implementaciÓn de un controlador pi sobre la etapa …
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IMPLEMENTACIÓN DE UN CONTROLADOR PI SOBRE LA ETAPA DE
REFRIGERACIÓN DE LA PLANTA PASTEURIZADORA UBICADA EN EL
LABORATORIO DE INDUSTRIAL DE LA FACULTAD TECNOLÓGICA DE LA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
HERNÁN ALONSO MANCIPE BOHÓRQUEZ
CÒDIGO: 20132383073
FREDY REINALDO RIVERA MARTINEZ
CÒDIGO: 20141383040
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA EN CONTROL
BOGOTÁ D.C.
2016
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IMPLEMENTACIÓN DE UN CONTROLADOR PI SOBRE LA ETAPA DE
REFRIGERACIÓN DE LA PLANTA PASTEURIZADORA UBICADA EN EL
LABORATORIO DE INDUSTRIAL DE LA FACULTAD TECNOLÓGICA DE LA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
HERNÁN ALONSO MANCIPE BOHÓRQUEZ
CÓDIGO: 20132383073
FREDY REINALDO RIVERA MARTINEZ
CÓDIGO: 2014138040
MONOGRAFÍA PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO EN CONTROL
DIRECTOR: ING. JORGE EDUARDO PORRAS BOHADA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA EN CONTROL
BOGOTÁ D.C.
2016
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NOTA DE ACEPTACIÓN
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Jurado 1
_________________________________
Jurado 2
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CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN _____________________________________________________________ 9
1.1. OBJETIVOS ____________________________________________________________ 10
1.1.1. General ____________________________________________________________ 10
1.1.2. Específicos ________________________________________________________ 10
1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA _____________________________________ 10
1.3. MARCO DE REFERENCIA _______________________________________________ 11
1.3.1. ESTADO DEL ARTE ________________________________________________ 11
1.3.2. ANTECEDENTES ___________________________________________________ 18
1.3.2.1. Estación de Calentamiento ________________________________________ 18
1.3.2.2. Estación de Dosificación __________________________________________ 19
1.3.2.3. Estación de Refrigeración _________________________________________ 20
1.3.2.3.2. COMPONENTES ________________________________________________ 23
1.3.2.3.2.2. Sensores ______________________________________________________ 24
1.3.2.3.2.3. Actuadores ____________________________________________________ 25
1.3.2.3.2.4. Tablero eléctrico _______________________________________________ 25
2. METODOLOGÍA ____________________________________________________________ 25
2.1. CAMBIOS ESTRUCTURALES Y FUNCIONALES ___________________________ 25
2.1.1. Reubicación de evaporador hacia el interior del tanque de la Nevera ___ 26
2.1.2. Reubicación del intercambiador de calor (círculos concéntricos) ______ 27
2.1.3. Supresión de recirculación de Líquido Refrigerante ___________________ 28
2.1.5. Actuador (Servo-válvula) ____________________________________________ 29
2.1.6. Nueva tubería y tanque superior _____________________________________ 30
2.1.7. Sensores instalados ________________________________________________ 31
2.1.8. Tablero Eléctrico ___________________________________________________ 33
2.1.9. Alimentación General _______________________________________________ 34
2.2. DIAGRAMA DE BLOQUES ______________________________________________ 36
2.2.1. Sistema embebido PLC (Sistema de control) _________________________ 36
2.2.2. Controlador I/O _____________________________________________________ 40
2.2.3. Circuito de comunicación controlador I/O ____________________________ 40
2.2.4. Sistema de supervisión (SCADA) Web HMI ___________________________ 41
2.2.4.1. MQTT en Resologis IPC ___________________________________________ 42
2.2.4.2. Controlador MQTT ________________________________________________ 43
5
2.2.4.3. WEB HMI ________________________________________________________ 44
2.2.5. Sensores de Temperatura ___________________________________________ 45
2.2.5.1. Linealización de sensores ________________________________________ 46
2.2.6. Servo – Válvula ____________________________________________________ 53
2.2.7. Sensor de Nivel Tanque de Producto Pasteurizado ___________________ 54
2.2.8. Relé industrial 24 VDC | 240 VAC 5 A ________________________________ 55
2.4. MODELAMIENTO EXPERIMENTAL POR CURVA DE REACCIÓN __________ 58
3. RESULTADOS _____________________________________________________________ 64
3.1. Pasteurización _________________________________________________________ 64
3.1.1. Proceso HTST (High Temperature Short Time) – por Lotes ____________ 64
3.2. Pruebas realizadas _____________________________________________________ 65
3.3. Análisis de resultados __________________________________________________ 66
4. CONCLUSIONES ___________________________________________________________ 67
5. BIBLIOGRAFÍA _____________________________________________________________ 68
6. ANEXOS ___________________________________________________________________ 70
1. Características Generales __________________________________________________ 70
1.2 DESCRIPCIÓN DE ELEMENTOS ____________________________________________ 71
1.3 ADVERTENCIAS Y PRECAUCIONES ________________________________________ 72
1.4 ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO PLANTA DE REFRIGERACION ____________ 73
1.5 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA DE REFRIGERACION ____________________ 73
1.6 PRACTICA DE LABORATORIO #1 __________________________________________ 74
1.7 PRACTICA DE LABORATORIO #2 __________________________________________ 78
1.7 PRACTICA DE LABORATORIO #3 __________________________________________ 83
6
ÍNDICE DE FIGURAS
Fig. 1 Diagrama de Bloques Sistema de control inteligente [1] __________________________________ 12 Fig. 2 Proceso de pasteurización HTST [2] ___________________________________________________ 12 Fig. 3 Sistema de Pasteurización de Huevo Líquido Entero [3] __________________________________ 14 Fig. 4 Intercambiador de Calor de tubo banco de pruebas [4] ___________________________________ 15 Fig. 5 Diagrama P&ID del banco de pruebas [5]_______________________________________________ 16 Fig. 6 Diagrama de bloques del modelo por ecuaciones de estado [7].___________________________ 18 Fig. 7 Estación de Calentamiento [8] ________________________________________________________ 18 Fig. 8 Estación de Dosificación [8] ___________________________________________________________ 19 Fig. 9 Estación de Refrigeración [8]. _________________________________________________________ 20 Fig. 10 Unidad de Refrigeración (Cara frontal) [8]. _____________________________________________ 21 Fig. 11 Parte Posterior de Estación [8]. ______________________________________________________ 21 Fig. 12 Tanque superior e Intercambiador de Calor (Serpentín) [8]. _____________________________ 22 Fig. 13 Costado izquierdo (Tubería de re-circulación de Refrigerante) [8]. ________________________ 22 Fig. 14 Parte baja (Bifurcación: Drenaje y Bomba centrífuga) [8]. _______________________________ 23 Fig. 15 Evaporador Unidad de Refrigeración [8]. __________________________________________________ 24 Fig. 16 Compresor Unidad de Refrigeración [8]. ___________________________________________________ 24 Fig. 17 Tablero eléctrico recibido [8]. ________________________________________________________ 25 Fig. 18 Estación de Refrigeración modificada [8] ______________________________________________ 26 Fig. 19 Reubicación de evaporador e intercambiador de calor [8]. _______________________________ 26 Fig. 20 Líquido Refrigerante en tanque interno [8]. ____________________________________________ 28 Fig. 21 Drenaje tanque interno nevera [8]. ____________________________________________________ 29 Fig. 22 Refrigerante usado para el proceso de refrigeración [8]. ______________________________________ 29 Fig. 23 Servo-válvula [8]. ___________________________________________________________________ 30 Fig. 24 Mangueras (negras) de unión de ¼’ [8]. _______________________________________________ 30 Fig. 25 Vista posterior Estación de Refrigeración [8]. __________________________________________ 31 Fig. 26 Tanque depósito producto – parte superior [8]. _________________________________________ 31 Fig. 27 Termopozos de entrada y salida [8]. __________________________________________________ 31 Fig. 28. Termistor líquido refrigerante [8]. ____________________________________________________ 32 Fig. 29. Termopozo de entrada (Termistor de 10KΩ) [8]. _______________________________________ 32 Fig. 30. Termopozo (Termistor 10KΩ) de salida [8]. ___________________________________________ 33 Fig. 31 Tablero de conexión (Vista general) [8]. _______________________________________________ 34 Fig. 32 Fuentes Conmutadas de corriente continua [8]. ________________________________________ 34 Fig. 33 Marquillas instaladas [8]. ____________________________________________________________ 35 Fig. 34 Diagrama de bloques sistema de Control y supervisión de la unidad de refrigeración [8]. ___ 36 Fig. 35 Raspberry Pi modelo 2 B+ como micro PLC [8]. ________________________________________ 37 Fig. 36 Entorno Grafico ACP [8]. ____________________________________________________________ 37 Fig. 37 Bloque PID ISaGRAF 5 [8]. __________________________________________________________ 38 Fig. 38 Control implementado en el entorno ACP por medio de bloques funcionales [8]. __________________ 39 Fig. 39 Linealización de sensores de temperatura y disposición de variables booleanas [8]. ________________ 39 Fig. 40 Controlador I/O [8]. _________________________________________________________________ 40 Fig. 41 Circuito de comunicación controlador I/O [8]. __________________________________________ 41 Fig. 42 Red MQTT [14]. ______________________________________________________________________ 42 Fig. 43 Arquitectura de comunicación [13]. ______________________________________________________ 42 Fig. 44 Página web local para IPC [13]. __________________________________________________________ 43 Fig. 45 Opciones de configuración IOT [13]. ______________________________________________________ 43 Fig. 46 Panel de visualización de WEB HMI [13]. __________________________________________________ 44
7
Fig. 47 Web HMI [8]. _______________________________________________________________________ 45 Fig. 48 Termistor 10KΩ [8]. _________________________________________________________________ 46 Fig. 49 Divisores de voltaje usados para linealizar los sensores [8]. ___________________________________ 46 Fig. 50 Curva característica de sensores internos [8]. _________________________________________ 47 Fig. 51 Linealización Termistor de entrada [8]. ________________________________________________ 51 Fig. 52 Linealización Termistor de salida [8]. _________________________________________________ 52 Fig. 53 Sensor de caudal L/min [17]. ___________________________________________________________ 53 Fig. 54 Modelo lineal (aproximado) de válvula [8]. ________________________________________________ 54 Fig. 55 Sensor de Nivel [8]. _________________________________________________________________ 55 Fig. 56 Relé 24 V DC | 240 VAC 5 A [8]. _____________________________________________________ 55 Fig. 57 Diagrama P&ID – Estación de Refrigeración [8]. ____________________________________________ 56 Fig. 58 Curva de reacción del sistema de refrigeración (Imagen generada por el osciloscopio) [8]. __________ 58
8
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Sistema de convenciones Tablero eléctrico [8]. _____________________________________________ 35 Tabla 2 Características Bloque PID [13]. _____________________________________________________ 38 Tabla 3 Características de los sensores instalados [15]. _____________________________________________ 45 Tabla 4. Temperatura vs Resistencia (Termistor 10kΩ) [15]. ___________________________________ 48 Tabla 5 ADC (10 bits) vs Temperatura – Termopozo de entrada [8]. _____________________________ 50 Tabla 6. ADC (10 bits) vs Temperatura – Termopozo de salida [8]. ______________________________ 52 Tabla 7 Válvula de bola: Caudal vs Desplazamiento angular [8]. _____________________________________ 53 Tabla 8 Curva de respuesta (experimental vs generada en MATLAB) [8]. _______________________________ 61 Tabla 9 Señal de respuesta y constantes de control [8]. ____________________________________________ 62
9
1. INTRODUCCIÓN
El desarrollo de los diferentes proyectos para un sistema de pasteurización se concibe
dentro del requerimiento de obtener una herramienta didáctica que ayude a los
estudiantes de ingeniería en control a desarrollar competencias y conocimientos
alrededor de los sistemas térmicos. Durante cuatro semestres se ha venido
construyendo los tres sistemas principales del sistema de pasteurización (dosificación,
calentamiento y refrigeración) en un trabajo conjunto con diferentes grupos de
estudiantes.
El principal reto del proyecto era conseguir implementar un sistema con características
industriales teniendo un presupuesto ajustado, esto debido a que era una iniciativa
propia de algunos profesores y los estudiantes involucrados. El laboratorio de
tecnología industrial e ingeniería en producción al tener acceso a diversos dispositivos
industriales para control y supervisión ha prestado una ayuda indispensable para el
desarrollo de los diferentes proyectos.
La etapa de refrigeración (la cual abarca este proyecto) ha sufrido diversas revisiones
desde su primera implementación y hasta el día de hoy ha sido dotada de diversos
dispositivos que permiten que cumplan con las especificaciones propuestas dentro de
este proyecto. Por medio de análisis matemáticos y modelamientos físicos se ha
logrado diseñar diferentes controladores que se ajustan a la tarea principal de la planta.
La tarea principal que debe realizar la etapa de refrigeración es llevar un producto
determinado de una temperatura inicial a una temperatura final mucho más baja que
la anterior, en un instante de tiempo muy corto. Para lograrlo se ha diseñado un
sistema hidráulico que permite desplazar el producto a través de dispositivos de
disipación térmica dispuestos en una unidad de refrigeración. Sumado a esto
electrónicamente se modifica el caudal del sistema hidráulico para lograr un control
sobre la temperatura del producto.
Por ultimo pero no menos importante, los sistemas de control y de supervisión fueron
implementados de tal manera que cumplieran con estándares industriales, haciendo
que los estudiantes que realicen prácticas sobre la planta identifiquen los diferentes
sistemas que podrían encontrar en una industria.
La estación cuenta con relés industriales, un sistema embebido micro PLC, un sistema
de comunicación industrial sobre TCP/IP y puede ser programado en los diferentes
rangos de la norma IEC-61131-3.
10
1.1. OBJETIVOS
1.1.1. General
Construir un controlador PI sobre la etapa de refrigeración de la Planta Pasteurizadora
ubicada en el laboratorio de industrial de la Facultad Tecnológica de la Universidad
Distrital Francisco José de Caldas.
1.1.2. Específicos
Analizar la etapa de refrigeración de la planta pasteurizadora para realizar el
proceso de control a partir del modelamiento del sistema.
Diseñar un control PI que se adapte al modelamiento del sistema y a las
variables que se van a controlar y manipular.
Implementar en un PLC la programación necesaria para la puesta en marcha
del control del sistema.
Elaborar tres prácticas de laboratorio para el sistema de refrigeración.
Evaluar el sistema de control sobre la etapa de refrigeración a través de pruebas
sobre la calidad del producto obtenido.
1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Un Sistema de Refrigeración es una parte esencial en muchas industrias
(especialmente en el sector alimenticio), pero su estudio plantea ciertos
inconvenientes, como es el costo de fabricación de estos sistemas para ambientes
académicos, puesto que son sistemas muy específicos y requieren de conocimientos
suficientes en termodinámica que permitan su diseño, sumado a las protecciones que
deben tener para ser adaptados a un ambiente académico, reduciendo su estudio y
análisis hacia el seno mismo de la industria.
Los estudiantes de Ingeniería en Control necesitan Laboratorios con equipos de
refrigeración industrial que permitan el aprendizaje y el desarrollo práctico de sistemas
de control relacionados con dichos sistemas, por lo que muchos egresados compiten
en el mercado laboral sin el suficiente conocimiento previo, para adaptarse al mismo.
Asignaturas como Control Analógico y Digital delegan esta tarea a los propios
estudiantes y muchas veces se limita a impartir la teoría y exigir la práctica sin siquiera
demostrar previamente la aplicación estudiada.
En la Facultad Tecnológica, en los Laboratorios de Ingeniería en Control se cuenta con
un Sistema de Refrigeración Didáctico, que está orientado en general al control de
11
variables de temperatura y que implementan PLC’s de la marca SIEMENS con
referencia SIMATIC 300 y módulos de control PID marca HONEYWELL, una única
planta de temperatura pensada para grupos de trabajo de hasta treinta personas, pero
que en la práctica se convierte en un máximo de cuatro personas por práctica. Sumado
a esto, el estudio de la temperatura al ser tan exhaustivo por su alta inercia incrementa
la duración de cada práctica impidiendo a muchos grupos de estudiantes desarrollarlas
dentro de los límites propuestos por sus docentes.
En la actualidad se ha diseñado y construido una Planta Pasteurizadora dotada de tres
etapas: Dosificación, Calentamiento y Refrigeración. La etapa de Refrigeración cuenta
con los dispositivos pertinentes que permiten reducir la temperatura de un líquido en
un tiempo determinado, sin embargo carece de un sistema de control y de un tablero
de conexión que permita a los estudiantes realizar prácticas sobre ella. Es
indispensable implementar un sistema de control sobre la etapa de refrigeración que
permita estudiar el comportamiento de la planta y regular en un tiempo relativamente
corto la temperatura.
1.3. MARCO DE REFERENCIA
1.3.1. ESTADO DEL ARTE
La pasteurización es un proceso que se lleva a cabo desde hace dos siglos, y ha sido
un proceso determinante para la industria de alimentos. En este trabajo se hará énfasis
en el sistema de control que se le puede realizar a la etapa de refrigeración de dicho
proceso y su aplicación didáctica en un ambiente universitario para la realización de
prácticas sobre el mismo. Los siguientes son algunos proyectos relacionados que
pueden dar a una idea de lo que se puede realizar alrededor del tema.
1.3.1.1. DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL INTELIGENTE PARA UN
PASTEURIZADOR TIPO TÚNEL
En el siguiente artículo de investigación tecnológica se presenta el diseño de un
sistema de control inteligente para una máquina pasteurizadora tipo túnel ubicada en
la empresa Bavaria S.A., que conjuga lógica difusa con redes neuronales para mejorar
la calidad del producto, eficiencia mecánica y consumo energético de una planta que
tiene más de 10 años de funcionamiento. La red neuronal controla los niveles de
referencia de las dos principales zonas de alta temperatura de la máquina y la
velocidad del sistema de transporte, afectando directamente el proceso de
12
pasteurización. El control Fuzzy, tipo sugeno, se encarga de mantener constante la
velocidad del transportador [1].
Fig. 1 Diagrama de Bloques Sistema de control inteligente [1]
1.3.1.2. ESTRATEGIAS DE MODELAMIENTO, SUPERVISION Y CONTROL
PARA SISTEMAS DE PASTEURIZACION DE TEMPERATURA ALTA
EN CORTO TIEMPO (HTST) - DESARROLLO DE MODELOS
EMPÍRICOS
Los estudios y modelamientos para sistema de pasteurización de temperatura alta en
corto tiempo (HTST) pueden ser desarrollados mediante el uso de modelamientos
empíricos como los son el modelo de funciones de transferencia y los modelos de
series temporales. El diseño de buenos experimentos de excitación del sistema,
permiten obtener datos precisos para obtener un buen modelo dinámico del mismo.
Estos modelos se utilizan en el control de retroalimentación y el diseño del sistema de
monitoreo estadístico de procesos. Para poder realizar un modelamiento por series de
tiempo para el sistema de pasteurización HTST se utilizara un sistema de obtención
de datos consecuente. En la siguiente figura se ilustra el sistema de pasteurización a
modelar [2].
Fig. 2 Proceso de pasteurización HTST [2]
13
1.3.1.3. CONTROL DE TEMPERATURA DE UN SISTEMA DE
PASTEURIZACION DE HUEVO ENTERO LÍQUIDO UTILIZANDO UN
PLC (CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE) SIEMENS
SIMATIC S7-200 Y UN HMI (MAQUINA DE INTERFAZ HUMANA)
SIMATIC HMI PANEL
Los huevos crudos de gallina en buen estado de cáscara se pueden mantener a una
temperatura ambiente durante aproximadamente una semana o en el refrigerador por
3 semanas. La calidad del huevo crudo se disminuye a medida que el tiempo de
almacenamiento aumento, debido a la creciente cantidad de bacterias patógenas
presentes en el. La salmonella es una especie de bacteria patógena que se encuentra
en el huevo. Normalmente, los huevos bien cocidos que se cocinan sobre una
temperatura de 72 ° C provocan que la Salmonella muera a causa de las altas
temperaturas. Sin embargo, muchos huevos procesados se consumen realmente en
su estado natural, como la mayonesa y la bebida tradicional de Indonesia (STMJ y
jamu). Así, los huevos de gallina crudos necesitan ser pasteurizados para prevenir la
contaminación por Salmonella. La pasteurización es el proceso de desinfección de
bacterias a baja temperatura y en un tiempo determinado. Según las normas emitidas
por la Administración de Alimentos de Nueva Gales del Sur, el huevo entero líquido
tiene que ser pasteurizado al menos 2,5 minutos a 64 ° C. Esta investigación se centra
en el control de temperatura del sistema de pasteurización de huevo líquido mediante
el uso del PLC Siemens S7-200 CPU 226, la HMI SIMATIC Panel TP177 micro, y un
controlador proporcional, con el fin de obtener un diseño de control preciso de la
temperatura para el sistema de pasteurización de huevo líquido. La pasteurización del
huevo líquido en esta investigación se llevó a cabo a una temperatura de 64 °C durante
2,5 minutos. Al diseñar el controlador utilizando el método de sintonización se obtuvo
un valor del parámetro Kp=3.4. Con este valor de Kp el huevo líquido puede alcanzar
una temperatura de 64°C en un tiempo de establecimiento de 910 segundos. Esto será
visualizado en la HMI donde se aprecia la temperatura y la salida PWM en tiempo real
[3].
14
Fig. 3 Sistema de Pasteurización de Huevo Líquido Entero [3]
1.3.1.4. DISEÑO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA EL CONTROL DE
TEMPERATURA Y FLUJO
El enfoque de este artículo está en el desarrollo de una herramienta para la educación.
En el presente trabajo, el diseño de una planta de procesos está presentado para el
control de temperatura en un intercambiador de calor, usando el proceso de flujo como
variable manipulada. El fluido de trabajo es agua común, esta con el propósito de
simplificar el diseño y reducir los costos de operación y mantenimiento.
Ante la necesidad que se presenta hoy en día en las instituciones de educación
superior y en la industria de tener a la mano dispositivos de simulación de los diferentes
procesos industriales para capacitar el personal e implementar nuevas estrategias de
control, se presenta el diseño de un banco de pruebas para el control de temperatura
en un intercambiador de calor. Para poder desarrollar el sistema de diseño de control
de esta planta se debió obtener diferentes modelos matemáticos de los elementos que
en ella intervienen; de esta misma forma se emplearon métodos numéricos para la
aproximación de comportamientos físicos a modelos matemáticos.
El diseño del banco de pruebas consta de los cálculos, planos hidráulicos, planos
eléctricos y diagramas de control. La operación de la planta consiste en mantener la
temperatura del fluido de proceso en un valor cercano a la temperatura deseada. La
variable que se ajusta para controlar la temperatura del agua de proceso a la salida
del intercambiador de calor es el flujo proveniente del proceso ya que éste determina
la cantidad de energía que se suministra al fluido de enfriamiento. El funcionamiento
de control por retroalimentación es como sigue: La temperatura del agua a la salida
del intercambiador de calor es medida por un termopar, éste genera una señal eléctrica
proporcional a la temperatura, la cual se envía al controlador, donde se compara contra
el punto de control. La señal de salida del controlador se conecta luego al actuador de
15
la válvula de control. La función del actuador es modificar la posición de la válvula
según lo ordene la señal de control para conseguir que el valor de temperatura real se
acerque al punto de consigna del controlador [4].
Fig. 4 Intercambiador de Calor de tubo banco de pruebas [4]
1.3.1.5. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN CONTROL DE TEMPERATURA
PARA EL FLUIDO DEL BANCO DE PRUEBAS PARA BOMBAS
HIDRÁULICAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO
El presente trabajo describe el diseño y construcción de un sistema de control de
temperatura del fluido de trabajo para el banco de pruebas para bombas hidráulicas
de desplazamiento positivo, presente en el laboratorio de sistemas dinámicos,
utilizando un sistema de enfriamiento, comandado por micro-controlador, con
comunicación a computador. El banco de pruebas para bombas hidráulicas de
desplazamiento positivo, presente en el laboratorio de sistemas dinámicos, se
construyó siguiendo los lineamientos de la norma ANSI/ (NFPA) T3.9.33 y se utiliza
para la determinación de características de desempeño de las bombas mencionadas,
ante diferentes condiciones de carga. Según la norma ANSI/ (NFPA) T3.9.17 , para la
determinación de las curvas características de desempeño de las bombas oleo-
hidráulicas (presión, caudal, entre otras), se requiere mantener la temperatura del
fluido de trabajo dentro de una tolerancia de ± 1ºC.
Con este fin se ha realizado el diseño y construcción de un sistema electromecánico
de enfriamiento gobernado por un sistema de control, basado en micro-controlador.
Este sistema de control se comunica a través de la tarjeta de adquisición de datos,
propia del banco de pruebas, con el computador, desde el cual, por medio del software
existente, se puede establecer el valor de temperatura deseada para el fluido de
trabajo. Igualmente, se muestra el desempeño del sistema de enfriamiento en cuanto
16
a su capacidad de rechazo de calor y el funcionamiento del controlador en lazo cerrado
[5].
Fig. 5 Diagrama P&ID del banco de pruebas [5]
1.3.1.6. COMPARACIÓN DE OBSERVADORES POR MODOS DESLIZANTES
DE 1ER Y 2DO ORDEN APLICADOS A UN INTERCAMBIADOR DE
CALOR
En este trabajo se presenta la comparación de los resultados obtenidos mediante dos
metodologías para el diseño de observadores, denominados: observadores por modos
deslizantes de primer orden y segundo orden. Tal comparación fue realizada con el fin
de comprobar la convergencia de ambos observadores y además, verificar que
mediante la utilización de los observadores de segundo orden, se disminuye el efecto
denominado chattering con respecto a los observadores de primer orden. Dichas
pruebas fueron hechas en línea en una planta piloto de un intercambiador de calor
(IC). En el caso de los observadores de segundo orden, el modelo matemático fue
manipulado de manera que se pudiera utilizar la metodología reportada; la cual parte
de la representación de un sistema mediante segundas derivadas.
La estimación de estados en sistemas dinámicos es un tema muy importante para
propósitos de monitoreo y/o control, identificación u optimización. En la literatura, el
observador de Luenberger o el filtro de Kalman están bien establecidos como una
solución sistemática, para llevar a cabo la tarea de estimación de estados. Los
estimadores o también llamados observadores de estados, son algoritmos que estiman
variables utilizando la estructura del modelo matemático del sistema real y la medición
de las variables disponibles. El comportamiento de la mayoría de los procesos
químicos puede ser modelados mediante ecuaciones diferenciales parciales,
obtenidas a través de balances de masa o energía. No obstante, la implementación de
observadores para sistemas modelados de dicha forma, se vuelve más complicada, lo
que es indeseable para el diseño de estimadores.
17
Los intercambiadores de calor son dispositivos ampliamente utilizados en la industria
de procesos tales como plantas de potencia, turbinas de gas, aire acondicionado,
refrigeración, calefacción, sistemas criogénicos, entre otros. Sus diversas aplicaciones
han conducido a la realización de investigaciones para la mejor comprensión de su
comportamiento dinámico, modelado, simulación, identificación y control desde 1940.
La dinámica de los intercambiadores de calor puede representarse de manera
matemática principalmente de dos maneras: a través de modelos de parámetros
distribuidos o modelos de parámetros concentrados.
Debido a que las variaciones de los parámetros involucrados ocurren tanto en tiempo
como en espacio, los modelos con parámetros distribuidos son los que mejor ajustan
a la dinámica del intercambiador. Estos modelos, son representados a través de un
conjunto de ecuaciones diferenciales parciales, sin embargo, son difíciles de analizar,
complicadas para su simulación y complejos para diseño, por lo que generalmente se
prefieren aproximaciones mediante modelos de parámetros concentrados.
En la literatura se encuentra que los observadores por modos deslizantes, también
mencionados como observadores deslizantes, son una alternativa para su
implementación en sistemas de control por poseer características como robustez ante
ruidos de medición, incertidumbre paramétrica y errores de modelado. Sin embargo,
en aplicaciones prácticas se mostró que los modos deslizantes presentaban un
comportamiento con oscilaciones de alta frecuencia denominado chattering. Este
fenómeno es el principal problema para poder implementar esquemas de estimación
o control por modos deslizantes, por lo que surgieron algunos estudios con el fin de
determinar su comportamiento y atenuarlo [6].
1.3.1.7. INVESTIGACIÓN Y APLICACIÓN DEL NUEVO CONTROL DE MATRIZ
DINÁMICA BASADO EN LA TEORÍA DE REALIMENTACIÓN DE
ESTADO PARA EL CONTROL DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR
El objetivo de este trabajo es el desarrollo de un controlador predictivo sobre un
intercambiador de calor y se dirige a las dificultades en el ajuste del mismo, el control
por realimentación de estado predictivo se utiliza para regular la temperatura de un
intercambiador de calor. La identificación del intercambiador de calor se realiza
mediante el uso de la técnica de curva de reacción por el ingreso de una señal paso.
Aunque el controlador PI es ampliamente utilizado para esto tipo de aplicaciones,
todavía hay una necesidad de optimización en cuento a la conservación de la energía,
en este trabajo se utiliza un algoritmo de modelamiento de control predictivo para
controlar la temperatura del intercambiador de calor y se analizan las dificultades
18
asociadas en la afinación. Los transitorios y los resultados de estado estacionario
obtenidos utilizando un control predictivo demuestran que los resultados obtenidos son
excelentes en comparación con los controladores de retroalimentación [7].
Fig. 6 Diagrama de bloques del modelo por ecuaciones de estado [7].
1.3.2. ANTECEDENTES
El Proceso de Pasteurización involucra tres etapas (Estaciones), las cuales fueron
diseñadas y construidas por los estudiantes durante los cursos de Instrumentación de
Procesos I y II del Programa de Ingeniería en Control hasta el período lectivo 2015-3
bajo la supervisión del Ing. Jorge Eduardo Porras Bohada. A continuación se provee
una descripción de las Estaciones de Calentamiento, Dosificación y Refrigeración
hasta el momento en que fueron adjudicadas para Tesis de Grado, se detalla la etapa
de Enfriamiento ya que es el objetivo de este trabajo.
1.3.2.1. Estación de Calentamiento
Fig. 7 Estación de Calentamiento [8]
19
1.3.2.1.1. Función
Etapa compuesta por una caldera que genera vapor de agua para calentar a través de
un intercambiador de calor (ubicado en la etapa de dosificación) el producto para
eliminar en él, los agentes microbianos que podrían afectar la salud del que lo
consuma. La caldera eleva la temperatura del producto a 60, aproximadamente,
referencia ideal para que el producto no sufra alteraciones en su contextura y sabor.
Sin embargo algunos agentes microbianos no son eliminados durante este proceso y
es necesario llevar el producto a una baja temperatura en un tiempo relativamente
corto (segundos) en la siguiente etapa: Refrigeración.
1.3.2.2. Estación de Dosificación
Fig. 8 Estación de Dosificación [8]
1.3.2.2.1. Funcionamiento (Calentamiento y salida de producto)
En el primer momento del proceso se habilita la entrada del producto al tanque
superior, donde se mide el nivel de pH y se ajusta de acuerdo a las necesidades
requeridas. La medición de pH se hace suministrando un producto químico (base o
ácido) por medio de dos distribuidores, luego se procede a homogeneizar la mezcla,
para ello se utiliza un motor dispuesto como agitador, enseguida se espera que se
efectúen los requerimientos de pH deseados para el producto, terminada esta acción
éste pasa al tanque inferior por medio de una válvula manual.
En el segundo instante, luego de tener el grado de acidez o basicidad requerida, la
solución se calienta haciéndola circular por una línea de un intercambiador de calor, el
cual transporta, también, vapor sobrecalentado proveniente de la Estación de
20
Calentamiento. Enseguida se mide la temperatura del producto y en el intervalo donde
la Temperatura de la solución acuosa se ha elevado a la magnitud requerida se
impulsa, a través de una bomba AC, hacia la Estación de Refrigeración.
La capacidad máxima del producto es de 15L y la mínima de 6L. Se instalaron cuatro
sensores de nivel tipo flotador ON/OFF en los tanques superior e inferior, encargados
de indicar los estados de nivel [9].
1.3.2.3. Estación de Refrigeración
Fig. 9 Estación de Refrigeración [8].
1.3.2.3.1. Función
El ciclo de Refrigeración consistía en circular un líquido Refrigerante (Agua) de manera
constante por el tanque superior e inferior (ubicado dentro del compartimento de la
nevera – ver Fig. 10), a través de una red de tubos y mangueras, la secuencia de su
desplazamiento se desglosa del siguiente modo:
El líquido Refrigerante es enfriado en el tanque inferior (ver Fig. 10), éste baja por una
tubería PVC de 1’ que incluye una bifurcación (ver Fig. 14): un desagüe de emergencia
y una línea de alimentación hacia una bomba AC, el líquido Refrigerante a su vez es
impulsado por el actuador por una tubería PVC de 1’ con destino al tanque superior
(ver Fig. 13), donde se localiza el intercambiador de calor que era irrigado por Agua
enfriada, como se puede apreciar en la Fig. 12.
21
Fig. 10 Unidad de Refrigeración (Cara frontal) [8].
Luego retornaba al tanque inferior, por gravedad, a través de una tubería de cobre de
dos geometrías distintas: en la parte externa formaba una ‘C’ (ver Fig. 11) y en la zona
interna de la nevera un serpentín de círculos concéntricos cubierto por el evaporador.
Fig. 11 Parte Posterior de Estación [8].
Termistor
Tanque interno
22
Fig. 12 Tanque superior e Intercambiador de Calor (Serpentín) [8].
En el tanque superior estaba alojado el intercambiador de calor tipo Serpentín, allí se
llevaba a cabo la zona de choque térmico donde se pretendía bajar drásticamente la
Temperatura del producto (Agua). Por el intercambiador de calor se hacía circular el
líquido producto proveniente de la Estación de Dosificación.
Fig. 13 Costado izquierdo (Tubería de re-circulación de Refrigerante) [8].
Sensor de
nivel
ON/OFF
Termocupla
Tipo J
Intercambiador
de calor (tipo
serpentín)
23
Fig. 14 Parte baja (Bifurcación: Drenaje y Bomba centrífuga) [8].
1.3.2.3.2. COMPONENTES
1.3.2.3.2.1. Unidad de Refrigeración
El ciclo de refrigeración se vale del proceso de mudanza del estado físico del fluido
refrigerante, el cual tiene la capacidad de condensarse a altas presiones y evaporarse
a bajas presiones.
El proceso de refrigeración comienza por el compresor, el cual comprime el fluido
refrigerante que viene del evaporador en estado gaseoso. Al entrar en el condensador,
éste transfiere parte del calor para el medio ambiente, a través de su estructura,
haciendo que su temperatura disminuya y ocurra el proceso de mudanza del estado
gaseoso a líquido, el cual es el proceso de condensación.
En seguida, el fluido refrigerante pasa por el elemento de control – tubo capilar o
válvula de expansión –, que restringe el flujo por el evaporador, haciendo que la
presión disminuya. A través de la geometría del evaporador, muy similar a un
serpentín, el fluido refrigerante absorbe el calor de los alimentos, hasta que regrese al
compresor, reiniciándose el ciclo de refrigeración [10].
Esta unidad es una nevera de baja dimensión y capacidad. Su trabajo, a partir del
funcionamiento descrito, era hacer que el líquido refrigerante (agua) acumulado
transitoriamente en el tanque interno fuera enfriado lo más rápido posible. Para poder
realizar esta acción era necesario colocar un punto de referencia máxima (escala de
0-7) del control de temperatura manual gobernado por el termostato interno ubicado
en el evaporador. Sus principales componentes son los siguientes:
Evaporador: Es un intercambiador, su función es transferir el calor del líquido
refrigerante (agua) contenido en el tanque interno al fluido refrigerante que está
24
circulando. Así, el fluido refrigerante (R134a1), que se encuentra en estado
líquido, se convierte en vapor. Mientras tanto, por haber absorbido el calor, el
evaporador mantendrá una temperatura adecuada en el gabinete del
refrigerador [11].
Condensador: Es un intercambiador de calor y como su nombre lo indica, sirve
para disipar al exterior del sistema de refrigeración, el calor absorbido en el
evaporador que se genera en el proceso de compresión. Está representado en
la estructura física de la unidad de refrigeración.
Compresor
Fig. 16 Compresor Unidad de Refrigeración [8].
1.3.2.3.2.2. Sensores
Los sensores que se encontraban instalados fueron:
Tanque superior (ver Fig. 12):
Un sensor de nivel para indicar la capacidad límite del producto en el
recipiente.
Una termocupla tipo J para indicar la temperatura del líquido refrigerante
(agua).
1 Fluido refrigerante cargado en el sistema interno de la unidad de refrigeración.
Fig. 15 Evaporador Unidad de Refrigeración [8].
25
Tanque interno (ver Fig. 10):
Detector de temperatura resistivo (termistor) para indicar, también, la
temperatura del refrigerante.
1.3.2.3.2.3. Actuadores
El elemento que permitía la recirculación del líquido refrigerante, era una bomba
centrífuga, la cual impulsaba el agua desde el tanque interno hasta el superior a través
de una tubería de 1’, como se puede ver en la Fig. 14.
1.3.2.3.2.4. Tablero eléctrico
En un principio, era una distribución eléctrica que agrupaba los elementos conectados
y puntos de alimentación a través de borneras, principalmente, ubicados en un tablero
en donde se ubican e inspeccionan estos componentes a través de marquillas
(etiquetas). Los siguientes puntos de conexión fueron los encontrados:
Un transmisor de corriente 4-20mA para la Termocupla tipo J.
Un relé de 24V para activar/desactivar la unidad de refrigeración.
Alimentación AC y 24V, ésta última es una fuente DC instalada en la
parte posterior del tablero.
Fig. 17 Tablero eléctrico recibido [8].
2. METODOLOGÍA
2.1. CAMBIOS ESTRUCTURALES Y FUNCIONALES
Luego de una evaluación exhaustiva se determinó hacer varias modificaciones como
eliminar la recirculación del Líquido refrigerante desde el tanque interno hasta el
tanque superior y reubicar el intercambiador de calor hacia un espacio de mayor
transferencia térmica, eso condujo a efectuar muchos más cambios en la estructura:
26
Fig. 18 Estación de Refrigeración modificada [8]
.
2.1.1. Reubicación de evaporador hacia el interior del tanque de la Nevera
Con el fin de generar un sistema más eficiente en el cual haya una transferencia
térmica más rápida hacia el líquido refrigerante se sitúa el evaporador con el fin de que
esté sumergido en el depósito interno de la unidad de refrigeración, este cambio se ve
reflejado en la Fig. 19.
Fig. 19 Reubicación de evaporador e intercambiador de calor [8].
Intercambiador de
calor (círculos
concéntricos)
27
2.1.2. Reubicación del intercambiador de calor (círculos concéntricos)
Al modificar la zona de transferencia térmica (evaporador), también se cambia el
espacio del choque térmico (intercambiador de calor principal) y se emplaza también
dentro del tanque interno de la unidad de refrigeración para que no se disipe esta
propagación de calor en grandes cantidades, (ver Fig.19).
Los criterios para elegir un intercambiador de círculos concéntricos fueron los
siguientes:
2.1.2.1. Conductividad térmica: Se define como la capacidad de un material
para transferir calor, el intercambiador fabricado con Aluminio instalado
en la estructura sin modificar (ver fig. 12) tiene un coeficiente de
conductividad térmica que oscila entre 209 − 232𝑊
𝑚 𝐾 [12], es bajo
comparado con el del Cobre que tiene un coeficiente más alto entre
372 − 385𝑊
𝑚 𝐾 [12], por ello se decide cambiar el material del
intercambiador de calor por éste último, ya que cuando el producto
circule por esta tubería va a poseer mayor transferencia térmica del
entorno enfriado que cubre el área externa del intercambiador de calor.
2.1.2.2. Geometría: El serpentín estaba compuesto por una serie de segmentos
rectos y curvos, en las partes rectas cuando circulaba el producto la
transferencia de calor del entorno no contribuía en gran medida a bajar
la temperatura del líquido, sumado a que el líquido pasa rápido al no
encontrar una oposición significativa, en cambio en las curvas definidas
en “u”, le cambiaban la dirección y disminuían la velocidad al producto
de tal manera que surgía una diferencia de temperatura determinante.
No obstante este tipo de intercambiador no era suficiente para obtener la
temperatura deseada para el proceso, para eso fue necesario elegir otro
tipo de elemento, que además fuera asequible en el mercado. El
seleccionado tiene una geometría dispuesta por círculos, donde el
producto recorre la tubería con una mayor resistencia a la del serpentín,
agregado a esto, se tiene como consecuencia que el producto va a
permanecer más tiempo dentro del intercambiador de calor y es posible
lograr una temperatura muy cercana a la deseada para el proceso de
pasteurización.
2.1.2.3. Área transversal y longitud: No sólo la geometría del dispositivo
permite una mayor o menor transferencia térmica. El área transversal del
28
intercambiador es directamente proporcional a la velocidad por la que
circula el producto, y según lo anterior se decide reducir el área interna
(se pasa de ¼’ (diámetro interno del intercambiador de calor de Aluminio
tipo serpentín) a 18⁄ ′). También se escoge una mayor longitud de tubería
(5m), un poco más del doble del intercambiador de calor anterior.
Estos factores hacen que el producto dure mayor tiempo en la zona de
choque térmico y por ende su transferencia térmica aumente
considerablemente.
2.1.3. Supresión de recirculación de líquido refrigerante
Se determinó que en esta operación el líquido refrigerante perdía la transferencia
térmica recibida en el tanque interno, ya que debía ser transportado por una serie de
tuberías externas e impulsado por una bomba centrífuga, éste llegaba al tanque
superior (el cual al estar descubierto y en contacto con el ambiente hacia que el líquido
refrigerante aumentara su temperatura), y en el instante en que se contacta con el
intercambiador de calor (choque térmico) ya había perdido la suficiente capacidad
calorífica para enfriar el líquido producto que circulaba por el serpentín.
Entonces se optó por dejar el líquido refrigerante estático (sin realimentación) en el
tanque interno de la Nevera (ver Fig.20).
Fig. 20 Líquido Refrigerante en tanque interno [8].
Al prescindir de una tubería conectada con el tanque superior, también hubo que
relegar el elemento actuador (bomba centrífuga) que impulsaba dicho fluido al nivel
superior. Al realizar este cambio se instaló una línea de drenaje del refrigerante del
tanque interno a través de una tubería uniforme de 1’ controlada por una válvula de
bola manual de ¼ giro (ver Fig. 21).
29
Fig. 21 Drenaje tanque interno nevera [8].
2.1.4. Selección de Refrigerante
Después de realizada esta transformación física era requerido que el líquido
refrigerante tuviera ciertas características que al momento de ser sometido al
enfriamiento del evaporador no sufriera cambios físicos irreversibles ni tampoco que
ocurriera un cambio de fase (de líquido a sólido), ya que estas alteraciones afectarían
las propiedades del líquido como agente refrigerante. Para ello se eligió un líquido con
un punto de fusión de 0 = −17,778 y de ebullición de 253 = 122,778,
condiciones de trabajo ideales para el proyecto (ver Fig. 22).
2.1.5. Actuador (Servo-válvula)
Con el fin de estrangular el caudal de líquido producto que circula por el intercambiador
de calor se fabrica e instala una válvula servo asistida (ver Fig. 23). Es en este actuador
donde ocurre el primer instante de choque térmico ya que es el componente de entrada
del sistema.
Fig. 22 Refrigerante usado para el proceso de refrigeración [8].
30
Fig. 23 Servo-válvula [8].
Este actuador se compone de una base elaborada de acero inoxidable, la cual está
asegurada a la estructura de la estación. El servo-motor tiene un acople rígido con un
tornillo de retención conectado a la válvula (también de acero inoxidable) de un
diámetro interno de ½’, a su vez los tornillos de sujeción inmovilizan estos dos
componentes para que cuando sea accionada la servo-válvula no se produzca
movimiento relativo y sea consecuente el desplazamiento generado con el solicitado
desde el software.
2.1.6. Nueva tubería y tanque superior
Se instala tubería CPVC de ½’ para enlazar la servo-válvula con el intercambiador de
calor a través de uniones flexibles (manguera lonada de ¼’) como se aprecia en la Fig.
24 y para acoplar una salida hacia el tanque superior (ver Fig. 25).
Fig. 24 Mangueras (negras) de unión de ¼’ [8].
Tornillos de
sujeción Servo-motor
5V
Acople
Válvula de
bola (1/2’)
Base
31
Fig. 25 Vista posterior Estación de Refrigeración [8].
El tanque superior cambia su función, ya no es la zona de choque térmico, es ahora
un depósito del líquido producto procesado. Se compone de una línea de vaciado
controlado por una válvula manual de bola de ¼ de giro.
Fig. 26 Tanque depósito producto – parte superior [8].
2.1.7. Sensores instalados
En el tanque superior se instala un flotador de tipo ON/OFF para detectar la capacidad
límite del líquido producto (ver Fig. 26). Dentro de la nevera se instalan tres detectores
de temperatura resistivos (Termistores tipo NTC) distribuidos así: dos termopozos
internos para indicar la temperatura de entrada y salida del líquido producto a través
del intercambiador de calor, estos sensores se puede observar en la siguiente imagen:
Fig. 27 Termopozos de entrada y salida [8].
Sensor
de nivel
ON/OFF
Termopozo
entrada
Intercambiador
de calor
Termopozo
salida
Intercambiador
de calor
32
Y otro termistor sumergido dentro del tanque interno para indicar la temperatura del
refrigerante (ver Fig. 28).
Fig. 28. Termistor líquido refrigerante [8].
Por último, como dispositivos principales de medición de Temperatura, se instalaron
dos termopozos externos con acciones determinantes en el control implementado:
2.1.7.1. Termopozo de entrada: Termistor que mide la temperatura de entrada
del producto, antes de ingresar a la primera zona de choque térmico
(servo-válvula).
Fig. 29. Termopozo de entrada (Termistor de 10KΩ) [8].
2.1.7.2. Termopozo de salida: Luego de que el producto ha pasado por todas
las zonas de choque térmico, este sensor ubicado en el tanque superior
indica la temperatura de salida previamente deseada. A partir de la
lectura de este termistor se realiza la acción de control sobre la servo-
válvula, la cual reduce/aumenta el caudal del producto. Este
Termistor
Termopozo
externo de
entrada
33
procedimiento es explicado posteriormente en el modelamiento
experimental del sistema.
Fig. 30. Termopozo (Termistor 10KΩ) de salida [8].
2.1.8. Tablero Eléctrico
En él se encuentran distribuidas las conexiones y los circuitos necesarios para el
correcto funcionamiento de la planta de refrigeración. El tablero dispone de
conexiones a la red eléctrica monofásica y dos fuentes de alimentación conmutadas
de 24v y 5v de corriente continua, respectivamente. El cable utilizado para la conexión
entre los diferentes dispositivos es del calibre 16 TFF. Para el sistema de comunicación
se utilizó cable UTP CAT5 TIA/EIA-568-B. El tablero provee de conexión a los
diferentes sistemas y sensores del sistema además de contar con circuitos de
protección ante sobretensiones. Dentro del tablero podemos encontrar los siguientes
componentes y conectores:
Fusilera y fusible de 4 A.
Termo-magnético de 10 A.
26 borneras para riel DIN.
Conector para relé de 14 terminales para riel DIN.
Relé LTONIC de 14 terminales de 24 V DC | 240 VAC 5 A.
Sistema embebido PLC.
Controlador I/O.
Conectores RJ45 - CAT6 para comunicación MODBUS TCP/IP.
Terminales de conexión para Válvula Proporcional.
Terminales de conexión para cinco sensores de temperatura.
Terminales de conexión para sensor de nivel.
Circuito de comunicación para controlador I/O.
Circuito de acondicionamiento (0-10V) de tres sensores internos.
Switch TP-LINK de cinco puertos.
Módulo de prácticas didácticas.
Terminales de conexión a la unidad de refrigeración.
Termopozo
externo de
salida
34
En la Fig. 31 se puede observar la distribución de los dispositivos anteriormente
nombrados en el tablero eléctrico dispuesto para la estación.
Fig. 31 Tablero de conexión (Vista general) [8].
2.1.9. Alimentación General
El tablero y los diferentes componentes en su interior, reciben energía eléctrica
principalmente de la red monofásica de corriente alterna y de dos fuentes conmutadas
de corriente continua ubicadas en la parte posterior del tablero como se puede ver en
la figura 32.
Fig. 32 Fuentes Conmutadas de corriente continua [8].
Fuente
5 VDC
Fuente
24 VDC
Circuito de
Protección
Sensor de
nivel
Sistema
embebido
PLC
Comunicación
Controlador
I/O
Relé de
accionamiento
unidad de
refrigeración Válvula
proporcional
Módulo de
prácticas
Switch de
comunicación
Controlador
I/O
Fuentes de
Alimentación
Tarjeta
sensores
(0-10v)
35
Las fuentes conmutadas proporcionan voltajes de alimentación de 5V y 24V. La fuente
conmutada de 5V provee una carga nominal de 3 A y alimenta el sistema embebido
PLC, la válvula proporcional, el controlador I/O y el sistema de comunicación.
La fuente conmutada de 24V, provee niveles de voltaje lógicos adecuados para
sistemas industriales y alimenta el relé de accionamiento de la unidad de refrigeración.
Al igual que la fuente de 5V puede entregar una carga nominal de 3A.
2.1.10. Marquillas y Convenciones
El tablero está provisto de marquillas que permiten identificar de una manera ordenada
cada uno de los componentes con sus respectivas conexiones. Cada marquilla
responde a un sistema de convenciones que por medio de un código numérico
relacionan una conexión a un sistema indicado. A continuación está relacionado el
sistema de convenciones utilizadas:
Fig. 33 Marquillas instaladas [8].
Marquilla Etiqueta
00 GND AC
120 FASE AC
6 NEUTRO AC
24 24V DC
5 5V DC
0 0V DC
33 Señal PWM Servo-válvula
81 Sensor de Nivel ON/OFF
80 Sensor de Nivel ON/OFF
71 Unidad de Refrigeración
70 Unidad de Refrigeración
40 Termopozo interno de entrada
41 Termopozo interno de salida
42 Sensor de Temperatura Refrigerante Tabla 1 Sistema de convenciones Tablero eléctrico [8].
36
2.2. DIAGRAMA DE BLOQUES
El sistema implementado puede ser descrito a través de bloques bien definidos, estos
bloques constituyen unidades funcionales del sistema y se comunican entre sí. La
unidad que gobierna y ejecuta las tareas de control es el sistema embebido PLC y
tiene acceso a todas las variables del sistema. El diagrama de bloques puede ser
apreciado en la siguiente figura:
Fig. 34 Diagrama de bloques sistema de Control y supervisión de la unidad de refrigeración [8].
2.2.1. Sistema embebido PLC (Sistema de control)
Es el sistema principal de procesamiento y el encargado de supervisar y ejecutar las
órdenes requeridas para el correcto funcionamiento del sistema. Esta implementado
con una tarjeta de desarrollo Raspberry Pi modelo 2 B+, cargada con la herramienta
IPC Platform de Resologis que permite ejecutar tareas propias de un sistema de
automatización industrial convirtiéndolo así en un PLC (Controlador Lógico
Programable) de gama baja.
Sumado a esta capacidad, Resologis proporciona un entorno de desarrollo integrado
basado en ISaGRAF 5 que permite desarrollar programas dentro del estándar IEC-
Controlador
I/O
Sensores de
temperatura Sensor de Nivel
tanque de producto
Unidad de
refrigeración Relé 24 V
Servo-Válvula
Sistema
Embebido
PLC
(Raspberry
Pi 2)
Sistema de
supervisión
(SCADA)
web HMI
Acondicionamiento
de sensores internos
(0-10V)
Módulo de
prácticas
37
61131-32, cumpliendo con todos los paradigmas de programación de un sistema de
automatización industrial.
Fig. 35 Raspberry Pi modelo 2 B+ como micro PLC [8].
Al sistema embebido ingresa directamente la señal de medición de nivel del tanque de
llegada de producto pasteurizado. No obstante, la Raspberry Pi no posee conversores
análogos/digitales (ADC), por lo tanto no es capaz de leer directamente sensores
continuos (como los sensores de temperatura), así que se optó por usar el protocolo
industrial MODBUS TCP/IP para leer los valores de los termistores desde un
Controlador I/O (entradas y salidas). La señal de ajuste para la servo-válvula también
es enviado por medio de MODBUS TCP/IP hasta el módulo de control de entradas y
salidas, la tarjeta de desarrollo se encarga de ejecutar la acción de control PID y ajustar
el debido valor de apertura de la servo-válvula.
Fig. 36 Entorno Grafico ACP [8].
2 Normativa para PLC’s de cómo se aplican a procesos industriales.
38
El software de programación proporciona bloques funcionales para implementar la
acción de control PI requerida. El correspondiente bloque se puede apreciar en la
figura 37.
Fig. 37 Bloque PID ISaGRAF 5 [8].
Las características del bloque de control pueden ser vistos en la Tabla 2, y como se
puede apreciar sus parámetros hacen que al ser empleados dentro del proyecto sea
de una manera muy intuitiva aplicarlos dentro del programa.
AUTO BOOL The operation mode of the PID controller:
TRUE controller runs in automatic mode
FALSE controller runs in manual mode. At initialisation, set theoperationmodeto FALSE.
Pv REAL Process output value
Sp REAL Setpoint value, i.e., value required at the output
X0 REAL Adjustment value. When running in manual mode, in the case of an open loop, is the non-regulated value
entering the system where the output value of the PID controller is equal to X0.
Kp REAL Proportionalityconstant
Ti REAL Integral time constant
Td REAL Derivative time constant
Ts TIME Samplingperiod
Xmin REAL Minimumposiblevalue
Xmax REAL Maximumposiblevalue
Xout REAL Command. In the case of a closed loop with regulation, is the regulated value entering the system.
Tabla 2 Características Bloque PID [13].
Este tipo de lenguaje por bloques permitió a su vez generar el programa de supervisión
y control del sistema, efectuando la conversión y linealización de magnitudes:
39
Fig. 38 Control implementado en el entorno ACP por medio de bloques funcionales [8].
De una resolución de 10 bits a temperatura para los sensores, de grados de
desplazamiento de la servo-válvula a voltaje para generar una equivalencia entre los
valores de entrada y salida del bloque de control PI y la configuración de variables tipo
IOT (‘Internet de las cosas’).
Fig. 39 Linealización de sensores de temperatura y disposición de variables booleanas [8].
40
2.2.2. Controlador I/O
El controlador I/O es el encargado de gestionar y capturar las diferentes variables de
la planta, gracias a un sistema de comunicación externo puede comunicarse con el
sistema embebido y enviarle las diferentes variables de la planta para ser analizadas,
también provee de señales de salida PWM que permiten controlar la apertura de la
servo-válvula. El controlador I/O esta implementado con una tarjeta Arduino UNO
versión R3 y un actuador de relé para la activación de la unidad de refrigeración. El
Arduino posee un conversor A/D de 10 bits de resolución con 6 canales de captura,
esto permite obtener después de una tarjeta de acondicionamiento el valor en
temperatura de los tres sensores del sistema. En la figura 40 se puede ver en detalle
el controlador I/O.
Fig. 40 Controlador I/O [8].
2.2.3. Circuito de comunicación controlador I/O
Para poder comunicar el controlador I/O con el sistema embebido PLC se utilizó un
módulo Ethernet ENC28J60 con comunicación SPI que permite su conexión y
programación con el Arduino UNO. Utilizando las librerías correspondientes permiten
sobre la capa Ethernet comunicar al Arduino con la Raspberry utilizando el protocolo
de comunicación MODBUS TCP/IP. En adición el modulo lleva una tarjeta de
acondicionamiento de voltaje que alimenta con 3.3 V el módulo Ethernet. La figura 41
muestra en detalle la distribución de los componentes de comunicación del módulo.
ARDUINO
UNO R3
Comunicación
MODBUS
Actuador
(relé) para la
unidad de
refrigeración
(Chiller) Salida Servo-Válvula
Acondicionamiento
sensores de
temperatura
41
Fig. 41 Circuito de comunicación controlador I/O [8].
2.2.4. Sistema de supervisión (SCADA) Web HMI
La herramienta IPC Platform proporciona el sistema necesario para generar un sistema
de supervisión a través de IOT (internet de las cosas) que permite la creación de
WEB’s HMI lo que facilita la creación de sistemas de supervisión a un bajo costo.
A través de un servidor de mensajería MQTT implementada en Mosquitto, se supervisa
y modifica las diferentes variables del sistema por medio de la tarjeta Ethernet de la
Raspberry y se visualiza desde una HMI en un navegador Web. La web HMI puede
ser visualizada desde cualquier equipo disponible dentro de la red. La herramienta IPC
Platform incluye dentro de la configuración del dispositivo métodos de programación
para agregar cada una de las imágenes, botones y cajas necesarias para implementar
el sistema de supervisión de la siguiente manera más definida:
El “Internet de las cosas” o IOT es un concepto que define la conexión de diferentes
dispositivos cotidianos a la red, permitiendo conocer y modificar el estado de éstos en
todo momento. Al ser tan grande la cantidad de dispositivos que se espera que estén
conectados a la red se busca que los diferentes protocolos utilizados para realizar esta
tarea ocupen la menor cantidad posible de ancho de banda sin comprometer el envío
correcto de los datos. De aquí nacen diferentes protocolos como lo es MQTT.
La herramienta IPC de Resologis provee el controlador necesario para establecer una
comunicación MQTT, además de implementar un Servidor (MQTT Broker) y un Cliente
MQTT (WEB HMI). Todo esto integrado al entorno de programación en ISaGRAF 5.
MQTT (Message Queue Telemetry Transport): Es un protocolo usado para la
comunicación ‘machine-to-machine’ (M2M) en el IOT. Este protocolo está orientado a
la comunicación de sensores, debido a que consume muy poco ancho de banda y
puede ser utilizado en la mayoría de los dispositivos empotrados con pocos recursos
[14].
Módulo
ENC28J60
Regulador
3.3V Conexión
controlador
I/O
42
La arquitectura de MQTT sigue una topología de estrella, con el nodo central que hace
de servidor o “Broker”, que es el encargado de gestionar la red y de transmitir los
mensajes. Para mantener activo el canal, los clientes mandan periódicamente un
paquete y esperan la respuesta del Broker [14].
Fig. 42 Red MQTT [14].
2.2.4.1. MQTT en Resologis IPC
Resologis IPC provee el controlador necesario para implementar una comunicación
MQTT, lo que le permite compartir y monitorear información hacia un MQTT Broker y
ser obtenido por diferentes clientes. Resologis provee una interfaz WEB (HMI), que
permite transferir datos desde la aplicación hasta el Broker y ser visualizados en el
mismo. Además que es compatible con las tecnologías HTML antiguas, lo que permite
compatibilidad con los diferentes navegadores [13]. La arquitectura de comunicación
que implementa Resologis es la siguiente:
Fig. 43 Arquitectura de comunicación [13].
43
Esta Arquitectura se basa en cuatro elementos, el sistema de automatización “IPC
Runtime”, el MQTT Broker, el servidor Web y la Aplicación Web.
Para poder llevar los datos del programa en IPC al Broker se utilizan las variables IOT,
las cuales son declaradas durante la escritura del programa principal en la plataforma
de desarrollo ACP.
2.2.4.2. Controlador MQTT
La activación o desactivación del controlador MQTT se realiza desde la página web
local de configuración de IPC ingresando en el navegador la IP correspondiente de
nuestra Raspberry Pi con Resologis, con el usuario y contraseña definida por defecto.
Fig. 44 Página web local para IPC [13].
Las opciones de configuración son simples, podemos elegir entre activar y desactivar
el IOT. Al activarlo podremos configurar la tasa de lectura, la IP del MQTT Broker, el
cual básicamente está ligado a un Broker implementado en Mosquitto3 y el puerto de
comunicación del mismo.
Fig. 45 Opciones de configuración IOT [13].
3 Recibe mensajes publicados y los envía a todos los clientes que se han suscrito, es el Broker o intermediario de mensajes que implementa el protocolo MQTT [15].
44
Variables IOT
Las variables IOT son empaquetadas dentro de un mensaje y son llevadas a un buffer
de transmisión, que luego son cargadas al Broker donde se realizan las suscripciones
y publicaciones de las mismas.
2.2.4.3. WEB HMI
Luego de haber realizado la migración de variables tipo IOT nuevamente se inicia
sesión en la página web local de IPC para diseñar la interfaz de usuario que
proporciona la visualización e interacción de los datos del servidor en tiempo real con
un navegador web.
Fig. 46 Panel de visualización de WEB HMI [13].
El resultado es la siguiente imagen donde se puede observar el diagrama P&ID del
sistema de refrigeración con etiquetas que señalan el estado actual de los
componentes del proceso, indicadores de temperatura principales, teclado para
ingresar el valor de temperatura requerido del producto, visualización y control de
variables booleanas (sensor de nivel y unidad de refrigeración).
45
Fig. 47 Web HMI [8].
2.2.5. Sensores de Temperatura
El sistema cuenta con cinco sensores de temperatura distribuidos así: dos termopozos
externos, dos termopozos internos y un sensor sumergible en líquido refrigerante. Los
sensores de temperatura utilizados son de principio resistivo (ver la siguiente tabla).
Modelo NTC
Rango de resistencia 0Ohm~10KOhm ±1%
Rango de temperatura -40°C~120°C
Coeficiencia de temperatura 2%~5%
Material Cobre niquelado cilíndrico
Diámetro/largo sensor 4mm/25mm
Tabla 3 Características de los sensores instalados [15].
Para poder acondicionar la señal del sensor sumergible y termopozos internos se
debe utilizar una resistencia de precisión de 5.1 KΩ en serie con el termistor
(configuración pull-down). Y para linealizar la salida de los termopozos externos se
realizó una configuración pull-up con una resistencia de 10𝐾𝛺.
46
Fig. 48 Termistor 10𝐾𝛺 [8].
2.2.5.1. Linealización de sensores
Para generar una relación lineal para los sensores de temperatura instalados se
empleó dos configuraciones representadas de la siguiente manera:
Fig. 49 Divisores de voltaje usados para linealizar los sensores [8].
2.2.5.1.1. Sensores internos
La resistencia eléctrica de los sensores en configuración pull-down aumenta cuando
la temperatura disminuye describiendo un comportamiento logarítmico.
TERMISTOR
10k
R10k
5V
ADC
TERMISTOR
10k
R
5,1k
5V
ADC
Pull-downPull-up
47
Fig. 50 Curva característica de sensores internos [8].
Tienen una relación no lineal, no obstante para el trabajo realizado se requirió utilizarlo
en una zona similar a una lineal, entre 20 y −5, como se observa en la anterior
figura, luego de haber aplicado algunas herramientas de Microsoft Excel se halló una
línea de tendencia que normaliza la lectura de Temperatura de los termistores con la
siguiente ecuación la cual es aplicada en el entorno de programación ACP.
𝑇 = −23,96 ln(𝑅) + 229,55 (1)
𝑇: 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑒𝑛 𝑦 𝑅: 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝛺.
2.2.5.1.2. Termopozos externos
La siguiente Tabla indica la relación Temperatura en vs Resistencia en KΩ, de los
termistores NTC10kΩ, correspondiente a los termopozos externos. Estos datos son
usados de manera segmentada para hallar un linealización simple.
48
Tabla 4. Temperatura vs Resistencia (Termistor 10kΩ) [15].
Para generar una ecuación lineal, la cual debe ser aplicada en el software del PLC, se
tomaron datos de la Tabla 4 en los cuales se incluye el span4 del sensor, bien sea para
el de entrada como para el de salida, de esta manera y realizando las siguientes
equivalencias se explica cómo se determina estas dos expresiones algebraicas:
Estos dos termistores tienen una configuración pull-up con una resistencia. Esto quiere
decir que hay un divisor de voltaje sobre la resistencia de 10KΩ, con alimentación de
5V para el circuito. Para ello se emplea la siguiente ecuación:
𝑉10𝐾𝛺 =10KΩ∗5𝑉
10KΩ+ 𝑅𝑇𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑡𝑜𝑟 (2)
Los valores resultantes se observan en la columna dos de las Tablas 3 y 4.
4 Diferencia algebraica entre límite superior e inferior del sensor, específicamente definidos para el proceso.
49
Luego de realizar el divisor de voltaje, se representa una equivalencia del voltaje sobre
la resistencia de 10KΩ con el conversor análogo digital (ADC) del sistema que está
determinado en 10 bits, con la siguiente ecuación:
𝐵𝑖𝑡𝑠 =𝑉10𝐾𝛺∗1023
5 (3)
Los datos obtenidos no son enteros, por lo que se prosigue a redondear estos valores
que concuerden con el ADC de 10 bits, que se indican en las columnas tres y cuatro
de las Tablas 5 y 6, respectivamente.
Termistor de entrada: La Tabla 5 indica una relación de bits para el conversor
análogo/digital del Controlador I/O vs Temperatura en grados Celsius.
Resistencia [Ω] Divisor de Voltaje [10kΩ] Bits (1023) ADC [10 bits] Temperatura en ºC
15731,3 1,943158721 397,5702743 398 15
15016,1 1,998712829 408,9366448 409 16
14337,5 2,054442732 420,3389831 420 17
13693,2 2,110310131 431,7694528 432 18
13081,5 2,16623703 443,2120963 443 19
12500,5 2,222172841 454,6565632 455 20
11948,5 2,278060004 466,0910768 466 21
11423,9 2,333842111 477,5040959 478 22
10925,2 2,389463422 488,8842162 489 23
10451 2,444868222 500,2200381 500 24
10000 2,5 511,5 512 25
9570,9 2,554813524 522,714847 523 26
9162,6 2,609249267 533,8524 534 27
8773,8 2,663286069 544,9083297 545 28
8403,7 2,716844982 555,8664834 556 29
8051,2 2,769898954 566,721326 567 30
7715,4 2,822403107 577,4636757 577 31
7395,4 2,874323097 588,0865056 588 32
7090,4 2,925619061 598,5816599 599 33
6799,6 2,97626134 608,9430701 609 34
6522,3 3,026213058 619,1631916 619 35
6257,7 3,075465779 629,2402984 629 36
6005,3 3,123965187 639,1632772 639 37
5764,5 3,171683212 648,9263852 649 38
5534,5 3,218642377 658,5342303 659 39
5315 3,264773098 667,9725759 668 40
50
5105,3 3,310096456 677,2457349 677 41
4905 3,354579 686,3468635 686 42
4713,6 3,398216616 695,2751196 695 43
4530,7 3,440990455 704,026647 704 44
4355,8 3,48291283 712,6039649 713 45
4188,7 3,523931016 720,9962858 721 46
4028,7 3,564122121 729,219386 729 47
3875,8 3,60339584 737,2547889 737 48
3729,4 3,641819744 745,1163197 745 49
3589,3 3,679365383 752,7981574 753 50
3455,3 3,716007818 760,2951997 760 51
3326,9 3,751810248 767,6203768 768 52
3203,9 3,786759972 774,7710904 775 53
3086,2 3,820818878 781,7395424 782 54
2973,3 3,854069512 788,5426222 789 55
2865,2 3,886453378 795,1683612 795 56
2761,6 3,918004012 801,6236209 802 57
2662,2 3,948760879 807,9164758 808 58
2566,9 3,978705966 814,0432406 814 59
2475,5 4,007855397 820,0072141 820 60
2387,9 4,036196611 825,8058267 826 61
2303,8 4,063785172 831,4504462 831 62
2223,1 4,09061531 836,9398925 837 63
2145,6 4,116717165 842,280332 842 64
2071,2 4,142090264 847,4716681 847 65
1999,8 4,166736112 852,5142086 853 66
1931,2 4,190693308 857,4158509 857 67
1865,3 4,213968463 862,1779475 862 68
1801,9 4,23660597 866,8095815 867 69
Tabla 5 ADC (10 bits) vs Temperatura – Termopozo de entrada [8].
51
Fig. 51 Linealización Termistor de entrada [8].
Ecuación de linealización:
𝑇 = 0,117(𝐴𝐷𝐶) − 32,478 (4)
𝑇: 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑒𝑛 º𝐶 𝑦 𝐴𝐷𝐶: 𝐶𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 𝑎𝑛á𝑙𝑜𝑔𝑜 − 𝑑𝑖𝑔𝑖𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 10 𝑏𝑖𝑡𝑠
Termopozo de salida: Sensor principal de la planta, indica la Temperatura del
producto obtenido. Además es bajo su magnitud que se realiza la acción del
control. También es llevado al ADC de 10 bits normalizado en grados Celsius.
Resistencia [Ω] Divisor de voltaje [10kΩ] Bits (1023) ADC [10 bits] Temperatura en ºC
38230,7 1,036684104 212,1055676 212 -3
36294 1,080053571 220,9789606 221 -2
34742,1 1,117515718 228,6437159 229 -1
32742,1 1,169806818 239,342475 239 0
31113,8 1,216136674 248,8215636 249 1
29575,9 1,263395147 258,4906471 258 2
28122,9 1,311547652 268,3426497 268 3
26749,6 1,360559026 278,3703768 278 4
25451,3 1,410385515 288,5648763 289 5
24223,4 1,46098868 298,918284 299 6
23061,8 1,512319353 309,4205397 309 7
21962,5 1,564333203 320,0625733 320 8
20921,8 1,616982194 330,8345568 331 9
19936,4 1,670207507 341,7244558 342 10
19002,9 1,723965534 352,7233484 353 11
18118,4 1,778195061 363,8187095 364 12
y = 0,1117x - 32,478R² = 0,9853
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 200 400 600 800 1000
Temp en ºC vs ADC
52
17280 1,832844575 375 375 13
16485,2 1,887846797 386,2534548 386 14
15731,3 1,943158721 397,5702743 398 15
15016,1 1,998712829 408,9366448 409 16
14337,5 2,054442732 420,3389831 420 17
13693,2 2,110310131 431,7694528 432 18
13081,5 2,16623703 443,2120963 443 19
12500,5 2,222172841 454,6565632 455 20
11948,5 2,278060004 466,0910768 466 21
11423,9 2,333842111 477,5040959 478 22
10925,2 2,389463422 488,8842162 489 23
10451 2,444868222 500,2200381 500 24
10000 2,5 511,5 512 25
Tabla 6. ADC (10 bits) vs Temperatura – Termopozo de salida [8].
Fig. 52 Linealización Termistor de salida [8].
Ecuación de linealización:
𝑇 = 0,0922(𝐴𝐷𝐶) − 21,818 (5)
Las ecuaciones (1), (4) y (5) son ingresadas en el software de programación, las cuales
posibilitan la visualización de la temperatura real de los puntos de medición del proceso
de refrigeración.
y = 0,0922x - 21,818R² = 0,9989
-5
0
5
10
15
20
25
30
0 100 200 300 400 500 600
Temp en ºC vs ADC
53
2.2.6. Servo – Válvula
La servo – válvula es el dispositivo por el cual se ajusta la temperatura de trabajo
indirectamente con el cambio del flujo del producto. La válvula proporcional está
compuesta por tres partes definidas anteriormente en los cambios estructurales de la
estación de refrigeración. Para ajustar la apertura de la válvula se utiliza un servomotor
de 5V con un giro de 180° y un torque de 3,53 Kg/cm [16].
Para fijar de desplazamiento angular (limitado para definir una apertura y cierre total
de la bola) se utiliza una señal modulada en ancho de pulso (PWM) que se genera en
el Controlador I/O.
Posteriormente se realiza un cálculo para determinar el desplazamiento angular con
respuesta dinámica aproximadamente lineal, para ello se debe tener en cuenta la
naturaleza de la válvula, y es que por su geometría y rotación la válvula de bola la
representa un modelo no lineal en su salida.
Por lo tanto, es necesario realizar una conversión lineal alrededor de un rango de
operación seleccionado para la apertura y cierre de la misma.
Para ello fue necesario instalar provisionalmente un medidor de caudal en la salida del
sistema de refrigeración, como el de la siguiente figura:
Fig. 53 Sensor de caudal L/min [17].
Se toman las medidas de flujo volumétrico del sistema de refrigeración en diferentes
puntos (ángulos).
L/min 0,2155 0,5991 0,9704 1,2404 1,2457 1,3907 1,4225
Ángulo de
desplazamiento
55 60 65 70 75 80 95
Tabla 7 Válvula de bola: Caudal vs Desplazamiento angular [8].
54
Luego determinar su ecuación lineal más aproximada, utilizando los recursos que
proporciona Microsoft Excel.
Fig. 54 Modelo lineal (aproximado) de válvula [8].
La ecuación que se muestra en la anterior figura es polinómica de 3º grado, esto indica
la complejidad para establecer un modelo aproximado a uno lineal. No obstante, es
suficiente para incluirla en la programación del sistema embebido PLC, y así poder
relacionar el desplazamiento angular de la válvula directamente con la estrangulación
del flujo volumétrico del producto.
2.2.7. Sensor de Nivel Tanque de Producto Pasteurizado
A la salida del proceso el producto es llevado a un tanque de reserva el cual almacena
el producto pasteurizado para su posterior envasado. Este tanque dispone de un
sensor (tipo flotador) de nivel discreto el cual envía una señal directamente al sistema
embebido PLC y le informa que el tanque se encuentra lleno. Este sensor funciona por
medio del efecto magnético que produce el flotador al contacto con la barra fija del
mismo, produciendo un estado de conducción entre sus terminales. El sensor de nivel
utilizado puede ser apreciado en la figura 53.
y = 72,278x3 - 147,62x2 + 98,804x + 39,554
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6
Ecuación Válvula: Caudal(L/min) vs Ángulo (Grados Sexagecimales)
55
Fig. 55 Sensor de Nivel [8].
2.2.8. Relé industrial 24 VDC | 240 VAC 5 A
Para proporcionar energía a la unidad de refrigeración se utiliza un relé industrial de
24 VDC ideal para cargas inductivas y capacitivas. Este relé recibe la señal de
activación del controlador I/O.
Fig. 56 Relé 24 V DC | 240 VAC 5 A [8].
2.2.9. Acondicionamiento de Sensores (0-10V)
Es una tarjeta elaborada con el fin de normalizar el span de tres sensores de
temperatura: termopozo interno de entrada, termopozo interno de salida y termistor de
líquido refrigerante. El voltaje de salida está dado de 0 a 10V limitando la alimentación
de 12V con diodos zener. La finalidad de este circuito es proporcionar una magnitud
estándar para un dispositivo (PLC) externo. Estos valores pueden ser tomados en el
módulo de prácticas que se describen en los anexos de este documento.
2.3. DIAGRAMAS GENERALES
2.3.1. DIAGRAMA P&ID
Representa el diagrama de tuberías e instrumentación del sistema en el cual se
muestran, de forma general, la unidad de refrigeración junto con todos los
56
componentes que intervienen el proceso, además se indican las convenciones para
entender rápidamente las abreviaciones mostradas (Tag’s5).
Fig. 57 Diagrama P&ID – Estación de Refrigeración [8].
2.3.2. DIAGRAMA ELÉCTRICO GENERAL
La representación pictográfica fue elaborada de manera modular (con etiquetas y
marquillas) para entender cada componente del tablero eléctrico del sistema.
Se explica las conexiones realizadas en las fuentes conmutada de 24V y 5V, las
etiquetas sin color corresponden al formato de convenciones por marquillas definidas
en el apartado 2.1.10.
Las líneas punteadas indican cada uno de los módulos instalados en el tablero. Las
etiquetas pintadas y sin marquillas, son conexiones internas y de enlace con otros
módulos.
5 Símbolo circular que contiene un código alfa-numérico.
57
58
2.4. MODELAMIENTO EXPERIMENTAL POR CURVA DE REACCIÓN
Según la gráfica generada por el osciloscopio (ver Fig. 58), el sistema después de
haber sido excitado con una señal paso6 con una estrangulación del caudal de
producto al 20%7, se obtuvo una señal que se asimila a una planta de 2º orden como
respuesta temporal que se define en términos de: 𝑡𝑠: 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑏𝑙𝑒𝑐𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜,
𝜁: 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑔𝑢𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 y 𝑀𝑝: 𝑆𝑜𝑏𝑟𝑒 − 𝑖𝑚𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜, como factores iniciales para
realizar la identificación y el modelo experimental bajo la siguiente ecuación general
en tiempo continuo:
𝐺(𝑠) =𝜔𝑛
2
𝑠2+2𝜁𝜔𝑛𝑠+𝜔𝑛2 (6)
𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒, 𝜔𝑛: 𝐹𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑔𝑢𝑎𝑑𝑎, 𝜁: 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑔𝑢𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
Fig. 58 Curva de reacción del sistema de refrigeración (Imagen generada por el osciloscopio) [8].
Observando la curva de reacción de la planta se puede obtener directamente los
siguientes valores:
𝑡𝑠 = 42𝑠 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑏𝑙𝑒𝑐𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
𝑀𝑝 =𝑌𝑚𝑎𝑥−𝑌𝑒𝑠𝑡𝑏
𝑌𝑒𝑠𝑡𝑏100% = 0,25 ∗ 100% = 25% 𝑀á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 − 𝑖𝑚𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜 (7)
6 La señal paso está representada como la activación de una bomba centrifuga (Askoll M222-5/85W) que impulsa el líquido de proceso por el sistema de refrigeración. 7 Una estrangulación o regulación del caudal del producto al 20%, como cifra aproximada, es un posicionamiento de la servo-válvula con apertura mínima que disminuye la velocidad del líquido del proceso, lo cual proporciona una respuesta lenta del sistema y una apreciación más detallada en la gráfica generada en el osciloscopio.
59
Teniendo la siguiente ecuación que expresa el máximo sobre-impulso de la señal en
términos del factor de amortiguamiento 𝜁 se despeja ésta última para hallarla con el
dato anteriormente indicado:
𝑀𝑝 = 𝑒
−𝜁𝜋
√1−𝜁2 (8)
Aplicando Logaritmo Natural:
ln 𝑀𝑝 = ln 𝑒
−𝜁𝜋
√1−𝜁2
−1,3863 =−𝜁𝜋
√1 − 𝜁2
√1 − 𝜁2 (1,3863) = 𝜁𝜋
Ahora elevando al cuadrado toda la expresión:
(1 − 𝜁2) (1,3863)2 = 𝜁2𝜋2
(1,3863)2 − (1,3863)2𝜁2 = 𝜁2𝜋2
(1,3863)2 = 𝜁2(𝜋2 − (1,3863)2)
Aplicando raíz cuadrada a la anterior ecuación:
𝜁 =1,3863
√𝜋2− (1,3863)2 (9)
𝜁 = 0,49173 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑔𝑢𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
Luego, se hallan los otros parámetros que definen el sistema de 2º orden:
𝑡𝑠 =4
𝜁𝜔𝑛 𝐶𝑜𝑛 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑏𝑙𝑒𝑐𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 2% (10)
Se despeja 𝜔𝑛:
𝜔𝑛 =4
𝜁𝑡𝑠= 0,1936 𝐹𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑔𝑢𝑎𝑑𝑎 (11)
Aplicando una aproximación para generar el tiempo de muestreo (𝑇𝑠):
2𝜋
𝑇𝑠≈ 10𝜔𝑛 (12)
2𝜋
10𝜔𝑛≈ 𝑇𝑠 = 3,24 𝐴𝑝𝑟𝑜𝑥. 10 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑒ñ𝑎𝑙
La ecuación de 2º orden en tiempo continuo queda de la siguiente forma:
60
𝐺(𝑠) =−0,03748
𝑠2+0,1904𝑠+0,03748+ 2,3 (13)
Se le suma 2,3V a la función de transferencia porque la respuesta a una señal paso
inicia en un nivel DC que corresponde al valor inicial del sensor 2,3𝑉 ≈ 22, lo que
equivale a la Temperatura ambiente del sistema.
𝐺(𝑠) =2,3𝑠2+0,1904𝑠+0,04872
𝑠2+0,1904𝑠+0,03748 (14)
Luego de tener la función de transferencia se procede a discretizar el sistema
utilizando las herramientas que proporciona MATLAB a través de sus diferentes
comandos.
Lo primero es definir la función de transferencia en tiempo continuo:
A continuación de discretiza la señal con el tiempo de muestreo generado (𝑇𝑠 = 3,24):
Para ver la función de transferencia discreta de manera más clara:
𝐺(𝑧) =2,3𝑧2+3,605𝑧+1,674
𝑧2−1,255𝑧+0,5396 (15)
Ahora se comprueba si después de realizar los cálculos para hallar la función de
transferencia la señal experimental es similar a la generada por MATLAB a través del
comando ‘step (Gz)’:
61
Señal experimental
(Lazo Abierto)
Señal generada en MATLAB
(Lazo Abierto)
Tabla 8 Curva de respuesta (experimental vs generada en MATLAB) [8].
Como se observa en la Tabla. 7 las señales son similares, su tiempo de
establecimiento, su nivel DC indican una aproximación del sistema con la cual se
puede establecer el control a implementar.
Usando el comando ‘pidtool (Fz,'pi')’ se invoca una herramienta de sintonización del
control proporcional e integral (PI) que se va a emplear en el sistema, en donde se
obtienen las constantes del control junto con la gráfica de respuesta del sistema en
lazo cerrado luego de la sintonización.
0 10 20 30 40 50 60 70 800.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
2.4
2.6Respuesta a una señal paso - FT discreta
Tiempo (seconds)
Am
plit
ud
62
Constante de control proporcional 𝐾𝑝 = 0,34151
Constante de control integral 𝐾𝑖 = 0,21081 Tabla 9 Señal de respuesta y constantes de control [8].
Como se aprecia en la señal simulada de respuesta al sistema de control en lazo
cerrado, el ‘set-point’ requerido (temperatura de salida de producto) se estabiliza
después de un minuto. Se podría considerar lento, sin embargo los sistemas térmicos
son de naturaleza lenta, y para este trabajo en específico el resultado obtenido es
rápido.
Finalmente al obtener las constantes proporcional e integral, se debe ajustar la salida
del controlador PI para que sean acordes con la señal de ajuste del actuador. En este
caso el controlador deberá proveer valores comprendidos entre 55 y 100, los cuales
corresponde al grado de apertura de la válvula. Cuando la válvula se encuentra en el
ángulo de apertura mínima el sistema transfiere la máxima cantidad de energía del
producto al intercambiador y de una manera casi lineal dicha transferencia se reduce
al aumentar el ángulo de apertura. De esta manera y a través de una función lineal se
puede parametrizar la salida del controlador y obtener una ecuación. Esta ecuación se
describe en la siguiente gráfica.
63
Al realizar medidas sobre el sistema real se obtiene una respuesta similar a la
encontrada en la simulación, como se puede ver en la siguiente gráfica.
EFECTOS DE LA NO LINEALIDAD DE LA VALVULA
Como se puede observar el comportamiento de la válvula entre los ángulos
comprendidos entre 70 y 100° presenta una no linealidad. Este comportamiento afecta
en cierta medida algunos rangos de temperatura de trabajo del controlador,
otorgándole ciertas oscilaciones y sobre impulsos. Como se puede ver en la siguiente
gráfica, cuando la válvula se ve obligada a efectuar un cambio a través de su zona no
lineal se presentan algunos tiempos muertos y además un sobreimpulso desmesurado,
afectando directamente la respuesta del sistema.
y = 136,36x + 50,455
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
-0,1 -0,05 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
Linealización Controlador PI - Válvula
64
3. RESULTADOS
El desarrollo de este proyecto se ha ido describiendo de manera gradual, desde el
capítulo de cambios estructurales, luego el detalle de la metodología aplicada y el
modelamiento experimental del sistema. Por ello esta sección hace énfasis en la
reacción del producto después que ha transitado por el sistema de refrigeración, el tipo
de producto utilizado y pasteurización empleada.
En primera instancia se menciona algunos conceptos relevantes para comprender cuál
es la finalidad del sistema de refrigeración y que tipo de proceso se lleva a cabo.
3.1. Pasteurización
La pasteurización es el proceso térmico que se aplica a líquidos (generalmente
alimentos) con el objeto de reducir los agentes patógenos que puedan contener
(bacterias, protozoos, mohos y levaduras,…). Uno de los objetivos de este tratamiento
térmico es la esterilización parcial de los alimentos líquidos, alterando lo menos posible
su estructura física, sus componentes químicos y sus propiedades organolépticas
(sabor, olor, textura, color, temperatura,…) [18].
3.1.1. Proceso HTST (High Temperature Short Time) – por Lotes
Exposición del líquido de proceso a una temperatura alta durante un período breve,
aproximadamente 72 °C durante 15 segundos, tiempo cercano a la estabilización del
sistema de control con realimentación (lazo cerrado). El proceso por lotes es una
porción de líquido que se calienta en un recipiente a la temperatura determinada,
limitado por la capacidad del tanque de proceso (17L), que luego es llevada a la etapa
65
de refrigeración para disminuir súbitamente la temperatura (~4). Es un método
ideado para los pequeños productores debido a que es un proceso sencillo [18].
Aunque la temperatura de salida del producto es ~4, ésta puede ser seleccionada
por el usuario en el HMI, otorgando un rango amplio en la salida, cumpliendo el objetivo
de que sea didáctica cuando sea manipulada.
3.2. Pruebas realizadas
El sistema es de tipo hidráulico, es una composición de tuberías y mangueras que
previamente es purgado o vaciado (de forma manual o usando un compresor sin
exceder los 20 PSI) dejando la mínima cantidad posible de líquido de proceso en la
máquina. Luego se conecta la manguera de ingreso de líquido, ajustando y verificando
este procedimiento.
En primera instancia, como se refirió en la sección de la WEB HMI, se ubican y
reconocen los botones e indicadores necesarios para el proceso.
Desde el primer momento que es energizada la Estación de Refrigeración, se ejecuta
la WEB HMI para prender la unidad de refrigeración (nevera), se realiza un
seguimiento periódico a la temperatura del refrigerante, que por defecto se encuentra
a temperatura ambiente, por un tiempo que oscila entre 120 y 140 minutos. Cuando la
temperatura del refrigerante está por debajo de los 0, se supervisa minuciosamente
el sistema hasta que llega a −5, en esta fase del proceso hay dos opciones:
Comenzar la pasteurización del producto y dejar encendida la unidad de
refrigeración, o…
Apagar la nevera, ya que si el líquido refrigerante es ≤ −6, el aire contenido
en el intercambiador de calor se solidifica (sublimación inversa), y se debe
esperar un tiempo cercano de una hora para que desaparezca parcialmente la
obstrucción en el sistema y se deba, nuevamente, purgar la máquina como se
citó inicialmente.
El tiempo de espera para que se reestablezca la estación es extenso porque
una de las propiedades del refrigerante es retener lo máximo posible la energía
que ha recibido por la unidad de refrigeración.
Se es cuidadoso con el proceso, no hay necesidad de volver al principio y se continuó
con la siguiente fase que es poner en marcha el dispositivo de enfriamiento.
Previamente fue acondicionado un tanque con una bomba centrífuga (características
semejantes a las requeridas por la planta en general) de aspecto artesanal, fue llenado
con 15L de agua y se calentó con una resistencia de inmersión hasta llegar a una
temperatura entre los 65 − 70.
66
Enseguida se seleccionó la temperatura de salida del producto, 4 para el proceso.
Luego de fijar el ‘set point’ la servo-válvula automáticamente realizó un desplazamiento
angular para permitir un caudal mínimo, se encendió la bomba para impulsar el líquido
de proceso, luego se verificó la temperatura de entrada, la cual ha bajado un poco,
después se revisó el flujo volumétrico del producto que es relativamente bajo, y en ese
instante que el líquido ha pasado por todo el sistema ha sufrido un choque térmico con
una temperatura inferior a la fijada < 4, la válvula proporcional estranguló más el
caudal (respondiendo al control implementado), aumentó paulatinamente la
temperatura y por último la estabilizó al cabo de 15𝑠 − 20𝑠.
En esta fase el sistema ha perdido la energía suministrada, y fue necesario purgar la
máquina y seguir nuevamente los pasos anteriormente descritos para disponer
nuevamente de la Estación de Refrigeración.
Posteriormente se realizaron pruebas con una temperatura de salida más alta, como
respuesta se obtuvo una estabilización más rápida, menor pérdida de energía
suministrada y flujo volumétrico mayor del producto.
Finalmente, como anotación importante, la WEB HMI funciona con una licencia de
prueba ‘Enterprise (Trial)’, eso quiere decir que es necesario reiniciar el sistema
embebido PLC (Raspberry Pi 2) al cabo de dos horas para seguir con el proceso de
refrigeración.
3.3. Análisis de resultados
El sistema de control implementado (proporcional-integral) ha otorgado al sistema un
tiempo de estabilización de la salida relativamente bajo a pesar de que los resultados
de las pruebas se ven afectados por un sobre-impulso, la razón se basa en que los
sistemas térmicos poseen una respuesta lenta.
La licencia de prueba de la WEB HMI tiene un tiempo al término de dos horas, es una
limitante para el proyecto porque es necesario detener el procedimiento que se está
ejecutando para reiniciar el PLC. No obstante está la versión ‘Home’ que cuesta
USD$99 o la ‘Enterprise’ USD$999, según el fabricante (Resologis).
El líquido refrigerante tiene unas propiedades que permiten suministrarle energía por
debajo de 0 sin cambiar de estado, permitiendo que el sistema estuviera en la
capacidad de bajar la temperatura del líquido de proceso a 4, la cual es una magnitud
díficil de lograr dado el tiempo total que requiere el proceso y la estructura sobre la que
está montado.
Tener la alternativa de fijar una temperatura deseada por el usuario, en un rango
limitado, hacen que el sistema sea dinámico en su respuesta.
67
4. CONCLUSIONES
El acoplamiento del evaporador de la unidad de refrigeración junto con el
intercambiador de calor, actuando como agente conductor el refrigerante, produjo una
eficiencia sobresaliente del proceso ya que la transferencia térmica es la más directa
posible y de pocas pérdidas al estar en un comportamiento cerrado. La transferencia
al producto se lleva a cabo en unos 20 segundos aproximadamente.
68
La servo-válvula tuvo un buen desempeño en las pruebas realizadas a pesar de
haberse fabricado con un bajo presupuesto, su precisión es dependiente de los
ángulos que puede ajustar el servo motor y esto está en el orden de 5 grados de
precisión, su estética no es la mejore pero no fue condicionante para ejecutar una
función primordial para el proceso.
La instalación de termopozos en la composición de tuberías, también fueron
construidos por iniciativa propia, se obtuvieron buenos resultados para el sistema
porque su linealización fue sencilla de hacer, tienen un rango de trabajo ideal para los
procesos de refrigeración y son de bajo costo, ya que pueden trabajar desde -40°C
hasta 80 °C.
El intercambiador de cobre fue una buena elección dadas sus características de:
conductividad térmica: el líquido de proceso recibía mayor cantidad de energía que su
antecesor (de Aluminio), longitud y área transversal: el líquido dura más tiempo
circulando a través de él, ya que tiene una longitud de 5 m (casi el doble que el de
aluminio) y su geometría de círculos concéntricos ayudo a reconocer más fácilmente
su área transversal para poder realizar cálculos más sencillos.
Eliminar la realimentación de líquido refrigerante fue una de las modificaciones más
importantes del proyecto ya que con este cambio se logró mejorar el tiempo en que el
sistema llegaba a su punto de trabajo, se pasó de 10 horas para llegar a 1°C a
solamente 3 horas.
La decisión de implementar un Sistema embebido PLC para la estación fue por su bajo
costo, su programación intuitiva, posee protocolos de comunicación industrial
(MODBUS), además de que cumple con los paradigmas de un Controlador Lógico
Programable de gama baja. Es un buen ejemplo y comienzo para que los estudiantes
de Ingeniería puedan aplicarlo y sacarle provecho, además con la configuración
eléctrica que se implementó el sistema permite realizar prácticas utilizando un PLC
externo sin que interfiera con el que tiene el sistema, esto permite al estudiante tener
muchas más opciones de trabajo.
Al ser un sistema de temperatura, el sistema tiene un comportamiento lento lo que
permitió que en el sistema de control se despreciara el tiempo derivativo, ya que el
sistema no sufre cambios abruptos de temperatura.
5. BIBLIOGRAFÍA
[1] M. O. &. H. G. J. Mendieta, Diseño de un Sistema de control inteligente para un pasteurizador
tipo túnel, Bucaramanga: Universidad Autonoma de Bucaramanga, 2012, pp. 81-88.
[2] P. R. &. D. A. A. Negiz, «Modeling, monitoring and control strategies for high temperature short
time pasteurization systems -1,» Empirical model development, pp. 1-15, 1990.
69
[3] R. &. B. S. T. Octaviana, «Temperature Control of Liquid Egg Pasteurization System Using PLC
(Programmable Logic Controller) Siemens Simatic S7-200 and HMI (Human Machine Interface)
Simatic HMI Panel.,» Electric Power, Electronics, Comunications, Controls, and Informatics
Seminar, pp. 99-104, 2014.
[4] G. M. &. L. D. R. Chamorro, «Diseño de un banco de pruebas para el control de temperatura y
flujo,» El hombre de la máquina, pp. 130-145, 2008.
[5] C. G. &. V. M. J. Monroy, «Diseño y construcción de un control de temperatura para el fluído del
banco de pruebas para bombas hidráulicas de desplazamiento positivo,» Scientia Et Technica,
pp. 93-98, 2009.
[6] M. M. &. J. R. L. Enriquez, Comparación de Observadores por modos deslizantes de 1er y 2do
orden aplicados a un intercambiador de calor., AMCA, 2011.
[7] R. K. &. L. Waghmare, «Research and Application of new Dynamic Matrix control based on state
feedback theory for Heat exchanger control.,» ICETET, pp. 1031-1036, 2009.
[8] H. M. Fredy Rivera, Artist, Tesis de Grado en mención. [Art]. Universidad Distrital "Francisco José
de Caldas" - Facultad Tecnológica, 2016.
[9] C. M. J. E. F. R. J. C. C. G. Álvaro Pulido, «ETAPA DE REFRIGERACIÓN DE LA PLANTA
PASTEURIZADORA - INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS DOS,» Universidad Distrital "Francisco
José de Caldas", Facultad Tecnológica, 2015.
[10] C. d. l. Refrigeración, «http://www.clubedarefrigeracao.com.br/es/,» 2013. [En línea]. Available:
http://www.clubedarefrigeracao.com.br/es/downloads/comprendiendo-el-concepto-de-
refrigeracion. [Último acceso: 02 09 2016].
[11] E. c. d. l. Refrigeración, «Club de la Refrigeración,» 2013. [En línea]. Available:
http://www.clubedarefrigeracao.com.br/es/downloads/evaporador-donde-el-fluido-
refrigerante-pasa-al-estado-gaseoso. [Último acceso: 02 09 2016].
[12] I. C. y. M. Ambiente, «http://www.miliarium.com/,» 2001-2008. [En línea]. Available:
http://www.miliarium.com/Prontuario/Tablas/Quimica/PropiedadesTermicas.asp. [Último
acceso: 02 09 2016].
[13] Resologis, «http://www.resologis.com/,» [En línea]. Available: http://www.ipc.resologis.com/.
[Último acceso: 25 09 2016].
[14] G. Theory, «https://geekytheory.com/,» [En línea]. Available: https://geekytheory.com/que-es-
mqtt/. [Último acceso: 27 09 2016].
[15] Vistronica, «https://www.vistronica.com/,» 24 09 2016. [En línea]. Available:
https://www.vistronica.com/sensores/termistor-ntc-de-10k-detail.html.
70
[16] S. S. a. Reviews, «http://www.servodatabase.com,» 24 08 2016. [En línea]. Available:
http://www.servodatabase.com/servo/towerpro/sg-5010.
[17] I. y. d. electrónico, «Electronilab,» [En línea]. Available: http://electronilab.co/tienda/sensor-de-
flujo-de-agua-g12-1-30lmin/. [Último acceso: 11 2016].
[18] E. y. l. d. C. S.A.S., «Equipo y laboratorio de Colombia,» 2011-2015. [En línea]. Available:
http://www.equiposylaboratorio.com/sitio/contenidos_mo.php?it=2926. [Último acceso: 23 09
2016].
[19] I. Hub, «http://www.iot-hub.org/p/welcome-page.html,» 2015. [En línea]. Available:
http://www.iot-hub.org/2015/09/mqtt-with-mosquitto-beginners-tutorial.html. [Último acceso:
26 09 2016].
6. ANEXOS
Guía de Laboratorio Planta de Refrigeración
1. Características Generales
1.1 Elementos Utilizados
71
- Interruptor Termo magnético monofásico
- PLC Embebido
- Switch Ethernet
- Chiller
- Servo-Válvula
- Sensores de temperatura NTC
- Relé Electro-Mecánico
- Fuente de alimentación 24V
- Fuente de alimentación 5V
- Tablero de prácticas externas
1.2 DESCRIPCIÓN DE ELEMENTOS
1.2.1 INTERRUPTOR TERMOMAGNETICO
Dispositivo interruptor que se dispara al superar una corriente de 10 A, permite el paso
de energía eléctrica a toda la planta de refrigeración.
1.2.3 PLC EMBEBIDO
Dispositivo de control y automatización basado en un microcomputador Raspberry Pi
2. Tiene acceso a todos los sensores y actuadores del sistema (con sus
correspondientes acoplamientos) por medio de comunicación modbus TCP/IP. Utiliza
un bloque PID programable que permite la apertura y cierre de la servo-válvula cuyo
objetivo es cambiar la temperatura de transferencia del producto hacia el chiller.
1.2.4 SWITCH ETHERNET
Dispositivo que permite el enlace entre dispositivos (HMI, PLC, etc.) por medio de
Ethernet. Tiene capacidad para conectar 5 dispositivos.
1.2.5 CHILLER
Sistema de refrigeración que permite reducir la temperatura de un fluido. Está
compuesto por los siguientes dispositivos: compresor, evaporador, intercambiador y
depósito de refrigerante. El compresor es activado mediante un relé electromecánico
de 24 V DC, este compresor se encarga de llevar el líquido refrigerante hacia el
evaporador y desplazar la energía calórica del refrigerante de proceso. Por el
72
intercambiador se hace pasar un líquido el cual entrega su calor al refrigerante del
depósito.
1.2.6 SERVO-VALVULA
Es un dispositivo compuesto por una válvula de bola y un servomotor, puede ser
accionado por medio de una señal PWM generada por el PLC embebido. Esta servo-
válvula permite el paso del líquido que se pretende enfriar hacia el intercambiador y
permite ajustar el flujo que pasa por el mismo, cambiando indirectamente la
temperatura de transferencia.
1.2.7 SENSOR DE TEMPERATURA NTC
Un sensor resistivo NTC (coeficiente de temperatura negativo) es un tipo de termistor
cuyo coeficiente de temperatura es de valor elevado, permitiendo cambios muy
elevados de resistencia en intervalos relativamente pequeños de temperatura. Se
encuentran repartidos en termo pozos dentro de las tuberías y del tanque de
refrigerante. Están disponibles para ser utilizados con el PLC embebido o por un
sistema externo con salida de voltaje de 0v a 10v.
1.2.8 RELE ELECTRO-MECANICO
Dispositivo que permite controlar el encendido y apagado de un sistema monofásico
por medio de una excitación de voltaje de corriente directa de 24V. En la planta
funciona como un actuador para el compresor del chiller.
1.2.9 FUENTES DE ALIMENTACION DE 24V Y 5V
Son fuentes conmutadas que proveen a los diferentes dispositivos de tensiones de
24V y 5 V, cada una con una carga nominal de 2 A.
1.2.10 TABLERO DE PRACTICAS EXTERNAS
Está compuesto por conectores para de tipo banana, el cual permite realizar prácticas
utilizando dispositivos de control externos a la planta (PLC’S, relés, transmisores, etc.).
1.3 ADVERTENCIAS Y PRECAUCIONES
1.3.1 Siga paso a paso las instrucciones que se indican en las prácticas
1.3.2 No manipule los equipos de una forma inadecuada o diferente a la descrita en
esta guía.
1.3.3 En caso de fallos o errores no intente repararlo, informe lo sucedido al docente
o al encargado de laboratorio.
73
1.3.4 Mantenga este equipo lejos de lugares con altas concentraciones de humedad
para evitar cortos e incendios.
1.3.5 Coloque el sistema en una superficie plana y sin inclinaciones.
1.3.6 Verifique que el cable de conexión se encuentra en buen estado antes de
conectar el sistema.
1.3.7 Verifique que la válvula de desagüe (ubicada en la parte inferior) se encuentre
libre de obstáculos y totalmente cerrada.
1.3.8 Verifique que el sistema se encuentra cargado con líquido refrigerante antes de
empezar la práctica.
1.4 ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO PLANTA DE REFRIGERACION
1.5 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA DE REFRIGERACION
El sistema de enfriamiento utiliza un compresor que desplaza un gas refrigerante hacia
un evaporador, este evaporador disminuye la temperatura del líquido refrigerante en
el cual está sumergido el intercambiador de calor, al desplazar un líquido a través del
intercambiador este entrega su calor al líquido refrigerante causando que el líquido se
enfrié. Tanto la tubería como el líquido refrigerante tienen dispuestos termistores
conectados a un transmisor de 0v a 10v. Un selector ubicado en el tablero externo de
NEVERA
COMPRESOR EVAPORADOR Relé INTERCAMBIADOR Termistores
NTC
Transmisor
de
temperatura
PLC EMBEBIDO SERVO-VALVULA
SELECTOR
TABLERO EXTERNO
HMI
74
prácticas permite elegir el direccionamiento de los sensores y del relé de activación
del compresor. Al seleccionar el modo de PLC, este interconecta los sensores con el
PLC Embebido y permite visualizar los valores de temperatura y apertura de la servo-
válvula en una web HMI. Al elegir el modo externo se deberá conectar otro dispositivo
ajeno a la planta para realizar prácticas.
1.6 PRACTICA DE LABORATORIO #1
1.6.1 Prueba de enfriamiento del refrigerante
Para poder llevar a cabo el proceso, primero se debe llevar el líquido refrigerante
dentro del contenedor de la nevera a una temperatura óptima, gracias a un termistor
ubicado al interior del contenedor se puede verificar y controlar la temperatura que
deseemos. Para llevar a cabo este proceso es necesario conocer el comportamiento
tanto del termistor como el de la nevera. En la industria es indispensable conocer las
curvas características de los sensores que se están utilizando en la planta, para
conocer el comportamiento de la misma y poder ejecutar acciones de control
pertinentes.
Módulos Requeridos
- Fuente de alimentación de 24V
- Tablero de prácticas externas
- Termistor NTC
- Relé de accionamiento del compresor
PROCEDIMIENTO
1. Ubicar la planta en un lugar completamente plano y en un lugar con suficiente
espacio al lado de un tomacorriente.
2. Verificar que el tomacorriente este habilitado
3. Conecte el cable de poder de la planta al tomacorriente
4. Antes de encender verifique que los interruptores del tablero de prácticas se
encuentren en modo externo.
75
5. Encienda la planta utilizando el interruptor termo-magnético ubicado en la parte
superior izquierda del tablero eléctrico.
6. Conecte el relé de accionamiento de la nevera utilizando una fuente de alimentación
de 24v conectado a la bornera correspondiente en el tablero de prácticas (tenga en
cuenta que este relé solo puede ser accionado con una tensión de 24V).
76
PRECAUCION: No aplique por ningún motivo una señal de alta frecuencia, puede
causar el mal funcionamiento del equipo incluso su avería. El compresor está protegido
contra señales oscilantes, si usted enciende y apaga el compresor en un lapso corto
de tiempo deberá esperar por lo menos 10 minutos para que el sistema de seguridad
le permita accionar de nuevo el compresor.
7. Con la ayuda de un multímetro mida la variación de voltaje presente en las borneras
del sensor de temperatura de refrigerante, realice esto cada 10 minutos a partir de la
primera medición.
8. Encuentre la resistencia correspondiente para el termistor utilizando la siguiente
ecuación:
𝑅𝑁𝑇𝐶 =5.1𝐾Ω
(10𝑉𝑉𝑀
− 1)
Donde Vm es el voltaje medido.
9. Utilizando la siguiente tabla encuentre una curva característica para el sensor e
indique la temperatura correspondiente a partir de la resistencia encontrada en el punto
anterior.
77
9. Consigne los datos obtenidos en la siguiente tabla:
TIEMPO VOLTAJE RESISTENCIA TEMPERATURA
0 MINUTOS
10 MINUTOS
20 MINUTOS
30 MINUTOS
40 MINUTOS
50 MINUTOS
60 MINUTOS
70 MINUTOS
80 MINUTOS
90 MINUTOS
100 MINUTOS
110 MINUTOS
120 MINUTOS
10. Escriba tres conclusiones de la práctica.
78
1.7 PRACTICA DE LABORATORIO #2
1.7.1 Comprobación de la planta de refrigeración en lazo abierto
Para poder determinar el control más apropiado para la planta, primero se debe
conocer su respuesta temporal en lazo abierto. Esta respuesta puede ser encontrada
de muchas maneras y una de ellas es de forma experimental. El objetivo de esta
práctica será encontrar dicha respuesta utilizando una señal paso para excitar al
sistema, obtener la curva de reacción del sistema y por métodos matemáticos
encontrar la función de transferencia del sistema.
Equipos Requeridos
- Terminal Windows con ACP Resologis y navegador web instalados.
- Fuente de alimentación de 24V.
- Tablero de prácticas.
- Termistores NTC.
- Relé de accionamiento del compresor.
- PLC embebido.
- Switch Ethernet.
- Patch Cord Ethernet.
- Líquido de pruebas (agua).
PROCEDIMIENTO
1. Ubicar la planta en un lugar completamente plano y en un lugar con suficiente
espacio al lado de un tomacorriente.
2. Verificar que el tomacorriente este habilitado
3. Conecte el cable de poder de la planta al tomacorriente
4. Antes de encender verifique que los interruptores del tablero de prácticas se
encuentren en modo automático.
79
5. Encienda la planta utilizando el interruptor termo-magnético ubicado en la parte
superior izquierda del tablero eléctrico.
6. Conecte el patch-cord de la terminal al switch ubicado en el tablero eléctrico.
7. Verifique que el terminal que esté utilizando tenga una dirección IP fija (se
recomienda la de la imagen)
80
8. Se debe cargar un programa especial en la tarjeta, para llevar a cabo esto verifique
que las carpetas “practica_2” y “practica_3” se encuentren en el directorio
C://users/admin/documentos/ACP6.4
9. Abra el archivo practica_2 contenido en la carpeta “practica2” utilizando el programa
ACP 6.4 de Resologis. Presione el icono de descargar el programa y presione en si a
todo en la ventana emergente.
81
10. Ingrese a un navegador web y digite la dirección “192.168.0.2/view7” y aparecerá
la siguiente pantalla:
11. Presione el botón de “chiller” el cual encenderá el compresor de la nevera y lleve
el sistema a una temperatura de 1° centígrado, esta temperatura será indicada en
alguno de los 2 indicadores de la interfaz
82
12. Una vez llegado a la temperatura de control, ajuste el ángulo de apertura de la
servo-válvula en “170” utilizando el teclado de la aplicación, ingrese el número seguido
de la tecla ok. Esto llevara a la válvula a la apertura máxima.
13. Conecte el canal A de un osciloscopio al conector del sensor de salida de producto
ubicado en el tablero de prácticas, utilizando un cable banaba-caimán. (Ajuste la
escala de voltaje entre 2V y 5V por división, y la escala de tiempo entre 1s y 5s por
división).
14. Utilizando la bomba ubicada en la panta de dosificación (o bien una bomba externa
con su correspondiente acoplamiento) haga pasar agua a través del sistema y
compruebe la curva obtenida en el osciloscopio.
15. Se espera que el sistema se comporte como uno de segundo orden, el cual tiene
la siguiente ecuación característica:
𝐺(𝑠) =𝜔𝑛
2
𝑠2 + 2𝜁𝜔𝑛𝑠 + 𝜔𝑛2
Teniendo en cuenta la curva obtenida con el osciloscopio indique los siguientes datos
descriptivos:
a. Máximo sobre-impulso (Mp).
b. Tiempo de establecimiento (ts).
c. Ganancia (K).
d. Tiempo de máximo sobre-impulso (Tp)
16. A partir de los datos obtenidos en el punto anterior y utilizando algún criterio de
control encuentre la función de transferencia del sistema.
83
17. Escriba tres conclusiones de la práctica.
1.7 PRACTICA DE LABORATORIO #3
1.7.1 Control PID sobre la planta de refrigeración
Una vez obtenida la función de transferencia del sistema y conocer su comportamiento,
el siguiente paso a seguir es elegir la acción de control que mejor se ajuste al mismo.
En esta práctica se va a estudiar los controladores PID, gracias a la sencillez con que
pueden ser implementados en el PLC del sistema, además que son controladores muy
utilizados en la industria.
Equipos Requeridos
- Terminal Windows con ACP Resologis y navegador web instalados.
- Fuente de alimentación de 24V.
- Tablero de prácticas.
- Termistores NTC.
- Relé de accionamiento del compresor.
- PLC embebido.
- Switch Ethernet.
- Patch Cord Ethernet.
- Líquido de pruebas (agua).
PROCEDIMIENTO
1. Ubicar la planta en un lugar completamente plano y en un lugar con suficiente
espacio al lado de un tomacorriente.
2. Verificar que el tomacorriente este habilitado
3. Conecte el cable de poder de la planta al tomacorriente
4. Antes de encender verifique que los interruptores del tablero de prácticas se
encuentren en modo automático.
84
5. Encienda la planta utilizando el interruptor termo-magnético ubicado en la parte
superior izquierda del tablero eléctrico.
6. Conecte el patch-cord de la terminal al switch ubicado en el tablero eléctrico
7. Verifique que el terminal que esté utilizando tenga una dirección IP fija (se
recomienda la de la imagen)
85
8. Se debe cargar un programa especial en la tarjeta, para llevar a cabo esto verifique
que las carpetas “practica_2” y “practica_3” se encuentren en el directorio
C://users/admin/documentos/ACP6.4
9. Abra el archivo practica_3 contenido en la carpeta “practica3” utilizando el programa
ACP 6.4 de Resologis. Presione el icono de descargar programa y presione en si a
todo en la ventana emergente.
86
10. Ingrese a un navegador web y digite la dirección “192.168.0.2/view6” y aparecerá
la siguiente pantalla:
11. Presione el botón de “chiller” el cual encenderá el compresor de la nevera y lleve
el sistema a una temperatura de 1° centígrado, esta temperatura será indicada en
alguno de los 2 indicadores de la interfaz
12. Una vez llegado a la temperatura de control el sistema estará listo para recibir el
producto. Active los botones correspondientes al módulo PID para que este pueda
funcionar.
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13. Puede utilizar el teclado numérico para ajustar el set point deseado, este valor
determina la temperatura en °C a la cual se quiere llevar el producto, dependiendo del
valor que se elija el controlador ajustara la servo-válvula reduciendo o prolongando el
tiempo que el producto pasa en el intercambiador (flujo). Se observara el diferencial
de temperatura entre la entrada y la salida de producto gracias a los indicadores
gráficos y numéricos de la interfaz.
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14. Ajuste el set point entre valores de 4°C y 12°C de temperatura y realice tres
pruebas. Determine el tiempo en que la salida de producto llega a la temperatura
seleccionada y verifique los cambios de ángulo que presenta la servo-válvula (este
cambio también se puede ver en la interfaz), finalmente calcule el diferencial de
temperatura entre la entrada y la salida, así como su variación en el tiempo. Consigne
estos datos en una tabla.
NOTA: Si la temperatura de refrigerante asciende a 3°C detenga la prueba y vuelva a
enfriar el sistema a 1°C
15. En este momento el controlador está ajustado con los coeficientes óptimos para el
mejor funcionamiento (proporcional, integral y derivativo), para modificar estos valores
deben ser cambiados en el programa “practica 3” y ser descargado en el PLC de la
siguiente forma:
16. Realice una prueba más con los nuevos valores de ganancias y repita lo indicado
en el punto 14. ¿Qué diferencias hay?, ¿si se llega al valor de set point?
17. Escriba tres conclusiones de la práctica.