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ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD CULHUACAN
“CONTROL DE LA RELACION CHORRO-TELA EN UNA MAQUINA
PARA LA FABRICACION DE PAPEL”
TESINA
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO MECANICO JOSE LUIS MUNGUIA RIVERA
INGENIERO ELECTRICISTA ELEUTERIO MELITON TOLEDO
ASESORES:
ING. JESUS DE LOS ANGELES PEREZ ESPIRIDION
ING. FERNANDO MORALES GARCIA
MEXICO D.F., AGOSTO DEL 2010
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
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IPN ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD CULHUACAN
TESINA QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO MECÁNICO JOSE LUIS MUNGUIA RIVERA
INGENIERO ELECTRICISTA ELEUTERIO MELITON TOLEDO NOMBRE DEL SEMINARIO: INSTRUMENTACION Y CONTROL DE SISTEMAS HIDRAULICOS Número de registro DES/ESIME-CUL-2009/56/09
“CONTROL DE LA RELACION CHORRO-TELA EN UNA MAQUINA PARA LA FABRICACION DE PAPEL”
INTRODUCCION
LA RELACION CHORRO-TELA EN LAS MAQUINAS DE FABRICACION DE PAPEL ES UNO DE LOS PARAMETROS MAS IMPORTANTES A CONTROLAR DEBIDO A QUE DE ELLA DEPENDEN LAS CARACTERISTICAS DE CADA TIPO DE PAPEL. DEPENDIENDO DE LAS VELOCIDADES TANTO DEL CHORRO A LA SALIDA DE LA CAJA DE FLUJO COMO DE LA VELOCIDAD DE LA TELA EN LA MESA DE FORMACION, ES COMO SE ENTRELAZAN LAS FIBRAS PARA FORMAR UN PAPEL DE MAYOR O MENOR RESISTENCIA. DE IGUAL MANERA SE CONTROLA EL NIVEL DE PASTA DENTRO DE LA CAJA DE FLUJO PARA QUE NO SOBRE PASE LA ALTURA DE LOS RODILLOS MATABOLAS, Y DADO QUE LA CAJA ES PRESURIZADA, SE SUMINISTRA AIRE A PRESION PARA PODER OBTENER UNA COLUMNA MAYOR DE PASTA Y CON ESTO ALCANZAR LAS VELOCIDADES REQUERIDAS DEL CHORRO A LA SALIDA DE LA CAJA DE FLUJO.
CAPITULADO
I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA II. MARCO TEORICO
III. DESARROLLO DEL PROYECTO
México D.F. Septiembre del 2010
ASESORES
ING. JESUS DE LOS ANGELES PEREZ ESPIRIDION ING. FERNANDO MORALES GARCIA COORDINADOR DEL SEMINARIO ASESOR
ING. ARACELI LETICIA PERALTA MAGUEY JEFA DE LA CARRERA DE I.M.
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INDICE
1. JUSTIFICACION…………………………………………………………………………………………………………………4
2. INTRODUCCION……………………………………………………………………………………………………………….5
3. CAPITULO 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA………………………………………………………………….7
3. CAPITULO 2 MARCO TEORICO………………………..……………………………………………………………….10
4. CAPITULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO……………………………………………………………………....35
5. CONCLUSIONES..…………………………………………………………………………………………………………...59
6. BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………………………………………………………….60
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JUSTIFICACION
La empresa “Papeles Ultra s.a. de c.v.”, es una empresa dedicada a la fabricación de papel
“Kraft” en sus diferentes tipos y gramajes. Dentro de sus procesos se encuentra el de “formación”, el
cual es uno de los más importantes debido a que es donde se forma el papel a fabricar. Se quiere
controlar la “relación chorro – tela”, que es la relación que existe entre la velocidad de salida del
chorro de la caja de flujo y la velocidad de la tela de la mesa de formación, de la máquina de
fabricación de papel para garantizar las características y calidad requeridas del mismo. Así mismo se
va a controlar la velocidad requerida para cada tipo de papel fabricado, así como el nivel de pasta
dentro de la caja de entrada, ya que de esta manera se garantiza que las bolas de pasta formadas
pasen a través de los rodillos rectificadores (matabolas) y se deshagan, evitando llegar a la mesa de
formación y afecten la formación correcta del papel.
Para controlar todos los parámetros antes mencionados se utilizaran: transmisor de presión,
transmisor de presión diferencial, válvula automática para el control de nivel, PLC, etc. Todo esto
para garantizar que la relación “chorro-tela” se aproxime o tenga el valor de 1 y con esto asegurar
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INTRODUCCION
La importancia de la caja de flujo (o caja de entrada) es tomar la pulpa suministrada por la
bomba de dilución (Fan Pump) y transformar el flujo que circula por la tubería en un flujo uniforme,
rectangular del mismo ancho que la máquina de papel, y con una velocidad uniforme en dirección
maquina. Dado que la formación y uniformidad del papel final dependen de una dispersión uniforme
de las fibras y las cargas, el diseño y funcionamiento del sistema de la caja de entrada es
absolutamente crítico para el éxito del sistema de fabricación del papel.
Como objetivos primordiales del sistema de la caja de entrada pueden ser enumerados los
siguientes:
1. Extender la pulpa de manera uniforme a lo ancho de la maquina.
2. Igualar las corrientes y las variaciones de consistencia a lo ancho.
3. Igualar los gradientes de velocidad en dirección maquina
4. Crear una turbulencia controlada para evitar la floculación de la fibra.
5. Descargar un flujo constante por la abertura del labio y que choque con la tela en un lugar y
con un ángulo correcto.
El incremento de velocidad en las máquinas de papel obligó al manejo de grandes alturas en la caja distribuidora...
Esta gran altura imposibilitaba una adecuada operación de homogeneización de la pasta y con
ello ocasionaba defectos en el chorro entregado al formador… Para evitar estos problemas, se cerró herméticamente la caja, para presurizarla inyectando un
colchón de aire para sustituir con ello parte de la presión hidráulica debida a la altura de la pasta...
¡Teniéndose así, alturas de pasta fáciles de manejar!
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RELACION ENTRE LA VELOCIDAD DEL CHORRO LA DE LA TELA Para que haya una adecuada operación, la velocidad del chorro debe adecuarse a la velocidad del
formador.
La velocidad de salida del chorro de la caja distribuidora se obtiene con la altura de la pasta de la caja distribuidora.
La velocidad del flujo proveniente de la caja distribuidora, está directamente relacionada con la
altura de carga detrás de la regla y esta a su vez por la altura de la pasta.
La presión en la caja determina la velocidad de salida del chorro del labio, de acuerdo con la
ecuación de Bernouilli:
𝑣 = �2𝑔ℎ
Donde:
v = velocidad del chorro (m/s)
h = altura del liquido (m)
g = aceleración de la gravedad (9.81 m/s²).
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CAPITULO 1
PLAnTeAmIenTO
deL PrObLemA
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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Dentro de los procesos para la fabricación del papel, una de los más importantes es de la
formación, ya que es donde se forma el papel deseado con las características necesarias para cada tipo y gramaje.
Papeles Ultra s.a. de c.v. es una empresa dedicada a la fabricación de papel “Kraft” en sus
diferentes tipos. Dentro de la formación del papel se encuentra la caja de flujo, la cual abastece de pasta a la
mesa de formación. Esta pasta sale con ciertas características como son: la velocidad a la cual sale de la caja y llega a la mesa de formación, la consistencia de acuerdo al gramaje, el caudal adecuado de acuerdo al tipo de papel, etc.
La velocidad a la que sale la pasta de la caja de flujo es una variable muy importante que se
debe controlar, ya que esta velocidad está relacionada con la velocidad de la tela de la mesa de formación. Esta relación es la que se le conoce como la “Relación Chorro-Tela” en las maquinas de papel.
La relación “Chorro-Tela” es el parámetro principal que se quiere controlar, el cual debe tener
un valor cercano o igual a 1 para tener prácticamente la misma velocidad, dándole al papel las características necesarias para cada tipo y gramaje.
La velocidad de la tela está dada por la velocidad lineal del rodillo de retorno de la mesa de
formación, el cual se encarga de desplazarla a todo lo largo de la mesa de formación. Este a su vez tiene como transmisión un motor de corriente directa de velocidad variable controlada por un encoder. El motor mueve un reductor con el que se reduce la velocidad angular (rpm) y a su vez aumenta el torque para poder girar el rodillo de retorno antes mencionado con las revoluciones requeridas, las cuales al multiplicarlas por su radio se obtiene la velocidad lineal requerida en la tela de la mesa de formación.
𝑉𝐿 = 𝑟𝑝𝑚 𝑥 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜
Por lo tanto la relación chorro-tela queda de la siguiente manera:
𝑉𝑐ℎ𝑜𝑟𝑟𝑜𝑉𝑡𝑒𝑙𝑎
≈ 1
De igual manera dependiendo de la velocidad de la tela y por supuesto del chorro, es el caudal requerido en la caja de flujo. Este caudal es suministrado por la Fan Pump (Bomba de Abanico), la cual es una bomba especial sin pulsaciones sobre el fluido, esta acoplada a un motor de C.D. de velocidad variable controlada por un variador de frecuencia.
Así, al variar la velocidad del motor, variamos el caudal y la presión a la entrada de la caja de
flujo, de acuerdo con la “Ley de Semejanza”, como se muestra enseguida:
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𝑄2 = 𝑛2𝑛1
× 𝑄1
𝐻2 = �𝑛2𝑛1�2
× 𝐻1
𝑃2 = �𝑛2𝑛1�3
× 𝑃1
De igual forma se requiere controlar el nivel de pasta dentro de la caja de flujo, que no pase de
aproximadamente 16” sobre el piso de la caja, ya que es el diámetro de los rodillos rectificadores (matabolas), asegurando de esta manera que las bolas de pasta que estén formadas se deshagan a través de los rodillos barrenados y no lleguen a la mesa de formación causando una mal formación del papel.
Una vez que la pasta pasa a través de los tres rodillos rectificadores (sin exceder el nivel), pasa
a través del labio el cual se debe calibrar tanto la abertura del mismo como el desplazamiento lineal para obtener la formación del papel ya sea por presión o por velocidad, de acuerdo a lo que se requiera, siendo este, otro parámetro a controlar dentro del proceso.
Otro parámetro que se quiere controlar es el nivel de pasta, el cual debe permanecer constante,
pero como se requieren alturas mayores dentro de la caja para variar la velocidad del chorro a la salida del labio, entonces es necesario suministrar una presión de aire por la parte superior de la caja para poder alcanzar estas alturas, con las cuales se obtiene la velocidad necesaria de acuerdo con la ecuación de Bernouilli:
𝑽 = �𝟐𝒈𝒉 Por lo anterior la presión de aire suministrada dentro de la caja es otra variable a controlar, la
cual va a depender de la altura que se requiera para alcanzar la velocidad del chorro necesaria.
Todos los parámetros antes mencionados son los que se requieren controlar, siendo el más importante para nuestro proceso el de la “Relación Chorro-Tela”, en el cual se basa este trabajo y es la finalidad del mismo, consiguiendo con esto, fabricar papel con las características deseadas por los clientes, como son: humedad, resistencia, calidad, etc.
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CAPITULO 2
mArCO TeOrICO
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LA CAJA DE FLUJO Y SUS ELEMENTOS
Caja de Flujo.- Esta caja presurizada distribuye la pulpa sobre la tela de formación en movimiento.
La función de la caja de cabeza de maquina (o caja de entrada) es tomar la pulpa suministrada por
la bomba de dilución y transformar el flujo que circula por la tubería en un flujo uniforme,
rectangular del mismo ancho que la máquina de papel, y con una velocidad uniforme en dirección
maquina. Dado que la formación y uniformidad del papel final dependen de una dispersión uniforme
de las fibras y las cargas, el diseño y funcionamiento del sistema de la caja de entrada es
absolutamente crítico para el éxito del sistema de fabricación de papel. Las cajas de entrada pueden
ser clasificadas en dos categorías que dependen de la velocidad del suministro requerido en la tela
para satisfacer las necesidades de formación. Estas son:
• Cajas de entrada abiertas
• Cajas de entrada presurizadas
CAJA DE ENTRADA DE COLCHON DE AIRE, APROXIMADAMENTE DE 1965 (BELOIT CORP.)
Hay dos tipos de cajas de entrada presurizadas, la caja cerrada tradicional con colchón de aire y
regulación de nivel de líquido y la más reciente caja hidráulica completamente llena de líquido.
Normalmente hay un tanque u otro artilugio en el circuito de cabeza de máquina de las cajas
hidráulicas para amortiguar las variaciones de presión originadas por la bomba.
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La altura total (Presión) en la caja determina la velocidad de salida del chorro en el labio, de
acuerdo con la ecuación de Bernouilli:
𝑽 = �𝟐𝒈𝒉
Donde:
V = Velocidad del chorro (m/s)
h = Altura del liquido (m)
g = Aceleración de la gravedad (9.81 m/s²)
Las cajas abiertas fueron empleadas en las antiguas maquinas de papel, en las que la altura del
nivel de la pulpa se usaba para dar la velocidad de descarga correcta. A medida que la velocidad se
incremento, resulto impracticable un aumento de la altura de pulpa, y se desarrollo la caja de
entrada bajo presión. El chorro de pulpa que emerge del labio de una caja de entrada típica se
contrae en espesor y se flexiona hacia la parte inferior como resultado de la geometría del labio. La
contracción del chorro gobierna su espesor que, conjuntamente con su velocidad, determina el
caudal de descarga desde la caja de cabeza de máquina. Debido a que la velocidad, tal como se
calculo anteriormente, es la del chorro contraído, la apertura del labio no indica directamente el
espesor del chorro, y debe considerarse la contracción del chorro si quiere calcularse el caudal.
Fan Pump (Bomba de Abanico).- El corazón del circuito de cabeza de maquina es la fan pump, que
sirve para mezclar la pulpa con las aguas blancas y mandar la mezcla a la caja de entrada. La
bomba de dilución es la mayor bomba del sistema de la máquina de papel, y los requerimientos que
se le exigen son muy precisos. El caudal y la presión deben ser estables, sin pulsaciones y la bomba
tiene que ser capaz de funcionar en todo el rango de producción de la maquina. Normalmente se usa
una única bomba de dilución. Ocasionalmente se utiliza una disposición con dos bombas de dilución
en serie; esto se requiere cuando se practica la eliminación de aire mediante vacío.
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La Fan Pump varia su velocidad debido a un motor de corriente directa de velocidad variable al
que esta acoplada, con lo cual varia la presión y el caudal que alimenta a la caja de entrada de
acuerdo a las necesidades del proceso. La siguiente figura muestra la variación de presión y caudal
debido al cambio de velocidad de la bomba.
DESPLAZAMIENTOS DEL PUNTO DE SERVICIO DESDE B1 HACIA B3 TRAVES DE LA CURVA DEL SISTEMA HA,
DEBIDO A LA ELEVACION DE LA VELOCIDAD DE REGIMEN DES N1 HACIA N3
Rodillos Rectificadores.- En las cajas de entrada con colchón de aire, se suelen usar rodillos huecos
perforados (también llamados rodillos rectificadores que sirven para eliminar las irregularidades del
caudal y crear turbulencia para mantener las fibras des floculadas.
Las variables principales de diseño y funcionamiento de los rodillos perforados son el diámetro
de las perforaciones, el % de superficie abierta, el espesor de la pared, la dirección de la rotación, y
la velocidad de giro. Normalmente, los diámetros de los agujeros varían de 2 a 4 cm, la superficie
abierta de 35 a 50% y la velocidad de rotación de 6 a15 rpm. El numero de rodillos y su
emplazamiento relativo es también una consideración de diseño.
Los rodillos rectificadores deben ser instalados en la caja con unas tolerancias muy estrechas.
Ninguna porción de pulpa debe pasar por debajo del rodillo o por los extremos del mismo pues no
sería afectada por la acción de los rodillos.
VISTA DEL INTERIOR DE UNA CAJA DE ENTRADA CON COLCHON DE AIRE.
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El Labio.- El labio de la caja de entrada es un orificio rectangular o boquilla con una abertura a todo
lo ancho, completamente ajustable, para obtener el caudal deseado (la geometría del labio y su
abertura determina el espesor del chorro, mientras que la presión en la caja determina la velocidad).
El labio está formado por el labio superior y el delantal, ambos fabricados con una aleación
resistente a la corrosión. El labio superior es ajustable verticalmente como una unidad (ajuste
principal del labio) y también en zonas locales, mediante tornillos individuales (micro ajuste del
labio). El labio superior y el delantal son ajustables en la dirección horizontal, para poder cambiar el
ángulo de impacto del chorro contra la tela. El delantal, que es un componente de la caja de
entrada, suele tener una ligera inclinación hacia la abertura.
Los diferentes diseños de labios se clasifican normalmente como cuchilla (también llamado
vertical o recto), convergente, o combinación de ambos. Sin embargo también se usan otros tipos de
diseños, por ejemplo en las maquinas de tisú de alta velocidad. Quizás el diseño usado más
comúnmente en las cajas de entrada presurizadas es del tipo combinado como se muestra en la
figura.
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Una sección convergente se usa para acelerar la pulpa, y una sección vertical en el extremo se
usa para proporcionar turbulencia de pequeña escala al chorro. Son posibles dos tipos de chorro. La
mayoría de las aplicaciones en mesas planas utilizan la formación de velocidad. Generalmente, la
formación de presión da como resultado una excesiva descarga en el rodillo de pecho (cabecero),
con una retención de finos y cargas y peor estructura de la hoja. La notación más común usada para
describir la geometría del labio se muestra en la siguiente figura. Las dimensiones más importantes
que determinan el ángulo del chorro son:
L = Proyección del delantal (mas allá de la superficie vertical interior)
b = Abertura del labio (entre la cuchilla vertical y el extremo del delantal).
DOS POSIBILIDADES EXTREMAS DE LLEGADA DE CHORRO
TERMINOLOGIA PARA LA DEFINICION DE LA GEOMETRIA
DEL LABIO Y EL ANGULO DEL CHORRO.
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RELACION ENTRE EL ANGULO DEL CHORRO Y LA POSICION DEL LABIO
Balanceo de la caja distribuidora.- Balancear la caja distribuidora (caja de entrada) es asegurar que
se está alimentado la pasta a todo lo ancho de la caja distribuidora, a través del cabezal con una
presión uniforme. Para que la caja distribuidora trabaje eficazmente es necesario que la pasta
penetre a través del cabezal con una presión uniforme a todo lo ancho de ella, esto solo se logra con
un balanceo perfecto.
El flujo bien balanceado dentro de la caja de entrada está controlado por la mirilla de presión
diferencial. Con esta unidad el operario de l maquina de papel puede averiguar que el flujo de pasta
es idéntico tanto de lado operación como de lado transmisión. Desde el punto de vista de
mantenimiento, se debe mantener el tubo transparente, limpio en el interior como toda la demás
tubería.
Repartidores (entrada la caja de entrada).- El problema del diseño para transformar un flujo que
circula por una tubería y distribuirlo uniformemente a lo ancho de la máquina de papel no se
resolvió hasta que se introdujo el concepto del repartidor perfilado de múltiples tubos con
recirculación por J. Mardon. Actualmente, este diseño de repartidor es una característica común en
todas las cajas de entrada modernas. La uniformidad del flujo obtenible con un repartidor bien
diseñado hace obsoletos muchos de los componentes de las cajas de entrada antiguas, y ha hecho
posible el desarrollo de las cajas hidráulicas.
La sección transversal del repartidor puede ser circular o rectangular. La mayoría de los diseños
utilizan una placa gruesa en la parte superior que puede ser perforada con precisión para el correcto
posicionamiento de los pequeños tubos del distribuidor. El funcionamiento del repartidor se muestra
en la siguiente figura. La tasa de circulación se controla para mantener la misma presión en los
puntos A y B, que se evidencia por la ausencia de flujo en la mirilla de cristal. El resultado de una
recirculación demasiado pequeña o demasiado grande se ilustra en la figura.
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REPARTIDOR PERFILADO CON LATERALES PEQUEÑOS
Operación de la caja de entrada.- Las principales variables de funcionamiento de la caja de entrada
son la consistencia de la pulpa, temperatura de la pulpa, y relación de velocidad entre el chorro y la
tela. Normalmente la consistencia se mantiene lo más baja posible para obtener una buena
formación de la hoja, pero acorde con la capacidad de desgote y los requerimientos de retención.
Dado que una mayor temperatura de la pulpa produce un mayor desgote de la misma, la
temperatura y la consistencia son variables interrelacionadas. La consistencia se varía abriendo o
cerrando el labio. Dado que la cantidad de pulpa viene fijada por la válvula de gramaje, el principal
factor que cambia cuando el labio se abre es la cantidad de agua recirculada desde la fosa de aguas
coladas.
La relación entre la velocidad del chorro y de la tela es normalmente ajustada a un valor
próximo a la unidad para alcanzar la mejor formación de la hoja. Si la velocidad del chorro es
inferior a la de la tela, se dice que la hoja es “arrastrada”. Si la velocidad del chorro excede a la de la
tela, se dice que la hoja se “agolpa”. A veces, es necesario agolpar o peinar la hoja para mejorar el
desgote o cambiar la orientación de las fibras. Por supuesto, la velocidad del chorro no se mide, pero
se deduce de la presión de la caja de entrada.
Relación “Chorro – Tela”.- El computador puede cambiar la formación de la hoja ajustando la
relación entre la velocidad de la tela y la velocidad a la cual el papel delgado es descargado desde el
labio, y la consistencia en la caja de entrada. Esto se logra haciendo que el computador calcule el
valor correcto de la presión de la caja de entrada, de la velocidad de la tela y controlando la relación
chorro – tela para mantener la relación apropiada requerida. Si es requerido un cambio en la
consistencia, al computador le es instruido por consiguiente y ajusta el flujo de pasta, el labio, y la
presión de la caja de entrada en relación correcta sin variar el peso base.
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CONTROL
Generalidades. En los procesos industriales es necesario controlar y mantener contantes algunas
magnitudes tales como: la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, el ph., la conductividad, la
velocidad, la humedad, el punto de rocío. Los instrumentos de medición y control permiten el
mantenimiento y la regulación de estas constantes en condiciones más idóneas, que las que el
propio operador podría realizar,
El sistema de control exige que se incluya una unidad de medida, una unidad de control, un
elemento final de control y el propio proceso. Este con junto de unidades forman un lazo que recibe
en nombre de lazo de control. El lazo puede ser abierto o cerrado.
Un ejemplo de lazo abierto es el calentamiento de agua en un tanque mediante una resistencia
eléctrica sumergida.
Un lazo cerrado representativo es la regulación de temperatura en un intercambiador de calor.
En ambos casos se observa que existen elementos definidos como elementos de medida, el
transmisor, el controlador, el indicador, el registrador y el elemento final.
LAZO ABIERTO DE REGULACION
LAZO CERRADO DE REGULACION
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CLASES DE INSTRUMENTOS.
Los instrumentos de Medición y de control son relativamente complejos y su función puede
comprenderse bien si están incluidos dentro de una clasificación adecuada. Se consideran 2
clasificaciones básicas, la primera relacionada con la función del instrumento y la segunda con la
variable del proceso.
En función del instrumento obtenemos:
Instrumentos ciegos. Son aquellos que no tienen indicación visible de la variable. Hay que hacer
notar que son ciegos los instrumentos de alarma, tales como los presostatos y termostatos
(instrumentos de presión y temperatura), que poseen una escala exterior con un índice de selección
de la variable, ya que solo ajusta el punto de disparo del interruptor o conmutador a cruzar la
variable del valor seleccionado. Son también instrumentos ciegos los transmisores de caudal,
presión, nivel y temperatura sin indicación.
Los instrumentos indicadores disponen de un índice y de una escala graduada en la que puede
leerse el valor de la variable.
Los instrumentos registradores registro con trazo continuo o a puntos la variable y pueden ser
circulares o de grafico rectangular o alargados según la forma del grafico.
Los elementos primarios están en contacto con la variable y utilizan o absorben energía del medio
controlado para dar al sistema de medición una indicación en respuesta a la variación de la variable
controlada. El efecto producido por el elemento primario puede ser un cambio de presión, fuerza,
posición, medida eléctrica, etc., Por ejemplo en los elementos primarios de temperatura de bulbo y
capilar, el efecto es la variación de presión del fluido que lo llena y en los de termopar se presenta
una variación de fuerza electromotriz.
Los transmisores captan la variable de proceso a través del elemento primario y la transmiten a
distancia en forma de señal neumática demarren de 3 a 15 PSI, o electrónica de 4 a 20 mA de
corriente continua. La señal neumática de 3 a 15 PSI equivale a 0.21-1.05 Kg/cm², por lo cual a
veces se emplea la señal en unidades métricas 0.2 a 1 Kg/cm².
El elemento primario puede formar o parte integral del transmisor, el 1er. caso lo constituye un
transmisor de temperatura de bulbo y capilar y el segundo un transmisor de caudal con la placa
orificio como elemento primario.
Los transductores reciben una señal de entrada función de una o más cantidades físicas y la
convierten modificada o no a una señal de salida.
Son transductores, un relee, un elemento primario, un transmisor, un convertidor PP/I (presión de
proceso a intensidad), un convertidor PP/P (presión de proceso a señal neumática).
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Los convertidores son aparatos que reciben una señal de entrada neumática (3-15 PSI) o electrónica
(4-20 mA c.c) procedente de un instrumento y después de modificarla envían la resultante en forma
de señal de salida estándar.
Los receptores reciben las señales procedentes de los transmisores y las indican o registran. Los
receptores controladores envían otra señal de salida normalizada a los valores ya indicados 3-15 PSI
en señal neumática, o 4-20 mA c.c. en señal electrónica, que actúan sobre el elemento final de
control.
Los controladores comparan la variable controlada (presión, nivel, temperatura) con un valor
deseado y ejercen acción correctiva de acuerdo con la desviación.
El elemento final de control recibe la señal del controlador y modifica el caudal del fluido o agente
de control. En el control neumático, el elemento suele ser una válvula neumática o un servomotor
neumático que efectúa su carrera completa de 3-15 PSI (0.2-1 kg/cm²). En el control electrónico la
válvula o el servomotor anteriores son accionados a través de un convertidor de intensidad a presión
(I/P) que convierte la señal electrónica de 4-20 mA c.c. a neumática 3-15 PSI. En el control eléctrico
el elemento suele ser una válvula motorizada que efectúa su carrera completa accionada por un
servomotor eléctrico.
En función de la variable de proceso:
De acuerdo con la variable del proceso, los instrumentos se dividen en instrumentos de caudal, nivel,
presión, temperatura, densidad y peso especifico, humedad y punto de roció, viscosidad, posición,
velocidad, pH, conductividad, frecuencia, fuerza, turbidez, etc.
TRANSMISORES
Son instrumentos que captan la variable del proceso y la transmiten a distancia a un instrumento
receptor indicador, registrador, controlador o una combinación de estos.
Existen varios tipos de señales de transmisión: neumáticas, electrónicas, hidráulicas y
telemétricas. Las más empleadas en la industria son las dos primeras, las señales hidráulicas se
utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las señales telemétricas se emplean
cuando hay una distancia de varios kilómetros entre el transmisor y el receptor
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LETRAS DE IDENTIFICACION
PRESIÓN DIFERENCIAL
Es la diferencia entre un determinado valor de presión y otro utilizado como referencia. En cierto sentido, la presión absoluta podría considerarse como una presión diferencial que toma como referencia el vacío absoluto, y la presión manométrica como otra presión diferencial que toma como referencia la presión atmosférica.
Los elementos primarios de medición de presión son fundamentalmente de tres tipos:
1.- Elementos Mecánicos 2.- Elementos neumáticos 3.- Elementos Electromecánicos
Los elementos electromecánicos de presión se clasifican según el principio de funcionamiento
en:
1.- Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas
2.- Resistivos
3.- Magnéticos
4.- Capacitivos
5.- Extensometricos
6.- Piezoeléctricos
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Elementos electrónicos de vacío.- Los transductores electrónicos de vacío se emplean para la
medida de alto vacío, son muy sensibles y se clasifican en los siguientes tipos: 1.- Mecánicos - Fuelle y diafragma
2.- Medidor McLeod
3.- Térmicos - Termopar
- Pirani
- Bimetal
4.- Ionización - Filamento caliente
- Cátodo frío
- Radiación
ELEMENTOS FINALES DE CONTROL
En el control automático de los procesos industriales la válvula de control juega un papel muy
importante en el bucle de regulación. Realiza la función de variar en caudal del fluido de control que
modifica a su vez el valor de la variable medida comportándose como un orificio de área
continuamente variable. Dentro del bucle de control tiene tanta importancia como el elemento
primario, el transmisor y el controlador.
CONTROL LÓGICO PROGRAMABLE (PLC)
Un controlador lógico programable es una máquina electrónica programable diseñada para ser utilizada en un entorno industrial (hostil), que utiliza una memoria programable para el almacenamiento interno de instrucciones orientadas al usuario, para implantar soluciones especificas tales como funciones lógicas, secuenciales, temporizaciones, recuentos y funciones aritméticas, con el fin de controlar mediante entradas y salidas, digitales y analógicas diversos tipos de máquinas o procesos.
Es un dispositivo de estado sólido, utilizado para el control de procesos, control de máquinas e información de procesamiento. El PLC resuelve un programa almacenado en su memoria y recibe realimentación de dispositivos de campo de entrada y salida.
El PLC lee datos de los sensores de campo, resuelve su programa y envía comandos de salida a los dispositivos de control en campo. El proceso de leer entradas, resolver el programa y controlar las salidas es repetido continuamente y se le conoce como "SCAN".
Los PLC's no únicamente solucionan las necesidades de remplazar relevadores, sino que permiten la integración de funciones tales como el control analógico, adquisición de datos, control de alarmas, generación de reportes y más.
En cuanto a los elementos de entradas se tienen los sensores de diferentes tipos como son: interruptores de limite (LS), botones (B), interruptores de presión (P), interruptores de temperatura (T).
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Estos diferentes tipos de interruptores son interconectados entre sí para controlar algún evento en específico utilizando los contactos de los relevadores, utilizando una lógica determinada por el diseñador del sistema. Para lograr tiempos de retardo se emplean relevadores de tiempo neumáticos o electrónicos (KT).
Para conectar dispositivos de señalización y control como trampas piloto (L), arrancadores (C), solenoide (S), etc., se emplean los contactos de los relevadores (K).
La figura siguiente muestra una aplicación con: 1. Sistema de entradas para identificar el estado del proceso. 2. Sistema lógico para resolver el programa de control del usuario. 3. Sistema de salidas para encender (ON) o apagar (OFF) los elementos de control y mantener controlado el proceso. 4. Proceso bajo control.
Existen 9 partes o subsistemas en un sistema automatizado que son: 1.-Proceso a controlar: Su aplicación. 2.- Dispositivos de entrada: Interruptores, foto celdas, sensores inductivos, botones, etc. 3.- Módulos de entrada: Interfaces con protección y convertidor de señal entre los dispositivos de entrada y el controlador lógico programable (PLC). 4.- Controlador Lógico Programable: CPU, memoria, fuente de poder, y dispositivos de comunicación.
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5.- Módulos de salida: Interface con protección y convertidor de señal entre los dispositivos de salida y el controlador lógico programable (PLC). 6.- Dispositivos de salida: Bobinas de arrancadores, solenoides, indicadores visuales, etc. 7.- Accionadores: Motores, cilindros, válvulas, etc. 8.- Interface hombre-máquina (NW): Programa y monitorea el PLC y el proceso. 9.- La distribución: Energía eléctrica, energía solar, vapor, agua, etc. Unidades de E/S Generalmente se dispone de dos tipos de E/S: - Digital. - Analógica.
Las E/S digitales se basan en el principio de todo o nada, es decir o no conducen señal alguna o poseen un nivel mínimo de tensión. Estas E/S se manejan nivel de BIT dentro del programa de usuario. Las E/S analógicas pueden poseer cualquier valor dentro de un rango determinado especificado por el fabricante. Se basan en conversores A/D y D/A aislados de la CPU (ópticamente o por etapa de potencia). Estas señales se manejan a nivel de byte o palabra (8/16 bits) dentro del programa de usuario. Las E/S son leídas y escritas dependiendo del modelo y del fabricante, es decir pueden estar incluidas sus imágenes dentro del área de memoria o ser manejadas a través de instrucciones específicas de E/S.
MÓDULOS DE ENTRADA "TODO O NADA" (DIGITALES). Un módulo de entrada debe permitir a la unidad central de procesamiento (CPU) del PLC, efectuar una "lectura" del estado lógico de los sensores asociados al mismo módulo. A cada entrada corresponde, una vía que trata la señal eléctrica para elaborar una señal binaria, el BIT de entrada que se memoriza. El conjunto de los bits de entrada forma la "palabra" de entradas. Periódicamente el procesador del PLC pregunta (direcciona) a través del módulo. El contenido de la palabra del modulo se copia en la memoria de DATOS del PLC.
Cada vía se filtra (parásitos, rebotes de contactos) y se aísla eléctricamente del exterior por razones de fiabilidad y de seguridad (aislamiento galvánico).
Un módulo de entradas se define principalmente por su modularidad (cantidad de vías) y 1 características eléctricas aceptadas (tensión, naturaleza de la corriente, etc.).
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MÓDULOS DE ENTRADAS ANALÓGICOS. El módulo analógico permite establecer la correspondencia entre valores numéricos y variables analógicas (corriente o tensión). La resolución (escala más pequeña de corriente o voltaje) está en función de la cantidad de bits utilizados para la codificación numérica. La rapidez de conversión es igualmente una característica del módulo.
MÓDULO DE SALIDA. Este módulo o tarjeta electrónica interpretar los resultados obtenidos por el procesador después de haber ejecutado el programa lógico, es decir si el procesador arrojó como resultado energizar una solenoide, el procesador envía la señal al modulo de salidas y este último se conecta directamente al elemento en campo para que sea alimentado y realice la función dentro proceso de la planta. INTERFACES Todo PLC, salvo casos excepcionales, posee la virtud de poder comunicarse con otros dispositivos (como un PC). Lo normal es que posea una interface serie del tipo RS-232 / RS-422. A través de esta línea se pueden manejar todas las características internas del controlador, incluida la programación del mismo, y suele emplearse para monitorización del proceso en otro lugar separado. UNIDADES DE PROGRAMACIÓN La programación del PLC puede ser hecha por una unidad de programación que suele ser en forma de calculadora. Es la forma más simple de programar el equipo, y se suele reservar para pequeñas modificaciones del programa o la lectura de datos en el lugar de colocación del equipo. También se puede usar una consola de programación. Es un terminal a modo de ordenador que proporciona una forma más cómoda de realizar el programa de usuario y observar parámetros internos del PLC. Desfasado actualmente. El modo más empleado para programar un PLC es mediante una computadora tipo PC. Permite programar desde un ordenador personal estándar, con todo lo que ello supone: “herramientas más potentes, posibilidad de almacenamiento en soporte magnético, impresión, transferencia de datos, monitorización mediante software SCADA, etc.” DISPOSITIVOS PERIFÉRICOS El PLC, en la mayoría de los casos, puede ser ampliable. Las ampliaciones abarcan un gran abanico de posibilidades, que van desde las redes internas (LAN, etc.), módulos auxiliares de E/S, memoria adicional... hasta la conexión con otros autómatas del mismo modelo. Cada fabricante facilita las
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posibilidades de ampliación de sus modelos, los cuales pueden variar incluso entre modelos de la misma serie. DIFERENTES SISTEMAS DE PROGRAMACIÓN. Con el fin de simplificar la tarea de programación, y de hacerla accesible a quienes no han tenido experiencia previa con computadores, se han concebido distintos métodos más o menos estándares de programación de PLC.
El primero de estos métodos, es la utilización de códigos de operación en la forma de listado que le indica al PLC la secuencia exacta de operaciones a realizar. Otro método consiste en la utilización de símbolos gráficos que representan determinadas operaciones básicas del PLC (Grafcet). La principal ventaja de este sistema es que está estandarizado y que no depende de la marca de PLC que se está programando. Además, existen programas para computadora personal que permiten construir los programas de PLC de forma gráfica, por manipulación de estos símbolos. Finalmente, existe el método de programación de escalera, que dada su sencillez y similitud con un diagrama eléctrico es el más difundido.
SISTEMA DE PROGRAMACIÓN ESCALERA. El nombre de este método de programación proviene de su semejanza con el diagrama del mismo nombre que se utiliza para la documentación de circuitos eléctricos de máquinas. Cabe mencionar que en estos diagramas la línea vertical a la izquierda representa un conductor con tensión, y la línea vertical a la derecha representa tierra. Los contactos y bobinas básicas que se utilizan son:
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SOFTWARE Los programas PLC muestran una estructura muy rígida, que es determinada por la electrónica en la unidad central. Esos programas son elaborados por el programador, partiendo de programas o códigos fuente, que el operario programador puede confeccionar de tres formas distintas: • En forma de programa listado de instrucciones (AWL); • En forma de diagrama de contactos (KOP); • En forma de diagrama de funciones (FUP). DETECTOR DE PROXIMIDAD Ya no hay contacto físico con el objeto a detectar: un sensor electrónico de efecto inductivo conmuta cuando el campo se encuentra perturbado por la proximidad de un objeto Metálico. Para los objetos no metálicos se utilizan sensores capacitivos. Detector a distancia. Un rayo luminoso se interrumpe por el objeto a detectar. Un foto-receptor traduce esta presencia en una señal eléctrica.
SENSORES NUMÉRICOS DE POSICIÓN. Aquí la posición del objeto se traduce en señales numéricas en uno o varios conductores, por ejemplo asociando los desplazamientos de un objeto a la rotación de un disco ranurado en varias pistas.
SISTEMA DE CONTROL DE VELOCIDAD DE C.D. Cualquier sistema de control de velocidad de C.D. generalmente contiene lo siguiente: controles del operador, control de velocidad y un motor de C.D. Los controles del operador le permiten arrancar, parar, cambiar dirección y velocidad del controlador simplemente girando potenciómetros u otro dispositivo. Estos controles pueden ser una parte integral del controlador o puede ser remotamente montada. Los controles programables están
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siendo usados más frecuentemente en esta área para lograr mayor flexibilidad en el proceso o en el control de maquinaria. Los controladores de velocidad convierten un potencial constante de voltaje de C.A. a un ajustable voltaje de C.D. el cual es después aplicado a una armadura de motor de C.D. Las características de regulación del controlador permiten al motor girar a la velocidad deseada debido a una entrada de referencia. Los circuitos adicionales pueden ayudan a proteger al controlador, motor y maquinaria, de voltajes transitorios, sobrecargas y fallas del circuito.
SISTEMA DE CONTROL DE VELOCIDAD DE C.D. MOTORES DE VELOCIDAD VARIABLE POR MANDO ELECTRÓNICO Estos motores se utilizan mucho para dominar los procesos continuos: desarrollo, posicionamiento, alimentación, etc. El motor de corriente continua de excitación independiente y el motor asíncrono trifásico se encuentran entre los más empleados. Cada uno de estos motores puede asociarse a un pre-accionador electrónico particular: el variador de velocidad que puede estar mandado por el PLC. VARIADORES DE VELOCIDAD EN DIÁLOGO CON EL PLC. Como todo pre-accionador, un variador de velocidad comprende una parte de potencia y una de mando:
a) La parte de potencia agrupa los elementos de conmutación y dispositivos asociados (tiristores, transistores, protección, etc.),
b) La parte de mando agrupa el control de los elementos de potencia, los medios de ajuste y de diálogo con el PLC y con algunos sensores.
Al igual que para el motor de velocidad constante, se requiere de un contactor para la puesta en marcha. Dispuesto entre contactor y motor (ilustración a continuación), el variador de velocidad asegura el control de velocidad.
Según la precisión de velocidad requerida, se podrá optar entre diversos arreglos:
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- El variador de velocidad se puede utilizar en cadena directa, o en bucle cerrado según se tome en cuenta o no la información de retorno "velocidad real" suministrada por un sensor específico (dínamo taco métrico, sensor de velocidad, etc.),
- El diálogo con PLC puede comprender: Ya sea sin mando sencillo por señal analógica, asociado o no a algunas informaciones en retorno "Todo o nada" (buen funcionamiento, etc.), o bien un diálogo evolucionado por señales numéricas; con este tipo de diálogo el variador de velocidad puede informar completamente al PLC sobre, el estado del sistema.
“SCADA” (SUPERVISIÓN, CONTROL Y ADQUISICIÓN DE DATOS)
DEFINICIÓN Es una aplicación de software especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores (computadores) en el control de producción, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores autónomos) y controlando el proceso de forma automática desde la pantalla del ordenador. También provee de toda la información que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como de otros usuarios supervisores dentro de la empresa (supervisión, control calidad, control de producción, almacenamiento de datos, etc.).
La realimentación, también denominada retroalimentación o feedback es, en una organización, el proceso de compartir observaciones, preocupaciones y sugerencias, con la intención de recabar información, a nivel individual o colectivo, para mejorar o modificar diversos aspectos del funcionamiento de una organización. ESQUEMA DE UN SISTEMA TÍPICO
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Este esquema es un ejemplo de la aplicación del sistema SCADA en áreas industriales. Estas áreas pueden ser:
• Monitorizar procesos químicos, físicos o de transporte en sistemas de suministro de agua, para controlar la generación y distribución de energía eléctrica, de gas o en oleoductos y otros procesos de distribución.
• Gestión de la producción (facilita la programación de la fabricación). • Mantenimiento (proporciona magnitudes de interés tales para evaluar y determinar modos
de fallo, MTBF, índices de Fiabilidad, entre otros). • Control de Calidad (proporciona de manera automatizada los datos necesarios para calcular
índices de estabilidad de la producción CP y CPk, tolerancias, índice de piezas NOK/OK, etc. • Administración (actualmente pueden enlazarse estos datos del SCADA con un servidor ERP
(Enterprise Resource Planning o sistema de planificación de recursos empresariales), e integrarse como un módulo más).
• Tratamiento histórico de información (mediante su incorporación en bases de datos).
DEFINICIONES DEL SISTEMA
Supervisión: acto de observar el trabajo o tareas de otro (individuo o máquina) que puede no conocer el tema en profundidad, supervisar no significa el control sobre el otro, sino el guiarlo en un contexto de trabajo, profesional o personal, es decir con fines correctivos y/o de modificación.
Automática: ciencia tecnológica que busca la incorporación de elementos de ejecución autónoma que emulan el comportamiento humano o incluso superior.
Principales familias: autómatas, robots, controles de movimiento, adquisición de datos, visión artificial, etc.
PLC: Programmable Logic Controller, Controlador Lógico Programable.
PAC: Programmable Automation Controller, Controlador de Automatización Programable.
Un sistema SCADA incluye un hardware de señal de entrada y salida, controladores, interfaz hombre-máquina (HMI), redes, comunicaciones, base de datos y software.
El término SCADA usualmente se refiere a un sistema central que monitoriza y controla un sitio completo o una parte de un sitio que nos interesa controlar (el control puede ser sobre máquinas en general, depósitos, bombas, etc.) o finalmente un sistema que se extiende sobre una gran distancia (kilómetros / millas). La mayor parte del control del sitio es en realidad realizada automáticamente por una Unidad Terminal Remota (UTR), por un Controlador Lógico Programable (PLC) y más actualmente por un Controlador Automático Programable (PAC). Las funciones de control del servidor están casi siempre restringidas a reajustes básicos del sitio o capacidades de nivel de supervisión. Por ejemplo un PLC puede controlar el flujo de agua fría a través de un proceso, pero un sistema SCADA puede permitirle a un operador cambiar el punto de consigna (set point) de control para el flujo, y permitirá grabar y mostrar cualquier condición de alarma como la pérdida de un flujo o una alta temperatura. La realimentación del lazo de control es cerrada a través del RTU o el PLC; el sistema SCADA monitoriza el desempeño general de dicho lazo. El sistema SCADA también puede mostrar gráficas con históricos, tablas con alarmas y eventos, permisos y accesos de los usuarios...
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INTERFAZ HOMBRE-MÁQUINA
Una interfaz Hombre - Máquina o HMI ("Human Machine Interface") es el aparato que presenta los datos a un operador (humano) y a través del cual éste controla el proceso.
Los sistemas HMI podemos pensarlos como una "ventana de un proceso". Esta ventana puede estar en dispositivos especiales como paneles de operador o en un ordenador. Los sistemas HMI en ordenadores se los conoce también como software HMI o de monitorización y control de supervisión. Las señales del proceso son conducidas al HMI por medio de dispositivos como tarjetas de entrada/salida en el ordenador, PLC's (Controladores lógicos programables), PACs (Controlador de automatización programable), RTU (Unidades remotas de I/O) o DRIVER's (Variadores de velocidad de motores). Todos estos dispositivos deben tener una comunicación que entienda el HMI.
COMPONENTES DEL SISTEMA
Los tres componentes de un sistema scada son:
1. Múltiples Unidades de Terminal Remota (también conocida como UTR, RTU o Estaciones Externas).
2. Estación Maestra y Computador con HMI. 3. Infraestructura de Comunicación.
UNIDAD DE TERMINAL REMOTA (UTR)
La UTR se conecta al equipo físicamente y lee los datos de estado como los estados abierto/cerrado desde una válvula o un interruptor, lee las medidas como presión, flujo, voltaje o corriente. Por el equipo el UTR puede enviar señales que pueden controlarlo: abrirlo, cerrarlo, intercambiar la válvula o configurar la velocidad de la bomba, ponerla en marcha, pararla.
Una de las partes más importantes de la implementación de SCADA son las alarmas. Una alarma es un punto de estado digital que tiene cada valor NORMAL o ALARMA. La alarma se puede crear en cada paso que los requerimientos lo necesiten.
ESTACIÓN MAESTRA
El término "Estación Maestra" se refiere a los servidores y al software responsable para comunicarse con el equipo del campo (UTRs, PLCs, etc.) en estos se encuentra el software HMI corriendo para las estaciones de trabajo en el cuarto de control, o en cualquier otro lado. En un sistema SCADA pequeño, la estación maestra puede estar en un solo computador, A gran escala, en los sistemas SCADA la estación maestra puede incluir muchos servidores, aplicaciones de software distribuido, y sitios de recuperación de desastres.
Los bloques software de un SCADA (módulos), permiten actividades de adquisición, supervisión y control.
Características:
• Configuración: permite definir el entorno de trabajo del SCADA, adaptándolo a la aplicación particular que se desea desarrollar.
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• Interfaz gráfica del operador: proporciona al operador las funciones de control y supervisión de la planta. El proceso se representa mediante sinópticos gráficos almacenados en el ordenador de proceso y generados desde el editor incorporado en el SCADA o importados desde otra aplicación durante la configuración del paquete.
• Módulo de proceso: ejecuta las acciones de mando pre programadas a partir de los valores actuales de variables leídas.
• Gestión y archivo de datos: almacenamiento y procesado ordenado de datos, de forma que otra aplicación o dispositivo pueda tener acceso a ellos.
• Comunicaciones: transferencia de información entre la planta y la arquitectura hardware que soporta el SCADA, y también entre ésta y el resto de elementos informáticos de gestión.
TIPOS DE CONTROL REGULADOR “TODO O NADA”. Es la regulación más simple y económica, interesante en numerosas aplicaciones en las que puede admitirse una oscilación continua entre dos límites, siempre y cuando se trate de procesos de evolución lenta. Como ejemplos se puede citar la regulación de nivel, de presión o de temperatura, todos ellos problemas relativamente sencillos de lógica digital. En la siguiente figura se puede ver un diagrama de bloques y una representación de su funcionamiento: Gracias a la existencia de una histéresis (h), el número de conmutaciones se reduce notablemente. Sin histéresis, el accionador se activaría y desactivaría con demasiada frecuencia (gráfica con línea fina). La histéresis es como una oposición a experimentar cualquier cambio y generalmente será un efecto perjudicial, por ejemplo, al descender una temperatura después de haber alcanzado un máximo, el sensor pudiera mantener el mismo nivel de señal hasta que la temperatura real descienda más de 8 grados, por ejemplo. Sin embargo, este efecto no es perjudicial en el tipo de regulador que tratamos: Su respuesta es de tipo todo-nada, de forma que se conecta cuando la variable regulada ha descendido hasta un valor (-U) por debajo del punto de consigna "c" y solo se desconecta cuando llega a otro valor (+U) por encima del punto de consigna. Así se establece un margen de variación en el que mantiene su estado el actuador.
AUTÓMATAS PROGRAMABLES. Los autómatas se han implantado más en las industrias manufactureras, donde el control discreto es más abundante, pero no se excluye usar reguladores. En las industrias de procesos continuos priman los sistemas de control distribuido, con los reguladores al frente, pero tampoco se excluyen autómatas. En lo que se refiere a los algoritmos de control, los autómatas disponen de lazos PID individuales: Quizás es en los algoritmos de control avanzados tales como lógica difusa, redes neuronales, avance/retroceso, ganancia adaptativa o compensación del tiempo muerto donde los reguladores industriales tienen más margen de maniobra y pueden adaptarse a cada situación en particular.
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REGULADOR PID El algoritmo de control más ampliamente extendido es el PID, pero existen muchos otros métodos que pueden dar un control de mayor calidad en ciertas situaciones donde el PID no responde a la perfección. El PID da buenos resultados en la inmensa mayoría de casos y tal vez es por esta razón que goza de tanta popularidad frente a otros reguladores teóricamente mejores. Los diseñadores de software de regulación pretenden que programar los nuevos sistemas de control sea tan fácil y familiar como el PID, lo que posibilitaría una transición sin dificultades.
Sea cual sea la tecnología de control, el error de regulación es la base a partir de la cual actúa el PID y se intuye que cuanto más precisa sea la medida, mejor se podrá controlar la variable en cuestión. Esta es la razón por la que el sensor es el elemento crítico del sistema. También se debe pensar en la instalación, especialmente en la forma en que se transmiten los datos del sensor hacia el regulador y posibles fuentes de interferencias.
Un regulador proporcional-integral-derivativo o PID tiene en cuenta el error, la integral del error y la derivada del error. La acción de control se calcula multiplicando los tres valores por una constante y sumando los resultados. Los valores de las constantes, que reciben el nombre de constante proporcional, integral y derivativa, definen el comportamiento del regulador.
La acción proporcional hace que el PID responda enérgicamente cuando el error es grande,
condición que aparentemente es necesaria y suficiente, pero no es así en la mayoría de los casos por dos razones fundamentales: 1.- Muchas veces la variable regulada aumenta o disminuye si no existe una acción que la mantenga invariable, por ejemplo un cuerpo desciende por gravedad, un fluido disminuye su nivel o presión si existe una vía de salida, un resorte tiende a adoptar la posición de mínima energía, etc. Cuando la variable se acerca al punto de consigna la acción proporcional se debilita y no vence la tendencia de la variable, alcanzando un reposo antes de lo previsto y por lo tanto manteniendo un error permanente. 2.- Aunque el error disminuye al aumentar la constante proporcional, no es correcto aumentar dicha acción todo lo necesario para conseguir un error muy pequeño, porque toda magnitud tiene cierta inercia a permanecer en su estado de reposo o de variación constante, responde desde el primer momento a la acción de control pero con cierto retraso o pereza, por ejemplo no podemos detener un móvil de forma instantánea, un motor no alcanza inmediatamente su velocidad nominal, etc. Si la acción proporcional es grande, la variable regulada se acercará al punto de consigna demasiado deprisa y será inevitable un sobre pasamiento.
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Por la primera razón expuesta se deduce la conveniencia de añadir otra acción que responda si el error se mantiene a lo largo del tiempo, algo parecido a una memoria histórica que tenga en cuenta la evolución del error. Así actúa la acción integral, que se encarga de mantener una respuesta cuando el error se anula, gracias al error que existió en el tiempo ya pasado. Esta respuesta mantenida contrarresta la tendencia natural de la variable. Por la segunda razón expuesta, se comprende la necesidad de añadir otra acción que contrarreste la inercia del proceso, frenándolo cuando evoluciona demasiado rápido y acelerándolo en caso contrario, algo parecido a una visión de futuro que se anticipa a lo que previsiblemente ocurrirá. Así actúa la acción derivativa, conocida también como anticipativa por ese motivo.
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CAPITULO 3
deSArrOLLO
deL PrOYeCTO
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LAZO CONTROL DE NIVEL EN CAJA DISTRIBUIDORA DE UNA MAQUINA DE PAPEL
Tenemos una caja de entrada del tipo cerrada a la atmósfera y presurizada con aire comprimido.
Dentro de la caja distribuidora tenemos los rodillos llamados mata bolas los cuales sirven para
eliminar las bolas de pasta que se acumulan dentro de la caja, por lo tanto es necesario mantener el
nivel dentro de la caja en los rodillos mata bolas.
El propósito de este lazo de control es mantener el nivel cercano al punto de ajuste (setpoint), es
decir dentro de la caja; mientras hay una regulación en la presión de cabeza (total head) hecha con
la regulación de velocidad de la bomba de abanico (fan pump), el nivel se mueve debido a estas
perturbaciones y es necesario mantener siempre el nivel en el mismo punto. Y con el control de
velocidad ajustamos la relación chorro – tela, este lazo de control se explica más adelante.
Tenemos entonces una caja de entrada como se muestra en la figura siguiente:
DIAGRAMA INSTRUMENTACION CONTROL DE NIVEL CAJA DISTRIBUIDORA
Como se muestra en la figura, dentro de la caja distribuidora hay un nivel de pasta y en la parte
superior de este hay presión debido al aire comprimido que entra y varia con la apertura de la
válvula automática, en la parte inferior esta la entrada de pasta la cual se regula en función de la
relación chorro – tela por medio de variación a la velocidad del motor de C.D., acoplado en la bomba
de abanico (fan pump).
PT
PDT0%
100%
Nivel
Entrada Flujo de pasta
Bomba de Abanico(Fan Pump)
ASAire Comprimido de
Suministro
IO
60%
S
AS 20 psi
3 – 15 psi
3 – 15 psi
0 -100 %
S
AS 20 psi
O
Valvula de Seguridad Calibrada 9 psi
Rodillos Matabolas
M
M
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El lazo de control se compone de los siguientes elementos:
Transmisor Presión diferencial
Control Neumático
Actuador Válvula de control tipo aguja
TRANSMISOR
Es tipo neumático de presión manométrica diferencial es decir, que da una señal de salida 3 – 15
PSI de acuerdo a la diferencia de presión entre toma de alta y toma de baja. De acuerdo a la figura
siguiente, la toma de baja (toma de arriba) mide la presión manométrica de aire comprimido que
está entrando a la caja distribuidora a través de la válvula automática. La toma de alta (toma de
abajo), está midiendo la presión columna de agua que hay desde la toma hasta el nivel a controlar;
entonces la salida del transmisor (3 – 15psi) equivale a la diferencia de presiones entre esas dos
tomas de acuerdo a la siguiente tabla.
Salida de Transmisor a
Entrada de control
Rango de Calibración Transmisor de Presión
Diferencial Caja de Flujo
Salida control a Válvula
Entrada Caja Distribuidora
Señal Eléctrica
15 psi 19.7 inH2O 50 cmH2O 100% Nivel 15 psi 20 mA
12 psi 14.8 inH2O 37.5 cmH2O 75% Nivel 12 psi 16 mA
9 psi 9.8 inH2O 25 cmH2O 50% Nivel 9 psi 12 mA
6 psi 4.9 inH2O 12.5 cmH2O 25% Nivel 6 psi 8 mA
3 psi 0 inH2O 0 cmH2O 0% Nivel 3 psi 4 mA
Nota: La última columna es para la calibración de un transmisor electrónico
La salida del transmisor neumático es la entrada al control de nivel.
CONTROL
Es de tipo neumático, su entrada es 3- 15 PSI y su salida es 3 – 15 PSI. Este control al
incrementarse la entrada da una salida proporcional que también se incrementa, a este tipo de
control se le llama de acción directa. Es decir, cuando el nivel se incrementa la salida del control
aumenta para abrir la válvula automática dando presión de aire comprimido dentro de la caja
distribuidora. Esto ocasiona que el nivel dentro baje y se mantenga dentro del punto de ajuste, si
baja demasiado, el control disminuye su salida y la válvula cierra para que el nivel suba; así
mantenemos en control el nivel dentro de la caja distribuidora en la máquina de papel.
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ACTUADOR
Es una válvula automática normal cerrada, esto quiere decir que a falla de aire esta válvula se
cierra, por lo tanto con 3 PSI está cerrada y con 15 PSI se abre al 100%. Su tapón es de tipo aguja
para un control de flujo de aire.
LAZO CONTROL RELACION CHORRO – TELA EN CAJA DISTRIBUIDORA DE UNA MAQUINA DE PAPEL
La formación de la hoja de papel es afectada por la velocidad de chorro de pasta que sale de la
caja distribuidora con respecto a la velocidad de la tela. Algunos tipos de papel requieren que la
velocidad de chorro sea ligeramente mayor que la velocidad de la tela para una mejor formación,
resultando un efecto de contraer la pasta sobre la tela. Otros tipos de papel requieren que la
velocidad de la tela sea mayor que la velocidad de chorro resultando un efecto de estirar la pasta
sobre la tela. A esta relación de velocidades se le llama relación chorro / tela.
Cuando la relación es igual a 1, la velocidad de chorro es la misma que la velocidad de la tela.
Cuando la relación es menor a 1, la velocidad de la tela es mayor que la velocidad de chorro.
Inversamente cuando la relación es mayor a 1, la velocidad de chorro es mayor que la velocidad de
la tela.
El control opera con el principio básico de presión de cabeza de acuerdo a la formula:
ghV 2=
Donde: V= Velocidad en m/s
g = Constante gravitacional 9.8 m/s2
h = Presión Neumática (m) + Altura columna de agua en m
El control de relación chorro / tela puede cambiar la formación de la hoja ajustando la relación
entre la velocidad de la tela y la velocidad a la cual la pasta se descarga sobre la tela.
telaladelinealVelocidadchorrodelcaidadeVelocidadtelachorrolación =−Re
El control se hace teniendo la medición de presión (total head) que hay dentro de la caja
distribuidora, la cual es una suma de presiones aire comprimido más presión de columna que forma
la pasta y la velocidad de la tela censada a través de un encoder. El operador fija la velocidad de la
tela y pone el valor de relación chorro/tela que quiere, entonces la presión de cabeza (total head)
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necesaria, es calculada continuamente con una computadora, así el control ajusta la presión de
cabeza para mantener la relación chorro/tela; regulando la velocidad de giro (rpm) al motor
acoplado a la bomba de abanico (fan pump) enviando un setpoint al control de velocidad de la fan
pump.
Al variar la velocidad de giro (rpm) de la fan pump el nivel en la caja distribuidora tiende a
variar, pero es controlado de forma independiente y local a través del control de nivel visto
anteriormente.
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DIAGRAMA BLOQUES CONTROL RELACION CHORRO / TELA
CONTROL RELACIÓN CHORRO/TELA
ALARMASCALCULO
VELOCIDAD CHORRO
CONVERSIÓN DE UNIDADES
PRESION
SETPOINT CHORRO/
TELA
CONTROL PRESIÓN DE CAJA (TOTAL HEAD)
VELOCIDAD LINEAL DE LA TELA
CONTROL VELOCIDAD MOTOR FAN PUMP
LÓGICA SECUENCIAL
REGULADOR DRIVE
REFERENCIA VELOCIDAD
LOCAL
INTERFACE GRAFICA
HMI
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El lazo de control presión de caja distribuidora se programa en bloques y su programación es la
siguiente.
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El lazo de control relación chorro / tela se programa a bloques y es la siguiente. CHORRO / TELA
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ALARMAS
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CONVERSION UNIDADES DE PRESION (BLOQUE)
45
CONVERSIÓN UNIDADES DE PRESION (PASCAL)
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CONVERSION UNIDADES DE PRESION (PASCAL) CONTINUACION
47
CALCULO DE VELOCIDAD DE CHORRO (BLOQUES)
48
CALCULO DE VELOCIDAD DEL CHORRO (PASCAL)
49
SET POINT PRESION DE CAJA (BLOQUE)
50
SETPOINT PRESION DE CAJA (PASCAL)
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INTERFASE CON HMI
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Las señales analógicas de velocidad y referencia de la fan pump entran y salen respectivamente al
PLC, su programación se muestra en la siguiente figura.
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La referencia de velocidad hacia el drive se programa a bloques en el PLC para controlar la velocidad
del motor y su programación es la siguiente
ENTRADAS
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Continuación.
FAN PUMP REFERENCE
55
Continuación.
BLOQUE DE FUNCION
56
Continuación.
SALIDAS
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El lazo control de velocidad motor de fan pump tiene lógica secuencial para arranque y su
programación es la siguiente
58
La interface grafica del control relación chorro tela es la siguiente
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CONCLUSIONES
Al controlar la relación “Chorro-Tela” para la fabricación de papel, se garantiza que la
producción tenga la calidad requerida por los clientes con las características propias de cada tipo de
papel. De igual manera se evita producir merma, causando pérdidas en las ganancias por la
producción de papel fuera de especificaciones.
Con el proyecto propuesto se obtendrán mayores rendimientos y menos pérdidas en la
producción, ya que garantiza que los equipos trabajen dentro de las especificaciones y los
parámetros de operación en forma automática, evitando paros no programados de la maquinaria.
También se le facilita el trabajo al operador, debido a que únicamente tiene que introducir los
valores necesarios por cada tipo de papel y de forma automática se regularan las demás variables,
de presión, velocidad, caudal, rpm, etc.
Se reducen los tiempos de operación en cada cambio de fabricación de papel, evitando los
tiempos perdidos entre uno y otro debido a la regulación de todos los parámetros, minimizando los
tiempos muertos a causa de estos cambios y agilizando la continuidad de la producción, reflejándose
en mayor productividad, mejor calidad y mayor ganancias.
Para “Papeles Ultra s.a. de c.v.”, este trabajo lo ayuda a colocarse con los proveedores como
una empresa efectiva, confiable y le da renombre dentro del mercado de la industria del papel y la
celulosa, como una empresa de calidad.
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BIBILIOGRAFIA
FABRICACION DE PAPEL. www.textoscientificos.com/papel/fabricacion-papel
MANUAL PARA TECNICOS DE PULPA Y PAPEL.
G.A. SMOOK. TAPPI PRESS. ATLANTA, GA.
CONTRO LOGICO PROGRAMABLE
L.E.I. FRANCISCO JAVIER GARCIA GONZALEZ
UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PUEBLA.
INSTRUMENTACION INDUSTRIAL. 2ª. EDICION.
PUBLICACIONES MARCOMBO, S.A. MEXICO – BARCELONA.
ANTONIO CREUS SOLE
TIPOS DE PAPEL.
www.es.wikipedia.org/wiki/pape
SISTEMAS SCADA.
www.es.wikipedia.org/wiki/scada
