REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “RAFAEL MARÍA BARALT” VICERRECTORADO ACADÉMICO PROGRAMA: INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA PROYECTO: INGENIERÍA DE GAS EFECTIVIDAD DEL CONTROL TERMODINÁMICO EN EL CONSUMO DE VAPOR DE LAS PLANTAS DE PRODUCCIÒN CLORO-SODA Trabajo de Grado para optar al título de Ingeniero de gas Autores: Br. Dayana Guerrero Br. Emily Pianeta Tutores: Msc. María Flores
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Tesis Dayana Emily Final 14-06-12 (Editado Indice)
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
“RAFAEL MARÍA BARALT”VICERRECTORADO ACADÉMICO
PROGRAMA: INGENIERÍA Y TECNOLOGÍAPROYECTO: INGENIERÍA DE GAS
EFECTIVIDAD DEL CONTROL TERMODINÁMICO EN EL CONSUMO DE
VAPOR DE LAS PLANTAS DE PRODUCCIÒN CLORO-SODA
Trabajo de Grado para optar al título de Ingeniero de gas
Autores:
Br. Dayana Guerrero
Br. Emily Pianeta
Tutores:
Msc. María Flores
Msc. John Lamberto
Los Puertos de Altagracia, junio de 2012
EFECTIVIDAD DEL CONTROL TERMODINÁMICO EN EL CONSUMO DE VAPOR DE LAS PLANTAS DE PRODUCCIÓN CLORO-SODA
DEDICATORIA
A Dios, por permitirme llegar a este momento tan especial en mi vida. Por los
triunfos y los momentos difíciles que me han enseñado a valorar cada día
más.
A mi madre, por haberme apoyado en todo momento, por sus consejos, sus
valores, por la motivación constante que me ha permitido ser una persona de
bien, pero más que nada, por su amor.
A mi padre, Por los ejemplos de perseverancia, constancia, comprensión, la
paciencia y el apoyo que me brindó para culminar mi carrera profesional.
A mis familiares, por su participaron directa e indirectamente en la
elaboración de esta tesis.
Emily Pianeta.
A Dios, por guiarme, iluminarme, darme sabiduría y fortaleza, para afrontar
las pruebas que me pone la vida; permitiéndome llegar a la meta.
A mis padres, José Guerrero y Nancy Porras; por creer en mí, dándome
ejemplos dignos de superación y entrega, por ser mis pilares fundamentales,
ofreciéndome toda su confianza, comprensión y ayuda en todo momento.
A mis hermanas, Génesis Guerrero y Johana Porras, por ser una parte
especial en mi vida.
A mi abuelo, Bruno Guerrero, por su apoyo incondicional en todo momento.
A mi novio Manuel Núñez por formar parte de este logro tan importante de
mi vida.
Dayana Guerrero.
v
AGRADECIMIENTO
A Dios todo poderoso por ser guía constante, regente de nuestra vida,
conductor de nuestros destinos y por siempre guiarnos en el camino del
saber y del bien.
A la profesora María Flores, que nos orientó con sus conocimientos para la
realización de la tesis.
Al profesor John Lamberto por su tiempo, consejos y ayuda desinteresada.
A los trabajadores de la empresa Epilson Innovitas que nos brindaron la
información necesaria para tener las bases teóricas esenciales al momento
de desarrollar la tesis.
A todos los profesores que nos ofrecieron sus conocimientos en el transcurso
de la carrera para formarnos como profesionales.
A nuestros amigos que nos ayudaron en los momentos que más lo
necesitábamos
A la Universidad Experimental Rafael María Baralt, que a través de
Programas Educativos logra la transformación y desarrollo de una mejor
sociedad venezolana.
Muchas gracias.
vi
ÍNDICE GENERAL
Pág
.
HOJA DE APROBACIÓN III
DEDICATORIA V
AGRADECIMIENTO VI
ÍNDICE GENERAL VII
ÍNDICE DE CUADRO XI
ÍNDICE DE FIGURAS XII
ÍNDICE DE TABLAS XIII
ÍNDICE DE GRÁFICOS XIV
RESUMEN XV
INTRODUCCIÓN 1
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
Planteamiento del Problema 3
Formulación del Problema 6
Objetivos de la Investigación
Objetivo General 6
Objetivos Específicos 6
Justificación de la Investigación 6
Delimitación de la Investigación 7
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Antecedentes de la Investigación 8
Bases Teóricas 11
Procesos Industriales 40
vii
Elementos de un Lazo de Control
Lazos de Control en Circuitos Abiertos y Cerrados
Ventajas
Limitaciones
Elementos Primarios de Medición
Transmisores
Controladores
Elementos Final de Control
Instrumentos de Medición y Control
Según su Variable
Según la Energía
Según la Función
Medición de Presión
Clasificación de la Presión Atmosférica
Presión Atmosférica
Presión Absoluta
Presión Manométrica
Presión Hidrostática
Instrumentos de Medición de presión
Indicadores
Principio y Funcionamiento
Medición de Flujo
Elementos Primario de la Presión Diferencial
Principio y Funcionamiento
Medición de Nivel
Métodos de Medición
Escala de Temperatura
Fahrenheit
Celsius
viii
Kelvin
Instrumentos de Medición de Temperatura
Termómetro de Vidrio
Termómetros Bimetálicos
Principio y Funcionamiento
Transmisores
Importancia de los Transmisores en los Procesos Industriales
Transmisores Neumáticos
Transmisores Electrónicos
Sistemas de Control Manual
Ventajas y Limitaciones
Sistema de Control Automático
Ventajas y Limitaciones
Controladores
Principios de Funcionamientos de los Controladores
Controladores Neumáticos
Elementos Básicos
Elementos Primario de Medición
Válvulas Manuales
Tipos de Actuadores
Neumáticos
Acciones de las Válvulas
Directas
Inversas
Controlador Lógico Programable (PLC)
Equipos y Herramientas
Caracterización del Proceso: Modelos Dinámicos Lineales
Diagramas de Bloques
Representación en el Espacio de Estados
Representación de Lazo de Control
ix
Control Termodinámico
Ecuaciones Generales Aplicadas a un Volumen de Control
Balance Másico
Balance de Cantidad de Movimiento
Balance Energético
Generación de Entropía
Definición de Términos Básicos
CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO
Tipo de investigación
Diseño de la investigación
Población y muestra
Técnicas de instrumentos de recolección de datos
Validez del instrumento
Procedimiento de la investigación
CAPÍTULO IV:
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
CONCLUSIONES
RECOMENDACIONES
BIBLIOGRAFÍA
ÍNDICE DE CUADRO
x
N° Pág.
01. Operacionalización de la Variable 18
02. Cuadro de Distribución Poblacional 31
ÍNDICE DE FIGURA
xi
N° Pág.
01. Esquema General del Proceso de la Planta Cloro Soda 18
02. Diagrama de Tubería e Instrumentación del Tanque de
Circulación de Caustica
31
ÍNDICE DE TABLA
xii
N° Pág.
01. Alícuotas de la Planta Cloro Soda 18
02. Resumen Anual de la Planta Cloro Soda 31
ÍNDICE DE GRAFICOS
xiii
N° Pág.
01. Relación Agua Sodio en el Proceso de Soda Caustica de la
Planta Cloro Soda
18
02. Relación Liquido-Vapor en el proceso de Soda Caustica de la
Planta Cloro Soda
31
03. Relación Energía Libre de Gibbs de la Mezcla Agua-Sodio en
el Proceso de Soda Caustica de la Planta Cloro Soda
31
04. Relación Volumen Temperatura de la Mezcla Agua-Sodio en el Proceso de Soda Caustica de la Planta Cloro Soda
36
Dayana Guerrero y Emily Pianeta. Tutores: María Flores y John Lamberto. EFECTIVIDAD DEL CONTROL TERMODINÁMICO EN EL CONSUMO DE VAPOR DE LAS PLANTAS DE PRODUCCIÓN CLORO-SODA. Universidad
xiv
Nacional Experimental “Rafael María Baralt”. Trabajo Especial de Grado para optar al Título de Ingeniero en Gas. Los Puertos de Altagracia, Edo. Zulia 2012.
RESUMEN
El propósito que persiguió la realización del presente estudio fue la efectividad del control termodinámico en el consumo de vapor en plantas de producción cloro soda de la costa oriental del lago. La investigación se sustentó en teorías aportadas por Martínez (2005), Creus. (2007), y Roffel y Betlem (2005), entre otros. De este modo, se desarrolló una investigación del tipo descriptivo, bajo la modalidad no experimental-transversal-de campo. La unidad de análisis se ubicó en una planta de producción cloro soda, sobre la cual se recolectó la información. De los datos aportados por el instrumento se pudo observar que la planta de cloro soda recibe energía eléctrica trifásica de 34,5 Kv en corriente alterna, la cual se transforma en 110 voltios y se rectifica para entregar 180.000 amperios de corriente continua a cada electrolizador. Dentro del sistema cloro soda otros compontes que integran el proceso son las bombas que brindan de flujo y presión para el ingreso de la mezcla dentro de los diferente procesos por los que se enfrentan. Dentro del diagrama presentado se puede observar que estas se encuentran en los procesos de síntesis de ácido clorhídrico y a la salida del tanque del HCl a 32%. El promedio anual de consumo de vapor estuvo ubicado más en el mes de marzo, con un valor de 7136.80 TM. El total de registro de consumo de vapor para los seis primeros meses del año fue de 38570 TM en un promedio de consumo mensual de 6428.34 TM.
Palabras claves: Control, Elementos, Lazo de control, Cloro Soda, Vapor.
xv
INTRODUCCIÓN
El objetivo de todo proceso industrial es la obtención de un producto
final, con unas características determinadas la cual cumpla con las
especificaciones y niveles de calidad exigidos por el mercado. Esta
constancia en las propiedades del producto sólo será posible gracias a un
control exhaustivo de las condiciones de operación, ya que tanto la
alimentación al proceso como las condiciones del entorno son variables en el
tiempo. La misión del sistema de control de proceso será corregir las
desviaciones surgidas en las variables de proceso respecto de unos valores
determinados, que se consideran óptimos para conseguir las propiedades
requeridas en el producto final.
Los sistemas de control pueden ser de lazo abierto o de lazo cerrado,
según si la variable controlada no tiene un efecto retroactivo sobre el sistema
que la está controlando, o si por lo contrario sí lo tiene. En este trabajo en
particular trataremos el proceso de la realimentación en sus distintas formas
teniendo en cuenta su utilidad, su clasificación, efectos elementos, entre
otras. Una parte de la señal de salida se aplica a la entrada. En la mayoría
de los casos se resta de la señal de entrada. Esto se denomina
realimentación negativa o degenerativa.
El sistema de control nos permitirá una operación del proceso más
fiable y sencilla, al encargarse de obtener unas condiciones de operación
estables, y corregir toda desviación que se pudiera producir en ellas respecto
a los valores de ajuste. La implantación de un adecuado sistema de control
de proceso, que se adapte a las necesidades del sistema, significará una
mejora a la operación.
La presente investigación se presenta de la siguiente forma:
1
El Capítulo I: Establece las características del caso tomado en el
estudio, sus objetivos, la pertinencia e importancia de la investigación así
como su delimitación en un intervalo espacio-tiempo determinado.
El Capítulo II: Muestra ciertos trabajos relacionados directa e
indirectamente con el tema que apoyan la consecución del estudio realizado,
los diferentes fundamentos teóricos existentes y los términos que han sido
involucrado al tema.
El Capítulo III: Plantea el tipo de investigación y su diseño, la
población y la muestra, el instrumento de recolección de la información, la
validez y confiabilidad del mismo y la operacionalización de la variable.
El Capítulo IV: Muestra la presentación de los resultados, su análisis y
discusión. Por último, se presentan las conclusiones del trabajo y las
recomendaciones producto del análisis de la problemática presente, el listado
de referencias bibliográficas que fundamentaron la investigación y los anexos
que brindan soporte a los aspectos tratados en el estudio.
2
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
Planteamiento del problema
En los últimos años el ahorro de energía en los procesos de
producción se ha convertido en uno de los grandes retos. Mientras mayor es
el ahorro energético logrado por la industria, mayor es su rendimiento, el cual
va reflejando en sus niveles de producción, brindando satisfacción al cliente y
un equilibrio entre la industria y el medio ambiente.
La soda cáustica es una sustancia incolora e higroscópica que se
vende al mercado en forma de trozos, escamas, hojuelas, granos o barras.
Se disuelve en agua con fuerte desprendimiento de calor obteniendo una
solución acuosa llamada “lejía de sosa”. Tanto la soda o sosa cáustica, como
su solución acuosa atacan la piel.
En su mayor parte, la soda cáustica y la lejía de sosa se obtienen en
la electrólisis cloro-álcali. Sin embargo todavía hoy se obtiene una pequeña
parte de la lejía de sosa por caustificación de Na2CO3 (Carbonato Sódico). Se
calienta una solución de Carbonato con la cantidad correspondiente de cal
apagada (Ca (OH)2), con lo que precipita CaCO3 (carbonato de calcio)
insoluble y queda en la solución de NaOH (Hidróxido de Sodio).
La materia prima en una planta de cloro soda es el cloruro de sodio
(NaCl), con la que se prepara una solución acuosa de concentración
aproximada a 310 g/l de cloruro de sodio. Esta salmuera, luego de un
proceso de purificación para eliminar magnesio, calcio, sulfatos, es enviada a
las celdas de electrolisis con cátodos de mercurio como ánodos metálicos,
en las que se forman amalgamas de Hg-sólido junto al desprendimiento del
gas Cl2. La amalgama se descompone posteriormente por reacción con agua
para liberar gas H2 junto a la solución de soda cáustica que constituye la
3
producción. El H2 desprendido se comprime a lo que a su vez es enviado a
los reactores de HCl o a la planta de H2O2 (agua oxigenada). El Hg retorna al
proceso.
El gas Cl2 que emerge de las celdas de electrolisis, luego de ser
sometido a un proceso de secado por lavado con H2SO4 en torres rellenas.
Es comprimido mediante maquinas rotativas a 2.5 Kg/cm2 y enfriado hasta -
28ºC, para obtener así el Cl2 líquido, que se envasa en tubos de 1000 Kg. de
capacidad y luego se comercializa o se consume internamente. Las colas o
gas Cl2 que no fue licuado en la operación anterior, conjuntamente con otros
gases no condensables en estas condiciones (N2, O2, H2), son enviados a
torres rellenas en las cuales el Cl2, es absorbido por una solución de soda
cáustica para formar hipoclorito de sodio, que se comercializa en solución
acuosa a granel, con una concentración de 100-105 g/l de Cl2 activo.
En ocasiones, parte del Cl2 seco y comprimido, se lo hace reaccionar
con H2 en reactores construidos en grafito (quemadores), en los que se
genera HCl gaseoso que luego es absorbido con H2O en equipos especiales,
también construidos en grafito, para obtener la solución comercial de HCl al
32%
Para la planta de Cloro Soda del complejo Petroquímico Ana María
Campos, el aspecto antes mencionado es considerado de gran importancia
ya que los sistemas de distribución de aire de proceso e instrumentos, vapor
de la planta presentan problemáticas que traen como consecuencia consumo
excesivo de este servicio disminución de su eficiencia y a la vez la eficiencia
de la planta en general, pudiendo provocar paradas no planificadas debido
al bajo rendimiento en equipos.
Actualmente la planta de Cloro Soda está presentando numerosas
pérdidas de vapor (fugas abiertas), liberando al ambiente vapor vivo
(sobrecalentado) que contiene gran cantidad de energía, de vapor
provocando que el suministro de este servicio aumente y a su vez aumente
el costo de operación.
4
Por otra parte, el funcionamiento poco eficiente de algunas trampas de
vapor aumentan la presencia de condensado dentro de las líneas de
distribución de vapor. Esta baja eficiencia pueda ser provocada por fugas
abiertas en las líneas, mala selección de trampas o quizás por fallas
comunes, tales como bloques que impiden la salida del condensado de las
trampas de igual forma la distribución de vapor pueda verse afectada de la
misma manera.
Así mismo, todo lo anterior refleja un descontrol de las diversas
variables que intervienen en el proceso de obtención de los productos,
tomando en consideración que este tipo de eventualidades son consideradas
de gran relevancia ya que los parámetros operativos de la planta son muy
estrictos.
De igual manera, cuando se toma en cuenta que la termodinámica de
un sistema se basa en el aprovechamiento de la energía para la
transformación adecuada de la materia prima, la misma se convierte en una
debilidad que ha de ser observada con precisión para mantener acciones
que permitan brindar una refutación efectiva de los objetivos operacionales.
Por ello, cuando se aborda este último aspecto que indica la
direccionalidad de las actividades presente en la planta, el seguimiento
desarrollado en ellas fundamentado en estos objetivos son completamente
distintos a lo que realmente se plantea dentro de los procesos de producción,
lo cual desencadena que exista divergencia de los resultados empleados a
los alzados por el proceso productivo, lo cual trae además, pérdidas
irrecuperable, ya que el resultado se traduce en medidas importante de
entropía, es decir, de energía que no puede ser reutilizada.
5
Objetivos de la investigación
Objetivo general
Analizar la efectividad del control termodinámico en el consumo de
vapor en plantas de producción cloro soda de la costa oriental del lago.
Objetivos específicos
Identificar las variables termodinámicas básicas que integran el lazo
de control en plantas de producción cloro soda de la costa oriental del
lago.
Describir el proceso de control presente en el consumo de vapor en
plantas de producción cloro soda de la costa oriental del lago
Analizar la eficiencia térmica del consumo de vapor en plantas de
producción cloro soda de la costa oriental del lago.
Establecer la efectividad del control termodinámico en el consumo de
vapor en plantas de producción cloro soda de la costa oriental del
lago.
Justificación de la investigación
La utilización del vapor como fuente de energía calórica, constituye
alguno de los insumos más costosos de la industria petroquímica. Debido al
incremento de los costos actuales tanto la producción como el consumo de
este servicio se han limitado a tal punto que se ha hecho imprescindible
minimizar su pérdida.
Desde el punto de vista teórico, permitirá conocer aspectos
conceptuales importantes relacionados con el consumo del servicio de vapor,
los elementos que distinguen el lazo de control presente en la producción
cloro soda y las características necesarias en la aplicación de un análisis
6
termodinámico del sistema. Así mismo, con la realización de esta
investigación se analizaron los diversos procedimientos para mejorar el
consumo de estos diferentes servicios, los cuales pueden servir de guía para
estudios futuros.
Bajo su perspectiva metodológica, la realización del estudio de la
evaluación del consumo de servicios de vapor en la planta de cloro soda
permite determinar, ubicar y cuantificar las pérdidas existentes de este
servicio a través de fugas presentes en las líneas o en los diferentes equipos,
o atreves del consumo excesivo de este servicio en equipos por baja
eficiencia. Adicionalmente, permite establecer si se encuentra dentro de los
parámetros establecidos.
Finalmente, las implicaciones prácticas en la realización de la
investigación radica en la evaluación de la efectividad térmica del sistema de
para lograr la optimización del uso del vapor. Todo esto para permitir conocer
su consumo actual, además de establecer diferentes alternativas que
reduzca el consumo de este servicio lo que se traducirá en ahorro para la
planta de cloro soda y la empresa y así mismo hacer más eficiente los
procesos de producción dentro de la planta.
Delimitación de la investigación
La presente investigación se realizó en la Universidad Nacional
Experimental “Rafael María Baralt” con informes de las condiciones de las
plantas de producción cloro soda presentes en la subregión Costa Oriental
del Lago de Maracaibo y del Instituto Zuliano de Investigaciones
Tecnológicas, del estado Zulia. Así mismo, el estudio se efectuó en un rango
comprendido entre noviembre de 2011 hasta junio de 2012
7
CAPÍTULO II
MARCO TEORICO
Antecedentes de la investigación
Guerra (2009) “Diseño de estrategia de control avanzado para
minimizar efectos perturbadores en la calidad de productos en torre
desbutanizadora”. El objetivo de esta investigación fue diseñar una estrategia
de control avanzado que permitiera controlar la calidad de los productos de
tope y de fondo de la torre desbutanizadora V-303 de la planta de
fraccionamiento bajo grande, ante perturbaciones de flujo y temperatura en la
corriente de alimentación a la torre, considerando la nueva caracterización
del LGN proveniente del Complejo Criogénico de Occidente CCO, esta
nueva composición de gas entrará a la planta Bajo Grande una vez sea
puesto en servicio el Complejo.
El proceso de recolección de data se obtuvo a través de la
herramienta de simulación de procesos Hysys Versión 3.2 en estado estático
para conocer la caracterización del gas y en estado dinámico para la
obtención de la data puesto que el CCO está actualmente en fase de
ingeniería. Se realizaron perturbaciones tipo escalón a lazo abierto y con la
data generada y utilizando identificación de sistemas del matlab Versión 7.0,
se obtuvo después de análisis de estabilidad de los sistemas de control, las
ecuaciones de transferencias en el dominio de Laplace para cada uno de los
casos en estudio.
Se diseñaron algunas estrategias de control avanzado en diagrama de
bloques que representadas en el Simulink de Matlab permitieron hacer una
comparación de las respuestas obtenidas desde un Control PI, Control en
cascada con PID hasta Feedfoward con perturbaciones de flujo y
temperatura a la entrada y se mantuvieron las referencias o setpoints tanto
8
en tope como en fondo, se seleccionó el control por adelanto como la
estrategia de control avanzado que produjo una mejor y más rápida
respuesta ante las perturbaciones analizadas y que permitió mantener los
controles de temperatura en tope y fondo para obtener dentro de los
parámetros la calidad de los butanos y gasolina natural que se exige.
Portillo (2009). “Diseño de un controlador óptimo aplicado al sistema
antisurge de planta compresora Lago 1 PDVSA Occidente”. En actualidad la
disponibilidad del gas natural se ve reducida en el Occidente del País, es por
ello que las plantas requieren recircular importantes volúmenes de flujo para
evitar el surge (oscilaciones) y proteger el compresor, el sistema de control
actual PI convencional instalado con frecuencia no las detecta debido a que
la velocidad de las oscilaciones es tal que el sistema no responde a ellas, lo
cual está perjudicando la disponibilidad de la planta, para solucionar este
problema se diseñó un controlador Optimo Lineal o PI optimo, el cual permite
respuestas rápidas y el rechazo a perturbaciones, es una solución temprana
al problema del adecuado funcionamiento de los controladores
antioscilaciones en PDVSA Occidente.
Se realizaron todas las pruebas necesarias para determinar las
condiciones de operación y el estudio de la dinámica del proceso,
primeramente se hizo el análisis de estabilidad, gráfica del lugar geométrico
de las raíces y análisis en frecuencia (diagrama de Bode) tanto en tiempo
continuo como en discreto, mediante la realización simulaciones en Matlab y
Simulink.
El tipo de Investigación se enmarcó dentro de la Explicativa, Aplicada
y no Experimental, utilizando la técnica de la observación directa el cual fue
aplicado a una población conformada por un módulo de compresión de gas.
El presente estudio sirvió de fundamento teórico en el modelado del proceso
de compresión de gas, en la Identificación de sistemas y en la aplicación de
teorías de control óptimo y práctico aportando la simulación del proceso real
de los compresores, en donde se evidencio que la aplicación de un PI optimo
9
comparado con PI discreto mejora la respuesta del sistema además que
rechaza las perturbaciones.
López (2008). “Diseño de un control automático para plantas eléctricas
a gasoil supervisadas a través del sistema Scada”. Esta investigación tuvo
por objeto diseñar una estrategia de control automático para plantas
eléctricas a gasoil supervisadas a través del sistema SCADA, para lograr
este objetivo, será diagnosticada la situación actual de la estación ubicada en
el Caserío El Roble del Estado Falcón perteneciente a la Compañía Anónima
Electricidad de Occidente (ELEOCCIDENTE), se definirán las variables
susceptibles de automatización en el proceso inherente a las plantas
eléctricas de gasoil, se precisará la interface que permita la comunicación
remota entre el proceso productivo a través del computador y el sistema
SCADA y por último se diseñará el sistema de control que utilizarán las
plantas eléctricas a gasoil.
Para esto se definieron principalmente dos variables, que no son más
que características observables de algo que es susceptible de adoptar
diferentes valores o de ser expresadas en diferentes categorías, tomando en
consideración lo anteriormente expuesto, en la presente investigación se
ubicaron dos variables de estudio, denominadas "Microcontrolador" y
"SCADA". El tipo de investigación de este estudio fue descriptivo, de campo y
tecnológica.
La estación en estudio, requiere un control automático, ya que la
empresa posee gran cantidad de equipos de transmisión que deben poseer
una fuente de energía, que a su vez falla en determinados momentos, en ese
caso, esa localidad, posee un sin número de plantas generadoras de
electricidad las cuales funcionan por combustible. Adicional a eso, las
mencionadas plantas poseen un control analógico de contactores, relé y
temporizadores de aguja lo que genera problemas; razón por la cual, se
propone un sistema de automatización que mejore el control y visualización
de los parámetros de la planta eléctrica.
10
El análisis de los resultados estuvo enmarcado en base a las pruebas
realizadas por medio del programa simulado, contrastando los diferentes
comportamientos ante la presencia de carga en la línea principal o en la
planta eléctrica. Los resultados llevaron a concluir a través de la evaluación,
que el sistema posee condiciones que permiten establecer el modelo de
control planteado.
Bases Teóricas
Procesos industriales
Elementos de un lazo de control
Según Roffel y Betlem (2005:109), los procesos industriales que deben
controlarse pueden dividirse ampliamente en dos categorías: procesos
continuos y procesos discontinuos. En ambos tipos deben mantenerse en
general las variables (presión, caudal, nivel, temperatura, entre otros) bien en
un valor fijo deseado, bien en un valor variable con el tiempo de acuerdo con
una relación predeterminada, ya guardando una relación específica con otra
variable. El sistema de control que permite este mantenimiento de las
variables puede definirse como aquel que compara el valor de las variantes o
condiciones por controlar con un valor deseado y ejecuta una acción de
corrección, de acuerdo con el desviador existente, sin que el operario
intervenga en absoluto.
El sistema de control exige, pues, para que esta comparación y
subsiguiente corrección sean posibles, que se incluya: una unidad de
medida, una unidad de control, un elemento final de control, y el propio
proceso. Este conjunto de unidades forman un bucle o lazo que recibe el
nombre de bucle o lazo de control.
11
En el dominio de una variable por medio de un lazo de control existen
elementos básicos interactuantes, que son:
El proceso: el cual es representado por la variable que deseamos
controlar.
Elemento de medición: el cual se encarga de sensar los cambios
sufridos por la variable, y de generar una señal de respuesta en forma de
movimiento, cambio de resistencia, cambio de voltaje, etc. Puede formar
parte de un transmisor o de un controlador.
El elemento de control: está representado por el controlador y se encarga
de comparar la señal generada por el elemento de medición, la cual es
representativa del valor de la variable, con otro valor pre-establecido llamado
valor deseado y entregar al elemento final de control, una señal en función
de la diferencia entre el valor medido (variable) y el valor deseado
(referencia).
Elemento final de control: es el elemento encargado de modificar el
estado de la variable, en función de la señal recibida desde el controlador. En
los lazos de control industrial, el elemento final generalmente es una válvula
de control.
Lazos de control en circuitos abiertos y cerrados
Según Roffel y Betlem (2005: 120), Existen dos tipos de lazo, el abierto
y el cerrado: el lazo de control abierto es aquél en que la señal que circula
por sus elementos nace en un punto y termina en otro, es decir, carece de
retroalimentación; y el lazo de control cerrado es aquel en el cual la señal
originada parte de cada uno de los elementos de lazo de control y regresar al
punto o lugar de origen, es decir, posee retroalimentación. A continuación, se
presentan las ventajas y limitaciones de ambos lazos de control.
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Ventajas
En los lazos de control abierto la estabilidad no es afectada por los
cambios de carga del proceso. Son sistemas de control más sencillos, menos
costosos y se ajustan con facilidad. Los lazos cerrados nos permiten realizar
un control más exacto de. La variable, y lograr un producto mejor terminado,
lo que permite mayores divisas, y como mantiene un dominio ininterrumpido
de la variable, contribuye a reducir los costos de operación.
Limitaciones
La estabilidad en los lazos cerrados afectada por las perturbaciones. Se
requiere personal calificado para su ajuste, lo cual suele ser costoso. El
control de los procesos de lazo abierto es menos exacto.
Elementos primarios de medición
Según Creus (2007), Es la parte de la unidad de medición que está en
contacto con el proceso y convierte la energía de la variable en una señal
adecuada por su medición. Cuando en un lazo de control aparezca el
transmisor, queda entendido que debe existir un elemento sensor (elemento
primario) y uno de medición. Dentro de los tipos de elementos primarios se
encuentran los mecánicos y los eléctricos.
Transmisores
Según Creus (2007), Son instrumentos que captan el valor de la
variable y la trasmiten a distancia, por medio de señales estandarizadas, un
instrumento receptor indicador, registrador, controlador o una combinación
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de estos. Normalmente, se le da el nombre al transmisor según la energía
utilizada por transmitir información de la variable y existen varios tipos de
señales.
Controladores
Según Creus (2007), son los instrumentos que reciben la información
del transmisor, la comparan con un valor preestablecido, llamado
comúnmente punto de ajuste (set-point), y envía una señal de corrección en
función de la desviación al elemento final de control. De acuerdo con la
energía utilizada, se puede decir que los controladores más utilizados son los
neumáticos y los electrónicos y, según su diseño, hay instrumentos de esta
clase para instalar en el campo y en las salas de control.
Elemento final de control
Para Creus (2007), es la parte de los medios de control que modifica
directamente el valor de la variable manipulada. El elemento final más
utilizado es la válvula de control; sin embargo, existen otros, tales como:
hojas de ventilador, SCRs, reactores de núcleo saturado, amplificación
magnéticos, motores entre otros.
Instrumentos de medición y control
Según su variable
Según Creus (2007), Una de las formas de agruparlos instrumentos es
considerando la variable donde presentan servicio. La cantidad de variables
utilizadas en los procesos industriales es muy amplia. A continuación se
listan uno de los instrumentos usados para medir y controlar algunas de
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estas variables. Instrumentos de: presión, flujo, nivel, temperatura, velocidad,
humedad y pH.
Según la energía
Los instrumentos se pueden agrupar, también, dependiendo del tipo de
energía empleada para generar la señal que transporta la información, del
Temperatura ambiente: temperatura que prevalece en un ambiente dado
(Mendiburu, 2006)
Termopar: es un dispositivo compuesto de dos metales diferente que genera
una pequeña tensión en función de la diferencia de temperaturas entre la
unión que hace la medición y la unión que sirve de referencia; esta tensión
puede ser medida y su magnitud sirve de medición de la temperatura en
cuestión (Roffel y Betlem, 2005).
Tubo bourdón: tubo manométrico curvado de metal elástico que se deforma
al aplicar presión en su interior (Roffel y Betlem, 2005).
Valor: el nivel de la señal que se mide o regula (Mendiburu, 2006).
Válvula de control: dispositivo diferente a la válvula común de dos
posiciones, operadas manualmente, que manipula en forma directa el flujo de
una o más corrientes de flujo de procesos. Esta también es conocida como
elemento final de control (Roffel y Betlem, 2005).
Variable: un nivel, cantidad u otra condición que está sujeto a cambios, y que
puede ser controlada (Roffel y Betlem, 2005).
Variable controlada: dentro de un lazo de control es la variable que se capta
a través del transmisor y que origina una señal de realimentación (Roffel y
Betlem, 2005).
Variable manipulada: la que modifica el equipo automático de control de
modo que cambie la variable controlada y hace que coincida con el valor
deseado (Roffel y Betlem, 2005).
Variable medida: cantidad, propiedad o condición física que es medible
(Roffel y Betlem, 2005).
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Cuadro 1
Operacionalización de la variableObjetivo General: Analizar la efectividad del control termodinámico en el consumo de vapor en plantas de producción cloro soda de la costa oriental del lago