diseÑo de un lazo de control para la operaciÓn del horno de cocciÓn de bloques y ladrillos de...
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD DEL ZULIA
NÚCLEO COSTA ORIENTAL DEL LAGO PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA
COMITÉ TÉCNICO
DISEÑO DE UN LAZO DE CONTROL PARA LA OPERACIÓN DEL HORNO DE COCCIÓN DE BLOQUES Y LADRILLOS DE ARCILLA
Trabajo Especial de Grado para optar al título de Ingeniero Mecánico
Autores:
Br. Alejandro Daniel Leal Bermúdez
Br. Jesús Alberto Corona Villasmil
Tutor Académico:
Prof. Franklin López
Tutor Industrial:
Ing. Carlos Guerra
Cabimas, Mayo de 2010
DISEÑO DE UN LAZO DE CONTROL PARA LA OPERACIÓN DEL HORNO DE COCCIÓN DE BLOQUES Y LADRILLOS DE ARCILLA
_____________________________ Br. Alejandro Daniel Leal Bermúdez
Autor C.I. V-17.634.137
Dirección: Sector El Bajo, Av. 29 entre calles 53 y 55, casa Nº 53-175, Municipio San Francisco, Estado Zulia, Venezuela. Teléfono: (0412)6499142
E-mail: [email protected]
_____________________________ Br. Jesús Alberto Corona Villasmil
Autor CI: V- 18.319.278
Dirección: Sector Betulio González, calle 27 con Av. 15, casa Nº 15-39, Municipio San Francisco, Estado Zulia, Venezuela. Teléfono: (0412)6558620
E-mail: [email protected]
_____________________________ Prof. Franklin López
Tutor Académico
_____________________________ Ing. Carlos Guerra
Tutor Industrial
VEREDICTO
Nosotros Profesores, LUÍS LÓPEZ, HECBER NAVA, FRANKLIN LÓPEZ designados
como jurado Examinador del Trabajo Especial de Grado Titulado “DISEÑO DE UN LAZO DE CONTROL PARA LA OPERACIÓN DEL HORNO DE COCCIÓN DE BLOQUES Y LADRILLOS DE ARCILLA” que presentan el Br: LEAL BERMÚDEZ,
ALEJANDRO DANIEL, C.I.: V-17.634.137, y el Br. CORONA VILLASMIL, JESÚS
ALBERTO, C.I.: V-18.319.278, nos hemos reunido para revisar dicho trabajo y después
del interrogatorio correspondiente, lo hemos aprobado calificándolo como
________________________ de acuerdo con las normas vigentes aprobadas por el
Consejo Académico del Núcleo Costa Oriental del Lago Universidad del Zulia para la
evaluación del Trabajo Especial de Grado. En fe de lo cual firmamos, en Cabimas a los
cinco días del mes de mayo de dos mil diez.
________________________ Prof. Luis Lopez Jurado Principal
________________________
Prof. Hecber Nava Jurado Principal
________________________ Prof. Franklin Lopez
Tutor Académico
AGRADECIMIENTOS
A Dios todo poderoso por ser el principal guía, por escucharme y ayudarme, tanto en
los buenos como en los difíciles momentos de mi camino.
A mis padres Ángel y Miglena por siempre llevarme por el camino correcto y por hacer
de mí lo que soy hoy, mostrándome el verdadero valor de las cosas y ante todo a luchar
por alcanzar una meta.
A mi novia, Zoreidis por su apoyo incondicional, por estar siempre conmigo desde el
comienzo de este sueño, brindándome amor, confianza, y mucha paciencia.
A mi hermano Ángel que ha sido un apoyo fundamental en todos estos años de estudio.
A mi primo Juan Gil, por ser gran compañero a lo largo de toda la carrera.
A la ilustre Universidad del Zulia y a todos los profesores por haberme formado como
profesional, en especial al profesor Franklin López por brindarme su apoyo en la
culminación de mi carrera.
A Alfarería y Cerámicas del Caribe C.A. por darme la oportunidad de llevar a cabo este
trabajo, al Licenciado Luís Fuenmayor y los Ingenieros Carlos Guerra, Jorge Peña y
Yennier González por ser mis guías en la realización de este trabajo.
A todas aquellas personas que de una u otra forma, colaboraron o participaron en la
realización de esta investigación, hago extensivo mi más sincero agradecimiento.
….A Todos Muchas Gracias.
Br. Alejandro Leal
AGRADECIMIENTOS
A Dios todo poderoso, por haberme llenado de dicha, sabiduría y bendiciones, quien
nos proporciona la fuerza necesaria para continuar adelante y dejar atrás los que nos
pasas en situaciones difíciles.
A la Virgen Maria Mi (Chinita), Madre Celestial por interceder por mi antes Dios nuestro
señor, y darme su bendición para cumplir con mis objetivos y metas.
Con gran amor y orgullo a mis padres por ser mis guías y apoyo, además de ser
quienes durante toda su vida se han esforzado por darme lo mejor de si.
Al Ing. Franklin López, profesor y tutor académico por tener siempre una disponibilidad
y colaboración, y por su parte la culminación de este trabajo.
A esos seres especiales, de una u otra forma contribuyeron a la realización de esta
investigación.
Br. Jesús Corona
INDICE GENERAL
Portada
Frontispicio
Veredicto
Agradecimientos iv
Indice general vi
Indice de figuras x
Indice de Tablas xii
Indice de anexos xiii
Resumen 14
Abstract 15
Introduccıón 16
Capítulo I. 18
1.1 Antecedentes de la investigación 19
1.2 Proceso de elaboración de bloques y ladrillos 22
1.3 Principios generales de la cocción 28
Capítulo II. Marco teórico 30
2.1 Transferencia de Calor 31
2.2 Equipos de transferencia de calor 34
2.2.1 Intercambiadores 34
2.2.2 Calentadores 35
2.2.3 Enfriadores 35
2.2.4 Condensadores 35 2.2.5 Evaporadores 35
2.2.6 Hornos 35
2.2.6.1 Tipos de hornos industriales 36
2.3 Automatización de proceso 40
2.3.1 Definiciones de elementos que conforman un sistema de control 41
2.3.1.1 Proceso 41
2.3.1.2 Sistema 41
2.3.1.3 Planta 42
2.3.1.4 Perturbación 42
2.3.1.5 Variable controlada 42
2.3.1.6 Variable manipulada 42
2.3.1.7 Punto de ajuste 42
2.3.1.8 Control 43
2.3.1.9 Control automático 43
2.3.2 Sistema de control retroalimentado 43
2.3.4 Sistema de control de lazo o Bucle cerrado 44
2.3.5 Sistema de control de lazo o Bucle abierto 44
2.3.6 Sistema de control de lazo cerrado vs. Sistema de control de lazo abierto 44
2.4 Modelo matemático de un sistema físico - dinámico 44
2.4.1 Modelo matemático para sistemas térmicos 45
2.5 Función Transferencia 50
2.6 Diagramas de bloques 52
2.6.1 Diagrama de bloques de un sistema de lazo cerrado 53
2.7 Acciones básicas de control en lazo cerrado 53
2.7.1 Clasificación de controladores industriales analógicos. 54
2.7.2 Efectos del sensor (elemento de medición) en el comportamiento del
sistema 60
2.8 Estrategias de control 60
2.8.1 Control en cascada 60
2.8.2 Control de relación 62
2.8.3 Control anticipativo (Feed Forward) 63
2.8.4 Control de gama partida 64
2.8.5 Control Selectivo 66
2.9 Instrumentación Industrial 67
2.9.1 Instrumentos ciegos 67
2.9.2 Instrumentos indicadores 67
2.9.3 Instrumentos registradores 67
2.9.4 Elementos primarios 67
2.9.4.1 Instrumento para medición de presión 68
2.9.4.2 Instrumentos para medición de flujo 69
2.9.4.3 Instrumentos para medición de temperatura 71
2.9.5 Transmisores 76
2.9.6 Transductores 77
2.9.7 Convertidores 77
2.9.8 Receptores 77
2.9.9 Controladores 78
2.9.10 Elemento final de control 78
Capítulo III Marco metodológico 85
3.1 Tipo de Investigación 86
3.2 Diseño de la Investigación 87
3.3 Poblacion y muestra de la investigación 88
3.4 Tecnica de recoleccion de datos 89
3.5 Fases para el desarrollo de los objetivos de la investigación 90
Capítulo IV Discusión de los Resultados 92
4.1 Identificar condiciones de operación y funcionamiento del horno 93
4.2 Mejoras en la construcción del horno a fin de garantizar el control óptimo de
la temperatura 94
4.3 Modelo Matemático del proceso 95
4.4 Instrumentos y/o equipos propuestos a utilizar para el lazo de control de
operación del horno. 97
4.4.1 Sensor de temperatura 97
4.4.2 Controlador de Temperatura 98
4.4.3 Válvula de control 102
4.4.4 Quemador de gas 103
4.4.5 Transformador de ignición 105
4.4.6 Electrodo de ignición 106
4.4.7 Detector de llama 106
4.4.8 Válvula solenoide 107
4.4.9 Regulador de presión de gas 107
4.4.10 Válvula de seguridad de cierre automático 108
4.4.11 Indicador de presión 109
4.5 Función de transferencia global del lazo 109
4.6 Determinar los costos asociados a la propuesta de automatización del
control operativo del horno 115
Conclusiones 118
Recomendaciones 121
Referencias bibliograficas 124
Anexos 126
INDICE DE FIGURAS Capitulo I
Figura 1. Diagrama del proceso de elaboración de bloques y ladrillos de Alcaribe
C.A. 28
Figura 2. Curva de cocción temperatura-tiempo 29
Capitulo II
Figura 3. Proceso térmico 46
Figura 4. Elemento de un diagrama de bloques 52
Figura 5. Diagrama de bloque de un sistema de lazo cerrado 53
Figura 6. Diagrama de bloques de un controlador proporcional 56
Figura 7. Diagrama de bloques de un controlador integral 57
Figura 8. Diagrama de bloques de un controlador proporcional-integral 58
Figura 9. Diagrama de bloques de un controlador proporcional-derivativo 59
Figura 10. Diagrama de bloques de un controlador proporcional-integral-derivativo 60
Figura 11. Control en cascada 62
Figura 12. Control de relación 63
Figura 13. Control anticipativo 64
Figura 14. Control de gama partida en dos intercambiadores de calor en serie 65
Figura 15. Control selectivo 66
Figura 16. Válvulas de globo 80
Figura 17. Válvula de ángulo 81
Figura 18. Válvula de jaula 82
Figura 19. Válvula de compuerta 82
Figura 20. Válvula de obturador excéntrico rotativo 83
Figura 21. Válvula de mariposa 84
Figura 22. Válvula de bola 84
Capitulo IV
Figura 23. Termopar tipo k con cabezal 98
Figura 24. CPU Siemens Simatic S7-200 modelo 6ES7214-1BD23-0XB0 99
Figura 25. Módulo de entradas analógicas modelo 6ES7231-7PD22-0XA0 100
Figura 26. Módulo de salidas analógicas modelo 6ES7232-0HD22-0XA0 100
Figura 27. Módulo de entradas y salidas digitales modelo 6ES7223-1BL22-0XA0 100
Figura 28. Display TD 200 modelo 6ES7223-1BL22-0XA0 101
Figura 29. Fuente de poder 6EP1333-2AA01 101
Figura 30. Válvula tipo globo fisher EZ 4” 102
Figura 31. Sección de valvula tipo globo 103
Figura 32. Quemador de gas EQA 93 104
Figura 33. Grafico de capacidades de quemadores 104
Figura 34. Dimensiones de quemadores 105
Figura 35. Transformador de ignición modelo TSC 105
Figura 36. Electrodo de ignición modelo 120/1000 106
Figura 37. Detector de llama tipo UV1 106
Figura 38. Válvula solenoide ASCO 8030 107
Figura 39. Regulador de presión 174 Masoneilan 108
Figura 40. Válvula de seguridad de cierre automático 108
Figura 41. Manometro Aschroft 109
Figura 42. Diagrama de bloques del lazo de control propuesto 110
Figura 43. Simulación del sistema en Simulink 111
Figura 44. Curva de cocción (temperatura – tiempo) deseada 112
Figura 45. Curva de reacción (temperatura - tiempo) 112
Figura 46. Parámetros PID en Simulink 113
INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Condiciones de los componentes del horno 93
Tabla 2. Análisis de pérdidas de calor 95
Tabla 3. Equipos e instrumentos seleccionados 97
Tabla 4. Descripción del PLC Siemens Simatic S7-200 99
Tabla 5. Acciones del controlador 101
Tabla 6. Parámetros de acciones PID 113
Tabla 5. Relación de costos de equipos e instrumentos propuestos 116
INDICE DE ANEXOS
Anexo 1. Diagrama de tuberias e instrumentacion del horno
Anexo 2. Diagrama del sistema de llama del horno
Anexo 3. Vista superior actual del horno tipo Americano
Anexo 4. Cálculo del modelo matematico del horno
Anexo 5. Cálculo de Kv de la válvula
Alejandro Leal y Jesus Corona. “DISEÑO DE UN LAZO DE CONTROL PARA LA OPERACIÓN DEL HORNO DE COCCIÓN DE BLOQUES Y LADRILLOS DE ARCILLA”. Trabajo Especial de Grado para optar al Título de Ingeniero Mecánico. Universidad del Zulia. Núcleo Costa Oriental del Lago. Programa de Ingeniería Mecánica. Cabimas-Zulia. Venezuela. Mayo 2010.
RESUMEN El propósito de este estudio fué diseñar el lazo de control para la operación de un horno de cocción de bloques y ladrillos de arcilla, con el objetivo de minimizar pérdidas considerables de costos y tiempo debido a que la falta de control ha originado un producto con condiciones que no cumplen con las normas de calidad de la empresa. Las bases teóricas se fundamentaron principalmente los autores Ogata (1998), Creus (1997), y Smith (1991). El tipo de investigación fue descriptiva, proyecto factible, y el diseño es de campo. Se aplicaron como técnicas la observación directa, la revisión documental y entrevista no estructurada. Las unidades de analisis fueron los hornos tipo Americano. Fué necesario utilizar la herramienta Simulink del programa MatLab, para realizar simulaciones del proceso de cocción y obtener los parámetros de las acciones PID para luego determinar la función de transferencia global del lazo del control propuesto. Los resultados obtenidos indican que el lazo de control está compuesto por sistema de medición y transmisión de temperatura, sistema de control, sistema de actuado y sistema de combustión, los cuales cumplen con su función especifica manteniendo la variable temperatura en los valores deseados. Palabras clave: Control, horno Correo electrónico: [email protected], [email protected]
Alejandro Leal and Jesus Corona. "DESIGN OF A CONTROL LOOP FOR THE OPERATION OF FURNACES COOKING OF BLOCKS AND BRICKS OF CLAY." Undergraduate thesis work to qualify for the title of Mechanical Engineer. Universidad del Zulia. Núcleo - COL. Mechanical Engineering Program. Cabimas - Venezuela. May 2010.
ABSTRACT The purpose of this study was to design the control loop for the operation of a brick kilns and clay bricks, in order to minimize costs and losses of time due to the lack of control has created a product with conditions that do not meet the quality standards of the company. The theoretical basis the authors were based primarily Ogata (1998), Creus (1997) and Smith (1991). The research was descriptive, feasible project, and the design field. Techniques were applied as direct observation, review of documents and unstructured interviews. The units for analysis were the American type furnaces. It was necessary to use the Simulink tool of Matlab program to perform simulations of the cooking process and obtain the parameters of the PID actions and then determine the overall transfer function of the proposed control loop. The results indicate that the control loop is composed of transmission system and temperature measurement, control system, served system and combustion system, which meet their specific function while maintaining the temperature variable in the desired values. Keywords: Control, oven E-mail: [email protected], [email protected]
INTRODUCCIÓN
Unas de las industrias presentes en la actualidad es la alfarera, estas utilizan la arcilla
como materia prima, y se fabrican distintos tipos de productos usados para la
construcción de viviendas, proyectos habitacionales, edificios, entre otros, dando así
paso al urbanismo en las grandes ciudades a nivel mundial y nacional.
En el Zulia existen diversas organizaciones entre las cuales se encuentra Alfarería y
Cerámicas del Caribe C.A. (ALCARIBE) que es una empresa dedicada a la producción y
comercialización de ladrillos en sus distintas presentaciones fabricados con arcilla,
tiene 40 años de experiencia, cuenta con tecnología Italiana y capacidad de producción
de 10.000 toneladas mensuales de ladrillos.
En el proceso de fabricación de ladrillos de arcilla intervienen diferentes variables para
lograr mantener los niveles óptimos de calidad. Dentro del procedimiento de elaboración
la fase que requiere mayor atención es la de cocción, ya que en dicha etapa se le da la
resistencia mecánica necesaria para poder ser utilizado por la industria de la
construcción. Esta fase se efectúa en un Horno Industrial construido de ladrillos
refractarios, utilizando como combustible gas metano y opera a una temperatura
máxima de 900 ºC, posee una capacidad de carga de hasta 250 toneladas de productos
de arcilla.
A fin de garantizar la alta demanda en la producción, surge la necesidad de la
automatización del control operativo de esta unidad, con el fin de minimizar pérdidas
considerables de costos y tiempo debido a que la falta de control ha originado fallas en
el cumplimiento de las normas de calidad de la empresa; conjuntamente el sistema de
apertura/cierre de este horno, no son los más adecuados si se quiere alcanzar un nivel
eficiente en la producción.
En esta investigación se propone el lazo de control automático para la operación del
horno tipo Americano utilizado para la cocción de bloques y ladrillos de la empresa
Alcaribe C.A., considerando toda la selección de instrumentos y materiales permitiendo
el uso de tecnología de punta referente a estos equipos existentes en el mercado
nacional e internacional generando un impacto significativamente positivo en la
producción a corto plazo.
La investigación se estructura de la siguiente manera: el primer capítulo hace referencia
a los antecedentes de investigaciones anteriores que sirvieron como apoyo a ésta, así
como también la descripción del proceso de elaboración de bloques y ladrillos de arcilla;
en el segundo capítulo se definen las bases teóricas necesarias para el entendimiento
de la investigación, el tercer capitulo describe el tipo y diseño de investigación que
permitió abordar el objeto de estudio y el procedimiento que se llevará a cabo para
cumplir los objetivos. En el capítulo cuarto se analizan los resultados obtenidos con la
finalidad de realizar el diseño del lazo de control.
CAPITULO I
CAPÍTULO I
1.1. Antecedentes de la investigación
Para la elaboración de esta investigación fué necesario verificar y analizar otros trabajos
especiales de grado que sirvieron de apoyo o antecedentes para soportar directa o
indirectamente la información acá mencionada:
Cheliotis (2001), realizó un estudio titulado “ Desarrollo del prototipo de un sistema de control para soldadura industrial con control digital en la empresa Metal Arte C.A”, Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín, El propósito de ésta investigación fue el
desarrollo de un prototipo de un sistema de control para soldadura con control Digital;
de la cual se recopiló la información necesaria bibliográfica, y las entrevistas con
personas especializadas en el área, con la finalidad de instalar los requerimientos
imprescindibles para implantar el propósito.
La metodología utilizada se define como investigación proyectiva ya que propone
soluciones a una situación determinada, explorando, describiendo, explicando y
proponiendo alternativas de cambio mas no necesariamente para ejecutar la propuesta.
Es aplicada cuya misión es resolver un problema en un periodo corto, de igual manera
se considera descriptiva porque se orienta en recolectar información relacionada al
estado real de la situación o fenómenos tal como se presentaron en el momento de su
recolección.
Los resultados obtenidos demostraron la necesidad de automatizar el proceso de
soldadura debido a las ventajas logradas, así como el incremento de la producción,
disminución del costo de la mano de obra y tiempo de producción, de igual manera el
proceso automatizado se puede desarrollar progresivamente y puede ser modificado.
Galué (2002), realizó el estudio “Sistema de control para la automatización del horno de pruebas - simulador de temperaturas de perforación utilizado en las herramientas LWD y MWD Caso: Schlumberger, División Anadrill”, Universidad Dr.
Rafael Belloso Chacín. El propósito de la investigación fue implantar un sistema de
control con características PID para la automatización del horno de pruebas - simulador
de temperaturas de perforación modelo PTCI-26.
La investigación fue enmarcada dentro del tipo aplicada según el propósito, explicativa
según la intención y de campo según la fuente de datos seleccionada. Así mismo para
desarrollar este estudio se estructuró una metodología que explica el proceso de diseño
e implantación. Se realizó la descripción de la situación actual del sistema de control y
del funcionamiento del horno, para luego, identificar las señales que conforman las
conexiones eléctricas, el cual se analizaron las diversas alternativas para la
automatización y el estudio de factibilidad técnica, operativo y económica de los
requerimientos para la implementación del sistema de control automático, como la
evaluación del sistema, realizando pruebas de calibración a las herramientas LWD y
MWD.
Con la implantación de este controlador se logró obtener mayor estabilidad, aumento en
la velocidad de respuesta, precisión en el control de la temperatura y una calibración
más precisa de las herramientas determinada por las pruebas aplicadas a las mismas.
Martínez (2003), realizó el estudio titulado “Diseño de un sistema de control para la automatización de una planta procesadora de productos metálicos”, Universidad
Dr. Rafael Belloso Chacín. El propósito del estudio fue el diseño de un sistema de
control para automatizar una planta procesadora de productos metálicos. Caso
METALÚRGICA ZULIANA C.A. para lo cual se estudió el proceso de fabricación en el
taller central. El diseño de la metodología fue establecida mediante un cronograma de
actividades predefinida para tal investigación.
La investigación fue no experimental y de carácter descriptivo. Los resultados de éste
estudio evidenciaron que el sistema de control distribuido era un dispositivo capaz de
cubrir las necesidades de producción en la industria, sustituyendo la lógica de control
basado en relés electromecánicos, disminuyendo las fallas, especialmente en las
operaciones de conmutación de estos dispositivos, como consecuencia de ésta,
minimizando las continuas paradas innecesarias y los costos de operación. Alguna
ventaja de este sistema es su versatilidad, su mínimo mantenimiento, menos consumo
de energía, mejor eficacia y confiabilidad, mayor velocidad de funcionamiento. Es
importante mencionar, que el sistema propuesto es aplicable al resto de las industrias
que se dediquen al proceso de fabricación.
Arrieta y Marrufo (2006), ”Diseño de un horno a gas para tratamientos térmicos” Universidad del Zulia, Programa de Ingeniería, Cabimas. Ante la necesidad por siempre
de crear un estudiantado mas competitivo debido al desarrollo profesional de muchos y
ante la carencias de ciertas herramientas se decidió con el apoyo de la Universidad del
Zulia iniciar un proyecto de construir un horno a gas para tratamientos térmicos, divido
en varias fases, empezando por la fase de diseño para posterior construcción en las
instalaciones del núcleo Costa Oriental del Lago; y que se utilizaran como complemento
practico de la cátedra Materiales para Ingeniería,
El horno diseñado cuenta con un quemador de llama corta modelo vortiflare y una
solera para una capacidad de 150 Kg., además, de una puerta refractaria convencional
fijada con bisagras y pernos lo mas sencillo posible para reparaciones posteriores de
mayor facilidad.
Mogollon (2008), “Diseño del sistema de control de velocidad de un balancín”
Universidad del Zulia, Facultad de Ingeniería, Maracaibo. El propósito fundamental de
esta investigación es el diseñar un sistema de control basado en una carta dinagráfica
automatizada para la regulación del variador de velocidad de un balancín de extracción
de petróleo tipo convencional. La investigación consta de siete etapas como son:
Análisis del funcionamiento del sistema de bombeo mecánico, análisis de los métodos
utilizados para la obtención de la carta dinagráfica, descripción de herramientas para la
medición de las cartas dinagráficas, desarrollo de un algoritmo para construcción del
dinagrama de fondo, desarrollo de una rutina que permita la construcción del dinagrama
de cargas permisibles y torque de la caja de engranaje, diagnostico del funcionamiento
del sistema de bombeo mecánico por medio de la carta y la implementación de los
algoritmos en un controlador compact logix para la manipulación del variador de
velocidad con despliegue de la información en un dispositivo graficador (panel view).
Con este sistema se obtuvo un mayor control de los sistemas de bombeo mecánico, ya
que se basó en el análisis de la carta para diagnosticar el funcionamiento dando
repuesta inmediata de variación de velocidad de bombeo mejorando el funcionamiento
de todo el sistema.
1.2 Proceso de elaboración de bloques y ladrillos
1.2.1 Selección de la materia prima
La materia prima para la fabricación de bloques es la arcilla monoporosa seleccionada
de los diferentes frentes de trabajo o locaciones de la mina de arcillas. En general se
puede afirmar que el 20% está constituido por capa vegetal y el 80% restante lo forman
los diferentes barros de la mina.
La arcilla contiene oxido de silicio (SiO2), oxido de aluminio (Al2O), oxido de hierro
(Fe2O2), agua y otros componentes en bajas proporciones como oxido de manganeso,
álcalis y ácidos, sustancias solubles como sales y material orgánico, entre otros. Estos
diferentes componentes la dan a la arcilla propiedades importantes como son la
plasticidad, la capilaridad y la vitrificación, características estas que hacen que la arcilla
tenga las especificaciones requeridas para obtener un bloque de buena calidad.
(Alcaribe, 2008)
1.2.2 Adecuación de la materia prima
Al seleccionar el frente de trabajo en la mina, la materia prima se mezcla
mecánicamente mediante (Cargadores frontal y tractores de orugas) para obtener
características homogéneas, luego se le va agregando agua, dejando madurar dicha
mezcla aproximadamente 15 días. Luego es transportada en camiones volteo hasta la
tolva de alimentación para continuar el proceso de producción. (Alcaribe, 2008)
1.2.3 Tolva de alimentación primaria
En la tolva de alimentación se encuentra el desintegrador que se encarga de triturar los
terrones de mayor tamaño, más duros y compactos, por la acción de ejes dentados.
(Alcaribe, 2008)
1.2.4 Molazza
Seguidamente el material es transportado mediante una cinta transportadora hacia la
molazza, donde a través de un sistema triturador de ruedas se reducen las dimensiones
de los terrones hasta un diámetro de entre 15 y 20 mm. (Alcaribe, 2008)
1.2.5 Laminador
Está constituido por dos cilindros rotatorios lisos montados en ejes paralelos que tienen
una separación de 5 mm y giran a diferentes velocidades, capaces de triturar la arcilla y
las piedras, originando el primer refinado de la materia prima. (Alcaribe, 2008)
1.2.6 Tolva de alimentación secundaria
Es el lugar utilizado para almacenar materia prima y poder abastecer a la maquina
extrusora. (Alcaribe, 2008)
1.2.7 Laminador refinador
Está formado por dos cilindros rotatorios lisos montados en ejes paralelos, con
separación, entre sí, de 1 a 2 mm, espacio por el cual se hace pasar la arcilla
sometiéndola a una compresión y planchado que hacen aún más pequeñas las
partículas. En esta última fase se consigue la eventual trituración de los últimos nódulos
que pudieran estar, todavía, en el interior del material. (Alcaribe, 2008)
1.2.8 Moldeado
En esta sección se le adiciona agua al material, dándole el grado de humedad
necesario para que la máquina mezcladora opere adecuadamente. El material
previamente mezclado es empujado por medio de hélices a través de una parrilla hacia
la cámara de vacío para ser compactado, luego se hace pasar la mezcla de arcilla a
través de una boquilla al final de la extrusora. La boquilla se configura según la pieza
que se quiere producir.
Posteriormente el producto moldeado es llevado mediante la banda transportadora,
hasta la cortadora de alambre, donde se le dan las dimensiones estipuladas de acuerdo
a las características del mismo. Seguidamente pasa por un sistema de rodillos donde se
agrupan e introduce el material cortado en cada nivel de los estantes hasta completar la
carga del mismo y luego ser trasladados por montacargas a los secaderos. (Alcaribe,
2008)
1.2.9 Secado
El secado es una de las fases más delicadas del proceso de producción. De esta etapa
depende, en gran parte, el buen resultado y calidad del material, más que nada en lo
que respecta a la ausencia de fisuras. El secado tiene la finalidad de eliminar el agua
agregada en la fase de moldeado, antes de pasar a la etapa de cocción.
La eliminación del agua del material crudo, se lleve a cabo aplicando superficialmente,
aire caliente con una cantidad de humedad variable. Eso permite evitar golpes termo-
higrométricos que puedan producir una disminución de la masa de agua a ritmos
diferentes en distintas zonas del material y, por lo tanto, a producir fisuras localizadas.
(Alcaribe, 2008)
1.2.10 Cocción
Se realiza tanto en hornos tipo Hoffmann como en Americanos donde la temperatura de
la zona de cocción oscila entre 850°C y 900°C. Es durante la cocción donde se produce
la sinterización, de manera que esta, resulta una de las fases cruciales del proceso en
lo que a la resistencia de bloques y ladrillos respecta. (Alcaribe, 2008)
1.2.10.1 Horno Hoffmann
El horno Hoffmann esta construido de ladrillos refractario en forma de bóveda, con una
capacidad de carga de 180 toneladas las cuales se configuran en pacas de 524 bloques
de 10x20x30 cm o 346 bloques de 15x20x30 cm y cualquier otro producto alfarero,
posteriormente estas son ubicadas dentro del horno por un montacargas una al lado de
la otra formando un tramo, hasta cargarlo completamente. Luego de cargado se
procede a cerrar los extremos del horno construyendo una pared con platabandas y
barro, después se inicia el proceso de encendido colocando dos quemadores con una
mezcla de aire y gas, hasta alcanzar 550 ºC.
Seguidamente se inyecta fuel-oil, este se suministra por la parte superior por medio de
una bomba y un sistema distribuidor de 10 quemadores portátil instalado sobre un
chasis con ruedas para transportarlo manualmente de tramo en tramo, se eleva la
temperatura hasta 900 ºC que es la temperatura ideal de cocción y se mantiene durante
1.5 horas aproximadamente en cada tramo.
Posee un total de 40 secciones en donde se realiza la cocción del material
individualmente, tiene un canal a lo largo del horno para el flujo del aire caliente el cual
es forzado por un ventilador a circular por todo el hogar y ser aprovechado por las otras
pacas hasta ser expulsado a la chimenea. (Alcaribe, 2008)
1.2.10.2 Horno Americano
El horno americano esta construido de ladrillos refractarios con tres (3) paredes en
forma de “U” con las siguientes dimensiones: Largo: 17 metros, ancho: 8.8 metros,
altura: 3.6 metros, espesor de pared: 0.9 metros. Tiene una capacidad de carga de
hasta 250 toneladas de productos de arcilla las cuales son transportadas desde los
secaderos en estantes por montacargas y luego son cargadas en este horno
manualmente por el personal encargado, hasta completar todo el volumen interno de
esta unidad.
Una vez cargado en su totalidad, se cierra el extremo abierto construyendo una pared
con platabandas y barro, la parte superior es tapada colocando manualmente dos (2)
capas de bloques de 10X20X30 cm., cocidos en toda la superficie, ya que no posee
techo. Posee quemadores de gas que emiten los productos de combustión
directamente al material a cocer y están ubicados en la parte inferior de las paredes
laterales, once (11) de cada lado para un total de veintidós (22) quemadores,
alimentados de una tubería principal de gas metano y cada uno posee una válvula de
bola de ½” para ser regulado de forma manual.
La cocción se realiza encendiendo los quemadores a fuego mínimo durante doce (12)
horas para el precalentado del material, luego se va abriendo la válvula según la
apreciación del fogonero para ir incrementando la temperatura lentamente hasta
alcanzar los 850ºC – 900ºC, en este rango permanece un tiempo aproximado de (12)
horas, posteriormente se apagan los quemadores y se deja enfriar durante treinta (30)
horas. (Alcaribe, 2008)
1.2.11 Almacenamiento
Al salir de los hornos y después de la inspección, donde se verifican algunas
características como aspecto, forma, color, presencia de grietas, sonido, entre otros, el
producto es almacenado en el patio o despachado al cliente. (Alcaribe, 2008)
En la figura 1 se muestra un diagrama del proceso de producción de la empresa
Figura 1. Diagrama del proceso de elaboración de bloques y ladrillos de Alcaribe C.A.
Fuente: Alcaribe 2008
1.3 Principios generales de la cocción
La cocción es la fase central del proceso alfarero, caracterizada por un conjunto,
bastante complejo, de transformaciones físicas y reacciones químicas que son
necesario conocer para poder gestionar y controlar este proceso. Para adquirir el
conocimiento del conjunto de transformaciones físico-químicas que se producen en el
cuerpo del producto alfarero expuesto a cocción, se sirve de instrumentos de laboratorio
que permiten seguir una serie de análisis que son la base de partida para definir los
parámetros de la cocción de cada material. (Alcaribe, 2008)
Es oportuno dar una indicación de aquellos fenómenos más importantes, que se
producen en una pieza alfarera durante la cocción. En general se puede decir que en
las diferentes fases de la cocción se producen los siguientes:
TRANSPORTE DESDE MINA
HASTA TOLVA
TOLVA DE ALIMENTACIÓN
PRIMARIA
MOLAZZA
LAMINADOR
TOLVA DE ALIMENTACIÓN SECUNDARIA
LAMINADOR REFINADOR
MOLDEADO Y
CORTADO
EXTRACCIÓN Y SELECCIÓN DE
MATERIA PRIMA
ADECUACIÓN DE LA MATERIA
PRIMA
COCCIÓN
ALMACENAMIENTO
SECADO
Próximo a los 100 ºC se produce la eliminación del agua higroscópica de la
humedad residual, después de un mal secado o absorbida por el ambiente.
Próximo a los 200 ºC se produce la eliminación del agua ceolítica, cuyas moléculas
están ligadas por absorción en la estructura cristalina.
Entre 350 y 650 ºC se produce la combustión de la materia orgánica, que en
diversa cantidad puede estar contenida en la arcilla, y, disociación de sulfatos y
sulfuros con liberación de anhídridos sulfurosos.
Entre 450 y 650 ºC, eliminación del agua de constitución y consiguiente destrucción
del retículo cristalino.
A 573 ºC, transformación alotrópica del cuarzo determinando un brusco aumento
del volumen.
Entre 800 ºC y 900 ºC descarbonatación de la cal
Para el material a cocer, se determina una curva (temperatura/tiempo) que, teniendo en
cuenta los puntos críticos típicos del material, fija el ciclo y el gradiente térmico en cada
fase de la cocción para asegurar un buen resultado. La curva de cocción real, se traza
tomando la temperatura de las distintas zonas del horno. (Alcaribe, 2008) En la figura 2
se muestra la curva de cocción ideal.
Figura 2. Curva de cocción temperatura - tiempo
Fuente: Alcaribe, 2008
Curva de cocción
0100200300400500600700800900
1000
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
Tiempo (horas)
Tem
pera
tura
(ºC
)
CAPITULO II
CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
2.1 Transferencia de Calor
Las fases de una sustancia simple, sólida, líquida y gaseosa, están asociadas con su
contenido de energía. En la fase sólida, las moléculas o átomos están muy cercanos,
originando rigidez. En la fase líquida existe suficiente energía térmica para extender la
distancia de las moléculas adyacentes, de manera que se pierde la rigidez. En la fase
de gas, la presencia de energía térmica adicional resulta en una separación
relativamente completa de los átomos o moléculas, de manera que pueden permanecer
en cualquier lugar de un espacio cerrado. (Kern, 1999)
También se ha establecido que, donde ocurre un cambio de fase fuera de la región
crítica, se involucra una gran cantidad de energía en esa transición. Para una misma
sustancia en sus diferentes fases, sus propiedades térmicas tienen diferente orden de
magnitud. Por ejemplo, el calor específico por unidad de masa es muy bajo para los
sólidos, alto para los líquidos y, usualmente, de valores intermedios para los gases.
(Kern, 1999)
Según (Holman, 1998), la transferencia de calor es la ciencia que trata de predecir el
intercambio de energía que puede tener lugar entre cuerpos materiales, como resultado
de una diferencia de temperatura. La termodinámica enseña que esta transferencia de
energía se define como calor. La ciencia de la transferencia de calor pretende no sólo
explicar cómo la energía térmica puede ser transferida, sino también predecir la rapidez
con la que, bajo ciertas condiciones específicas, tendrá lugar esa transferencia. El
hecho de que el objetivo deseado del análisis sea la rapidez de la transferencia del
calor, señala la diferencia entre la transferencia de calor y la termodinámica.
La transferencia de calor complementa el primer y segundo principio de la
termodinámica, al proporcionar leyes experimentales adicionales que se usan para
establecer la rapidez de la transferencia de energía.
2.1.1 Tipos de Transferencia de calor
Hay tres formas diferentes en las que el calor puede ser transferido, aun cuando
muchas de las aplicaciones en la ingeniería son combinaciones de dos o tres. Estas
son, conducción, convección y radiación.
2.1.1.1 Transferencia de calor por conducción
Para Holman (1998), cuando en un cuerpo existe un gradiente de temperatura, hay una
transferencia de energía desde la región a alta temperatura hacia la región de baja
temperatura. Se dice que la energía se ha transferido por conducción y que el flujo de
calor por unidad de área es proporcional al gradiente normal de temperatura:
Ec. (1)
Cuando se introduce la constante de proporcionalidad:
Ec. (2)
Donde:
q: Flujo de calor (W/m2)
ρT/ ρx : Gradiente de temperatura en la dirección del flujo de calor. (ºC)
k: Conductividad térmica del material (W/m.ºC)
A: Área (m²)
q ~ ρT A ρx
q= - k.A ρT ρx
Se ha puesto el signo menos para satisfacer el segundo principio de la termodinámica;
esto es, el calor debe fluir hacia las temperaturas decrecientes. Es importante señalar
que la ec. (2) define la conductividad térmica.
2.1.1.1.1 Conductividad térmica: Es la propiedad de un material que se relaciona con un
gradiente de temperatura a un flujo de calor y es dependiente de la temperatura.
(Boehm, 1999)
2.1.1.2 Transferencia de calor por convección
La convección es la transferencia de calor entre partes relativamente calientes y frías de
un fluido por medio de mezcla. Supóngase que un recipiente con un líquido se coloca
sobre una llama caliente. El líquido que se encuentra en el fondo del recipiente se
calienta y se vuelve menos denso que antes, debido a su expansión térmica. El líquido
adyacente al fondo también es menos denso que la porción superior fría y asciende a
través de ella, transmitiendo su calor por medio de mezcla conforme asciende. La
transferencia de calor del líquido caliente del fondo del recipiente al resto, es
convección natural o convección libre. (Kern, 1999)
Si se produce cualquiera otra agitación, tal como la provocada por un agitador, el
proceso es de convección forzada. Este tipo de transferencia de calor puede ser
descrito en una ecuación que imita la forma de la ecuación de conducción y es dada por
Ec. (3)
Donde:
h: coeficiente de transferencia de calor por convección. (W/m².ºC)
A: Área (m²)
dt: Diferencial de temperatura (ºC)
q= h.A.dt
2.1.1.3 Transferencia de calor por radiación
Según Kern (1999), la radiación involucra la transferencia de energía radiante desde
una fuente a un receptor. Cuando la radiación se emite parte de la energía se absorbe
por el receptor y parte es reflejada por él. Basándose en la segunda ley de la
termodinámica, Boltzmann estableció que la velocidad a la cual una fuente da calor es:
Ec. (4)
Donde:
q: Flujo de calor (W/m2)
T: temperatura absoluta (ºK)
σ: constante dimensional (W/m2. K4)
ε : factor peculiar a la radiación y se llama emisividad. (W/m2)
2.2 Equipos de transferencia de calor
Los equipos de transferencia de calor se definen por las funciones que desempeñan en
un proceso. Entre estos se encuentran los siguientes:
2.2.1 Intercambiadores
Recuperan calor entre dos corrientes en un proceso. El vapor y el agua de enfriamiento
son servicios y no se consideran en el mismo sentido que las corrientes de proceso
recuperables. (Kern, 1999)
q= σ ε dA T4
2.2.2 Calentadores
Se usan primariamente para calentar fluidos de proceso, y generalmente se usa vapor
con este fin, aun cuando en las refinerías de petróleo el aceite caliente recirculado tiene
el mismo propósito. (Kern, 1999)
2.2.3 Condensadores
Es un equipo que posee la finalidad de extraer el calor latente del vapor de escape de
una maquina motriz. (Gaffert, 1981)
2.2.4 Evaporadores
Son recipientes cerrados de chapa de acero con cierto número de serpentines flexibles,
o tubos, que integran la superficie de transmisión calorífica desde el vapor al agua. El
vapor entra a los tubos y evapora e agua procedente de ríos, lagos entre otros.
(Gaffert, 1981)
2.2.5 Hornos
Es un dispositivo en el que se convierte la energía eléctrica o la energía química de un
combustible en calor que se utiliza para aumentar la temperatura de aquellos materiales
denominados carga, que se colocan en su interior. (Gilchrist, 1969)
2.2.5.1 Tipos de hornos Industriales
2.2.5.1.1 Hornos de reverbero
Los hornos de reverbero se utilizan para la fundición de piezas de grandes
dimensiones, tanto de metales férreos como de metales no férreos, como cobre latón,
bronce y aluminio. Estos son de poca altura y gran longitud. En uno de los extremos se
encuentra el hogar donde se quema el combustible, y en el extremo opuesto la
chimenea. Las llamas y productos de la combustión atraviesan el horno y son dirigidos,
por la bóveda de forma adecuada hacia la solera del horno, donde está situada la carga
del metal que se desea fundir. Esta carga se calienta, no solo por su contacto con las
llamas y gases calientes sino también por el calor de radiación de la bóveda del horno
de reverbero. (Astigarraga, 1994)
2.2.5.1.2 Hornos rotativos
Los hornos rotativos están formados por una envoltura cilíndrica de acero, de eje
sensiblemente horizontal, que termina con dos troncos de cono, uno en cada extremo.
En uno de los extremos está situado el quemador y en el otro la salida de los gases
quemados, que generalmente pasan por un sistema de recuperación de calor para
precalentar el aire de soplado antes de ser evacuados por la chimenea. Todo el interior
del horno está revestido con un material refractario. El combustible puede ser gasoil o
carbón pulverizado. (Astigarraga, 1994)
2.2.5.1.3 Hornos de crisoles
Los crisoles son recipientes de arcilla mezclada con grafito y otras substancias,
provistos de tapa para cierre hermético, utilizan como combustible carbón o, más
modernamente, gasoil. La fusión en crisoles es uno de los procedimientos más antiguos
y sencillos para elaborar metales, y todavía se emplea, y probablemente se empleara
siempre por la economía de su instalación sobre todo para fundir pequeñas cantidades.
(Astigarraga, 1994)
2.2.5.1.4 Hornos electrónicos
En los hornos electrónicos el calor se produce por la vibración molecular del cuerpo que
se trata de calentar cuando es sometido a un fuerte campo de radiaciones
electromagnéticas de muy alta frecuencia (frecuencias de radio). Estos hornos también
denominados de perdidas dieléctricas, se emplean en aplicaciones para las que sus
cualidades especificas los hagan muy superiores, desde el punto de vista técnico, a los
demás hornos, compensando así el mayor coste de la fusión. (Astigarraga, 1994)
2.2.5.1.5 Hornos eléctricos
Dispositivo que se calienta por electricidad, empleado en la industria para fundir metales
o cocer cerámica. También se conoce como horno electrotérmico. El tipo más sencillo
de horno eléctrico es el horno de resistencia, en el que se genera calor haciendo pasar
una corriente eléctrica por un elemento resistivo que rodea el horno o aprovechando la
resistencia eléctrica del propio material que se quiere calentar. En los hornos que se
calientan desde el exterior, el elemento calefactor puede adoptar la forma de una
bobina de alambre enrollada alrededor de un tubo de material refractario o puede
consistir en un tubo de metal u otro material resistivo, como el carborundo.
Los hornos de resistencia son especialmente útiles en aplicaciones en las que se
necesita un horno pequeño cuya temperatura pueda controlarse de forma precisa.
Estos hornos pequeños se utilizan mucho en los laboratorios y también se emplean en
el tratamiento térmico de las herramientas. (Encarta, 2008)
2.2.5.1.6 Horno de microondas
En un horno de microondas, un magnetrón produce un haz de microondas que el
ventilador difunde por el interior del horno. Las microondas atraviesan fácilmente la
mayoría de los materiales, pero son absorbidas por el agua y otras sustancias de los
alimentos. Por tanto, éstos se cocinan desde dentro, a diferencia de un horno
convencional en el que se calientan desde fuera, por lo que tardan más en cocinarse.
(Encarta, 2008)
2.2.5.2 Hornos para cocción de bloques y ladrillos
2.2.5.2.1 Horno de bóveda de tiro invertido
Este horno tiene como característica que la chimenea se encuentra en el piso del horno,
el calor sube para luego ser succionado por la chimenea, atravesando la carga de arriba
hacia abajo, con lo que consigue una cocción homogénea de los productos puesto que
existe una distribución de temperatura uniforme en la cámara de cocción. Estos hornos
pueden tener formas cilíndricas y cúbicas, y sus volúmenes variables tienen mucha
aplicación en la industria ladrillera de producción pequeña y mediana. (Suma y col.,
2008)
2.2.5.2.2 Hornos de mufla de tubos
En este sistema el calor entra a un hogar o cámara de combustión y luego es conducido
hacia arriba a través de una serie de tubos refractarios dispuestos alrededor del
perímetro de la cámara de combustión. Una cámara colectora en la parte superior
conduce los gases calientes de escape a la chimenea. (Rhodes, 1999)
2.2.5.2.3 Horno contínuo
Es un horno construido como un anillo hecho de numerosas cámaras. Estas pueden
conectarse a la chimenea central mediante un conducto móvil. Cada cámara se calienta
introduciendo combustible entre los ladrillos a través de agujeros en la parte alta. El aire
para la combustión es aspirado de la cámara vecina que esta enfriándose, mientras que
los gases calientes se evacuan a través de la cámara del otro lado que se esta
calentando. Solo el calor desperdiciado es el que se filtra a través de los muros del
horno. Los hornos continuos de este tipo solo son adecuados para una producción muy
grande. En un momento determinado una cámara esta en cocción, otra esta vaciándose
y las restantes están, o bien calentándose, o bien enfriándose. (Rhodes, 1999)
2.2.5.2.4 Hornos de túnel
Es el horno de mayor rendimiento para grandes niveles de producción en la industria
alfarera. En este tipo de horno, el material es trasportado lentamente sobre vagonetas a
través del túnel con un empujador hidráulico u otro mecanismo de arrastre a motor. Por
arriba un sistema de conductos controla la distribución del calor, el aire caliente se toma
del enfriamiento mediante un ventilador y se suministra a los quemadores. Un extractor
a la entrada del horno aspira aire caliente en la sección de precalentamiento, así se
aprovecha la mayor parte del calor.
La gran ventaja de este horno es que no se pierde calor en el calentamiento y
enfriamiento periódico, la temperatura constante alarga también la vida del horno, ya
que no esta sometido a la expansión y contracción alternativas causadas por el
calentamiento y enfriamiento. El ciclo de cocción puede ajustarse fácilmente
controlando la velocidad de las vagonetas. Otra ventaja es que la carga y descarga
puede hacerse cómodamente fuera de este. (Rhodes, 1999)
2.2.5.2.5 Horno de rodillos
Este se compone de una estructura metálica modular portante, de la mampostería
suelo-paredes-bóveda de ejecución mixta refractaria-aislante y fibra cerámica. Posee
óptima resistencia al choque térmico. El sistema de avance de los rodillos esta
fraccionado en varios tramos, motorizados por motovariadores independientes para
conseguir el rendimiento optimo del ciclo de cocción. Tiene quemadores de gas y aire
soplado, de alta velocidad alojados en las paredes sobre y bajo el plano de rodillos,
repartidos en baterías de cuatro, seis u ocho unidades alimentadas de la tubería de
gas. (Sacmi, 2000)
2.3 Automatización de proceso
Para Piedrafita (2000), automatización Industrial (automatización; del griego antiguo
auto: guiado por uno mismo) es el uso de sistemas para controlar maquinarias y/o
procesos industriales substituyendo a operadores humanos. El alcance va más allá que
la simple mecanización de los procesos ya que ésta provee a operadores humanos
mecanismos para asistirlos en los esfuerzos físicos del trabajo, la automatización
reduce ampliamente la necesidad sensorial y mental del humano.
Los procesos industriales ocupan el mayor porcentaje de los diseños y aplicaciones de
las empresas, sin embargo se observa un creciente interés en todas las áreas donde es
crucial el control de actividades como: La supervisión en tiempo real, el registro de los
eventos, la emisión de reportes y la preparación de los análisis dirigidos a las tomas de
decisiones y a la gerencia de una empresa exitosa, desde un control de tráfico, de un
sistema de administración médica hasta el monitoreo, control y supervisión de
estaciones de servicio. El concepto se aplica entonces en todo proceso donde se exige
un control de calidad, producción y optimización del servicio.
La automatización en los procesos industriales, se basa en la capacidad para controlar
la información necesaria en el proceso productivo, mediante mecanismos de medición y
evaluación de las normas de producción. A través de diversos instrumentos controlados
por la información suministrada por la computadora, se regula el funcionamiento de las
máquinas u otros elementos que operan el proceso productivo. Piedrafita (2000)
La parte más visible de la automatización actual puede ser la robótica industrial, que
posee algunas ventajas como: repetitividad, mejor control de calidad, mayor eficiencia,
integración con sistemas empresariales, incremento de productividad y reducción de
trabajo. Algunas desventajas son requerimientos de un gran capital, decremento severo
en la flexibilidad, y un incremento en la dependencia del mantenimiento y reparación.
Piedrafita (2000)
2.3.1 Definiciones de elementos que conforman un sistema de control:
2.3.1.1 Proceso
Se define como una operación o desarrollo natural, caracterizado por una serie de
cambios graduales, progresivamente continuos, que se suceden uno a otro de un modo
relativamente fijo, y que tienden a un determinado resultado final. (Ogata, 1998).
2.3.1.2 Sistema
Es una combinación de componentes que actúan conjuntamente y que cumplen
determinado objetivo. Un sistema no está limitado por objetivos físicos. (Ogata, 1998).
2.3.1.3 Planta
Cualquier objeto físico que ha de ser controlado (tal como un dispositivo mecánico, un
horno de calefacción, un reactor químico o una nave espacial, entre otros). (Ogata,
1998).
2.3.1.4 Perturbación
Es una señal que tiende a afectar adversamente el valor de la salida de un sistema. Si
la perturbación se genera dentro del sistema, se le denomina interna, mientras que una
perturbación externa se genera fuera de este y constituye una entrada. Ogata (1998)
2.3.1.5 Variable controlada
Es la cantidad o condición que se mide y controla. Por lo común, la variable controlada
es la salida (el resultado) del sistema. (Ogata, 1998)
2.3.1.6 Variable manipulada
Es la cantidad o condición que el controlador modifica para afectar el valor de la
variable controlada. (Ogata, 1998)
2.3.1.7 Punto de ajuste
Es el valor deseado para una salida del proceso. La diferencia entre el punto de ajuste y
el valor de proceso se llama error de proceso.
2.3.1.8 Control
Significa medir el valor de la variable controlada del sistema, y aplicar la variable
manipulada al sistema para corregir o limitar la desviación del valor medio, respecto del
valor deseado. (Ogata, 1998)
2.3.1.9 Control automático
Para Creus (1997), el control automático de procesos es parte del progreso industrial
desarrollado durante lo que ahora se conoce como la segunda revolución industrial. El
uso intensivo de la ciencia de control automático es producto de una evolución que es
consecuencia del uso difundido de las técnicas de medición y control.
El control automático de procesos se usa fundamentalmente porque reduce el costo de
los procesos industriales, lo que compensa con creces la inversión en equipo de control.
Además hay muchas ganancias intangibles, como por ejemplo la eliminación de mano
de obra pasiva, la cual provoca una demanda equivalente de trabajo especializado. La
eliminación de errores es otra contribución positiva del uso del control automático.
2.3.2 Sistema de control retroalimentado
Es aquel que tiende a mantener una relación preestablecida entre la salida y alguna
entrada de referencia comparándolas y utilizando la diferencia como medio de control.
Por ejemplo un control de temperatura de ambiente para una habitación. Midiendo la
temperatura efectiva de la habitación y comparándola con la temperatura de referencia
(temperatura deseada), el termostato conecta o desconecta los equipos de
refrigeración, de modo que la habitación se mantiene a una temperatura confortable,
independientemente de las condiciones exteriores. (Enelven, 2003)
2.3.4 Sistema de control de lazo o Bucle cerrado
Funciona de la siguiente manera: La señal de error actuante, que es la diferencia entre
la señal de entrada y la retroalimentación (que puede ser la señal de salida o una
función de la salida y sus derivadas), entra al controlador para reducir el error y llevar la
salida del sistema a un valor deseado. El termino lazo cerrado implica siempre el uso
de la acción de control retroalimentado para reducir el error del sistema. (Enelven,
2003)
2.3.5 Sistema de control de lazo o Bucle abierto
En estos sistemas de control en los que la salida no tiene efecto sobre la acción del
control, es decir, es un sistema de control de lazo abierto, la salida ni se mide ni se
retroalimenta comparada con la entrada. (Enelven, 2003)
2.3.6 Sistema de control de lazo cerrado vs. Sistema de control de lazo abierto.
Una ventaja del sistema de control de lazo cerrado es que el uso de retroalimentación
hace que la respuesta del sistema sea relativamente insensible a perturbaciones
externas y a variaciones internas de parámetros del sistema. De este modo es posible
utilizar componentes relativamente imprecisos y económicos, y lograr la exactitud de
control requerida en determinada planta, cosa que sería imposible en un control de lazo
abierto. (Enelven, 2003)
2.4 Modelo matemático de un sistema físico - dinámico
El modelo matemático de un sistema dinámico se define como un conjunto de
ecuaciones que representan la dinámica del sistema con precisión o, al menos,
bastante bien. Se debe tener presente que un modelo matemático no es único para un
sistema determinado. Un sistema puede representarse en muchas formas diferentes,
por lo que puede tener muchos modelos matemáticos, dependiendo de cada
perspectiva. La dinámica de muchos sistemas, ya sean mecánicos, eléctricos, térmicos,
económicos, biológicos, entre otros, se describe en términos de ecuaciones
diferenciales. Dichas ecuaciones diferenciales se obtienen a partir de leyes físicas que
gobiernan un sistema determinado. Cabe destacar que obtener un modelo matemático
razonable es la parte más importante de todo el análisis. (Ogata, 1998).
Los modelos matemáticos pueden adoptar muchas formas distintas, dependiendo del
sistema del que se trate y de las circunstancias específicas, un modelo matemático
puede ser más conveniente que otros. Por ejemplo, en problemas de control óptimo, es
provechoso usar representaciones en el espacio de estados, en cambio, para los
análisis de la respuesta transitoria o de la respuesta en frecuencia de sistemas lineales
con una entrada y una salida invariantes con el tiempo, la representación mediante la
función de transferencia puede ser más conveniente que cualquier otra. Una vez
obtenido un modelo matemático de un sistema, se usan diversos recursos analíticos,
así como computadoras, para estudiarlo y sintetizarlo. (Ogata, 1998).
2.4.1 Modelo matemático para sistemas térmicos
Para Ogata (1998) los sistemas térmicos son aquellos que involucran la transferencia
de calor de una sustancia a otra. Estos sistemas se analizan en términos de resistencia
y capacitancia, aunque la capacitancia y la resistencia térmica tal vez no se representen
con precisión como elementos de parámetros concentrados dado que, por lo general,
están distribuidas en todas las sustancias. Para lograr análisis precisos deben usarse
modelos de parámetros distribuidos.
El calor fluye de una sustancia a otra de tres formas diferentes: por conducción, por
convección y por radiación. Aquí sólo se consideran la conducción y la convección. La
transferencia de calor por radiación sólo se aprecia si la temperatura del emisor es muy
alta en comparación con la del receptor. La mayor parte de los procesos térmicos en los
sistemas de control de procesos no involucran transferencia de calor por radiación.
Figura 3. Proceso térmico
Fuente: Smith, Corripio, 1991
(Smith, Corripio, 1991), plantean un ejemplo donde se considera un tanque con
agitación continua ilustrado en la figura (3), se tiene interés en conocer la forma en que
responde la temperatura de salida, T(t), a los cambios en la temperatura de entrada,
Ti(t). En este ejemplo se supone que los flujos volumétricos de entrada y salida, la
densidad de los líquidos y la capacidad calorífica de los líquidos son constantes y que
se conocen todas estas propiedades. El líquido en el tanque se mezcla bien y el tanque
está bien aislado, es decir, el proceso es adiabático.
La relación que se desea entre la temperatura de entrada y la de salida da como
resultado un balance de energía en estado dinámico al contenido del tanque:
Ec. (5)
o, en términos de la temperatura
d(VρCvT(t) qρiCpiTi(t) - qρCpT(t) = ---------------- dt
d(Vρu(t) qρihi(t) - qρh(t) = ------------- dt
donde:
ρi, ρ = densidad del líquido a la entrada y a la salida, respectivamente, en kg/m³
Cpi, Cp, = capacidad calorífica a presión constante del líquido a la entrada y a la salida,
respectivamente, en J/kg.ºC
Cv = capacidad calorífica a volumen constante del líquido, en J/kg.ºC
V = volumen del líquido en el tanque, m³
hi, h = entalpía del líquido a la entrada y a la salida, respectivamente, J/kg
u = energía interna del liquido en el tanque, J/kg.
Puesto que se supone que la densidad y la capacidad calorífica permanecen
constantes, sobre todo el rango de temperatura de operación, la última ecuación se
puede escribir como
Ec. (6)
Ésta es una ecuación diferencial lineal ordinaria de primer orden que expresa la relación
entre la temperatura de entrada y la de salida. Es importante señalar que en esta
ecuación sólo existe una incógnita, T(t); la temperatura de entrada, T,(t), es una variable
de entrada y, por tanto, no se considera como incógnita, ya que se puede especificar la
forma en que cambia, por ejemplo, un cambio en escalón o en rampa.
Con la solución de esta ecuación diferencial para cierta temperatura de entrada se
obtiene la respuesta de la temperatura de salida como función del tiempo. La
temperatura de entrada se conoce como variable de entrada o función de forzamiento,
ya que es la que fuerza el cambio en la temperatura de salida; la temperatura de salida
se conoce como variable de salida o variable de respuesta, ya que es la que responde a
la función de forzamiento. Antes de resolver la ecuación anterior se hace un cambio de
variable, con el que se simplifica la solución; se escribe el balance de energía del
contenido del tanque en estado estacionario:
dT(t) qρiCpiTi(t) - qρCpT(t) = VρCv ------- dt
Ec. (7)
Al substraer la ecuación (7) de la ecuación (6) se tiene
Ec. (8)
Ahora se definen las siguientes variables de desviación
Ec. (9)
Ec. (10)
donde:
T, Ti = valores de estado estacionario de la temperatura de entrada y de salida,
respectivamente, ºC
T(t), Ti(t) = variables de desviación de la temperatura de entrada y de salida,
respectivamente, ºC
Se substituyen las ecuaciones (9) y (10) en la (8) y se obtiene
Ec. (11)
La solución de esta ecuación da por resultado la temperatura de desviación, T(t), contra
el tiempo, para cierta función de forzamiento Ti(T). Si se desea la temperatura real de
salida, T(t), se debe añadir el valor de estado estacionario T a T(t), debido a la ecuación
(9).
_ _ qρiCpiTi - qρCpT = 0
_ _ _ d(T(t) – T) qρiCpi(Ti(t) - Ti) – qρCp(T(t) – T) = VρCv -------------- dt
_ T(t) = T(t) – T _ Ti(t) = Ti(t) - Ti
dT(t) qρiCpiTi(t) - qρCpT(t) = VρCv ------- dt
La definición y utilización de las variables de desviación es muy importante en el
análisis y diseño de sistemas de control de proceso, con su uso se tiene la ventaja de
que su valor indica el grado de desviación respecto a algún valor de operación de
estado estacionario; en la práctica, este valor de estado estacionario puede ser el valor
deseado de la variable. Otra ventaja en el uso de estas variables es que su valor inicial
es cero, si se supone que se comienza a partir de un estado estacionario, con lo que se
simplifica la solución de las ecuaciones diferenciales semejantes a la ecuación (11).
La ecuación (11) se puede reordenar como sigue:
sea
Ec. (12)
de manera que
Ec. (13)
Puesto que ésta es una ecuación diferencial lineal, con la utilización de la transformada
de Laplace se obtiene
Pero T(0) = 0 y, por tanto, algebraicamente
Ec. (14)
ó
Ec. (15)
VρCv dT(t) --------- . -------- + T(t) = Ti(t) qρCp dt
VρCv Ť = --------- qρCp
dT(t) Ť . -------- + T(t) = Ti(t) dt
Ťs.T(s) – ŤT(0)+ T(s) = Ti(s)
1 T(s) = ---------- Ti(s) Ťs + 1
T(s) 1 ------ = ---------- Ti(s) Ťs + 1
La ecuación (15) se conoce como función de transferencia; es una función de
transferencia de primer orden porque se desarrolla a partir de una ecuación diferencial
de primer orden. Los procesos que se describen mediante esta función se denominan
procesos de primer orden, sistemas de primer orden o retardos de primer orden;
algunas veces también se conocen como sistemas de capacitancia única, porque la
función de transferencia es del mismo tipo que la descrita por un sistema eléctrico con
una resistencia y un capacitor (R-C). (Smith, Corripio, 1991)
2.5 Función Transferencia
La función de transferencia es la relación de la transformada de Laplace de la variable
de salida sobre la transformada de Laplace de la variable de entrada. Se representa
generalmente por:
G(s) = Ec. (16)
Donde:
G(s) = Representación general de una función de transferencia
Y(s) = Transformada de Laplace de la variable de salida
X(s) = Transformada de Laplace de la función de forzamiento o variable de entrada
K, a1, am, b1, y bn = Constantes
En la ecuación (16) se muestra la mejor manera de escribir la función de transferencia;
cuando se escribe de esta manera, K representa la ganancia del sistema y tiene como
unidades las de Y(s) sobre las unidades de X(s). Las otras constantes, las a y las b,
tienen como unidades (tiempo), donde i es la potencia de la variable de Laplace, s, se
asocia con la constante particular, lo que da como resultado un termino sin dimensiones
dentro de paréntesis, ya que la unidad de s es 1/tiempo
Y(s) K(amsm+ am-1 sm-1 + …. + a1s + 1) ------ = ---------------------------------------------- X(s) (bnsn + bn-1 sn-1 + …. + b1s + 1)
La función de transferencia define completamente las características de estado
estacionario y dinámico, es decir, la respuesta total de un sistema que se describe
mediante una ecuación diferencial lineal. (Smith, Corripio, 1991)
A continuación se presentan algunos comentarios importantes relacionados con la
función de transferencia.
La función de transferencia de un sistema es un modelo matemático porque es
un método operacional para expresar la ecuación diferencial que relaciona la
variable de salida con la variable de entrada.
La función de transferencia es una propiedad de un sistema, independiente de la
magnitud y naturaleza de la entrada o función de excitación.
La función de transferencia incluye las unidades necesarias para relacionar la
entrada con la salida; sin embargo, no proporciona información acerca de la
estructura física del sistema. (Las funciones de transferencia de muchos
sistemas físicamente diferentes pueden ser idénticas.)
Si se conoce la función de transferencia de un sistema, se estudia la salida o
respuesta para varias formas de entrada, con la intención de comprender la
naturaleza del sistema.
Si se desconoce la función de transferencia de un sistema, puede establecerse
experimentalmente introduciendo entradas conocidas y estudiando la salida del
sistema. Una vez establecida una función de transferencia, proporciona una
descripción completa de las características dinámicas del sistema, a diferencia
de su descripción física. (Ogata, 1998).
2.6 Diagramas de bloques
Es una representación gráfica de las funciones realizadas por cada componente y del
flujo de las señales. Tal diagrama indica las interrelaciones que existen entre diversos
componentes. En diagrama de bloques, todas las variables del sistema se enlazan
entre si a través de bloques funcionales. (Ogata, 1998).
El bloque funcional o simplemente bloque es un símbolo para representar la operación
matemática que sobre la señal de entrada hace el bloque para producir la salida. Sobre
los bloques correspondientes, se colocan generalmente las funciones de transferencia
de los componentes; los bloques están conectados por flechas para indicar la dirección
del flujo de señales. Nótese que la señal solo se puede pasar en la dirección de las
flechas. De este modo, un diagrama de bloques de un sistema de control presenta
explícitamente una propiedad o característica unilateral.
La figura 4 muestra un elemento del diagrama del diagrama de bloques. La flecha que
apunta hacia el bloque indica la entrada, y la que se aleja del bloque representa la
salida. Tales flechas reciben la designación de señales.
Figura 4. Elemento de un diagrama de bloques
Debe notarse que la magnitud de la señal de salida del bloque, es la señal de entrada,
multiplicada por la magnitud de la función de transferencia en el bloque. Las ventajas
de la representación del diagrama de bloques de un sistema consisten en colocar
simplemente los bloques de sus componentes de acuerdo con el flujo de señales, y
además es posible evaluar la contribución de cada componente al comportamiento
general de todo el sistema.
Función de transferencia
G(s)
C(s) E(s) R(s) G(s)
Un diagrama de bloques contiene información respecto al comportamiento dinámico,
pero no contiene ninguna información acerca de la constitución física del sistema. En
consecuencia muchos sistemas físicamente diferentes sin relación alguna entre si,
pueden estar representados por el mismo diagrama de bloques.
2.6.1 Diagrama de bloques de un sistema de lazo cerrado
La figura 5 presenta un ejemplo del diagrama de bloques de un sistema de lazo
cerrado, la salida C(s) es alimentada nuevamente al punto de suma, donde se compara
con la entrada de referencia R(s). La naturaleza de lazo cerrado del sistema queda
claramente indicada por la figura. La salida del bloque C(s), se obtiene E(s). Cualquier
sistema lineal de control puede representarse por un diagrama de bloques, consistentes
en bloques, puntos de suma y puntos de bifurcación.
Figura 5. Diagrama de bloque de un sistema de lazo cerrado
Al inyectar nuevamente la salida al punto de suma para compararla con la entrada, es
necesario convertir la forma de la señal de salida a la forma de señal de entrada.
(Ogata, 1998).
2.7 Acciones básicas de control en lazo cerrado
Un controlador automático compara el valor de la salida de una planta con la entrada de
referencia (valor deseado), determina el error, y produce una señal de control que
reducirá el error a cero, o a un valor muy pequeño. La forma como el controlador
automático produce la señal de control, se denomina acción de control.
2.7.1 Clasificación de controladores industriales analógicos.
Los controladores industriales analógicos, se pueden clasificar de acuerdo con sus
acciones de control de la siguiente forma:
Controladores de posición o intermitentes (encendido apagado)
Controladores proporcionales
Controladores integrales
Controladores proporcional – integral
Controladores proporcional – derivativo
Controladores proporcional – integral – derivativo
El controlador detecta la señal de error, que suele estar a un nivel de potencia muy
bajo, y la amplifica a un nivel suficientemente alto. Así, el controlador automático está
constituido por un detector de error y un amplificador. También suele haber un circuito
de retroalimentación adecuado, junto con un amplificador, que se utiliza para alterar la
señal de error, amplificándola, para producir una mejor señal control. (Ogata, 1998).
2.7.1.1 Acción de control de dos posiciones, o de encendido – apagado
En un sistema de control de dos posiciones, el actuador tiene solo dos posiciones fijas,
que en muchos casos son, simplemente conectado y desconectado. El controlador de
dos posiciones, o de encendido y apagado es relativamente simple y económico, y por
esta razón se usa ampliamente en sistemas de control.
Sea u(t) la señal de salida del controlador y e(t) la señal de error. En un controlador de
dos posiciones, la señal u(t) permanece en un valor máximo o mínimo, según sea la
señal de error positiva o negativa, de manera que:
u(t) = U1 para e(t) >0 Ec. (17)
u(t) = U2 para e(t) <0 Ec. (18)
donde U1 y U2 son constantes. Generalmente el valor mínimo U2 puede ser, o bien cero,
o –U1 en general los controladores de dos posiciones son dispositivos eléctricos, donde
habitualmente hay una válvula accionada por un solenoide eléctrico. (Ogata, 1998).
2.7.1.2 Acción de control proporcional
En el sistema de posición proporcional, existe una relación lineal continua entre el valor
de la variable controlada y la posición del elemento final de control (dentro de la banda
proporcional). Es decir, la válvula se mueve en el mismo valor por cada unidad de
desviación. Creus (1997)
Para Ogata (1998) en un controlador de acción de control proporcional, la relación entre
la salida del controlador u(t) y la señal de error e(t), es:
U(t) = kpe(t) Ec. (19)
La función transferencia del controlador proporcional es:
Ec. (20)
donde kp se denomina ganancia proporcional. Sin importar el mecanismo en sí y la
potencia que lo alimenta, el controlador proporcional es esencialmente un amplificador
con ganancia ajustable. La acción proporcional origina una actuación de control
U(t) ----- = kp E(t)
correctiva proporcional al error. En la figura 6 aparece un diagrama de bloques de este
control. Ogata (1998)
Figura 6. Diagrama de bloques de un controlador proporcional
2.7.1.3 Acción de control integral
En un controlador con acción de control integral, el valor de la salida del controlador u(t)
varía en razón proporcional a la señal de error e(t). Es decir,
Ec. (21)
O bien
Ec. (22)
donde ki es una constante ajustable. La función transferencia del controlador integral es:
Ec. (23)
En ocasiones la acción de control integral recibe el nombre control de reposición o
restablecimiento. En la figura 7 aparece un diagrama de bloques de este control.
(Ogata, 1998).
du(t) ------ = ki e(t) d(t)
t u(t) = ki ∫e(t) dt 0
U(s) ki ----- = ----- E(s) s
U(s) E(s)
Kp
U(s) E(s) ki
------- s
Figura 7. Diagrama de bloques de un controlador integral
La acción integral brinda una corrección proporcional a la integral del error. Tiene la
ventaja de asegurar que en la última instancia se aplicara suficiente acción de control
para reducir el error de regulación a cero. Sin embargo, tiene un efecto desestabilizador
debido al corrimiento de fase agregado.
2.7.1.4 Acción de control proporcional e integral
En el control integral, el elemento final se mueve de acuerdo con una función integral en
el tiempo de la variable controlada. (Creus, 1997)
La acción de un controlador proporcional-integral queda definida por la siguiente
ecuación:
Ec. (24)
y la función transferencia del controlador es:
Ec. (25)
donde kp es la ganancia proporcional y Ti, se denomina tiempo integral. Ambos valores,
kp y Ti, son ajustables. El tiempo integral regula la acción de control integral, mientras
que una modificación en kp afecta tanto a la parte integral como a la proporcional de la
kp t u(t) = kpe(t)+ ---- ∫ e(t)dt Ti
0
U(s) 1 ------- = kp (1 + -----) E(s) Tis
U(s) E(s) 1
kp (1 + ---) Tis
acción de control. El reciproco del tiempo integral Ti recibe el nombre de frecuencia de
reposición. La frecuencia de reposición es la cantidad de veces por minuto en que se
repite la acción proporcional. La frecuencia de reposición se mide en término de
repeticiones por minuto. La figura 8 muestra un diagrama de bloques de un controlador
proporcional integral. (Ogata, 1998).
Figura 8. Diagrama de bloques de un controlador proporcional-integral
2.7.1.5 Acción de control proporcional y derivativo
En la regulación derivada existe una relación continua entre la velocidad de variación de
la variable controlada y la posición del elemento final de control. Es decir el movimiento
de la válvula es proporcional a la velocidad de cambio de la variable, por ejemplo, la
temperatura, cuanto mas rápido varíe ésta, tanto mas se moverá la válvula. (Creus,
1997)
La acción de control proporcional derivativo se define por la siguiente ecuación:
Ec. (26)
y la función de transferencia es:
Ec. (27)
donde kp es la ganancia proporcional y Td es una constante denominada tiempo
derivativo o tiempo de adelanto. Tanto kp como Td son regulables. La acción de control
de(t) u(t) = kpe(t) + kpTd ------ d(t)
U(s) ------ = kp(1+Tds) E(s)
U(s) E(s) kp(1+Tds)
derivativa, a veces llamada control de velocidad, se presenta cuando el valor de la
salida del controlador es proporcional a la velocidad de variación de la señal de error. El
tiempo derivativo Td es el intervalo de tiempo en que la acción de derivativa se adelanta
al efecto de la acción proporcional. En la figura 9 se puede ver un diagrama de bloques
de un controlador proporcional-derivativo. Una acción derivativa nunca puede anticipar
una acción que aun no acontece. En tanto acontece la acción derivativa tiene una
ventaja al anticiparse al error, sus desventajas son que amplifica las señales de ruido y
produce un efecto de saturación en el actuado. (Ogata, 1998).
Figura 9. Diagrama de bloques de un controlador proporcional-derivativo
2.7.1.6 Acción de control proporcional-integral-derivativo
La combinación de los efectos de acción proporcional, integral y derivativa, se
denomina acción de control proporcional-integral-derivativo. Esta combinación tiene las
ventajas de cada una de las tres acciones de control individuales (proporcional, integral
y derivativa). La ecuación de esta acción de control es:
Ec. (28)
y la función de transferencia es:
Ec. (29)
kp t de(t) u(t) = kp e(t) + ----- ∫e(t) dt + kpTd ----- Ti
0 dt
U(s) 1 ------ = kp(1+ ---- + Tds) E(s) Ti
U(s) E(s) kp(1+ Tis + TiTds2 )
--------------------------- Tis
donde kp es la ganancia proporcional, Ti es el tiempo integral, Td es el tiempo derivativo.
En la figura 10 se puede ver el diagrama de bloques de un controlador proporcional,
integral y derivativo. (Ogata, 1998).
Figura 10. Diagrama de bloques de un controlador proporcional-integral-derivativo
2.7.2 Efectos del sensor (elemento de medición) en el comportamiento del sistema
Como las características dinámicas y estáticas del sensor o elemento de medición
afectan la indicación del valor efectivo de la variable de la salida, el sensor juega un
papel importante en la determinación del comportamiento global del sistema de control.
El sensor suele determinar la función de transferencia en la retroalimentación. Si las
constantes de tiempo del sensor son insignificantes en comparación con las constantes
de tiempo de las demás componentes del sistema de control, la función de transferencia
del sensor se convierte, simplemente en una constante. (Ogata, 1998).
2.8 Estrategias de control
2.8.1 Control en cascada
Según Creus (1997), se usan para mejorar la estabilidad de una variable del proceso
con una optima sintonización del controlador en el lazo retroalimentado. La aplicación
de esta técnica de control es conveniente cuando la variable no puede mantenerse
dentro del valor deseado, debido a las perturbaciones inherentes al proceso. Para que
un sistema de control en cascada este bien aplicado es necesario que se tomen en
cuenta algunos aspectos importantes:
Localizar la variable más importante del proceso
Situar las variables básicas a controlar
Identificar la variable que introduce la inestabilidad
Determinar la velocidad de cambio de ambas señales
Hacer un arreglo en cascada de tal forma que el lazo mayor sea mas lento y el
controlador también (control maestro)
El lazo menor deberá contener la variable mas rápida y el controlador debe ser
de repuesta con retardos mínimos (control esclavo)
El controlador del lazo menor deberá sintonizarse con la ganancia mas alta
posible
El controlador esclavo se selecciona con valor deseado remoto, mientras el
controlador maestro es de tipo local.
La figura 11 de control de temperatura de un horno. Desde el punto de vista de rapidez
en el control del proceso, es conveniente el ajuste rápido de posición de la válvula tan
pronto como se presenta una perturbación en la presión del combustible, mientras que
las variaciones de temperatura más lentas que pueden producirse por otras causas
deben ser corregidas para mantener la temperatura en el punto de consigna.
Si la señal del controlador de temperatura (primario) actúa como punto de consigna de
un instrumento que controle el caudal y cuya señal de salida ajuste la posición de la
válvula, este segundo controlador (secundario) permitirá corregir rápidamente las
variaciones de caudal provocadas por perturbaciones en la presión de combustible,
manteniendo el sistema en todo momento la capacidad para controlar la temperatura
con el instrumento primario. Estos dos instrumentos conectados en serie actúan
manteniendo la temperatura constante, el controlador de temperatura manda y el de
caudal obedece.
Figura 11. Control en cascada
Fuente: Creus, 1997
2.8.2 Control de relación
Para Creus (1997), el control de relación tiene como objetivo controlar el flujo o el
volumen de una variable en función de otra. Esta técnica de control, se aplica por lo
general a dos cantidades de flujo que debe mantener una relación prefija por el usuario.
Estas cantidades suelen ser caudales de fluidos, tal como puede verse en la figura 12.
La señal del transmisor de caudal es multiplicada por un factor fijado manual ó
automáticamente. La señal de salida del multiplicador es el punto de consigna del
controlador cuya señal actúa directamente sobre la válvula de control.
Para este tipo de control, es muy importante tomar las siguientes consideraciones:
Ambas señales deben tener las mismas unidades
Ambas señales deben estar finalizadas o en forma cuadrática
El rango de los controladores debe ser compatible con las señales recibidas de
0% a 100%
Tomar en cuenta que en los fluidos la linealidad se pierde en los extremos de la
medición
La características de los fluidos deben ser muy similar
Una aplicación típica del controlador de relación se encuentra en la relación del caudal
del aire y del fuel en la combustión de una caldera de vapor.
Figura 12. Control de relación
Fuente: Creus 1997
2.8.3 Control anticipativo (Feed Forward)
Este sistema censa la perturbación de una variable antes de afectar al proceso y tomar
la acción correctiva para evitar un efecto dañino al producto. En los procesos que tienen
tiempos muertos muy grandes, se presentan desviaciones en magnitud y frecuencia
variables, la señal de error se detecta un tiempo después de que se produjo el cambio
en la carga y ha sido afectado el producto y como consecuencia la corrección actúa
cuando no es necesario.
El problema anterior se resuelve aplicando al proceso esta técnica, que parte de la
medición de una o varias señales de entrada y actúan simultáneamente sobre la
variable de entrada, produciendo la salida deseada sobre el proceso. Aplicar esta
técnica de control implica un conocimiento amplio, exacto y completo de las
características estáticas y dinámicas del proceso. La relación entre la variable de salida
y la variable de entrada constituyen en modelo del proceso y es la función de
transferencia del sistema de control en adelanto.
El controlador es quien debe responder a los cambios de las perturbaciones, pero como
es lógico su eficiencia depende de la exactitud del sensor y el elemento de interfase de
una o más variables de entrada y salida y de la exactitud en el modelo, calculado en el
proceso. El control anticipativo es capaz de seguir rápidamente los cambios dinámicos
(estado transitorio), pero puede presentar un error estático considerable, por tal motivo
regularmente se aplica combinando con el control retroalimentado. Este se aplica
cuando se tenga que minimizar el impacto de una perturbación. En la figura 13 se
muestra un ejemplo del control anticipativo.
Figura 13. Control anticipativo
Fuente: Creus 1997
2.8.4 Control de gama partida
El control gama partida (split-range-control) es una forma de control en el cual una
variable manipulada tiene preferencia con relación a otra u otras del proceso. En la
figura 14 puede verse este tipo de control aplicado a dos intercambiadores de calor en
serie. La instalación se utiliza para calentar un producto cuyo caudal es muy variable;
cuando es baja basta de un solo intercambiador para calentarlo y cuando la fabricación
es la máxima son necesarios los dos.
Se supone que, desde el punto de vista de seguridad, las válvulas deben cerrar en caso
de fallo de aire, por lo cual el controlador de temperatura debe ser de acción inversa (al
aumentar la temperatura baja la señal de salida). Si el caudal del producto es bajo
actuara la válvula de vapor V-1 porque la señal de salida estará comprendida entre 50-
100%. A medida que aumenta el caudal, el controlador de temperatura baja la señal
gradualmente hasta que cuando la señal baja de 50%, la válvula V-1 permanece
totalmente abierta con el primer intercambiador trabajando al máximo, y la válvula de
control V-2 empieza a abrir iniciando el funcionamiento del segundo intercambiador. A
un caudal máximo determinado, las dos válvulas de control están abiertas y los dos
intercambiadores trabajan al máximo.
Figura 14. Control de gama partida en dos intercambiadores de calor en serie
Fuente: Creus, 1997
2.8.5 Control Selectivo
Este tipo de control selectivo (override control) se emplea para limitar la variable de
proceso en un valor alto o bajo con el objeto de evitar daños en el proceso o en el
producto. Entre las aplicaciones típicas se encuentra el bombeo en oleoductos (figura
15).
En esta aplicación a dos controladores de presión, uno en la succión y el otro en la
impulsión cuya señal de salida es seleccionada por un relé selector en comunicación
con la válvula de control. El control se efectúa en condiciones de funcionamientos
normales con el controlador de impulsión y cuando por cualquier avería baja la presión
de aspiración de la bomba por debajo del límite de seguridad debe entrar en
funcionamiento el controlador de aspiración en lugar del de impulsión. Para conseguirlo,
este último instrumento es de acción inversa, el punto de consigna del controlador de
aspiración es inferior a los valores normales de trabajo, y el relé selector selecciona la
mínima de las dos señales que le llegan.
Figura 15. Control selectivo
Fuente: Creus, 1997
2.9 Instrumentación Industrial
2.9.1 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 presostatos y termostatos
(interruptores de presión y temperatura respectivamente) que poseen una escala
exterior con un índice de selección de la variable, ya que solo ajuntan el punto de
disparo del interruptor o conmutador al cruzar la variable el valor seleccionado. Son
también instrumentos ciegos, los transmisores de caudal, presión, nivel y temperatura
sin indicación.
2.9.2 Instrumentos indicadores
Dispone de un índice y de una escala en la que puede leerse el valor de la variable.
Según la amplitud de la escala se dividen en indicadores concéntricos y excéntricos.
Existen también indicadores digitales que muestran la variable en forma numérica con
dígitos. (Creus, 1997)
2.9.3 Instrumentos registradores
Registran con trazo continuo o a puntos la variable, y pueden ser circuladores o de
gráfico rectangulares o alargado según sea la forma del gráfico. (Creus, 1997)
2.9.4 Elementos primarios
Están en contacto con la variable y utiliza 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, entre otros. Por ejemplo: en los elementos
primarios de temperatura de bulbo y capilar, el efecto es la variación de presión del
fluido que los llena y en los de termopar se presenta una variación de fuerza
electromotriz. (Creus, 1997)
2.9.4.1 Instrumentos para medición de presión
2.9.4.1.1 La columna en “U “
Este tipo de manómetro se caracteriza por no tener mecanismo ni punteros, es decir,
no está integrado por elementos mecánicos ni complicados. En cambio, solamente está
formado por un tubo de vidrio en forma de U o una forma similar.
2.9.4.1.2 Diafragma
Consta de un diafragma o membrana como elemento de medición, una cámara, un
mecanismo de transmisión de movimiento, un puntero y una escala. Los bordes del
diafragma están sujetos rígidamente por las tapas de las cámaras. Cuando se le aplica
presión al diafragma, este se contrae: y el movimiento generado por la contracción es
transmitido al puntero, el registra la cantidad de presión aplicada reflejándola sobre una
escala graduada.
2.9.4.1.3 Indicadores receptores de presión
Se emplean frecuentemente en combinación con los transmisores de presión
trabajando en rango 3 a 15 lbs/pulg². El mecanismo consiste en un tubo bourdon, cuyo
movimiento se transfiere a la aguja índice, de tal manera que con una presión de
3lbs/pulg², la aguja marca 0% en la escala; y con una presión de 15 lbs/pulg², la aguja
indica el 100% de la escala.
2.9.4.1.4 Suiche de presión
Su funcionamiento se basa en el balance fuerzas, es decir, la presión ejerce una fuerza
de empuje contra el diafragma, fuerza esta que absorbe el resorte de calibración.
Cuando la fuerza de la presión vence al resorte, entonces el estado es crítico, es en ese
momento cuando se cierra el circuito eléctrico.
2.9.4.2 Instrumentos para medición de flujo
2.9.4.2.1 Placa de orificio o diafragma
Consiste en una placa perforada instalada en una tubería. Dos tomas conectadas en la
parte anterior y posterior de la placa captan la presión diferencial, la cual es
proporcional al cuadrado del caudal.
2.9.4.2.2 Tomas en la brida
Es bastante utilizada, ya que su instalación es cómoda, y las tomas están taladradas en
las bridas que soportan la placa.
2.9.4.2.3 Tomas en la vena contraída
La toma posterior esta situada en un lugar donde la vena alcanza su diámetro mas
pequeño, lo cual depende de la razón del diámetro y se presenta aproximadamente a ½
diámetro de la tubería. La toma anterior se sitúa a 1 diámetro de la tubería.
2.9.4.2.4 Tobera de flujo
Funciona aumentando la velocidad del fluido y disminuyendo la presión. Este
instrumento permite 60% más caudal. Su perdida de carga, es de 30% a 80% de la
presión diferencial. Se puede usar para fluidos que arrastren sólidos en pequeñas
cantidades, si estos sólidos son abrasivos, puede afectar la presión del elemento.
2.9.4.2.5 Tubo Venturi
Permite la medición de caudales 60% mayores que en la placa orificio en las mismas
condiciones de servicio y con una perdida de carga de solo 10 a 20% de la presión
diferencial. Posee una gran precisión y permite el paso de fluidos con un porcentaje
grande de sólidos. Aunque si son abrasivas afecta su forma e influye en su precisión.
2.9.4.2.6 Tubo de Dall
Es un Tubo Venturi especial, la pérdida de presión de este elemento es menor que
cualquier otro, mientras que la presión diferencial que origina es mayor que la del tubo
venturi. El cono de convergencia de la entrada es un cono clásico, pero la parte
cilíndrica es mas corta. El cono de divergencia es más corto que la salida de un Tubo
Venturi normal.
2.9.4.2.7 Tubo Pitot
Se usa especialmente cuando la medición se efectúa en líneas de gran capacidad. Este
elemento tiene forma de “L”, y se introduce de manera que su lado mas corto quede
ubicado en el centro de la tubería, enfrentando la dirección del caudal en la parte
central, donde el fluido alcanza su máxima velocidad.
2.9.4.3 Instrumentos para medición de temperatura
2.9.4.3.1 Termómetro de vidrio
Es el instrumento de medición de temperatura mas conocido debido a su sencillez. Este
termómetro consta de un depósito de vidrio que puede contener mercurio, pentanol,
alcohol o tolueno. Dicho depósito consta de una escala que permite diferenciar el nivel
del líquido dentro de el. El mas común de estos instrumento es el de mercurio, ya que
es de uso clínico, domestico e industrial.
2.9.4.3.2 Termómetro bimetálico
Este termómetro ha sido el más usado, debido a su bajo costo y alto grado de precisión.
Su composición se basa esencialmente en el elemento bimetálico, el cual no es mas
que dos laminas de metales diferentes, soldados o remachadas, un eje, un cojinete, el
apuntador, la escala y la cubierta de protección. El elemento bimetalito puede ser recto,
curvo, en forma helicoidal o espiral.
2.9.4.3.3 Termómetro de sistemas llenos
Este termómetro se utiliza cuando se quiere indicar la temperatura a cierta distancia del
punto donde se encuentra el instrumento de medición. Su constitución es, básicamente,
un bulbo conectado a un resorte que puede ser del tipo Bourdon, helicoidal o espiral.
2.9.4.3.4 Termopares
Son los medidores de temperatura mas importantes y los mas utilizados debido a su
buen rendimiento al usarse tanto para temperaturas altas como bajas. Además son los
dispositivos mas utilizados para enviar lecturas térmicas a lugares remotos. Los
termopares constan básicamente de dos alambres distintos unidos en un extremo.
El funcionamiento se basa en el efecto seebeck, el cual propone que si dos metales
distintos se ponen en contacto y se calienta la junta, se originará una diferencia de
potencial en los extremos libres. El punto de unión de los metales se conoce como junta
caliente; y los extremos libres se conocen como junta fría.
2.9.4.3.4.1 Tipos de termopares
2.9.4.3.4.1.1 Cobre- Constantan (tipo T)
Este tipo de termopares soporta muy bien la corrosión, son reproducibles a un alto
grado de precisión; y generalmente se usan en rango desde -300ºF hasta 700ºF.
2.9.4.3.4.1.2 Hierro-Constantan (tipo J)
Son adecuadas para su uso en atmósferas de reducción, donde hay una deficiencia de
oxigeno no libre. Sobre 1000ºF la velocidad de oxidación del cable de hierro aumenta
rápidamente y se sugiere el uso de alambre de medición Nº 8. Este tipo de termopar se
considera satisfactorio hasta 1400ºF.
2.9.4.3.4.1.3 Cromel-Alumel (tipo K)
Creado para usarse en atmósferas de oxidación donde hay un exceso de oxigeno libre.
Bajo estas condiciones el Cromel-Alumel tendrá una vida prolongada, especialmente a
temperaturas altas. La ausencia total de oxigeno libre (atmósfera de reducción) tiene
una tendencia a alterar las características termoeléctricas de estos cables, provocando
una perdida de precisión. Utilizando alambre de medición Nº 8 de Cromel-Alumel
protegidas con una vaina, se consideran adecuadas y económicas hasta 2300ºF.
2.9.4.3.4.1.4 Platino- Platino radio (Tipo R y S)
Se utilizan para rangos de temperatura más altos, las afecta la atmósfera que tiene
gases reductores; y en consecuencia siempre debe estar protegida con vainas
impermeables de Sillramic cuando se use en presencia de dichos gases a temperatura
mayores de 1000ºF. Se recomienda su uso hasta 2700ºF.
2.9.4.3.5 Termómetros de resistencia
Según Smith, Corripio (1991), los termómetros de dispositivos resistivos (RTD) son
elementos que se basan en el principio de que la resistencia eléctrica de los metales
puros se incrementa con la temperatura y, ya que la resistencia eléctrica se puede
medir con bastante precisión, esto proporciona un medio para medir la temperatura con
mucha exactitud. Los metales que se utilizan más comúnmente son platino, níquel,
tungsteno y cobre. Para la lectura de la resistencia y, en consecuencia, también para la
de temperatura generalmente se utiliza un puente de Wheatstone. Con los elementos
termistores se detectan cambios muy leves de temperatura y se fabrican con la
combinación sinterizada de material cerámico y alguna clase de óxido metálico
semiconductor, como níquel, manganeso, cobre, titanio o hierro.
En los termistores se tiene un coeficiente de resistividad térmica muy negativo, o
algunas veces positivo. Algunas de las ventajas son el tamaño pequeño y el bajo costo;
sus principales desventajas estriban en que la relación de la temperatura contra la
resistencia no es lineal, así como el hecho de que generalmente se requieren líneas de
fuerza blindadas.
2.9.4.3.6 Luneta de radiación
Para Astigarraga (1994) Las lunetas de radiación o termopilas son elementos sensibles
de los pirómetros de radiación total. El principio de la medida esta basado en la ley de
Stefan-Boltzmann, por la que la radiación total, es decir, la energía o calor radiado con
todas las frecuencias y en todas las direcciones por un cuerpo negro, es proporcional a
la superficie radiante y a la cuarta potencia de su temperatura absoluta.
Las termopilas están formadas por varios termopares de pequeñas dimensiones
montados radialmente, de modo que sus soldaduras calientes detectan la temperatura
de un pequeño disco metálico negro. Las uniones frías están conectadas en serie y se
suman las fuerzas electromotrices de los pares. El disco recibe la radiación recogida
por el tubo dentro del cual va montado, y que lleva un sistema de lente y espejo
diafragmado.
La temperatura del disco de la termopila depende de la temperatura de la fuente de
calor, de su naturaleza o factor de emisión, de la perdida de radiación por absorción, del
medio ambiente entre dicha fuente y el detector, de la transparencia o estado de
limpieza del objetivo y espejo, y de las temperatura de las juntas frías de los
termopares, todo ello en el supuesto de que el campo visual de la luneta este
totalmente cubierto por la fuente de calor.
En este contexto Creus (1998) indica que desde el punto de vista de medición de
temperaturas industriales, las longitudes de onda térmicas abarcan desde 0.1 micra
para las radiaciones ultravioletas, hasta 12 micras para las radiaciones infrarrojas. Los
pirómetros de radiación miden, pues, la temperatura de un cuerpo a distancia en
función de su radiación.
2.9.4.3.7 Tipos de pirómetros
2.9.4.3.7.1 Pirómetro óptico
Los pirómetros ópticos automáticos son parecidos a los de radiación infrarrojos y
consisten esencialmente en un disco rotativo que modula desfasadas la radiación del
objeto y la de una lámpara estándar que inciden en un fototubo multiplicador. Este envía
una señal de salida en forma de onda cuadrada de impulsos de corriente continua que
convenientemente acondicionada modifica la corriente de alimentación de la lámpara
estándar hasta que coinciden en brillo la radiación del objeto y de la lámpara. En este
momento la intensidad de corriente que pasa por la lámpara es función de la
temperatura. (Creus, 1997)
2.9.4.3.7.2 Pirómetro infrarrojo
Capta la radiación espectral del infrarrojo, invisible al ojo humano, y puede medir
temperaturas menores de 700 ºC, supliendo al pirómetro óptico que solo puede trabajar
eficazmente a temperatura superiores a 700 ºC, donde la radiación visible emitida es
significativa. La lente filtra la radiación infrarroja emitida por el área del objeto
examinado y la concentra en un sensor de temperatura. La distancia focal de la lente
varia entre 500 y 1500 mm. El aparato dispone de un compensador de emisividad que
permite corregir la temperatura leída, no solo para la perdida de radiación en cuerpos
con emisividad menor que uno, sino también cuando hay vapores, gases, humos o
materiales transparentes que se interponen en el camino de la radiación, y tiene una
precisión de aproximadamente 0.3 %. (Creus, 1997)
2.9.4.3.7.3 Pirómetro de radiación total
Esta formado por una lente de pirex, sílice o fluoruro de calcio que concentra la
radiación del objeto caliente en una termopila formada por varios termopares de
Pt-Pt/Rh, de pequeñas dimensiones y montados en serie. La radiación esta enfocada
incidiendo directamente en las uniones caliente de los termopares. Su reducida masa
les hace muy sensibles a pequeñas variaciones de la energía radiante, y, además muy
resistentes a vibraciones o choques. La parte de los termopares esta ennegrecida, para
comportarse como un cuerpo negro, aumentando así sus propiedades de absorción de
energía, y proporcionando la fuerza electromotriz máxima. (Creus, 1997)
2.9.5 Transmisores
Captan la variable de procesos a través del elemento primario y la transmite a distancia
en forma de señal hasta un instrumento receptor. Existen varios tipos de señales de
transmisión: neumáticas, electrónicas, hidráulicas y telemétricas. Las más empleadas
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.
Los transmisores neumáticos generan una señal de transmisión neumática variable
linealmente de 3-15 psi para el campo de medida de 0-100% de la variable. Los
transmisores electrónicos generan varios tipos de señal de transmisión: 4-20mA,
1-5mA, 10-50mA, 1-5mA, 1-5V, Entre estas señales, las mas empleadas son: 4-20mA,
10-50mA, y en panel 1-5V. (Creus, 1997)
2.9.6 Transductores
Reciben una señal de entrada función de una o más cantidades físicas y la convierte
modificada o no a una señal de salida. Son transductores, un relé, un elemento
primario, un transmisor, un convertidor P/I (presión de proceso a intensidad), un
convertidor P/P (presión de proceso a señal de neumática), entre otros. (Creus, 1997)
2.9.7 Convertidores
Son aparatos que reciben una señal de entrada neumática (3-15psi) o electrónica (4-
20mA) procedente de un instrumento y después de modificarla envía la resultante en
forma de señal de salida estándar. Ejemplo: Un convertidor P/I (señal de entrada
neumática a señal de salida electrónica), un convertidor I/P (señal de entrada eléctrica a
señal de salida neumática). (Creus, 1997)
2.9.8 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 3-15psi en señal neumática, o 4-20mA, en señal electrónica, que actúan
sobre el elemento final de control. (Creus, 1997)
2.9.9 Controladores
Comparan la variable controlada (presión, nivel, flujo, temperatura) con un valor
deseado y ejercen una acción correctiva de acuerdo con la desviación. La variable
controlada la pueden recibir directamente, como controladores o bien indirectamente en
forma de señal neumática o electrónica procedente de un transmisor. (Creus, 1997)
2.9.10 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 a 15 psi. En el control electrónico la
válvula o el servomotor son accionados a través de un convertidor de intensidad a
presión (I/P) que convierte la señal electrónica de 4 a 20mA, a neumática 3-15 psi.
(Creus, 1997)
2.9.10.1 Válvula
Es un órgano de intercepción de fluido el cual realiza su función cuando un elemento
obturador, movido por un vástago corta o permite (según sea) el flujo de fluidos por una
línea. (Enelven, 2003)
2.9.10.1.1 Tipos de válvulas de control
En el control automático de los procesos industriales la válvula de control juega un
papel muy importante en el lazo de regulación o control. Realiza la función de variar el
caudal del fluido de control que modifica a su vez el valor de la variable medida
comparándose como un orificio de área continuamente variable.
Dentro del lazo de control tiene tanta importancia como el elemento primario, el
transmisor y el controlador. La válvula se compone básicamente del cuerpo y del
servomotor. El cuerpo contiene en su interior el obturador y los asientos y esta provisto
de rosca o bridas para conectar la válvula a la tubería. El obturador es quien realiza la
función de control de paso del fluido y puede actuar en la dirección de su propio eje o
bien tener un movimiento rotativo. Esta unido a un vástago que pasa a través de la tapa
del cuerpo y que es accionado por el servomotor. (Enelven, 2003)
2.9.10.1.1.1 Válvula de globo
Estas pueden ser de simple asiento, de doble asiento y de obturador equilibrado. Las
válvulas de simple asiento precisan de un actuador de mayor tamaño para que el
obturador cierre en contra de la presión diferencial del proceso. Por lo tanto, se emplean
cuando la presión del fluido es baja y se precisa que las fugas en posición de cierre
sean mínimas. El cierre estanco se logra con obturadores provistos de una arandela de
teflón. En la válvula de doble asiento o de obturador equilibrado la fuerza de
desequilibrio desarrollada por la presión diferencial a través del obturador es menor que
en la válvula de simple asiento. Por este motivo se utiliza en válvulas de gran tamaño o
bien cuando deba trabajarse con presiones altas. En posición de cierre las fugas son
mayores que en una válvula de simple asiento.
Como dato orientativo puede señalarse que según la norma ANSI B 16.104-1976, las
fugas admisibles son de 0.1% del caudal máximo en la válvula de simple asiento y de
0.5% en la válvula de doble asiento. Asimismo, las válvulas obturador dotado de anillo
de teflón para cierre hermético admiten un caudal de fuga de 1 a 40 burbujas de aire.
En la figura 16 se muestran los tipos de válvulas de globo
Figura 16. Válvulas de globo
Fuente: Creus 1997
2.9.10.1.1.2 Válvula de ángulo
Permite obtener un flujo de caudal regular sin excesivas turbulencias y es adecuada
para disminuir la erosión cuando ésta es considerable por las características del fluido o
por la excesiva presión diferencial. El diseño de esta válvula es idóneo para el control
de fluidos que vaporizan, para trabajar con grandes presiones diferenciales y para los
fluidos que contienen sólidos en suspensión. En la figura 17 se muestra esta válvula
a. Simple asiento b. doble asiento c. obturador equilibrado
Figura 17. Válvula de ángulo
Fuente: Creus 1997
2.9.10.1.1.3 Válvula de Jaula
Consiste en un obturador cilíndrico que desliza en una jaula con agujeros adecuados a
las características de caudal deseadas en la válvula (figura 17). Se caracterizan por el
fácil desmontaje del obturador y porque éste puede incorporar orificios que permiten
eliminar prácticamente el desequilibrio de fuerzas producido por la presión diferencial
favoreciendo la estabilidad del funcionamiento. Por este motivo, este tipo de obturador
equilibrado se emplea en válvulas de gran tamaño o bien cuando deba trabajarse con
una alta presión diferencial. Como el obturador esta contenido dentro de la jaula, ésta
es muy resistente a las vibraciones y al desgaste. Por otro lado, el obturador puede
disponer de aros de teflón que, con la válvula en posición cerrada, asientan contra la
jaula y permiten lograr un cierre hermético.
Figura 18. Válvula de jaula
Fuente: Creus 1997
2.9.10.1.1.4 Válvula de compuerta
Esta válvula efectúa su cierre con un disco vertical plano, o de forma especial, y que se
mueve verticalmente al flujo del fluido. Por su disposición es adecuada generalmente
para control todo-nada, ya que en posiciones intermedias tiende a bloquearse. Tiene la
ventaja de presentar muy poca resistencia al flujo de fluido cuando esta en posición de
apertura total (figura 19).
Figura 19. Válvula de compuerta
Fuente: Creus 1997
2.9.10.1.1.5 Válvula de obturador excéntrico rotativo
Consiste en un obturador de superficie esférica que tiene un movimiento rotativo
excéntrico y que esta unido al eje de giro por uno o dos brazos flexibles (figura 20). El
eje de giro sale al exterior del cuerpo y es accionado por el vástago de un servomotor.
El par de éste es reducido gracias al movimiento excéntrico de la cara esférica del
obturador. Puede tener un cierre estanco mediante aros de teflón dispuestos en el
asiento y se caracteriza por su gran capacidad de caudal, comparable a las válvulas
mariposa y a las de bola, y por elevada pérdida de carga admisible.
Figura 20. Válvula de obturador excéntrico rotativo
Fuente: Creus 1997
2.9.10.1.1.6 Válvula de mariposa
El cuerpo esta formado por un anillo cilíndrico dentro del cual gira transversalmente un
disco circular (figura 21). Esta puede cerrar herméticamente mediante un aro de goma
encastrado en el cuerpo. Un servomotor exterior acciona el eje de giro del disco y ejerce
su par máximo cuando la válvula esta totalmente abierta (en control todo nada se
considera 90º y en control continuo 60º, a partir de la posición de cierre ya que la ultima
parte del giro es bastante inestable) siempre que la presión diferencial permanezca
constante. En la selección de la válvula es importante considerar las presiones
diferenciales correspondientes a las posiciones de completa apertura y de cierre; se
necesita una fuerza grande del actuador para accionarla en caso de una caída de
presión elevada. Estas se emplean para el control de grandes caudales de fluidos a
baja presión.
Figura 21. Válvula de mariposa
Fuente: Creus 1997
2.9.10.1.1.7 Válvula de bola
El cuerpo tiene una cavidad interna esférica que alberga un obturador en forma de
esfera o de bola y tiene un corte adecuado que fija la curva característica de la válvula,
y gira transversalmente accionada por un servomotor exterior (figura 22). El cierre
estanco se logra con un aro de teflón incorporado al cuerpo contra el cual asienta la
bola. En posición de apertura total, la válvula equivale aproximadamente en tamaño al
75% del diámetro de la tubería. Se emplea principalmente en el control de caudal de
fluidos negros, o bien en fluidos con gran porcentaje de sólidos en suspensión.
Figura 22. Válvula de bola
Fuente: Creus 1997
CAPITULO III
CAPÍTULO III MARCO METODOLÓGICO
En toda investigación científica, se hace necesario, que los hechos estudiados, así
como las relaciones que se establecen entre estos, los resultados obtenidos y las
evidencias significativas encontradas en relación con el problema investigado, además
de los nuevos conocimientos que es posible situar, reúnan las condiciones de fiabilidad,
objetividad de validez interna. Por lo cual se requiere delimitar los procedimientos de
orden metodológico mediante los cuales se intenta dar respuesta a las interrogantes
objeto de investigación.
Es por ello que, en función de las características derivadas del problema investigado y
de los objetivos delimitados al inicio de la misma, en el marco metodológico del
presente estudio, se introducirán anticipadamente los diversos procedimientos
científico-técnicos más apropiados para recopilar, presentar y analizar los datos, con la
finalidad de cumplir con el propósito general de la investigación planteada.
3.1 Tipo de Investigación
La metodología empleada en el desarrollo de este trabajo según la naturaleza de los
objetivos y al nivel de conocimiento que se desea alcanzar, se puede calificar de tipo
descriptiva y proyecto factible.
Según Hernández y col, (2003) “los estudios descriptivos buscan especificar las
propiedades importantes de personas, grupos, comunidades o cualquier otro fenómeno
que sea sometido a análisis”. Así mismo, Arias (1999) señala que estas investigaciones
“consisten en caracterizar un hecho, fenómeno o grupo, con el objeto de establecer su
estructura o comportamiento”. La investigación se orientó a identificar condiciones de
operación y funcionamiento del horno utilizado para la cocción de bloques y ladrillos.
Desde el punto de vista práctico, es un proyecto factible, ya que consiste en diseñar el
lazo de control para la operación del horno utilizado para la cocción de ladrillos de una
empresa alfarera. Según Arias (1999), el proyecto factible plantea un problema de tipo
práctico, generalmente determinado por una necesidad. Formula propuestas de acción
y/o modelos operativos como alternativa de solución.
3.2 Diseño de la investigación
Una vez definido el tipo de estudio a realizar y establecidos los lineamientos, se debe
concebir la manera práctica y concreta de responder a las preguntas de investigación.
Esto implica seleccionar o desarrollar un diseño de investigación y aplicarlo al contexto
particular de su estudio. El término diseño se refiere al plan o estrategia concebida para
responder a las preguntas del trabajo.
De acuerdo con Sabino (1997), que en función del tipo de datos a ser recogidos para
realizar la investigación pueden encontrarse dos diseños, los de campo y los
documentales.
En el caso particular de esta investigación, este estudio se clasifica dentro del diseño de
campo, ya que de acuerdo con Sabino (1997), los datos de interés son recogidos de
forma directa de la realidad, a partir del trabajo concreto del investigador. En función
que los datos se recolectan de esta manera, son llamados primarios, estos se refieren a
datos obtenidos en el campo, tales como observaciones directas, experiencias de los
investigadores, entre otros.
Entre los diseños de campo, en general puede tratarse con el experimental y el post-
facto o no experimental. Este último, de acuerdo al mismo autor viene a ser aquel
donde no se controlan ni regulan las condiciones de la prueba o del objeto en estudio.
Esto se refiere a que lo relacionado con el objeto de estudio se desarrolla de forma
espontánea sin interferencia externa. En este caso, los datos fueron recolectados en la
empresa ALFARERÍA Y CERÁMICAS DEL CARIBE C.A. (ALCARIBE), en la Gerencia
de Producción.
Además, cabe señalar que es de tipo transeccional, ya que la investigación se realizó
sobre la base de la observación de los datos en un único momento. Esto en base a lo
señalado por Hernández y col., (2003), se refieren a estudios delimitados y períodos de
tiempo específicos. Respecto a los diseños documentales o bibliográficos, estos son
complementados a partir de los datos obtenidos de manera indirecta, es decir, datos
que ya han sido recolectados en otras investigaciones y son conocidos a través de
informes, libros, guías y otros medios impresos o digitales que permiten obtener dicha
información. Estos datos también son llamados secundarios, debido a que, tal como
señala Sabino (1997), llegan elaborados y procesados de antemano.
En función de las anteriores afirmaciones, se puede señalar que esta investigación es
mixta, y que posee un conjunto de datos recolectados de forma directa de la realidad y
otros de manera bibliográfica, lo cual permite el desarrollo adecuado de la investigación
desde el punto de vista metodológico, englobando para ellos datos de campo y
documentales, con tendencia no experimental.
3.3 Población y Muestra
En cuanto a la población de acuerdo a lo señalado por Tamayo y Tamayo (1999), que
es el conjunto objeto de la evaluación determinada por sus características definidas.
Esto se traduce en un grupo de elementos que poseen estas características por lo que
se denominan población o universo de la investigación, siendo el fenómeno a estudiar,
en donde las unidades de estudio que la integran poseen un parentesco común a partir
del cual se dará origen a los datos destinados a la investigación y análisis de los
resultados.
En función de esto, la población empleada para el desarrollo de la presente
investigación se encuentra integrada por nueve (09) Hornos tipo Americano
pertenecientes al proceso de producción de ALCARIBE, C.A.
Luego de identificar la población, es preciso proceder a la identificación de la muestra,
la cual para esta investigación. De acuerdo, Tamayo y Tamayo (1999), la muestra es un
subconjunto representativo del universo o población. Al tomar los resultados de la
muestra se realiza el respectivo análisis, mismo que se generaliza sobre la población,
permitiendo llegar a las conclusiones necesarias. En consideración a esta, se definió
una muestra de un (01) horno, en este caso el horno Nº 1, del cual se evaluaron sus
características físicas, ubicación, la operación y funcionamiento de equipos que lo
conforman.
3.4 Técnicas de Recolección de Datos
De acuerdo con Tamayo y Tamayo (1999), las técnicas de recolección de datos son
aquellas que permiten recolectar datos mediante hechos y documentos a los que
acude el investigador y que le proporcionan información. Las técnicas son los medios
empleados para recolectar la información y están orientadas a recoger la mayor
cantidad de datos posibles permitiendo el desarrollo óptimo de la investigación.
Es así como, entre las principales técnicas de recolección de datos suelen emplearse
algunas de acuerdo con los tipos de datos que se presentan, entre estos datos se
encuentran:
Datos primarios: que según Sabino (1997), son aquellos que se obtienen directamente
de la realidad, recolectados a partir de los instrumentos de que se dispone. Esto se
refiere a que se dan en el entorno donde se desarrollan las actividades asociadas al
objeto de estudio. Para la captación de estos datos se utiliza la observación, ya que el
investigador capta la realidad mediante sus sentidos.
Datos secundarios: se refieren a registros escritos que proceden también de un
contacto con la práctica, los cuales ya han sido recolectados y muchas veces
procesados por otros investigadores. Es decir, sirven de soporte a las investigaciones
que se realizan para el momento en que son consultados, haciendo fácil la comprensión
de los casos de acuerdo con la realidad.
3.5 Fases para el desarrollo de los objetivos de la investigación
Para el desarrollo de los objetivos se asumió la colocación del techo y compuertas del
horno con el objetivo de mejorar el control de la temperatura y de esta manera optimizar
el proceso de cocción minimizando las perdidas de calor, garantizando ahorro
energético y condiciones de trabajo seguras.
Fase I: Identificación de condiciones de operación y funcionamiento del horno
Para realizar este objetivo fue necesario visitar el horno y de esta manera poder
observar directamente la situación actual de operación y funcionamiento de los
componentes que lo conforman.
Fase II: Criterios operacionales para la propuesta de mejoras en la infraestructura del
horno
Para proponer mejoras en la construcción del horno se tomó en cuenta las perdidas de
calor generadas por la falta de un techo refractario y compuertas con buen aislamiento
térmico, así como también el gasto de materiales, mano de obra, tiempo y condiciones
de trabajo inseguras.
Fase III: Establecimiento del modelo matemático que rige el proceso del horno
Para establecer el modelo matemático se tomaron en cuenta el conjunto de ecuaciones
del capitulo anterior que representan la dinámica del sistema, las cuales son las
siguientes: Ec. 5, 11, 12, 13, 14 y 15.
Fase IV: Criterios para selección de los instrumentos y equipos a utilizar.
Para esta selección, se tomó en cuenta los equipos e instrumentos con nuevas
tecnologías en el mercado de la instrumentación, lo cual da un alto valor agregado al
desarrollo de soluciones de control y automatización, con las especificaciones que más
se ajusten a las necesidades del control del horno, garantizando que estos cumplan con
los valores de diseño y operación. En este caso el lazo de control esta compuesto por
tres componentes básicos, sensor de temperatura, el controlador y la válvula de control.
Fase V. Definición de la función de transferencia global del lazo de control.
Para determinar la función de transferencia fué necesario el uso de la herramienta de
software Simulink de Matlab para establecer los valores de los parámetros de las
acciones PID realizando varias simulaciones del proceso de cocción.
Fase VI. Determinación de costos asociados a la propuesta del lazo de control
Luego de seleccionar los equipos e instrumentos necesarios para el lazo de control, se
solicitaron cotizaciones a diferentes empresas dedicadas por medio de visitas, contacto
telefónico y vía web.
CAPITULO IV
CAPITULO IV DISCUSIÓN DE RESULTADOS
En este capítulo se muestran los resultados y las interpretaciones significativas de los
datos recogidos, en función de las bases teóricas que orientaron el sentido del estudio y
del problema investigado. Todo esto es realizado con el propósito de resumir las
observaciones llevadas a cabo y las cuales proporcionaron las respuestas a las
interrogantes de esta investigación.
4.1 Identificar condiciones de operación y funcionamiento del horno
En esta fase se describe y analiza la situación actual del horno tipo Americano
fundamentándose en una evaluación del estado operativo de los componentes que lo
constituyen, realizando inspecciones en campo para hacer la descripción que se
presenta en la tabla Nº 1.
Tabla 1. Condiciones de los componentes del horno
COMPONENTE FUNCIÓN CONDICIONES FIJO ADECUADO
Paredes Conservar el calor Fijo Si Quemadores Emitir productos de combustión Fijo Si Tuberías de gas Suministro de gas a los quemadores Fija No
Válvulas de bola ½” Regular el paso de gas desde la tubería a los quemadores Fija Si
Portalón Cerrar el horno, Conservar el calor Removible No
De acuerdo con la tabla Nº 1 se considera que aunque cada componente cumple con
su función específica, el estado de las tuberías de gas no son las optimas debido a la
existencia de fugas del combustible a lo largo de estas lo que conlleva a un consumo
excesivo generando condiciones de trabajo inseguras. Aunado a esto el método
utilizado para el cierre de la parte superior del horno y la construcción del portalón no es
el adecuado ya que no efectúan un sellado hermético que permita garantizar un control
óptimo de temperatura.
Adicionalmente las condiciones de operación no son las ideales, debido a que no existe
un control en la fase de cocción, puesto que el operador debe hacer los ajustes
necesarios en la regulación del flujo de combustible según su apreciación por
experiencia y no por determinación de algún valor medido en la variable temperatura.
4.2 Mejoras en la construcción del horno a fin de garantizar el control óptimo de la
temperatura.
Para proponer mejoras en la infraestructura del horno fué necesario realizar cálculos
matemáticos, para demostrar la perdida de energía actual sufrida en el horno,
considerando la transferencia de calor que ocurre dentro del sistema, para lo que se
emplea la Ec. 2 presentada en el capitulo II de esta investigación, la cual se aplica
cuando la energía se ha transferido por conducción y el flujo de calor por unidad de
área es proporcional al gradiente normal de temperatura, tomando en cuenta la
conductividad térmica del material (k), tal como se aprecia a continuación.
Ec. 2
Pérdida de calor actual
PPared= 903,07 kw= 30.40%
PTecho= 1615.73 kw= 56.88%
PPortalón= 361.18 kw= 12.72%
PTotal= 2879.98 kw
Los resultados anteriores y la observación directa llevan a determinar la necesidad de
instalación de un techo y portalón, construidos de un material que sea suficientemente
refractario de modo que no se produzca su fusión, agrietamiento o reblandecimiento y
ser altamente aislante para reducir al mínimo las perdidas de calor, como puede ser la
fibra cerámica que tiene la ventaja de poseer conductividad térmica baja, peso ligero,
A.k q = ------- (T1-T2) l
poca capacidad de almacenamiento de calor, y alto poder aislante lo cual permite elevar
rápidamente la temperatura del horno y proveer un enfriamiento rápido.
Por otra parte las propiedades en los ladrillos refractarios son la densidad y la
resistencia al agrietamiento y efectos corrosivos de la quema de combustible. Aunque
sus propiedades aislantes sean inferiores a los productos de fibra cerámica, estos son
excelentes para la estructura de los hornos debido a que están dimensionados con
exactitud, haciendo fácil la colocación de las hiladas y pueden resistir las temperaturas
que se encuentran en la fase de cocción.
En este orden de ideas es posible obtener un ahorro de energía de hasta un 62 % en
las perdidas de calor del horno, si se consideran para el diseño y construcción del techo
y portalón un margen de perdidas que se presentan a continuación.
Tabla 2. Análisis de pérdidas de calor
COMPONENTE PERDIDA
ACTUAL (kW) PERDIDA
PROPUESTA (kW) AHORRO
(kW) AHORRO
COMBUSTIBLE (m³/h)
TECHO 1615.73 721.20 894.53 87.68
PORTALÓN 361.18 161.26 199.92 19.59
TOTAL 1976.91 882.46 1094.45 107.27
Adicionalmente con la propuesta de instalación del techo y portalón se garantiza el
ahorro de gastos de materiales, mano de obra, tiempo y condiciones de trabajo
inseguras, requeridas para la construcción y derribo de los mismos cada vez que se
realiza la fase de cocción.
4.3 Modelo Matemático del proceso
Luego de conocer las condiciones de funcionamiento del horno, se procedió a la
determinación del Modelo Matemático que rige el proceso de cocción, para ello, se
consideró la Ec. 6 presentada en el capitulo II, la cual es una ecuación diferencial lineal
de primer orden, donde se aprecia la relación entre la temperatura de entrada y de
salida. Luego de seguir una serie de pasos y sustituciones matemáticas y llegando a la
Ec. 13, se toma este modelo en combinación con el modelo de la transformada de
Laplace a fin de expresar la función de transferencia que se presenta a continuación.
Modelo matemático del proceso
Ec. 30
Función de transferencia del horno
Ec. 31
Donde: Ec. 32
Ec. 33 Ec. 34 Ec.35
CpCombustible: Calor especifico= 2,22 kJ/kg K
To: Temperatura inicial del gas= 15,56 ºC
CpAire: Calor especifico= 1,01 kJ/kg K
fAire: Flujo de aire = 493.55 m3/h
QCombustión: Calor de combustión= 36.730,16 kJ/m3
k: Conductividad térmica arcilla = 6,78 W/m K
AT: Área de transferencia total entre pacas= 640,80 m2
m: 250.000 kg
Cparcila: 0.920 kJ/kg K
m. Cparcilla dT K1 + K2. F(t)= T + -------------- . ------- Cpaire faire dt
T(s) K ------ = ------------- F(s) Ťs + 1
K = K1 + K2
Cpcomb To K1 = --------------- faire . Cpaire
Qcombustión K2 = --------------- faire . Cpaire
m.Cparcilla Ť = --------------- faire . Cpaire
4.4 Instrumentos y/o equipos propuestos a utilizar para el lazo de control de operación
del horno.
A continuación se presenta la siguiente tabla indicando los instrumentos seleccionados
para cada sistema
Tabla 3. Equipos e instrumentos seleccionados SISTEMA EQUIPOS / INSTRUMENTOS
SISTEMA DE MEDICIÓN TERMOPAR TIPO K
SISTEMA DE CONTROL CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE (PLC)
SIEMENS SIMATIC S7-200
SISTEMA DE ACTUADO
VÁLVULA DE CONTROL FISHER EZ 4” TIPO GLOBO
ACTUADOR NEUMÁTICO MODELO 667-4
POSICIONADOR ELECTRO NEUMÁTICO FISHER 3582i
VÁLVULA DE SEGURIDAD DE CIERRE AUTOMÁTICO
V5055A HONEYWELL CON ACTUADOR V4055
SISTEMA DE COMBUSTIÓN
QUEMADOR EQA-93-2 HOLAMAQ
PILOTO EQA-93 HOLAMAQ
TRANSFORMADOR TSC BRAHMA
ELECTRODO 120/1000 BRAHMA
DETECTOR DE LLAMA UV1 BRAHMA
SOLENOIDE ASCO 8030
REGULADOR DE PRESIÓN
4.4.1 Sensor de temperatura
En cuanto a este elemento primario de medición, cabe señalar que el mismo se
encuentra representado por un termopar tipo K (figura 23), ya que soporta temperaturas
hasta 1250 ºC, es de fácil instalación y provee resistencia a la corrosión debido a que
se puede instalar con un termopozo que es un protector fabricado de material térmico
conductivo que sirve para separar el sensor de temperatura del medio de medición,
protegiéndolo de sustancias agresivas y permitiendo el reemplazo de la termocupla, sin
necesidad de detener el proceso de cocción.
Figura 23. Termopar tipo k con cabezal
Fuente: Medición y Control Ltda., 2006
4.4.2 Controlador de Temperatura
El controlador seleccionado es un PLC Siemens Simatic S7-200, el cual es un equipo
electrónico que opera digitalmente, usando memoria programable para el almacenaje
interno de instrucciones que implementan funciones específicas, las cuales pueden ser
lógicas, secuenciales, temporizadores, contadores y funciones aritméticas para el
control de máquinas y procesos en tiempo real.
En función de sus especiales características de diseño tiene un campo de aplicación
extenso, en tal sentido se realizó la selección de este, considerando que se emplea
fundamentalmente en instalaciones donde es necesario realizar procesos de
maniobras, control y señalización, entre otros. Abarcando su aplicación desde procesos
de fabricación industrial de cualquier tipo hasta el control de las instalaciones y/o
equipos como es el caso de la presente investigación.
En consideración a sus reducidas dimensiones, la facilidad de su montaje,
almacenamiento de programas y su posterior y rápida utilización, la modificación o la
alteración de los mismos, se aprecia su eficacia. Es posible señalar que este equipo se
adapta con facilidad a las condiciones de operación del proceso del horno de cocción
de la empresa Alcaribe, ya que debe manejar diferentes parámetros de control en
función de las temperaturas durante la fase de cocción.
El plc se estructura esencialmente de tres bloques:
Sección de entradas: Mediante la interfaz, adapta y modifica de forma comprensible por
la CPU las señales procedentes de los dispositivos de entradas o captadores.
Unidad central de procesos (CPU): Es la inteligencia del sistema ya que mediante la
interpretación de las instrucciones del programa del usuario y en función de los valores
de entrada, activa las salidas deseadas.
Sección de salidas: Mediante la interfaz, trabaja de forma inversa a la de entradas, es
decir, decodifica las señales procedentes de la CPU, las amplifica y manda con ella los
dispositivos de salida o actuadores.
Tabla 4. Descripción del PLC Siemens Simatic S7-200 COMPONENTE MODELO CAPACIDAD VOLTAJE DE ALIMENTACIÓN
CPU 6ES7214-1BD23-0XB0 14 ENTRADAS Y
14 SALIDAS DIGITALES
115-230 vAC
14-24 VDC
MÓDULO DE ENTRADAS ANALÓGICAS
6ES7231-7PD22-0XA0 4 ENTRADAS 24 VDC
MÓDULO DE SALIDAS ANALÓGICAS
6ES7232-0HD22-0XA0 4 SALIDAS 24 VDC
MÓDULO DE ENTRADAS Y SALIDAS DIGITALES
6ES7223-1BL22-0XA0 16 ENTRADAS
16 SALIDAS 24 VDC
DISPLAY 6ES7272-0AA30-0YA1 2 LÍNEA DE TEXTO 24 VDC
FUENTE DE PODER 6EP1333-2AA01 SALIDA 24 VDC 5 A 120/230 VAC
Figura 24. CPU Siemens Simatic S7-200 modelo 6ES7214-1BD23-0XB0
Fuente: Siemens, Automation and Drives, 2010
Figura 25. Módulo de entradas analógicas modelo 6ES7231-7PD22-0XA0
Fuente: Siemens, Automation and Drives, 2010
Figura 26. Módulo de salidas analógicas modelo 6ES7232-0HD22-0XA0
Fuente: Siemens, Automation and Drives, 2010
Figura 27. Módulo de entradas y salidas digitales modelo 6ES7223-1BL22-0XA0
Fuente: Siemens, Automation and Drives, 2010
Figura 28. Display TD 200 modelo 6ES7223-1BL22-0XA0
Fuente: Siemens, Automation and Drives, 2010
Figura 29. Fuente de poder 6EP1333-2AA01
Fuente: Siemens, Automation and Drives, 2010
La siguiente tabla muestra las acciones que debe realizar el controlador
Tabla 5. Acciones del controlador
Nº ACCIÓN
1 ENCENDIDO DE QUEMADORES Y APERTURA DE VÁLVULAS PILOTO
2 DETECCIÓN DE LLAMA
3 ABRIR VÁLVULA DE SEGURIDAD
4 CONTROLAR LA TEMPERATURA POR MEDIO DE LAS VÁLVULAS DE CONTROL
TCV-1, TCV-2, TCV-3, TCV-4
5 CONTROL CONTINUO DE TEMPERATURA PARA CUMPLIR CURVA DE COCCIÓN
6 VERIFICAR CURVA DE COCCIÓN 45 HORAS= 900 ºC
7 CERRAR VÁLVULA DE SEGURIDAD
8 APAGAR SISTEMA
4.4.3 Válvula de control
Para la selección de este elemento final de control se consideró la relación con la
operación y funcionalidad del sistema, por lo cual se escogió la válvula Fisher EZ 4” tipo
globo, normalmente cerrada, cuya capacidad permite cubrir eficientemente los
requerimientos operacionales del módulo de control y del proceso, tomando en cuenta
las características técnicas operativas que el fabricante ofrece para este equipo y en las
cuales se pudo constatar que era perfectamente adaptable a las exigencias presentes
en el desarrollo de la investigación (figura 30). El actuador es neumático tipo 667-4 de
acción inversa, es decir normalmente cerrado y el posicionador es electro neumático
modelo 3582i con señal de entrada de 4-20mA.
En la figura 31 se muestra una sección de la válvula tipo globo
Figura 30. Válvula Fisher EZ con actuador y posicionador.
Fuente: Fisher Controls International LLC, 2009
Figura 31. Sección de válvula tipo globo
Fuente: Fisher Controls International LLC, 2010
4.4.4 Quemador de gas
El quemador seleccionado corresponde al modelo EQA 93-4 ya que se puede utilizar
con presiones de gas desde 0,2 a 3 kg/cm², siendo la energía producida por el propio
gas la única necesaria para su funcionamiento, es decir que no requiere ventilador ni
compresor. El flujo de gas a presión, al pasar a través del venturi, aspira el aire
necesario para la combustión, que a su vez se controla y regula por medio del registro
de aire primario. La regulación de la mezcla aire-gas, que permite obtener el tipo
deseado de llama, se efectúa con el registro de aire mencionado, el registro de aire
secundario y la válvula de control del sistema, pudiendo ser utilizado para bajas y altas
temperaturas hasta 1.200°C. (figura 32)
Figura 32. Quemador de gas EQA 93
Fuente: Holamaq, 2002
En la figura 33 se muestra un grafico con las capacidades de los quemadores de
acuerdo a la presión y volumen de operación. En la figura 34 se representan las
dimensiones disponibles.
Figura 33. Grafico de capacidades de quemadores
Fuente: Holamaq 2010
Figura 34. Dimensiones de quemadores
Fuente: Holamaq 2010
4.4.5 Transformador de ignición
Este dispositivo es el encargado de suministrar el voltaje necesario a los electrodos
para generar la chispa y poder prender el piloto que posteriormente enciende el
quemador. Este transformador es el modelo TSC adecuado para la combustión de gas
en quemadores atmosféricos ya que permiten operación continua, alimentado de 220-
240 VAC 50-60Hz y capacidad de descarga 20kV.
Figura 35. Transformador de ignición modelo TSC
Fuente: Brahma S.p.A., 2007
4.4.6 Electrodo de ignición
Para dar la chispa necesaria para el encendido del piloto se escogió el electrodo marca
Brama de longitud 10mm x 90mm fabricado de porcelana modelo 120/1000.
Figura 36. Electrodo de ignición modelo 120/1000
Fuente: Brahma S.p.A., 2003
4.4.7 Detector de llama
Este sensor esta representado por el modelo Brama tipo UV1 el cual detecta la
presencia de llama aprovechando la radiación ultravioleta generada por la luz de la
flama de combustibles gaseosos, emitiendo una señal eléctrica al PLC para dar
permisivo de apertura de la válvula principal FV1.
Figura 37. Detector de llama tipo UV1
Fuente: Brahma S.p.A, 2009
4.4.8 Válvula solenoide
Esta válvula es la responsable de permitir el paso de combustible hacia los pilotos de
los quemadores por lo cual se selecciono la modelo ASCO 8030 normalmente cerrada,
opera a bajas presiones hasta un máximo de 15 psig y es adecuada para gases.
Figura 38. Válvula solenoide ASCO 8030
Fuente: Asco, 2007
4.4.9 Regulador de presión de gas
Para regular el abastecimiento del combustible para los pilotos fue seleccionado el
regulador 174 Masoneilan diseñado específicamente para brindar un control preciso de
servicios de gas de baja presión. La construcción de asentamiento flexible y el actuador
de palanca garantizan un cierre hermético constante. Además, la amplia área de
diafragma proporciona una modulación de alta sensibilidad en configuraciones de
presión muy baja.
Figura 39. Regulador de presión 174 Masoneilan
Fuente: Masoneilan 2010
4.4.10 Válvula de seguridad de cierre automático
Esta válvula tiene como objetivo fundamental regular el paso de gas a todo el sistema
de combustión, con acción todo-nada por lo cual esta representada por la válvula de 4”
normalmente cerrada, electromecánica marca Honeywell, modelo V5055A con actuador
V4055 (figura 40) Aprobada por Underwriters Laboratorios Inc. Listed: V4055A,B,D,E
V5055A,B,C,D,E
Figura 40. Válvula de seguridad de cierre automático Honeywell
Fuente: Honeywell Inc. 1994
4.4.11 Indicador de presión
Para medir e indicar la presión de entrada al proceso fue seleccionado el manómetro
Ashcroft con dial de 4½” conexión inferior rosca ½ NPT con rango de 0-15 psig.
(figura 41)
Figura 41. Manómetro Aschroft
Fuente: Ashcroft Inc, 2010
En los anexos Nº 1 y Nº 2 puede verse el diagrama de instalación de estos equipos e
instrumentos.
4.5 Función de transferencia global del lazo
Luego de obtener información referente al horno y las necesidades presentes en el
mismo, fue posible utilizando el programa Simulink de MatLab, realizar las simulaciones
necesarias para obtener los parámetros de las acciones PID y así poder determinar la
función de transferencia global del lazo. Para ello, se procede a la realización del
diagrama de bloque (Fig. 42), el cual tiene como objetivo representar gráficamente las
funciones realizadas por cada componente del sistema de control.
Figura 42. Diagrama de bloques del lazo de control propuesto
Donde:
Gc: Función de transferencia del controlador
Gv: Función de transferencia de la válvula
Gp: Función de transferencia del horno
Gt: Función de transferencia del transmisor de temperatura
Los parámetros PID son necesarios determinarlos debido a que representan la acción
general realizada por el controlador para corregir cualquier desviación en el proceso y
estabilizar el funcionamiento dinámico del lazo.
En este sentido el parámetro P representa la ganancia del controlador (k), esto quiere
decir la variación de la variable controlada necesaria para provocar una carrera
completa en elemento final de control. La acción proporcional origina una actuación de
control correctiva proporcional al error, la válvula se moverá el mismo valor por cada
unidad de desviación.
Seguidamente el parámetro I se de denomina tiempo integral (Ti), ya que brinda una
corrección proporcional a la integral del error, es decir, expresa el numero de veces por
minuto con que se repite la acción proporcional y que es reciproco matemático de
minutos por repetición.
El parámetro D significa el tiempo derivativo o tiempo de adelanto (TD), es decir, la
acción de control derivativa, también llamada control de velocidad, se presenta cuando
V(s) T(s) Gc
Gt
Gv Gp
el valor de la salida del controlador es proporcional a la velocidad de variación de la
señal de error.
Conociendo esto se procedió a realizar la simulación tomando en cuenta el lazo de
control del horno, las funciones de transferencia de los instrumentos seleccionados y la
herramienta de software SIMULINK de MATLAB. (Figura 43)
Figura 43. Simulación del sistema en Simulink Fuente: Mat Lab, (2010)
La figura 44 muestra la curva de cocción ideal del proceso alfarero según figura Nº2, de
esta investigación, por lo cual fué necesario representarla para tomarla como referencia
y poder compararla con la curva de reacción de la simulación (figura 45).
Figura 44. Curva de cocción (temperatura – tiempo) teórico
Figura 45. Curva de reacción (temperatura-tiempo)
La curva de reacción muestra la repuesta del sistema de control propuesto. La
comparación hecha entre las figuras 44 y 45, demuestra que, los valores reales se
encuentran muy cercanos a los teóricos, lo cual lleva a considerar que con los
parámetros PID resultados, el control podrá realizar las acciones requeridas para
satisfacer las necesidades durante todo el proceso de cocción de bloques y ladrillos de
arcilla, manteniendo la temperatura del hogar del horno en los valores deseados.
Luego de iterar experimentalmente con cada una de las acciones de control PID hasta
conseguir que la curva de reacción (figura 45) resultara semejante a la curva de cocción
ideal (figura 44), se obtuvieron los siguientes parámetros:
Tabla 6. Parámetros de acciones PID
Figura 46. Parámetros PID en Simulink
De acuerdo a los valores obtenidos el controlador actuará con las acciones PID debido
a que compara la variable de proceso con el valor deseado, y si existe alguna diferencia
entre estas, realiza el cálculo del error y emite suficiente acción de control para reducir
el error de regulación a cero, por ejemplo, la temperatura, cuanto más rápido varíe,
tanto mas se moverá la válvula de control para estabilizar el sistema
PARÁMETRO VALOR
PROPORCIONAL P 0.041
INTEGRAL I 0.28
DERIVATIVO D 21
Luego de realizar las simulaciones necesarias se puede decir que la función de
transferencia global del lazo es la siguiente Ec. 36.
Ec. 36
Donde:
1 1 Gc(s) = kc(1+ ----- + TDs ) = 0.041 ( 1 + --------- + 21s ) Ec. 37 Tis 0.28s kv 12.06 Gv(s) = ------- = ---------- Ec. 38 Ts +1 Ts+1 kp 74.94 Gp(s) = --------- = --------------- Ec. 39 Ts +1 461.4s+1
20-4 mA Ksp= ----------------- = 0.149 mA/ºC x 900 ºC = 13.45 mA = Factor de escala Ec. 40 1100-30 ºC
TT = 1 = se asumió la unidad debido a que esta función transferencia debe
determinarse de forma experimental cuando se vaya a instalar el lazo de control.
Sustituyendo en Ec. 36 la función de transferencia es la siguiente:
T(s) Gc.Gv.Gp ------- = ------------------------- . Ksp V(s) 1+ Gc.Gv.Gp.TT
[0.041(1+ __1 + 21s)] [12.06] [ 74.94] T(s) 0.28s s+1 8.71s+1 ------ = --------------------------------------------------------------- x (13.45) V(s) 1+ 0.041(1+ __1__ + 7s)] [12.06 ] . [_74.94 ] 0.28s s+1 8.71s+1
Las ganancias del controlador (Gv) en el rango de 0- 900 ºC son las siguientes:
Para 30 ºC < T < 500 ºC
500-30 ºC Kc1 = ---------------- = 31.33 ºC/h 15 – 0 h
Para 500 ºC < T < 600 ºC
600-500 ºC Kc2 = ---------------- = 10 ºC/h 25 – 15 h
Para 600 ºC < T < 900 ºC
900-600 ºC Kc3 = ---------------- = 30 ºC/h 35 – 25 h
4.6 Determinar los costos asociados a la propuesta de automatización del control
operativo del horno.
Para llevar a cabo este objetivo se consultaron empresas nacionales especialistas en
automatización y control industrial; además de empresas dedicadas a la distribución y
ventas de instrumentos de esta tipología que sirvieron para la recolección de la
información de los precios de cada uno de los equipos seleccionados; dichas empresas
fueron: Honeywell Sain C.A., Tecprimca, Festo, Insuselca, Suseinca, Uninsa,
Tecnocontroles, esta información fue obtenida vía telefónica, por medio de visitas a las
empresas y por medio de contacto web (internet). Los costos de los equipos e
instrumentos se muestran en la tabla 7.
Tabla 7. Relación de costos de equipos e instrumentos propuestos
CANT. DESCRIPCIÓN BsF. DÓLAR 4 Sistema de medición y transmisión de temperatura 3.000,00 697,67 1 Sistema de Control (PLC) 13.354,00 3.105,58 5 Sistema de actuado (Válvulas y actuadores) 180.000,00 41.860,00
22 Sistema de Combustión (Quemador, piloto, transformador, electrodo, detector de llama. Solenoide) 30.800,00 7.162,79
S.G. Tuberías y conexiones 16.500,00 3.837,20 1 Tablero de control 1.300,00 302,32
S.G. Cableado 2.800,00 651,16 TOTAL 247.754,00 57.616,72
El costo aproximado de la inversión a realizar en el lazo de control para la operación del
horno de cocción de bloques y ladrillos de arcilla incluyendo los equipos, instrumentos,
válvulas, tuberías, conexiones, entre otros costos, es un monto cercano a los
247.754,00 Bolívares Fuertes, ó 57.616,72 dólares, sin incluir el impuesto al valor
agregado (IVA).
Nota: Monto calculado al dólar oficial 4,3 Bsf/$
CONCLUSIONES
CONCLUSIONES
Luego de terminar el análisis de los resultados asociados a cada uno de los objetivos de
la investigación, se procede a la realización de las conclusiones igualmente
relacionadas a los objetivos de la investigación, tal como se muestra a continuación.
Con referencia a las condiciones de funcionamiento de los componentes del
horno, se considera que el estado de las tuberías de gas no es el óptimo debido a la
existencia de fugas del combustible, originando condiciones de trabajo inseguras.
Adicionalmente el procedimiento utilizado para el cierre de la parte superior del horno y
la construcción del portalón no es el adecuado ya que no efectúan un sellado hermético
que permita garantizar un control óptimo de temperatura. Así mismo el método de
operación no es el ideal, ya que el operador debe hacer los ajustes necesarios en la
regulación del flujo de combustible según su apreciación por experiencia.
De acuerdo a la propuestas de mejoras en la infraestructura del horno, la
principal es la construcción de un techo, el cual contribuirá de forma directa y evidente a
evitar la pérdida de energía por este medio, además se considera necesario la
instalación de algún tipo de compuerta que genere la disminución de pérdidas de
tiempo por construir el portalón, el cual luego debe ser removido y colocado una y otra
vez, cada vez que se realice la fase de cocción.
El establecimiento del modelo matemático para el proceso del horno, lo cual se
refiere al tercer objetivo, se concluye que imperaba la necesidad de conocer dicho
modelo, con la finalidad de obtener datos fidedignos en cuanto al funcionamiento del
horno, para luego poder determinar la función de transferencia global del lazo. El
modelo resultante es una ecuación de primer orden.
En relación a la selección de los instrumentos y/o equipos a utilizar para el lazo
de control del horno, resulta que la elección de los mismos es indispensable en función
del adecuado diseño del sistema, utilizando tecnología de punta existente en el
mercado nacional e internacional, lo cual permitirá un óptimo control de la temperatura
en el hogar del horno, regulando adecuadamente el suministro de combustible.
La función de transferencia global del lazo demuestra que el sistema de control
propuesto podrá realizar las acciones necesarias para satisfacer las necesidades del
proceso de cocción de bloques y ladrillos de arcilla, manteniendo la temperatura del
hogar del horno en los valores deseados, mediante dos tipos de acciones; proporcional
de 0 ºC a 900 ºC durante 35 horas, y PID a los 900ºC en un periodo de 10 horas para
completar la fase de cocción.
Finalmente respecto al objetivo de determinar los costos asociados a la
propuesta de automatización del horno, el 72 % del monto total esta representado por
el sistema de actuado, seguido del sistema de combustión que contempla el 12%, el
sistema de control esta caracterizado por el 5%, y el de medición apenas un 1.2%
mientras que el 9,2 % restante abarca los accesorios como tuberías, conexiones,
cableado, entre otros. Estos precios serán presentados al departamento de
administración de la empresa para su debido análisis, y de esta manera poder
determinar la implantación del proyecto considerando los beneficios como calidad del
material a cocer, menor tiempo de cocción, condiciones de trabajo seguras, y ahorro de
combustible y materiales.
RECOMENDACIONES
RECOMENDACIONES
1. Se recomienda la aplicación del modelo resultante de esta investigación.
2. Sustitución de tuberías de suministro de combustible, ya que presentan fugas y
originan condiciones de trabajos inseguras
3. Efectuar mantenimiento periódico a las tuberías con el objetivo de evitar que se
deterioren.
4. Realizar estudios para el diseño y construcción del techo y compuertas
considerando el margen de perdidas indicados en la tabla 2 de esta investigación.
5. Estudiar la instrumentación del horno según las normas NFPA 85 y NFPA 86.
6. Elaborar un manual de operaciones y funcionamiento del horno.
7. Capacitar al personal para la operación y funcionamiento del lazo de control
propuesto.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Administración y del Conocimiento. Editorial Trillas.
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Astigarraga, Julio (1994). Hornos industriales de resistencias. Mc Graw Hill
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industrial con control digital en la empresa Metal Arte C.A”
Enelven (2003) Manual Lazos de Control.
Enelven (2003) Manual Instrumentación industrial.
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simulador de temperaturas de perforación utilizado en las herramientas LWD y MWD
Caso: Schlumberger, División Anadrill.
Gilchrist, J.D. (1969). Hornos. Editorial Alhambra S.A. Madrid, España
Hernández, Fernández y Baptista (2003). Metodología de la Investigación. México.
Editorial Mc. Graw Hill Interamericana
Holman, J.P. (1998). Transferencia de calor. 8va Edición. Mc Graw Hill
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Industria Sacmi (2000). Cocción de azulejos.
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Martínez (2003), Diseño de un sistema de control para la automatización de una
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Microsoft Encarta 2008. "Horno" Microsoft Student
Mogollón (2008), Diseño del sistema de control de velocidad de un balancín.
Piedrafita, Ramón (2000). Ingeniería de la automatización industrial. Madrid,
España.
Rhodes, Daniel (1999). Hornos para ceramistas. Grupo Editorial Ceac S.A.
Barcelona, España.
Sabino (1997). El proceso de investigación. Editorial Panamericana. Segunda
edición. Colombia.
Suma Celso, Gutiérrez Julio, Suma Rodolfo (2008). Estudio de definición de tipo de
horno apropiado para el sector ladrillero. Cusco, Perú.
Tamayo y Tamayo (1999). El proceso de la Investigación Científica. Editorial Limusa.
México. 3ra. Edición.
CATÁLOGOS
Sistemas de Medición y Control Ltda., (2006)
Siemens, Automation and Drives, (2010)
Fisher Controls International LLC, (2009)
Quemadores Holamaq, (2002)
Sistema de combustión Brahma S.p.A., (2003)
Válvulas solenoides asco, (2007)
Reguladores Masoneilan, (2010)
Válvulas Honeywell, (1994)
Indicadores de presión Ashcroft Inc, (2010)
ANEXOS
Anexo 1. DIAGRAMA DE TUBERÍAS E INSTRUMENTACIÓN PROPUESTO DEL HORNO TIPO AMERICANO
DIAGRAMA DE TUBERIAS E INSTRUMENTACION DEL HORNO TIPO AMERICANO
Anexo 2. DIAGRAMA DE TUBERÍAS E INSTRUMENTACIÓN PROPUESTO DEL SISTEMA DE LLAMA DEL HORNO
Anexo 3. VISTA SUPERIOR ACTUAL DEL HORNO TIPO AMERICANO
Válvula de bola 1/2"Quemador de gas
Tuberia de suministro de Gas Ø 4"
Anexo 4. Cálculo del modelo matemático del horno
K = K1+K2 Ec. 32
Donde:
Ec. 33
Ec. 34
K = 74.94 ºK/m3
Ec. 35
Cpcomb To 2.22 kJ/kgºK * 288.71 ºK K1 = --------------- = -------------------------------------- = 1.28 ºK/(m3/h) faire . Cpaire 493.55 m3/h * 1.01 kJ/kgºK
Qcombustión 36722.4 kJ/m3 K2 = --------------- = -------------------------------------- = 73.66 kgºK/(m3/h) faire . Cpaire 493.55 m3/h * 1.01 kJ/kgºK
m.Cparcilla 250000 kg * 0.920 kJ/kgºK Ť = --------------- = --------------------------------------- = 461.4 kg/(m3/h) faire . Cpaire 493.55 m3/h * 1.01 kJ/kgºK
Anexo 5. Cálculo de Kv de la Válvula
Capacidad máxima de la válvula = 193 m3/h
Fuente: Fisher Controls International LLC, 2010
Porcentaje de apertura: 0- 100%
Señal de entrada: 4-20 mA
(100 - 0)% Factor de escala = ----------------- = 6.25 %/mA (20 – 4)mA Kv= 193 m3/h x 6.25% mA = 12.06 (m3/h)/mA