(a) Desarrollo Del Sistema de Control de Nivel Para Un Tanque Surtidor de Agua y Almacenador de...
63
1 DESARROLLO DEL SISTEMA DE CONTROL DE NIVEL PARA UN TANQUE SURTIDOR DE AGUA Y ALMACENADOR DE ENERGÍA TÉRMICA EN PROCESOS DE LAVADO Y TINTORERÍA SANDRA MILENA ARANGO RESTREPO UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA ESCUELA DE INGENIERÍAS FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA MEDELLÍN 2008
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1
DESARROLLO DEL SISTEMA DE CONTROL DE NIVEL PARA UN TANQUE
SURTIDOR DE AGUA Y ALMACENADOR DE ENERGÍA TÉRMICA EN
PROCESOS DE LAVADO Y TINTORERÍA
SANDRA MILENA ARANGO RESTREPO
UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA
ESCUELA DE INGENIERÍAS
FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
MEDELLÍN
2008
2
DESARROLLO DEL SISTEMA DE CONTROL DE NIVEL PARA UN TANQUE
SURTIDOR DE AGUA Y ALMACENADOR DE ENERGÍA TÉRMICA EN
PROCESOS DE LAVADO Y TINTORERÍA
SANDRA MILENA ARANGO RESTREPO
Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Electrónico
Director
CARLOS ALEJANDRO ZULUAGA TORO
Ingeniero Electrónico
UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA
ESCUELA DE INGENIERÍAS
FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
MEDELLÍN
2008
3
Nota de aceptación
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
Firma
Nombre:
Presidente del Jurado
________________________________
Firma
Nombre:
Jurado
________________________________
Firma
Nombre:
Jurado
Medellín, 21 de Agosto de 2008
4
DEDICATORIA
Dedico este libro de tesis a mis padres,
profesores y compañeros de universidad…
5
AGRADECIMIENTOS
La autora expresa sus agradecimientos a:
Dios por darme la bendición y el privilegio del estudio, también porque sin la
fortaleza que constantemente me da no hubiese sido posible terminar mis
estudios.
Mis padres por la confianza, el apoyo económico y moral, siempre encontré un
consejo, una mano amiga en estas dos personas que me han demostrado su
inmenso amor desinteresadamente.
Quiero agradecer a todos mis profesores los cuales con tanta paciencia me han
enseñado y siempre estuvieron prestos a aclarar mis dudas por insignificantes que
parecieran. Pero entre todos estos docentes que tuvieron esta gran
responsabilidad social para conmigo quiero resaltar a mi director de tesis y gran
profesor y amigo Carlos Alejandro Zuluaga Toro en quien he encontrado un gran
apoyo; igualmente doy mis mas sinceros agradecimientos a la universidad
Pontificia Bolivariana la cual me ha proporcionado todo para culminar mis
estudios.
Todo el departamento de mantenimiento de la planta textil Vestimundo S.A. ya que
de manera directa y/o indirecta todos estuvieron involucrados en el proceso de
enseñanza, desarrollo, instalación y mejoramiento al sistema Kemco; gracias por
el tiempo y la ayuda prestada a mi crecimiento como profesional y por la confianza
y compañerismo que siempre obtuve.
CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCIÓN 17
ESTADO DEL ARTE 20
1. DESCRIPCIÒN DEL CONTROL DE TANQUES DE VESTIMUNDO S.A. 22
1.1 DESCRIPCIÓN GENERAL 22
1.2 ARQUITECTURA DEL SISTEMA 23
1.2.1 Tablero de control 24
1.2.1.1 Bornera 24
1.2.1.2 Breakers 25
1.2.1.3 Contactores 26
1.2.1.4 Relés Térmicos 26
1.2.2 Serpentín externo 27
1.2.3 Válvulas mariposa 30
1.2.4 Sensores de nivel 31
1.2.5 Motobombas 32
1.2.6 Tanques de almacenamiento de agua 33
1.2.6.1 Tanque de agua fría 34
1.2.6.2 Tanque de agua caliente 34
1.2.6.3 Tanque de agua residual 35
2. CONTROL AUTOMÀTIZADO DE TANQUES EN VESTIMUNDO S.A. 36
2.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL CONTROL AUTOMATIZADO 36
2.2 ARQUITECTURA DEL SISTEMA DE CONTROL AUTOMATIZADO 37
7
2.2.1 Tablero de control 38
2.2.1.1 PLC 40
2.2.1.2 Fuente de 24 voltios 42
2.2.1.3 Conmutadores 42
2.2.1.4 Pilotos 43
2.2.1.5 Bornera 43
2.2.2 Actuadores neumáticos 46
2.2.3 Sensores de presión 49
2.2.4 Tanques de almacenamiento de agua 50
2.2.4.1 Tanque de agua caliente 50
3. SUGERENCIAS, BENEFICIOS OBTENIDOS Y RECOMENDACIONES
DE OPERACIÓN 52
3.1 SUGERENCIAS 52
3.2 BENEFICIOS OBTENIDOS 52
3.3 RECOMENDACIONES DE OPERACIÓN 53
4. CONCLUSIONES 55
BIBLIOGRAFÌA 57
ANEXOS ¡Error! Marcador no definido.
8
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Arquitectura del sistema 23
Figura 2. Serpentín interno. 24
Figura 3. Bornera de conexión 25
Figura 4. Interruptores de circuito 25
Figura 5. Contactor tripolar 26
Figura 6. Relés Térmicos protectores de motor 27
Figura 7. Serpentín externo 28
Figura 8. Partes del serpentín externo 29
Figura 9 Serpentín externo, entradas y salidas. 29
Figura 10. Válvula mariposa. 31
Figura 11. Flotador sensor de nivel. 32
Figura 12. Motobomba 33
Figura 13. Tanque de almacenamiento de agua. 33
Figura 14. Tanque de agua caliente. 34
Figura 15. Tanques. 37
9
Figura 16. Arquitectura del sistema de control automatizado 38
Figura 17. Tablero de control 39
Figura 18. PLC Twido 40
Figura 19. Marcación de la bornera. 44
Figura 20. Actuador neumático. 47
Figura 21. Accionamiento de la válvula solenoide y el actuador neumático. 48
Figura 22. Interior de un actuador neumático circular 48
Figura 24. Sensor de presión. 49
Figura 25. Tanque de agua caliente. 50
10
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Estado del arte en diferentes regiones 20
Tabla 2. Comparación entre marcas de PLC. 40
Tabla 3. Bornera de conexión de las entradas y salidas del PLC. 45
11
LISTA DE ANEXOS
Pág.
ANEXO 1. Entradas y salidas usadas en el PLC ¡Error! Marcador no definido. ANEXO 2. Planos eléctricos ¡Error! Marcador no definido. ANEXO 3. Documentación del programa ¡Error! Marcador no definido. ANEXO 4. Anteproyecto ¡Error! Marcador no definido. ANEXO 5. Carta cumplimiento objetivos ¡Error! Marcador no definido. ANEXO 6. Artículo Publicable 102 ANEXO 7. Manual entregado a Vestimundo S.A. 107
12
GLOSARIO
ALLEN BRADLEY: Es una compañía ubicada en Milwaukee, Winsconsin
especializada en productos de automatización y control industrial. La compañía es
actualmente parte de “Rockwell Automation”.
CONMUTADOR: Es un dispositivo que permite modificar el camino que deben
seguir los electrones. Los hay de tres tipos:
Manuales: Varias placas, una bobina y una palanca. Suelen ser de dos a seis
placas. Cuando no tiene tensión la bobina (se dice que está en reposo), los
electrones fluyen hacia una dirección. En cambio, cuando se le proporciona la
tensión necesaria a la bobina, esta atrae a un metal, que va unido a la palanca y
esta empuja y mueve las placas, de manera que se ve alterado el camino a seguir
por los electrones.
Varias placas: Una bobina y una palanca. Suelen ser de dos a seis placas.
Cuando no tiene tensión la bobina (se dice que está en reposo), los electrones
fluyen hacia una dirección. En cambio, cuando se le proporciona la tensión
necesaria a la bobina, esta atrae a un metal, que va unido a la palanca y esta
empuja y mueve las placas, de manera que se ve alterado el camino a seguir por
los electrones.
Electrónicos: Lo forman los transistores, los triacs, los tiristores, las válvulas, etc...
CONTACTORES: Ver figura 4. Son interruptores de potencia de uno o varios
contactos accionados por un electroimán. Su principal función es la de manejar y
actuar directamente sobre la carga ya que sus contactos se diseñan con
capacidad de maniobra para atender las exigencias impuestas por la carga.
13
FESTO: Con más de 100 nuevos productos cada año y más de 2.800 patentes en
todo el mundo, Festo tiene la solución adecuada para cada aplicación, con
tecnología de accionamiento neumática, servoneumática y eléctrica y con una
excelente asistencia técnica.
Su división de didáctica ofrece formación profesional y continuada en material de
automatización y asegura la disponibilidad de personal cualificado.
KEMCO: Es el sistema conocido en la planta textil de Vestimundo S.A. como el
aprovechador de energía térmica.
NC: Normally Closed, en español (normalmente cerrado).
NO: Normally Opened, en español (normalmente abierto).
PLC: Controladores Lógicos Programables o PLC (Programmable Logic Controller
en sus siglas en inglés) ver figura 16. Son dispositivos electrónicos muy usados en
Automatización Industrial.
Su historia se remonta a finales de la década de 1960, cuando la industria buscó
en las nuevas tecnologías electrónicas una solución más eficiente para reemplazar
los sistemas de control basados en circuitos eléctricos con relés, interruptores y
otros componentes comúnmente utilizados para el control de los sistemas de
lógica combinacional.
Hoy en día, los PLC no sólo controlan la lógica de funcionamiento de máquinas,
plantas y procesos industriales, sino que también pueden realizar operaciones
14
aritméticas, manejar señales analógicas para realizar estrategias de control, tales
como controladores proporcional integral derivativo (PID).
Los PLC actuales pueden comunicarse con otros controladores y computadoras
en redes de área local, y son una parte fundamental de los modernos sistemas de
control distribuido.
Existen varios lenguajes de programación, tradicionalmente los más utilizados son
el diagrama de escalera LADDER, lista de instrucciones y programación por
estados, aunque se han incorporado lenguajes más intuitivos que permiten
implementar algoritmos complejos mediante simples diagramas de flujo más
fáciles de interpretar y mantener.
En la programación se pueden incluir diferentes tipos de operandos, desde los
más simples como lógica booleana, contadores, temporizadores, contactos,
bobinas y operadores matemáticos, hasta operaciones más complejas como
manejo de tablas (recetas), apuntadores, algoritmos PID y funciones de
comunicación multiprotocolo que le permitirían interconectarse con otros
dispositivos.
RELÉ: Ver figura 5. Es un interruptor de control de uno o varios contactos
accionados por un elemento sensible que responde al cambio presentado en una
variable eléctrica o en otra de interés particular para un sistema eléctrico. Su
función es juzgar y definir la acción a realizar sobre el elemento de carga de
acuerdo con un comportamiento preestablecido.
SERPENTÍN: Ver figura 6. Es un tubo de forma espiral, usado desde la
antigüedad en destilación de bebidas alcohólicas, aunque en la actualidad
15
cualquier proceso de refinado de crudos u obtención de un producto químico
puede utilizar un serpentín, ya sea para enfriar o calentar líquidos o gases.
RESUMEN
El proyecto, “DESARROLLO DEL SISTEMA DE CONTROL DE NIVEL PARA UN
TANQUE SURTIDOR DE AGUA Y ALMACENADOR DE ENERGÍA TÉRMICA EN
PROCESOS DE LAVADO Y TINTORERÍA”; comprende el diseño de un sistema
de control, instalación de sensores, válvulas, relés, conmutadores y bombas.
El objetivo del sistema es conservar la energía térmica y almacenar el agua de
recuperado y el agua calentada por medio del serpentín en el tanque del sistema
que alimenta las máquinas de lavado y teñido.
PALABRAS CLAVES: CONTROL; SERPENTÍN; ENERGÍA TÉRMICA Y AGUA
DE RECUPERADO.
17
INTRODUCCIÓN
El presente documento busca informar con cierta profundidad el proceso que se
llevó a cabo durante la práctica industrial en la planta textil Vestimundo S.A. Esta
práctica se desarrollo en la planta textil ubicada en Marinilla, Antioquia.
Las labores estuvieron centradas en el desarrollo de un sistema de control para un
tanque almacenador de agua y energía térmica y para un surtidor agua de los
sistemas de lavado y teñido textil.
Vestimundo S.A. es una compañía textil que abarca el mercado nacional e
internacional y cuenta con dos plantas textiles, una ubicada en Costa Rica y la otra
en Marinilla Colombia. Principalmente se dedica a la producción y mercadeo de
todo tipo de prendas textiles. La misma empresa fabrica las telas que se usan en
la confección de prendas.
La planta ubicada en Marinilla genera entre 2.300 y 2.400 empleos, produce entre
25 y 30 toneladas de tela por día, puede cortar entre 150.000 y 250.000 unidades
diarias (entre 35 y 40 millones de unidades por año) y confecciona entre 50.000 y
60.000 prendas por día1.
1 EL COLOMBIANO. introducción, cuantificación de empleos y prendas en vestimundo S.A. [En
línea] Medellín: El Colombiano, 2007. <Disponible en:
http://www.elcolombiano.com.co/BancoConocimiento/E/el_dolar_cerro_planta_de_sotinsa_en_zon
a_franca/el_dolar_cerro_planta_de_sotinsa_en_zona_franca.asp> [consulta: 3 Nov. 2007]
18
El proceso que se quiere mejorar es el llenado y vaciado del tanque ubicado en la
parte delantera del segmento de la planta que contiene las máquinas de lavado y
teñido textil. Este proceso se encarga de conservar la energía térmica y almacenar
el “agua de recuperado” y el agua calentada por medio del serpentín en el tanque
del sistema que alimenta las máquinas de lavado y teñido. El “agua de
recuperado” es el agua que es evacuada de cada una de las máquinas de lavado
y teñido textil, al finalizar el ciclo. Es en este punto del proceso donde se debe
agregar el control para optimizar el ahorro de energía térmica y agua tratada.
Durante el periodo que duró la práctica se realizaron 3 tareas, identificación del
proceso a automatizar, identificación de la instrumentación y equipos necesarios y
el montaje y puesta en marcha del prototipo.
Con la identificación del proceso se ubicaron los puntos más adecuados para
instalar la instrumentación necesaria y requerida para mejorar el desempeño de la
planta. También se encontraron algunas debilidades del sistema como la
irregularidad en las presiones de los tubos de abastecimiento de la maquinaria y el
mal funcionamiento de las motobombas. Estos problemas y algunos más de poca
importancia se mejoraron desde el momento que se automatizó esta sección de la
planta de teñido.
En la identificación de la instrumentación se encontró que algunos de los equipos
ya implementados en el sistema estaban en mal estado o no eran los más
adecuados y se decidió reemplazarlos.
El proceso de selección de equipos requeridos para el montaje del control se tuvo
en cuenta las especificaciones, el proveedor, el tamaño, el costo de cada uno y la
cantidad necesaria.
19
La ejecución del proyecto, según el cronograma, se realizó en cinco meses, de los
cuales se tardó cuatro meses para la planificación, adquisición de insumos y la
programación del PLC. Teniendo en cuenta que el tiempo máximo para realizar el
paro de la planta era de 3 días, se tomó este tiempo para montar la
instrumentación seleccionada. El resto del quinto mes se usó para ajustar el
funcionamiento del sistema controlado.
20
ESTADO DEL ARTE
En la gama universal de controles de nivel y energía térmica en tanques se puede
encontrar varias empresas que usan este tipo de control.
En general la mayoría de compañías que usan algún fluido en sus procesos, como
las proveedoras de agua potable, tratamientos de aguas residuales, plantas
textiles, plantas petroleras, plantas de gas, industrias de metales, industrias de
licores, industrias de pinturas y estaciones de gasolina entre otras.
En la Tabla 1 se puede observar empresas que usan tanques para almacenar
fluidos y utilizan un control similar al implementado.
Tabla 1. Estado del arte en diferentes regiones
ESTADO DEL ARTE EN DIFERENTES REGIONES
PAÍS REGIÓN CIUDAD EMPRESA
Argentina Frazabela
Chile Todo telas
China Kahyro
Colombia Antioquia Medellín Aguas y Alcantarillado de EPM.
Colombia Antioquia Medellín Coltejer
21
ESTADO DEL ARTE EN DIFERENTES REGIONES
PAÍS REGIÓN CIUDAD EMPRESA
Colombia Antioquia Medellín Everfit - Indulana
Colombia Antioquia Medellín Fabricato
Colombia Antioquia Medellín Fatelares
Colombia Antioquia Medellín Tejicondor
Colombia Antioquia Rionegro Pintuco
Colombia Antioquia Rionegro Planta textil Riotex
Colombia Córdoba Barranca Ecopetrol
Colombia Cundinamarca Bogotá Acueducto y Alcantarillado
Colombia Quindío Armenia Empresas Públicas
Colombia Valle de Cauca Cali Fabrisedas
E.U California Camrosa Entidad distrital del agua
E.U Delawere Sussex Dirección de aguas
E.U Shell Oil
México Fábrica La María
México Pemex
México Telas Laprotex
PA Braddock La acería USX Steel Plant
22
1. DESCRIPCIÓN DEL CONTROL DE TANQUES DE VESTIMUNDO S.A.
En este capítulo se describe la situación que tenía el sistema de control antes de
realizar las mejoras.
El sistema Kemco originalmente aprovechaba el “agua de recuperado” de la
tintorería uno y el agua que fue calentada por la circulación de residuos a alta
temperatura a través del serpentín externo, y se estaba desaprovechando el “agua
de recuperado” de la tintorería dos.
Inicialmente el sistema era completamente electromagnético, no tenía ningún tipo
de control autónomo que realizara tareas de compensación realimentada. Los
problemas que se presentaban por la falta de un buen control eran: el constante
daño de las bombas que enviaban el agua del tanque a las máquinas; el
funcionamiento de la planta no era óptimo por que no llegaba suficiente presión y
el personal de mantenimiento invertía gran parte del tiempo solucionando de forma
manual el problema.
1.1 DESCRIPCIÓN GENERAL
El sistema de control estaba implementado usando lógica cableada, y conformada
por contactores y relés electromagnéticos. El proceso de conmutación se realizaba
por medio de un sistema secuencial diseñado con anterioridad para controlar el
encendido y apagado de las válvulas de control y la bomba de vaciado.
Durante el proceso de mejoras del control no se realizó un levantamiento de
planos, por esta razón no se incluye la forma como estaban conectados los relés y
contactores.
23
1.2 ARQUITECTURA DEL SISTEMA
En la figura 1 se muestra la forma como estaba implementada físicamente la
planta.
Figura 1. Arquitectura del sistema
En la figura 1 se puede observar que el sistema Kemko no incluye el “agua de
recuperado” de la tintorería dos. Esta función se le incluyó al sistema con este
proyecto.
El serpentín que hay en cada una de las máquinas, como el mostrado en la Figura
2, tiene dos modos de operación:
Modo uno (al iniciar el proceso): Enfría el agua residual con agua fría, que en el
proceso se calienta y es almacenada en el tanque de agua caliente como agua de
recuperado. El agua residual enfriada se dirige al serpentín externo.
TANQUE DE AGUA FRÍA
CALDERAS
MÁQUINAS TINTORERÍA
UNO
TANQUE DE TRATAMIENTO
DE AGUAS RESIDUALES
TANQUE DE AGUA RESIDUAL
TANQUE DE AGUA CALIENTE
24
Modo dos (al finalizar el proceso): Calienta el agua fría con vapor que en el
proceso se convierte en condensado y se envía hacia las calderas. El agua
caliente obtenida es enviada al proceso (lavado o Teñido).
Cada máquina lavadora y de teñido textil cuenta con un serpentín interno; a este
serpentín le entra agua fría o caliente por un lado y vapor de la caldera por el otro
lado; cuando el agua alcanza la temperatura necesaria para el proceso ésta se
dirige al tanque de la máquina y el condensado del vapor regresa a la caldera.
Figura 2. Serpentín interno.
1.2.1 Tablero de control
1.2.1.1 Bornera: La Figura 3 muestra la bornera usada para el cableado del
tablero de control del sistema.
ENTRADA DE AGUA RESIDUAL
ENTRADA DE VAPOR
ENTRADA DE AGUA
FRÍA
SALIDA DE AGUA CALIENTE HACIA
MÁQUINA SALIDA DE AGUA DE
RECUPERADO
SALIDA DE CONDENSADO
ENTRADA DE AGUA
FRÍA O CALIENTE
SALIDA DE AGUA
RESIDUAL
25
Figura 3. Bornera de conexión
Fuente: PROMELSA. [En línea] s.p.i. <Disponible en:
http://www.promelsa.com.pe/productos_list.asp?id_linea=016&id_sublinea=8&id_f
amilia=20&saldos=&pm_list=L> [consulta: 25 Mar. 2007]
1.2.1.2 Breakers: Los breaker protegen el sistema eléctrico contra sobre cargas y
cortocircuitos ver Figura 4.
Figura 4. Interruptores de circuito
26
Fuente: GERMES [en lìnea]s.p.i. < Disponible en:
http://www.germesonline.com/catalog/87/437/72499/sell_earth_leakage_circuit_br
eakers.html [consulta: 25 Mar. 2007]
1.2.1.3 Contactores: Son dispositivos con capacidad de controlar la corriente
eléctrica que alimenta los motores de las bombas. Este tipo de dispositivos estan
accionados a distancia des el PLC. Ver Figura 5
Figura 5. Contactor tripolar
Fuente: MONTER S.A. [en línea] s.p.i. < Disponible en:
http://www.electroindustria.com/nuevo/aplicacion_info.asp?id=620>
[consulta: 25 Mar. 2007]
1.2.1.4 Relés Térmicos: Son dispositivos de protección para los motores usados
en las bombas y debe reunir las siguientes tres condiciones:
• Permitir el arranque del motor en condiciones normales, sin dispararse.
27
• Permitir el paso de la intensidad nominal del motor indefinidamente, sin
dispararse.
• Dispararse ante cualquier sobre carga mantenida antes del tiempo de
sobrecarga del motor.
Figura 6. Relés Térmicos protectores de motor
Fuente: GERMES ONLINE. VDE 10KA Mini Circuit Breaker. [En línea] s.p.i.
<Disponible en: http://www.germes-
online.com/catalog/87/437/72139/sell_vde_10ka_mini_circuit_breaker_mcb_.html>
[consulta: 25 Mar. 2007].
1.2.2 Serpentín externo
Los serpentines o intercambiadores de calor como el mostrado en la Figura 7, son
aparatos que permiten el calentamiento o enfriamiento de un fluido líquido o
gaseoso, por medio de otro fluido a temperatura diferente. Los dos fluidos están
separados por una pared metálica, en la mayoría de los casos.
28
Figura 7. Serpentín externo
Fuente: J. MABRES. S.L. INTERCAMBIADOR DE CALOR. [En línea] Barcelona:
J. Mabres S.L., 2005. <Disponible en:
http://www.jmabres.com/servicios/intercambiadores.php> [consulta: 3 Mar. 2008]
El serpentín más común es el formado por una carcasa y uno o varios tubos de
gran longitud y distribuidos dentro de la carcasa. El principio de funcionamiento es
el equilibrio térmico entre dos fluidos a diferente temperatura. Para el caso de un
enfriador la carcasa se llena de un fluido refrigerante y a través del tubo se hace
circular al fluido al que se le quiere bajar la temperatura.
29
Figura 8. Partes del serpentín externo
Fuente: MT. Departamento de maquinas y motores térmicos. Intercambiadores.
[En línea] s.p.i. <Disponible en:
http://www.sc.ehu.es/nmwmigaj/intercambiadores.htm> [consulta: 15 Mar. 2008].
Figura 9 Serpentín externo, entradas y salidas.
ENTRADA DE AGUA RESIDUAL CALIENTE
ENTRADA DE AGUA
FRÍA
SALIDA DE AGUA CALIENTE
SALIDA DE AGUA
RESIDUAL FRÍA
30
El serpentín externo mostrado en la Figura 9 enfría el agua residual proveniente
del serpentín interno de cada máquina. Después del proceso de enfriamiento el
agua que sale a mayor temperatura se almacena en el tanque de agua caliente y
el agua residual (que sale a menor temperatura) es enviada a los tanques de
tratamiento de aguas residuales.
1.2.3 Válvulas mariposa
Estas válvulas son de baja presión y diseño sencillo. Se emplean para servicios de
regulación e interrupción. Se aplican especialmente para regulación de flujos de
agua y aire a poca presión, en tuberías de gran diámetro.
Se caracterizan por ser de operación rápida, ya que sólo necesitan un cuarto de
vuelta para pasar de la posición de cerrado a la posición de abierto, teniendo
además una pequeña caída de presión dado a que no alteran la dirección del
fluido.
Sin embargo, en posición cerrada no siempre consiguen un cierre hermético. En el
tanque de agua caliente se encuentran varias de las válvulas como la mostrada en
la Figura 10.
31
Figura 10. Válvula mariposa.
Fuente: BELGICAST. [En línea] s.p.i. <Disponible en:
http://www.belgicast.es/belg_esp/p6.htm> [consulta: 3 Mar. 2008]
1.2.4 Sensores de nivel
Los interruptores de flotador se usan principalmente para detectar (máximos o
mínimos) un nivel estático de líquido dentro de un tanque. La señal es leída por un
sensor magnético. Estos flotadores se encuentran en el tanque de agua caliente
ver Figura 11.
32
Figura 11. Flotador sensor de nivel.
Fuente: DIRECTINDUSTRY. Flotador para interruptor de nivel. [En línea] s.p.i.
<Disponible en: http://www.directindustry.es/prod/haberle-schwimmer/flotador-
para-interruptor-de-nivel-40102-357958.html> [consulta: 12 Jun. 2007].
1.2.5 Motobombas
Son máquinas propulsadas por un motor que está montado sobre un chasis y
cuenta con un cuerpo de bomba autoaspirante, el sistema se compone de boca de
succión, caja de aspiración, turbina de impulsión y boca de descarga.
Las motobombas son ideales para llenar cisternas, vaciar piscinas, regar
abundantemente o hacer cualquier otra tarea para la cual sea necesario mover
una gran cantidad de agua en un corto tiempo.
Dos de estas motobombas se encuentran en el tanque de agua caliente y son
usadas para impulsar agua caliente a las máquinas lavadoras y de teñido textil.
33
Figura 12. Motobomba
Fuente: SOLUCIONES INTEGRALES DE BOMBEO PARA EL HOGAR,
COMERCIO, AGRICULTURA E INDUSTRIA. [En línea] s.p.i. <Disponible en:
http//www.bombas-hidroneumaticos.com/ MEXICO> [consulta: 10 Jul. 2007]
1.2.6 Tanques de almacenamiento de agua
Figura 13. Tanque de almacenamiento de agua.
Fuente: ICIASA. Control de inspección. [En línea] s.p.i. <Disponible en:
http://www.iciasa.com/servicios.htm> [consulta: 5 Ago. 2007]
34
1.2.6.1 Tanque de agua fría: Este tanque almacena el agua proveniente de un
tratamiento especializado, que surte el serpentín interno de cada máquina tanto al
iniciar como al finalizar el proceso. También alimenta el serpentín externo.
Este tanque se encuentra ubicado en la parte trasera subterránea de la planta que
comprende parte de las máquinas lavadoras y de teñido textil.
1.2.6.2 Tanque de agua caliente: Este tanque almacena el “agua de recuperado”
que proviene de los serpentines de cada máquina de la tintorería uno, y también
almacena el agua caliente del serpentín externo. De igual forma el tanque provee
de agua caliente a las teñidoras y/o lavadoras al momento de iniciar un proceso.
Obsérvese que en la .
Figura 14 no hay entrada de “agua de recuperado” de la tintorería dos.
.
Figura 14. Tanque de agua caliente.
35
1.2.6.3 Tanque de agua residual: En el tanque de agua residual se almacena el
agua contaminada que sale de los serpentines de cada máquina al finalizar el
proceso textil.
El tanque de agua residual se encuentra ubicado en la parte delantera subterránea
de la planta que comprende parte de las máquinas lavadoras y de teñido textil
36
2. CONTROL AUTOMATIZADO DE TANQUES EN VESTIMUNDO S.A.
En este capítulo se explica detalladamente cada componente adquirido y el
cambio realizado al sistema de control de la planta. Durante el diseño e
implementación del sistema de control optimizado se tuvo en cuenta la secuencia
operativa del sistema, las entradas y salidas del controlador y las características
físicas de los actuadores y sensores.
El control implementado hasta ese momento no contaba con algún sistema de
control automático. Con los avances actuales en los equipos de automatización,
se puede implementar de manera inteligente y óptima el control del proceso de
llenado y vaciado del tanque almacenador de energía térmica de la planta textil de
Vestimundo S.A.
Problemas como, daños en las bombas de agua, falta de presión en los tubos de
abastecimiento y el mal manejo del tiempo del personal eran muy comunes en la
planta de Vestimundo S.A. La automatización del sistema y la implementación de
un buen control mejoraron los anteriores problemas y mejoraron el consumo de
energía.
2.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL CONTROL AUTOMATIZADO
Durante el proceso de automatización de la planta se adicionaron sensores de
nivel, sensores de presión, válvulas, actuadores neumáticos y un PLC con el que
se automatizó todo el proceso. También se reorganizó la distribución de los
37
elementos en el tablero de control y se agregaron componentes adquiridos para
realizar el control automatizado.
Figura 15. Tanques.
Fuente: PRENSA Y DIFUSIÓN. [En línea] s.p.i. <Disponible en:
http://www.santarosa.gov.ar/prensa5/comunicados/2007/mar/09.html> [consulta: 3
Mar. 2008]
2.2 ARQUITECTURA DEL SISTEMA DE CONTROL AUTOMATIZADO
En la Figura 16 se muestra como quedó físicamente la planta al mejorar el control
y se observa que a la nueva arquitectura del sistema se le incorporó el “agua de
recuperado” de la tintorería dos al tanque de agua caliente.
38
Figura 16. Arquitectura del sistema de control automatizado
2.2.1 Tablero de control
En la parte móvil o tapa del tablero de control se instalaron pilotos indicadores del
estado actual de cada válvula y de cada sensor, se instalaron además
conmutadores manuales para el control de la energía eléctrica del sistema y para
las bombas de agua, en el caso remoto que el PLC presente problemas.
La Figura 17 es un diseño del tablero de control y se observa en el mismo que los
pilotos son de color verde y los conmutadores de color negro.
TANQUE DE AGUA FRÍA
CALDERAS
MÁQUINAS TINTORERÍAS
1 Y 2
TANQUE DE TRATAMIENTO
DE AGUAS RESIDUALES
TANQUE DE AGUA RESIDUAL
TANQUE DE AGUA CALIENTE
39
Figura 17. Tablero de control
40
2.2.1.1 PLC: Se realizó una tabla de comparación entre PLC’s de diferentes
marcas (Tabla 2), se tuvieron en cuenta varios criterios para este análisis. Algunos
de ellos son: número de entradas digitales, el número de salidas digitales,
transistorizadas y por relé, la velocidad de respuesta, las diversas formas de
programar el PLC, etc.
Luego de analizar la tabla de comparación se tomó la decisión de comprar el PLC
Twido de Schneider.
Figura 18. PLC Twido
Fuente: CUNY & GERBER, INC. Since 1924. [En línea] s.p.i. <Disponible en:
http://www.cuny.biz/operator_interfaces.html> [consulta: 15 Ene. 2008]
Tabla 2. Comparación entre marcas de PLC.
TABLA DE COMPARACIÓN ENTRE MARCAS PARA EL PLC
Proveedor Festo Coldecón Multicontrol Maper HI-tech Metalandes
Marca Fec Unitronics Omron GE Fanuc schneider Mitsubishi
Referencia Fec-
standard M 91
CJ1M-
CPU11
IC00UDR0
64
TWDLCA
A40DRF
T100M
D-1616
FX3U-
32MR/ds
#Entradas
digitales 32 26 16 40 24 16 16
#Salidas digitales 16 dig 18 16 24 16 16 dig 16
41
TABLA DE COMPARACIÓN ENTRE MARCAS PARA EL PLC
Volt. de entradas 24 24 24 24 24 24
Volt alimentación
PLC 24 24 24 24 24 24
#Salidas a relé 0 18 16 24 14 0 16
#Salidas por
transistor 0 0 0 0 2 0 0
Puerto de
comunicación
Serial /
Ethernet
RSS232 /
485
RS232 /
periférico serial RS485
RS485 /
RS232
Capacidad de
expansión No tiene
64 in y
outs 10 módulos 0 7 módulos
96 in,96
out
Cable de
programación DB9 incluido cualquiera
USB /
DB9 incluido SC09
Pecio del cable $ 175,00 incluido 0 $804.000
/$601.000 incluido $ 300,00
Software de
programación FST incluido CXP Twido Soft
TRILOG
I ver. 5
GX developer
v8.12
Precio del
software gratuito gratuito
sin licencia,
gratuito gratuito Gratuito $1,681,875
Capacidad de
programa 500M 5K 3k 8k
Capacidad de
memoria de
datos
32K words 3k a 16
bits
26vbles
int. A 32
bits y 4k
a 16
bits
42
TABLA DE COMPARACIÓN ENTRE MARCAS PARA EL PLC
Soporte a
memoria No tiene
back up
propio si
Display (2 líneas,
16 caracteres) No tiene si
Touch
Screen si incluido
Precio del display 0 incluido promoción $ 529,90 us$ 67
Conectores para
cables de
alimentación
2 borneras tornillo
base incluido
Precio de los
conectores
$89610
+iva 0
Garantía 6 meses 1 año 1 año 1 año 1 año 1 año
Accesoria Toda capacitaci
ón explicación Toda
curso
gratis
Precio del PLC $2.142,9
05
$1.980,00
0 $3.117,912 $1.687,148
$1.824,00
0
us $
630
$3,502,819+iv
a
El PLC toma los datos de nivel, presión y temperatura, los procesa y controla las
válvulas y bombas del sistema controlado.
2.2.1.2 Fuente de 24 voltios: Se empleó una fuente de 24 voltios para alimentar
las entradas del PLC.
En la Figura 17 se observa la ubicación de la fuente en el tablero de control.
2.2.1.3 Conmutadores: Se usaron cuatro conmutadores de tres posiciones para
dar las opciones de manual, automático y apagado; y uno de dos posiciones que
43
le provee energía al PLC para dar las opciones de encendido y apagado. Ver
Figura 17.
2.2.1.4 Pilotos: Se seleccionaron de alimentación a 110v por la facilidad en
obtener el voltaje del tablero de control y además son los más usados en la planta
lo que facilita su inmediato reemplazo en caso de falla. Ver Figura 17.
2.2.1.5 Bornera: La marcación de la bornera y del cableado que llega a la bornera
se hizo con referencia a las entradas y salidas del PLC, para una mejor
identificación de los cables al realizar mantenimientos y/o cambios por el personal
no familiarizado con el control.
En la Figura 19 se encuentra un ejemplo de cómo quedó visualmente la marcación
de los cables y en la Tabla 3 se observa la marcación real de la bornera y de los
cables.
44
Figura 19. Marcación de la bornera.
Fuente: QUARK UP. [En línea] Barrnaquilla: Quark UP., 2007. <Disponible en:
http://www.quarkup.com.co/quarkuppro.html> [consulta: 22 Ene. 2008].
45
Tabla 3. Bornera de conexión de las entradas y salidas del PLC.
G GND 11 %Q0,12
2 12 %Q0,13
2 13 %Q0,14
2 14 %Q0,15
2 24V
2 24V
2 24V
2 24V
2 24V
2 24V
2 0V
0V
4 0V
4 0V
4 0V
1 %Q0,2 15 %I0.8
2 %Q0,3 16 %I0.9
3 %Q0,4 17 %I0.10
4 %Q0,5 18 %I0.11
5 %Q0,6 19 %I0.12
6 %Q0,7 20 %I0.13 7 %Q0,8 21 %I0.14
8 %Q0,9 22 %I0.15
9 %Q0,10 23 %I0.16
10 %Q0,11
46
La descripción detallada de la Tabla 3 es la siguiente:
• Las entradas del PLC son alimentadas a 24 voltios y se representan como
%I0.#, siendo # el número correspondiente a la entrada al PLC.
• Las salidas del PLC son alimentadas a 110 voltios y se representan como
%Q0.#, siendo la # el número correspondiente a la salida del PLC.
• El número 2 representa el común de 110 voltios.
• El número 4 representa el común de 24 voltios.
• Las partes de la bornera como 0V son espacios desenergizados.
• En la marcación de algunos cables el número 1 se reemplazó por la letra X.
• El espacio de color rojo representa el fusible.
• Los espacios en azul están libres para conexión con respectivas salidas del
PLC conectadas a esta sección de la bornera.
• Los espacios que se encuentra en color gris están disponibles
47
2.2.2 Actuadores neumáticos
Los actuadores neumáticos se instalaron en las válvulas mariposa del sistema
automatizado.
Figura 20. Actuador neumático.
Fuente: MORRIS INDUSTRIAS S.A. Instrumentación industrial. Válvulas. [En
línea] s.p.i. http://www.morris-industrial.com/productos_marwin.asp [consulta: 3
Mar. 2008].
Este es un actuador neumático de doble efecto con piñón y pistón, con rotación
variable de 0 a 90° +/- 5°. Es accionado por la válvula solenoide por medio de
aire.
48
Figura 21. Accionamiento de la válvula solenoide y el actuador neumático.
Fuente: NEUMÁTICA ROTONDA. Válvulas distribuidoras. [En línea] s.p.i.
<Disponible en:
http://www.neumaticarotonda.com/2006/teoria_capitulo6_valvulas_distribuidoras.ht
ml> [consulta: 13 Oct. 2007]
Figura 22. Interior de un actuador neumático circular
Fuente: GLOBAL INFOMINE. Diccionario técnico de mineros y pretoleros. [En
línea] s.p.i. <Disponible en:
http://www.infomine.com/dictionary/hardrockminers/spanish/> [consulta: 20 Feb.
2008].
49
El interruptor va fijado al vástago de la caja de interruptores límite por medio del
acople que tiene en la parte superior y a la válvula mariposa por medio de un
cuadrante ubicado en la parte inferior.
2.2.3 Sensores de presión
La medida de presiones en líquidos o gases es una de las más comunes en
control de procesos. La presión es una fuerza por unidad de superficie y para
calcularla se mide la presión del sistema y se compara con la presión atmosférica.
Figura 23. Sensor de presión.
Fuente: TEMPERATURA TERMOPARES Y SONDAS REVISTIDAS. RTD
PRESION. [En línea] s.p.i. <Disponible en: http://www.idm-
instrumentos.es/Sensores/general%20sensores.htm> [consulta: 25 Jun. 2007]
50
2.2.4 Tanques de almacenamiento de agua
2.2.4.1 Tanque de agua caliente: En el tanque de agua caliente se instalaron dos
sensores de nivel, dos válvulas con sus actuadores y dos sensores de presión.
En la Figura 24 se observa que se agregó al tanque de agua caliente, el sistema
de “agua de recuperado” de la tintorería dos, la válvula en la máquina número 58
para control de nivel y dos sensores de nivel.
Figura 24. Tanque de agua caliente.
Al tanque de agua caliente se le controla cuatro niveles de agua:
• Nivel mínimo: Es un nivel de seguridad para proteger las bombas de agua.
Cuando la altura de agua llega al “Nivel mínimo” las bombas se apagan y
así se evita que se dañen.
51
• Nivel bajo: Con este nivel se controla una de las válvulas originales de
Kemco. Cuando la altura del agua en el tanque esta por debajo del “Nivel
bajo” la válvula se activa alimentando el tanque con agua caliente
proveniente del serpentín externo.
• Nivel alto: Igual que para el “Nivel bajo” pero se controla la otra válvula de
Kemco.
• Nivel máximo: Con este nivel se evita el desbordamiento de agua en el
tanque controlado. Se cuenta con una alarma ubicada en la sección de
tintorería uno, que se dispara cuando se presenta la emergencia, además
activa la válvula del tanque y la válvula de la máquina 58.
Para el control de las válvulas se cuenta con un sistema de enclavamiento que las
conmuta cuando el nivel del agua en el tanque llega al límite de almacenamiento.
De esta forma la válvula del tanque se cierra y la ubicada en la máquina se abre
redireccionando el agua hacia el tanque de agua fría, y finalmente se activa una
alarma visual que indica que el tanque esta lleno.
La temperatura del tanque esta controlada para evitar que sobrepase los 85 °C
puesto que uno de los procesos de tintorería requieren esta temperatura máxima
en el agua. Esta temperatura es medida y controlada con un termostato acoplado
a la válvula permitiendo la entrada de agua fría.
En el tubo que abastece las máquinas con agua caliente del tanque se instalaron
presóstatos que controlan una de las bombas de agua, cuando la presión del tubo
está por debajo de los 20 psi la bomba se enciende garantizando la presión
necesaria en el tubo.
52
3. SUGERENCIAS, BENEFICIOS OBTENIDOS Y RECOMENDACIONES DE
OPERACIÓN.
3.1 SUGERENCIAS
Durante el periodo de puesta en marcha del sistema de control diseñado, se
observó que existen algunos procesos a mejorar:
• Incluir en el sistema de control diseñado las otras lavadoras para que se
optimice de la misma forma toda la planta.
• Los indicadores de nivel de los tanques permanecen sucios, lo que impide
la lectura de los niveles. Se recomienda diseñar un mantenimiento
preventivo con el que se limpien los indicadores.
• Los serpentines de cada máquina y el externo requieren mantenimiento al
menos cada ocho meses, según el criterio del ingeniero a cargo.
3.2 BENEFICIOS OBTENIDOS
Con la realización de este proyecto la empresa Vestimundo S.A. y especialmente
la planta textil ha obtenido un gran número de beneficios en los que se destacan
los siguientes:
53
• Ahorro de tiempo: El personal de mantenimiento ahorra parte del tiempo
que se le dedica al área de tintorería de la planta textil, ya que la
automatización de este proceso disminuye los tiempos y el número de
paros de máquina.
• Ahorro de dinero: La empresa Vestimundo S.A. ahorra dinero con la
implementación del sistema de automatización porque se eliminó el
desperdicio de agua caliente y la energía que de ésta procede.
• Buen funcionamiento de la planta: Para que las máquinas lavadoras y de
teñido textil operen eficientemente el tanque surtidor de agua también debe
tener un buen funcionamiento. Este funcionamiento se logró con el control
implementado.
3.3 RECOMENDACIONES DE OPERACIÓN
La conexión del control se realizó de forma clara y accesible para el personal no
familiarizado con el sistema. Algunos puntos claves para tener en cuenta en la
operación del control son los siguientes:
• Mientras el PLC esté en buen estado, los conmutadores del tablero deben
permanecer en posición de encendido o automático.
• Para el mantenimiento, cada motor puede ser desenergizado de forma
manual con los conmutadores del tablero de control.
54
• En caso de apagar todo el sistema no hay necesidad de colocar los
conmutadores en apagado, estos pueden quedar en automático.
• Debido que las válvulas son normalmente cerradas, cuando se apague el
sistema, las máquinas no van a tener un buen enfriamiento, por
consiguiente hay que abrir manualmente la válvula de la máquina 58. No
olvidar cerrarla manualmente cuando se energice el sistema de nuevo.
55
4. CONCLUSIONES
Con el desarrollo de este control se logró: Disminuir las pérdidas de agua tratada
en un 80%, monitorear las diferentes variables que componen el sistema y así
lograr una mejor eficiencia del proceso. Además facilita el trabajo del personal
encargado dentro de la empresa, evita riesgos para la vida humana y disminuye
los costos a largo plazo. Al llegar el agua a 35 grados centígrados a las máquinas,
se ahorra un calentamiento de 16 grados.
Este sistema de control ejecuta de manera correcta y segura la secuencia de
llenado y vaciado del tanque, permitiendo que el tanque no se rebose y se
aprovecha el agua en procesos de lavado y/o teñido textil. Así mismo, permite una
mejor utilización de la energía térmica y mejora en la eficiencia de la caldera.
Además puede ahorrar los productos químicos en el tratamiento del agua.
El uso del lenguaje para PLC llamado “escalera”, resulta ser una opción adecuada
en la implementación de cualquier automatización de procesos, dado que es un
modo de programación estandarizado por la mayoría de fabricantes de PLC´s, con
base en el estándar internacional (IEC 61161). Además de ser difundido entre
instrumentistas y personal de planta, facilitando el mantenimiento del proceso
mismo.
El manual de operación constituye la herramienta para la operación,
mantenimiento y conocimiento detallado del proceso, presentando una visión
general de los segmentos de programa creados en el TwidoSoft, las secuencias y
los dispositivos que hacen parte del sistema. De esta forma se facilita el correcto
manejo del sistema por parte del operador.
56
Con el desarrollo de este proyecto se ha logrado poner en práctica conocimientos
adquiridos a lo largo de los estudios de pregrado y todas las prácticas empíricas
desarrolladas durante el transcurso de los estudios académicos.
57
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