Integrantes TAPIA CADILLO Romel Alcides UGARTE RAMIREZ Carol Andrea

URIBE RODRIGUEZ Jonathan Alexis

Ingenieriacutea Quiacutemica

IX Ciclo

AUTOMATIZACIOacuteN DE LA OPERACIOacuteN DE SECADO EN UN SECADOR DE BANDEJAS

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AUTOMATIZACIOacuteN DE LA OPERACIOacuteN DE SECADO EN UN SECADOR DE BANDEJAS

Control amp Instrumentacioacuten de Procesos Quiacutemicos 2

DEDICATORIA

A nuestros queridos padres que diacutea a diacutea nos

apoyan y se esfuerzan para poder salir

adelante y a nuestros maestros que nos dan

sabios consejos y nos brindan sus

conocimientos para ser cada diacutea mejor y

poder alcanzar nuestras metas trazadas

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Control amp Instrumentacioacuten de Procesos Quiacutemicos 3

IacuteNDICE

Pag

I ASPECTOS GENERALEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4 11 Titulo del informehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4 12 Resumenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4 13 Introduccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5 14 Objetivohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

141 Objetivo generalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5 142 Objetivo especificohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

II CUERPO DEL INFORMEhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

21 Fundamento teoacutericohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6 211 PLChelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6 212 Programa Ladderhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8 213 Sistema de controlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10 214 Sistema de control de lazo cerrado (closed loop)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10 215 Sistema de control de lazo cerrado vs lazo abiertohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

22 Procesohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12 221 Componentes de un Secador de bandejashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12 222 Variables operacionaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13 223 Procedimiento Practicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

2231 Materiales y equiposhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13 2232 Descripcioacuten del procesohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14

23 Modelado Matemaacutetico del Sistema de Secadohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15 24 Programacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

241 Programacioacuten en PLC tipo Versamaxhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20 242 Programacioacuten en LabView 80helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

III CONCLUSIOacuteNEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31 IV BIBLIOGRAFIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

V ANEXOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

51 Ficha Teacutecnicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32 52 Manual de Operacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37 53 Diagrama PI amp Dhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38 54 Diagrama del Secador de Bandejas (lado frontal)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39 55 Diagrama del Secador de Bandejas (lado posterior)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip40 56 Datos y resultados de la corrida experimentalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip40

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AUTOMATIZACIOacuteN DE LA OPERACIOacuteN DE SECADO EN UN

SECADOR DE BANDEJAS

I ASPECTOS GENERALES

11 TITULO DEL INFORME

AUTOMATIZACION DE LA OPERACIOacuteN DE SECADO EN UN SECADOR DE

BANDEJAS

12 RESUMEN

El objetivo de este trabajo es la automatizacioacuten de la operacioacuten de secado lo cual

debe permitir un seguimiento y control riguroso de los paraacutemetros de operacioacuten en

un secador de bandejas

El control e instrumentacioacuten de procesos quiacutemicos se ocupa de las teacutecnicas y de

los instrumentos que se requieren para operar de forma segura y eficiente en las

plantas quiacutemicas En los planes de estudio de Ingenieriacutea Quiacutemica se incluye esta

disciplina la cual podraacute capacitar a los estudiantes e ingenieros para analizar

disentildear e implementar estrategias sencillas de control de procesos al mismo

tiempo permitiraacute adquirir una formacioacuten baacutesica a partir de la cual se podraacuten

extender conocimientos para hacerse un especialista en la materia

Se pretende cubrir los objetivos antes sentildealados con un enfoque praacutectico de la

disciplina pero tambieacuten con el soporte teoacuterico necesario para fundamentar las

teacutecnicas de control A continuacioacuten algunos detalles sobre lo sentildealado

LabVIEW es hoy un sistema de prueba y control de instrumentacioacuten en el campo

de la automatizacioacuten industrial para la adquisicioacuten de datos anaacutelisis

monitorizacioacuten y registro asiacute como para el control y monitorizacioacuten de procesos

en el aacuterea de visioacuten artificial para el desarrollo de sistemas de inspeccioacuten en

produccioacuten o laboratorio

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Ademaacutes permite reconocer las principales caracteriacutesticas de los Controladores

Programables (PLCs) y su relacioacuten con los diversos componentes electroacutenicos

y hardware (VersaPro) asociados a la automatizacioacuten de maacutequinas y

procesos

13 INTRODUCCION

Todo estudiante de Ingenieriacutea Quiacutemica debe tener conocimientos miacutenimos de control

automaacutetico de procesos y es por eso que en los planes de estudio del Ingeniero

Quiacutemico se estudia esta disciplina

En el presente informe detalla el proceso de control automaacutetico de la operacioacuten de secado la cual es una de operacioacuten unitaria de trascendental importancia en Ingenieriacutea Quiacutemica debido a que es una operacioacuten baacutesica para el manejo de productos soacutelidos

El proceso de secado consiste en la remocioacuten de humedad de una sustancia involucrando los fenoacutemenos de transferencia de calor transferencia de masa y cantidad de movimiento en forma simultaacutenea

La transferencia de masa ocurre cuando el soacutelido pierde humedad la transferencia de calor se aprecia cuando el medio de secado (aire caliente) entrega calor al soacutelido lo que da como consecuencia la evaporacioacuten del agua que se va incorporando al aire a medida que transcurre la operacioacuten de secado El mecanismo de cantidad de movimiento se observa en la difusioacuten del agua del solido al aire caliente es decir la velocidad del secado

El secador de bandejas o tambieacuten llamado secador de anaqueles consiste en un gabinete de tamantildeo suficientemente grande apara alojar las muestras a secar en el cual se hace correr suficiente cantidad de aire caliente y seco En general el aire es calentado por vapor pero no saturado de modo que pueda arrastrar suficiente agua para un secado eficiente

14 OBJETIVOS

141 Objetivo general

Realizar la automatizacioacuten de la operacioacuten de secado en un secador de bandejas o anaqueles

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142 Objetivos especiacuteficos

Conocer los conceptos baacutesicos de la operacioacuten de secado

Conocer y evaluar las variables operacionales controladas y no controladas en

la operacioacuten de secado

Determinar los diferentes paraacutemetros de secado como son flujo de aire caiacuteda

de presioacuten temperatura de bulbo huacutemedo temperatura de bulbo seco y

humedad relativa correspondiente a las muestras a secar

Verificar experimentalmente la influencia de la temperatura y la humedad del

aire en la intensidad del secado

Monitorear automaacuteticamente las variaciones de temperaturas usando la tarjeta

de adquisicioacuten de datos de LabVIEW

Automatizar la operacioacuten de secado utilizando el controlador loacutegico programable

PLC

II CUERPO DEL INFORME

21 FUNDAMENTO TEOacuteRICO

211 PLC (Programable Logic Controller)

Un PLC (controlador loacutegico programable) es la unidad de control miacutenima en un proceso automatizado con el cual trabajan en base a la informacioacuten recibida por los sensores y el programa loacutegico interno actuando sobre los actuadores de la instalacioacuten

De acuerdo con la definicioacuten de la Nema (National Electrical Manufacturers Association) un controlador programable es Un aparato electroacutenico operado digitalmente que usa una memoria programable para el almacenamiento interno de instrucciones para implementar funciones especiacuteficas tales como loacutegica secuenciacioacuten registro y control de tiempos conteo y operaciones aritmeacuteticas para controlar a traveacutes de moacutedulos de entradasalida digitales (ONOFF) o analoacutegicos (1 5 VDC 4 20 mA etc) varios tipos de maacutequinas o procesosrdquo Un PLC consta de las siguientes partes

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1 CPU ndash UNIDAD CENTRAL DE PROCESO Es el cerebro del sistema usualmente es un microcontrolador antiguamente se usaban microcontroladores de 8bits hoy en diacutea son mas usados en aplicaciones robustas microcontroladores de 16 y 32 bits Bueno como es un microcontrolador ya se imaginaran todas las ventajas que se pueden tener como temporizadores interrupciones conversiones ADC y DAC comunicaciones seriales sincroacutenicas y asincroacutenicas etc 2 MEMORIA Usualmente se incluye una memoria externa al microcontrolador que puede ser EEPROM yo FLASH que hace las veces de banco de datos para la lectoescritura de datos En esta memoria se utiliza para almacenar el programa (funciones variables estados tiempos) desarrollado que se encargaraacute de controlar las entradas y las salidas del PLC Ojo en esta memoria no se almacena la programacioacuten del microcontrolador Es decir el microcontrolador viene programado de faacutebrica pero con un programa que permite administrar las entradas las salidas y los temporizadores del PLC 3 FUENTE DE ALIMENTACION No podiacutea faltar el poder porque sin esto no funciona nada El PLC tiene una entrada anaacuteloga de 220VAC o 110VAC eso es si estamos en Europa o en Ameacuterica Adicionalmente tiene salidas de 24VAC o DC para alimentar sensores 4 RELOJ EN TIEMPO REAL Para todo proceso automatizado es necesario establecer la variable tiempo ya que es indispensable para poner en marcha TEMPORIZADORES Y CONTADORES 5 PUERTO DE ENTRADAS Las entradas de un PLC son optoacute asiladas para proteger al microcontrolador de altos voltajes y algunas marcas permiten ajustar la intensidad de la entrada Es decir la corriente de entrada variacutea gracias a un potencioacutemetro que se posee en el lado izquierdo del siguiente circuito Adicionalmente las entradas de un PLC ser anaacutelogas o digitales y esto se debe en gran medida a la cantidad impresionante de instrumentos que se pueden integrar con los PLC En la siguiente figura el circuito para cada uno de esos tipos de entradas 6 PUERTO DE SALIDAS Como en las entradas las salidas pueden ser anaacutelogas o digitales y pueden ser de cualquiera de los siguientes tipos bull 120 VAC bull 24 VDC bull 12 ndash 48 VAC

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bull 12 ndash 48 VDC bull 5V DC (TTL) bull 230 VAC Esto se debe a que sus circuitos internos permiten convertir niveles loacutegicos TTL a niveles de voltaje externos y efectivamente tambieacuten suelen utilizarse optoacute acopladores para proteger el micro 7 COMUNICACIONES El PLC es un sistema autoacutenomo sin embargo no puede programarse solito Para ello es necesaria una interfaz con el humano y esa la provee el puerto RS232 un cable serial y un computador o un programador portaacutetil En un proceso industrial muchas veces es necesario utilizar maacutes de un PLC o establecer comunicacioacuten con diferentes dispositivos inteligentes como termostatos captadores de radiacioacuten solar sistemas de control de fluidos (agua gas aire) motores detectores de intrusioacuten caacutemaras frigoriacuteficas sistemas de ascensores calefaccioacuten etc Para ello se inventaron el Bus de campo o de terreno dedicado a la GTB (gestioacuten teacutecnica del edificio) lo cual ofrece la posibilidad de cablear o precablear nuacutemeros equipos inteligentes a bajo costo Protocolos hay como fabricantes de dispositivos muchos 8 SOFTWARE Indispensable tanto para programarlo como para monitorearlo Aquiacute es el punto

cuando se unen la informaacutetica las redes y los PLC Sistemas SCADA

Los PLC le ahorran el tiempo y costos de disentildeo y montaje de sistemas de control a empresas Y a empresas que desean sistematizar sus plantas de produccioacuten ya que la transferencia de tecnologiacutea va a ser maacutes factible que si se desarrollara un sistema propietario Un autoacutemata programable industrial (API) o Programable Logic Controller (PLC) es un equipo electroacutenico programable en lenguaje no informaacutetico disentildeado para controlar en tiempo real y en ambiente de tipo industrial procesos secuenciales

212 PROGRAMA LADDER El nombre de este meacutetodo de programacioacuten (que significa escalera en ingleacutes) proviene de su semejanza con el diagrama del mismo nombre que se utiliza para la documentacioacuten de circuitos eleacutectricos de maacutequinas Cabe mencionar que en estos diagramas la liacutenea vertical a la izquierda representa un conductor con tensioacuten y la liacutenea vertical a la derecha representa tierra Los contactos y bobinas baacutesicas que se utilizan son

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Tabla 1 Contactos tiacutepicos de Ladder

Tipo de Contacto Visualizacioacuten Pasa corriente cuando

Normalmente abierto

La referencia estaacute ON

Normalmente cerrado La referencia estaacute OFF

Tabla 2 Bobinas tiacutepicas de Ladder

Con este tipo de diagramas se describe normalmente la operacioacuten eleacutectrica de distinto tipo de maacutequinas y puede utilizarse para sintetizar un sistema de control y con las herramientas de software adecuadas realizar la programacioacuten del PLC Se debe recordar que mientras que en el diagrama eleacutectrico todas las acciones ocurren simultaacuteneamente en el programa se realizan en forma secuencial siguiendo el orden en el que los rungs (escalones) fueron escritos y que a diferencia de los releacutes y contactos reales (cuyo nuacutemero estaacute determinado por la implementacioacuten fiacutesica de estos elementos) en el PLC podemos considerar que existen infinitos contactos auxiliares para cada entrada salida releacute auxiliar o interno etc Ademaacutes todo PLC cumple con un determinado ciclo de operaciones que consiste en leer las entradas ejecutar todo el programa una vez y actualizar las salidas tal como hayan resultado de la ejecucioacuten del programa Como consecuencia si una determinada salida toma dos valores diferentes durante una pasada por el programa solo apareceraacute a la salida el uacuteltimo de los valores calculados

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213 SISTEMA DE CONTROL

El objetivo principal de cualquier sistema de control para un proceso es la estabilidad Cuando la estabilidad se relaciona a un sistema de bombeo se hace referencia la capacidad que el sistema tiene para prevenir perturbaciones que pueden resultar del cambio de variables independientes ala sujeta en la operacioacuten

214 SISTEMA DE CONTROL DE LAZO CERRADO (CLOSEP LOOP)

Con frecuencia se llama asiacute a los sistemas de control retroalimentado En la praacutectica se utiliza indistintamente la denominacioacuten control retroalimentado (ldquofeedbackrdquo) o control de lazo cerrado (ldquoclosed looprdquo) La sentildeal de error actuante que es la diferencia entre la sentildeal de entrada y la de retroalimentacioacuten (que puede ser la sentildeal de salida o una funcioacuten de la sentildeal de salida y sus derivadas) entra al controlador para reducir el error y llevar la salida a un valor deseado Esta retroalimentacioacuten se logra a traveacutes de la accioacuten de un operador (control manual) o por medio de instrumentos (control automaacutetico) En el caso de control manual para el ejemplo mostrado en la figura operador mide previamente la temperatura de salida si esta es por ejemplo inferior al valor deseado aumenta la circulacioacuten de vapor abriendo levemente la vaacutelvula Cuando se trata de control automaacutetico se emplea un dispositivo sensible a la temperatura para producir una sentildeal (eleacutectrica o neumaacutetica) proporcional a la temperatura medida Esta sentildeal se alimenta a un controlador que la compara con un valor deseado preestablecido o punto de ajuste (ldquoset pointrdquo) Si existe una diferencia el controlador cambia la abertura de la vaacutelvula de control de vapor para corregir la temperatura

T

Controlador

Vaacutelvula

Proceso de transferencia de calor

Tanque Serpentiacuten

Punto de medicioacuten TR o SP

Controlador

Comparador

E

Elemento de control final

T media

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215 SISTEMA DE CONTROL DE LAZO CERRADO VERSUS LAZO ABIERTO

Una ventaja del sistema de control de lazo cerrado es que el uso de la retroalimentacioacuten hace que la respuesta del sistema sea relativamente insensible a perturbaciones externas y a variaciones internas de paraacutemetros del sistema

De este modo es posible utilizar componentes relativamente imprecisos y econoacutemicos y lograr la exactitud de control requerida en determinada planta cosa que seriacutea imposible en un control de lazo abierto

Desde el punto de vista de la estabilidad en el sistema de control de lazo abierto la estabilidad es maacutes faacutecil de lograr puesto que no constituye un problema importante En cambio en los sistemas de lazo cerrado la estabilidad si es un problema importante por su tendencia a sobre corregir errores que pueden producir oscilaciones de amplitud constante o variable

Hay que puntualizar que para sistemas cuyas entradas son conocidas previamente y en los que no hay la presencia de perturbaciones es recomendable utilizar el control de lazo abierto

Los sistemas de control de lazo cerrado tienen ventajas solamente si se presentan perturbaciones no previsibles o variaciones de componentes del sistema

Noacutetese que la potencia de salida determina parcialmente el costo peso y tamantildeo de un sistema de control

La cantidad de componentes utilizados en un sistema de control de lazo cerrado es mayor a la correspondiente a un sistema de control de lazo abierto Asiacute entonces un sistema de control de lazo cerrado es generalmente de mayor costo y potencia

Para reducir la potencia requerida por un sistema es conveniente usar sistema de lazo abierto Por lo comuacuten resulta menos costosa una combinacioacuten adecuada de controles de retroalimentacioacuten y alimentacioacuten directa lograacutendose un comportamiento general satisfactorio

22 PROCESO

221 COMPONENTES DE UN SECADOR DE BANDEJA

La configuracioacuten baacutesica de un secador consiste de un sistema que genere aire caliente el cual puede estar compuesto de un ventilador y de una serie de hilo de resistencias eleacutectricas de Nicrom (Niacutequel-Cromo) para generar calor tambieacuten debe de contar con un colector y un alimentador Sin embargo para propoacutesitos

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educacionales son comunes los secadores sin alimentador ya que las cantidades de alimento a deshidratar son menores

Generador de Aire Los secadores de aire deben de contar con un sistema que permita la entrada de aire a diferentes velocidades de flujo por eso se utilizan ventiladores o motores que se utilizan en los sistemas de refrigeracioacuten y tambieacuten extractores de aire los cuales son polarizados de manera inversa para trabajar como generadores de aire Calefactor En calefactores directos el aire es calentado cuando se combina con gases de combustioacuten de escape En calefactores indirectos en aire o producto es calentado a traveacutes de placas de resistencias eleacutectricas El costo de los calentadores directos es maacutes bajo que los indirectos pero algunos productos se llegan a dantildear o contaminar debido a los gases Otros componentes que son utilizados en los secadores para verificar el estado dentro del mismo son termoacutemetros tipo J medidores de presioacuten y humedad una balanza digital y baacutesculas que censan la peacuterdida de agua del alimento Por lo general los secadores que se utilizan en los laboratorios de investigacioacuten no cuentan con todos estos elementos con el propoacutesito de hacer pruebas y de monitorear el comportamiento del secador y del alimento a deshidratar

222 VARIABLES

Variables independientes Variables no controladas

El contenido de humedad de la alimentacioacuten Temperatura de bulbo seco a la entrada Temperatura de bulbo huacutemedo a la entrada

Variables reguladas

Calor aplicado Flujo de entrada de aire

Variables dependientes

Variables no controladas

El contenido de humedad de la salida de los productos

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variables reguladas Presioacuten de entrada del aire Temperatura del aire en la caacutemara de secado Temperatura de bulbo huacutemedo del aire de salida Temperatura de bulbo seco del aire de salida

223 PROCEDIMIENTO PRACTICO

2231 MATERIALES Y EQUIPOS

Herramientas y Equipos Secador de Bandejas 4 Resistencias de 12 ohmios cu 5 sensores de temperatura LM35 Una termocupla tipo J Manoacutemetro de tubo en forma de U

Medios Naturales a emplear

Aire

2232 DESCRIPCION DEL PROCESO

Diagrama de bloques del sistema de control

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En un sistema de intercambio de calor generalmente se tiene como objetivo calentar el aire que entra al secador hasta una temperatura determinada Tp (de salida) posterior en el proceso para cumplir con este objetivo se debe usar una corriente de fluido de calentamiento el cual debe operar en un rango de Temperaturas entre la entrada Tco y la salida Tc y a una velocidad de flujo Fc la cual depende de los requerimientos del proceso Si el objetivo del proceso de transferencia de calor es el calentamiento de la corriente de aire que entra al secador el objetivo del sistema de control es mantener la temperatura de salida de la corriente de proceso en un valor especificado o en estado estacionario ante cualquier perturbacioacuten que pueda alterar el proceso Con lo expuesto anteriormente podemos establecer que la variable controlada es la temperatura de salida del fluido del intercambiador (Tp) y la variable manipulada es la velocidad de flujo del fluido de calentamiento (Fc) Las perturbaciones pueden presentarse debido a cambios en la temperatura de entrada (Tpo) la velocidad de flujo (Fp) del fluido de proceso variacioacuten de temperatura del medio ambiente resistencias a las incrustaciones etc

23 MODELADO MATEMATICO DEL SISTEMA DE SECADO Diagrama Representativo

Restricciones del Sistema Sistema no isoteacutermico Flujo de aire constante 푞 asymp 푞 No existe reaccioacuten quiacutemica

Modelado

RESISTENCIA CAMARA DE SECADO

VENTILADOR

Ts Q

T Qout Hout

Tin Qin Hin

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24 PROGRAMACION

241 PROCESO GENERAL DE AUTOMATIZACION PARA UN SISTEMA DE SECADO CON PLC-TIPO VERSAMAX

Para empezar a automatizar cualquier proceso el Ing Quiacutemico o experto en dicho

proceso debe elegir correctamente el tipo de software y hardware a aplicar para

automatizar dicho proceso

Siendo el presente secador de bandejas un equipo pequentildeo utilizado solo en

laboratorios consideramos utilizar el Controlador Loacutegico Programable o tambieacuten

llamado comuacutenmente PLC

El PLC es un equipo electroacutenico inteligente disentildeado a base de microprocesadores

que consta de unidades y modelos que cumplen funciones especificas tales como

Unidad Central de Procesamiento que se encarga de casi todo el sistema

Moacutedulos que permiten recibir informacioacuten de todos los sensores y comandar todos los

actuadores del sistema

Ademaacutes es posible agregarle otros moacutedulos inteligentes para funciones de pre-

procesamiento y comunicacioacuten

Una vez que se tiene la planta con la instalacioacuten completa es decir con los sensores

de temperatura (termocuplas) adecuados en determinadas partes de la planta

principalmente en la entrada caacutemara de secado y salida se realiza la conexioacuten de

estos sensores al PLC a traveacutes de un conjunto de relays donde mediante la conexioacuten

PLC-Computadora se obtendraacute los datos necesarios para asiacute dar una respuesta al

sistema ordenaacutendole o no que siga funcionando

Ahora bien se tiene el equipo listo solo faltariacutea realizar la conexioacuten PLC-

Computadora lo cual se detallara a continuacioacuten

Paso Nordm1

Una ves que hemos instalado el programa VeraPro en el PC hacemos doble clic en el icono respectivo (VersaPro) y nos saldraacute el siguiente mensaje

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Esto nos quiere decir que en cuatro diacuteas se caducaraacute la licencia de prueba Aceptar

Paso Nordm2

En la barra de menuacute Clic en File New Folder

Paso Nordm3

Poner el nombre respectivo de la carpeta (Folder Name) y la ubicacioacuten de la carpeta Finalizar

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Paso Nordm4

Doble en Hardware Configuration

Paso Nordm5

Convertir a Versamax

En la barra de menuacute FileConvert ToVersamax

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Paso Nordm6

Clic derecho en PWRReplace Module

Paso Nordm7

Seleccionar IC200PWR101OK

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Paso Nordm8

Clic derecho en PWR 101 Replace CPUIC200CPU001OK

Paso Nordm9

Clic derecho en PWR 101Add CarrierBase IC200CHS001OK

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Paso Nordm10

En la nueva baseClic derecho Add module clic en Analog Mixed IC200ALG430OK

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Paso Nordm11

En la base anterior clic derecho Replace CPUIC200CPU001OK

Paso Nordm12

En la misma base clic derechoAdd CarrierBaseIC200CHS001OK

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Paso Nordm13

En la nueva base y la ultima clic derechoAdd ModuleSeleccionar Discrete MixedSeleccionar IC200MDD847OK

Paso Nordm14

Guardar la configuracioacuten y cerrar la ventana Ahora solo nos quedaremos con el VersaPro

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PASO Nordm15

Luego desde VersaPro En la barra de menuacute ir a PLC y pulsar Connect para Conectar PLC-PC

Paso Nordm16a Diagrama sin condiciones loacutegicas

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242 PROCESO GENERAL DE AUTOMATIZACION PARA UN SISTEMA DE SECADO CON LabView 80

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III CONCLUSIONES

Se ha cumplido con el objetivo de automatizar y controlar el proceso de secado a traveacutes de una programacioacuten en PLC (Controlador Loacutegico Programable) y la lectura de datos a traveacutes de una tarjeta de adquisicioacuten de datos DAQ

IV BIBLIOGRAFIA

Katsuhiko Ogata ldquoIngenieriacutea de Control Modernardquo Segunda Edicioacuten Prentice

Hall 1996

Robert H Perry ndash Don W Green ldquoManual del Ingeniero Quiacutemico Perryrdquo (sexta

edicioacuten 1992) Tomo VI ndash Control de procesos

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V ANEXOS ANEXO Ndeg1 FICHA TECNICA

SECADOR DE BANDEJAS Caracteriacutesticas Generales

Equipo Secador de Bandejas o Anaqueles Tipo de operacioacuten (Secado) Operacioacuten discontinua por contacto directo Tipo de calentamiento Conveccioacuten forzada Nuacutemeros de zonas de control 1 Tipo de control Lazo cerrado Voltaje de operacioacuten 220 VAC Temperatura de operacioacuten Temperatura Ambiente Presioacuten de operacioacuten 760 mmHg o 1 atm

La columna de humidificacioacuten consta de los siguientes componentes

Caacutemara de secado

Nuacutemero de unidades 1 Material de construccioacuten Acero inoxidable- AISI 310 Numero de separaciones 3 Dimensiones (Longitud ndash Altura ndash Ancho) 541 ndash 349 ndash 256 cm Numero de charolas 4

Cerrado Abierto

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Tubo de entrada de aire

Nuacutemero de unidades 1 Material de construccioacuten Acero inoxidable- AISI 310 Diaacutemetro 3 pulg Longitud 11012 cm

Generador de aire Ventilador Centrifuga

Nuacutemero de unidades 1 Tipo de conexioacuten Trifaacutesica Voltaje de operacioacuten 380 VAC Potencia 250 watts Tipo de aspas Axial Velocidad maacutexima de operacioacuten 1970 rpm

Calefactor Resistencias

Nuacutemero de unidades 4 Tipo de conexioacuten Monofaacutesica Resistencia 12 Ohmios (cu) Voltaje de operacioacuten 220 VAC Potencia Ubicacioacuten En paralelo

(a la entrada de la caacutemara de secado)

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Caja de seguridad

Material de construccioacuten Metal Dimensiones (Longitud ndash Altura ndash Ancho) 252 - 418 - 148 cm Consta de 1 Controlador Digital De temperaturas XMTG ndash 2501 1 piloto que indica el encendido de la resistencia eleacutectrica 1 piloto que indica el encendido del ventilador 2 llaves teacutermicas

- 1 trifaacutesica para el encendido del ventilador centrifuga modelo IEC898 - 1 monofaacutesica para encendido de la resistencia modelo IEC898

Trifaacutesica Monofaacutesica

Controlador digital de temperatura

Modelo XMTG ndash 2501 Numero de terminales 8 Tipo de entrada J Rango 0 ndash 399degC Precisioacuten le01 FS Fuente de alimentacioacuten 85 ndash 242 VAC Dimensiones (Longitud ndash Altura ndash Ancho) 48 ndash 48 ndash 110 cm Ambiente de trabajo Temperatura HR

0 ndash 50degC

lt85

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INSTRUMENTACION ACOPLADA

Termocupla

Caracteriacutesticas - 1 termocupla Tipo J (Fe - CuNi) - Escala de medida 0 ndash 500 ordmC - Limitaciones

bull No se deben usar en atmoacutesferas sulfurosas por encima de 540ordm C bull A causa de la oxidacioacuten y fragilidad potencial no se las recomienda

para temperaturas inferiores a 0ordm C bull No deben someterse a ciclos por encima de 760ordm C auacuten durante

cortos periacuteodos de tiempo si en alguacuten momento posterior llegaran a necesitarse lecturas exactas por debajo de esa temperatura

Estaacute ubicada en la caacutemara de secado es controlada por el controlador digital de temperatura y su funcioacuten es medir la temperatura de entrada del aire a la caacutemara

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Manoacutemetro

Caracteriacutesticas - 1 manoacutemetro Glicerina - Forma U

Estaacute ubicada al costado del ventilador debajo de un tubo en el cual va a medir la variacioacuten de presioacuten de entrada producida por una placa de orificio

Sensores

Caracteriacutesticas

Marca LM35DZ Precisioacuten calibrada 1ordmC Escala de medida 0 a 100ordmC Alimentacioacuten 035 ndash 02 voltios Encapsulado to-92 tipo transistor con 3 patas Ganancia lineal equivale a 10mVordmC Se utilizan 5 sensores

- 1 que mide la temperatura de bulbo seco de ingreso del aire al secador - 1 que mide la temperatura de bulbo huacutemedo de ingreso del aire al

secador - 1 que mide la temperatura de bulbo seco de salida del aire del secador - 1 que mide la temperatura de bulbo huacutemedo de salida del aire del

secador - 1 que mide la temperatura de la muestra a secar en la caacutemara de

secado

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ANEXO Ndeg2 MANUAL DE OPERACIOacuteN Para la correcta utilizacioacuten del equipo se sigue el procedimiento siguiente

Encender el ventilador (soplador de aire) a continuacioacuten determinar en el manoacutemetro la

caiacuteda de presioacuten maacutexima del sistema cerrando el daacutemper de tuberiacutea principal y abriendo

el daacutemper en tubo secundario Con esta informacioacuten establecer le flujo de aire necesario

que debe permaneces constante regulando la posicioacuten de los daacutemper primario y

secundario

Encender el sistema de calefactor de aire utilizando el controlador fijar a una

temperatura establecida Determinar las temperaturas de entrada y salida de la caacutemara de

secado hasta llegar a condiciones de estado estacionario (aproximadamente 20 -30)

alcanzada la temperatura de equilibrio recieacuten se procederaacute a cargar el material a secar

Preparar el material a secar Pesar una cantidad significativa del material limpio y

tamizado La capacidad maacutexima de la balanza digital es de 100kg si el material estaacute

completamente seco debe humedecerse con agua en una proporcioacuten 15-20 del peso

total (por ejemplo 0400 kg de material seco+100 ml de agua) y mezclar hasta

homogenizacioacuten posteriormente se esparce uniformemente en la bandeja experimental

Finalmente debe introducir la bandeja con el material huacutemedo al secador previamente

calentado

Registrar experimentales Con intervalo definido cada 3 oacute 5 minutos procederaacute a pesar la

muestra anotar valores de tiempo transcurrido y masa huacutemeda (el equilibrio se alcanzara

en 4 horas aprox Si se utiliza arena fina) simultaacuteneamente registrar temperatura de bulbo

seco y bulbo huacutemedo del aire a la entrada y salida del secador Tambieacuten variacioacuten del

manoacutemetro para calcular la velocidad de aire ingresado La temperatura dentro de la

caacutemara de secado deberaacute mantenerse constante(es funcioacuten del controlador)

Se recomienda trabajar con bastante cuidado para obtener precisioacuten de los datos

experimentales a recopilarse durante la prueba Por tanto debe tenerse preparado toda

la instrumentacioacuten (cronometro termoacutemetro hoja de datos etc)

Terminado el trabajo experimental apagar primero el sistema de calefaccioacuten eleacutectrica

despueacutes de 3minutos apagar el ventilador

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ANEXO Ndeg3 DIAGRAMA PIampD

Succioacuten de aire

Flujo de aire Flujo de aire caliente

Aire huacutemedo caliente

CONTACTOR

CONTROLADOR

VENTILADOR

RESISTENCIA BADEJAS DEL SECADOR

TRANSMISOR DE TEMPERATURA

TTTC

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ANEXO Ndeg4 DIAGRAMA DEL SECADOR DE BANDEJAS (LADO FRONTAL)

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ANEXO Ndeg5 DIAGRAMA DEL SECADOR DE BANDEJAS (LADO POSTERIOR)

ANEXO Ndeg6 DATOS Y RESULTADOS DE LA CORRIDA EXPERIMENTAL

Pesada Inicial

Muestra sola (gr) 612

Gancho (gr) 16

Bandeja usada (gr) 584

Madera (gr) 668

Peso total de la muestra (gr) 188

Pesada Final

Muestra sola inicial(gr) 612

Muestra seca sola fina (gr) 98

Cantidad de humedad perdida (gr) 514

Cantidad de muestra despues del secado (gr) 15

Caja de Control Ventilador

Caida de Presioacuten (mm de Glicerina)

Vaacutelvulas

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Dato Tiempo W total con acc

y muestra W sin

accesorios Temperatura

de Caacutemara Temperatura del aire Presioacuten

Nordm (min) (g) (g) (ordmC) Tbs(in) Tbh(in) Tbs(out) Tbh(out) (cm)

0 0 188 612 50 22 19 48 28 148

1 6 185 582 49 22 21 46 27 148

2 12 1826 558 48 22 20 45 28 148

3 18 1802 534 48 22 19 47 28 148

4 24 1778 51 49 22 21 47 28 148

5 30 1754 486 50 23 21 47 28 148

6 36 173 462 51 23 20 48 28 148

7 42 1706 438 49 22 21 46 28 148

8 48 1682 414 51 22 19 462 276 148

9 54 1658 39 50 21 19 46 28 148

10 60 1638 37 50 21 19 46 27 148

11 66 1618 35 50 23 195 48 27 148

12 72 160 332 51 23 20 48 27 148

13 78 1582 314 49 22 20 48 27 148

14 84 1564 296 49 22 195 48 28 148

15 90 1548 28 50 22 20 48 27 148

16 96 1534 266 50 22 20 48 27 148

17 102 152 252 50 22 204 48 28 148

18 108 1508 24 49 22 19 47 28 148

19 114 1496 228 49 23 20 47 27 148

20 120 1486 218 49 23 20 47 27 148

21 126 1476 208 49 23 195 48 27 148

22 132 1468 20 48 23 19 46 27 148

23 138 1462 194 50 235 20 47 26 148

24 144 1456 188 50 23 19 46 28 148

25 150 145 182 50 225 195 48 28 148

26 156 1444 176 50 22 20 46 27 148

27 162 144 172 49 22 20 47 28 148

28 168 1436 168 50 22 195 47 28 148

29 174 1432 164 50 21 19 47 26 148

30 180 1428 16 48 22 19 46 27 148

31 186 1426 158 48 23 20 48 29 148

32 192 1424 156 50 22 19 48 28 148

33 198 1422 154 50 23 20 46 28 148

34 204 142 152 48 23 195 46 27 148

35 210 1418 15 50 23 20 47 27 148

36 216 1418 15 50 23 21 46 27 148

37 222 1418 15 49 21 19 48 27 148

38 228 1418 15 50 22 20 46 28 148

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0

05

1

15

2

25

3

35

4

45

5

000 050 100 150 200 250 300 350 400

X (K

g H

2OK

g de

mue

stra

sec

a)

T (hrs)

X vs T

X vs T

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Dato Tbs(in) Tbh(in) Tbs(out) Tbh(out) T sat T huacutemeda Q precalefaccioacuten Q recalentamiento Q total

Nordm (ordmC) (ordmC) (ordmC) (ordmC) (ordmC) (ordmC) KJs KJs KJs

0 22 19 48 28 228 212 000837704 0232739409 024111645

1 22 21 46 27 242 206 0023052329 0211250234 023430256

2 22 20 45 28 258 227 0039804063 018674339 022654745

3 22 19 47 28 246 22 0027225381 0216463661 024368904

4 22 21 47 28 245 22 0026195828 0217430017 024362585

5 23 21 47 28 246 216 0016707075 0216463661 023317074

6 23 20 48 28 242 214 0012526023 0229253887 024177991

7 22 21 46 28 244 216 0025147995 0209407457 023455545

8 22 19 462 276 264 216 0046073721 019179755 023787127

9 21 19 46 28 26 22 0052539694 0193895794 024643549

10 21 19 46 27 242 202 0033625404 0211250234 024487564

11 23 195 48 27 232 198 0002087323 0238777445 024086477

12 23 20 48 27 232 196 0002087671 0238777445 024086512

13 22 20 48 27 222 198 0002094951 0238405568 024050052

14 22 195 48 28 221 214 0001047301 0239453217 024050052

15 22 20 48 27 221 198 0001047475 0239453217 024050069

16 22 20 48 27 232 198 0012569704 0228777445 024134715

17 22 204 48 28 228 212 0008380935 0232735514 024111645

18 22 19 47 28 245 22 0026178251 0217430017 024360827

19 23 20 47 27 232 22 0002087671 0229887856 023197553

20 23 20 47 27 232 22 0002087671 0229887856 023197553

21 23 195 48 27 232 198 0002087323 0238777445 024086477

22 23 19 46 27 231 204 0001043491 0221909649 022295314

23 235 20 47 26 246 183 0011462268 0216270109 022773238

24 23 19 46 28 26 22 0031304724 0193895794 022520052

25 225 195 48 28 228 212 0003136435 0242739409 024587584

26 22 20 46 27 238 206 0018854556 0215126385 023398094

27 22 20 47 28 245 22 0026186884 0217430017 02436169

28 22 195 47 28 245 22 0026182529 0217430017 024361255

29 21 19 47 26 246 183 0037828579 0216270109 025409869

30 22 19 46 27 221 204 000104713 0231600027 023264716

31 23 20 48 29 244 22 0014613694 0227435538 024204923

32 22 19 48 28 224 212 000418852 0245592416 024978094

33 23 20 46 28 232 224 0002087671 0221041205 022312888

34 23 195 46 27 26 22 0031309845 0193807554 02251174

35 23 20 47 27 235 202 0005219176 022699011 023220929

36 23 21 46 27 242 202 0012530306 0211250234 022378054

37 21 19 48 27 222 198 0012609526 0234405568 024701509

38 22 20 46 28 26 22 0041899014 0193895794 023579481

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