Estudio dinámico de un proceso.

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Estudio dinámico de un proceso.

El Tigre , junio del 2021

El estudio de las variables implicadas en un proceso, determinando su influencia en las demás variables y en la seguridad del proceso.

Primeramente hay que consideran el proceso, se puede decir que cada proceso posee variables diferentes durante su estudio, si tomamos como ejemplo un proceso de secado existen muchas variables que en el intervienen, principalmente la presión, el índice de humedad , el espesor del material a secar , la temperatura y el tiempo, estas se podrían decir que son las importantes , estas tienen influencias ante otras variables tal es el caso del índice de humedad que puede contener el material o sustancia a secar , principalmente por el hecho de la temperatura, a mayor cantidad de humedad contenida en el objeto mayor influencia tendrá dentro del secador, al igual que el espesor de dicho materia pues a mayor grosor mayor tiempo requerirá en el secador para poder extraer la humedad , ya que al existir distintas capas de material a donde debe llegar la temperatura mayor tiempo tomara dicho proceso.

Por tal motivo es de gran importancia estudiar cada una de las variables implicadas, ya que el poco conocimiento de la influencia de las mismas podría ocasionar cambios dentro del proceso por el motivo la seguridad en el procesamiento , se torna sobresaliente ante la presencia de un accidente por el mal manejo de las variables.

Establecer la estrategia adecuada de control en un proceso.

Estrategias de control: determina la estructura o circuito que sigue la información o señales en el lazo. Dependiendo de la aplicación (entorno de trabajo, máquina) a gobernar se debe definir el actuar de las variables de proceso (presión, flujo, temperatura, etc,). En función de esta información se incorporarán determinados instrumentos o equipos con los cuales se debe lograr la estabilidad en la aplicación o sistema. Estos instrumentos o equipos podrán estar en cantidades (varios sensores, varios controladores, etc.) y dispuestos en una jerarquía o circuito específico determinado por el Ingeniero de proceso.

Por lo general cada entorno de trabajo tiene sus estrategias establecidas. Ejemplos de estrategias de control típicas pueden ser:

• Control realimentado: aplicación más usual; se mide en la salida del lazo circuito y luego se actúa sobre el dispositivo salida.
• Control por actuadores en paralelo: para alcanzar rápidamente el valor de setpoint;; se incorporan varios dispositivos de salida (actuadores).
• Control por relación o razón de flujos: para efectuar mezclas exactas entre determinados productos; se determina una razón de medida entre los productos en el controlador general. Lo usual es 2 sensores y un actuador.
• Controladores en serie o cascada: en este caso existe un controlador para la variable principal y otro para la variable secundaria; la idea general es analizar y mejorar la dinámica de la variable manipulada (que es muy inestable) en perjuicio de la variable principal.
• Control selectivo : seguridad para el entorno de terreno y para el operario. Idea general; trabajar en los rangos de seguridad para las variables.
• Control anticipativo: se mide una o varias variables de entrada en el lazo y en función de estos datos se determina el trabajo del actuador.

Cabe destacar que las estrategias son aplicables a cualquier variable siempre y cuando el actuar de la operación sea lógico

Analizar y determinar las variables más sensibles y difíciles a controlar a la hora de una perturbación en el proceso.

Las variables de perturbación son factores externos con un efecto no deseado sobre el sistema controlado. En el ejemplo de un sistema de calefacción controlado (bucle cerrado), pueden ser fluctuaciones en la temperatura exterior o al abrir una puerta o ventana. Si el controlador está bien ajustado según las variables de perturbación esperadas, mostrará una buena respuesta a la perturbación y el impacto de la variable de perturbación permanecerá relativamente pequeño. Si el bucle de control incluye un elemento I, las variables de perturbación constante son corregidas completamente en el estado estacionario.

Las variables de perturbación pueden ocurrir en cualquier punto antes, en y después del sistema controlado. Si ocurre una después del sistema controlado, la función de transferencia de referencia es idéntica para la función de transferencia de perturbación. Por consiguiente, el controlador responde exactamente de la misma manera a una perturbación que a un cambio en el valor de referencia. Si la variable de perturbación actúa en la entrada del sistema controlado, la señal de interferencia pasa a través del sistema controlado y este cambia por consecuencia.

Existen diversas variables sin embargo entre las difíciles de controlar están la presión y temperatura , esto es debido a su capacidad de cambiar sobre todo en el caso de la presión sin previo aviso.

Diseñar un sistema de control para un proceso en estado dinámico tomando en cuenta las variables involucradas. El sistema anterior analizarlo, si existe una perturbación.

Este ensayo tiene como finalidad el diseño y la implementación del control de temperatura para el horno de secado de motores eléctricos con sistema “HVAC”, el cual permitirá realizar el monitoreo desde una pantalla, la cual brinda una interfaz amigable con el usuario, es decir una HMI. El control de dicho modulo será controlado por un PLC.

“HVAC” (Heating, Ventilating and Air Conditioning). La finalidad de un sistema HVAC, es proporcionar una corriente de aire, calefacción o enfriamiento adecuado a una zona determinada. Son útiles ya sea cuando se requiere de un sistema de calefacción para ingresar calor al local, o un sistema de enfriamiento cuando es necesario evacuar el calor local.

El sistema HVAC; es un proceso relacionado con la regulación de las condiciones ambientales con propósitos industriales o para hacer más confortable el clima en una zona determinada . Los sistemas de ventilación y acondicionamiento de aire tienen como función principal mantener condiciones de comodidad, temperatura, humedad y calidad de aire adecuadas para generar condiciones de climatización artificial controladas, dependiendo del tipo de aplicación y uso que se requiera de las instalaciones.

El sistema HVAC con sus respectivos equipos y elementos como la resistencia calefactora, el ventilador, el motor, los conductos, los sensores de temperatura, el panel de operación y el PLC (Controlador Lógico Programable); en su conjunto tienen como principales funciones de entregar calefacción y ventilación, es decir aire acondicionado a un determinado lugar.

La resistencia calefactora tiene la función de calentarse, permitiendo incrementar la temperatura; el blower, que es el ventilador en conjunto con el motor permite entregar un respectivo flujo de aire para su ventilación; los sensores cumplen con la función de medir o detectar la posición de un determinado objeto en el espacio y entregan señales eléctricas para el funcionamiento de los elementos de control; el PLC, permite la implementación del

sistema de control en lazo cerrado; manipula entradas y salidas además tiene una memoria programable para el almacenamiento del programa de instrucciones a través de un lenguaje de programación lo que permite realizar operaciones lógicas, aritméticas, secuencias, temporización, conteo, implementar cualquier algoritmo de control y trabajar en conjunto con el Panel de operación para efectuar el control del proceso, visualización y el monitoreo.

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Figura N°1: sistema HVAC individual.

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Figura N°2: Motores eléctricos.

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Figura N°3: Horno para secar motores eléctricos .

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Figura N°4: Componentes del sistema.

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Figura N°6: Diagrama de bloque del sistema en lazo cerrado.

El diagrama de bloques del sistema de control de temperatura del horno para el secado de motores eléctricos, funcionando en lazo cerrado.

• HMI. Hace referencia a la Interfaz Humano Máquina (LOGO! TD), a través de la cual el usuario podrá establecer el valor de consigna deseado (set point), monitorear las variables del proceso, entre otras.
• PLC. Representa la Unidad de Control de Lógica Programable, LOGO! 12/24 RC, elemento primordial del sistema, encargado de realizar las funciones de control de lazo cerrado y gestionar las comunicaciones con la HMI.
• I/O ANALÓGICO. Es un módulo de expansión de señales de entradas y salidas analógicas, mismo que proporciona un vínculo de comunicación de las señales de campo desde y hacia el PLC, para que pueda acceder a la información de las variables del sistema.
• CONVERSOR. Representado por un módulo de accionamiento de triac’s, que controla la cantidad de potencia entregada hacia el elemento final de control, para dicho propósito emplea un control de fase directo, conocido como conversor AC/AC.
• ECF. Elemento de Control Final, constituido por el arreglo de resistencias calefactoras, elementos capaces de alterar el valor de la variable de interés (Variable controlada).
• PROCESO. Representa el horno, el lugar donde se desea controlar la temperatura, mediante el empleo de las resistencias calefactoras.
• TRANSDUCTOR. RTD PT 100, dispositivo que permite la medición de una variable física, puesto que transforma la energía calórica en energía eléctrica (variación de resistencia eléctrica).
• TX. Es la representación de un Transmisor, instrumento que capta la variable del proceso y la transmite a distancia mediante una señal estándar de corriente para que pueda ser entendida por un controlador, indicador, registrador, etc.

La figura N°7 muestra el Diagrama de Tuberías e Instrumentación (P&ID) del control de temperatura para el horno del proceso.

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Figura N°7:Diagrama P&ID del proceso.

• HORNO. Cuenta con unas resistencias calefactoras, el cual ha sido adecuado internamente, para poder ser accionado con una tensión proporcional a la señal de control del PLC. Además, ventilador centrifugo accionado por un motor que proporciona un flujo de aire caliente en el interior del horno.
• ES. Alimentación de energía eléctrica de corriente alterna de 220 VCA, para alimentar los elementos de potencia que lo constituyen tantos las niquelinas, como el accionamiento de triac’s.
• TE - 101. Elemento primario de medición de temperatura, constituido por una RTD PT 100 de tres hilos, la cual se ubica en el interior del horno.
• TT – 101. Transmisor de temperatura, transmite la información de la temperatura a la que se encuentra hacia el controlador.
• TC – 101. Controlador de todo el sistema de temperatura del horno, PLC LOGO! 12/24RC, el mismo que además debe administrar la comunicación con una terminal de operador tipo HMI, este dispositivo se halla ubicado sobre el panel de control.
• TIR – 101. Es un registrador indicador de temperatura, conformado por una terminal de operador LOGO! TD, la cual permite ingresar valores de consigna, monitorear las variables del proceso y visualizar registros; de la misma forma se halla ubicado sobre el panel de control, accesible al operador.
• EC – 101. Controlador de tensión, lo constituye un driver de accionamiento de triac’s de 480VAC trifásico de 50 A, que regula la tensión entregada a las resistencias calefactoras y de manera indirecta la potencia, este equipo se encuentra ubicado en la parte posterior al panel de control, en una ubicación secundaria, la misma a la que podría accederse si se necesitara.
•         TZ – 101. Elemento final de control de temperatura, hace referencia a las resistencias calefactoras acondicionadas del horno, elemento que puede cambiar la magnitud en cuestión dentro del sistema.

En la Figura N° 8 se indica de manera clara y concisa el diagrama de flujo del funcionamiento y las tareas que se ejecutan para lograr el control del sistema de temperatura para el horno del proceso de secado de motores eléctricos. Inicia con la lectura de las entradas analógicas del proceso, las señales ingresan al controlador donde procesa la información de acuerdo al modo de control configurado que está correctamente sintonizada, además será posible visualizar las variables de proceso y monitorear el sistema de temperatura en una terminal de operador HMI. El controlador envía la señal correctiva hacia las salidas analógicas, esta señal es recibida por el driver de accionamiento de triac’s, el mismo que regulará la potencia eléctrica que será entregada hacia las resistencias calefactoras y de este modo mantener control sobre la temperatura del horno. El sensor de temperatura obtiene la medición de la variable a controlar del sistema, esta señal es enviada a las entradas analógicas del PLC cerrando así el lazo de control.

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