I

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD PRIVADA DR. RAFAEL BELLOSO CHACÍN

DECANATO DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO MAESTRÍA EN INGENIERIA DE CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN DE

PROCESOS

AUTOMATIZACION DE UNA PLANTA PILOTO MULTIVARIABLE PARA EL SERVICIO NACIONAL DE APRENDIZAJE, “SENA”, MALAMBO.

Trabajo especial de grado para optar al título de Magister Scientiarum en Ingeniería de

Control y Automatización de Procesos

Autor: Ing. Jair barrios

CI: 12435607

Tutor: M.Sc Kenneth Rosillón

CI: 19.216.499

Maracaibo, Junio 2.018

II

PLANTA PILOTO MULTIVARIABLE PARA EL SERVICIO NACIONAL DE APRENDIZAJE, “SENA”, MALAMBO.

III

VEREDICTO

IV

DEDICATORIA

Dedico este triunfo a Dios quien es mi fortaleza y ayudador, es él quien me

ha permitido culminar esta nueva etapa de mi vida, a mi esposa Dolly

Caamaño a quien amo y quien fue el sustento y la fuerza en medio de las

dificultades que se dieron en la construcción de este proyecto y ha sido el

motor que me acompaña en cada paso que doy, a mi hija Alejandra; quien es

el regalo más preciado que el señor me ha dado, que es luz en mi vida y

hace que todo sea más fácil.

V

AGRADECIMIENTOS

Agradezco este triunfo a cada uno de mis familiares que me apoyaron de

corazón especialmente mi familia, a cada uno de los amigos que de una u

otra forma me brindaron su conocimiento y apoyo. A los ingeniero Geryk

Nuñez y Kenneth Rosillón gracias por sus enseñanzas, su confianza y por

ser esa piedra angular en la construcción de este proyecto.

VI

INDICE GENERAL

VEREDICTO .................................................................................................. III DEDICATORIA .............................................................................................. IV AGRADECIMIENTO ....................................................................................... V INDICE GENERAL ........................................................................................ VI INDICE DE TABLAS ................................................................................... VIII INDICE DE FIGURAS ...................................... ¡Error! Marcador no definido.IX INDICE DE CUADROS ................................... ¡Error! Marcador no definido.XII RESUMEN ................................................................................................... XIII ABSTRACT ................................................................................................ XIV INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 1

I. CAPÍTULO I. EL PROBLEMA ........................¡Error! Marcador no definido.3 1. Planteamiento del problema .................... ¡Error! Marcador no definido.3 1.1. Formulación del problema. ................... ¡Error! Marcador no definido.9

2. Objetivos de la investigación. ................................................................... 9 2.1. Objetivo general .................................................................................. 10 2.2. Objetivos específicos .......................................................................... 10 3. Justificación de la investigación ............ ¡Error! Marcador no definido.10

4. Delimitación del Estudio ......................................................................... 13

II. CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO ............................................................. 14 1. Antecedentes de la investigación .......... ¡Error! Marcador no definido.14 2. Bases teóricas. ...................................... ¡Error! Marcador no definido.21 3. Sistema de Variables............................. ¡Error! Marcador no definido.77

3.1. Definición Nominal .............................................................................. 77 3.2. Definición conceptual ......................... ¡Error! Marcador no definido.77 3.3. Definición Operacional ....................... ¡Error! Marcador no definido.78

VII

III. CAPÍTULO III MARCO METODOLÓGICO.............................................. 80

1. Tipo de investigación .............................................................................. 80

2. Diseño de la investigación ...................................................................... 82 3. Población y muestra .............................. ¡Error! Marcador no definido.83

4. Técnicas e instrumentos de recolección de datos...... ¡Error! Marcador no definido.84 5. Procedimientos de la Investigación ....... ¡Error! Marcador no definido.88

IV. CAPITULO IV. RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN ....................... 92

CONCLUSIONES ....................................................................................... 183 RECOMENDACIONES ............................................................................... 184 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS .......................................................... 185

VIII

INDICE DE TABLAS Tabla 1. Comparación entre los tipos de válvulas. ........................................ 30

Tabla 2. Especificaciones de la bomba instalada en la planta piloto experimental ............................................................................................. 1000

Tabla 3. Especificaciones de la Resistencia eléctrica instalada en la planta piloto experimental ...................................................................................... 100

Tabla 4. Especificaciones de la tubería de conexión hidráulica y accesorios instalada en la planta piloto experimental ................................................... 101 Tabla 5. Dimensiones de la planta piloto automatizada .............................. 106 Tabla 6. Dimensiones de los tanques tk1 y tk2 ........................................... 107 Tabla 7. Requerimientos electromecánicos de la planta piloto ................... 108 Tabla 8. Rango de temperaturas permitidas en la planta piloto ............. ¡Error! Marcador no definido.1

Tabla 9. Rango de Nivel permitidas en la planta piloto ............................... 138

Tabla 10. Rango de nivel permitidas segundo tanque en la planta piloto…141 Tabla 11. Matriz de selección de tipo de sensor de flujo ............................ 163 Tabla 12. Matriz de selección de tipo de sensor de nivel y presión ............ 165 Tabla 13. Matriz de selección del PLC ........................................................ 169

IX

INDICE DE FIGURAS Pag

Figura 1. Partes de una válvula de control. ................................................... 27 Figura 2. Convertidor corriente-presión ........................................................ 32 Figura 3. Partes de un convertidor corriente-presión. ................................... 33

Figura 4. Cableado Estructurado. ................................................................. 38 Figura 5. Relación entre presiones. .............................................................. 51 Figura 6. Esquema de un regulador de aire. ................................................. 53

Figura 7. Planta piloto multivariable del SENA Colombo Alemán, Sede Malambo ....................................................................................................... 93 Figura 8. Esquema de flujo hidráulico de la planta piloto automatizada ....... 95 Figura 9. Lazo de control de Nivel en Tk2..................................................... 96 Figura 10. Lazo de control de Nivel en Tk1................................................... 97 Figura 11. Lazo de control de flujo en la entrada Tk2 ................................... 97 Figura 12. Lazo de control de temperatura en tk2 ........................................ 98 Figura 13. Lazo de control de temperatura en tk1 ........................................ 99

Figura 14. Proceso de recolección de datos manual y grafica del modelo matemático de la variable temperatura .......... ¡Error! Marcador no definido.2

Figura 15 Proceso de recolección de datos manual y grafica del modelo matemático de la variable Nivel ................... ¡Error! Marcador no definido.03

Figura 16 Proceso de recolección de datos manual y grafica del modelo matemático de la variable Caudal .................... ¡Error! Marcador no definido. Figura 17. Principio de cantidad de movimiento en el tanque de proceso tk2 .................................................................................................................... 109 Figura 18. Diagrama de bloques para la FTLA ¡Error! Marcador no definido. Figura 19. Diagrama de bloques para la FTLA¡Error! Marcador no definido.13

Figura 20. Representación gráfica de la transferencia de calor de pérdida en el tanque de proceso. .................................. ¡Error! Marcador no definido.15

Figura 21. Analogía termoeléctrica para el calor por conducción en paredes del tanque .................................................... ¡Error! Marcador no definido.16

X

Figura 22. Analogía termoeléctrica para el calor por conducción en paredes laterales del tanque ........................................ ¡Error! Marcador no definido.0

Figura 23. Analogía termoeléctrica para el calor por convección en paredes laterales del tanque hacia el medio ambiente .. ¡Error! Marcador no definido. Figura 24. Analogía termoeléctrica para el calor por convección y conducción en paredes inferiores del tanque ...................... ¡Error! Marcador no definido. Figura 25. Principio de conservación de la energía en el tanque ........... ¡Error! Marcador no definido. Figura 26. Sistema de control de temperatura ............................................ 130 Figura 27. Modelo de tanque de proceso......... ¡Error! Marcador no definido. Figura 28. Modelo no lineal del proceso de nivel en un tanque. ............ ¡Error! Marcador no definido.5 Figura 29. Válvula de control neumática. ....... ¡Error! Marcador no definido.9

Figura 30. Plano 3D de la planta piloto multivariable .................................. 143

Figura 31. Plano PI&D de la planta piloto multivariable SENA Colombo Alemán – Sede Malambo ................................. ¡Error! Marcador no definido. Figura 32. Sistema de control de flujo en la planta piloto¡Error! Marcador no definido. Figura 33. Lazo de indicación de nivel en la planta piloto¡Error! Marcador no definido. Figura 34. Lazo de control de temperatura en la planta piloto ............... ¡Error! Marcador no definido. Figura 35. Lazo de control de Nivel en la planta piloto¡Error! Marcador no definido. Figura 36. Lazo electrónico/neumático del sistema de control de flujo de agua ......................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Figura 37. Lazo electrónico/neumático del sistema de control de presión diferencial....................................................... ¡Error! Marcador no definido.0

Figura 38. Lazo electrónico/neumático del sistema de control de temperatura ....................................................................... ¡Error! Marcador no definido.1

Figura 39. Lazo electrónico/neumático del sistema de control de nivel . ¡Error! Marcador no definido.2

Figura 40. Plano electrico de la planta piloto multivariable (Plc convencional) ....................................................................... ¡Error! Marcador no definido.3

XI

Figura 41 Arquitectura de Comunicación de la planta piloto¡Error! Marcador no definido. Figura 42. Capa física a utilizar para el dimensionamiento de comunicación de la planta piloto. ............................................ ¡Error! Marcador no definido. Figura 43. Diagrama de flujo de control de la planta piloto multivariable ¡Error! Marcador no definido. Figura 44. RTD-PT100 ................................... ¡Error! Marcador no definido.0 Figura 45. Transmisor de temperatura ........... ¡Error! Marcador no definido.1 Figura 46. Posicionador digital ....................... ¡Error! Marcador no definido.1 Figura 47 Actuador giratorio........................... ¡Error! Marcador no definido.2 Figura 48. Electrovalvula.................................. ¡Error! Marcador no definido. Figura 49. Resistencia eléctrica ....................... ¡Error! Marcador no definido. Figura 50. Variador de frecuencia .................... ¡Error! Marcador no definido. Figura 51. Medidor de caudal .......................... ¡Error! Marcador no definido. Figura 52. Medidor de nivel ultrasonico modelo 62 ..................................... 176 Figura 53. Medidor de nivel ............................. ¡Error! Marcador no definido. Figura 54. Sensor de Presión .......................... ¡Error! Marcador no definido. Figura 55. Controlador Logico programable..... ¡Error! Marcador no definido. Figura 56. HMI del arranque de la planta piloto¡Error! Marcador no definido. Figura 57. Aprobación del arranque de la planta piloto¡Error! Marcador no definido.0

Figura 58. Panel de control de la planta piloto.¡Error! Marcador no definido.0 Figura 59. Sistema de excitación para la respuesta de la planta piloto. ¡Error! Marcador no definido.1 Figura 60. Estabilización de la planta piloto. .. ¡Error! Marcador no definido.2

XII

INDICE DE CUADROS Cuadro 1. Operacionalizacion de la variable................................................. 79

Cuadro 2. Matriz de comparación de tipo de protocolo a utilizar en la planta piloto ................................................................ ¡Error! Marcador no definido. Cuadro 3. Comparación de Lenguajes de Programación.¡Error! Marcador no definido.1

Cuadro 4 . Matriz de selección de actuadores de válvulas¡Error! Marcador no definido.67

XIII

Barrios, Jair. Planta piloto multivariable para el servicio nacional de aprendizaje, “SENA”, malambo. Universidad Privada Dr. Rafael Belloso Chacín. Programa Maestría en Ingeniería de Automatización y Control de Procesos. Maracaibo, Junio 2018

RESUMEN

El siguiente trabajo de investigación presenta la propuesta para una planta piloto multivariable para el servicio nacional de aprendizaje, “SENA”, malambo. Para ello se desarrolló una investigación de tipo descriptiva y al mismo tiempo de tipo proyectiva, que permitió conocer el detalle del proceso de funcionamiento de la planta piloto y buscar soluciones que permitan obtener el control óptimo de las variables a manipular. La investigación desarrollada se considera de tipo no experimental ya que el fenómeno fue estudiado y posteriormente analizado, como lo especifica en su teoría Salinas P (2012). Como resultado obtenido, se ha logrado definir a detalle el funcionamiento de la planta en la cual se han especificado los diferentes procesos y equipos empleados por la misma y sobre los cuales se realizaron los respectivos estudios que permitió determinar las variables del proceso necesarios para lograr la automatización deseada. Por último se desarrolló una simulación del proceso de producción de la misma por medio del software LabView en su versión 2011 donde se observa la interacción de los equipos cuyo producto final es un proceso totalmente automatizado.

Palabras claves: Planta piloto, automatización.

XIV

Jair Barrios. Multivariable pilot plant for the national apprenticeship service, "SENA", malambo. Private University Dr. Rafael Belloso Chacín. Master's Program in Automation Engineering and Process Control. Maracaibo, May 2018

ABSTRACT The following research paper presents the proposal for a multivariable pilot plant for the national apprenticeship service, "SENA", malambo. For this, a descriptive and at the same time projective type research was developed, which allowed to know the detail of the process of operation of the pilot plant and look for solutions that allow to obtain the optimal control of the variables to be manipulated. The research developed is considered non experimental since the phenomenon was studied and later analyzed, as it is specified in his theory Salinas P (2012). As a result, it has been possible to define in detail the operation of the plant in which the different processes and equipment used by the plant have been specified and on which the respective studies were conducted, which allowed determining the process variables necessary to achieve the desired automation. Finally, a simulation of the production process of the same was developed through LabView software in its 2011 version where the interaction of the equipment whose final product is a fully automated process is observed. Keywords: Pilot plant, automation.

1

INTRODUCCIÓN

La investigación para el estudio de nuevos procesos físico-químicos, o

para la mejora de procesos ya existente se lleva a cabo en plantas a escala

piloto, reduciéndose así los costes asociados a la inversión y a los gastos

fijos de operación inherentes a una planta industrial. Igualmente, se utilizan

plantas piloto para la investigación de bioprocesos, o procesos químicos que

involucran organismos o sustancias bioquímicamente activas derivadas de

dichos organismos. A su vez, es conocido que también se utilizan plantas

piloto como equipamiento científico para educación en Universidades, o

como sistemas para demostración.

El término “Planta Piloto” abarca un amplio rango de escalas, desde

plantas a escala laboratorio hasta plantas a escala semi-industrial. Los

avances tecnológicos en distintas áreas (electrónica, comunicaciones,

micromecanizado, etc.) han hecho posible que hoy día se disponga de

instrumentación y dispositivos adecuados para el diseño y construcción de

plantas a escala muy reducida, plantas a microescala, capaces de operar en

idénticas condiciones de presión y temperatura que las plantas industriales.

Estos avances ha conducido igualmente a que estas plantas a

microescala cuenten con sistemas de adquisición de datos, supervisión y

control (sistemas SCADA) y puedan ser automatizadas, de manera que la

producción experimental se multiplique y se reduzca, así, considerablemente

el tiempo necesario para el estudio y la optimización de un proceso físico-

químico concreto. Es por ello que se ha desarrollado el presente trabajo de

investigación donde se ha desarrollado una propuesta de automatización

para una planta piloto multivariable y la cual ha sido desarrollada en cuatro

capítulos.

En el primer capítulo se ha analizado la problemática existente en

cuanto la planta piloto. Esto llevó a la formulación del problema y al mismo

2

tiempo permitió determinar el objetivo general y los objetivos específicos que

permitieran dar con la solución a la problemática planteada. Se estableció de

igual manera la justificación de la investigación así como la delimitación de la

mima.

En el segundo capítulo se describen los antecedentes que tiene la

presente investigación, es así como se muestran investigaciones previas en

cuanto al tema de plantas pilotos así como también trabajos e

investigaciones relacionadas al tema de automatización de procesos

industriales. De igual manera, se desglosan las bases teóricas que soportan

la investigación por diversos autores y se define de igual manera el cuadro

de variables operacionales que regirá la investigación.

En el tercer capítulo se detalla el marco metodológico, donde se

especifica el tipo y el diseño de la investigación, indicando cual es la unidad

de análisis y que técnicas de recolección de datos se empleará durante la

misma. De igual manera se definen las fases de desarrollo que permita

llevar a cabo el cumplimiento de los objetivos planteados en el primer

capítulo. Por último, en el cuarto capítulo se muestran los resultados

obtenidos en cada una de las fases los cuales permitieron cerrar la

investigación surgida de la problemática existente generando las respectivas

recomendaciones producto del trabajo desarrollado.

2