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CAPTULO 3. 3. IMPLEMENTACIN DEL SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA

3.1 INTRODUCCIN

El hardware requerido para el presente proyecto se divide principalmente en tres partes: la primera que consta de una tarjeta dentro de la cual se realiza el proceso de acondicionamiento de las termocuplas para obtener seales de voltaje de 0 a 10v, de tal suerte que stas puedan ingresar en los canales analgicos de un PLC (LOGO). La segunda parte compete al PLC en si el cual se encargar del manejo de los controladores para enviar la seal hacia el actuador, y por ltimo el actuador que ser una vlvula de apertura y cierre proporcional.

En este captulo se describir el diseo del hardware necesario para el funcionamiento del sistema de calentamiento del reactor qumico, para lo cual se proceder al dimensionamiento de los elementos necesarios para la elaboracin de las tarjetas y del actuador de la vlvula, y de igual forma los diseos elctricos y electrnicos de los mismos.

3.2 TARJETA DE ACONDICIONAMIENTO DE SEALES

3.2.1 ACONDICIONAMIENTO DE SEALES DE TERMOCUPLAS

El proceso de instrumentacin del reactor qumico se dividir en dos etapas, una dedicada a la obtencin de la temperatura de los reactivos dentro del reactor, para lo cual se utilizaran 2 termocuplas ubicadas en la superficie de la pared del

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mismo y otra ubicada dentro del serpentn la cual se encarga de medir la temperatura del vapor de agua.

Se esperan valores entre los milivoltios para la salida de las termocuplas, por lo cual se ha diseado un amplificador de seal que permita estandarizar los valores de voltaje de 1 a 10v, de tal manera que stos puedan ingresar a las entradas analgicas del PLC.

Los valores analgicos para la termocupla ubicada dentro del tanque (Tipo J) se muestran en la siguiente tabla:

Temperatura(c) Voltaje(mV) 120 6,7 116 6,4 112 6,2 108 6,1 104 5,9 100 5,7 96 5,6 92 5,4 88 5,2 84 4,9 80 4,7 76 4,4 72 4,3 68 4 64 3,7 60 3,4 56 3 52 2,7 48 2,6 44 2,4 40 2,2 36 1,8 32 1,2 28 0,8 24 0,4 20 0,2

Tabla 3.1 Valores de voltaje termocupla tipo J

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De donde podemos ver que la linealidad de los valores de temperatura con respecto al voltaje corresponde a las caractersticas de la termocupla tipo J, que es aproximadamente de 2 grados centgrados por cada milivoltio.

Fig. 3.1 Temperatura vs Voltaje termocupla

Temperatura vs Voltaje

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 50 100 150 Temperatura (C)

Volta

je (m

V)

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El circuito de acondicionamiento se muestra en la figura:

Fig. 3.2 Circuito de tarjeta acondicionadora termocupla tipo J

80

Este circuito permite la amplificacin de los voltajes emitidos por las termocuplas que van desde 0.0mV en cero grados hasta 6.7mV en 120 grados para una salida de 0 a 10v. despus de la etapa de amplificacin; pese a los bajos valores de voltaje este circuito permite eliminar la insercin de ruidos por acoplamiento de impedancias debido a la impedancia infinita caracterstica de los amplificadores operacionales. Adems ,la amplificacin se ha dividido en cuatro etapas, la amplificacin tendiendo las dos primeras una ganancia aproximada de 10, la tercera, presenta ganancia variable mediante un potencimetro para estandarizar la salida de voltaje hasta el valor deseado, y la ltima etapa es un inversor con ganancia de uno, que permita obtener a la salida valores de voltaje positivos.

Para el diseo del amplificador tenemos las siguientes ecuaciones: Va= Voltaje de termocupla 1 Vb= Voltaje de termocupla 2 referido a tierra Vab= Voltaje de termocupla

Del primer amplificador tenemos:

)21()

211(1

RRVb

RRVaV +=

Donde R1=100K. y R2= 10K.

Para tener una ganancia de 11 Pero como Vb = 0, referido a tierra tenemos:

)211(1

RRVaV +=

VaV 111 =

81

Para la segunda etapa de amplificacin de igual manera:

)431(12

RRVV +=

Donde R3 = 100K. y R4 = 10K.

1112 VV =

Hasta esta segunda etapa tenemos una amplificacin de 121 veces el valor inicial del valor de voltaje de la termocupla, ahora para normalizar la salida a 10v. tomamos el valor mximo de temperatura (120v), es decir 6,7 mV y variamos el potencimetro de la tercera etapa de amplificacin para obtener el valor deseado en la salida del operacional. Con un valor de 8,54.

)65(2

RRVVout =

Donde R5=10K. (potencimetro) y R6=100K.

Finalmente se tiene en la ltima etapa, un amplificador inversor de ganancia uno, de esta manera se consigue un voltaje positivo en la salida.

4321 xGxGxGGVout =

)17.111111(7.6 = xxxmVVout

.5.9 VVout =

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De esta manera tenemos los valores normalizados de voltaje de la siguiente manera: (Recurdese que los valores tericos de amplificacin cambian en funcin de la tolerancia propia de cada una de las resistencias utilizadas para el diseo, es por este motivo que se utiliza un potencimetro en la etapa final de amplificacin para normalizar la salida al valor deseado de 10 v.)

Temperatura(C) Voltaje(V) 120 9,5 116 9,5 112 9,4 108 9,3 104 9,2 100 8,9 96 8,7 92 8,4 88 8,2 84 7,9 80 7,7 76 7,5 72 7,3 68 6,9 64 6,8 60 6,5 56 6,2 52 5,8 48 5,4 44 5 40 4,7 36 4,3 32 3,9 28 3,4 24 3 20 2,5

Tabla 3.2 Valores de voltaje para termocupla tipo J

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Fig. 3.3 Voltaje amplificacin vs. Temperatura

Para la segunda termocupla se realiza un procedimiento similar al anterior obtenindose los siguientes datos. (Esta termocupla es de tipo K por lo que los valores de voltaje son diferentes a la del tipo J, adems, sta no se encuentra provista por el capuchn metlico hacindola ms sensible a los cambios repentinos de temperatura)

Amplificacin vs. Temperatura

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 20 40 60 80 100 120 140 Temperatura(C)

Volta

je(V)

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Temperatura(c) Voltaje(mV) Voltaje

Amplificado(V) 130 5,2 9,33 128 5,1 9,25 126 4,9 9,17 124 4,8 9,12 122 4,7 9,05 120 4,6 9,00 118 4,6 8,92 116 4,5 8,86 114 4,4 8,78 112 4,3 8,71 110 4,2 8,64 108 4,1 8,53 106 4,0 8,47 102 3,8 8,21 100 3,7 8,11 98 3,6 7,98 96 3,5 7,85 92 3,3 7,5 90 3,2 7,4 88 3,1 7,2 86 3,1 6,9 84 2,9 6,8 80 2,8 6,42 78 2,7 6,16 76 2,6 5,8 72 2,4 5,3 68 2,2 4,6 66 2,1 4,2 64 2,0 3,9 62 1,9 3,7 60 1,8 3,19 56 1,7 2,4 54 1,6 2,3 52 1,5 1,9 50 1,4 1,048 22 0,06 0,6

Tabla 3.3 Valores de voltaje termocupla tipo K.

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Temperatura vs Voltaje

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 20 40 60 80 100 120 140Temperatura

Volta

je

Voltaje(mV) Voltaje Amplificado(V)

Fig 3.4 Valores de voltaje termocupla tipo K

El circuito acondicionador es el mismo circuito mostrado en la Figura 3.1, consta de tres etapas ms una etapa de inversin de voltaje, las dos primeras con ganancia de 11 cada una y la ltima de ganancia variable para estandarizar el voltaje que ingresar al PLC. Los valores de las resistencias y el potencimetro son los mismos que para el circuito acondicionador de la termocupla tipo J.

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3.2.2 ACONDICIONAMIENTO DE SEALES DE SALIDAS ANLOGAS

Finalmente resta acondicionar la seal del mdulo de salidas anlogas del LOGO, debido a que ste emite una seal de 0 a 10v y el convertidor de seal de corriente a presin para el control de la vlvula proporcional, maneja seales de 4 a 20 mA, se propone el siguiente circuito:

Fig 3.5 Circuito convertidor Voltaje/Corriente

Debido a que el amplificador operacional cuenta con una impedancia de entrada sumamente grande por lo tanto, Ix=Iy=0 entonces Vx=Vy.

De esta manera Vy(voltaje de entrada)=Vrv1 y I2=Irv1 por lo tanto: Irv1(corriente de salida)=Vrv1/rv1

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De esta manera tenemos la relacin inversamente proporcional del voltaje de entrada con respecto a la resistencia del potencimetro (para el ajuste estndar de salida a 20mA).

20mA=10V/R

R=500 ohmios, que es el valor seteado para el potencimetro de 1Kohmio.

Finalmente la tarjeta acondicionadora de seales queda de la siguiente manera:

Fig 3.6 Tarjeta acondicionadora de seales

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3.3 VLVULA DE CONTROL

La vlvula de control utilizada se muestra en la figura, este elemento de control se encarga de la regulacin del flujo de vapor de entrada hacia el serpentn, dando apertura o cierre en funcin de la seal que reciba el actuador neumtico.

Fig. 3.7 Actuador neumtico y vlvula de control lineal

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3.4 CONVERTIDOR DE CORRIENTE/PRESIN.

Se utilizar un convertidor de seal elctrica neumtica de marca OMEGA IP310/311 I/P Converter, la funcin de este dispositivo es convertir una seal anloga de 4 a 20 mA en una seal neumtica lineal proporcional que vare entre 3 y 15 PSI de presin.

Especificaciones: Alimentacin Voltaje 24 Vdc Alimentacin Corriente 150 mA Temperatura de operacin 0 a 70 C Seal Anloga de retroalimentacin 4 a 20 mA. Mxima alimentacin de presin 40 PSIG Mnima alimentacin de presin 0,1 PSIG Peso 1.5 lbs Consumo 3 w

Tabla 3.4 Datos Tcnicos convertidor I/P

Fig. 3.8 Convertidor de seal I/P

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3.5 CALDERO (GENERADOR DE VAPOR)

Fig. 3.9 Generador de vapor

Fig. 3.10 Generador de vapor datos

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3.6 PLC (LOGO)

Debido a los precios de los PLC en el mercado, se escogi la solucin ms econmica que para este proyecto es el LOGO de Siemens, aunque ste presenta serias limitaciones en la programacin, se ajusta de manera adecuada para los requerimiento del control de temperatura en el tanque. Pero debe considerarse las siguientes restricciones:

Los parmetros usados para la sintonizacin de los bloques Pi y P (valor de ganancia proporcional mxima de 99).

No existe un bloque de controlador tipo PID. Los amplificadores permiten trabajar hasta con un mximo de dos

decimales. Solo se cuenta con dos salidas analgicas.

Fig. 3.11 Imagen PLC Logo Guia Prctica, Ficha Siemens 01, aprendiendo con Logo.pdf

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3.6.1 CARACTERSTICAS

Fuente de Alimentacin Tensin de entrada

24 Vdc

Consumo en caso de alimentacin de 24 Vdc

30 mA, 0,3 mA por cada entrada

Potencia Disipada 0,2 a 0,8 w Proteccin contra inversin de polaridad

Si

Entradas digitales 8x(0 10v) Longitud del conductor (Sin blindaje)

100m

Entradas Anlogas 4x(0 10v o 0mA 20 mA)

Salidas Analgicas 2x(0-10v) No. referencia 6ED1 052-1 MD00-0BA5

Tabla 3.5 Datos Tcnicos LOGO! Para sustentar las necesidades de salidas y entradas anlogas necesarias para el proceso se han incluido 2 mdulos de entradas y 1 de salidas anlogas.

Fig. 3.12 PLC Logo con modulo de entrada analgica www.siemens.com/industria Aplicaciones

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3.6.2 SALIDAS Y ENTRADAS AL PLC

Para las entradas y salidas hacia y desde el PLC tenemos:

Entradas Salidas Seal de 0 a 10v del circuito acondicionador de termocupla 1

Seal de 0 a 10v hacia el convertidor de Voltaje/Corriente

Seal de 0 a 10v del circuito acondicionador de termocupla 2

Tabla 3.6 Entradas y salidas PLC

Fig. 3.13 Conexiones al PLC

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3.6.3 PROGRAMA Y SIMULACIN

Como se analiz en captulos anteriores el objetivo del presente proyecto, es el control de temperatura (calentamiento) del contenido dentro de un reactor, para mantener las condiciones ideales que permitan la hidrlisis de la sacarosa. Por esto se ha seleccionado el control en cascada ya que mediante la medicin de una variable indirecta se acelera la respuesta del control a perturbaciones dentro de la reaccin.

Para obtener el control deseado se han implementado dos lazos de control, el primero (Lazo primario), que corresponde a un controlador de tipo Integral/Proporcional cuyo set point es fijado por el usuario, y comparado con la temperatura de la reaccin; ste emite una seal la misma que pasa a ser la referencia, del segundo controlador (Lazo secundario) de tipo proporcional (esto para asegurar una respuesta ms rpida que el controlador primario), el cual sensa la temperatura dentro del serpentn es decir la temperatura del vapor.

Fig. 3.14 Diagrama de bloques del control en cascada

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En la figura a continuacin se muestra el esquema de control para el control del flujo de vapor a travs del serpentn. Recurdese que para la simulacin propuesta en el captulo 2 del presente proyecto, el comportamiento del serpentn fue aproximado al de una chaqueta (usada para calentar o enfriar el contenido) esto debido a que se pretende tener un ejemplo de modelo lo ms general posible, adems las diferencias en el comportamiento trmico son mnimas, ya que se toman como parmetros condiciones ideales de transferencia de calor a travs de las paredes del tanque.

Fig. 3.15 Control de temperatura en cascada

En lo que se refiere al programa del PLC, tenemos dos bloques: el primero consta de una entrada anloga cuya seal es recibida desde el circuito acondicionador de la termocupla dentro del reactor, debido a que la entrada de ste es de 0 a 10v, se acondiciona la misma mediante la ganancia B001; una vez obtenida la seal deseada sta ingresa al controlador integral/proporcional

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como se observa en la figura 3.17, ajustado con los valores calculados en el captulo 2, donde:

Fig. 3.16 Valores del controlador PI

Kc = constante proporcional Ti = tiempo de integracin Sp = referencia (Ingreso a travs de teclado) Mq = salida del PI A/M = modo de salida manual/automtico (Funcin automtica seleccionada) PV = seal a compararse

La salida de este controlador pasa a travs del bloque B002 para nuevamente acondicionar la seal de tal manera que la salida del PI, pueda ser considerada como el set point del controlador proporcional; de esta manera se tiene un valor que cambie desde 0 hasta 150 despus del amplificador.

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Para el lazo secundario de igual manera se tiene una entrada analgica desde la salida del circuito acondicionador de la termocupla ubicada en el serpentn encargada de sensar la temperatura del vapor de agua, sta tambin ser tratada por el amplificador de ganancia B004, a continuacin se tiene el controlador de tipo proporcional:

Fig. 3.17 Valores del controlador P

Kc = constante proporcional Ti = tiempo de integracin infinito Sp = referencia (salida del PI acondicionada desde el bloque B005) Mq = salida del P A/M = modo de salida manua/automtico (Funcin automtica seleccionada) PV = seal a compararse

Por ltimo se tiene el bloque B005, que estandarizan la salida para tener un voltaje de 0V. a 10V. en AQ1.

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Fig. 3.18 Programa de control de calentamiento

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3.7 ACONDICIONAMIENTO DEL REACTOR

Como se mencion en el captulo de generalidades el reactor qumico no es ms que el lugar fsico en donde se realiza una reaccin, el mismo que ser adecuado en funcin de las necesidades del proceso (presin, temperatura, agitacin, aislamiento trmico, entre otras), para las condiciones particulares del proceso seleccionado para este proyecto, por lo tanto se selecciona el recipiente mostrado en la figura. Dentro del cual se ha adaptado un serpentn encargado de calentar el contenido dentro del tanque, ste se encuentra conectado con un generador de vapor el cual suministrar la temperatura necesaria para mantener la reaccin.

Fig. 3.19 Tanque de alimentacin y salida contnua

El suministro de los reactivos (mezcla de agua y azcar) est dado por un tanque de almacenamiento de 50 galones que debido a las caractersticas de la tubera se puede considerar el flujo de ingreso constante hacia el tanque. Y de igual manera se puede generalizar esta condicin para el flujo de salida.

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Una vez mostrados todos los elementos necesarios para realizar la hidrlisis de la sacarosa tenemos la disposicin de las diferentes etapas del mismo:

Fig. 3.20 Diagrama de bloques de los elementos del proceso

Descritas las caractersticas de cada uno de los componentes que se van a utilizar para el desarrollo de esta aplicacin, se inician los con procedimientos para el armado del mismo.

Tanque de suministros de reactivos

Generador de vapor (Seleccin de temperatura)

Vlvula de control

REACTOR

SERPENTN

Tanque de recepcin del producto

Trampa de agua, salida de vapor

Actuador Neumtico

Convertidor de seal

PLC

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Lo primero fue la construccin del serpentn mediante la adaptacin de tubera de cobre de 5/11 de pulgada como se muestra en la figura; para el acoplamiento de la termocupla se ha insertado una T al final del serpentn permitiendo obtener una lectura de la temperatura del vapor de agua despus del proceso de transferencia de calor.

Fig. 3.21 Diagrama de bloques de los elementos del proceso

Posteriormente se procede a la conexin del generador de vapor hacia la vlvula de control, mediante tuberas y codos de acero de pulgada para conectarse finalmente al serpentn de cobre mediante un reductor de a 5/11 de pulgada.

Fig. 3.22 Conexin desde vlvula de control al serpentn

102

Al final del calentador se tiene la misma reduccin de a 5/11 de pulgada que permite al vapor atravesar una trampa de agua para que finalmente se desaloje al medio ambiente.

Fig. 3.23 Trampa de agua

Los ltimos elementos a instalarse son los sensores de temperatura, la termocupla tipo J con vaina protectora simplemente ser introducida dentro del tanque una vez se encuentre lleno de la solucin de agua y azcar. La termocupla tipo K sin vaina sensar la temperatura del vapor por lo tanto fue necesario la implementacin de una T en el serpentn.

Fig. 3.24 T en el serpentn para termocupla

103

De esta manera se termina la instalacin de cada uno de los componentes necesarios para ejecutar la hidrlisis de la sacarosa, tanto los elementos mecnicos, como los sensores y elementos de control.

En lo referente a la alimentacin elctrica el laboratorio suministr las fuentes de voltaje lineales de 24 Vdc. para la alimentacin del PLC y del convertidor I/P. Y para el circuito acondicionador se tiene una fuente de poder de PC con voltaje de salida de -12v y +12v.

Para la presin requerida en el accionamiento de la vlvula de control neumtica, se tiene un compresor conectado a una lnea principal de alimentacin que atraviesa el aula del laboratorio, en su entrada se tiene el filtro de humedad y sensor de presin.

Fig. 3.25 Sistema de alimentacin neumtica