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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8

(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