electroválvula una vez que se hayan ajustado los parámetros en el controlador y
comience la electroválvula a actuar.
61
24. En esta experimentación se pueden realizar control PID, PD y PI. Para ello es
necesario modificar las constantes derivativa e integral en el controlador como se ha
descrito en el paso 18.
62
Procedimiento experimental (Programación por Software)
1.- Preparar el equipo como se establece en la puesta a punto del sistema.
2.- Conectar mediante el cable USB el equipo DC-MV-200 al puerto de su computadora o laptop.
3.- Hacer clic en Inicio – carpeta DC-VM-200 – DCVM200.
.
4.10 Pantalla Principal
63
4.11 Lazos: Flujo, Presión, Nivel, Temperatura.
La pantalla de captura para la programación de los controladores y para realizar las gráficas de los mismos permite
trabajar los lazos de Flujo, Presión, Nivel y Temperatura, colocando el cursos sobre cada lazo (loop).
64
4.12 Control de Loop de Flujo
El lazo seleccionado aparece en pantalla mostrando los siguientes elementos:

Cajas de captura de valores de Ganancia proporcional (Kc), Tiempo integral (Ti) y Tiempo Derivativo (Td)

Set point
65

Frecuencia de registro

Duración

El botón iniciar

El botón Terminar
Adicionalmente se muestran dos graficos donde se observan los comportamientos de dichos controladores y el DFP del
lazo seleccionado, donde se verá en tiempo real los valores alcanzados por los indicadores y el % de apertura de la
válvula, como se muestra en la figura 4.13.
66
Figura 4.13 Tablero
Al seleccionar el tipo de controlador, el set point y la frecuencia de registro, se procede a dar clic en el botón Inicio, para
que proceda a iniciar el proceso de lectura y control del lazo seleccionado.
Seguido de elegir el lazo, iniciar el equipo, previamente puesto a punto para su arranque.
67
Para terminar el proceso de captura de información del controlador, se da clic al botón Terminar, apareciendo la pantalla
de captura del nombre del archivo de resultados, dichos datos se exportarán a Excel para su graficación y análisis
posterior, tal y como se muestra en la figura 4.14 siguiente.
4.14 Captura de información del controlador
68
Se puede reiniciar el proceso para reconfigurar los datos de los controladores P, I, D,
PI, PD, PID, el setpoint y en el caso del lazo de nivel, se puede cambiar de valvula 1
a valvula 2, ya que este es el único lazo que controla dos válvulas.
Es importante no olvidar encender o apagar el equipo para evitar daños por
sobrepresión o cavitación de la bomba.
Pantalla principal
4.15 Pantalla Principal
Al presionar el botón Menú se despliegan los siguientes botones:
1. Manual: Abre un archivo en PDF del manual del sistema.
2. Teoría: Abre un archivo explicativo de la teoría de diseño del sistema.
3. Salir: Cierra completamente la aplicación.
Fallas
Falla de comunicación con el dispositivo NI cDAQ. Figura 4.16
Figura 4.16
69
Solución: Verificar que el cable USB esté conectado a la computadora. Verificar que
el dispositivo NI cDAQ esté encendido. Una vez revisado lo anterior volver a iniciar el
programa.
Llenar las siguientes tablas:
Tipo de
control:
PID; PD, PI.
Corrida
Flujo
(L/min)
Flujo en
controlador
(L/min)
Kp
Ki
Kb
Banda
proporcional
Cte. Integral
Cte. Derivativa
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Tabla. 4.1 Registro de PID, PD y PI.
Si se lleva a cabo control PID; Kp, Ki y Kb tendrán el valor que se haya ajustado en el
controlador. Si se lleva a cabo control PD, el valor de Ki debe ser cero.
Si se lleva a cabo control PI, el valor de Kb deber ser cero.
70
Estabilización
de la
electroválvula
Tiempo
(Segundo)
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
Flujo
(LPM)
Tabla 4.2 Registro de Flujo
26. Graficar el flujo que el controlador indique en función del tiempo de estabilización.
27. Detener la alimentación del agua presionando el botón pulsador rojo de paro de
la bomba localizado en el gabinete de control.
28. Una vez terminada la experimentación, se debe presionar el botón tipo hongo de
paro de emergencia para interrumpir el paso de corriente eléctrica al gabinete.
29. Poner el interruptor general en posición OFF.
71
30. Se recomienda drenar el tanque de alimentación para evitar la formación de
precipitados.
Capitulo V. Práctica 3.- Variable de Presión
Introducción
La presión es una fuerza por unidad de superficie y se puede expresar en unidades
tales como
,
, bar, atmosferas y
(Pascal), el valor de
presión puede ser absoluta o diferencial.
Para medir la presión, se requiere de sensores de presión, este tipo de sensores es
de los más útiles para aplicaciones industriales, debido a que la presión se puede
convertir para determinar el nivel de un líquido en un tanque o la temperatura,
además de medir la cantidad de fuerza que actúa sobre un objeto. La presión se
puede usar para determinar el nivel de un fluido en un tanque o recipiente,
convirtiendo la cantidad de altura de presión en la altura de una columna del líquido.
La presión se puede usar también para determinar la temperatura haciendo uso de
las tablas de conversión, debido a que hay una correlación directa entre temperatura
y la presión de los gases confinados.
En conclusión, la presión se define como la fuerza aplicada a un área, se puede
definir matemáticamente como que, la presión es igual a la fuerza por unidad de
área, es decir:
Fundamento Teórico
5.1 Elementos para la medición de la presión
Barómetro.
72
El instrumento para medir la presión barométrica es el barómetro, el barómetro más
simple consiste de un tubo de vidrio largo que esta sellado de un extremo y se llena
con mercurio, se invierte y se coloca en un recipiente con mercurio, el mercurio en el
tubo deja un vacío sobre el mismo. La altura del mercurio en el tubo sobre el nivel del
mercurio en el recipiente indica la presión atmosférica en pulgadas de mercurio.
Fig. 5.1 Barómetro
(Harper Enríquez, 2004)
Manómetros:
El dispositivo más simple para la medición de líquidos o de gases es el manómetro,
la forma más sencilla es el llamado tubo U que consiste de un tubo de vidrio en forma
de U y con una escala marcada en pulsadas o centímetros. Sobre la escala aparece
el cero en el centro, el fluido que va dentro del tubo normalmente es mercurio aunque
también puede ser agua. El líquido se vacía en el tubo hasta que alcanza la marca
de cero, con ambas columnas abiertas hacia la atmosfera, el nivel del fluido
permanece en cero. Cuando una línea de presión se conecta a una columna del
manómetro, el fluido en la columna se ve forzado a bajar y en la otra columna se
eleva, midiendo la diferencia en la altura del fluido en las dos columnas, se expresa
la presión en centímetros o pulsadas del fluido.
73
Fig. 5.2 Manómetro de tubo en U
(Harper Enríquez, 2004)
5.2 Elementos de Presión
Hay una serie de dispositivos mecánicos los cuales están diseñados para alterar su
forma cuando se aplica presión a ellos, estos dispositivos se llaman “elementos de
presión de deformación elástica” y cada elemento en particular responde a un rango
de presión distinto. En la tabla siguiente, se da una lista de tales elementos de
presión.
Tabla. 5.1 Elementos de Presión
Elementos De Presión
Diafragma
Fuelle
Cápsula
Tubo de bourdon
Espiral
Hélice
Rango Mínimo
0-2 pulg. De agua
0-5 pulg. De agua
0-1 pulg. De agua
0 a 12 lb/pulg
0 a 15 lb/pulg
0 a 50 lb/pulg
Rango Máximo
0 a 400 lb/pulg
0 a 800 lb/pulg
0 a 50 lb/pulg
0 a 10000 lb/pulg
0 a 4000 lb/pulg
0 a 10000 lb/pulg
74
Fig. 5.4 Elementos de Presión
(Harper Enríquez, 2004)
5.3 Medición de presión diferencial
Con frecuencia es importante medir la diferencia entre dos presiones, esto se conoce
como “La medición de la presión diferencial”, para registrar la presión diferencial se
usa un manómetro especial de tubo y cubeta, en este tipo de instrumento el
manómetro esta hecho de metal y esta fijo o cerrado en el estuche del instrumento,
el movimiento del flotador se usa para accionar una aguja indicadora o una pluma
registradora, además que mide la diferencia en la altura del líquido de la columna y la
cubeta. El movimiento del flotador dentro de manómetro debe ser transferido al
eslabón externo sin que se pierda el líquido del manómetro. El mecanismo del
flotador debe ser libre de fricción y se debe fabricar con mucha precisión para
proporcionar sensibilidad y precisión.
75
Fig. 5.5 Manómetro de Mercurio para medir la presión diferencial
(Harper Enríquez, 2004)
Para medir presión diferencial se puede usar también el manómetro tipo campana,
en este tipo de manómetro una campana (o copa invertida) se encierra en un
recipiente de presión y se admiten dos presiones a la campana, una al interior de la
superficie y la otra a la superficie exterior. Se requiere un líquido de sellado para
separar los dos fluidos de presión, una alta presión sobre el lado interior produce que
la campana se eleve y una alta presión sobre la superficie exterior produce que la
campana se baje, este movimiento se transfiere a brazo registrador o indicador a
través de un balero de presión o algún otro dispositivo conveniente.
76
Fig. 5.6 Medidor de presión diferencial tipo campana
(Harper Enríquez, 2004)
5.4 Transductores de presión
Un transductor es un dispositivo que convierte un tipo de movimiento o señal en otro,
por ejemplo, alguna clase de movimiento mecánico generado por fuerzas de presión
se convierte en una señal eléctrica o electrónica para ser utilizada en la medición o el
control. Los transductores usados para detectar presiones operan con base a los
principios del extensiómetro o los transductores tipo inductivo, piezoeléctrico,
capacitivo, etc.
Transductores inductivos
Estos transductores son unidades magnéticas que están acopladas y se pueden usar
para mediciones de presiones tanto diferenciales como manométricas. El transductor
básico consiste de un diafragma o algún otro tipo de propulsor magnético acoplado a
un sistema balanceado de captación eléctrica que emite una salida de milivolts por
volt en un puente de corriente alterna. La acción del transductor es muy similar a la
77
del flotador que se muestra en el medidor de manómetro inductivo de la siguiente
figura:
Fig. 5.7 Medidor Electromecánico de presión por inductancia
(Harper Enríquez, 2004)
Este medidor inductivo de presión es un manómetro de metal de mercurio que
emplea una campana flotante para mover una varilla de hierro en forma ascendente
y descendente dentro de una bobina que está dividida y que está diseñada para
emitir una salida eléctrica que es proporcional al movimiento del flotador reducidos
por los cambios de presión.
Transductores tipo capacitivo
Los transductores de tipo capacitivo para la medición de presión consisten de dos
placas conductivas y un dieléctrico, funcionan basándose en el principio de que varía
la capacitancia cuando se desplaza una placa de un capacitor simple, esto se logra
aplicando presión a un diafragma que actúa como la placa de un capacitor; el
transductor en si consiste de un diafragma que experimenta deflexiones y que sirve
78
como placa móvil, está separado de la placa fija por medio de un material dieléctrico
compresible.
Fig. 5.8 Transductor tipo capacitativo
(Harper Enríquez, 2004)
79
Transductores piezoeléctricos
Estos transductores están compuestos de materiales cristalinos que producen una
señal eléctrica cuando se deforman físicamente por acción de una presión. Dos de
los materiales cristalinos más importantes que se utilizan en esos transductores de
presión son el cuarzo y el titanato de bario, que soportan temperaturas hasta de
120ºC (300ºF) y en servicio intermitente hasta 234ºC (450ºF). Tienen las desventajas
de su sensibilidad a los cambios de temperatura, su poca adaptabilidad a
aplicaciones estáticas y su alta impedancia de salida. Sus principales ventajas son su
salida elevada, tamaño pequeño y construcción resistente así como alta respuesta
de frecuencia.
Fig. 5.9 Transductor Piezoeléctrico
(Harper Enríquez, 2004)
80
Objetivo de aprendizaje
Establecer la curva característica de control en un tanque mediante la variación de
presión ocasionado por una columna hidrostática.
Establecer un comparativo entre los controles tipo PID, PD y PI.
Materiales

Respectivo equipo de protección según las normas del laboratorio de
operaciones unitarias.

Equipo DC-MV-200.

Agua corriente.
Descripción del proceso
El tanque de alimentación suministrará agua por el sistema de tuberías del equipo
mediante la bomba centrífuga. En la descarga de la bomba existe un by pass que
desviará parte de la carga hacia el tanque de alimentación si esto fuera necesario. El
agua pasará por la válvula de regulación donde manualmente se puede ajustar el
caudal, el cual se puede medir en el rotámetro de flotador.
El control de presión se lleva a cabo mediante el suministro de agua al tanque 1,
también destinado al uso del control flujo. El agua se irá depositando en el tanque el
cual se encontrará con las descargas cerradas. Conforme el agua vaya subiendo de
nivel se irá formando un colchón de aire que presurizará el sistema. El sensor de
presión montado en la parte superior del tanque censará esa presión; el valor podrá
leerse en el controlador correspondiente. Además de poder leerlo en el controlador la
presión puede medirse en un manómetro de carátula relleno de glicerina. En el
81
controlador se fija la presión que se desea en el tanque. Una vez que se alcanza la
presión una electroválvula permitirá la salida del aire acumulado para mantener el set
point requerido.
Procedimiento experimental (Programación Manual)
1. Asegurarse que el tanque contenedor cuente con al menos un 70% de su
capacidad total.
2. Asegurarse que el equipo se encuentre debidamente conectado a 220 VAC, dos
fases, neutro y tierra.
3. Asegurarse que el botón tipo hongo de paro de emergencia se encuentre en
posición adecuada, es decir, no presionado. De lo contrario dar media vuelta en el
sentido que indican las flechas para liberarlo.
4. Colocar el interruptor general en posición ON. Deben estar iluminados: el
controlador, el indicador luminoso de tablero energizado y el botón de paro de la
bomba.
5. Cerrar la válvula de drenado del tanque de alimentación, localizada a la derecha
del tanque.
6. Si se requiere, abrir la válvula de by pass.
7. Asegurarse que la válvula de regulación de flujo -diafragma- (previa al rotámetro)
se encuentre abierta.
8. Asegurarse de cerrar la válvula que da paso hacia el tanque de estudio de nivel y
temperatura; obligando así a que toda el agua pase por la línea de estudio de control
de flujo.
9. Alimentar el agua mediante la bomba centrífuga, accionándola con el botón
pulsador verde localizado en el gabinete de control.
82
10. Controlar y fijar un flujo mediante la válvula de regulación (previa al rotámetro).
11. El caudal en el rotámetro se mide en la parte baja de la cabeza del flotador.
12. Para utilizar el control PID es necesario hacer uso del controlador montado en el
gabinete de control. La pantalla cuenta con dos displays; el de números rojos indica
el valor actual de flujo. Los números verdes es el set point al que se desea llegar.
13. El controlador cuenta con 4 botones para su manipulación; el botón
para confirmar ordenes; los botones
necesarios y el botón
o
sirve
sirven para ajustar los valores
sirve para ingresar a la programación del set point y para
confirmar órdenes.
14. Para fijar un set point es necesario presionar una vez el botón
la palabra SET; después con los botones
o
y aparecerá
debe ajustarse el valor
deseado. Para confirmar se debe presionar nuevamente el botón
.
15. Una vez que esté fijo el set point la electroválvula empezará a trabajar
(abriéndose o cerrándose) hasta que llegue al set point programado.
16. La estabilización de la electroválvula está en función de los parámetros fijados
para la banda proporcional (Kp), la constante de integración (Ki) y la constante
derivativa (Kb). El propósito de la experimentación es manipular estas variables y
obtener los tiempos de estabilización del sistema para poder trazar la gráfica de
control.
83
17. Para variar estos parámetros es necesario entrar al menú de ajuste del
controlador realizándolo en la siguiente forma: Presionar simultáneamente los
botones
y
hasta que aparezca la palabra SETP; confirmar con el botón
e ingresar con
o
el número 10 que es el código de acceso al ajuste.
18. Una vez en el menú de ajuste (setup) hay que desplazarse con
hasta que
se encuentren las palabras Pb_p ; Pb_s ; ArSt y rAtE. Las cuales significan Pb_p es
la banda proporcional primaria; Pb_s es la banda proporcional secundaria. Ambas
tienen valor establecido de 10. ArSt es la constante de tiempo de la integral y tiene
por valor establecido 5. Y rAtE es la constante de tiempo derivativo con valor
establecido de 1.15
19. Para variar los valores predeterminados es necesario, una vez que aparezca el
parámetro que se va a variar presionar el botón
y con los botones
ajustar el valor que se desee. Para confirmar hay que presionar el botón
después
o
y
.
20. Para salir del menú de ajuste es necesario presionar simultáneamente los
botones
y
salga presionar
hasta que se encuentre la palabra OPtr. Una vez que esta
.
21. El equipo permanecerá trabajando automáticamente hasta que llegue al set point
deseado.
84
22. Si se desea perturbar al sistema es necesario variar manualmente el caudal
mediante la válvula de diafragma. Permitir que se estabilice y seguir tomando datos
experimentales.
23. Con la ayuda de un cronómetro es necesario medir el tiempo de estabilización de
la electroválvula una vez que se hayan ajustado los parámetros en el controlador y
comience la electroválvula a actuar.
24. En esta experimentación se pueden realizar control PID, PD y PI. Para ello es
necesario modificar las constantes derivativa e integral en el controlador como se ha
descrito en el paso 18.
85
Procedimiento experimental (Programación por Software)
1.- Preparar el equipo como se establece en la puesta a punto del sistema.
2.- Conectar mediante el cable USB el equipo DC-MV-200 al puerto de su computadora o laptop.
3.- Hacer clic en Inicio – carpeta DC-VM-200 – DCVM200.
.
5.10 Pantalla Principal
86
5.11 Lazos: Flujo, Presión, Nivel, Temperatura.
La pantalla de captura para la programación de los controladores y para realizar las gráficas de los mismos permite
trabajar los lazos de Flujo, Presión, Nivel y Temperatura, colocando el cursos sobre cada lazo (loop).
87
El lazo seleccionado aparece en pantalla mostrando los siguientes elementos:

Cajas de captura de valores de Ganancia proporcional (Kc), Tiempo integral (Ti) y Tiempo Derivativo (Td)

Set point

Frecuencia de registro

Duración

El botón iniciar

El botón Terminar
Adicionalmente se muestran dos graficos donde se observan los comportamientos de dichos controladores y el DFP del
lazo seleccionado, donde se verá en tiempo real los valores alcanzados por los indicadores y el % de apertura de la
válvula, como se muestra en la figura 5.12.
88
Figura 5.12 Control de Loop de Presión
Al seleccionar el tipo de controlador, el set point y la frecuencia de registro, se procede a dar clic en el botón Inicio, para
que proceda a iniciar el proceso de lectura y control del lazo seleccionado.
Seguido de elegir el lazo, iniciar el equipo, previamente puesto a punto para su arranque.
89
Para terminar el proceso de captura de información del controlador, se da clic al
botón Terminar, apareciendo la pantalla de captura del nombre del archivo de
resultados, dichos datos se exportarán a Excel para su graficación y análisis
posterior.
Se puede reiniciar el proceso para reconfigurar los datos de los controladores P, I, D,
PI, PD, PID, el setpoint y en el caso del lazo de nivel, se puede cambiar de valvula 1
a valvula 2, ya que este es el único lazo que controla dos válvulas.
Es importante no olvidar encender o apagar el equipo para evitar daños por
sobrepresión o cavitación de la bomba.
Pantalla principal
5.14 Pantalla Principal
Al presionar el botón Menú se despliegan los siguientes botones:
1. Manual: Abre un archivo en PDF del manual del sistema.
2. Teoría: Abre un archivo explicativo de la teoría de diseño del sistema.
3. Salir: Cierra completamente la aplicación.
Fallas
Falla de comunicación con el dispositivo NI cDAQ. Figura 5.15
90
Figura 5.15
Solución: Verificar que el cable USB esté conectado a la computadora. Verificar que
el dispositivo NI cDAQ esté encendido. Una vez revisado lo anterior volver a iniciar el
programa.
Llenar las siguientes tablas:
Tipo de
control:
PID; PD, PI.
Corrida
Flujo
(L/min)
Presión en
controlador
(
)
Kp
Ki
Kb
Banda
proporcional
Cte. Integral
Cte. Derivativa
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Tabla 5.2 Registro PID, PD, PI
Si se lleva a cabo control PID; Kp, Ki y Kb tendrán el valor que se haya ajustado en el
controlador. Si se lleva a cabo control PD, el valor de Ki debe ser cero.
Si se lleva a cabo control PI, el valor de Kb deber ser cero.
91
Estabilización
de la
electroválvula
Tiempo
(Segundo)
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
Presión
(
)
Presión en
Manómetro
(
)
Tabla 5.3 Registro de Presión
26. Graficar el flujo que el controlador indique en función del tiempo de estabilización.
27. Detener la alimentación del agua presionando el botón pulsador rojo de paro de
la bomba localizado en el gabinete de control.
28. Una vez terminada la experimentación, se debe presionar el botón tipo hongo de
paro de emergencia para interrumpir el paso de corriente eléctrica al gabinete.
29. Poner el interruptor general en posición OFF.
92
30. Se recomienda drenar el tanque de alimentación para evitar la formación de
precipitados.
Conclusiones
A lo largo de este trabajo se ha llegado a la conclusión de que la elaboración de este
manual servirá de gran ayuda para un mejor entendimiento de las variables y el
aprendizaje acerca del manejo de un equipo de proceso y como controlarlo, algo
importante para la vida laboral.
Refuerza los conocimientos del alumno mediante la práctica no solo de ingeniería de
control, sino también de experiencias educativas como: balance de materia y
energía, mecánica de fluidos, dinámica y control de procesos, entre otras. Apoya al
docente gracias a que podrá explicar más fácilmente algunas definiciones que no
muy claras para los alumnos en la teoría con la ayuda del equipo.
El desarrollo de este trabajo práctico permitirá a los docentes y alumnos de
ingeniería química a poner en práctica los conocimientos teóricos de ingeniería de
control, formando cuadros de profesionistas en esta área.
Se fomenta con este trabajo el uso de equipos de control con tecnología PLC,
aplicando los modelos PID de uso en la industria mexicana. Por último, ayuda a la
reputación de la facultad ampliando el uso de los equipos para todos los alumnos de
las diferentes carreras, e incluso foráneos.
93
Anexo
Considérese el proceso que se muestra en la figura 3-18, en éste se tiene interés en
conocer cómo responde el nivel, h(t), del líquido en el tanque a los cambios en el
flujo de entrada,
(t), y a los cambios en la apertura de la válvula de salida, vp(t). El
flujo de líquido a través de una válvula está dado por:
dónde:
q(t) = flujo, gpm
Cv = Coeficiente de la válvula, gpm/(
)
vp(t) = Posición de la válvula. Este término representa la fracción de apertura de la
válvula; si su valor es 0, eso indica que la válvula está cerrada; si su valor es 1,
indica que la válvula está completamente abierta.
AP(t) = Caída de presión a través de la válvula, psi.
G = Gravedad específica del líquido que fluye a través de la válvula, sin dimensiones.
.
94
Para este proceso, la caída de presión a través de la válvula está dada por
dónde:
P = presión sobre el líquido, psia
= densidad del líquido, lbm/
g = aceleración debida a la gravedad, 32.2 pies/
gc = factor de conversión, 32.2 lbm-pies/lbfh(t) = nivel en el tanque, pies.
= presión de salida de la válvula hacia adelante, psia
En esta ecuación se supone que las pérdidas por fricci6n.a lo largo del conducto que
va del tanque a la válvula son despreciables.
La relación que se desea es posible obtenerla a partir de un balance de masa de
estado dinámico alrededor del tanque:
dónde:
A = Área transversal del tanque;
7.48 = factor de conversión de gal a
95
Si se supone que la densidad de entrada es igual a la densidad de salida, se tiene:
Ahora se tiene una ecuación con dos incógnitas y, por tanto, se debe encontrar otra
ecuación independiente para describir el proceso; la de la válvula proporciona la otra
ecuación que se requiere:
Con este sistema de ecuaciones, (3-52) y (3-53), se describe al proceso. Para
simplificar esta descripción se puede substituir la ecuación (3-53) en la (3-52):
No es posible resolver esta ecuación de manera analítica, a causa de la naturaleza
no lineal del segundo término en el lado izquierdo de la misma. La única forma de
resolverla analíticamente es linealizando el término no lineal; la otra única manera de
resolverla es mediante métodos numéricos (solución por computadora).
A continuación se aplica la técnica expansión de series de Taylor para linealizar el
término no lineal de la ecuación (3-54). Puesto que este término se debe realizar
respecto a h y vp, la linealización se debe hacer alrededor de los valores h y vp, que
son los valores nominales de estado estacionario:
96
Para simplificar la notación, sea:
de manera que:
Al substituir esta última ecuación en la ecuación (3-54), se obtiene una ecuación
diferencial lineal:
97
No se debe perder de vista el hecho de que, ésta es una versión linealizada de la
ecuación (3-54).Con la ecuación (3-58) se pueden obtener soluciones precisas
alrededor del punto de linealización, ̅ y ̅̅̅̅; fuera de un cierto rango alrededor de
este punto, termina la linealización, lo cual da lugar a resultados erróneos.
Ahora que se tiene una ecuación diferencial lineal, se pueden obtener las funciones
de transferencia que se desean, para lo cual se continúa con el proceso anterior. Al
escribir el balance de masa de estado estacionario alrededor del tanque se ve que
Al substraer esta ecuación de la (3-58) Se obtiene
Y se definen las siguientes variables de desviación:
Se substituyen estas variables de desviación en la ecuación diferencial linealizada
y, al reordenar esta ecuación algebraicamente, se tiene:
98
dónde:
= 7.48A/ , minutos
K1 = 1/
pies/gpm
K2 = C1/ , pies/posición de la válvula
Finalmente se obtiene la transformada de Laplace
a partir de la cual se obtienen las dos funciones de transferencia
El lector debe comprobar por sí mismo que las unidades de la constante de tiempo y
las ganancias son las correctas; también debe recordar el significado de estos tres
parámetros; K1 es la ganancia o sensibilidad de
(t), en relación a H(t), lo cual da la
cantidad de cambio del nivel en el tanque por unidad de cambio de flujo de entrada al
tanque. El cambio tiene lugar mientras se mantiene una apertura constante en la
válvula de salida; K2 proporciona la cantidad de cambio de nivel en el tanque por
unidad de cambio en la posición de la válvula. Nótese que el signo de la ganancia es
negativo, lo cual indica que:
99
Conforme la posición de la válvula cambia positivamente y se abre la misma, el nivel
cambia negativamente o cae, lo cual tiene sentido físicamente.
En la figura 3-19 se muestra el diagrama de bloques de este proceso. En este
ejemplo se eligió hacer la linealización del término no lineal alrededor de los valores
̅ y ̅̅̅̅, los cuales son los valores nominales de estado estacionario y forman parte de
las expresiones de las ganancias y la constante de tiempo; si se elige un valor
diferente del estado estacionario para la linealización, supóngase ̅
y ̅̅̅̅ , los
valores numéricos de las ganancias y la constante de tiempo son diferentes. Esto
indica la no linealidad del proceso, los parámetros que describen la “personalidad”
del proceso son funciones del nivel de operación o condiciones de operación, lo cual
difiere de lo que ocurre en los sistemas lineales, en los cuales estos parámetros son
constantes, sobre todo el rango de operación. El hecho de que la mayoría de los
procesos sean no lineales por naturaleza es muy importante en el control de
proceso; mientras más alinea1 es un proceso, más difícil es su control. Por el
momento es importante comprender el significado de las alinealidades, de dónde
provienen y en qué forma afectan la personalidad del proceso.
A continuación, un ejemplo utilizando datos recabados del equipo DC-MV-200
P = 14.7 psia
= 62.43 lbm/
100
g = 32.2 pies/
gc = 32.2 lbm-pies/lbf̅ = 0.74 pies.
= 24.09 psia.
G= 1
Cv= 4.7 gpm
̅̅̅̅= 0.5
Aplicados para las formulas:
Sustituyendo:
(
√
)(
(
)(
)(
)
)
101
=
(
(
)(
(
)(
)( )(
)(
)(
(
)
)(
)(
)
)
)
[
]
0.045
Para obtener los valores:
= 7.48A/ , minutos
K1 = l/
pies/gpm
K2 = C1/ , pies/posición de la válvula
= 7.48
= 58.17
K1 =
= 22.22
K2 =
= 1159.33
Y sustituyéndolos en las formulas (3-60) y (3-61):
( )
( )
(
)
(3-62)
(
)
(3-63)
( )
( )
Introduciendo éstos valores a Matlab obtenemos la siguiente gráfica:
>> tf(22.2,[58.17 1])
102
Transfer function:
22.2
----------58.17 s + 1
>> tf(22.22,[58.17 1])
Transfer function:
22.22
----------58.17 s + 1
>> g=tf(22.22,[58.17 1])
plot(g)
Transfer function:
22.22
----------58.17 s + 1
>> step(g)
>> h=tf(-1159.33,[58.17 1])
103
La cuál indica que el flujo del tanque se podrá mantener controlado en 350 segundos
(de 5 a 6 minutos aproximadamente).
Aplicamos éste modelo para el tanque que tenemos:
104
Así, partir de las ecuaciones anteriores se puede estimar el tipo de control (P,PI,PID)
tomando en cuenta cuál sería la variable controlada y cuál la manipulada:
Caso 1: Si deseamos controlar el nivel manipulando el flujo para obtener la variable
proporcional tenemos que:
( )
( )
( )
( )
(
)( )
( )(
( )
(
(
)
)
)
Y sustituimos con los valores obtenidos en las ecuaciones (3-62) y (3-63):
( )
(
)
E introducimos lo obtenido a Matlab.
Caso 2: Como el flujo es una función inversa al nivel podemos decir que la variable
( ) sería el inverso de la expresión anterior, entonces:
( )
(
)
105
Y sustituimos:
( )
(
)
Como es el flujo lo que procuramos mantener, buscamos la solución en Matlab
donde:
>>num = [50.17 23.22 0 0]
num =
50.1700
23.2200
0
0
>>den = [22.22]
den =
22.2200
Se aplica el comando “residue”
>> [ a, b, k ] = residue ( num, den )
a=
[ ]
b=
[ ]
k=
2.2579
1.0450
0
0
106
Los valores obtenidos de k son las ganancias proporcionales que se pueden ingresar
al software, (de 1.0450 a 2.2579) para controlar un flujo de 5LPM a una apertura de
la válvula al 50%.
107
Bibliografía
Anónimo. (02 de Octubre de 2005). Textos Cientificos. Obtenido de
http://www.textoscientificos.com/polimeros/polietileno/ambiental
Corripio, A. B., & Smith, C. A. (1991). Control Automatico de Procesos, Teoria y Práctica.
Editorial Limusa.
Generatoris S.A. de C.V. . (s.f.). Manual Pedagógico, Técnico y de Uso del Equipo DC-MV200. México, DF.
Harper, E. (2004). El ABC de la Instrumentación Industrial. México, DF.: Limusa.
Jorge Darío Aleman Suarez, M. A. (Junio de 2006). Guía de elaboración de un Manual de
Prácticas de Laboratorio, Taller o Campo. Obtenido de
http://www.rivasdaniel.com/Pdfs/GUIAMANUALPRACTICAS.pdf
Solé, A. C. (1997). Instrumentación Industrial. Barcelona, España: AlfaOmega.
Universidad de Las Americas, Puebla. (s.f.). Colección de Tesis Digitales. Obtenido de
http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lmt/maza_c_ac/capitulo4.pdf
108