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ESIME – Zacatenco IPN

1 Ingeniería en Control y Automatización

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

Zacatenco

Ingeniería en Control y Automatización

PRESENTAN:

OSWALDO MARTÍNEZ DE JESÚS

UZIEL OLLOQUI CARMONA

CARLOS OMAR VILLANUEVA HERNANDEZ

INTEGRACIÓN DE UN PID AL CONTROL CON PLC DE LAS SERVO-VÁLVULAS QUE REGULAN LAS VÁLVULAS DE CONTROL DE UNA TURBINA DE VAPOR

i

AGRADECIMIENTOS

Oswaldo Martínez de Jesús

A mis padres:

Como testimonio de eterno reconocimiento, aun sabiendo que no existirá una forma de

agradecer una vida de sacrificio y esfuerzo, quiero que sientan que el objetivo logrado

también es de ustedes y que la fuerza que me ayudo a conseguirlo fue su apoyo

Con cariño, admiración y respeto.

A mis amigos:

A todos ellos que siempre me apoyaron y me dieron fuerza en los momentos más

difíciles, a los que nunca me abandonaron aun en las situaciones más adversas, a ellos

que me toleraron en toda la preparación.

De todo corazón mil gracias.

A mis profesores:

A los que me brindaron y compartieron sus conocimientos, a todos ellos que sin tener un

vínculo familiar me trataron como si así lo fuera ,no limitando un conocimiento a una

aula, aquellos que no solo ilustraron un conocimiento sino que otorgaron toda una

educación de por vida.

Mi agradecimiento con respeto y orgullo a ustedes.

ii

Carlos Omar Villanueva Hernández

A mis padres por darme la vida, haberme dado y forjado una educación, por todos sus

sacrificios que tuvieron hacia mí, por haberme dado humildad y sencillez, y por haberme

guiado por el camino del bien y del aprendizaje para poder empezar a emprender mi

propio camino.

A mis hermanos, por haberme dado palabras y consejos con sabiduría, por corregirme en

mis equivocaciones, por haberme apoyado incondicionalmente durante todo este tiempo y

también por haberme llevado por el buen camino.

A mi sobrino, por ser una motivación mas por la cual luchar y seguir adelante.

A mi familia en general, por haberme brindado apoyo cuando lo requerí y por darme

palabras de aliento y superación.

A mis amigos, por haberme dado palabras emotivas, por que sufrimos juntos todo este

tiempo tanto en situaciones buenas como malas, por esos desvelos que compartimos

juntos, porque fueron y serán una muy buena compañía.

El agradecimiento más importante es para mi hermana Alicia (q.e.p.d) ya que todo el

sacrificio que realice para terminar mi carrera profesional y sobresalir en mi trabajo fue

gracias a la motivación que ella me dejo, al sentimiento de lucha, a las ganas de ser

alguien en la vida, a las palabras de aliento que me dio en los momentos más difíciles y

sobre todo por enseñarme las ganas de disfrutar la vida al máximo y dejar una huella en

el camino.

A TODOS ELLOS MUCHAS GRACIAS.

iii

Uziel Olloqui Carmona

En general quisiera agradecer a todas y cada una de las personas que nos han apoyado

en la realización de esta tesis, y que no necesito nombrar porque tanto ellas como yo

sabemos que desde los más profundo de mi corazón les agradezco el haberme brindado

todo el apoyo, colaboración, ánimo y sobre todo una amistad.

Esta tesis está dedicada a mis padres, a quienes agradezco enormemente el apoyo, la

comprensión y el cariño que me han brindando sin medida durante toda la vida.

Agradezco a mis compañeros de tesis y amigos por su apoyo, confianza, ánimo dado y

por su compañía durante estos años en los cuales convivimos dentro y fuera del salón de

clases en los que compartimos esos momentos de crisis y felicidad.

Agradezco a mi profesor y asesor de Tesis, el Ing. Humberto Soto Ramirez por su

disposión y ayuda brindada, por la dirección de este trabajo, el atento tiempo que dedico

a la lectura de la Tesis y a sus atinadas correcciones.

Hago un agradecimiento especial a los ingenieros Ulises Guglielmi Ibarra, Victor Alfonso

Arzate Baltazar, Martin Alberto Bravo Dueñas y particularmente al Ing. Leonardo Vega

Macotela por todas sus opiniones, consejos, aclaraciones y a la dedicada colaboración

que nos brindaron incondicionalmente.



PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En la generación de energía eléctrica, existen diversos factores que requieren una

mejor regulación que aumente la eficiencia en el funcionamiento de la turbo-maquinaria.

Un factor de lo más significativo dentro de las centrales termoeléctricas es el control de

flujo de vapor que se suministra y/o ajusta por las válvulas de control hacia la turbina, y

cuya importancia radica en la regulación de la velocidad del rotor de la turbina y en la

carga demandada.

La forma en que son regidas las válvulas de control es mediante servo-válvulas, las

cuales al estar inmersas dentro del sistema electro-hidráulico y manejar un aceite

hidráulico a altas presiones, tienen la finalidad de controlar la alimentación de vapor

mediante la apertura o cierre de las válvulas de control.

Para tener el control de las aperturas o cierres de estas válvulas se requiere tener un

buen control sobre el posicionamiento de las servo-válvulas, en donde podemos encontrar

perturbaciones debido a la acumulación de impurezas en los filtros de dichas válvulas,

esto debido a que el aceite empleado para su funcionamiento contiene partículas que

suelen afectar el desempeño de dichas servo-válvulas.

De lo anterior se deduce que se debe estar actualizando el sistema de control de las

servo-válvulas de las turbinas de vapor, para la regulación de flujo con dichas válvulas

mediante la integración de elementos que proporcionen mejoras en el control.



OBJETIVO

Analizar el comportamiento de una servo-válvula, con la integración de un PID, al control

con PLC así como la simulación de su comportamiento bajo perturbaciones, con el fin de

reducir las oscilaciones que afecten el desempeño de las servo-válvulas y a su vez

aumentar la eficiencia del sistema de alimentación de vapor a la turbina.



JUSTIFICACIÓN

Debido a las mejoras demandadas en la actualidad, se requiere actualizar el control del

sistema de regulación en las válvulas gobernadoras, ya que existen centrales en las

que su control al ser arcaico (mecánico eléctrico) producen fallas que podrían evitarse

con la implementación de un PLC o la mejora de su lógica, adicionando así la integración

del PID, el cual disminuye las oscilaciones causadas por partículas en el aceite manejado

por la servo-válvula.



INTRODUCCIÓN

Hoy en día el 60% de las centrales termoeléctricas en México, cuentan con sistemas de

control de regulación de vapor arcaico, que producen tiempos muertos en

mantenimientos que podrían evitarse teniendo un control apropiado.

Diversas centrales se han percatado de las pérdidas que generaba este tipo de control

mecánico – hidráulico y han actualizado sus sistemas de control de regulación de

vapor. Introduciendo así el sistema de control digito-electrohidráulico, trayendo consigo

mejoras significativas al proceso de generación eléctrica; al ser un sistema que es

flexible por las características de los nuevos elementos, como lo son el PLC y las servo –

válvulas.

Al introducir el PLC y las servo – válvulas al sistema de control se corrigen y mejoran las

acciones de la válvula gobernadora; al tener una regulación individual de cada válvula de

control, además de que puede tenerse un control más preciso de la apertura de estas

válvulas.

No obstante existen perturbaciones provocadas por las servo-válvulas, por lo que se

propone la actualización de dicho sistema con la integración de un controlador PID y

renovando la lógica de control del PLC con el fin de reducir las oscilaciones ya

mencionadas.

En el capítulo 1 se abordan algunos temas como lo son los sistemas hidráulicos,

electrohidráulicos, las servo-válvulas, etc. y algunos conceptos que nos ayudaran a

comprender el funcionamiento de la servo, así como el funcionamiento que tiene esta

dentro de algunos sistemas en los que puede estar inmersa. Aquí también podemos

encontrar explicaciones concretas de algunos términos de control como lo es, el PID,

sintonización, o el funcionamiento del PLC, que nos ayudaran a tener una visión más

concreta de lo que implica el control de la servo-válvula.

Dentro del capítulo 2 se describen los diferentes componentes del sistema

electrohidráulico y como estos intervienen en el funcionamiento de la servo-válvula. Aquí

se menciona la forma en que se controla actualmente dicha servo-válvula.



Una vez definido la forma en que opera la servo-válvula dentro del sistema

electrohidráulico en el capítulo 3 se plantea un modelado de esta servo-válvula para así

llegar a la simulación del comportamiento. Ya que se cuente con esto se abordara la

lógica de control a seguir

Por último se analiza el impacto de este trabajo con la exposición de ventajas que trae el

implementar dicha novedad



CONTENIDO . Página

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................................................. 2

OBJETIVO .............................................................................................................................. 3

JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................... 4

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 5

INDICE DE FIGURAS .......................................................................................................... 10

INDICE DE TABLAS ............................................................................................................ 11

CAPÍTULO I PARÁMETROS TEÓRICOS ...................................................................... 12

1.1 CONTROL ELECTROHIDRÁULICO ( EHC) ................................................... 13

1.1.1 Definición ................................................................................................................. 13

1.1.2 Antecedentes .......................................................................................................... 14

1.1.3 Funciones ................................................................................................................ 14

1.1.4 Elementos y funcionamiento del sistema de control electrohidráulico .......... 14

1.2 VÁLVULA GOBERNADORA ............................................................................ 16

1.2.1 Definición ................................................................................................................. 16

1.2.2 Componentes .......................................................................................................... 17

1.3 SERVO-VÁLVULA ............................................................................................ 20

1.3.1 Definición ................................................................................................................. 20

1.3.2 Principio de funcionamiento .................................................................................. 20

1.3.3 Circuito de regulación ........................................................................................... 24

1.3.4 Dinámica de servo-válvulas .................................................................................. 26

1.3.5 Causas de oscilación ............................................................................................. 26



1.4 PLC ................................................................................................................... 27

1.4.1 Descripción .............................................................................................................. 28

1.4.2 Clasificación de PLC .............................................................................................. 29

1.4.3 Funcionamiento ...................................................................................................... 30

1.5 PID .................................................................................................................... 33

1.5.1 Descripción .............................................................................................................. 33

CAPÍTULO II DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA .............................................................. 37

_Toc251135390

2.1 CONTROL DIGITO ELECTROHIDRÁULICO ..................................................... 38

2.1.1 Modo de operación .................................................................................................... 39

2.1.2 Descripción funcional del sistema de control .......................................................... 41

2.2 VÁLVULAS DE CONTROL .................................................................................. 41

2.2.1 Descripción de los sistemas existentes ................................................................... 42

2.3 SERVO-VÁLVULA ................................................................................................ 44

2.3.1 Características y parámetros ..................................................................................... 45

2.3.2 Control actual de servo-válvula .................................................................................. 48

2.3.3 Control de servo-válvula propuesto ........................................................................... 48

2.3.4 Circuito de regulación de posición PI ....................................................................... 49

CAPÍTULO III CONTROL DE LA SERVO - VÁLVULA .................................................. 52

3. 1 DESARROLLO DE INGENIERÍA. ....................................................................... 53

3.2 MODELADO ........................................................................................................ 53

3.2.1 Modelo eléctrico (motor de par) ............................................................................... 53

3.2.2 Modelo hidráulico ........................................................................................................ 59

3.2.3 Diseño del controlador PID por el método de Ziegler-Nichols .............................. 61



3.3 SIMULACIÓN DEL SISTEMA ............................................................................... 64

3.4 CONTROL PLC .................................................................................................... 69

3.4.1 Filosofía de control ..................................................................................................... 69

3.4.2 Criterio de selección del PLC ..................................................................................... 75

3.4.3 Selección de módulos de entradas ............................................................................ 75

3.4.4 Selección de los módulos de salida ......................................................................... 77

3.4.5 Selección del CPU........................................................................................................ 78

3.4.6 Selección de la fuente de alimentación..................................................................... 78

3.4.7 Programación ............................................................................................................... 81

CAPÍTULO IV ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................................. 90

4.1 ANÁLISIS DE CONTROL ................................................................................... 91

4.2 ANÁLISIS DE INTEGRACIÓN PID .................................................................... 91

4.3 ANÁLISIS ECONOMICO ....................................................................................... 91

4.3.1 Impacto económico (CFE) .......................................................................................... 91

4.3.2 Costos de ingeniería .................................................................................................. 92

CONCLUSIONES ................................................................................................................. 94

BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................... 95

GLOSARIO ........................................................................................................................... 96

ANEXO A ............................................................................................................................ 99



INDICE DE FIGURAS

Página

Figura 1 Sistema Electrohidráulico 13

Figura 2 Esquema de elementos de válvula gobernadora 17

Figura 3 Válvula gobernadora 18

Figura 4 Esquema de servo-válvula 22

Figura 5 Diagrama a bloques del funcionamiento de la servo-válvula dentro del sistema

electrohidráulico 22

Figura 6 Controlador de servo-válvula 23

Figura 7 Diagrama de bloques simplificado de circuito de regulación 25

Figura 8 Circuito de regulación con servo-válvula 25

Figura 9 Reducción de la amplitud y retraso de la fase 26

Figura 10 Ciclo de trabajo de un PLC. 30

Figura 11 Esquema de tiempos relativos dentro del SCAN del PLC 31

Figura 12 Tiempo típico de SCAN de un PLC 32

Figura 13 Sistema del PID 34

Figura 14 Curva de reacción de proceso 35

Figura 15 Sistema de control DEH 38

Figura 16 Manipulación de válvulas de control mediante servomotor 43

Figura 17 Representación grafica del momento creado por el motor de par 45

Figura 18 Diagrama de bloques del accionamiento de un cilindro con regulación de

posición 49

Figura 19 Grafica carrera – tiempo 50

Figura 20 Diagrama a bloques simplificado de cilindro con regulación de posición 50

Figura 21 Esquema de funcionamiento de un motor de par 54

Figura 22 Esquema del flujo magnético 54

Figura 23 Diagrama a bloques de sistema sin PID 65

Figura 24 Comprtamiento de sistema sin PID 65

Figura 25 Diagrama a bloques de sistema con PID 66

Figura 26 Comprtamiento de sistema con PID 66

Figura 27 Comparación de sistema con y sin PID 67

Figura 28 Comparación del sistema con y sin PID (B) 67

Figura 29 Análisis del sistema comparado 68

Figura 30 diagrama de flujo 71

Figura 31 Esquema de intervalos de tiempo en el arranque 72

Figura 32 Comportamiento del LVDT 74



INDICE DE TABLAS

PÁGINA

Tabla 1 Criterios de Ziegler y Nichols para la cuerva de reacción del proceso .................. 36

Tabla 2 Características técnicas de servo-válvula .................................................................... 46

Tabla 3 Características hidráulicas ......................................................................................... 46

Tabla 4 Características adicionales (electrónica externa e información contra explosión) 47

Tabla 5 Modos de escalamiento para la interpretación en el PLC ....................................... 76

Tabla 6 Modos de escalamiento para la interpretación del PID ............................................ 77

Tabla 7 Escalamiento de la señal de salida de la tarjeta 1746-NIO4I ................................... 78

Tabla 8 Características de las fuentes de alimentación ........................................................... 79

Tabla 9 Distribución de corriente de acuerdo a los módulos empleados .............................. 80

Tabla 10 Selección de la fuente de acuerdo al consumo de los módulos .......................... 80



INTRODUCCIÓN

En este primer capítulo se abordan temas elementales para la comprensión de este

documento, como PLC, PID, sintonización, sistema hidráulico, sistema electrohidráulico, y

fundamentalmente el de servo-válvula, los cuales giraran entorno del tema central para

tener una mayor profundidad en el tema, así como conocer cómo es que intervienen

estos elementos.

CAPÍTULO I

PARÁMETROS TEÓRICOS



1.1 CONTROL ELECTROHIDRÁULICO ( EHC)

Desde 1967 cuando el primer controlador comercial fue puesto en servicio por la

compañía MITSUBISHI, el control de turbinas de vapor electro-hidráulicos ha

evolucionado. El diseño ha sido modificado varias veces desde entonces, siguiendo el

desarrollo en los campos electrónicos e hidráulicos y como resultado de los nuevos

requerimientos del sistema. La electrónica moderna, junto con los desarrollos del software

además de la experiencia de muchos años en el campo, han llevado al diseño de nuevos

sistemas de control de turbinas de vapor.1

1.1.1 Definición

El sistema de control electro - hidráulico es un sistema que trabaja con un fluido de alta

presión, para el accionamiento más rápido en los servomecanismos de operación de las

válvulas de admisión de vapor a la turbina. El Control electro-hidráulico es un sistema de

control con características mejoradas para el mando automático de una planta

termoeléctrica moderna. En la figura 1 se muestra esquemáticamente como es sistema

Electrohidráulico

Figura 1 Sistema Electrohidráulico

1 Salustiano García Pecero, Control electrohidráulico de turbinas de vapor, CFE, México, 2008, pp. 4



1.1.2 Antecedentes

La necesidad de contar con unidades generadoras de mayor capacidad, debido al

constante y lógico crecimiento de la demanda de energía eléctrica, no sólo en el país sino

en el mundo entero, ha dado origen, a otra necesidad: la de contar con sistemas de

control cada vez más confiables y seguros. Esto se aplicó íntegramente al sistema de

control de la turbina, logrando con ello mejoras sustanciales, hecho que lo llevó desde los

sistemas tradicionales mecánicos, pasando por los hidromecánicos, hasta llegar a los de

tipo electro hidráulico actuales.2 Aun cuando los sistemas de control anteriores en realidad

eran sumamente ingeniosos, el digito electro-hidráulico los ha superado en muchos

aspectos, sobre todo que con este tipo de sistemas es posible controlar la velocidad y

aceleración de la turbina casi a la perfección, lo que es extremadamente difícil conseguir

con uno tradicional, a pesar de la habilidad de los operadores. Como se sabe, el manejo

adecuado de los parámetros mencionados, así como el de carga o de flujo de vapor en la

turbina, son fundamentales para mantener su vida útil dentro de lo establecido.

1.1.3 Funciones

Controla las funciones de disparo de emergencia del sistema, la posición de las válvulas

estranguladoras, interceptoras y de gobierno. Ajusta automáticamente la posición de las

válvulas a través de una señal eléctrica suministrada a las servo-válvulas que regula la

presión de aceite a los actuadores.

1.1.4 Elementos y funcionamiento del sistema de control electrohidráulico

Los componentes del sistema de control de fluido E-H incluyen el recipiente del aceite, las

bombas de alta presión, acumuladores de presión, bomba de pulido, intercambiadores de

calor, interconectados con tuberías de acero inoxidable y accesorios.

El sistema de control E-H está compuesto por un grupo de accesorios, los cuales se

encuentran interrelacionados, todos estos equipos y accesorios son descritos a

continuación.

2 Ídem



Recipiente de fluido E-H

Este recipiente tiene la función de almacenar el fluido electro-hidráulico, con una

capacidad de 1300 lt, construido de acero inoxidable, está equipado con conexiones para

el drenado y regreso de aceite al depósito después de operar los servomecanismos, del

sistema de control.

Micro-separador

Se localiza en la parte baja del tanque el nivel de aceite, este micro-separador es una

placa magnética la cual retiene y adhiere con una fuerza magnética partículas contenidas

en el aceite.

Bombas de fluido de electro-hidráulico

Dos bombas de igual capacidad, están acopladas cada una a un motor eléctrico a través

de un cople flexible, estas bombas son las que proporcionan el fluido de alta presión en el

sistema, succionando del recipiente el fluido E-H, están localizadas bajo el nivel del fluido

para asegurar una succión positiva, en la succión de las bombas montado verticalmente

se encuentra un filtro, el cual puede ser removido a través de la parte superior del

recipiente, una ópera normalmente y la otra de respaldo.

Un bloque de control está montado en la parte superior del recipiente el cual se compone

de lo siguiente:

Dos interruptores de presión diferencial, que indican la presión diferencial entre la

entrada y la salida de los filtros de cartucho montados en el circuito de descarga de las

bombas.

Cuatro filtros de cartucho montados en forma separada, dos a la salida de cada bomba

en paralelo.

• Dos controladores de presión o válvulas de descarga. Estos controladores o válvulas

liberan la descarga de la bomba en el circuito del fluido electro-hidráulico al recipiente.

• Una válvula de alivio instalada en el circuito de alta presión localizada entre las dos

válvulas de descarga, esta válvula previene una sobrepresión del fluido en la línea

sirviendo como apoyo a las válvulas de descarga.



• Un controlador de nivel que opera un interruptor que acciona una alarma de señalización

de alto o bajo en el recipiente del fluido electro-hidráulico.

• Un interruptor controlador del nivel que opera el paro - automático de la bomba del fluido

de alto o bajo nivel en el recipiente.

• Un interruptor controlador de nivel que opera el paro- automático de la bomba del fluido

E.H. a bajo nivel en el recipiente.

• Una válvula controladora de temperatura instalada en la línea de entrada de agua de

enfriamiento a un intercambiador de calor, está conectada a un bulbo termostático en el

recipiente de fluido electro-hidráulico, modula el control de entrada de agua al

intercambiador de calor.

• Una válvula de cuatro vías, operada manualmente instalada en la línea de retorno del

fluido de control al recipiente, intercambia la entrada al enfriador A ó B (Enfriador de fluido

electro-hidráulico).

• Dos intercambiadores de calor del 100% de capacidad cada uno, (en operación normal

actúa solo uno) el fluido electro-hidráulico es circulado dentro de la carcaza alrededor de

los tubos, mientras que el agua circula dentro de los tubos.

• Un tablero de gabinetes, con los siguientes interruptores ensamblados.

• Un interruptor de presión para baja presión del fluido del sistema arrancará la bomba

auxiliar o de reserva del fluido de control, cuando la presión disminuye a 95 kg/cm2.

1.2 VÁLVULA GOBERNADORA

1.2.1 Definición

Se le conoce al conjunto de dos partes fundamentales que se encuentran dentro del

turbo-grupo, la válvula de paro de vapor principal y las válvulas de control.



1.2.2 Componentes

Válvulas de Paro de Vapor principal.

Estas válvulas conocidas también como válvulas de emergencia están localizadas

físicamente en el cabezal del vapor principal antes de las válvulas de control, cada una de

dichas válvulas principales tienen una entrada y dos salidas. La salida de vapor de cada

una de las válvulas de emergencia principales se conecta a través del cabezal

directamente a la entrada de la caja de las válvulas de control de vapor.

La función principal de las válvulas de emergencia es el de interrumpir súbitamente el flujo

de vapor a la turbina en condiciones de emergencia.

Los actuadores de las válvulas de paro de vapor principal consisten de un cilindro

hidráulico con su transductor diferencial variable lineal para la derecha y para la

izquierda, el cual se utiliza para transmitir la posición del vástago de la válvula al ECH; el

pistón de operación, la válvula de disco de descarga rápida y la válvula de prueba

accionada por solenoide, para mayor comprensión de lo descrito anteriormente se

puede observar la figura 2 que muestra los elementos de la válvula gobernadora

utilizada anteriormente y en la figura 3 la válvula actual.

Figura 2 Esquema de elementos de válvula gobernadora



Válvulas de Control de Vapor

Cada válvula gobernadora consta de cuatro (4) válvulas de control montadas en línea. Su

función es controlar la entrada del vapor a la sección de alta presión de la turbina.

Actualmente existen pocas centrales cuyas válvulas de control son del tipo balanceado,

lo que permite reducir la fuerza necesaria para levantar la válvula del asiento. Los discos

tienen asientos esféricos para asegurar un cierre hermético. Cada válvula es operada por

una servo-válvula electrohidráulica que permite la operación de la turbina, de acuerdo a la

filosofía del EHC (control electrohidráulico).

Figura 3 Válvula gobernadora

La secuencia de apertura de las válvulas se establece de modo que se realice una

variación de la carga en función de la carrera del servomotor según una grafica muy

cercana a la línea recta.



La parte fija de estas válvulas se encuentra con pernos (apernada) herméticamente en la

caja de las válvulas con empaquetadura flexible insertada en una ranura, además esta

lleva el eje de la palanca de levantamiento y los bujes en los que giran el eje y las levas.

El eje de levas al girar forza a las levas contra los rodillos montados en las palancas con

lo cual estas se levantan comprimiendo el resorte. Las dos cajas de válvulas (1 para 4

válvulas) conforman una pieza única con la cara exterior de la turbina de alta presión.

Posición de válvulas gobernadoras

Durante el proceso de arranque del turbogenerador es deseable contar con un registro e

indicación de posición de válvulas para poder determinar la velocidad en la cual se

efectúa la transferencia del control de la misma (de válvulas de estrangulamiento a las de

gobierno o de arco pleno a parcial) y con esto último llevar la unidad a la velocidad de

sincronización.

Cuando el generador está en línea la posición de las válvulas será de utilidad para dar un

índice de carga entregada al sistema.3

Medición de posición válvulas gobernadoras

El tipo de detector utilizado para la medición de posición de válvulas es un transformador

diferencial variable lineal (LVDT), el cual es alimentado con ±15 VCD regulados y su señal

es llevada a la pantalla de visualización en el cuarto de control.4

Transformador diferencial de variable lineal (LVDT)

El LVDT es un detector electromecánico que produce una salida eléctrica proporcional al

desplazamiento de un núcleo móvil.5

El LVDT consiste de:

3 Ibídem, pp. 88

4Ibídem, pp. 89

5 Ibídem, pp. 80



A) Tres bobinas igualmente espaciadas y montadas en un compartimiento cilíndrico.

B) Un núcleo magnético en forma de varilla se sujeta a un actuador de una válvula y

es instalado axialmente dentro el ensamble de bobinas, con la apertura y cierre de

la válvula se obtiene un flujo magnético en éstas.

La bobina central es el primario de este transformador y es alimentada con c.a. Esta

induce voltaje en las otras dos bobinas (secundario), las cuales están conectadas en serie

y en posición tal, que la salida neta del transformador es la diferencia de estos dos

voltajes.

1.3 SERVO-VÁLVULA

Una servo-válvula es una válvula direccional de infinitas posiciones que ofrece la

característica adicional de controlar tanto la cantidad como la dirección del flujo.

Cuando se instala con los dispositivos de realimentación adecuados, consigue controles

muy precisos de la posición, velocidad y aceleración de un actuador.

1.3.1 Definición

El termino servo se utiliza de muchas maneras. Expresado de forma general se

denomina así a la función en la cual una pequeña señal de entrada provoca una gran

señal de salida (amplificación)

Son accionadores de tipo neumático o hidráulico que conectan dos o más vías por las que

circula el fluido y tienen la posibilidad de controlar la presión o el caudal.

1.3.2 Principio de funcionamiento

Un servo mecanismo es esencialmente un amplificador de fuerza. Utilizado para controlar

una posición. La figura 4 nos muestra esquemáticamente como se compone este

dispositivo.

Generalmente la servo-válvula se emplea como amplificador hidráulico comandado

eléctricamente en circuitos de regulación, es decir no solo transforma una señal de

entrada en un caudal correspondiente, sino que además mide eléctricamente las

desviaciones de la velocidad o de la posición descrita, alimentando a la servo-válvula

para que introduzca las correcciones necesarias.



Estas válvulas constan de un convertidor electromecánico (motor de torque) (1), un

amplificador hidráulico (principio de tobera-placa deflectora) (2) y un émbolo de mando (3)

en un casquillo (2a etapa), que está unido al motor de torque a través de un dispositivo

mecánico de recuperación.6

A través de una señal eléctrica de entrada aplicada a las bobinas (4) del motor de torque

se genera en el inducido (5), por medio de un imán permanente, una fuerza que, en

combinación con un tubo flexible (6), tiene como efecto un momento de giro. Con esto se

desplaza de la posición central entre las dos toberas reguladoras (8) la placa deflectora

(7), unida al tubo flexible (6) por medio de un perno, originándose así una diferencia de

presión entre las caras del émbolo de mando (3).

Esta diferencia de presión provoca un cambio de posición del émbolo, con lo que el

empalme de presión se comunica con uno de los empalmes de consumidores mientras

que, al mismo tiempo, el otro empalme de consumidores se comunica con el empalme de

retorno.7

El émbolo de mando está unido a la placa deflectora y respectivamente al motor de torque

por medio de un resorte de flexión (recuperación mecánica) (9). El cambio de posición del

émbolo tiene lugar hasta que el momento de retorno debido al resorte de flexión y al

momento electromagnético del motor de torque quedan en equilibrio y se hace cero la

diferencia de presión en el sistema tobera-placa deflectora. La carrera del émbolo de

mando, y con ello el caudal de la servo-válvula, se regula así en forma proporcional a la

señal eléctrica de entrada. Al respecto se debe tener en cuenta que el caudal depende de

la caída de presión en la válvula.8 Para la identificación los elementos y la mayor

comprensión del funcionamiento ver la figura 4 que muestra la nomenclatura descrita

anteriormente.

6 Rexroth Bosch Group, Servo-válvula direccional con recuperación mecánica, Bosch Group, Alemania, pp. 4

7 Ídem

8 idem



Figura 4 Esquema de servo-válvula

El funcionamiento de una servo-válvula dentro del sistema electrohidráulico puede

entenderse de una mejor manera mediante un diagrama a bloques (figura 5), el cual se

presenta a continuación:

Figura 5 Diagrama a bloques del funcionamiento de la servo-válvula dentro del sistema

electrohidráulico



Por otra parte se muestra a más detalle y de manera gráfica (figura 6) como opera el

controlador de la servo-válvula en muestro sistema.

Figura 6 Controlador de servo-válvula

Cuando una servo-válvula sea retirada de su sitio, la única actividad recomendable en

caso de tener duda de su operación correcta, es reemplazar el filtro de aceite. Si no se

tiene certeza de la limpieza del filtro retirado, no es necesario tratar de limpiarlo, no tiene

caso, ya que el nivel de limpieza del filtro de la servo-válvula para una operación normal

es (10µm absoluto) y para una operación de larga vida es (5µm absoluto), por lo que no

es sencillo poder limpiarlo para utilizarlo nuevamente. La diferencia entre estas dos es

básicamente el nivel de limpieza que debe tener el aceite de la unidad de potencia

hidráulica (HPU) para que una servo-válvula dure más o menos tiempo.

La partícula más pequeña que a simple vista puede ver el ojo humano es de 40µm por lo

que si alguien observa el filtro a simple vista y afirma que no está sucio se trata

absolutamente de algo incierto. Es seguro que el filtro tiene partículas que impiden la

operación correcta de la servo-válvula y que la persona no puede observar dichas

partículas.



La menor concentración de partículas que el ojo humano puede observar a simple vista es

de 20 o 30 veces más que cualquier sistema. Para hacer una comparación, un cabello

humano en promedio mide 70µm.

Es inútil tratar de reparar una servo-válvula, por lo que no tiene caso abrirla y retirar la

tapa para tratar de hacerlo y mucho menos tratar de ponerla en operación si es que fue

abierta ya que es completamente seguro que si no tenía daño alguno, al abrirla se dañe.

La servo-válvula cuenta con un filamento muy delgado el cual tiene una cierta tensión de

calibración de fábrica y al retirar la tapa de la servo-válvula este filamento se rompe o se

desprende de la bobina. Este filamento tiene la función de sensar la presión de aceite que

ingresa por las dos toberas de la servo-válvula dependiendo del movimiento que tenga el

piloto, el sensor entra exactamente en una ranura a la mitad del piloto y al ser roto o

desprendido el filamento la servo-válvula pierde totalmente la función de diseño. Si

hubiera la posibilidad de que se lograra unir el filamento o soldar nuevamente al cuerpo

de la bobina, es seguro que será imposible lograr la calibración de la servo-válvula ya que

se requieren equipos especiales y certificados para su calibración por lo que no tiene caso

intentarlo.

1.3.3 Circuito de regulación

Con el potenciómetro de valor nominal se preselecciona una tensión de valor prescripto,

la cual corresponde a una determinada posición del cilindro. La posición real del

cilindro, el valor real, es indicado por la tensión del potenciómetro de valor real. Ambas

tensiones se restan en la entrada del amplificador, es decir, se obtiene una diferencia

del valor prescripto- valor real, que es el error, la desviación de la regulación. El error

es amplificado y con la señal resultante se excita la bobina de al servo-válvula. La

servo-válvula abre y el cilindro se desplaza. Durante el movimiento del cilindro varia la

posición del potenciómetro de valor real; la tensión de valor real se acerca cada vez más

a la del valor prescripto hasta alcanzarla. En este momento el cilindro llegó a la posición

deseada. Durante este proceso el error se hace cada vez más pequeño y a pesar de la

amplificación la bobina de la servo-válvula dispone cada vez de menos corriente.



Es decir, la servo-válvula cierra paulatinamente frenando al cilindro. Al llegar a la

posición prescripta el error es cero y la servo-válvula está cerrada.

Las magnitudes de perturbación que influyen en el resultado de la cadena de mando

abierta no influye en el resultado del circuito cerrado de regulación. Esta es una

característica fundamental de la técnica de regulación.

Las figuras 7 y 8 representan el circuito de regulación de la servo-válvula, la figura 7

presenta un diagrama de bloques del circuito de regulación, mientras que la figura 8 nos

muestra dicho circuito de una forma más explícita; este circuito se explica en seguida.

Figura 7 Diagrama de bloques simplificado de circuito de regulación

Figura 8 Circuito de regulación con servo-válvula



1.3.4 Dinámica de servo-válvulas

La dinámica del elemento se puede observar en la curva característica de

frecuencia mostrada en la figura 9. Los técnicos en materia de la regulación como

medida de evaluación han determinado la frecuencia a la cual el trayecto de

amplitud desde -3 dB a 3 dB significa que la caída de amplitud de la magnitud de

salida representa el 30% de la magnitud entrada. 9

Figura 9 Reducción de la amplitud y retraso de la fase

1.3.5 Causas de oscilación

Es muy común que se presentes oscilaciones en las válvulas que son operadas por

servo-válvulas en los sistemas electrohidráulicos.

Si al lazo de control de dicha válvula se le simula señal de corriente para observar su

respuesta y si ésta no presenta la misma oscilación se puede descartar una falla probable

del sistema de control.

Se tiene la experiencia de que la oscilación se debe a que el filtro de la servo-válvula no

está completamente limpio por lo que se recomienda reemplazarlo. La causa raíz de que

este filtro no se encuentre limpio es muy probablemente la saturación de los filtros de

descarga de la HPU por lo que se recomienda también su reemplazo.

9 Mannesmann Rexroth, Técnica de válvulas proporcionales y de servoválvulas, Goimendi, Alemania, pp.145



Es muy frecuente que cuando en una válvula que opera a través de una servo-válvula se

presenten oscilaciones se manipule la regulacion de presión conocida como “reg null”.

Este es el último recurso al que debe recurrirse para tratar de eliminar una oscilación.

El “reg null” es con el cual se calibra el paso de aceite a través de las toberas de la servo-

válvula al sensor o filamento, en otras palabras es el ajuste de la calibración de la servo

válvula y este se determina a través de pruebas con equipos patrón especiales en fábrica.

Si este componente es manipulado es probable que se elimine la oscilación pero también

es muy probable que surja otro problema mayor como el que la válvula a la cual

pertenece no abra o no cierre completamente.

Es común también que cuando se manipula el “reg null” se gire hacia un lado y hacia el

otro varias vueltas hasta considerar que se tiene en el punto adecuado, sin embargo, el

“reg null” solo tiene 90 grados de ajuste a partir del punto donde se encuentra ajustado de

fábrica por lo que puede uno estar seguro que si al girarlo se pasa por el mismo lugar

después de un giro no se está realizando absolutamente ni una sola acción en la servo-

válvula. Como se dijo al principio, este es el último recurso para tratar de eliminar una

oscilación y es completamente seguro que se va a modificar la calibración de la servo-

válvula si es manipulado.

Es muy común también que cuando se presenta alguna oscilación o que no abre o cierra

completamente la válvula a la cual pertenece la servo-válvula se retire el filtro de ésta

para su inspección. En muchas ocasiones como a simple vista no se aprecian partículas

en el filtro se deduce que está limpio y regularmente solo se limpia con solvente y se

sopletea con aire a presión. El ojo humano puede apreciar a simple vista partículas de

40µm y el filtro contiene partículas de máximo 10µm por eso la razón de que el filtro se

considere limpio después de inspeccionarlo. Se recomienda no instalar el mismo filtro si

se sospecha que es la causa de la falla, lo mejor es reemplazarlo por un filtro nuevo.

1.4 PLC

En 1969 la División Hydramatic de la General Motors instaló el primer PLC para

reemplazar los sistemas inflexibles alambrados usados entonces en sus líneas de

producción.



Ya en 1971, los PLC se extendían a otras industrias y, en los ochentas, ya los

componentes electrónicos permitieron un conjunto de operaciones en 16 bits,-

comparados con los 4 de los 70s, en un pequeño volumen, lo que los popularizó en todo

el mundo.

En los primeros años de los noventas, aparecieron los microprocesadores de 32 bits con

posibilidad de operaciones matemáticas complejas, y de comunicaciones entre PLCs de

diferentes marcas y PCs, los que abrieron la posibilidad de fábricas completamente

automatizadas y con comunicación a la Gerencia en "tiempo real".

Los sistemas automatizados han evolucionado desde el control de los relés hasta los

que usan facilidades computacionales desarrolladas en los tiempo presentes.

Actualmente el desarrollo de los sistemas automáticos lo representan esencialmente los

PLC.

1.4.1 Descripción

Un PLC (Controlador Lógico Programable) es un dispositivo electrónico de estado sólido

que puede controlar un proceso o una maquina y que tiene la capacidad de ser

programado o reprogramado rápidamente según la demanda de la aplicación. Fue

inventado para remplazar los circuitos secuenciales basados en relés que eran

necesarios para el control de las maquinas.

El PLC funciona monitoreando sus entradas y dependiendo de su estado activando y

desactivando sus salidas. El usuario introduce al PLC un programa, usualmente vía

software lo que ocasiona que el PLC se comporte de manera deseada

De acuerdo con la definición de la "Nema" (National Electrical Manufacturers Association)

un controlador programable es: "Un aparato electrónico operado digitalmente, que usa

una memoria programable para el almacenamiento interno de instrucciones para

implementar funciones específicas, tales como lógica, secuenciación, registro y control de

tiempos, conteo y operaciones aritméticas para controlar, a través de módulos de

entrada/salida digitales (ON/OFF) o analógicos (1 5 VDC, 4 20 mA, etc.), varios tipos de

máquinas o procesos.



1.4.2 Clasificación de PLC

Debido a la gran variedad de tipos distintos de PLC, tanto en sus funciones, en su

capacidad, en su aspecto físico y otros, es que es posible clasificar los distintos tipos en

varias categorías.

PLC tipo Nano:

Generalmente el PLC de tipo compacto ( Fuente, CPU e I/O integradas ) que puede

manejar un conjunto reducido de I/O, generalmente en un número inferior a 100. Permiten

manejar entradas entradas y salidas digitales y algunos módulos especiales.

PLC tipo Compactos:

Estos PLC´s tienen incorporado la Fuente de Alimentación, su CPU y módulos de I/O en

un solo módulo principal y permiten manejar desde unas pocas I/O hasta varios cientos (

alrededor de 500 I/O ) , su tamaño es superior a los Nano PLC y soportan una gran

variedad de módulos especiales, tales

como:

· Entradas y salidas análogas

· Módulos contadores rápidos

· Módulos de comunicaciones

· Interfaces de operador

· Expansiones de i/o

PLC tipo Modular:

Estos PLC se componen de un conjunto de elementos que conforman el controlador final,

estos son:

· Rack

· Fuente de Alimentación

· CPU

· Módulos de I/O



De estos tipos existen desde los denominados MicroPLC que soportan gran cantidad de

I/O, hasta los PLC de grandes prestaciones que permiten manejar miles de I/O.

1.4.3 Funcionamiento

Un PLC trabaja realizando continuamente un barrido (SCAN) sobre un programa. Este

ciclo de barrido o scan consta principalmente de 3 pasos, aunque típicamente son más de

tres ya que existen otros como el chequeo del sistema y la actualización de los

contadores y temporizadores internos. Este ciclo se puede apreciar en la figura 10

Figura 10 Ciclo de trabajo de un PLC.

Paso 1-Diagnóstico Interno: En este paso el PLC revisa su circuitería interna en busca de

defectos de entradas, salidas, CPU, memorias y batería. También revisa el

desbordamiento de memoria para revisar fallas en el programa de aplicación.

Paso 2-Chequear el estado de las entradas: Al principio el PLC accede a cada una de las

entradas para determinar si están activadas o desactivadas (on/off). Es decir, ¿ Esta

activado el sensor conectado a la primera entrada?, ¿El segundo?, ¿El tercero? … Luego

el PLC graba estos datos en la tabla imagen de proceso para usarlos en el próximo paso.

Paso 3-Ejecutar el programa de la aplicación: El PLC ejecuta el programa de la aplicación

creada por el usuario una instrucción a la vez. Por ejemplo, si el programa especifica que

si la primera entrada esta “on” se debe activar la salida numero 2, el PLC graba este



resultado para tomarlo en cuenta en el próximo paso. Como ya el PLC conoce cuales

entradas están activadas o desactivadas (paso 2), él será capaz de decidir cuales salidas

se deben activar basado en el estado de las entradas y en el estado de los contadores,

temporizadores y bits internos. Como ya se dijo el PLC guarda este resultado para usarlo

en el próximo paso.

Paso 4- Actualizar el estado de las salidas: Finalmente el PLC actualiza el estado de las

salidas basado en los resultados lógicos del paso 3. Siguiendo el ejemplo del paso 3, el

PLC activara en este tercer paso la salida numero 2 basado en el hecho que la primera

entrada estaba en “on”.

Después del cuarto paso el PLC vuelve al paso uno y repite la rutina continuamente. Así,

un SCAN se define como el tiempo que toma el PLC para ejecutar los cuatro pasos

descritos anteriormente, en la figura 11 se muestra una representación gráfica de los

tiempos del SCAN dentro del PLC.

Figura 11 Esquema de tiempos relativos dentro del SCAN del PLC



Figura 12 Tiempo típico de SCAN de un PLC

El PLC toma cierta cantidad de tiempo para realizar un auto diagnóstico de sus tarjetas

electrónicas como se muestra en la figura 12.

Auto diagnóstico: Chequea para verificar que todas las tarjetas estén libres de falla,

restaura el perro de guardia(WATCHDOG TIMER), etc. (El “WATCHDOG” causará un

error e interrumpirá el funcionamiento del PLC sino es restaurado dentro de un período

corto de tiempo. Esto indicaría que la lógica del programa no esta siendo escaneada

normalmente).

Barrido de Entradas: Lee los valores de entrada disponibles en los chips de las tarjetas de

entrada y copia sus valores en la memoria. Esto hace al PLC más rápido y evita casos

donde una entrada cambia entre el principio y el final del programa.

Existen también funciones especiales de los PLC´s que leen las entradas directamente y

evitan el uso de las tablas de imagen.

Ejecución de la Lógica: Basado en la tabla de imagen de entradas, el programa es

ejecutado un paso a la vez, y al mismo tiempo se va actualizando en memoria la tabla de

imagen de salida.



Barrido de Salidas: La tabla de imagen de salida es copiada desde la memoria hacia los

chips de salida. Estos chips de salida entonces accionan los dispositivos de salida (relés,

transistores, etc.)

El PLC pude ver la entrada on / off solamente durante el tiempo de barrido de entrada. En

otras palabras, él solamente ve sus entradas durante la parte del scan correspondiente al

chequeo de entradas.

1.5 PID

El controlador PID (Proporcional, Integral y Derivativo) es un controlador realimentado

cuyo propósito es hacer que el error en estado estacionario, entre la señal de referencia y

la señal de salida de la planta, sea cero de manera asintótica en el tiempo, lo que se logra

mediante el uso de la acción integral. Además el controlador tiene la capacidad de

anticipar el futuro a través de la acción derivativa que tiene un efecto predictivo sobre la

salida del proceso.

1.5.1 Descripción

El control proporcional integral derivativo (PID), mejor conocido como controlador de

tres términos dará una salida, para una entrada de error de e , de

Salida = 0

t

P i d

deK e K edt K

dt

La función de transferencia, salida (s)/ e(s), del controlador es, de la siguiente manera:

( ) i

e p d

KG s K K s

s

El sistema del PID se ilustra en la figura 13:

(1)

(2)



Figura 13 Sistema del PID

Debido a que la constante de tiempo integral, i , es /p iK K y la constante de tiempo

derivativa, d es /d pK K la ecuación (2) se puede escribir como

( ) 1

1( ) 1

i d

c p

p p

c p d

i

K K sG s K

K s K

G s K ss

La función de transferencia en lazo abierto para el sistema es

2

1( ) ( ) ( ) 1 ( )

1 ( )( )

o c p p d p

i

p i i d p

o

i

G s G s G s K s G ss

K s s G sG s

s

(3)

(4)



AJUSTE DE LAS GANANCIAS DEL CONTROLADOR.

Con un controlador PID se deben seleccionar tres variables: la ganancia proporcional pK ,

la ganancia integral iK y la ganancia derivativa dK . La selección de estas variables

permite localizar los polos y ceros que introduce el controlador a ser determinados, y por

lo tanto, afectan la estabilidad del sistema de control.

Uno de los métodos para lograr la sintonización es el de Ziegler y Nichols. El primer

método (Ziegler) a menudo se le denomina “método de la curva de reacción del proceso” .

el procedimiento con este método consiste en abrir el lazo de control de modo que no se

presenten acciones de control

En general, la ruptura del lazo se hace entre el controlador y la unidad de corrección. se

aplica entonces una señal de prueba a la unidad de corrección y se determina la

respuesta de la variable de proceso medida, es decir, la señal de error. La señal de

prueba deberá ser tan pequeña como sea posible

La 14 figura nos muestra la forma de la señal de prueba y una respuesta típica:

Figura 14 Curva de reacción de proceso



La señal de prueba P, se expresa como el porcentaje de cambio en la unidad de

corrección, la variable medida se expresa como el porcentaje del rango a escala

completa. Para dar el máximo gradiente de la grafica se traza una tangente. Para la figura

anterior el máximo gradiente R es M / T. el tiempo entre la aplicación de la señal de

prueba y cuando esta tangente intercepta el eje de tiempo de la grafica se denomina

atraso L.

A continuación se proporcionan los criterios recomendados por Ziegler y Nichols para los

valores del controlador con base en los valores de P, R y L. En la tabla 1

MODO DE CONTROL pK iK dK

Proporcional solamente P / RL

Proporcional + integral 0.9 P / RL 1 / 3.33 L

Proporcional + integral + derivativo 1.2 P / RL 1 / 2L 0.5 L

Tabla 1 Criterios de Ziegler y Nichols para la cuerva de reacción del proceso

Los parámetros teóricos descritos dentro de este capítulo serán la base para la

comprensión del sistema a analizar dentro en los siguientes capítulos.

Todos los conceptos y descripciones de los temas de este primer capítulo servirán de

base para tener un conocimiento amplio y entender el funcionamiento y la importancia de

la servo-válvula dentro del sistema y es así como finaliza el capítulo 1. Dentro del capítulo

2 se verá con mayor detalle el conjunto de los elementos que forman al sistema

electrohidráulico y su participación conjunto a la servo-válvula y se describirá cada uno de

ellos.



INTRODUCIÓN

Dentro de este capítulo se abordan criterios concretos del sistema a estudiar con la

finalidad de tener las bases para el adecuado control propuesto dentro del capítulo III.

De la misma forma introduce a términos y características del sistema al que se enfocara

CAPÍTULO II

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA



2.1 CONTROL DIGITO ELECTROHIDRÁULICO

El mecanismo de gobierno de la turbina cuenta con un Sistema de Control

Electrohidráulico Digital (DEH) el cuál es utilizado para monitorear y controlar el arranque,

operación normal y paro de la turbina, conducir y supervisar la prueba de los sistemas de

actuación para cada válvula de vapor controlada por el sistema DEH y las funciones de

disparo de emergencia del sistema y controlar la posición de las válvulas

estranguladoras, interceptoras y de gobierno.10

La configuración del sistema DEH incorpora funciones de control las cuales se

implementan por el lógico de software y el lógico de cableado. Las siguientes funciones

se implementan en el lógico del software utilizando las CPU redundantes en el

sistema de DEH como se muestra en la figura 15

Figura 15 Sistema de control DEH

10

Salustiano García Pecero, Control electrohidráulico de turbinas de vapor, CFE, México, 2008, pp. 12



2.1.1 Modo de operación

La velocidad de la turbina y la carga son controladas por la posición de las válvulas con

las cuales se regula el flujo de vapor a la turbina. El DEH ajusta automáticamente la

posición de las válvulas a través de una señal eléctrica suministrada a las servo-válvulas

que regulan la presión de aceite a los actuadores.11

El DEH se compone de los siguientes equipos principales:

Unidad de Potencia Hidráulica HPU

Sistema de distribución de aceite de alta presión

Actuadores electrohidráulicos

Sistema de control digital

Para que el sistema de control electrohidráulico opere bajo condiciones óptimas es

primordial mantener un control estricto de las características fisicoquímicas del aceite.

Esto debido a que en el sistema existen componentes que pueden ser obstruidos por

impurezas o los metales pueden ser atacados por el pH y humedad que pueda contener

el aceite.

El aceite recomendable para ser utilizado en el DEH debe tener las siguientes

características:12

Aceite de alta presión sintético

Punto de inflamación: ≥300˚C

Densidad: 1.136g/ml a 20˚C

El nivel de limpieza del aceite es requerido en base a las características de construcción

de las servo-válvulas siendo estos los elementos más delicados del sistema. Para el caso

de la CT FPR el modelo de las servo-válvulas es J073-229 fabricadas en Japón

11

Ítem 12

Ibídem, pp. 27



Descripción de los diferentes sistemas de aceite

El objetivo de los sistemas de aceite en el turbogrupo es mantener el flujo, la presión y la

temperatura de aceite en valores controlados tales que aseguren la correcta operación del

turbogrupo disminuyendo con esto la probabilidad de operar bajo condiciones anormales

que provoquen daños severos y/o irreparables a los diferentes elementos del turbogrupo.

El turbogrupo cuenta para su operación y protección con bombas de aceite de lubricación,

bomba torna flecha y bomba de corriente directa las cuales succionan el aceite del tanque

principal que tiene una capacidad suficiente para dar el flujo requerido por el sistema de

lubricación y protección de la turbina. 13

El turbogrupo cuenta con una Unidad Hidráulica de Potencia (HPU) la cual incluye

bombas de alta presión que succionan el aceite del tanque de esta misma unidad y lo

descargan al sistema con una presión de 120 kg/cm2 suficiente para dar la potencia

requerida por los cilindros hidráulicos para posicionar las válvula de turbina y mantener el

control adecuado de cada una de ellas.

El aceite electrohidráulico previo a realizar la función de control en las válvulas de turbina

es pasado a través de un enfriador que utiliza como medio refrigerante agua de

circulación. El flujo de agua de circulación es controlado por una válvula de control que da

respuesta a una señal de temperatura. La operación correcta de este control es

importante ya que la temperatura del aceite a la salida del enfriador debe ser de 40˚C y

retornar al tanque aproximadamente a 60˚C. La finalidad de controlar esta temperatura es

que el aceite mantenga la viscosidad adecuada para evitar que opere en forma ineficiente

en los dispositivos de control provocando con ello oscilaciones u operación anormal de las

válvulas de turbina14

Aceite de Alta Presión

Al poner en servicio cualquier bomba de aceite de la HPU, el aceite se presuriza hasta las

servo-válvulas de las válvulas de estrangulamiento, válvulas interceptoras y válvulas de

gobierno. Las válvulas de estrangulamiento e interceptoras permanecen cerradas al

13

Ibídem, pp. 31 14

Ibídem, pp. 31-32



momento de llevar a cabo el restablecimiento de la turbina, sin embargo las válvulas de

gobierno abren al 100%.15

Las válvulas de paro de vapor RH, no cuentan con servo-válvula por lo que la

presurización se efectuará directamente sobre el pistón abriendo en el momento del

restablecimiento de la turbina. Mientras no sea restablecida, el aceite estará drenándose y

recirculando hacia la HPU por efecto de la válvula SV-201.16

Cuando la turbina sea restablecida, por acción de la lógica de control del DEH, las servo-

válvulas de las válvulas de gobierno y de las válvulas interceptoras permitirán el paso de

aceite presurizando los servomotores con lo cual estas válvulas abrirán al 100%. 17

2.1.2 Descripción funcional del sistema de control

El sistema cuenta con 14 actuadores, 12 servo-válvulas, 14 LVDT´s, 14 válvulas de

drenaje, 14 acumuladores y 14 solenoides para prueba de válvulas, todos estos

elementos instalados en las válvulas de turbina, además de la Unidad Hidráulica de

Potencia (HPU) la cual a través de las bombas de alta presión suministra aceite de alta

presión de su propio tanque a todo el sistema. La presión de suministro es de 120 kg/cm2

y se alcanza al poner una sola bomba en servicio para el 100% de carga de la unidad, la

otra bomba queda en reserva como respaldo por falla o mantenimiento para dar mayor

confiabilidad operativa. Cuenta con un automatismo de tal forma que al dispararse una

bomba entra la otra inmediatamente, esto también sucede al presentarse una presión en

el cabezal menor de 102 kg/cm2.18

2.2 VÁLVULAS DE CONTROL

Las válvulas de control se han manipulado dentro de la década de los 90 „s así como

en la actualidad en algunas centrales termoeléctricas, mediante dos servomotores que

se encuentran a los costados de la válvula gobernadora. El movimiento ejercido por los

servomotores son los causantes de la apertura o cierre de las válvulas de control

15

Ibídem, pp. 2 16

Ídem 17

Ídem 18

Ibídem, pp. 6



Como se ha mencionado, la manipulación de las válvulas de control en la actualidad se

encuentra regida en cierto porcentaje por servo motores, los cuales poco a poco están

siendo desplazados por nuevas tecnologías, una de ellas son las servo-válvulas, las

cuales por sus características que se mencionan en el capitulo anterior dan una

ventaja en comparación de los servo motores, por lo que aumenta la precisión de la

apertura y cierre de cada válvula de control

2.2.1 Descripción de los sistemas existentes

Servomotor de las válvulas de control

El servomotor opera las válvulas de control de la caja de distribución de vapor; el vástago

de su embolo está conectado a través de un par de eslabones a la palanca de operación

de las válvulas de control. La palanca está apoyada de tal manera que un movimiento

hacia arriba del pistón de operación, abre las válvulas y un movimiento hacia abajo las

cierra.

El pistón del servomotor es controlado por la respuesta de presión contenida en el cilindro

del servomotor, el embolo admite aceite de alta presión a una cámara debajo de este para

abrir las válvulas, y lo alivia al dren para cerrarlas (se cierran por la acción de los resortes

montados sobre cada válvula) como se muestra en la figura 16. El aceite de alta presión

es suministrado a la cámara arriba del embolo por medio de un pequeño orificio taladrado.

La presión en esta cámara es mantenida por los pernos del vástago del embolo, de

manera que la fuerza del resorte y la fuerza debida a la presión del aceite son

balanceadas.



Figura 16 Manipulación de válvulas de control mediante servomotor

Válvulas de prueba del servomotor de las válvulas de control.

Las válvulas de prueba del servomotor de las válvulas de control es esencialmente una

válvula de regulación de presión de aceite y está provista para probar la libertad de

movimiento del vástago de las válvulas de control durante la operación normal.

Este dispositivo está montado en el cilindro del servomotor de las válvulas de control y

está conectado a través de agujeros taladrados a la cámara de abajo del embolo

relevador del servomotor y a la línea del dren en el cilindro del servomotor.

Para probar las válvula de control, el volante es girado en la dirección de las manecillas

del reloj manualmente o bien remotamente por medio del motor hasta que se tenga una

presión positiva debajo de la válvula de copa. Un switch de presión conectado a la cámara

de debajo de la válvula de copa indica cuando esta presión positiva sea producida. En

este tiempo la compresión del resorte cargado de la válvula de copa es suficiente para

restringir el flujo de aceite al dren, creando así una contrapresión en el embolo relevador

del servomotor.



Las válvulas de control cierran en proporción a este cambio de presión permitiendo el

control de cierre de estas válvulas durante el cierre y apertura.

Se requiere una presión positiva de 2.1 2/kg cm bajo la válvula de copa para cerrar

completamente las válvulas de control. Virando el volante en dirección contraria a las

manecillas del reloj, se releva al dren del aceite a través de la válvula de copa y las

válvulas de control abren. El movimiento de las válvulas puede detenerse en cualquier

posición ya sea cuando se abre o se cierra.

Características y parámetros

Características principales Parámetros de operación

Fabricante: Mitsubishi Heavy Ind. Al 100 % de carga

Tipo: tapón simple Presión: 169 kg/cm2

Material cuerpo caja de vapor: Temperatura: 538°C

Acero forjado al cromo. Molibdeno. Flujo de vapor: 915.3 ton/hr

Material válvula: acero al cromo.

2.3 SERVO-VÁLVULA

Se emplean en el sistema (CEH) para convertir las señales de baja potencia de los

circuitos de CEH a niveles de potencia altos, que son proporcionadas a las válvulas de

control. Esto se realiza por medios de servo-válvulas de tres o cuatro vías para

controlar el flujo del aceite desde un actuador hidráulico en proporción a la corriente en

la servo-válvula.



2.3.1 Características y parámetros

Desde siempre los accionamientos hidráulicos han sido utilizados ampliamente en

aplicaciones donde se requiere altas potencias, como la industria del transporte,

construcción, carga, manufactura, recreación, entre otras, debido a su principal ventaja, la

cual es transmitir fuerzas elevadas con ayuda de elementos de dimensiones reducidas,

con lo cual se obtiene una relación potencia-peso mucho mayor que los sistemas

neumáticos y eléctricos. Típicamente se utilizan dos tipos de actuadores hidráulicos:

cilindros y motores. Cada uno de ellos con un amplio número de clasificaciones que se

seleccionan de acuerdo a la necesidad, si es de tipo lineal o rotatorio.

Las servo-válvulas empleadas en el sistema cuentan con los siguientes parámetros

Marca: Moog

Nc: numero de espiras de cada bobina 915

Resistencia de cada bobina 29 ohms (+ - 7%)

t: longitud del espacio de aire entre armadura e imán permanente = 0.48 mm

a : radio de al armadura = 20.21 mm

Área de paso de flujo magnético entre armadura e imán permanente = 20.47 mm

El par desarrollado por el motor en función del ángulo de giro de la armadura y para

diferentes intensidades se muestra en la figura 17

Figura 17 Representación grafica del momento creado por el motor de par



Las características propias de la servo – válvula se muestran en las tablas 2, 3 y 4 presentadas a continuación y seccionadas en características técnicas, hidráulicas, técnicas eléctricas, electrónica externa e información sobre protección.

Tabla 2 Características técnicas de servo-válvula

Tabla 3 Características hidráulicas



Tabla 4 Características adicionales (electrónica externa e información contra explosión)



2.3.2 Control actual de servo-válvula

Actualmente la mayor parte de las C.T. han actualizado sus sistemas electro-

hidráulicos a sistemas DEH por las ventajas que tienen los PLC. De las misma forma en

la que el PLC se ha ido introduciendo dentro de la generación en las C.T. las servo

válvulas han tenido un gran impacto al control de las válvulas de control ya que por

ser más precisas en sus movimientos y tratar la manipulación de cada válvula de

control en forma individual proporcionan una mayor exactitud en la regulación de

vapor.

Control DEH

El mecanismo controlador digito electrohidráulico provee flexibilidad por medio del uso

de dispositivos digitales en conjunto con componentes electrónicos.

El control DEH tiene la función de mandar la lógica de control deseada a las servo-

válvulas, las cuales gobiernan finalmente a las válvulas de control.

El control propio de las servo-válvulas actualmente se centra en controladores lógicos

programables los cuales proporcionan la lógica de control a las servo-válvulas y dichas

actúan a voluntad de dicha secuencia programada.

Dicho control a pesar de sus versatilidades cuenta con oscilaciones ocasionadas por

partículas que afectan el optimo funcionamiento de las servo-válvulas. Las oscilaciones

existentes son reducidas por filtros en el sistema hidráulico.

A pesar de utilizar filtros de alta calidad las oscilaciones no son reducidas al grado de no

provocar perturbaciones en el sistema por lo que aun se cuenta con un control con

carencias.

2.3.3 Control de servo-válvula propuesto

El control propuesto integra un PID con el fin de reducir la oscilación que afecta al

sistema haciendo al control más fino y preciso en sus acciones de control



2.3.4 Circuito de regulación de posición PI

Figura 18 Diagrama de bloques del accionamiento de un cilindro con regulación de

posición

En este caso (Figura 18) se considera a la servo-válvula y al cilindro como un sistema

de segundo orden conectados en serie.

La integración está dada en este caso para el pasaje de velocidad a la carrera del

cilindro. Dicho sistema se puede ver como un sistema de segundo orden si se observa

bajo el aspecto de la técnica de regulación. El cilindro posee un comportamiento

proporcional referido a la velocidad y comportamiento integral referido a la carrera del

cilindro como se muestra en la Figura 19



Figura 19 Grafica carrera – tiempo

Influencia de la dinámica de la servo-válvula sobre el circuito de regulación

Figura 20 Diagrama a bloques simplificado de cilindro con regulación de posición

Despreciando las características dinámicas de la servo-válvula y el cilindro de

posicionamiento se obtiene un sistema de primer orden para el cual vale lo siguiente:

La amplificación del circuito Kv es igual al producto de todos los factores de

amplificación de todos los componentes de transmisión en el circuito mostrado en la

figura 20.



Kv= Kp∗𝑉

𝑞∗𝐾 𝑥

𝐴 [s-1]

Vq =Amplificación del caudal [ cm3 / s / V ]

Vp =Amplificación de presión [ bar/Volt]

Kp =Amplificación eléctrica

Kx =Amplificación en el captador de posición [V/cm]

Kpq =Amplificación caudal presión [cm3/s/bar]

Kv =Amplificación del circuito [ cm2 ]

A= Superficie del cilindro [ s-1 ]

Constante de tiempo en el circuito de regulación

La constante proporcional es proporcional a 1 / Kv

T = 1 / Kv [s]

Es decir, en cuanto es más grande la amplificación del circuito Kv más rápido será el

sistema.

Con lo presentado en este capítulo se cuenta con las bases necesarias para adentrarse

al control de la servo - válvula por PLC con integración de un PID ya que se expusieron

apartados que describen el sistema actual.

Con esto concluye el capítulo 2, y una vez que conocimos desde el concepto hasta el

funcionamiento de cada uno de los elementos que constituyen el sistema electrohidráulico

se dará pie al capítulo 3, en el cual se desarrollará toda la ingeniería, como lo es el

modelado, la simulación del modelo, la lógica de control de las servo-válvulas y la

propuesta de programación del PLC para el arranque del sistema.



INTRODUCCIÓN

Lo referido y puntualizado de los capítulos anteriores servirá para el correcto

desempeño del control de la servo válvula. Por lo que dentro de este capítulo se

desarrollara la integración del PID a una lógica de control propuesta dentro de

parámetros conocidos.

Cabe mencionar que lo descrito en este capítulo es basado y adaptado a modelos

existentes con el fin de tener mayor margen de precisión en las simulaciones. Dichas

simulaciones responderán exclusivamente a parámetros teóricos, por lo que si se desea

implementar en planta la sintonización del PID tiene que ser en condiciones internas de

dicha planta.

Por lo que en este capítulo se describe a grandes rasgos la obtención del modelo, se

enfoca en la lógica de control en PLC y el impacto de la integración de PID dentro del

sistema.

CAPÍTULO III

CONTROL DE LA SERVO - VÁLVULA



3. 1 DESARROLLO DE INGENIERÍA.

Los modelos, las simulaciones, la propuesta de lógica de control así como los valores del

PID presentados en este capítulo son basados en condiciones de laboratorio y con

valores de catalogo propio de la servo-válvula a estudiar (MOOG) además de ser

enfocados a un PLC SIEMENS por lo que en condiciones de planta ( Central

Termoeléctrica ) pueden verse modificados de acuerdo a condiciones presentadas en la

misma.

3.2 MODELADO

De acuerdo a las características que presenta la servo-válvula el modelo matemático no

puede ser considerado como un todo si no un conjunto que se desglosa en dos

partes fundamentales las cuales tienen su propio modelo por lo que se abarcaran de

forma independiente en:

Modelo eléctrico (motor de par)

Modelo hidráulico (toberas paleta)

3.2.1 Modelo eléctrico (motor de par)

Motor de par

Este es el elemento principal de accionamiento para el control de la servo-válvula, en

concreto se trata de un dispositivo eléctrico que da un par proporcional a la intensidad

suministrada a la bobina.

Debido a que las características estáticas y dinámicas del motor de par juegan un

papel importante en el funcionamiento de las servo-válvulas, se analizan a

continuación.

El motor de par está alimentado por una fuente de corriente continua de 12 v la cual

crea una intensidad de corriente suministrada.

Dicho comportamiento se puede apreciar en la Figura 21 y 22



Figura 21 Esquema de funcionamiento de un motor de par

(a) (b)

Figura 22 Esquema del flujo magnético

Con el fin de establecer el flujo en los espacios entre armadura e imanes permanentes

a través de la propia armadura se hará un análisis aproximado asumiendo que los entre

hierros constituyen las reluctancias dominantes en el circuito, esto implica que se

despreciara las reluctancias de los materiales magnéticos frente a las del aire.



Debido a la simetría podemos asumir que las reluctancias de los espacios de aire

diagonalmente opuestos son iguales valiendo.

1

0

t yR

A

2

0

t yR

A

Con estas suposiciones el circuito magnético puede simplificarse como se muestra en

la figura 21 b. Teniendo en cuenta que el flujo a través de los espacios opuestos será el

mismo, se deduce aplicando las leyes de Kirchoff:

0 01

122 (1 )

c c

g

M N i M N i

yRR

t

0 02

122 (1 )

c c

g

M N i M N i

yRR

t

Donde:

0

g

tR

A = reluctancia de cada espacio de aire en el punto neutro, (Amper/ Weber)

cN i = fuerza magneto motriz debida a las corrientes de control

0M viene definido en términos de flujo en el espacio de aire cuando la armadura esta

en el punto neutro

En el punto neutro donde (Δi = Y = 0) las dos ecuaciones anteriores se reducen a

0 0

01 2

2g

g

M

R

(5)

(6)

(7) (8)

(9)



Donde Φg es el flujo en cada uno de los cuatro espacios entre armadura e imán

permanente en el punto neutro. Así las relaciones de flujo en los espacios de aire son:

1

1

g c

y

t

2

1

g c

y

t

Donde la cantidad de Φc es el flujo debido a la intensidad diferencial, y se define

como

2

cc

g

N i

R

Podemos comprobar que el flujo en dos espacios de aire depende de la suma de flujo

del imán permanente y de la señal, mientras que en los dos espacios restantes el flujo

depende de la diferencia de los flujos mencionados.

Si se suma el flujo magnético en los dos extremos tenemos:

1 2p

1 2a

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)



Esta última se puede combinar con las ec (9) y (10), obteniendo:

2

2

2 2

1

g c

a

y

t

y

t

De consideraciones geométricas se puede decir:

tany

a

La aproximación indicada es válida debido a que las deflexiones son pequeñas

La ecuación fundamental de la fuerza generada por un campo magnético está definida

por:

2 2

0 02 2

B AF

A A

(

El par neto desarrollado será proporcional a la diferencia de los cuadrados de los flujos

en consecuencia el par neto desarrollado sobre la armadura será :

2 2

1 2

0

d

aM

A

Sustituyendo el flujo magnético por su valor, ecuaciones (10) y (11) y después de

ciertos desarrollos algebraicos obtenemos

22

2 2

22

2

1 1

1

ct m

g

d

yK i K

tM

y

t

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)



donde:

4( / )t c gK a t N = Constante de par del motor

21/ 1/(8( / )m g gK a t R = Rigidez magnética del motor de par

Finalmente de acuerdo a criterios la ecuación que determina el par que suministra el

motor en función de la intensidad suministrada a la servo-válvula y del ángulo girado

por la armadura es:

d t mM K i K

Partiendo de los datos de características y parámetros mencionados en el tema 2.3.1

se calcula Kt

Kt = par de motor / corriente = 0.113 / 0.020 Nm / A = 5.65 Nm/A

Para el flujo magnético se procede a sustituir valores en

4

tg

c

K

aN

t

= 9.77 x 10 -3 Weber

Por otro lado el valor de la reluctancia magnética en la posición central es

0

g

g

tR

A

= 1.86 x 107 Amper / Weber

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)



La constante magnética Km resultante es = 25.5 N m/rad

El par neto desarrollado por el motor de par en función al ángulo a distintas

intensidades se muestra en la figura 22.

3.2.2 Modelo hidráulico

Sistema Toberas/Paletas

Para dicho modelo se considera el principio de conservación de movimiento a un

volumen de control fijo tal y como se expresa en la siguiente ecuación:

( ) ( ) ( )salida entrada

n nVC S S

dF V dV V V ds V V ds

dt

Donde el primer sumando del segundo término de la ecuación expresa al

variación temporal de la cantidad de movimiento dentro del volumen de control.

El segundo y el tercer sumando del segundo término nos dan el flujo de la

cantidad de movimiento que entra y sale del volumen de control.

El primer término de la ecuación representa la suma de las fuerzas exteriores

que actúan sobre el volumen de control.

Fuerzas de flujo que actúan sobre la paleta cuando el flujo es saliente

Si se le denomina Pe a la presión a la entrada del sistema y Pt a la presión de salida

y aplicando la ecuación de la energía entre la entrada del sistema y la salida de la

tobera se tiene:

21

2Pe P V

Donde V es la velocidad media a la salida de la tobera

(26)

(27)



De acuerdo con la definición de caudal se puede decir:

0

[ ] 2

Pe PtQ Cd d X

Aplicando la ecuación de continuidad para una sección de paso circular, tenemos que

la velocidad media a la salida de la tobera se puede expresar:

0 [ ]4 2

X Pe PtV Cd

d

Aplicando el principio de la cantidad de movimiento al fluido contenido en el volumen

de control y suponiendo que el flujo es incomprensible y el flujo en régimen

permanente resulta:

( )extSC

F V vds

Posteriormente a operaciones algebraicas se obtiene la ecuación que determina la fuerza

resultante que el fluido ejerce sobre el sólido en función de la distancia tobera –

paleta, el diámetro de la tobera, el coeficiente de descarga y las presiones de entrada y

salida de la tobera

/

2

2 0( ) 1 44fluido solidoX

XR d Pe Pt Cd

d

(28)

(29)

(30)

(31)



3.2.3 Diseño del controlador PID por el método de Ziegler-Nichols

2 2

2 2

11

con Ti= y Td=0

( )5 4 6 9

( )

( ) 5 4 6 9

PID Kp TdsTis

KpPID Kp KpTds

Tis

KpG s PID

s s s s

C s Kp

R s s s s s Kp

2 2

4 3 2 3 2 2

4 3 2

4

3

2

0 1

0 1

0 0

5 4 6 9

. . 6 9 5 30 45 4 24 36

. . 11 43 69 36

1 43 36

11 69 0

polinomio caracteristico s s s s

p c s s s s s s s s

p c s s s s Kp

s Kp

s

s b b

s c c

s d

0

1

1 431 1(69 473) 36.7272

11 6911 11

1 361 1(0 (396 11 )) 36

11 011 11

b

Kpb Kp Kp



0

0

1

11 691

36.7272 3636.7272

1((396 11 ) 2534.1768) 58.2178 0.2995

36.7272

11 010

36.7272 036.7272

cKp

c Kp Kp

c

0

0

0

36.7272 361

58.2178 0.2995 058.2178 0.2995

10 ((58.2178 0.2995 ) (36 ))

58.2178 0.2995

36

Kpd

KpKp

d Kp KpKp

d Kp

4

3

2

0

1 43 36

11 69 0

36.7272 36

58.2178 0.2995 0

36

s Kp

s

s Kp

s Kp

s Kp

Para encontar la Kcr

58.2178 0.2995 0

0.2995 58.2178

58.2178

0.2995

194.3833

Kcr

Kcr

Kcr

Kcr



4 3 2

4 3 2

4 3 2

4 2 3

11 43 69 36 0

( ) 11( ) 43( ) 69( ) 36 194.3833 0

11 43 69 230.3833 0

( 43 230.3833) (69 11 ) 0

s s s s Kp

jw jw jw jw

w jw w jw

w w j w w

4 2 3

23

2

2

2

1

2

2

2

43 230.3833 0 69 11 0

469 11

2

43 1849 921.533211 69

2

43 927.4668 696.2727

2 11

43 30.4543

2

36.7271 6.2727

6.2727

6.2727

w w w w

b b acw w

a

w

w

w w

w

w

22.5087

6.2727

10.6(194.3833) 1 0.125 2.5087

(0.5)(2.5087)

1116.6299 1 0.3135

1.2543

ZN

ZN

Pcr

PID ss

PID ss



3.3 SIMULACIÓN DEL SISTEMA

En la simulación de la servo-válvula con un actuador lineal, observamos que el

movimiento del vástago de dicho actuador obedece a la ecuación siguiente:

2

2 ext

d Z dZM K PS F

dt dt

Los terminos independientes se agrupan en “a”

a

2

2 ext

d Z dZM K PS F

dt dt

Se igualan a cero

𝑀𝑑2𝑍

𝑑𝑡2 + 𝐾𝑑 𝑍

𝑑𝑡 – 𝑎 = 0

Todo se divide entre M

𝑑2𝑍

𝑑𝑡2 +𝐾

𝑀

𝑑 𝑍

𝑑𝑡 –

𝑎

𝑀= 0

Se depeja en termino de mayor orden

𝑑2𝑍

𝑑𝑡2 = 𝑎

𝑀−

𝐾

𝑀

𝑑 𝑍

𝑑𝑡

Se sustituye por 7 en 6

𝑦 =𝑑 𝑍

𝑑𝑡

Se obtiene 8

𝑑𝑦

𝑑𝑡 =

𝑎

𝑀−

𝐾

𝑀 𝑦

(32)

(33)

(34)

(35)



Matlab simulink

De acuerdo a los parametros establecios con anterioridad se plantea el siguiente

diagrama a bloques con la simulación del comportamiento de la servovalvula.

En la Figura 23 se muestra el diagrama de bloques que representa el comportamiento

del sistema sin controlador PID apreciado en la figura 24.

Figura 23 Diagrama a bloques de sistema sin PID

Figura 24 Comportamiento del sistema sin PID

Posteriormente en la figura 25 se muestra el diagrama que se representa con la

integración del PID.



Figura 25 Diagrama a bloques del sistema con PID

Figura 26 Comportamiento del sistema con PID



En la figura 27 se muestra la comparación del sistema con y sin integración del PID

Figura 27 Comparación del sistema con y sin PID (A)

Como se muestra en la figura 27 el sistema que no tiene integrado el PID tiene un

comportamiento no apropiado para laborar por lo que se observa un sobre impulso en la

reacción así como un tiempo mayor para estabilizarse.

Figura 28 Comparación del sistema con y sin PID (B)



Dentro de la figura 28 se enmarca el comportamiento que tienen los sistemas con la

finalidad de visualizar con mayor detalle la sección en la que existe un rango de

variación

Figura 29 Análisis del sistema comparado

En la figura 29 se muestra la diferencia existente entre las dos señales de salida, la señal

del mayor sobre impulso es la referente a la gráfica sin control PID y la del menor sobre

impulso es la gráfica que representa la señal con control PID.

Esta gráfica se realiza con un valor de 80% de apertura en la servo-válvula, obteniendo

los siguientes valores (mín, máx).

El punto máximo tiene un valor de: 5.32x10-³cm

El punto mínimo tiene un valor de: 2.3 x10-³ cm

La diferencia entre estas 2 señales (ΔG) es igual a: 3.02 x10-³ cm

La generación de potencia en la turbina es de 340 MW, ya que se tienen 4 servo-válvulas

para el control del flujo de vapor hacia la turbina, se divide la potencia total entre 4,

quedando la potencia parcial por cada servo-válvula con 85 MW.

ΔG

P. máx.

P. mín.



Realizando una regla de 3, conociendo que 1 cm de desplazamiento en la servo-válvula

representa la apertura total de flujo, que su máxima potencia de salida será de 85 MW, y

utilizando la ∆G con el valor conocido de 3.02 x10-³ cm. Entonces:

1

3.02 x10−3

85 𝑀𝑊

𝑥

Quedando la incógnita x con un valor de : 256.7 KW. Lo que se traduce a un ahorro de

energía de esa magnitud en un lapso de unos segundos.

3.4 CONTROL PLC

3.4.1 Filosofía de control

Debido a que no se cuenta con la filosofía de control que maneja Comisión Federal de

electricidad (CFE) por ser un secreto de industria o empresa, a continuación se propondrá

una lógica de control alterna a la original, tratando de analizar los elementos más

significativos que nos conlleven a un bueno control de nuestras servo-válvulas dentro del

sistema de gobierno de la turbina

Principalmente hay que aclarar que la turbina cuenta con dos válvulas de gobierno y cada

una de ellas cuenta a su vez con 4 actuadores, cada par de estos actuadores son

controlados mediante las servo-válvulas por lo que en nuestro sistema de gobierno

contamos con 4 servo-válvulas.

La potencia que genera la turbina es de 340 MW que es la potencia que nos van a

generar nuestros actuadores abiertos al 100 % por lo que para el análisis solo se va a

generar el control para un lado gobernador de la turbina ya que el otro lado es

prácticamente lo mismo.

Entonces dividiremos la capacidad entre 4, que serian 85 MW que produciría cada par de

actuadores abiertos al 100% y por lógica la capacidad producida por cada servo-válvula.



Para una mayor comprensión la lógica de control se explica en base a la apertura de un

solo actuador, pero hay que tener en cuenta que el elemento que va a ejercer la acción de

control es la servo-válvula mediante su posicionamiento y el libre paso del aceite

hidráulico.

ARRANQUE.

Para precalentar la turbina se procede de la siguiente manera:

El actuador No.1 se abre al 10% de su capacidad de apertura.

Una vez obtenido este porcentaje de apertura, el actuador No.2 entrara de la

misma manera que el primero, abriendo hasta el 10% de su capacidad.

Posteriormente se abrirá el actuador No. 3 hasta el 10% de su capacidad de

apertura.

Finalmente se accionara el actuador No.4 hasta que alcance su 10% de apertura

total.

Posteriormente se abrirán los actuadores hasta una capacidad del 30% de la

apertura total de cada uno de ellos, siguiendo la misma secuencia antes

mencionada para cada actuador.

Acabada la apertura del 30% de los actuadores, abrir hasta el 50% de la

capacidad total cada uno de los actuadores.

Para finalizar el arranque, llevar hasta el 80% de apertura cada uno de los

actuadores, en esta fase la turbina está en condiciones adecuadas para su

funcionamiento normal.



DIAGRAMA DE FLUJO DEL ARRANQUE PROPUESTO PARA LA TURBINA

Figura 30 diagrama de flujo



ESQUEMA DE INTERVALOS DE TIEMPO EN EL ARRANQUE PROPUESTO

Figura 31 Esquema de intervalos de tiempo en el arranque

El diagrama anterior nos muestra el desglose de los tiempos de apertura del actuador de

acuerdo al porcentaje de apertura.

Empezamos teniendo parado o apagado el proceso, en un determinado tiempo se

presiona el botón de arranque y el actuador debe comenzar abriendo en un 10 %,

teniendo en cuenta que existe un tiempo determinado de apertura desde que arranca

hasta que existe un tiempo de espera.



Comportamiento del transmisor de posición (LVDT)

El transmisor empleado en el sistema, debe tener límites mínimos y máximos que sense

desde el 0% de apertura con 4 mA a la salida, hasta el 100% de apertura con 20 mA a la

salida. Para los transmisores LVDT usados en el sistema se define a continuación los

argumentos que definen su comportamiento:

Su comportamiento es lineal

La señal mínima que entrega es de 4 mA y la máxima de 20 mA

Teniendo en cuenta que el comportamiento del LVDT es lineal, se hace uso de la

ecuación general de la recta.

y mx b

donde:

2 1

2 1

y ym

x x

En el caso del transmisor la pendiente está dada por:

20 40.16

100 0m

Sustituyendo se obtiene:

0.16y x b

Evaluando la ecuación en 4y ; 0x se tiene:

4 0.16(0) b

Por lo tanto:

4b

Por lo tanto la ecuación del comportamiento del LVDT es:

0.16 4y x

Teniendo esto, se puede realizar la tabulación correspondiente de los valores, teniendo

como resultado la figura 32

(36)



Figura 32 Comportamiento del LVDT

Su representación en diagrama de bloques queda como:

0123456789

101112131415161718192021

0 6.2

5

12

.5

18

.75

25 31

.25

37

.5

43

.75

50 56

.25

62

.5

68

.75

75 81

.25

87

.5

93

.75

10

0C

orr

ien

te (

mA

)

% de apertura

Comportamiento del LVDT

0.16 4y x

Posición censada

( 0% - 100% )

Salida de corriente

( 4 – 20 mA )



3.4.2 Criterio de selección del PLC

A continuación se presentan las características mínimas que se requieren para operar de

manera real sin importar el PLC que se trate:

Tener compatibilidad con tarjetas de entradas y salidas analógicas de 4-20 mA.

Capacidad de realizar operaciones en la programación con punto flotante.

Es necesario que se pueda programar uno o varios controles PID de acuerdo a la

simulación.

Por lo que se plantea la propuesta de utilizar el PLC Allen Bradley SLC 500, ya que de

manera fácil podemos contar con el programa RSLogix, y los simuladores RSLinx o

RSEmulate, ya que no se conto con el acceso a las instalaciones.

3.4.3 Selección de módulos de entradas

La selección de módulos de entrada se basó en las características reales de los

transmisores–sensores. Para esto se tienen que tomar en cuenta las siguientes

características de las tarjetas de entrada para su correcta interpretación en el PLC.

Se debe de emplear el menor número de módulos de entradas.

Dado a que las ecuaciones de simulación se basaron en sensores reales con

señales de 4-20 mA se debe de emplear módulos de entradas que puedan

interpretar estas señales.

La selección de los módulos de entradas analógicas depende en gran medida del

escalamiento que se requiera para el control del proceso.

Por lo que el modulo de entradas y salidas que cumple con lo anterior es la tarjeta de

entrada 1746-NI8, ya que el número de entradas es adaptable a las entradas que

tenemos.



Tipo de entrada Rangos de señal Unidades de

ingeniería

Escalamiento de

unidades de

ingeniería

10 Vcc -10.25 V a +10.25

V

-10250 a +10250 1 mV/step

0-5 Vcc -0.5 V a +5.5 V -500 a +5500 1 mV/step

1-5 Vcc +0.5 V a +5.5 V +500 a +5500 1 mV/step

0-10 Vcc -0.5 V a +10.25 V -500 a +10250 1 mV/step

0-20 mA -0.5 mA a 20.5 mA -500 a 20500 1.0 µA/step

4-20 mA 3.5 mA a 20.5 mA 3500 a 20500 1.0 µA/step

20 mA -20.5 mA a 20.5

mA

-20500 a 20500 1.0 µA/step

0-1 mA -0.05 mA a 1.05

mA

-50 a 1050 1.0 µA/step

Tabla 5 Modos de escalamiento para la interpretación en el PLC

Los valores de la tabla anterior solo son para que se puedan manejar dentro del programa

RSLinx realizando operaciones sin control PID, debido a que en este caso se plantea un

control en cascada, es necesario agregar dos controladores PID, pero los valores de

escalamiento empleados para la interpretación del PID son totalmente diferentes a los

antes mencionados, por lo que es necesario realizar otro escalamiento basado en los

valores de la tabla 6.



Tipo de entrada Rango de señal Escalamiento para el PLC

10 Vcc -10.00 V a +10.00 V 0 a 16383

0-5 Vcc 0.0 V a +5.00 V 0 a 16383

1-5 Vcc +1.00V a +5.00V 0 a 16383

0-10 Vcc 0.0V a +10.00V 0 a 16383

0-20mA 0.0 mA a 20.0 mA 0 a 16383

4-20mA 4.0 mA a 20.0 mA 0 a 16383

20mA -20.0 mA a 20.0 mA 0 a 16383

0-1mA 0.0 mA a 1.00 mA 0 a 16383

Tabla 6 Modos de escalamiento para la interpretación del PID

En el caso de entradas digitales se maneja el modulo de entradas digitales 1746-IB8, la

razón por la cual se agrego este modulo es el poder mandar una señal de arranque y paro

del sistema de lubricación de forma manual. En este caso el escalamiento no es

considerado ya que solo se manda una señal de parte de una entrada para arrancar el

sistema y otra señal para poder detenerlo. Debido a que no se tiene acceso a la planta, en

la presente propuesta se plantea únicamente una señal de accionamiento sin tomar en

cuenta el mecanismo que la produzca.

3.4.4 Selección de los módulos de salida

En la presente propuesta solo se presenta una salida analógica, la cual produce una señal

de 4-20mA controlada, esta señal puede ser manipulada de tal manera que pueda

satisfacer las necesidades de control para cualquier tipo de válvula lineal y de cualquier

marca, pero de igual manera es necesario realizar un escalamiento para que se pueda

interpretar la señal que manda el control propuesto al modulo de salida analógica, para

este caso se platea un modulo 1746-NIO4I, en el cual los rangos de operación y

escalamiento están definidos en la tabla 7



Rango de la señal de

salida

Rango decimal Resolución

4-20mA 6,242 to 31,208 2.56348 μA

0-10 Vcc 0 to 32,764 1.22070 mV/

0-5 Vcc 0 to 16,384 1.22070 mV/

Tabla 7 Escalamiento de la señal de salida de la tarjeta 1746-NIO4I

En el caso de la salida digital se propone un modulo de salida 1746-OA8 ya que se

plantea una señal la cual se pueda manejar a consideración de las especificaciones de la

planta, la cual produzca el paro o arranque del sistema de lubricación.

3.4.5 Selección del CPU

La selección del PLC se baso principalmente en dos aspectos

Memoria del CPU

Instrucciones

Teniendo como selección el procesador SLC5/03 debido a las siguientes características

Este procesador proporciona 8 k o 16 k de memoria. E l canal RS-232 integrado le

proporciona la flexibilidad de conectar dispositivos inteligentes externos sin la necesidad

de tener módulos adicionales. Los sistemas modulares de E/S se pueden configurar con

un máximo de 3 chasis (30 ranuras en total) y de 4 puntos de E/S se a un máximo de

4096 puntos de E/S.

3.4.6 Selección de la fuente de alimentación

La selección de la fuente se basa principalmente en tres factores de capacidad de

corriente de las tarjetas y del cpu del PLC

Capacidad de corriente (Amper) a 5V

Capacidad de corriente (Amper) 24 V



Capacidad de corriente del usuario

Así mismo existen una diversidad de 7 fuentes de alimentación para el PLC SLC 500 con

sus diferentes características de capacidad de corriente y voltaje de línea, estas

características se observan en la tabla 8

No

deCat.

Voltaje de

linea

Capacidad de

corriente (Amps ) a

5V

Capacidad

de corriente

(Amps) 24 V

Capacidad de

corriente del

usuario

Corriente de

entrada al

momento de

arranque. max

1746-P1 De 85-

132/170-265

VCA, DE 47 A

63 hZ

2A

0.46

0.2 mA a 24 VCC

20 A

1746-P2 De 85-

132/170-265

VCA, DE 47 A

63 hZ

5A

0.96

0.2 mA a 24 VCC

20 A

1746-P3 De 19.2 a 28.8

VCC

3.6A

0.87

--------------------

20 A

1746-P4 De 85-

132/170-265

VCA, DE 47 A

63 hZ

10A

2.88

1 mA a 24 VCC V

45 A

1746-P5 De 90 a146

VCC

5A 0.96 0.2 mA a 24 VCC 20 A

1746-P6 De 30 a 60

VCC

5A 0.96 0.2 mA a 24 VCC 20 A

Tabla 8 Características de las fuentes de alimentación



Para la selección de la fuente es necesario tomar en cuenta los factores mencionados

anteriormente para cada tarjeta de entrada, salida y el CPU, para este caso los cálculos

se realizaron mediante la tabla 9

Chasis Nº 1 Corrientes máximas

Numero de ranura Nº de catalogo 5 VCC 24 VCC

0 1747-L532 500 mA 175 mA

1 1746-NI8 200 mA 100 mA

2 1746-NIO4I 55 mA 145 mA

3 1746-OA8 185 mA -

4 1746-N2 - -

5 1746-N2 - -

6 1746-N2 - -

Corriente total 0.94 A 420 mA

Tabla 9 Distribución de corriente de acuerdo a los módulos empleados

Los datos de corriente total se emplean para poder obtener la potencia en watts mínima

necesaria para poder tener un correcto desempeño del sistema, estas operaciones se

observan en la tabla 10 con la cual se obtiene la fuente de alimentación requerida para el

PLC de la presente propuesta.

Corriente Multiplicar por = Watts

Corriente total a 5 VCC

0.940 A 5 V 4.7 Watts

Corriente total a 24 VCC

0.420 A 24 V 10.08 Watts

Corriente de usuario a 24 VCC

0.500 A 24 V 12 Watts

Fuente de alimentación requerida 1746-P1

Tabla 10 Selección de la fuente de acuerdo al consumo de los módulos



3.4.7 Programación

La base de la propuesta de control por PLC se realizó tomando en cuenta las señales de

entrada y las señales de salida, tal y como se muestra en la figura 33 existen tanto

entradas analógicas como digitales, pero en el planteamiento de esta propuesta se busca

el control de la variable analógica de salida a la válvula de control.

Figura 33 Diagrama de entradas y salidas físicas del PLC

A su vez se realizó un escalamiento de cada variable como se menciono en la selección

de tarjetas de entradas y salidas para la interpretación de la interfaz, este escalamiento se

puede observar en la programación

Programación del PLC

En esta sección se explicará el programa realizado en RSLogix 500 línea por línea para

que se tenga la información necesaria para entenderlo. El programa está construido por

dos partes, la primer parte es la principal (LAD 2), mientras que la secundaria es la

subrutina 1 (LAD 3 - SUB 1).

Para poder entender con mayor facilidad el programa hay que tener presente la lógica de

programación y el diagrama de entradas y salidas.



LAD 2

Línea 0000

I:1/0 - Botón de paro general (NC)

I:1/1 - Botón de arranque general (NA)

I:1/2 - Contacto de protección (NC)

Descripción.- El sistema bajo el control del PLC se activará siempre y cuando las 3

entradas estén con 1 lógico, es decir, que el botón de arranque general (I:1/1) se oprima,

cuando se oprima el botón de arranque general se dará paso a que comience la subrutina

1,En el momento que se cumple la condición mencionada anteriormente, el sistema está

listo para operar (solo estará listo para operar, no iniciará a operar el sistema).

Línea 0001

Descripción.- Aquí únicamente aparece el comando o la instrucción END, que quiere decir

que finaliza el programa principal.

LAD 3 (SUB 1)

Línea 0000

Descripción.- Se inicia utilizando el comando MOV, este se encarga de trasladar un dato a

una localidad, en este caso se pasa el valor del contador C5:0.ACC a la localidad de

memoria N7:2. El PLC tiene una lógica de lectura de arriba hacia abajo, por lo que el

comando MOV tiene la tarea de pasar los valores que se encuentran en líneas más abajo

hacia las primeras líneas, esto es para tener los valores de los comandos con prioridad en

la lectura y de este modo tener actualizados dichos datos y que el PLC los tenga en

cuenta desde el principio.



Línea 0001

Descripción.- Al igual que en la línea 0000, se utiliza el comando MOV para pasar el valor

del contador C5:1.ACC a la localidad de memoria N7:6.

Línea 0002

Descripción.- Esta línea contiene un bloque nombrado ADD y se emplea para sumar 2

señales (N7:2 y N7:6), la salida de esta sumatoria se guardará en la localidad de memoria

N7:3.

Línea 0003

Descripción.- Se mueve el valor del contador C5:2.ACC a la localidad de memoria N7:7.



Línea 0004

Descripción.- Sumar las señales N7:3 y N7:7, la salida de esta sumatoria se guardará en

la localidad de memoria N7:4.

Línea 0005

Descripción.- Se mueve el valor del contador C5:3.ACC a la localidad de memoria N7:8.

Línea 0006

Descripción.- Sumar las señales N7:4 y N7:8, la salida de esta sumatoria se guardará en

la localidad de memoria N7:5.



Línea 0007

Descripción.- Se mueve el valor de N7:15 a la localidad de memoria N7:16.

Línea 0008

Descripción.- Aquí se encuentra el bloque SCP (Scale With Parameters) el cual sirve para

escalar los valores de entrada a valores que entienda el PLC, y posteriormente convertir

estos valores a otros que se utilicen para la activación de la salida (actuador). El bloque

SCP tiene una entrada (N7:5), la cual va a ser escalada de un valor de entrada que va de

4 a 20 mA y tendrá una salida de 0 a 16383, este último rango es el que entiende el PLC,

es decir, el PLC no utiliza las señales de 4 a 20 mA, es por esta razón por la cual se

deben de escalar las señales.

Línea 0009

Descripción.- Al igual que el comando pasado este SCP se encargará de escalar una

señal a otra, en este caso se empleará para escalar los valores del PLC a una señal de

salida que recibirá la servo-válvula.



Línea 0010

Descripción.- En esta línea se inicia la secuencia de arranque, la entrada I:1\3 es la señal

que manda el LVDT al PLC y al estar en 1 lógico activará la bobina B3:0\5 que

inmediatamente enclavará al circuito.

Línea 0011

Descripción.- La línea de programación comienza con un contacto normalmente abierto

(NA) de la bobina B3:0\5, luego pasa a un contacto normalmente cerrado (NC) del

contador C5:0.DN que servirá para evitar que el timer TON T4:1 siga su secuencia de

conteo. La indicación DN significa done, que tiene la función de activarse cuando el

comando haya terminado su tarea respecto al preset elegido. Por último se tiene al ya

mencionado timer TON T4:1 que realizará un conteo hasta llegar a su preset.



Línea 0012

Descripción.- Existe un contacto NA que cerrará cuando el timer TON T4:1 logre llegar al

valor del preset, al cerrar enviará una señal a la bobina B3:0.0 y a la bobina reset que

pondrá en condiciones iniciales al T4:1, logrando con esta combinación de comandos un

ciclo repetitivo de instrucciones.

Línea 0013

Descripción.- Se comenzará con la activación del contacto B3:0.0 que cerrará al

energizarse la bobina que lleva el mismo direccionamiento, después se encuentra un

contador CTU C5:0 que llevará la cuenta de los pulsos que le enviará el T4:1.

Línea 0012

Descripción.- Se observa un comando llamado EQU, este se dedica a comparar 2 valores.

Cuando los valores que compara son idénticos manda una señal al TON T4:2, y este

último realizará un conteo hasta su valor preestablecido.

Línea 0013 – línea 0025

Descripción.- Como se podrá observar, las líneas de programación subsecuentes son

repetición de los comandos utilizados anteriormente para lograr que la válvula realizará



una apertura del 10%, solo que ahora se hará una apertura del 30%, después de un 50%

y finalmente un 80%.



Línea 0026

Descripción.- Finalmente se encuentra un bloque llamado PID este es el encargado de

realizar una tarea correctiva sobre la señal final, se emplea para asegurar que se está

obteniendo a la salida del sistema la respuesta que deseamos conseguir. En este bloque

se le deben de introducir las ganancias proporcional, derivativa e integral para estabilizar

la señal en el valor deseado.

Así es como finaliza este tercer capítulo, ya que se realizó un modelado del sistema, se

hizo una simulación y se formuló una propuesta de control.

En el capítulo 4 se inicia un análisis de resultados. En este capítulo se explorarán las

ventajas y/o desventajas que desprende la ingeniería hecha en el capítulo



INTRODUCCIÓN

En este capítulo se determinan las viabilidades de la integración de PID dentro de un

análisis de control con PLC y las ventajas que se tienen al tenerse un control de estas

características, así como el impacto que se tiene en costos provocados por la

ingeniería.

CAPÍTULO IV

ANÁLISIS DE RESULTADOS



4.1 ANÁLISIS DE CONTROL

De acuerdo a la filosofía de control propuesta para el PLC se observa que puede ser

de gran aportación, al ser esta una forma de control más exacta y que reduce

desgastes innecesarios por lo que se puede interpretar a gran escala en una generación

adecuada a las necesidades demandadas.

4.2 ANÁLISIS DE INTEGRACIÓN PID

Mediante los resultados arrojados por los modelos simulados y sintonizados se deduce

que el controlador PID enfocado al funcionamiento apropiado de la servo-válvula puede

ser de mayor efectividad con la intervención de la acción proporcional, derivativa e

integral ya que por sus propiedades tiende a cubrir con las necesidades del sistema.

Por otro lado como se puede apreciar en las graficas la estabilidad aun tiene una

oscilación la cual podría ser eliminada aumentando el valor de la ganancia Kd, pero esto

solo representaría una forma ideal lo cual solo se daría teóricamente ya que en

condiciones reales existen diversos factores que evitarían una eliminación total de las

oscilaciones por lo que en el presente documento se muestra un comportamiento con

un porcentaje de ( +, - ) error. El cual indica o abarca las posibles intervenciones no

consideradas.

Los factores que no son considerados son debido a que por leyes internas de los

proveedores y usuarios (CFE, SIEMENS y MOOG) no pueden ser otorgadas

4.3 ANÁLISIS ECONOMICO

4.3.1 Impacto económico (CFE)

De acuerdo al impacto observado en los análisis anteriores se puede deducir que la

repercusión económica que tendría la integración de un PID al control con PLC se

vería reflejada en costos favorables de mantenimiento, conservación y generación ya

que reduciría significativamente desgastes ocasionados por oscilaciones de la servo-

válvula y provocaría un control más viable.



Examinando la cuestión económica en cuestión de capital ahorrado no se podría dar

algo en concreto ya que es una situación que va ligada a diversos sectores a los cuales

se requerirían un estudio económico más detallado con un concepto más amplio de las

ventajas que tendría esta integración

Lo anterior se enfocaría a lo redituable que podría ser para las centrales termoeléctricas

únicamente.

4.3.2 Costos de ingeniería

Servicios Personal P UNI ($)

Ingeniería, desarrollo y

puesta en marcha

3

300,000.00

Instalación supervisión y

mano de obra

2

100,000.00

SUBTOTAL

$400,000.00

+ IVA(2010

$64,000.00

TOTAL $464.000.00

El costo del equipo no se considera debido a que la integración del PID puede estar

inmersa dentro del PLC que manejen por lo que los costos mencionados solo serian de

ingeniería en el lapso de un mes así como la puesta en marcha.



Costos desglosados de personal

Personal Ganancia por hora Ganancia por día Ganancia mensual

INGENIERO 1

$ 416.60

$ 3,333.30

$ 100,000.00

INGENIERO 2

$ 416.60

$ 3,333.30

$ 100,000.00

INGENIERO 3

$ 416.60

$ 3,333.30

$ 100,000.00

TÉCNICO 1

$ 208.40

$ 1,667.00

$ 50,000.00

TÉCNICO 2

$ 208.40

$ 1,667.00

$ 50,000.00

TOTAL

$1,666.60

$13,333.90

400,000.00

Los costos por mantenimiento o actualizaciones necesarias no van incluidos



CONCLUSIONES

De forma general y basado en los análisis planteado con anteoridad se logran los

objetivos de tener una propuesta de control que optimice el funcionamiento de las

válvulas de control, basado en el previo análisis del comportamiento de una servo-

válvula.

Por lo que se puede puntualizar se reitera la eficacia de un control digito electro

hidráulico (PLC) ante controles arcaicos aun manejados en diversas centrales y que al

ser complementados con un PID pueden llegar a tener mayor viabilidad dentro de dicho

sector de generación eléctrica. Ya que al ser esta forma de control una plataforma para

reducir el mantenimiento y componentes que llegan a tener diversas imperfecciones en

su funcionamiento

Siendo así una alternativa excepcional no solo para el control de una servo válvula si

no que también puede ser aplicada en diversos sistemas de la central termoeléctrica o

bien diversas centrales no necesariamente termoeléctricas.



BIBLIOGRAFÍA

- Potencia Hidráulica controlada por PLC

Martínez Sánchez Victoriano Ángel

Alfaomega, 2009

- Ingeniería de control moderna

Ogata, Katsuhiko.

3a ed.

Pearson, 2003.

- Ingeniería de control

Bolton, W.

2a ed.

Alfaomega, 2001.

- Control automático de procesos : teoría y práctica

Smith, Carlos A. / Armando B. Corripio

Limusa, 1997

- Control electrohidráulico de turbinas de vapor

Salustiano García Pecero

CFE, 2008

- Servo-válvula direccional con recuperación mecánica

Rexroth Bosch Group

- Técnica de válvulas proporcionales y de servo-válvulas

Mannesmann Rexroth

Goimendi

- Turbinas de vapor

CFE, 1993

- Control Electro – Hidráulico

CFE, 2009

- Control valve handbook

Emerson

- Electrohydraulic valves

Moog



GLOSARIO

Servo-válvula: Es una válvula solenoide que incluye una bobina y una válvula piloto. La

válvula que utiliza el DEH es normalmente cerrada por lo que requiere ser excitada para

abrir. La bobina es excitada con un voltaje de 125 VCD y una corriente variable de ± 50

mA y dependiendo de la corriente aplicada a la servo-válvula la válvula piloto se

desplazará en el interior de la solenoide cambiando de puertos con lo que el flujo de

aceite al actuador aumentará o se drenará posicionando a la válvula de turbina.

LVDT: Es un transformador diferencial de variación lineal el cual se utiliza para medir

desplazamientos lineales. Consta de tres bobinas, una central y dos externas. Las

bobinas están conectadas en serie pero invertidas por lo que el voltaje de salida es la

diferencial de voltaje entre las dos bobinas externas (secundarios). La magnitud del

voltaje de salida es proporcional a la distancia que es desplazado el núcleo y la fase del

voltaje indica la dirección del desplazamiento. Con este dispositivo se informa al operador

de la unidad la posición exacta que tiene cada una de las válvulas de la turbina.

Actuador: Es el dispositivo que convierte la energía hidráulica a energía mecánica y se

encarga de aplicar la fuerza para el movimiento del vástago de las válvulas de turbina.

Filtro: Es el dispositivo que se encarga de retener las partículas o contaminantes

insolubles provenientes del aceite de alta presión y realiza esta función solo por un tiempo

determinado por el nivel de limpieza del aceite.

Válvula de turbina: Son las encargadas de bloquear o permitir el flujo de vapor a la

turbina de acuerdo a la posición en la que se encuentren.

Flushing: Es el proceso mediante el cual se hace circular el aceite con una alta presión a

través de las tuberías del sistema electrohidráulico.

Polishing: Es la retención de partículas y contaminantes insolubles en uno o varios filtros

que se realiza posteriormente al flushing.

DEH (Digital Electro Hydraulic): Sistema de Control Electrohidráulico Digital.



HPU (Hydraulic Power Unit): Unidad Hidráulica de Potencia

PLC: (Programmable Logic Control). Control Lógico programable. Dispositivo que

mediante programa lógico de contactos o “ladder”, realiza secuencias de multiples

índoles, tales como señales digitales o analógicas, protocolos rs232, Ethernet, profibus,

etc…

Señal de salida: es la variable que se desea controlar (posición, velocidad, presión,

temperatura, etc.). También se denomina variable controlada.

Señal de referencia: es el valor que se desea que alcance la señal de salida.

Error: es la diferencia entre la señal de referencia y la señal de salida real.

Señal de control: es la señal que produce el controlador para modificar la variable

controlada de tal forma que se disminuya, o elimine, el error.

Señal análoga: es una señal continua en el tiempo.

Señal digital: es una señal que solo toma valores de 1 y 0. El PLC solo envía y/o recibe

señales digitales.

Conversor análogo/digital: es un dispositivo que convierte una señal analógica en una

señal digital (1 y 0).

Conversor digital/análogo: es un dispositivo que convierte una señal digital en una señal

analógica (corriente o voltaje).

Planta: es el elemento físico que se desea controlar. Planta puede ser: un motor, un

horno, un sistema de disparo, un sistema de navegación, un tanque de combustible, etc.

Proceso: operación que conduce a un resultado determinado.

Sistema: consiste en un conjunto de elementos que actúan coordinadamente para

realizar un objetivo determinado.



Perturbación: es una señal que tiende a afectar la salida del sistema, desviándola del

valor deseado.

Sensor: es un dispositivo que convierte el valor de una magnitud física (presión, flujo,

temperatura, etc.) en una señal eléctrica codificada ya sea en forma analógica o digital.

También es llamado transductor. Los sensores, o transductores, analógicos envían, por

lo regular, señales normalizadas de 0 a 5 voltios, 0 a 10 voltios o 4 a 20 mA.

Sistema de control en lazo cerrado: es aquel en el cual continuamente se está

monitoreando la señal de salida para compararla con la señal de referencia y calcular la

señal de error, la cual a su vez es aplicada al controlador para generar la señal de control

y tratar de llevar la señal de salida al valor deseado. También es llamado control

realimentado.

Sistema de control en lazo abierto: en estos sistemas de control la señal de salida no

es monitoreada para generar una señal de control.

PID: (Proporcional Integral Derivativo) es un mecanismo de control por realimentación que

se utiliza en sistemas de control industriales. Un controlador PID corrige el error entre un

valor medido y el valor que se quiere obtener calculándolo y luego sacando una acción

correctora que puede ajustar al proceso acorde.



ANEXO A

AYUDA DE COMANDOS DEL PLC

XIC (EXAMINA SI ESTA CERRADO)

Descripción

Esta instrucción (también denominada "examina si On" o "normalmente abierto") funciona

como un bit de entrada o almacenamiento. Si el bit de memoria correspondiente es un "1"

(On), esta instrucción permitirá la continuidad del renglón y se activarán las salidas.

Nota Otros factores pueden afectar la continuidad del renglón.

Si el bit de memoria correspondiente es un "0" (off), esta instrucción no permitirá la

continuidad del renglón (asume su estado normalmente abierto) y las salidas en el renglón

serán desactivadas (otros factores pueden afectar la continuidad del renglón).

Si se usa como un bit de entrada, su estado debe corresponder al estado de los

dispositivos de entrada reales asociados con la tabla de imagen de entrada mediante las

direcciones idénticas.

Ayuda para direccionamiento

Ejemplo: I: 12/03

En la dirección del ejemplo, "I" indica la tabla de imagen de entrada; "12" representa la

ranura doce (decimal); después de la diagonal "/" el "03" indica el bit tres.

Nota La ranura 0 está reservada para el procesador.



XIO (EXAMINA SI ESTA ABIERTO)

Descripción

Esta instrucción (también denominada "examina si Off" o "normalmente cerrado") funciona

como un bit de entrada o almacenamiento. Si el bit de memoria correspondiente es un "1"

(on), esta instrucción no permitirá la continuidad del renglón y las salidas del renglón

serán desactivadas

Nota Otros factores podrían afectar la continuidad del renglón.

Si el bit de memoria correspondiente es un "0" (off), esta instrucción asume su estado

normal y permite la continuidad del renglón y las salidas del renglón serán activadas (De

nuevo, otros factores pueden afectar la continuidad del renglón).

Si se usa como un bit de entrada, su estado debe corresponder al estado de los

dispositivos de entrada reales asociados con la tabla de imagen de entrada mediante las

direcciones idénticas.


Ejemplo: I: 12/03

En la dirección del ejemplo, "I" indica la tabla de imagen de entrada; "12" representa la

ranura doce (decimal); después de la diagonal "/" el "03" indica el bit tres.

Nota La ranura 0 está reservada para el procesador.



OTE (ACTIVACION DE UNA SALIDA)

Descripción

Esta instrucción establece el bit especificado cuando se alcanza la continuidad del renglón

(el renglón se hace verdadero). Bajo condiciones normales de operación, si el bit

establecido corresponde a un dispositivo de salida, el dispositivo de salida será activado

cuando el renglón se haga verdadero.

Si está usando un procesador 5/02, 5/03, 5/04, 5/05 o MicroLogix, puede usar direcciones

indexadas. Si está usando un procesador 5/03 OS302, un 5/04 OS401 o un 5/05, puede

usar direcciones indirectas.

Las direcciones de salidas se especifican a nivel de bits.

¡Advertencia! Nunca use una dirección de salida en más de un lugar en su programa

lógico. Siempre tenga presente la carga representada por la bobina de salida.


En una dirección de salida, tal como O:4/03:

"O" indica la tabla de imagen de salida

"4" representa la ranura cuatro (decimal)

"03" representa el bit tres



RES (REESTABLECER)

Descripción

La instrucción RES se usa para restablecer temporizadores y contadores. Cuando las

condiciones que le preceden en el renglón son verdaderas, la instrucción RES restablece

el valor acumulado y los bits de control del temporizador o contador. Asegúrese de que el

temporizador o contador que está siendo controlado por la instrucción Restablecer tenga

la misma dirección que la instrucción Restablecer. Por ejemplo, si la dirección RTO es

T4:1, la dirección RES también debe ser T4:1.

Cuando se restablece un contador, si la instrucción RES y el renglón del contador están

habilitados, se restablece el bit CU o CD.

Si el valor preseleccionado del contador es negativo, la instrucción RES establece el valor

acumulado en cero. Esto hace que el bit de efectuado sea establecido por una instrucción

contador ascendente o descendente.

¡Advertencia! No use la instrucción RES para restablecer una instrucción TOF. Una

instrucción RES siempre restablece los bits de estado y el valor acumulado. Esto podría

resultar en una operación impredecible de la máquina o lesiones al personal.

CTU (CONTADOR POSITIVO)



Descripción

Esta instrucción de salida cuenta progresivamente cada transición de falso a verdadero de

las condiciones que la preceden en el renglón y produce una salida cuando el valor

acumulado llega al valor preseleccionado. Las transiciones del renglón pueden

accionarse mediante un final de carrera o mediante partes que pasan por un detector.

La capacidad del contador para detectar las transiciones de falso a verdadero depende de

la velocidad (frecuencia) de la señal de entrada. La duración de activa e inactiva de la

señal de entrada no debe ser más rápida que el tiempo de escán.

Cada conteo se retiene cuando las condiciones del renglón vuelven a ser falsas,

permitiendo que el conteo continúe más allá del valor preseleccionado. De esta manera

usted puede basar una salida en el valor preseleccionado pero continuar contando para

mantener inventario/piezas, etc.

Nota Use una instrucción RES (restablecer) con la misma dirección del contador u otra

instrucción del programa para sobrescribir el valor. El estado On u Off de los bits de

efectuado, overflow y underflow del contador es retentivo. El valor acumulado y los bits

de control se restablecen cuando se habilita una instrucción RES.

Los archivos de contador usan tres palabras por elemento.

Bits de la instrucción: 12 = Bit OV (overflow de conteo progresivo)

13 = Bit DN (efectuado)

15 = Bit CU (habilitación conteo progresivo)



Los bits CU siempre se establecen antes de pasar al modo Marcha remota o Prueba

remota.

Introducción de parámetros

Introduzca una dirección CONTADOR, valor PRESELECCIONADO y un valor ACUM. El

valor preseleccionado es el punto que tiene que alcanzarse para establecer el bit DN

(efectuado). El valor acumulado representa el estado actual de conteo.

TON (TEMPORIZADOR A LA CONEXIÓN)

Descripción

Utilice la instrucción TON para activar o desactivar una salida después que el

temporizador ha estado activo durante un intervalo de tiempo preseleccionado. Esta

instrucción de salida comienza la temporización (a intervalos de un segundo o de una

centésima de segundo) cuando el renglón es "verdadero." Espera la cantidad de tiempo

especificado (según lo establecido en PRESEL), mantiene control de los intervalos

acumulados que ocurrieron (ACUM) y establece el bit DN (terminado) cuando el tiempo

ACUM (acumulado) es igual al tiempo PRESEL.

Mientas las condiciones del renglón permanecen verdaderas, el temporizador ajusta el

valor acumulado (ACUM) en cada evaluación hasta que alcanza el valor preseleccionado

(PRESEL). El valor acumulado se restablece cuando las condiciones del renglón pasan a

ser falsas, sin importar si el temporizador ha sobrepasado el tiempo de espera.



Bits de la instrucción: 13 = DN (efectuado)

14 = TT (bit de temporización del temporizador)

15 = EN (bit de habilitación)

Si se pierde la alimentación eléctrica mientras una instrucción TON está temporizando

pero no ha alcanzado su valor preseleccionado, los bits EN y TT permanecen

establecidos y el valor acumulado (ACUM) permanece igual. Esto también es cierto si el

procesador cambia del modo Marcha remota o Prueba remota al modo Programa remoto.

Nota Si el renglón se hace "falso" (pierde continuidad lógica) durante el proceso de

temporización, se restablece el valor acumulado y se restablecen los bits DN, EN y TT

independientemente de si el temporizador llegó al valor PRESEL.

¡Advertencia! La temporización podría ser inexacta si las instrucciones JMP, LBL,

JSR, o SBR se saltan el renglón que contiene una instrucción de temporización mientras

el temporizador está temporizando.


Introduzca una dirección de TEMPORIZADOR, BASE DE TIEMPO, valor

PRESELECCIONADO y valor ACUM (acumulado). Los archivos de temporizador usan

tres palabras por elemento, una para los bits de la instrucción (la palabra de control), una

para el valor preseleccionado y una para el acumulador.



EQU (IGUAL)

Descripción

Esta instrucción de entrada es verdadera cuando el origen A = Origen B.

La instrucción EQU compara dos valores especificados por el usuario. Si los valores son

iguales, permite continuidad del renglón. El renglón se hace verdadero y la salida es

activada (siempre y cuando nada más afecte el estado del renglón).


Usted debe introducir una dirección de palabra para el origen A. Puede introducir una

constante de programa o una dirección de palabra para el origen B. Los enteros

negativos se almacenan en forma de complemento a dos.

Si está usando un procesador 5/02, 5/03, 5/04, 5/05 o MicroLogix, puede usar direcciones

indexadas para los parámetros del origen A o el origen B. Si está usando un procesador

5/03 OS302, un 5/04 OS401 o un 5/05, puede usar direcciones indirectas para los

parámetros del origen A y el origen B.



SCP (ESCALAR CON PARAMETROS)

Descripción

Esta instrucción de salida consta de seis parámetros. Los parámetros pueden ser valores

enteros, de punto (coma) flotante o valores de datos inmediatos o direcciones que

contengan valores. El valor de entrada es escalado a un rango determinado mediante la

creación de una relación lineal entre los valores de entrada mín. y máx. y valores de

escalado mín. y máx. El resultado escalado es retornado a la dirección indicada por el

parámetro de salida.

Puede usar direcciones indexadas o indirectas.

Los archivos de datos tipo MG (mensaje) y PID están disponibles para direccionar

indirectamente los parámetros cuando se usa el controlador MicroLogix 1200 ó 1500.


Entrada - Introduzca un valor a ser escalado. Puede ser una dirección de palabra o una

dirección de un elemento de datos en punto (coma) flotante.

Entrada mín - Introduzca un valor mínimo para la entrada (valor bajo del rango). Este

valor puede ser una dirección de palabra, una dirección larga (palabra doble), una



constante entera, un elemento de datos en punto (coma) flotante o una constante en

punto (coma) flotante.

Entrada máx - Introduzca un valor máximo para la entrada (valor alto del rango). Este

valor puede ser una dirección de palabra, una dirección larga (palabra doble), una

constante entera, un elemento de datos en punto (coma) flotante o una constante en

punto (coma) flotante.

Escalado mín - Introduzca el valor de escalado mínimo que represente el valor bajo del

rango al que usted desea escalar la entrada. La relación de escalado es lineal. El valor

puede ser una dirección de palabra, una dirección larga (palabra doble), una constante

entera, un elemento de datos en punto (coma) flotante o una constante en punto (coma)

flotante.

Escalado Máx - Introduzca el valor de escalado máximo que represente el valor alto del

rango al que usted desea escalar la entrada. La relación de escalado es lineal. El valor

puede ser una dirección de palabra, una dirección larga (palabra doble), una constante

entera, un elemento de datos en punto (coma) flotante o una constante en punto (coma)

flotante.

Salida - Introduzca una dirección para el valor escalado que retorna después de que la

instrucción es ejecutada. Este valor puede ser una dirección de palabra, una dirección

larga (palabra doble), o una dirección de un elemento de datos en punto (coma) flotante.

Si se encuentran tipos de archivo de punto (coma) flotante o constantes de punto (coma

flotante en los parámetros anteriores, entonces la instrucción completa se trata como de

punto (coma) flotante y todos los valores de datos enteros inmediatos se convierten a

valores de datos de punto (coma) flotante inmediatos.

Nota La entrada mínima, la entrada máxima, el escalado mínimo y el escalado máximo

se usan para determinar los valores de pendiente y de offset. El valor de entrada puede

salir de los límites de entrada especificados y no es necesario un ordenamiento. Por

ejemplo, el valor de salida escalado no estará necesariamente fijado entre los valores de

escalado mínimo y escalado máximo.



Verificación de valores

Un valor de entrada de punto flotante (coma) no válido retorna No es un Número y se

establece el bit de overflow.

Si la salida escalada mín es igual a la salida escalada máx, la salida escalada es

forzada a la salida escalada mín.

Si la entrada, la entrada mín y la entrada máx son iguales, la salida es forzada al

valor de la salida escalada mín.

Si la entrada mín es mayor que la entrada máx, la salida escalada es forzada al

valor de la salida escalada mín.

Si el escalado mín es mayor que el escalado máx, la salida es forzada al valor de la

salida escalada mín.



CONTROL DE LAZO CERRADO PID (PROPORCIONAL/INTEGRAL/DERIVADA)

Descripción

Esta instrucción de salida se usa para controlar propiedades físicas tales como

temperatura, presión, nivel de líquido o velocidad de flujo de los ciclos del proceso.

La instrucción PID normalmente controla un lazo cerrado usando entradas desde un

módulo de entradas analógicas y proporcionando una salida a un módulo de salidas

analógicas como una respuesta para retener efectivamente una variable del proceso en

un punto de referencia determinado.

La ecuación PID controla el proceso enviando una señal de salida al accionador. Cuanto

mayor es el error entre el punto de referencia y la entrada de la variable del proceso,

mayor es la señal de salida y viceversa. Se puede añadir un valor adicional (alimentación

anticipada o polarización) a la salida de control como un offset. El resultado del cálculo

PID (variable de control) dirigirá a la variable del proceso que usted está controlando

hacia el punto de referencia.

La instrucción PID se puede utilizar en modo temporal o modo STI. En modo temporal, la

instrucción actualiza su salida periódicamente con una frecuencia que el usuario puede

seleccionar. En modo STI, la instrucción debe ser colocada en una subrutina de



interrupción STI. Entonces, actualiza su salida cada vez que hay un escán de la subrutina

STI. El intervalo de tiempo de STI y la frecuencia de actualización del lazo PID deben ser

iguales para que la ecuación se ejecute correctamente.


Archivo PID - (MicroLogix 1200 y 1500 solamente) Especifique un Archivo PID. Si aún

no ha definido un archivo tipo PD entre sus archivos de datos, se creará uno

automáticamente. La longitud del archivo está fijada en 23 palabras. El archivo PD

reemplaza el bloque de control del archivo de enteros anterior.

Longitud del bloque de control – (No es válido con el MicroLogix 1200 y 1500)

Especifique un archivo entero, por ejemplo N7:0. La longitud del archivo está fijada en 23

palabras.

Variable del proceso PV - La dirección del elemento que almacena el valor de entrada

del proceso. Esta dirección puede ser la ubicación de la palabra de entrada analógica

donde se almacena el valor de la entrada A/D. También puede introducir una dirección

entera si decide preescalar el valor de la entrada en el rango 0-16383.

Variable de control CV - La dirección del elemento que almacena la salida de la

instrucción PID. El valor de salida tiene un rango de 0-16383, siendo 16383 el valor 100%

"ON" (activado). Normalmente ésta es una dirección de enteros, para poder escalar el

rango de salida PID al rango analógico particular que requiera su aplicación.

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