CONTROL Y AUTOMATIZACIN DE UN HORNO DE SECADO DE MADERA, INCLUYENDO INTERFAZ CON EL USUARIO

JUAN DAVID MONTOYA OTLVARO

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLN FACULTAD DE MINAS ESCUELA DE INGENIERA ELCTRICA, MECNICA Y CONTROL MEDELLN MEDELLN 2009

CONTROL Y AUTOMATIZACIN DE UN HORNO DE SECADO DE MADERA, INCLUYENDO INTERFAZ CON EL USUARIO

JUAN DAVID MONTOYA OTLVARO Trabajo dirigido para optar al ttulo de Ingeniero de Control.

Director GUILLERMO LEN MESA BETANCUR Ingeniero electrnico.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLN FACULTAD DE MINAS ESCUELA DE INGENIERA ELCTRICA, MECNICA Y CONTROL MEDELLN 2009

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TABLA DE CONTENIDO Pg. LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABLAS 1. INTRODUCCIN 2. DISEO 3.1. PROCESO DE SECADO 3.1. ETAPAS DEL PROCESO 3.1.1. CALENTAMIENTO DE LA CARGA 3.1.2. SECADO POR ENCIMA DEL PUNTO DE SATURACIN DE LAS FIBRAS 3.1.3. SECADO POR DEBAJO DEL P.S.F. 3.1.4. HOMOGENEIZADO 3.1.5. ACONDICIONADO 3.1.5. ACONDICIONADO 3.2. TABLAS DE LA JUNAC PARA SECADO DE MADERA 3.2. VENTAJAS DEL SECADO DE MADERA CON HORNO 4. CONSIDERACIONES INICIALES 5. EQUIPOS 5.1. CONTROLADOR LGICO PROGRAMABLE (PLC) 5.2. TERMOCUPLA TIPO K 5.4. SENSOR DE HUMEDAD HT 8001-SAI-R 5.4. MDULO DE EXPANSIN EM231 5.5. MDULO DE EXPANSIN EM231TC 5.6. PANEL SIEMENS TD200C 6. DISEO DE SOFTWARE 9 9 9 9 9 10 11 12 15 15 15 15 15 16 16 17 5 6 7 8 9 9 9

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6.1. ANLISIS DEL PROBLEMA Y PLANTEAMIENTO DE SOLUCIN 6.2. FORMALIZACIN DE LA SOLUCIN USANDO REDES DE PETRI 6.3. CODIFICACIN DEL PROGRAMA USANDO MICROWIN 6.4. INVENTARIO DE SEALES 7. EXPERIMENTOS 7.1 FUNCIONAMIENTO GENERAL DEL PROGRAMA 7.2. SENSOR DE HUMEDAD 7.3. SENSOR DE TEMPERATURA 8. CONCLUSIONES 9. BIBLIOGRAFA 10. ANEXOS 10.1. MANUAL DE USUARIO 18 20 26 28 28 28 29 31 32 33 33 18

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LISTA DE FIGURAS 1. Secuencia del ciclo PHVA 2. Esquema del horno 3. Pasos a seguir para la elaboracin del software. 4. Red de petri del programa. 5. Programa, redes 1-5. 6. Programa, redes 6-10. 7. Programa, redes 11-15. 8. Programa, redes 16-18. 9. Programa, redes 19-21. 10. Programa, redes 22-23. 11. Pantalla de Microwin desde donde se modifican las variables. 12. Curva caracterstica del sensor de humedad Pg. 8 13 17 19 21 22 23 24 25 26 28 29

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LISTA DE TABLAS 1. Definicin de los ciclos de secado segn la JUNAC 2. Recomendacin de ciclos de secado segn la especie de madera 3. Acciones tomadas en los lugares mostrados en la figura 4. 4. Inventario de seales de entrada. 5. Inventario de seales de salida. Pg. 10 11 20 27 27

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1. INTRODUCCIN El objetivo del diseo planteado en este trabajo es permitir el control y automatizacin del proceso de secado de madera, que se realiza en el laboratorio de productos forestales de la Universidad Nacional de Colombia, sede Medelln. Una de las condiciones esenciales para que la madera pueda utilizarse industrialmente es que su contenido de humedad sea ajustado a las condiciones de uso y sitio a que va a ser destinada. Es bien sabido que la madera verde tiene un gran contenido de agua, la cual debe ser eliminada si se quiere convertirla en un material apropiado para una amplia gama de aplicaciones industriales. Durante el proceso de remocin del agua, la madera puede sufrir cambios no deseados en su forma, color o ser atacada por hongos e insectos. Si estos defectos no pueden ser controlados, es posible que la madera se convierta en un material no apropiado para los diversos usos a los que podra destinarse. El proceso de secado puede lograrse a base de aire natural (secado al aire libre) o por mtodos especiales que estimulan la salida del agua en forma ms o menos rpida, sin embargo el secado natural no permite alcanzar estrictamente las exigencias de los mercados. Se tiene entonces que como el proceso de secado de madera es fundamental para determinar la utilidad de la misma y, considerando que la velocidad y exactitud en la cantidad de humedad son factores importantes, el laboratorio de productos forestales pretende recurrir a un mtodo artificial para lograr resultados satisfactorios y rpidos. Para el mtodo elegido, se hace necesario controlar la humedad y la temperatura del ambiente en el que se almacena la madera. El control de estas variables se logra mediante un sistema conformado por dos sensores, uno para cada variable, que entregan sus seales a mdulos de entrada que hacen la conversin de la seal anloga en seal digital, fcilmente manipulable, y la entregan a una unidad PLC siemens S7-200 que se encarga de hacer las comparaciones respecto a los valores deseados y enva las seales a un sistema de actuadores que toman las medidas adecuadas para corregir los valores. La interfaz con el usuario se hace a travs de un panel de control siemens TD200C, que permite al usuario elegir y modificar los valores deseados para la humedad y temperatura, adems de iniciar y detener el proceso cuando se considere adecuado y monitorear los valores de las variables en cualquier momento durante el proceso.

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2. DISEO El laboratorio de productos forestales dispone de un horno para secado de madera, pero este se encuentra completamente inoperable y tiene partes con alto grado de deterioro. El objetivo es entonces la recuperacin del horno, de modo que pueda ser aprovechado nuevamente y, adems el control y automatizacin del proceso (objeto de este trabajo), para permitir la operacin del mismo con mnima intervencin humana y con excelentes resultados en el producto final. Se parte pues de los recursos y requerimientos, para plantear una solucin que permita dar solucin a los problemas del laboratorio, revisar la solucin y tomar las acciones correctivas del caso hasta conseguir la conformidad de los requerimientos planteados. Todo esto segn el ciclo PHVA, cuya secuencia se muestra en la figura 1.

CICLO PHVATomas de decisiones Y mejoras

Actuar Aseguramiento de la Calidad

Condiciones de mejora y Validacin de resultados

Objetivos Planteados

Cambios

Planeacin

Verificar Planear Monitoreo y MedicionesCONTRATANTE

ProveedoresHacerProceso* Software

PrototipoRequerimientos Especificaciones al Contrato.

No Conformidades

ComunicacionesFuncionalidad Diseo Costos Fabricacin en Lnea Caractersticas Software y Electrnicas.

Figura 1. Secuencia del ciclo PHVA

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3. PROCESO DE SECADO El secado de madera consiste en reducir el contenido de humedad de la misma antes de darle uso, el agua tiene una importante influencia e incluso con frecuencia el contenido de agua supera el peso propio de la madera. 3.1. ETAPAS DEL PROCESO El proceso de secado puede dividirse en diferentes etapas: 3.1.1. CALENTAMIENTO DE LA CARGA Es el tiempo necesario para subir la temperatura de la madera a la inicial del programa y calentar todo el espesor de la pieza, sin iniciar el proceso de secado, lo cual se logra con una humedad relativa alta. Los detalles de esta parte del proceso dependen del tipo de madera y del espesor de las piezas y la alta humedad relativa puede tener como consecuencia una re humidificacin superficial. DEL 3.1.2. SECADO POR ENCIMA DEL PUNTO DE SATURACIN DE LAS FIBRAS El punto de saturacin de las fibras (P.S.F.) es el punto en que el volumen de la madera permanece prcticamente constante, a pesar de incrementar la humedad que posea. Esta parte del proceso consiste en la evaporacin del agua libre de la madera, bajo temperaturas no muy elevadas y altas humedades relativas, para evitar defectos de secado como el endurecimiento superficial, grietas superficiales y el colapso. 3.1.3. SECADO POR DEBAJO DEL P.S.F. La temperatura se eleva a la mxima permitida del programa y la madera se seca hasta el contenido de humedad final. 3.1.4. HOMOGENEIZADO Tiene por objeto lograr que todas las piezas de madera de la carga de secado, alcancen un contenido de humedad cercano al final deseado. ACONDICIONADO 3.1.5. ACONDICIONADO Tiene por objeto lograr una madera sin endurecimiento superficial (sin tensiones de secado) y con una distribucin uniforme del contenido de humedad en el espesor (gradiente de humedad