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MMAARRCCOO TTEEÓÓRRIICCOO
CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
A. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
La realización de esta investigación, ha requerido la revisión y consulta de
estudios relacionados con el diseño de estrategias de control, que permitan
mejorar y garantizar el suministro confiable de agua caliente a las diferentes
líneas de producción de Molinos Sagra C.A., a tal efecto se presentan a
continuación, los aspectos más resaltantes de los trabajos considerados de
mayor importancia para la realización de esta investigación.
Rodríguez M. (1997) realizo un estudio de diversos sistemas de control
automáticos para su implementación en los compresores ELLIOT en arreglo
serie ubicados en la planta de compresión de gas la Paz, con el propósito de
seleccionar él mas adecuado y que fuera capaz de manejar los eventos mas
críticos en el proceso de compresión como son oleaje y compartimiento de
carga.
La investigación fue del tipo explicativa debido a que se manipularon
variables de estudio para dar solución al problema. Así mismo, este estudio
se desarrollo en tres fases que describen la metodología utilizada.
11
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La primera fase contempló la fundamentación teórica, en el cual se
recolecto información para el reconocimiento del proceso de compresión y
operación de los tubos compresores. En la segunda fase, se desarrollo una
investigación de diferentes propuestas de control, la cual comprendió un
análisis y estudio detallado tanto de los lazos de control como de las
especificaciones de ellos controles antioleaje a la selección de una propuesta
de control, la cual comprendió un análisis y estudio detallado tanto de los
lazos de control como de las cargas, la ultima fase se limito
fundamentalmente a la selección de una propuesta de control que se
adecuara a las necesidades de protección y operabilidad del compresor.
En este mismo sentido Guerrero, H (2000), realizo una investigación
titulada: “Diseño de una red de datos para la integración del sistema UDC-
9000 de las calderas INDECK al sistema TDC-3000 de la planta eléctrica.
Caso Pequiven El tablazo”. Con el propósito de diseñar una red de
integración, para los sistemas UDC-9000 y TDC-3000, la cual permitiera el
envío y recepción de la información necesaria para la supervisión y control
de las calderas INDECK. El desarrollo del diseño de la red se baso en la
implementación de un subsistema serial conectado al puerto disponible en el
PLC Gateway de las calderas 11 y 12, conexión que se realizo mediante la
utilización de un multiplexor BM-85, que se acoplo al puerto y a una línea
telefónica dedicada a las necesidades del proyecto, la misma estuvo
conformada por cinco fases que definen las actividades de análisis, selección
y desarrollo del diseño de la red.
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El tipo de investigación desarrollada, fue aplicada, prospectiva, descriptiva
y de campo. Las conclusiones determinaron que los sistemas de control eran
diferentes en funcionamiento pero compatibles con respecto a la
comunicación entre ellos y que estos podrían integrarse sin modificar de
manera significativa su configuración y que la red de investigación permite
crear el control maestro de presión de vapor necesario para la optimización
del sistema de generación y distribución de vapor del complejo el Tablazo.
Torres Y. (2001) en su investigación denominada: “Sistema de
supervisión y control del sistema de tratamiento de agua de una planta
generadora de vapor”, propone desarrollar un sistema de supervisión y
control para la automatización del sistema de tratamiento de agua de una
planta generadora de vapor, con la finalidad de permitir al personal de la
planta generadora de vapor monitorear y supervisar el proceso, para
garantizar que la disponibilidad de poder competir en el mercado,
asegurando la estabilidad de los productos en la industria Petrolera
Venezolana.
Para ello, se utilizo un estudio detallado siguiendo una metodología
denominada ingeniería de integración, la cual consiste en tres etapas
fundamentales, análisis del proceso o levantamiento de información,
programación del PLC (basada en la narrativa de operación y en los
requerimientos propios del proyecto) y la integración de las señales que
conforman el sistema de control y el sistema de supervisión.
Se estableció que la comunicación de datos en la relación con la
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información y control del proceso de tratamiento de agua proporciona la
integración del sistema de supervisión F1X32 con el Controlador Lógico
Programable (PLC). La información técnica necesaria para la elaboración del
sistema de supervisión y control consistió en un sistema de control distribuido
(SCD) utilizando PLC’s-5/40C Allen Brandley, todo dentro de una
arquitectura diseñada a partir de los estándares y normativas de seguridad
de la industria petrolera. Los resultados obtenidos integran un sistema de
control supervisión que proporciona el control y supervisión del sistema de
tratamiento de agua de una planta generadora de vapor.
Esta investigación maneja como variables principales la supervisión y el
control de un proceso en la industria petrolera, el cual para su desarrollo
debe asumir los lineamientos de calidad, seguridad y eficiencia presente en
este importante sector de igual forma el trabajo que se propone desarrollar
habrá de consolidar similares variables y los lineamientos de la industria
petrolera.
Las etapas que considera el trabajo descrito en su desarrollo
corresponden a las metas planteadas en los objetivos de la investigación
actual.
Troconis B. (2001), con su trabajo de postgrado titulado: “Diseño de
sistema de control Maestro de presión para el cabezal de vapor de alta
ubicado en el área de servicios industriales complejo petroquímico El tablazo
S.A. de PEQUIVEN”. El cual consiste en un sistema híbrido, un sistema de
eventos discretos, representa a un supervisor (El autómata) el cual reacciona
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en presencia de eventos generados del proceso de tiempo continuo con la
finalidad de alcanzar las especificaciones del sistema.
Para esta investigación se definieron los dominios de operación en
función a las respuestas dinámicas y rendimiento encontradas para cada una
de las calderas, en función a la contribución que cada una de ellas tiene al
cabezal, y adicional a la eficiencia de las mismas las dinámicas de los
procesos fueron identificadas utilizando funciones de Laguerre Altamiranda
en el 2000, diseño y aplico en un reactor de EDC estas teorías de control. El
autómata diseñado en este trabajo se estructura en función a las
necesidades y prioridades del proceso.
Esta investigación sé considero tipo Aplicada, Descriptiva, Evaluativo y de
campo. Fue producida de acuerdo con los procesos establecidos en el
diseño para una investigación descriptiva documental y un plan global o
estrategia concebida. La población estuvo constituida por el sistema de
generación de vapor de área de servicios industriales, del complejo
petroquímico El Tablazo.
Las técnicas utilizadas fueron la observación y el análisis de contenido.
Las investigaciones que han sido mencionadas aportaron una gran
ayuda, ya que sirvieron como pilar o base de este trabajo, brindándole
diferentes informaciones provechosas para lograr un buen desarrollo en su
elaboración, en estas investigaciones se halló como apoyo de la información
allí reflejada las distintas fuentes consultadas a lo largo de la investigación,
para poder constatar y afirmar la información. Con esta revisión de
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informaciones se podrá crear varios puntos de vista para distintos arreglos de
ideas y así respaldar todo lo mencionado en la investigación que se ha
desarrollado.
Por su contenido las investigaciones que fueron tomadas como parte de
los antecedentes son completas en lo que refiere a su tema, Por otra parte
compararon las distintas herramientas, equipos, materiales y métodos que
fueron utilizados, para así, innovar y mejorar lo antes expuesto. Para lo cual
se propone mejorar y enfatizar sobre los resultados esperados, ya que se
podría decir que es una de las cosas más importantes al momento de
plantear una solución a un problema, en conjunto a los resultados obtenidos
y en la parte exploratoria ya que esta investigación es un diseño para el
desarrollo de un sistema de control, los estudios y los análisis son
importantes para lograr la meta final que no es mas que la construcción.
Existen varios métodos para obtener información en la investigación a
nivel del campo, se analiza cual es el más efectivo y productivo para lo cual
sé esta trabajando.
En la parte del sistema, un control dará satisfacción a la exigencia del
mercado, en otras palabras proporcionara servicios con mayor productividad
y una gran variedad de beneficios que sé vera reflejado al nivel industrial.
B. BASES TEÓRICAS
1. SISTEMAS DE CONTROL
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Es importante que antes de dar a conocer el significado de sistema de
control, se definan ambos términos para tener una mejor idea de lo que se
presenta en esta primera parte.
De acuerdo con Stubberud A. (1972, p. 1), un sistema de manera
abstracta, “es un arreglo, conjunto o colección de cosas conectadas o
relacionadas de manera que constituyan un todo”. Un sistema con relación a
trabajos científicos publicados, “es un arreglo de componentes físicos
conectados o relacionados de tal manera que formen una unidad completa o
que puedan actuar como tal”. Al conocer el significado de sistema seguimos
con “control”.
La palabra “control” generalmente se usa para designar regulación,
dirección o comando. Al combinar las definiciones anteriores, se tiene un
sistema de control. Según Dorf R. (1989, p. 2), un sistema de control “es una
interconexión de componentes que forman una configuración del sistema que
proporcionará una respuesta deseada del sistema”.
Básicamente un sistema de control es aquel en el cual una o más salidas,
están obligadas a cambiar en forma deseada a medida que transcurre el
tiempo. Los sistemas de control ejercen poderosas influencias sobre cada
faceta de la vida moderna. Las secadoras y lavadoras automáticas, los
hornos de microondas, satélites especiales, plantas de procesos químicos,
sistemas de orientación y navegación, control de la contaminación, tránsito
colectivo, regulación económica son unos cuantos ejemplos, en el sentido
más amplio un sistema de control es cualquier interconexión de
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componentes que satisfacen una función deseada.
1.1. COMPONENTE BÁSICOS DE UN SISTEMA DE CONTROL
Los componentes básicos de un sistema de control se pueden describir
mediante:
• Objetivos de control.
• Componentes del sistema.
• Resultados o salidas.
La relación básica entre estos tres componentes se ilustra en la siguiente
figura 1.
FIGURA 1. Componentes básicos de un sistema de control. Fuente: Kuo B.
(1996, p. 2).
En términos mas técnicos, en todo sistema de control los objetivos se
pueden identificar como la variable controlada (entrada) o señales actuantes,
que es la cantidad o condición que se mide y controla, para así tener un valor
de referencia y resultados que no son otros que la cantidad o condiciones
modificada por el controlador o también llamada la salida del sistema y
manipularla para corregir o limitar la desviación del valor medido con
respecto al valor deseado. En general, el objetivo de un sistema de control es
SSiiss tteemmaa ddee ccoonntt rrooll
Objetivo Resultados
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controlar las salidas en alguna forma prescrita mediante las entradas a través
de los elementos del sistema de control.
1.2. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL
Tomando en cuenta los aspectos de las diferentes clases de sistemas de
control que se puede encontrar el hombre en cada una de sus experiencias
cotidianas.
• SISTEMA DE CONTROL RETROALIMENTADO
El motivo de utilizar realimentación es para reducir el error entre la
entrada de referencia y la salida del sistema. Sin embargo, el significado de
los efectos de la realimentación en sistemas de control es más complejo. La
reducción del error del sistema es sólo uno de los efectos más importantes
que la realimentación realiza sobre el sistema.
En general, se puede establecer que cuando una secuencia cerrada de
relaciones causa-efecto existe entre las variables de un sistema, se dice que
existe realimentación. Este punto de vista admitirá, inevitablemente,
realimentación en un gran número de sistemas que normalmente se
identificarían como sistemas no realimentados. Sin embargo, con la
disponibilidad de la realimentación y de la teoría de sistemas de control, esta
definición general permite que numerosos sistemas, con o sin realimentación,
sean estudiados en una forma sistemática una vez que la existencia de la
realimentación en el sentido mencionado previamente sea establecida.
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• SISTEMAS DE CONTROL EN LAZO ABIERTO (SISTEMAS NO
REALIMENTADOS)
Son sistemas no complejos denominados sistema de control en lazo
abierto. No es difícil ver que estos sistemas no pueden satisfacer
requerimiento de desempeño crítico. La lavadora eléctrica convencional es
un ejemplo de sistema de control a lazo abierto porque, generalmente, el
tiempo de lavado es determinado por el juicio o estimación del operador
humano.
Los elementos de un sistema de control en lazo abierto se pueden dividir
en dos partes: el controlador y el proceso controlado, como se muestra en la
siguiente figura 2.
FIGURA 2. Elementos de un sistema de control en lazo abierto. Fuente: Kuo
B. (1996, p. 9).
Una señal de entrada o comando “r” se aplica al controlador, cuya salida
actúa como seña l actuante “u”, la señal actuante controla el proceso
controlado de tal forma que la variable controlada “y” se desempeñe de
acuerdo con estándares preestablecidos. En los casos simples, el
controlador puede ser un amplificador, unión mecánica, filtro, u otros
CCOONNTTRROOLLAADDOORR PPRROOCCEESSOO CCOONNTTRROOLLAADDOO
Entrada de referencia r
Señal actuante u
Variable controlada y
21
elementos de control. En los casos más complejos, el controlador puede ser
una computadora tal como un microprocesador. Debido a la simplicidad y
economía de los sistemas de control en lazo abierto, se les encuentras en
muchas aplicaciones no críticas.
• SISTEMA DE CONTROL EN LAZO CERRADO (SISTEMAS DE
CONTROL REALIMENTADO)
Lo que hace falta en el sistema de control en lazo abierto para que sea
más exacto y más adaptable es una conexión o realimentación desde la
salida hacia la entrada del sistema.
Para obtener un control más exacto, la señal controlada “y” debe ser
realimentada y comparada con la entrada de referencia, y se debe enviar una
señal actuante proporcional a la diferencia de la entrada y la salida a través
del sistema para corregir el error. Un sistema con una o más trayectorias de
realimentación como el que se acaba de describir se denomina sistema en
lazo cerrado, en la siguiente figura 3, se muestra un posible sistema.
FIGURA 3. Elementos de un sistema de control en lazo cerrado. Fuente: Kuo
B. (1996, p. 10) y Jiménez A. (2002).
+ -
Detector de error
Señal actuante u
CCOONNTTRROOLLAADDOORR PPRROOCCEESSOO
CCOONNTTRROOLLAADDOO
Entrada de referencia r
Variable controlada y
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Los sistemas de control realimentados se pueden clasificar en diversas
formas, dependiendo del propósito de la clasificación. Por ejemplo, de
acuerdo con el método de análisis y diseño, los sistemas de control se,
clasifican en lineales y no lineales, variantes con el tiempo o invariantes con
el tiempo. De acuerdo con los tipos de señales usados en el sistema, se
hace referencia a sistemas en tiempo continuo y en tiempo discreto, o
sistemas modulados y no modulados. A menudo, los sistemas de control se
clasifican de acuerdo con su propósito principal. Por ejemplo, un sistema de
control de posición y un sistema de control de velocidad controlan las
variables de salida de acuerdo con la forma como su nombre lo indica. En
general, existen muchas formas de identificar un sistema de control de
acuerdo con alguna función especial del sistema.
• SISTEMAS DE CONTROL LINEALES VS. NO LINEALES
Esta clasificación está hecha de acuerdo con los métodos de análisis y
diseño. Estrictamente hablando, los sistemas lineales no existen en la
práctica, ya que todos los sistemas físicos son no lineales en algún grado.
Los sistemas de control realimentados son modelos ideales fabricados por el
analista para simplificar el análisis y diseño.
Cuando las magnitudes de las señales en un sistema de control están
limitadas en intervalos en los cuales los componentes del sistema exhiben
una característica lineal (se aplica el principio de superposición), el sistema
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es esencialmente lineal. Pero cuando las magnitudes de las señales se
extienden más allá del intervalo de porción lineal, dependiendo de la
severidad de la no-linealidad, el sistema no se debe seguir considerando
lineal. Por ejemplo, los efectos no lineales que se encuentran en sistemas de
control son el juego entre dos engranes acoplados, la característica de
resorte no lineal, la fuerza de fricción no lineal o par entre dos miembros
móviles, etc.
Muy a menudo las características no lineales son introducidas en forma
intencional en un sistema de control para mejorar su desempeño o proveer
un control más efectivo Por ejemplo, para alcanzar un control de tiempo
mínimo, un tipo de controlador prendido-apagado (relevador) se emplea en
muchos mísiles o sistemas de control de naves espaciales. Típicamente en
estos sistemas, los motores de reacción están a los lados del vehículo para
producir un par de reacción para control de altitud. Estos motores de
reacción son controlados en una forma o totalmente prendidos o totalmente
apagados, por lo que una cantidad fija de aire es aplicada desde un motor de
reacción dado durante cierto tiempo para controlar la altitud del vehículo
espacial.
• SISTEMA LINEAL INVARIANTE CON EL TIEMPO O EN TIEMPO
CONTINUO
Un sistema en tiempo continuo es aquel en el que las señales en varias
partes del sistema son todas funciones de la variable continua tiempo t. Entre
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todos los sistemas de control en tiempo continuo, las señales se pueden
clasificar posteriormente como de ca o cd. A diferencia de la definición
general de señales de ca y cd utilizadas en ingeniería eléctrica, los sistemas
de control de ca y cd tienen un significado especial en la terminología de
sistema de control. Cuando se hace referencia a un sistema de control de ca,
usualmente significa que las seña les en el sistema están moduladas según
algún esquema de modulación.
Por otro lado, cuando se hace referencia a un sistema de control de cd,
no significa que todas las señales en el sistema sean unidireccionales;
entonces no habría movimientos de control correctivo. Un sistema de control
de cd simplemente implica que las señales no son moduladas, pero aún son
señales de ca de acuerdo con la definición anterior.
• SISTEMAS DE CONTROL EN TIEMPO DISCRETO
Kuo B. (1996, p. 7), señala que un sistema de control en tiempo discreto
“es aquel que abarca una o más variables que son conocidas sólo en
instantes discretos de tiempo”. Estos difieren de los sistemas de control en
tiempo continuo en que las señales en uno o más puntos del sistema son, ya
sea en la forma de pulsos o un código digital. Normalmente, los sistemas en
tiempo discreto se subdividen en sistemas de control de datos muestreados y
sistemas de control digital.
Los sistemas de control de datos muestreados se refieren a una clase
más general de sistemas en tiempo discreto en los que las señales están en
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la forma de pulsos de datos. Un sistema de control digital se refiere al uso de
una computadora o controlador digital en el sistema, de tal forma que las
señales están en código digital, tal como un código binario.
En general, un sistema de datos muestreados recibe datos o información
sólo en forma intermitente en instantes específicos. Estrictamente, un
sistema de datos muestreados también se puede clasificar como un sistema
de ca, ya que la señal del sistema está modulada por pulsos Kuo B. (1996).
• SISTEMA SUPERVISORIO
Un sistema supervisorio es un proceso de control monitoreado, por medio
del cual, se acortan las distancias y el tiempo realmente requeridos para
inspeccionar las distintas variables o factores que condicionan el
funcionamiento de un sistema, permitiendo al operador visualizar los datos
por él solicitados a través de un procesador o de una estación móvil.
Cabe decir, que Marquina G. (1993, p. 165-166), lo conceptualiza
como:
Sistemas formados por un conjunto de componentes eléctricos y electrónicos capaces de detectar fallas o interrupciones en los niveles de voltaje o corriente de un proceso, los cuales se reconocen como alarmas. También lo reconoce como “aquel que ha sido diseñado para examinar el estado de operación de uno o varios sistemas y detectar las desviaciones que se produzcan con respecto a las condiciones de funcionamiento consideradas normales.
De esto, se derivan una serie de condiciones necesarias para que un
sistema supervisorio cumpla con cabalidad todos sus propósitos, que por su
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constante prioridad dentro de este proceso, se traducen como
características, por tal razón, Ocando N. y Rodríguez L. (1996, p. 30-31)
mencionan las siguientes:
o Procesamiento de información en tiempo real: Esto quiere decir, que se
obtienen los datos en el mismo momento en que se supervisan las
variables, permitiendo solucionar con mayor rapidez las posibles fallas.
o Capacidad para comunicación remota: Lo que permite chequear las
variables de las distintas estaciones bases desde el centro de supervisión,
sin acudir personalmente al sitio, teniendo el control a distancia.
o Gráficos o panel indicativo del proceso: Con el objeto de dar una
referencia ilustrada de los distintos rangos de eficacia de las variables
supervisadas, facilitando al operador una mayor comprensión del sistema.
Hay que destacar que para llevar a cabo un sistema de supervisión eficaz
es necesario cubrir con las características antes descritas, además de la
utilización de un importante elemento que permite ser programado para
controlar toda la parte inteligente del sistema, el cual consiste en un
2. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE
Los controladores lógicos programables (PLC, por sus siglas en inglés),
son dispositivos electrónicos digitales que fueron investigados en 1969 para
reemplazar a los circuitos de relevadores (relés) electromecánicos,
interruptores y otros componentes comúnmente utilizados para el control de
los sistemas de lógica combinacional.
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En los sistemas de lógica combinacional, el estado de una salida queda
determinado por el estado de una cierta combinación de entradas sin
importar la historia de éstas. Los PLC’s resultaron muy atractivos ya que, a
diferencia de los antiguos circuitos permiten reprogramación, ocupan
comparativamente muy poco espacio, consumen poca potencia, poseen
auto-diagnóstico y tienen un costo competitivo. Sin embargo, fueron las
innovaciones tecnológicas en microprocesadores y memorias lo que ha
hecho tan versátiles y populares a los PLC’s.
Los PLC’s pueden realizar operaciones aritméticas, manipulaciones
complejas de datos, tienen mayores capacidades de almacenamiento y
pueden comunicarse más eficientemente con el programador y con otros
controladores y computadoras en redes de área local. Además, ahora
muchos PLC’s incorporan instrucciones y módulos para manejar señales
análogas y para realizar estrategias de control, más sofisticados que el
simple ON-OFF, tales como el control PID (Proporcional, Integrado,
Derivador), inclusive con múltiples procesadores.
2.1. ARQUITECTURA BÁSICA DE UN CONTROLADOR LÓGICO
PROGRAMABLE
Los PLC’s son utilizados para control de secuencia. A diferencia de un
computador de control, con frecuencia se tiende a confundir los PLC con
computadoras y minicomputadoras. Existen modelos de PLC de acuerdo a
cada fabricante, pero la diferencia, esencial radica en los niveles de
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capacidad y complejidad. En la figura 4, se muestra un diagrama de bloque
general con las distintas partes que conforman a un PLC; La memoria,
unidad central de procesamiento, fuente de alimentación y sección de
entradas salidas (Maser Grupo Tecnológico, 2002, en línea).
FIGURA 4. Diagrama de bloque del PLC. Fuente: Gonzáles J (2002).
• MEMORIA
Es el elemento capaz de almacenar ordenadamente las instrucciones o
tareas que realiza el control lógico programable, para así ejecutar las tareas
de control obtenido los resultados esperados, donde en ella se almacena,
datos del proceso y datos de control.
Existen varios tipos de memorias, entre las cuales tenemos:
o RAM: Memoria de lectura y escritura.
o ROM: Memoria de solo lectura.
La memoria RAM; se utiliza principalmente como memoria interna para el
almacenamiento de los procesos de datos, y únicamente como memoria de
programa en el caso que se tenga que asegurar el mantenimiento de los
datos con una batería exterior.
MMeemm oorriiaa
EEnnttrraaddaa CCPPUU SSaall iiddaa
FFuueennttee ddee aa lliimm eennttaacciióónn
29
La memoria ROM; se utiliza para almacenar el programa monitor del
sistema, existiendo varios tipos de estas, tales como:
a. PROM: Memoria de solo lectura programable, en el cual solo puede ser
programada una sola vez por el fabricante.
b. EPROM: Memoria de solo lectura que se programa a través de señales
eléctricas, y puede ser borrada por medio de luz ultravioleta que incide en
la parte superior central del dispositivo, luego de ser borrado esta
memoria puede reutilizarse. Esta memoria se utiliza principalmente para
almacenar el programa de usuarios, una vez que ha sido
convenientemente depurada.
c. EEPROM: Memoria de solo lectura de programación por medios
eléctricos, y borrada a través de señales eléctricas para que luego pueda
ser programada. Tiene igual utilidad que la memoria EPROM, pero debido
a sus características, de programación no es necesario extraerla del PLC,
brinda mayor desempeño al equipo. Una vez reanudada la alimentación,
el contenido de la EEPROM se vuelca sobre la RAM.
• UNIDAD CENTRAL DE PROCESAMIENTO
La CPU con siglas en ingles “Central Procesing Unit”, es la parte
inteligente del sistema. Esta unidad interpreta las instrucciones del programa
de usuarios y consulta el estado de las entradas. Dependiendo de dichos
estados y del programa, ordena la activación de las salidas deseadas.
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• FUENTE DE ALIMENTACIÓN
La fuente de alimentación proporciona los voltajes necesarios para el
funcionamiento de los distintos circuitos del sistema.
La alimentación a la CPU es de corriente continua (CC) con 24 voltios,
tensión muy frecuente en cuadros de distribución, y en corriente alterna (AC)
comprende un rango de 110 voltios a 220 voltios. En cualquier caso es la
propia CPU la que alimenta las interfaces conectadas a través del bus
interno.
En los circuitos de entrada/salida la alimentación, pueden realizarse,
según los tipos de dispositivos de corriente alterna, en ellos se tiene: 48Vac,
100Vac, 220Vac, mientras que en corriente continua se trabaja; 12Vcc,
24Vcc y 48Vcc.
Por otro lado, a la fuente de alimentación del PLC se le puede incorporar
una batería, que se utiliza para el mantenimiento de algunas posiciones
internas de información, como también mantiene el programa del usuario
alojado en la memoria, cuando falla la alimentación externa de la fuente o se
apaga el PLC esta batería se activa automáticamente.
• SECCIÓN DE ENTRADA Y SALIDA
La sección de entradas formada por la interfaz “adapta y codifica”,
recolecta la información o datos de forma comprensible para el CPU, donde
estas señales procedentes de los dispositivos o captadores de entrada, son
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introducidas a través de los módulos de entrada. Existen dos tipos de
entradas promocionada por los captores, estas son:
o Entradas analógicas: Los módulos de entradas analógicas permiten que
los PLC trabajen con interrupciones o accionados de mando analógicos y
lean señales de tipo analógico como pueden ser la temperatura, la
presión o el caudal. Los módulos de entradas analógicas convierten una
magnitud analógica en un numero (0 lógico o 1 lógico) que se deposita en
una variable interna del PLC. Lo que realiza es una conversión de
analógico/digital, puesto que el PLC solo trabaja con señales digitales.
Esta conversión se realiza con una precisión o resolución determinada
(numero de bits) y cada cierto intervalo de tiempo (periodo muestreo).
Estos módulos de entradas analógicas pueden leer tensión e intensidad.
El proceso de adquisición de la señal analógica consta de varias etapas:
Etapa de filtrado, estos son dispositivos que tienen la facultad de depurar
las señales entrantes de los captores, asiendo las señales más fáciles de
entender para el PLC. Otra de las etapas seria la conversión A/D, es un
adaptador o acoplador para acondicionar una señal analógica a una seña l
digital, de tal forma que pueda ser leída por el PLC. La memoria interna,
es unas de las etapas más importantes ya que es un dispositivo que
almacena los datos o información precedente de las entradas, es decir,
es donde se almacenan las variables tomadas a través de los captadores
o receptores.
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o Entradas digitales: Los módulos de entrada digitales permiten conectar al
PLC captores de tipo todo o nada como pulsadores, relés, etc. Los
módulos de entrada digitales trabajan con señales de tensión, es decir,
cuando por una vía llegan 24 voltios se interpreta como un “1 lógico” y
cuando llegan cero voltios se interpreta como un “0 lógico”. El proceso de
adquisición de la señal digital consta de varias etapas. Etapas en las
cuales se resaltan la protección contra sobretensión, la cual protege las
entradas de exceso de voltajes mayores de su rango normal de
operación. La etapa del filtrado, previene a la entrada de señales
entrantes con ruido o alguna distorsión. Otra de las etapas es, Puesta en
forma de la onda, sistema que limpia las señales de entradas, dando la
forma de onda correcta, para luego ser procesada por el PLC. La ultima
etapa es la de Aislamiento galvánico o por optocoplador, que se trata de
un sistema de protección separado en dos etapas, las cuales se
comunican a través de luz o una etapa de alta impedancia, separado la
sección de entra externa de la etapa de entrada interna.
La sección de salida esta formada por módulos de salidas analógicas
permitiendo que el valor de una variable numérica interna del PLC se
convierta en tensión (voltaje) o intensidad (corriente). Para la salida de estas
señales se realiza una conversión Digital/Análoga, puesto que el autómata
solo trabaja con señales digitales. Esta conversión se realiza con una
precisión o resolución determinada (numero de bits) y cada cierto intervalo de
tiempo (periodo muestreo).
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Esta tensión o intensidad de corriente puede servir de referencia de
mando para actuadores que admitan mando analógico como pueden ser lo
variadores de velocidad, reguladores de temperatura, etc. Permitiendo al
realiza funciones de regulación y control de procesos continuos.
El proceso de envió de la señal analógica consta de varias etapas; como
es la etapa de aislamiento galvánico, esta es una etapa que separa una
señal en dos partes, la interna que es la que suministra el PLC y la externa
que es la suministrada por el PLC, estas dos partes están unidas por medio
de un sistema de alta impedancia y por lo cual separadas a su vez,
protegiendo la salida de caídas de tensión y cortos circuitos. Otra de las
etapas es la de conversión Digital/Análoga, este es un dispositivo
reconstructor de señales análogas, el cual adapta información digital en una
información del mundo análogo. Es importante nombrar los circuitos de
amplificación y adaptación en estas etapas, ya que estos son dispositivos
que se encargan de adecuar y amplificar según sea la señal de una salida
interna para evitar perdidas, como también para adaptarse a los
requerimientos de los mecanismos o actuadores. La ultima etapa esta
conformada por la protección electrónica de la salida, esta conformada por
circuitos sencillos tales como relés, fusibles, borneras, etc. Para la protección
del modulo de salida.
Por otro lado esta sección también comprende los módulos de salidas
digitales que permiten al PLC actuar sobre los preaccionadores y
accionadores o relés que admitan órdenes de tipo todo o nada. El valor
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binario de las salidas digitales se convierte en la apertura o cierre de un relé
interno del autómata en el caso de módulos de salidas a relé. En los módulos
estáticos (bornero), los elementos que conmutan son los componentes
electrónicos como transistores o triac’s, y en los módulos electromecánicos
son contactos de relés del modulo.
Los módulos de salida estáticos al suministrar tensión, solo pueden actuar
sobre elementos que trabajan todos a la misma tensión, en cambio los
módulos de salida electromecánicos, al ser libres de tensión, pueden actuar
sobre elementos que trabajan a tensiones distintas. El proceso de envío de la
señal digital consta de varias etapas; Puesta en forma, aislamiento, circuito
de mando (relé interno), protección electrónica y tratamiento de cortocircuito.
2.2. ESTRUCTURA DEL CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE
• ESTRUCTURA EXTERNA
Actualmente son tres las estructuras más significativas que existen en el
mercado para los PLC: Estructura Compacta, Estructura Semimodular
(Estructura Americana), Estructura Modular (Estructura Europeo).
o Estructura Compacta: Este tipo de PLC se distingue por presentar en un
solo bloque sus elementos, tales como son, fuente de alimentación, CPU,
memorias, E/S, etc. Los PLC de GAMA o NANOPLC son los que suelen
tener una estructura compacta. Su potencia de proceso suele ser muy
limitada dedicándose a controlar maquinas muy pequeñas o cuadros de
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mando.
o Estructura Semimodular: Se caracteriza por separar los módulos de
Entradas/Salidas del resto del autómata, de tal forma que en un bloque
compacto están reunidas las CPU, memoria de usuarios o de programa y
fuente de alimentación y separadamente las unidades de
Entradas/Salidas. Estos PLC de GAMA media son los que suelen tener
una estructura semimodular (Americana).
o Estructura Modular: Su característica principal radica en la existencia de
un modulo para cada uno de los diferentes elementos que componen el
autómata como puede ser una fuente de alimentación, CPU.
Entrada/Salida, etc. La sujeción de los mismos se hace por Carril DIN,
placa perforada o sobre RACK, en donde va alojado el bus externo de
unión de los distintos módulos que loo componen. Estos son los PLC de
gama alta los que suelen tener una estructura modular, que permiten una
gran flexibilidad en su constitución (Maser Grupo Tecnológico, 2002, en
línea).
• ESTRUCTURA INTERNA
El autómata esta constituido por diferentes elementos, pero tres son los
básicos entre todos, tales son como el Módulos de la CPU, Módulos de
entradas y Módulos de salidas. Con estas secciones se puede decir que se
tiene un PLC, pero para que este sea operativo son necesarios otros
elementos tales como: Modulo para fuente de alimentación, interfaces, la
36
unidad o consola de programación y los dispositivos periféricos (Maser Grupo
Tecnológico, 2002, en línea).
2.3. FUNCIONAMIENTO BÁSICO DE UN CONTROLADOR LÓGICO
PROGRAMABLE
Un controlador lógico programable cumple con muchas funciones como
(Maser, Grupo Tecnológico 2002, en línea):
• Detección: Lectura de la señal de los captadores distribuidos por el
sistema de fabricación.
• Mando: Elabora y envía las acciones al sistema mediante los
accionadores y preaccionadores.
• Dialogo usuario maquina: Mantener un dialogo con los operarios de
producción, obedeciendo sus consignas e informando del estado del
proceso.
• Programación: Para introducir, elaborar y cambiar el programa de
aplicación del PLC, él dialogo de programación debe permitir modificar la
información del programa incluso con el PLC controlando la maquina.
• Redes de comunicación: Permiten establecer comunicación con otras
partes de control. Las redes industriales permiten la comunicación y el
intercambio de datos entre PLC’s a tiempo real. Esto sucede en
milisegundos pueden enviarse telegramas e intercambiar tablas de
memoria compartida.
37
• Sistemas de supervisión: También los PLC’s permiten comunicarse con
ordenadores provistos de programas de supervisión industrial. Esta
comunicación se realiza por una red industrial o por medio de una simple
conexión por el puerto serie del ordenador.
• Control de procesos continuos: Además de dedicarse al control de
sistema de eventos discretos los PLC’s llevan incorporadas funciones que
permiten el control de procesos continuos. Disponen de módulos de
entrada y salida analógicas y la posibilidad de ejecutar reguladores “PID”
que están programadas en el PLC.
• Entradas/Salidas distribuidas: Los módulos de entrada / salida no tiene
porque estar en el armario del autómata. Pueden estar distribuidos por la
instalación, se comunican con la unidad central del autómata mediante un
cable de red.
• Buses de campo: Mediante un solo cable de comunicación se pueden
conectar al bus captador y accionador, reemplazando al cableado
tradicional. El PLC consulta cíclicamente el estado de los captadores y
actualiza el estado de los accionadores.
2.4. APLICACIÓN DEL CONTROLADOR LÓGICOS PROGRAMABLE
El PLC por sus especiales características de diseño tiene un campo de
aplicación muy extenso. La constante evolución del hardware y el software
amplia constantemente este campo para poder satisfacer las necesidades
38
que se detectan en el espectro de sus posibilidades reales. Su utilización se
da fundamentalmente en aquellas instalaciones en donde es necesario un
proceso de maniobra, control, señalización, etc. Por tanto, su aplicación
abarca desde procesos de fabricación industrial de cualquier tipo a
transformaciones industriales, control de instalación, etc.
Sus reducidas dimensiones, la extremada de su montaje, la posibilidad de
almacenar los programas para su posterior y rápida utilización, la
modificación o alteración de los mismos, etc., hace que su eficiencia se
aprecie fundamentalmente en procesos en que se producen necesidades
tales como (Maser, Grupo Tecnológico 2002, en línea):
• Espacio reducido.
• Procesos de producción periódicamente cambiantes.
• Procesos secuénciales.
• Maquinarias de procesos variables.
• Instalaciones de procesos complejos y amplios.
• Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso.
2.5. VENTAJAS DE LOS CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES
No todos los PLC’s ofrecen las mismas ventajas sobre la lógica de
cableado, esto se debe, principalmente, a la variedad de modelos existentes
en el mercado y las innovaciones técnicas que surgen constantemente. Tales
consideraciones obligan al consumidor a referirse a las ventajas que
39
proporciona un PLC (Maser Grupo Tecnológico, 2002, en línea), a
continuación se mencionan:
• Los PLC’s son equipos electrónicos muy confiables y eficientes, con
respecto a la técnica convencional e los relés.
• No presentan ninguna clase de desgaste mecánico pues no tiene partes
móviles.
• Menor tiempo empleado en la elaboración de los proyectos debido a que,
no es necesario dibujar el esquema de contactos, no es necesario
simplificar las ecuaciones lógicas, ya que, por lo general la capacidad de
almacenamiento del modulo de memoria es lo suficientemente grande.
• La lista de materiales queda sensiblemente reducida, y al elaborar el
presupuesto correspondiente se eliminara parte del problema que se
supone al contar con diferentes proveedores, que a su vez tiene distintos
tipos de plazos de entrada.
• Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado ni añadir
aparatos.
• Mínimo espacio de ocupación.
• Costos menores de mano de obra en la instalación.
• Economía de mantenimiento además de aumentar la fiabilidad del
sistema, al eliminar contactos móviles, los mismos PLC pueden indicar y
detectar averías.
• Posibilidad de gobernar varias maquinas con un mismo PLC.
40
• Puede complementarse con equipos auxiliares, tales como impresora y
monitor de video.
• Posee indicadores luminosos (led’s) de auto-diagnósticos de fallas.
• El consumo de energía eléctrica es menor, por ser elemento de estado
sólido.
• Si por alguna razón la maquina queda fuera de servicio, el autómata
sigue siendo útil para otra maquina o sistema de producción.
2.6. DESVENTAJAS DE LOS CONTROLADORES LÓGICOS
PROGRAMABLES
Como inconvenientes se puede indicar que:
• En la industria hará falta un programador, lo que obliga a adiestrar a uno
de los técnicos en tal motivo, pero hoy en día ese inconveniente esta
solucionado porque las universidades ya se encargan de dicho
adiestramiento.
• El costo inicial también puede ser un inconveniente.
• En el control programable las respuestas de las señales son más lentas
que el sistema convencional de relés, debido al tiempo empleado en
explorar el programa completo.
• Cambio permanente en la tecnología electrónica, hace que estos equipos
sean descontinuados del mercado en tiempos relativamente cortos, para
dar pasos a otros más modernos.
41
• Alto consumo de energía.
• Longitud de los programas es mayor para una misma función.
2.7. LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN DEL CONTROLADOR LÓGICO
PROGRAMABLE
La programación del PLC ocurre por medio del hardware y software
mediante los cuales el programador (usuario) introduce y depura las
secuencias e instrucciones por las cuales se debe de dirigir sin importar el
lenguaje de programación que constituye el programa de datos a ejecutar.
Al inicio, la utilización de un lenguaje de programación con una estructura
o representación similar a la de los arreglos de relevadores en escalera
(diagramas de escalera), fue una buena elección ya que facilitaba el
entrenamiento de los operadores que ya conocían estos diagramas. Así, el
primer lenguaje de programación para PLC’s, considerado de bajo nivel, fue
el "Lenguaje de Escalera". Aún hoy se utiliza este lenguaje, así como el
"lenguaje booleano" que se basa en los mismos principios del álgebra
booleana. Este último utiliza nemotecnia (AND, OR, NOT, NAND, etc.)
enteramente equivalentes al Lenguaje de Escalera.
Cuando se comprendió el gran potencial de los PLC’S, como poderosas
computadoras que son y se dio la evolución de capacidades que ahora
tienen, que no poseían los antiguos circuitos, aparecieron los lenguajes de
alto nivel como el "lenguaje de escalera" pero, con la adición de funciones
42
especiales complejas, que en el diagrama de escalera aparecen en el lugar
de las salidas". Luego, se desarrollaron los Lenguajes Especiales de
Computadora, también de alto nivel, que son muy similares a los lenguajes
de programación de computadoras como el Basic y el C, para hacer cada vez
más amigable la programación.
Los lenguajes de lógica de relevadores en escalera (LLRE) que se han
mencionado, utilizan un marco de programación que obliga al programador a
centrarse en cada salida individualmente, en lugar de hacerlo en el flujo y
operación del proceso o sistema que se controla. La programación con un
LLRE requiere el uso de soluciones de casos especiales, eliminando la
posibilidad de una programación limpia, directa y elegante. Adicionalmente,
muy a menudo los programas resultantes son difíciles de modificar por no
tener una estructura modular. Para mejorar la programación en estos
aspectos, se han propuesto metodologías de programación basadas en
reglas como la lógica difusa y la lógica de estado (Humberto Rodríguez
MSC).
La lógica de estado es una metodología para el control de sistemas que
no se basa en la lógica combinacional, sino en la teoría de la Máquina de
Estado Finita. Los lenguajes de lógica de estado, son lenguajes de
programación de muy alto nivel, cuyo poder y flexibilidad se derivan del
ajuste fiel entre el problema a resolver y el modelo sobre el cual se basa.
Con estos lenguajes, el desarrollo y modificación del sistema es mucho más
fácil y rápida que con lenguajes de nivel más bajo. El programador puede
43
olvidarse de los códigos simplemente concentrarse en la comprensión del
sistema de control.
Se observa primero que, cada proceso en un sistema real, atraviesa una
secuencia de estados y cada máquina o proceso es una colección de
dispositivos o componentes físicos. Además la operación de cualquiera de
estos dispositivos, puede ser descrita como una secuencia de pasos con
respecto al tiempo. Inclusive los procesos continuos pasan por estados, por
ejemplo, fases de arranque, manual (o automático), operación normal y
parada. No resulta difícil, tampoco, expresar explícitamente las condiciones
de prueba o eventos que causan que un dispositivo cambien de estado, por
ejemplo: "si el nivel del tanque está por debajo del 50%, arranque la bomba #
1 y encienda la luz indicadora". Así, todas las actividades físicas pueden ser
descritas en esta forma.
El modelo de lógica de estado, en el cual se basan estos lenguajes, es un
modelo jerárquico. Éste consiste de tareas (tasks), subdivididas en estados
(states), los cuales son descritos por enunciados (statements) o comandos.
3. CALDERAS
La terminología utilizada en la industria indica que, una caldera es un
recipiente cerrado en el cual se calienta agua, se genera vapor o se
sobrecalienta o cualquier combinación de las dos cosas, dándose estas
condiciones bajo presión o vacío mediante la aplicación de; calor de
combustibles, electricidad o energía nuclear (Mosher R., 1987, p. 4-22).
44
3.1. TIPOS DE CALDERAS
Las calderas según Mosher R. (1987, p. 4-22) se subdividen
generalmente en cuatro tipos clásicos: residencial, comercial, industrial y
para generación de energía eléctrica.
Las calderas residenciales: Producen vapor a baja presión o agua
caliente, sobretodo para ser aplicada en la calefacción en residencias
privadas.
Las calderas comerciales: Producen vapor o agua caliente principalmente
para aplicaciones de calefacción en uso comercial, con uso casual en
operaciones de procesos.
Las calderas industriales: Producen vapor o agua caliente principalmente
para su aplicación en procesos, con uso casual en calefacción.
Las calderas para la generación de energía eléctrica: Producen vapor
principalmente para la producción de electricidad.
3.2. CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS
Dentro de los cuatro tipos genéricos de calderas, existen tipos específicos
de calderas que suelen clasificarse como (Lafacu, 2002, en línea):
• CALDERAS PIROTUBULAR O CALDERAS DE TUBOS DE HUMO
En estas calderas la flama y los gases calientes de la combustión pasan
por el interior de los tubos, los cuales se hallan rodeados de agua u otro
medio (vea la figura 5). En la actualidad las calderas pirotubulares o calderas
45
de tubos de humo horizontales se utilizan en instalaciones de calefacción a
baja presión, y algunos tipos más grandes para producir vapor a presiones
relativamente baja destinada a calefacción y a producción de energía.
Junto con las calderas pirotubulares o calderas de tubos de humo se
utilizan varios tipos de hogares. Algunos son largos tubos cilíndricos,
mientras que otros son disposiciones de cajas de humo que permiten el
quemado de combustibles sólidos. Estas incluyen un casco que contiene el
agua y el espacio de vapor. Dentro del casco están las placas que soportan
los grupos de tubos y los tubos que son porciones del recipiente a presión. El
hogar o caja de humo proporciona el espacio para los procesos de
combustión de la fuente de calor (Mosher R., 1989, p. 28).
Muchos tipos de calderas pirotubulares o calderas de tubos de humo se
suministran a las industrias. Una de ellas es la caldera horizontal tubular de
retorno. En esta unidad los productos de combustión viajan a través del
casco y retroceden a través de los tubos dentro del recipiente a presión.
FIGURA 5, Caldera pirotubular. Fuente: Portfolio (2002, en línea).
46
Otro tipo de unidad de tubos de humo es la caldera marina escocesa, que
fue creada originalmente para ser instalada en barcos. Este tipo de caldera
puede alimentarse con combustible sólido, líquido o gaseoso.
Además existe otro tipo de unidad de tubos de humos o pirotubular es la
caldera de tipo vertical, en la cual el combustible o la fuente de calor esta en
la parte inferior, y los productos de combustión suben a través de los tubos y
se eliminan por la parte superior de la unidad.
• CALDERAS ACUOTUBULAR O CALDERAS DE TUBOS DE AGUA
Es una caldera que cuenta con muchos arreglos y diseños. Esta unidad
tiene la característica que en el interior de los tubos pasa agua o vapor, y los
gases calientes se haya en contacto con la superficie externa de aquellos, es
decir, rodean usualmente a los tubos y el agua o vapor que se encuentra en
el interior de los tubos que se inclinan hacia un recipiente o domo en el punto
mas alto de la caldera.
FIGURA 6, Caldera acuotubular. Fuente: Portfolio (2002, en línea).
47
Son empleadas casi exclusivamente para obtener elevadas presiones y
rendimientos, debido a que los esfuerzos desarrollados en los tubos por las
altas presiones son de tracción en vez de compresión, como ocurre en las
calderas pirotubulares. La configuración de estos tubos describe por lo
general el tipo de caldera, vea la figura 6 .
• CALDERAS ACUOPIROTUBULAR O CALDERAS UNITARIA
Este tipo de caldera puede quemar combustible líquido, gas natural o
carbón (ver figura 7). El hogar mecánico se caracteriza por el tipo de
alimentación el cual se encuentra por la parte inferior constituyendo una
instalación típica. Las puertas frontales y posteriores dan acceso a los tubos.
FIGURA 7. Caldera acuopirotubular. Fuente: Consulterm, Consultores
Térmicos S.L (2002, en línea).
48
Los acuatubos laterales están unidos por colectores horizontales que a su
vez van unidos a la cámara de agua del cuerpo cilíndrico de la caldera. La
circulación es excelente debido a que el agua y vapor suben verticalmente
por el interior de los tubos. Los tubos denominados de circulación envían el
agua desde la parte posterior de la caldera al colector inferior.
Los tubos verticales absorben el calor irradiado y al mismo tiempo
protegen el revestimiento del refractario.
3.3. COMPONENTES DE LAS CALDERAS
Para comprender la operación de una caldera es necesario entender lo
que sucede desde la entrada hasta la salida de la unidad (vea la figura 8b).
Debido a que varios ciclos están incluidos en la operación completa de la
unidad. Por ello se detalla ha continuación los distintos componentes que
aplican en distintas unidades:
• HOGAR
En el ciclo de combustión, el combustible sólido, líquido o gaseoso se
suministra a las calderas donde se mezcla con aire y se quema. Esta
liberación de calor se realiza casi siempre en el hogar de la caldera. Los
hogares pueden ser de del tipo refractario o del tipo enfriado por agua
(Mosher R., 1987, p. 4 -31).
o Hogar refractario: En este tipo de hogar los ladrillos refractarios forman
49
la envolvente del hogar. En estos hogares refractarios suelen estar
revestidos con aislamiento y un material de cubierta.
o Hogar de paredes enfriadas con agua: Este tipo de hogar la envolvente
consiste en tubos colocados cercanos entre sí, que absorben el calor y
ayudan a la producción de vapor. Estos hogares enfriados por agua
pueden tener paredes de tubos y enladrillados, tubo tangente o de
membrana soldada.
La función básica del hogar es permitir que se queme el combustible. Es
necesario que el tamaño del hogar sea suficiente para permitir la combustión
adecuada, el tiempo para la combustión y la turbulencia suficiente para tener
una combustión eficiente.
• SECCIÓN DE CALDERA
Se suele mencionar como la sección de caldera o de convección de la
unidad. Los tubos cercanos entre sí están dispuestos para permitir el paso de
los productos de la combustión alrededor de los tubos o a través de los
tubos, según el tipo de caldera. La mayor parte del vapor se genera en la
parte de caldera de la unidad. En las unidades de tubos de agua o
acuotubular, si se requiere temperatura adicional del vapor para el proceso,
el vapor se envía entonces hacia un sobre-calentador (Mosher R., 1987, p. 4-
32).
• SOBRE-CALENTADOR
50
En una unidad sobre-calentadora el vapor se dirige hacia atrás a través
de los productos de combustión para tomar calor adicional. Este calor
adicional produce una ganancia considerable de energía en el vapor que se
libera en el uso final. Este uso final puede ser una turbina de vapor o
cualquier otro tipo de equipo que requiera liberación considerable de energía
para su operación. En un sobre-calentador radiante los tubos están
localizados casi siempre en la sección del hogar de la caldera.
Los sobre-calentadores de tipo convencional; se suelen localizar detrás
de la pared pantalla de la sección de convención. Los sobre-calentadores de
tipo radiante, reciben su calor por radiación directa de la llama, en tanto que
los de convención reciben su calor principalmente por el paso de los
productos de combustión alrededor de los tubos (Mosher R., 1987, p. 4-33).
• CALENTADORES DE AIRE
Es deseable con frecuencia precalentar el aire para la combustión antes
de ponerlos en contacto con el combustible. Esto es necesario cuando se
queman combustible con un alto contenido de humedad. En un calentador de
aire se capta el aire ambiente y se precalienta utilizando el calor sensible del
gas de chimenea de la caldera que sé esta descargando de la unidad.
Esto aumenta la eficiencia global y elimina el uso de combustible extra
para este propósito. Esta unidad se le denomina unidad de recuperación de
calor (Mosher R., 1987, p. 4-33).
51
• ECONOMIZADORES
Un economizador es otra unidad para la recuperación del calor (vea la
figura 8a), es un componente para la caldera que precalienta el agua de
alimentación con respecto a la temperatura de suministro, utilizando el
sensible calor del gas de chimenea de la caldera que sale de la unidad.
Como sucede en los calentadores de aire, la elevación de estas
temperaturas del agua de alimentación aumenta la eficiencia de la unidad al
eliminar el combustible adicional para esta operación (Mosher R., 1987, p. 4-
32).
FIGURA 8a. Economizador. Fuente: Consulterm Consultores Térmicos,
(2003, en línea).
3.4. ACCESORIOS DE LAS CALDERAS
Los accesorios que generalmente llevan las calderas son, manómetro,
nivel de agua, regulador del agua de alimentación, válvulas de seguridad,
borneras, purgadores, sopladores de hollín, indicadores de tiro y aparatos de
52
control como PLC. A continuación se describirán algunos de estos
accesorios:
FIGURA 8b. Componentes de las calderas. Fuente: Sainca (2001).
• CONTROLES DEL NIVEL DE AGUA
Existen varios tipos de dispositivo para el control del nivel del agua, pero
los más utilizados son los flotadores, el cual consta de una vejiga llena de
aire que flota en el agua sostenida por medio de un brazo y ajustado al otro
extremo del brazo a un interruptor que indicara un bajo nivel o alto nivel
según sea la configuración del dispositivo, existen otros controles menos
complejos, pero con mayor servicio del mismo. El propósito de los controles
del nivel de agua es mantener el agua en el interior de la caldera al nivel
adecuado. Todos los controles de nivel tienen una gama de operación, no
sólo son un punto de ajuste para la unidad. Existen los controles de nivel con
53
indicador de vidrio los cuales estos deben ajustarse de modo que el nivel del
agua bajo o alto, nunca deje de verse.
• VÁLVULAS DE SEGURIDAD
Se emplean para impedir que en las calderas se desarrollen presiones de
vapor excesivas, abriéndose automáticamente a una presión determinada y
dejando escapar el vapor. Él número y tamaño de las válvulas de seguridad
para una determinada caldera, generalmente viene especificada por la
legislación vigente o por las compañías de seguro.
• PURGADORES
Van en la parte más baja de la caldera y algunas veces también en el
cuerpo cilíndrico se utilizan para sacar una cierta cantidad de agua con el fin
de extraer de la caldera el lodo, sedimento y espuma. Las impurezas de las
grandes cantidades de agua vaporizada se van precipitando constantemente.
En ocasiones se emplea un purgado (por el fondo) continuo por medio de
un tubo pequeño, para sacar las impurezas a medida que se precipitan. No
obstante, cuando se sigue este procedimiento, los purgadores grandes hay
que abrirlos de vez en cuando para sacar más completamente los lodos
acumulados.
• SOPLADORES MECÁNICOS DE HOLLÍN
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Están instalados en las calderas permanentemente y situados de manera
que todas las superficies de calentamiento sometidas a la acumulación de
hollín puedan limpiarse con chorros de vapor, aire o una mezcla de aire y
vapor. Los sopladores de hollín están construidos para girar en un sentido,
estirando una cadena los chorros barren el arco de soplado una vez cada
revolución.
C. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS
1. MEDIDOR DE CAUDAL
Según Fink D. y Christiansen D. (1992, p. 10-19) el flujo es el movimiento
del fluido. El caudal es la variación con el tiempo del flujo del fluido
expresado en forma de volumen del fluido por unidad de tiempo (caudal
volumétrico) o bien masa del fluido por unidad de tiempo (caudal masa). Los
transductores empleados en la medida del flujo de este tipo miden
generalmente el caudal llamándose caudalímetro. Existen varios métodos y
con ayuda de la instrumentación se puede medir el caudal, según sea el tipo
de caudal volumétrico o másico deseado (ver anexo 1).
2. CONTACTOR
Un contactor es un dispositivo con capacidad de cortar o conectar la
corriente eléctrica de un receptor o instalación, con la posibilidad de ser
accionado a distancia.
Tiene dos posiciones de funcionamiento, una estable o de reposo, que es
55
cuando no recibe acción alguna por parte del circuito de mando, y otra
inestable, cuando actúa el circuito de mando y proporciona acción al
contactor. Estos tipos de funcionamientos se llaman de "todo o nada".
Un contactor esta formado internamente por bobinas, armadura, núcleo y
resorte (Personal Redestb, 2002, en línea).
3. DETECTOR DE TEMPERATURA RESISTIVO
Con sus siglas inglesas RTD (Resistance Temperature Detector). El
funcionamiento de este sensor se basa, en que cuando se expone a cambios
de temperatura el material en su interior cambia su resistencia eléctrica en
una manera definida. Los RTD’s son principalmente hechos de alambre de
platino envuelto en una base cerámica, estando cubierto de vidrio o de
material cerámico. Además pueden encontrarse como película en un sustrato
(Din Instrumentos y Hispanista, 2002, en línea).
4. OFF-SET
Según Creus A. (1997), la desviación permanente que existe en régimen
en el control proporcional cuando el punto de consigna está fijo.
5. PT100
Un PT100, es un sensor de temperatura realizado con alambre de platino
el cual tiene como característica de trabajo que a 0°C tiene 100 ohmios y que
al aumentar la temperatura aumenta su resistencia eléctrica. Un PT100 es un
56
tipo particular de RTD.
Por otra parte los PT100 siendo levemente más costosas y
mecánicamente no tan rígidas como las termocuplas, las superan
especialmente en aplicaciones de bajas temperaturas que están entre unos
-100°C a 200°C (Arian, 2002, en línea).
6. SET POINT
Punto en que una señal se establece bajo ciertos parámetros deseados.
Es un punto o localidad de consigna para valor de la señal de la variable
(Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid, 2002, en línea).
7. TERMOCUPLAS
Las termocuplas son el sensor de temperatura más común utilizado
industrialmente. Estas se hace con dos alambres de distinto material unidos
en un extremo “soldados generalmente”, al aplicar temperatura en la unión
de los metales se genera un voltaje muy pequeño que se encuentra en el
orden de los milivoltios, el cual aumenta con la temperatura (Revista Virtual
de Electrónica, 2002, en línea). Ver anexo 2.
D. SISTEMA DE VARIABLES
La variable en el presente estudio es:
1. DEFINICIÓN CONCEPTUAL
57
Es aquel que puede regular su modo de operación con relación a los
cambios de las variables externas que intervienen sobre él. Esto lo realiza en
tres fases diferentes: medición, evaluación y control. En la medición se
verifica la magnitud de las variables físicas en esta parte del sistema se
produce la retroalimentación. En la evaluación se hace una revisión de la
información encontrada para activar acciones correctivas y el control es la
acción resultante de las fases anteriores (Ogata K., 1993, p. 56).
2. DEFINICIÓN OPERACIONAL
Operacionalmente el sistema de control de las calderas es capaz de
supervisar variables de entrada como también de salida, donde su operación
principal es el calentamiento del agua tratada químicamente con anterioridad
por la empresa Molinos Sagra C.A., para llevar acabo su función de
calentamiento, está cada una de ellas dotados de un hogar, en el cual se
suministra el combustible y el aire, necesario para cumplir con el
caldeamiento del liquido en la sección de la caldera y requerido por las
demandas de temperaturas de la planta. La energía calorífica es transferida
a través de los tubos o pirotubos, los cuales se hayan circundado de agua
para cumplir el proceso de un intercambiador de calor (calentador).
El agua caliente pasa por un circuito cerrado hacia el área de las líneas
de producción para consumar el proceso de secado de pastas, a través de
unos calefactores por los cuales se transfiere el poder calorífico, el mismo
posee un diseño que cuenta con un intervalo de alta y baja temperatura
58
(offset), siendo este actualmente el proceso del sistema de control para las
calderas que trabajan como calentadores en la industria alimenticia Molinos
Sagra C.A.
A todo esto se integra un conjunto de elementos interdependientes, para
la automatización de todo el sistema de control de los calentadores, que
ayuda a la regulación de las demandas de las líneas de producción, donde
este se traduce al final del proceso en una economía y en un mayor control
de los suministros y materiales utilizados en el consumo de las calderas
usados como calentadores.
Todas estas virtudes de los procesos y automatizaciones se logran con el
apoyo tecnológico y arquitectónico de un PLC que se ha implantado en las
calderas de la industria, con ello se busca, reducir los riesgos tanto de paros
de planta como fallas en las producciones, mejor sistema de control de
alarma y todos aquellos recursos que brinda un Controlador Lógico
Programable, en procesos automáticos de sistemas bajo su control,
supervisión y evaluación de las variables de entrada y salida de los
calentadores de la industria MOSACA.