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Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Dorado Hernan, Orjuela Alejandro. Diseño y simulación banco de pruebas.
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Resumen— El uso de sensores de fondo en la industria de
bombeo electrosumergible se ha convertido en una prioridad
para las operadoras, debido a que permiten proteger al sistema
ESP de temperaturas y vibraciones que puedan ocasionar un
daño irreversible. Adicional a esto, suministran información
muy valiosa que permiten evaluar y ejecutar acciones en pro
de obtener el mejor beneficio durante el tiempo que dure
instalado el equipo, traducido en barriles por día = dinero. En
la actualidad, aunque se cuenta con bancos de prueba de
sensores, la tecnología usada no es empleada de la forma más
eficiente posible, lo que implica riesgos para la seguridad del
operador y errores en la toma y análisis de la información
suministrada por los equipos en prueba.
Palabras clave: Sensores de fondo, electrosumergible,
temperaturas.
Abstract—the use of background sensors in the electro-
submersible pumping industry has become a priority for
operators, because they allow the ESP system to be protected
from temperatures and vibrations that can cause irreversible
damage. In addition to this, they provide very valuable
information that allow evaluating and executing actions in
order to obtain the best benefit during the time the equipment
is installed, translated into barrels per day = money. Currently,
although there are sensor test benches, the technology used is
not used as efficiently as possible, which implies risks for
operator safety and errors in the collection and analysis of the
information supplied by the equipment in test.
Keywords: Background sensors, electro-submersible,
temperatures.
I. INTRODUCCIÓN
Actualmente en la industria de bombeo
electrosumergible se requiere de la preparación y
prueba de sensores de fondo que cumplan con
Requisitos muy precisos en lo que se refiere a
medición de variables como presión, temperatura,
vibraciones, etc.
Adicionalmente, los bancos en los que se prueban
estos equipos, normalmente son manuales, lo que
implica la ejecución de tareas repetitivas por parte
de un operador el cual está expuesto a riesgos
constantes por estar en contacto con el equipo a
altas presiones y temperaturas.
Por tal razón, surge la necesidad de diseñar e
implementar un banco de pruebas que permita
realizar pruebas de manera remota, automática y
minimizando el contacto del operador con los
equipos a probar.
La industria de la instrumentación en conjunto
con el control automático de procesos juega un
papel importante para el desarrollo de este tipo de
tareas, ya que la sinergia de dichas áreas del
conocimiento permite el desarrollo de pruebas de
equipos de manera segura, automática y precisa.
Esta propuesta se encamina a la implementación
de un sistema que permita adquirir datos y ejecutar
tareas de forma automática, teniendo en cuenta la
formación recibida durante el desarrollo de la
especialización en automática e informática
industrial.
II. PROCEDIMIENTO PARA LA SUMISIÓN
DEL DOCUMENTO
A. Fase de revision:
El estudio se realizó en las instalaciones de la
zona franca INTEXZONA ZFP. Ubicado en el
Dorado Galeano Hernán Ricardo, Member, IEEE, y Orjuela Herwin Alejandro.
Universidad Distrital Francisco José de Caldas, especialización en informática y automática
industrial, Cód. Postal 1101, hernandorado@ieee.org, alejandro.1221@hotmail.com.
Diseño y simulación de un banco de pruebas de
sensores de fondo para sistema de bombeo
electrosumergible
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municipio de Cota-km1 vía Siberia-Funza
Cundinamarca. Colombia.
Figura 1: Ubicación zona franca Intexzona.
Fuente: Google Maps.
B. Descripción de los procesos:
A partir del año 2016 se fue planificando la
construcción de un banco de pruebas de sensores
que permita manipular algunas variables
(temperatura y presión) para simular ciertas
condiciones de pozo de manera controlada y segura.
Actualmente, la sucursal cuenta con el siguiente
banco de pruebas:
Figura 2: Banco de pruebas de sensores.
Fuente: Archivos personales Hernan Dorado.
Dado que el banco de pruebas permite simular
algunas condiciones de pozo, este sólo es operado
por personal calificado.
A través del banco se determina si la temperatura
registrada por el sensor es correcta o no. Para
determinar si la temperatura medida por el sensor
está en rango, se sumerge la RTD PT1000 dentro de
un vaso con agua cuya temperatura ya se conoce
(40°C aprox.). Si la temperatura registrada por el
sensor es de 40°C ± 3°C, se afirma que el sensor
está calibrado, caso contrario el equipo no es
operativo.
El banco cuenta con un manómetro digital
KELLER Lex 1, el cual realiza las mediciones de la
presión aplicada a los sensores tanto en Intake como
en descarga. Este manómetro puede comunicarse
con el computador a través del protocolo de
comunicación RS-485 y el software
ControlCenterSeries30 (CCS30), el cual permite
registrar y graficar el comportamiento de la presión
aplicada al sensor.
El banco permite manipular básicamente 2
variables: Presión y Temperatura. Los sensores son
colocados al interior de la cabina, la cual cumple
dos funciones esenciales para el sistema; el
aislamiento térmico del sistema y la protección en
caso de falla del sistema de control de presión.
Figura 3: Cabina de prueba de sensores.
Fuente: Archivo personal Hernan Dorado.
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Los cambios de presión son realizados de manera
manual a través de una bomba, la cual antes de
realizar cualquier prueba es llenada con aceite.
Para seleccionar el “canal” o canales en los cuales
se desea realizar un cambio de presión, se abren o
cierran las válvulas en función de los
requerimientos de la prueba:
Figura 4: Válvulas de alta presión
Matemáticamente, la selección del canal en el
banco que permite el cambio de presión o no es la
siguiente:
Ecuación 1
Control Intake pressure = (Válvula 1. Intake
pressure) AND (Válvula 5) (1)
Ecuación 2
Control Discharge pressure = (Válvula 2.
Discharge pressure) AND (Válvula 5) (2)
Dónde:
Válvula 1. Intake pressure: 1, si Válvula 1. Intake
pressure está ABIERTA. 0, si válvula 1. Intake
pressure está CERRADA.
Válvula 2. Discharge pressure: 1, si válvula 2.
Discharge pressure está ABIERTA. 0, si válvula 2.
Discharge pressure está CERRADA.
Válvula 5: 1, si válvula 5 está ABIERTA. 0, si
válvula 5 está CERRADA.
Teniendo en cuenta las ecuaciones (1) y (2),
cuando se requiere realizar cambios de presión en
Intake y en descarga, se requiere abrir las válvulas;
valve1. Intake pressure, valve2. Discharge pressure
and valve5:
Figura 5: Banco preparado para incrementos de presión
Cuando la magnitud en la presión es alcanzada, se
procede a cerrar la válvula N° 5 con el fin de
mantener la presión estable.
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Figura 6: Banco preparado para mantener la presión
constante.
Para determinar si un sensor opera normalmente o
no, se comparan las lecturas realizadas por el sensor
con las mediciones realizadas por el manómetro
KELLER Lex1 (más específicamente, comparar los
datos registrados en la data del controlador y
analizada con el software CONTROL CENTER
SERIE 30).
C. Diagrama de los procesos:
A continuación se muestra el diagrama de flujo
del proceso de medición en las variables
temperatura y presión que se realizan en el banco de
pruebas:
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D. Esquema y componentes del proceso de
temperatura:
Figura 7: Esquema del proceso medición temperatura.
Tabla 1: Componentes del proceso de temperatura.
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E. Esquema y componentes del proceso de
presión:
Figura 8: Esquema del proceso medición Presión.
Tabla 2: Componentes del proceso de Presión.
III. DESARROLLO DE LA PROPUESTA
A) Modelamiento matemático de la planta de
temperatura:
El método Ziegler-Nichols (ZNM) se puede
utilizar en configuraciones de lazo abierto y cerrado
para determinar los parámetros de una planta, lo que
permite definir un controlador razonable. En el
presente trabajo, se encontró que la respuesta a una
entrada escalonada en la planta en lazo abierto era
suficiente.
Según el método de Ziegler-Nichols la respuesta
de la planta a una entrada tipo escalón unitario en
lazo abierto, G (s), puede ser aproximada por la
siguiente expresión:
(3)
En donde:
- K: La ganancia estática se define como el valor
final ante entrada escalón unitario.
- Td: tiempo muerto. Este es el tiempo que tarda el
sistema en comenzar a responder. Este intervalo se
mide desde que la señal escalón sube, hasta el punto
de corte de la recta tangente con el valor inicial del
sistema.
- TL: Es el tiempo requerido para que la respuesta
pase del 10 al 90% del valor final. También puede
definirse como el tiempo de paso del 5% al 95% o
del 0% al 100%.
Figura 9: Respuesta al escalón de la planta
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Teniendo en cuenta la anterior información, se tiene
para la planta de temperatura la siguiente función de
transferencia:
(4)
Hay que tener en cuenta que para obtener esta
función de transferencia se quitó el offset de
aproximadamente 22°C (Temperatura ambiente).
Al graficar la función de transferencia:
Figura 10: Diagrama de bloques de la planta térmica
Se obtiene:
Figura 11: Respuesta modelo encontrado a una entrada tipo
escalón unitario
Al comparar la respuesta real de la planta con el
modelo estimado de la misma se obtiene:
Figura 12: Comparativa entre la Respuesta de la planta y el
modelo encontrado
B) Modelamiento matemático del controlador
En el control de temperatura PID, se deriva la
señal de control del variador, u(t), al elemento
calefactor de la retroalimentación de la temperatura
pasada y presente. El controlador primero determina
la señal de diferencia de error e(t) que indica la
diferencia entre la referencia y la temperatura
medida. Luego genera una señal de control que es
una suma de tres cantidades, una proporcional e(t),
otro dependiente del error de tiempo acumulado
(integral) y otro dependiente de qué tan rápido
cambia el error con el tiempo, es decir, la derivada
del error. Matemáticamente se expresa de la forma:
(5)
Donde Kp es la ganancia proporcional, Ti y Td
son las constantes de tiempo integral y derivativa
respectivamente. La transformación de la ecuación
1 y la definición de una ganancia directa común Kp
proporciona PID en el espacio de transformación de
Laplace le da al controlador:
(6)
Para determinar el valor de las 3 constantes, se
emplea la siguiente tabla:
Tipo Kp TI TD
P
0
PI
0
PID
Tabla 3: Valores de sintonización PID
Obteniendo:
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(7)
(8)
(9)
Sustituyendo los parámetros de las ecuaciones
(7), (8) y (9) en la Ecuación (6) da un controlador
PID C (s) se tiene que:
(10)
Reorganizando la ecuación anterior se obtiene:
(11)
C) Modelamiento matemático del controlador
PID Discreto
Teniendo en cuenta que se va a implementar el
sistema de control en el PLC Schneider Electric
HMISCU8B5, se coloca la ley de control en tiempo
discreto con un tiempo de muestreo (k) adecuado.
Ziegler y Nichols propusieron determinar el tiempo
de muestreo rápidamente de dos formas distintas:
1.
(12)
2.
(13)
Para este caso se escoge un k=1seg, el cual es
inferior a:
(14)
El control discreto PID viene dado por:
(15)
Donde:
(16)
(17)
(18)
Reemplazando los valores de las constantes, se
tiene:
q0 = 1.7278e+03 (19)
q1 = -3.4486e+03 (20)
q2 = 1.7208e+03 (21)
Con esto, la ley de control que se ingresa al PLC
sale del control PID discreto (Despejando u(k))
(22)
(23)
(24)
Aplicando transformada inversa Z obtenemos la
ecuación en diferencias:
(25)
Así, u(k) quiere decir la ley de control actual, u(k-1)
es la ley de control un instante de muestreo atrás,
e(k) es el error actual (Referencia – temperatura),
e(k-1) es el error un instante de muestreo atrás,
e(k-2) es el error dos instantes de muestreo atrás.
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D) Modelamiento matemático de la planta de
Presión:
Dado que no se cuenta con el elemento actuador
en el banco, se procede a buscar en el mercado una
válvula proporcional presión que cumpla con los
requerimientos del sistema, principalmente que
permita manejar presiones de hasta 3500PSI.
Por tal razón, se seleccionó la válvula
proporcional direccional NG10 (05) de la marca
WANDFLUH, la cual puede operar hasta 315 bares
(aproximadamente 4569PSI), y un voltaje de
24VDC
Hay que anotar que, para la implementación del
controlador de presión no se necesita hacer ningún
tipo de ajuste a la salida, ya que la señal correctora
se encuentra en el rango de funcionamiento de la
señal de voltaje de la válvula reguladora de presión.
A continuación aparece el comportamiento de la
planta (sin la válvula proporciona direccional):
Figura 13: Respuesta del sistema ante una entrada tipo
escalón.
ts = 13 s (26)
Ess = 0.16 PSI (27)
Donde el ts es el tiempo de asentamiento con una
tolerancia del 5% y Ess es el en estado estable.
Muchas de las válvulas disponibles en el mercado
funcionan a través de un actuador de posición
lineal o una modificación de este tipo de actuador.
Dichas válvulas siempre presentan algún retraso
dinámico. Se ha encontrado que la relación entre el
flujo y la presión para una válvula lineal puede a
menudo representarse por una función de
transferencia de primer orden:
(28)
Donde:
Q(s) = variable manipulada
U(s) = señal proveniente del controlador (voltaje) y
actúa sobre la válvula
KV = constante de válvula (ganancia al estado
estacionario)
= Constante de tiempo de la válvula
En muchos sistemas prácticos, la constante de
tiempo de la válvula es muy pequeña comparada
con las constantes de tiempo de otros componentes
del sistema de control, y la función de transferencia
de la válvula puede ser aproximada a una
(29)
Para realizar la medición de la presión se emplea
el manómetro digital KELLER LEX 1, el cual
cuenta con un módulo de comunicación RS-485,
que le permite enviar información de la presión
registrada al PLC Schneider HMISCU8B5, para
realizar la acción de control.
E) Implementación del sistema de control
Para implementar la ley de control en el PLC, se
emplea el software Somachine V4.3, el cual cuenta
con 2 ventanas que permiten realizar la
configuración del dispositivo (en este caso, el PLC
HMISCU8B5).
G.1 Por una parte, se encuentra el Logic Builder:
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En la cual se codifica el programa que permite
realizar las diferentes acciones del PLC (Adquirir
datos, procesar información, tomar decisiones).
A continuación el programa implementado en dicha
opción:
Por una parte se empleó lenguaje de programación
CFC para insertar algunos bloques de adquisición y
procesamiento de señales (entre ellos el PWM):
Figura 13: Programa implementado en lenguaje CFC para las
plantas térmica y de presión
Por el otro el código fuente que permite realizar
algunos cálculos numéricos, incluido la señal de
control:
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G.2 Vijeo Designer:
En la cual se programa la interfaz gráfica que
permite seleccionar la prueba a realizar (prueba de
temperatura o prueba térmica), ajustar el valor de
referencia al cual se desea llevar cada uno de los
procesos (Temperatura o presión de referencia) y la
visualización de los datos (gráficas de temperatura
vs tiempo y presión vs tiempo).
En total se programaron cinco paneles, los cuales
permiten realizar la prueba de los sensores.
A continuación aparece cada una de las ventanas
mencionadas anteriormente:
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Para poder visualizar los datos online a través de
una página web, se emplea la función WebVisu de
Somachine. Puede utilizarse para ver y controlar el
proceso desde una página web que los usuarios
pueden personalizar en función de sus preferencias.
El servidor web ejecuta CODESYS en PMX.
IV. CONCLUSIONES
- Según lo planteado en los objetivos del
trabajo, los cuales se centraban en el diseño
de un banco de pruebas de sensores de fondo
que permita probar las variables de presión
(Presión de Intake y de descarga) y
temperatura (temperatura de intake y
temperatura de motor), una vez se logre
implementar la solución planteada, se
podrán realizar las pruebas de manera
segura, ya que a través del PLC
HMISCU8BU, ya no es necesario que el
operario esté en contacto directo con la
planta de temperatura o de presión.
- La interfaz diseñada permite adquirir datos
relacionados con el comportamiento del
sensor post entrada en operación del banco
de pruebas tanto para presiones como
temperaturas.
- El gran número de funciones que permiten al
PLC interactuar con los
actuadores / sensores de la planta, permitirán
al operario interactuar con la planta de
manera remota, inclusive a través de una
página web a través de la función webvisu.
REFERENCIAS
[1] http://resource.jerei.com/11072/13010511280546_0.pdf
[2] OGATA, Katsuhiko. Sistemas de Control en Tiempo
Discreto. Segunda Edición. Prentice-Hall. 1996.
[3] Magelis SCU HMI Controller Manual
[4] Introducción al hardware HMI bajo Vijeo Designer