IMPLEMENTACIÓN DE UN CONTROLADOR PI SOBRE LA ETAPA …

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IMPLEMENTACIÓN DE UN CONTROLADOR PI SOBRE LA ETAPA DE

REFRIGERACIÓN DE LA PLANTA PASTEURIZADORA UBICADA EN EL

LABORATORIO DE INDUSTRIAL DE LA FACULTAD TECNOLÓGICA DE LA

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

HERNÁN ALONSO MANCIPE BOHÓRQUEZ

CÒDIGO: 20132383073

FREDY REINALDO RIVERA MARTINEZ

CÒDIGO: 20141383040


FACULTAD TECNOLÓGICA

INGENIERÍA EN CONTROL

BOGOTÁ D.C.

2016

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IMPLEMENTACIÓN DE UN CONTROLADOR PI SOBRE LA ETAPA DE

REFRIGERACIÓN DE LA PLANTA PASTEURIZADORA UBICADA EN EL

LABORATORIO DE INDUSTRIAL DE LA FACULTAD TECNOLÓGICA DE LA


HERNÁN ALONSO MANCIPE BOHÓRQUEZ

CÓDIGO: 20132383073

FREDY REINALDO RIVERA MARTINEZ

CÓDIGO: 2014138040

MONOGRAFÍA PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO EN CONTROL

DIRECTOR: ING. JORGE EDUARDO PORRAS BOHADA


FACULTAD TECNOLÓGICA

INGENIERÍA EN CONTROL

BOGOTÁ D.C.

2016

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NOTA DE ACEPTACIÓN

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Jurado 1

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Jurado 2

4

CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN _____________________________________________________________ 9

1.1. OBJETIVOS ____________________________________________________________ 10

1.1.1. General ____________________________________________________________ 10

1.1.2. Específicos ________________________________________________________ 10

1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA _____________________________________ 10

1.3. MARCO DE REFERENCIA _______________________________________________ 11

1.3.1. ESTADO DEL ARTE ________________________________________________ 11

1.3.2. ANTECEDENTES ___________________________________________________ 18

1.3.2.1. Estación de Calentamiento ________________________________________ 18

1.3.2.2. Estación de Dosificación __________________________________________ 19

1.3.2.3. Estación de Refrigeración _________________________________________ 20

1.3.2.3.2. COMPONENTES ________________________________________________ 23

1.3.2.3.2.2. Sensores ______________________________________________________ 24

1.3.2.3.2.3. Actuadores ____________________________________________________ 25

1.3.2.3.2.4. Tablero eléctrico _______________________________________________ 25

2. METODOLOGÍA ____________________________________________________________ 25

2.1. CAMBIOS ESTRUCTURALES Y FUNCIONALES ___________________________ 25

2.1.1. Reubicación de evaporador hacia el interior del tanque de la Nevera ___ 26

2.1.2. Reubicación del intercambiador de calor (círculos concéntricos) ______ 27

2.1.3. Supresión de recirculación de Líquido Refrigerante ___________________ 28

2.1.5. Actuador (Servo-válvula) ____________________________________________ 29

2.1.6. Nueva tubería y tanque superior _____________________________________ 30

2.1.7. Sensores instalados ________________________________________________ 31

2.1.8. Tablero Eléctrico ___________________________________________________ 33

2.1.9. Alimentación General _______________________________________________ 34

2.2. DIAGRAMA DE BLOQUES ______________________________________________ 36

2.2.1. Sistema embebido PLC (Sistema de control) _________________________ 36

2.2.2. Controlador I/O _____________________________________________________ 40

2.2.3. Circuito de comunicación controlador I/O ____________________________ 40

2.2.4. Sistema de supervisión (SCADA) Web HMI ___________________________ 41

2.2.4.1. MQTT en Resologis IPC ___________________________________________ 42

2.2.4.2. Controlador MQTT ________________________________________________ 43

5

2.2.4.3. WEB HMI ________________________________________________________ 44

2.2.5. Sensores de Temperatura ___________________________________________ 45

2.2.5.1. Linealización de sensores ________________________________________ 46

2.2.6. Servo – Válvula ____________________________________________________ 53

2.2.7. Sensor de Nivel Tanque de Producto Pasteurizado ___________________ 54

2.2.8. Relé industrial 24 VDC | 240 VAC 5 A ________________________________ 55

2.4. MODELAMIENTO EXPERIMENTAL POR CURVA DE REACCIÓN __________ 58

3. RESULTADOS _____________________________________________________________ 64

3.1. Pasteurización _________________________________________________________ 64

3.1.1. Proceso HTST (High Temperature Short Time) – por Lotes ____________ 64

3.2. Pruebas realizadas _____________________________________________________ 65

3.3. Análisis de resultados __________________________________________________ 66

4. CONCLUSIONES ___________________________________________________________ 67

5. BIBLIOGRAFÍA _____________________________________________________________ 68

6. ANEXOS ___________________________________________________________________ 70

1. Características Generales __________________________________________________ 70

1.2 DESCRIPCIÓN DE ELEMENTOS ____________________________________________ 71

1.3 ADVERTENCIAS Y PRECAUCIONES ________________________________________ 72

1.4 ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO PLANTA DE REFRIGERACION ____________ 73

1.5 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA DE REFRIGERACION ____________________ 73

1.6 PRACTICA DE LABORATORIO #1 __________________________________________ 74



6

ÍNDICE DE FIGURAS

Fig. 1 Diagrama de Bloques Sistema de control inteligente [1] __________________________________ 12 Fig. 2 Proceso de pasteurización HTST [2] ___________________________________________________ 12 Fig. 3 Sistema de Pasteurización de Huevo Líquido Entero [3] __________________________________ 14 Fig. 4 Intercambiador de Calor de tubo banco de pruebas [4] ___________________________________ 15 Fig. 5 Diagrama P&ID del banco de pruebas [5]_______________________________________________ 16 Fig. 6 Diagrama de bloques del modelo por ecuaciones de estado [7].___________________________ 18 Fig. 7 Estación de Calentamiento [8] ________________________________________________________ 18 Fig. 8 Estación de Dosificación [8] ___________________________________________________________ 19 Fig. 9 Estación de Refrigeración [8]. _________________________________________________________ 20 Fig. 10 Unidad de Refrigeración (Cara frontal) [8]. _____________________________________________ 21 Fig. 11 Parte Posterior de Estación [8]. ______________________________________________________ 21 Fig. 12 Tanque superior e Intercambiador de Calor (Serpentín) [8]. _____________________________ 22 Fig. 13 Costado izquierdo (Tubería de re-circulación de Refrigerante) [8]. ________________________ 22 Fig. 14 Parte baja (Bifurcación: Drenaje y Bomba centrífuga) [8]. _______________________________ 23 Fig. 15 Evaporador Unidad de Refrigeración [8]. __________________________________________________ 24 Fig. 16 Compresor Unidad de Refrigeración [8]. ___________________________________________________ 24 Fig. 17 Tablero eléctrico recibido [8]. ________________________________________________________ 25 Fig. 18 Estación de Refrigeración modificada [8] ______________________________________________ 26 Fig. 19 Reubicación de evaporador e intercambiador de calor [8]. _______________________________ 26 Fig. 20 Líquido Refrigerante en tanque interno [8]. ____________________________________________ 28 Fig. 21 Drenaje tanque interno nevera [8]. ____________________________________________________ 29 Fig. 22 Refrigerante usado para el proceso de refrigeración [8]. ______________________________________ 29 Fig. 23 Servo-válvula [8]. ___________________________________________________________________ 30 Fig. 24 Mangueras (negras) de unión de ¼’ [8]. _______________________________________________ 30 Fig. 25 Vista posterior Estación de Refrigeración [8]. __________________________________________ 31 Fig. 26 Tanque depósito producto – parte superior [8]. _________________________________________ 31 Fig. 27 Termopozos de entrada y salida [8]. __________________________________________________ 31 Fig. 28. Termistor líquido refrigerante [8]. ____________________________________________________ 32 Fig. 29. Termopozo de entrada (Termistor de 10KΩ) [8]. _______________________________________ 32 Fig. 30. Termopozo (Termistor 10KΩ) de salida [8]. ___________________________________________ 33 Fig. 31 Tablero de conexión (Vista general) [8]. _______________________________________________ 34 Fig. 32 Fuentes Conmutadas de corriente continua [8]. ________________________________________ 34 Fig. 33 Marquillas instaladas [8]. ____________________________________________________________ 35 Fig. 34 Diagrama de bloques sistema de Control y supervisión de la unidad de refrigeración [8]. ___ 36 Fig. 35 Raspberry Pi modelo 2 B+ como micro PLC [8]. ________________________________________ 37 Fig. 36 Entorno Grafico ACP [8]. ____________________________________________________________ 37 Fig. 37 Bloque PID ISaGRAF 5 [8]. __________________________________________________________ 38 Fig. 38 Control implementado en el entorno ACP por medio de bloques funcionales [8]. __________________ 39 Fig. 39 Linealización de sensores de temperatura y disposición de variables booleanas [8]. ________________ 39 Fig. 40 Controlador I/O [8]. _________________________________________________________________ 40 Fig. 41 Circuito de comunicación controlador I/O [8]. __________________________________________ 41 Fig. 42 Red MQTT [14]. ______________________________________________________________________ 42 Fig. 43 Arquitectura de comunicación [13]. ______________________________________________________ 42 Fig. 44 Página web local para IPC [13]. __________________________________________________________ 43 Fig. 45 Opciones de configuración IOT [13]. ______________________________________________________ 43 Fig. 46 Panel de visualización de WEB HMI [13]. __________________________________________________ 44

7

Fig. 47 Web HMI [8]. _______________________________________________________________________ 45 Fig. 48 Termistor 10KΩ [8]. _________________________________________________________________ 46 Fig. 49 Divisores de voltaje usados para linealizar los sensores [8]. ___________________________________ 46 Fig. 50 Curva característica de sensores internos [8]. _________________________________________ 47 Fig. 51 Linealización Termistor de entrada [8]. ________________________________________________ 51 Fig. 52 Linealización Termistor de salida [8]. _________________________________________________ 52 Fig. 53 Sensor de caudal L/min [17]. ___________________________________________________________ 53 Fig. 54 Modelo lineal (aproximado) de válvula [8]. ________________________________________________ 54 Fig. 55 Sensor de Nivel [8]. _________________________________________________________________ 55 Fig. 56 Relé 24 V DC | 240 VAC 5 A [8]. _____________________________________________________ 55 Fig. 57 Diagrama P&ID – Estación de Refrigeración [8]. ____________________________________________ 56 Fig. 58 Curva de reacción del sistema de refrigeración (Imagen generada por el osciloscopio) [8]. __________ 58

8

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Sistema de convenciones Tablero eléctrico [8]. _____________________________________________ 35 Tabla 2 Características Bloque PID [13]. _____________________________________________________ 38 Tabla 3 Características de los sensores instalados [15]. _____________________________________________ 45 Tabla 4. Temperatura vs Resistencia (Termistor 10kΩ) [15]. ___________________________________ 48 Tabla 5 ADC (10 bits) vs Temperatura – Termopozo de entrada [8]. _____________________________ 50 Tabla 6. ADC (10 bits) vs Temperatura – Termopozo de salida [8]. ______________________________ 52 Tabla 7 Válvula de bola: Caudal vs Desplazamiento angular [8]. _____________________________________ 53 Tabla 8 Curva de respuesta (experimental vs generada en MATLAB) [8]. _______________________________ 61 Tabla 9 Señal de respuesta y constantes de control [8]. ____________________________________________ 62

9

1. INTRODUCCIÓN

El desarrollo de los diferentes proyectos para un sistema de pasteurización se concibe

dentro del requerimiento de obtener una herramienta didáctica que ayude a los

estudiantes de ingeniería en control a desarrollar competencias y conocimientos

alrededor de los sistemas térmicos. Durante cuatro semestres se ha venido

construyendo los tres sistemas principales del sistema de pasteurización (dosificación,

calentamiento y refrigeración) en un trabajo conjunto con diferentes grupos de

estudiantes.

El principal reto del proyecto era conseguir implementar un sistema con características

industriales teniendo un presupuesto ajustado, esto debido a que era una iniciativa

propia de algunos profesores y los estudiantes involucrados. El laboratorio de

tecnología industrial e ingeniería en producción al tener acceso a diversos dispositivos

industriales para control y supervisión ha prestado una ayuda indispensable para el

desarrollo de los diferentes proyectos.

La etapa de refrigeración (la cual abarca este proyecto) ha sufrido diversas revisiones

desde su primera implementación y hasta el día de hoy ha sido dotada de diversos

dispositivos que permiten que cumplan con las especificaciones propuestas dentro de

este proyecto. Por medio de análisis matemáticos y modelamientos físicos se ha

logrado diseñar diferentes controladores que se ajustan a la tarea principal de la planta.

La tarea principal que debe realizar la etapa de refrigeración es llevar un producto

determinado de una temperatura inicial a una temperatura final mucho más baja que

la anterior, en un instante de tiempo muy corto. Para lograrlo se ha diseñado un

sistema hidráulico que permite desplazar el producto a través de dispositivos de

disipación térmica dispuestos en una unidad de refrigeración. Sumado a esto

electrónicamente se modifica el caudal del sistema hidráulico para lograr un control

sobre la temperatura del producto.

Por ultimo pero no menos importante, los sistemas de control y de supervisión fueron

implementados de tal manera que cumplieran con estándares industriales, haciendo

que los estudiantes que realicen prácticas sobre la planta identifiquen los diferentes

sistemas que podrían encontrar en una industria.

La estación cuenta con relés industriales, un sistema embebido micro PLC, un sistema

de comunicación industrial sobre TCP/IP y puede ser programado en los diferentes

rangos de la norma IEC-61131-3.

10

1.1. OBJETIVOS

1.1.1. General

Construir un controlador PI sobre la etapa de refrigeración de la Planta Pasteurizadora

ubicada en el laboratorio de industrial de la Facultad Tecnológica de la Universidad

Distrital Francisco José de Caldas.

1.1.2. Específicos

Analizar la etapa de refrigeración de la planta pasteurizadora para realizar el

proceso de control a partir del modelamiento del sistema.

Diseñar un control PI que se adapte al modelamiento del sistema y a las

variables que se van a controlar y manipular.

Implementar en un PLC la programación necesaria para la puesta en marcha

del control del sistema.

Elaborar tres prácticas de laboratorio para el sistema de refrigeración.

Evaluar el sistema de control sobre la etapa de refrigeración a través de pruebas

sobre la calidad del producto obtenido.

1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Un Sistema de Refrigeración es una parte esencial en muchas industrias

(especialmente en el sector alimenticio), pero su estudio plantea ciertos

inconvenientes, como es el costo de fabricación de estos sistemas para ambientes

académicos, puesto que son sistemas muy específicos y requieren de conocimientos

suficientes en termodinámica que permitan su diseño, sumado a las protecciones que

deben tener para ser adaptados a un ambiente académico, reduciendo su estudio y

análisis hacia el seno mismo de la industria.

Los estudiantes de Ingeniería en Control necesitan Laboratorios con equipos de

refrigeración industrial que permitan el aprendizaje y el desarrollo práctico de sistemas

de control relacionados con dichos sistemas, por lo que muchos egresados compiten

en el mercado laboral sin el suficiente conocimiento previo, para adaptarse al mismo.

Asignaturas como Control Analógico y Digital delegan esta tarea a los propios

estudiantes y muchas veces se limita a impartir la teoría y exigir la práctica sin siquiera

demostrar previamente la aplicación estudiada.

En la Facultad Tecnológica, en los Laboratorios de Ingeniería en Control se cuenta con

un Sistema de Refrigeración Didáctico, que está orientado en general al control de

11

variables de temperatura y que implementan PLC’s de la marca SIEMENS con

referencia SIMATIC 300 y módulos de control PID marca HONEYWELL, una única

planta de temperatura pensada para grupos de trabajo de hasta treinta personas, pero

que en la práctica se convierte en un máximo de cuatro personas por práctica. Sumado

a esto, el estudio de la temperatura al ser tan exhaustivo por su alta inercia incrementa

la duración de cada práctica impidiendo a muchos grupos de estudiantes desarrollarlas

dentro de los límites propuestos por sus docentes.

En la actualidad se ha diseñado y construido una Planta Pasteurizadora dotada de tres

etapas: Dosificación, Calentamiento y Refrigeración. La etapa de Refrigeración cuenta

con los dispositivos pertinentes que permiten reducir la temperatura de un líquido en

un tiempo determinado, sin embargo carece de un sistema de control y de un tablero

de conexión que permita a los estudiantes realizar prácticas sobre ella. Es

indispensable implementar un sistema de control sobre la etapa de refrigeración que

permita estudiar el comportamiento de la planta y regular en un tiempo relativamente

corto la temperatura.

1.3. MARCO DE REFERENCIA

1.3.1. ESTADO DEL ARTE

La pasteurización es un proceso que se lleva a cabo desde hace dos siglos, y ha sido

un proceso determinante para la industria de alimentos. En este trabajo se hará énfasis

en el sistema de control que se le puede realizar a la etapa de refrigeración de dicho

proceso y su aplicación didáctica en un ambiente universitario para la realización de

prácticas sobre el mismo. Los siguientes son algunos proyectos relacionados que

pueden dar a una idea de lo que se puede realizar alrededor del tema.

1.3.1.1. DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL INTELIGENTE PARA UN

PASTEURIZADOR TIPO TÚNEL

En el siguiente artículo de investigación tecnológica se presenta el diseño de un

sistema de control inteligente para una máquina pasteurizadora tipo túnel ubicada en

la empresa Bavaria S.A., que conjuga lógica difusa con redes neuronales para mejorar

la calidad del producto, eficiencia mecánica y consumo energético de una planta que

tiene más de 10 años de funcionamiento. La red neuronal controla los niveles de

referencia de las dos principales zonas de alta temperatura de la máquina y la

velocidad del sistema de transporte, afectando directamente el proceso de

12

pasteurización. El control Fuzzy, tipo sugeno, se encarga de mantener constante la

velocidad del transportador [1].

Fig. 1 Diagrama de Bloques Sistema de control inteligente [1]

1.3.1.2. ESTRATEGIAS DE MODELAMIENTO, SUPERVISION Y CONTROL

PARA SISTEMAS DE PASTEURIZACION DE TEMPERATURA ALTA

EN CORTO TIEMPO (HTST) - DESARROLLO DE MODELOS

EMPÍRICOS

Los estudios y modelamientos para sistema de pasteurización de temperatura alta en

corto tiempo (HTST) pueden ser desarrollados mediante el uso de modelamientos

empíricos como los son el modelo de funciones de transferencia y los modelos de

series temporales. El diseño de buenos experimentos de excitación del sistema,

permiten obtener datos precisos para obtener un buen modelo dinámico del mismo.

Estos modelos se utilizan en el control de retroalimentación y el diseño del sistema de

monitoreo estadístico de procesos. Para poder realizar un modelamiento por series de

tiempo para el sistema de pasteurización HTST se utilizara un sistema de obtención

de datos consecuente. En la siguiente figura se ilustra el sistema de pasteurización a

modelar [2].

Fig. 2 Proceso de pasteurización HTST [2]

13

1.3.1.3. CONTROL DE TEMPERATURA DE UN SISTEMA DE

PASTEURIZACION DE HUEVO ENTERO LÍQUIDO UTILIZANDO UN

PLC (CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE) SIEMENS

SIMATIC S7-200 Y UN HMI (MAQUINA DE INTERFAZ HUMANA)

SIMATIC HMI PANEL

Los huevos crudos de gallina en buen estado de cáscara se pueden mantener a una

temperatura ambiente durante aproximadamente una semana o en el refrigerador por

3 semanas. La calidad del huevo crudo se disminuye a medida que el tiempo de

almacenamiento aumento, debido a la creciente cantidad de bacterias patógenas

presentes en el. La salmonella es una especie de bacteria patógena que se encuentra

en el huevo. Normalmente, los huevos bien cocidos que se cocinan sobre una

temperatura de 72 ° C provocan que la Salmonella muera a causa de las altas

temperaturas. Sin embargo, muchos huevos procesados se consumen realmente en

su estado natural, como la mayonesa y la bebida tradicional de Indonesia (STMJ y

jamu). Así, los huevos de gallina crudos necesitan ser pasteurizados para prevenir la

contaminación por Salmonella. La pasteurización es el proceso de desinfección de

bacterias a baja temperatura y en un tiempo determinado. Según las normas emitidas

por la Administración de Alimentos de Nueva Gales del Sur, el huevo entero líquido

tiene que ser pasteurizado al menos 2,5 minutos a 64 ° C. Esta investigación se centra

en el control de temperatura del sistema de pasteurización de huevo líquido mediante

el uso del PLC Siemens S7-200 CPU 226, la HMI SIMATIC Panel TP177 micro, y un

controlador proporcional, con el fin de obtener un diseño de control preciso de la

temperatura para el sistema de pasteurización de huevo líquido. La pasteurización del

huevo líquido en esta investigación se llevó a cabo a una temperatura de 64 °C durante

2,5 minutos. Al diseñar el controlador utilizando el método de sintonización se obtuvo

un valor del parámetro Kp=3.4. Con este valor de Kp el huevo líquido puede alcanzar

una temperatura de 64°C en un tiempo de establecimiento de 910 segundos. Esto será

visualizado en la HMI donde se aprecia la temperatura y la salida PWM en tiempo real

[3].

14

Fig. 3 Sistema de Pasteurización de Huevo Líquido Entero [3]

1.3.1.4. DISEÑO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA EL CONTROL DE

TEMPERATURA Y FLUJO

El enfoque de este artículo está en el desarrollo de una herramienta para la educación.

En el presente trabajo, el diseño de una planta de procesos está presentado para el

control de temperatura en un intercambiador de calor, usando el proceso de flujo como

variable manipulada. El fluido de trabajo es agua común, esta con el propósito de

simplificar el diseño y reducir los costos de operación y mantenimiento.

Ante la necesidad que se presenta hoy en día en las instituciones de educación

superior y en la industria de tener a la mano dispositivos de simulación de los diferentes

procesos industriales para capacitar el personal e implementar nuevas estrategias de

control, se presenta el diseño de un banco de pruebas para el control de temperatura

en un intercambiador de calor. Para poder desarrollar el sistema de diseño de control

de esta planta se debió obtener diferentes modelos matemáticos de los elementos que

en ella intervienen; de esta misma forma se emplearon métodos numéricos para la

aproximación de comportamientos físicos a modelos matemáticos.

El diseño del banco de pruebas consta de los cálculos, planos hidráulicos, planos

eléctricos y diagramas de control. La operación de la planta consiste en mantener la

temperatura del fluido de proceso en un valor cercano a la temperatura deseada. La

variable que se ajusta para controlar la temperatura del agua de proceso a la salida

del intercambiador de calor es el flujo proveniente del proceso ya que éste determina

la cantidad de energía que se suministra al fluido de enfriamiento. El funcionamiento

de control por retroalimentación es como sigue: La temperatura del agua a la salida

del intercambiador de calor es medida por un termopar, éste genera una señal eléctrica

proporcional a la temperatura, la cual se envía al controlador, donde se compara contra

el punto de control. La señal de salida del controlador se conecta luego al actuador de

15

la válvula de control. La función del actuador es modificar la posición de la válvula

según lo ordene la señal de control para conseguir que el valor de temperatura real se

acerque al punto de consigna del controlador [4].

Fig. 4 Intercambiador de Calor de tubo banco de pruebas [4]

1.3.1.5. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN CONTROL DE TEMPERATURA

PARA EL FLUIDO DEL BANCO DE PRUEBAS PARA BOMBAS

HIDRÁULICAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

El presente trabajo describe el diseño y construcción de un sistema de control de

temperatura del fluido de trabajo para el banco de pruebas para bombas hidráulicas

de desplazamiento positivo, presente en el laboratorio de sistemas dinámicos,

utilizando un sistema de enfriamiento, comandado por micro-controlador, con

comunicación a computador. El banco de pruebas para bombas hidráulicas de

desplazamiento positivo, presente en el laboratorio de sistemas dinámicos, se

construyó siguiendo los lineamientos de la norma ANSI/ (NFPA) T3.9.33 y se utiliza

para la determinación de características de desempeño de las bombas mencionadas,

ante diferentes condiciones de carga. Según la norma ANSI/ (NFPA) T3.9.17 , para la

determinación de las curvas características de desempeño de las bombas oleo-

hidráulicas (presión, caudal, entre otras), se requiere mantener la temperatura del

fluido de trabajo dentro de una tolerancia de ± 1ºC.

Con este fin se ha realizado el diseño y construcción de un sistema electromecánico

de enfriamiento gobernado por un sistema de control, basado en micro-controlador.

Este sistema de control se comunica a través de la tarjeta de adquisición de datos,

propia del banco de pruebas, con el computador, desde el cual, por medio del software

existente, se puede establecer el valor de temperatura deseada para el fluido de

trabajo. Igualmente, se muestra el desempeño del sistema de enfriamiento en cuanto

16

a su capacidad de rechazo de calor y el funcionamiento del controlador en lazo cerrado

[5].

Fig. 5 Diagrama P&ID del banco de pruebas [5]

1.3.1.6. COMPARACIÓN DE OBSERVADORES POR MODOS DESLIZANTES

DE 1ER Y 2DO ORDEN APLICADOS A UN INTERCAMBIADOR DE

CALOR

En este trabajo se presenta la comparación de los resultados obtenidos mediante dos

metodologías para el diseño de observadores, denominados: observadores por modos

deslizantes de primer orden y segundo orden. Tal comparación fue realizada con el fin

de comprobar la convergencia de ambos observadores y además, verificar que

mediante la utilización de los observadores de segundo orden, se disminuye el efecto

denominado chattering con respecto a los observadores de primer orden. Dichas

pruebas fueron hechas en línea en una planta piloto de un intercambiador de calor

(IC). En el caso de los observadores de segundo orden, el modelo matemático fue

manipulado de manera que se pudiera utilizar la metodología reportada; la cual parte

de la representación de un sistema mediante segundas derivadas.

La estimación de estados en sistemas dinámicos es un tema muy importante para

propósitos de monitoreo y/o control, identificación u optimización. En la literatura, el

observador de Luenberger o el filtro de Kalman están bien establecidos como una

solución sistemática, para llevar a cabo la tarea de estimación de estados. Los

estimadores o también llamados observadores de estados, son algoritmos que estiman

variables utilizando la estructura del modelo matemático del sistema real y la medición

de las variables disponibles. El comportamiento de la mayoría de los procesos

químicos puede ser modelados mediante ecuaciones diferenciales parciales,

obtenidas a través de balances de masa o energía. No obstante, la implementación de

observadores para sistemas modelados de dicha forma, se vuelve más complicada, lo

que es indeseable para el diseño de estimadores.

17

Los intercambiadores de calor son dispositivos ampliamente utilizados en la industria

de procesos tales como plantas de potencia, turbinas de gas, aire acondicionado,

refrigeración, calefacción, sistemas criogénicos, entre otros. Sus diversas aplicaciones

han conducido a la realización de investigaciones para la mejor comprensión de su

comportamiento dinámico, modelado, simulación, identificación y control desde 1940.

La dinámica de los intercambiadores de calor puede representarse de manera

matemática principalmente de dos maneras: a través de modelos de parámetros

distribuidos o modelos de parámetros concentrados.

Debido a que las variaciones de los parámetros involucrados ocurren tanto en tiempo

como en espacio, los modelos con parámetros distribuidos son los que mejor ajustan

a la dinámica del intercambiador. Estos modelos, son representados a través de un

conjunto de ecuaciones diferenciales parciales, sin embargo, son difíciles de analizar,

complicadas para su simulación y complejos para diseño, por lo que generalmente se

prefieren aproximaciones mediante modelos de parámetros concentrados.

En la literatura se encuentra que los observadores por modos deslizantes, también

mencionados como observadores deslizantes, son una alternativa para su

implementación en sistemas de control por poseer características como robustez ante

ruidos de medición, incertidumbre paramétrica y errores de modelado. Sin embargo,

en aplicaciones prácticas se mostró que los modos deslizantes presentaban un

comportamiento con oscilaciones de alta frecuencia denominado chattering. Este

fenómeno es el principal problema para poder implementar esquemas de estimación

o control por modos deslizantes, por lo que surgieron algunos estudios con el fin de

determinar su comportamiento y atenuarlo [6].

1.3.1.7. INVESTIGACIÓN Y APLICACIÓN DEL NUEVO CONTROL DE MATRIZ

DINÁMICA BASADO EN LA TEORÍA DE REALIMENTACIÓN DE

ESTADO PARA EL CONTROL DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR

El objetivo de este trabajo es el desarrollo de un controlador predictivo sobre un

intercambiador de calor y se dirige a las dificultades en el ajuste del mismo, el control

por realimentación de estado predictivo se utiliza para regular la temperatura de un

intercambiador de calor. La identificación del intercambiador de calor se realiza

mediante el uso de la técnica de curva de reacción por el ingreso de una señal paso.

Aunque el controlador PI es ampliamente utilizado para esto tipo de aplicaciones,

todavía hay una necesidad de optimización en cuento a la conservación de la energía,

en este trabajo se utiliza un algoritmo de modelamiento de control predictivo para

controlar la temperatura del intercambiador de calor y se analizan las dificultades

18

asociadas en la afinación. Los transitorios y los resultados de estado estacionario

obtenidos utilizando un control predictivo demuestran que los resultados obtenidos son

excelentes en comparación con los controladores de retroalimentación [7].

Fig. 6 Diagrama de bloques del modelo por ecuaciones de estado [7].

1.3.2. ANTECEDENTES

El Proceso de Pasteurización involucra tres etapas (Estaciones), las cuales fueron

diseñadas y construidas por los estudiantes durante los cursos de Instrumentación de

Procesos I y II del Programa de Ingeniería en Control hasta el período lectivo 2015-3

bajo la supervisión del Ing. Jorge Eduardo Porras Bohada. A continuación se provee

una descripción de las Estaciones de Calentamiento, Dosificación y Refrigeración

hasta el momento en que fueron adjudicadas para Tesis de Grado, se detalla la etapa

de Enfriamiento ya que es el objetivo de este trabajo.

1.3.2.1. Estación de Calentamiento

Fig. 7 Estación de Calentamiento [8]

19

1.3.2.1.1. Función

Etapa compuesta por una caldera que genera vapor de agua para calentar a través de

un intercambiador de calor (ubicado en la etapa de dosificación) el producto para

eliminar en él, los agentes microbianos que podrían afectar la salud del que lo

consuma. La caldera eleva la temperatura del producto a 60, aproximadamente,

referencia ideal para que el producto no sufra alteraciones en su contextura y sabor.

Sin embargo algunos agentes microbianos no son eliminados durante este proceso y

es necesario llevar el producto a una baja temperatura en un tiempo relativamente

corto (segundos) en la siguiente etapa: Refrigeración.

1.3.2.2. Estación de Dosificación

Fig. 8 Estación de Dosificación [8]

1.3.2.2.1. Funcionamiento (Calentamiento y salida de producto)

En el primer momento del proceso se habilita la entrada del producto al tanque

superior, donde se mide el nivel de pH y se ajusta de acuerdo a las necesidades

requeridas. La medición de pH se hace suministrando un producto químico (base o

ácido) por medio de dos distribuidores, luego se procede a homogeneizar la mezcla,

para ello se utiliza un motor dispuesto como agitador, enseguida se espera que se

efectúen los requerimientos de pH deseados para el producto, terminada esta acción

éste pasa al tanque inferior por medio de una válvula manual.

En el segundo instante, luego de tener el grado de acidez o basicidad requerida, la

solución se calienta haciéndola circular por una línea de un intercambiador de calor, el

cual transporta, también, vapor sobrecalentado proveniente de la Estación de

20

Calentamiento. Enseguida se mide la temperatura del producto y en el intervalo donde

la Temperatura de la solución acuosa se ha elevado a la magnitud requerida se

impulsa, a través de una bomba AC, hacia la Estación de Refrigeración.

La capacidad máxima del producto es de 15L y la mínima de 6L. Se instalaron cuatro

sensores de nivel tipo flotador ON/OFF en los tanques superior e inferior, encargados

de indicar los estados de nivel [9].

1.3.2.3. Estación de Refrigeración

Fig. 9 Estación de Refrigeración [8].

1.3.2.3.1. Función

El ciclo de Refrigeración consistía en circular un líquido Refrigerante (Agua) de manera

constante por el tanque superior e inferior (ubicado dentro del compartimento de la

nevera – ver Fig. 10), a través de una red de tubos y mangueras, la secuencia de su

desplazamiento se desglosa del siguiente modo:

El líquido Refrigerante es enfriado en el tanque inferior (ver Fig. 10), éste baja por una

tubería PVC de 1’ que incluye una bifurcación (ver Fig. 14): un desagüe de emergencia

y una línea de alimentación hacia una bomba AC, el líquido Refrigerante a su vez es

impulsado por el actuador por una tubería PVC de 1’ con destino al tanque superior

(ver Fig. 13), donde se localiza el intercambiador de calor que era irrigado por Agua

enfriada, como se puede apreciar en la Fig. 12.

21

Fig. 10 Unidad de Refrigeración (Cara frontal) [8].

Luego retornaba al tanque inferior, por gravedad, a través de una tubería de cobre de

dos geometrías distintas: en la parte externa formaba una ‘C’ (ver Fig. 11) y en la zona

interna de la nevera un serpentín de círculos concéntricos cubierto por el evaporador.

Fig. 11 Parte Posterior de Estación [8].

Termistor

Tanque interno

22

Fig. 12 Tanque superior e Intercambiador de Calor (Serpentín) [8].

En el tanque superior estaba alojado el intercambiador de calor tipo Serpentín, allí se

llevaba a cabo la zona de choque térmico donde se pretendía bajar drásticamente la

Temperatura del producto (Agua). Por el intercambiador de calor se hacía circular el

líquido producto proveniente de la Estación de Dosificación.

Fig. 13 Costado izquierdo (Tubería de re-circulación de Refrigerante) [8].

Sensor de

nivel

ON/OFF

Termocupla

Tipo J

Intercambiador

de calor (tipo

serpentín)

23

Fig. 14 Parte baja (Bifurcación: Drenaje y Bomba centrífuga) [8].

1.3.2.3.2. COMPONENTES

1.3.2.3.2.1. Unidad de Refrigeración

El ciclo de refrigeración se vale del proceso de mudanza del estado físico del fluido

refrigerante, el cual tiene la capacidad de condensarse a altas presiones y evaporarse

a bajas presiones.

El proceso de refrigeración comienza por el compresor, el cual comprime el fluido

refrigerante que viene del evaporador en estado gaseoso. Al entrar en el condensador,

éste transfiere parte del calor para el medio ambiente, a través de su estructura,

haciendo que su temperatura disminuya y ocurra el proceso de mudanza del estado

gaseoso a líquido, el cual es el proceso de condensación.

En seguida, el fluido refrigerante pasa por el elemento de control – tubo capilar o

válvula de expansión –, que restringe el flujo por el evaporador, haciendo que la

presión disminuya. A través de la geometría del evaporador, muy similar a un

serpentín, el fluido refrigerante absorbe el calor de los alimentos, hasta que regrese al

compresor, reiniciándose el ciclo de refrigeración [10].

Esta unidad es una nevera de baja dimensión y capacidad. Su trabajo, a partir del

funcionamiento descrito, era hacer que el líquido refrigerante (agua) acumulado

transitoriamente en el tanque interno fuera enfriado lo más rápido posible. Para poder

realizar esta acción era necesario colocar un punto de referencia máxima (escala de

0-7) del control de temperatura manual gobernado por el termostato interno ubicado

en el evaporador. Sus principales componentes son los siguientes:

Evaporador: Es un intercambiador, su función es transferir el calor del líquido

refrigerante (agua) contenido en el tanque interno al fluido refrigerante que está

24

circulando. Así, el fluido refrigerante (R134a1), que se encuentra en estado

líquido, se convierte en vapor. Mientras tanto, por haber absorbido el calor, el

evaporador mantendrá una temperatura adecuada en el gabinete del

refrigerador [11].

Condensador: Es un intercambiador de calor y como su nombre lo indica, sirve

para disipar al exterior del sistema de refrigeración, el calor absorbido en el

evaporador que se genera en el proceso de compresión. Está representado en

la estructura física de la unidad de refrigeración.

Compresor

Fig. 16 Compresor Unidad de Refrigeración [8].

1.3.2.3.2.2. Sensores

Los sensores que se encontraban instalados fueron:

Tanque superior (ver Fig. 12):

Un sensor de nivel para indicar la capacidad límite del producto en el

recipiente.

Una termocupla tipo J para indicar la temperatura del líquido refrigerante

(agua).

1 Fluido refrigerante cargado en el sistema interno de la unidad de refrigeración.

Fig. 15 Evaporador Unidad de Refrigeración [8].

25

Tanque interno (ver Fig. 10):

Detector de temperatura resistivo (termistor) para indicar, también, la

temperatura del refrigerante.

1.3.2.3.2.3. Actuadores

El elemento que permitía la recirculación del líquido refrigerante, era una bomba

centrífuga, la cual impulsaba el agua desde el tanque interno hasta el superior a través

de una tubería de 1’, como se puede ver en la Fig. 14.

1.3.2.3.2.4. Tablero eléctrico

En un principio, era una distribución eléctrica que agrupaba los elementos conectados

y puntos de alimentación a través de borneras, principalmente, ubicados en un tablero

en donde se ubican e inspeccionan estos componentes a través de marquillas

(etiquetas). Los siguientes puntos de conexión fueron los encontrados:

Un transmisor de corriente 4-20mA para la Termocupla tipo J.

Un relé de 24V para activar/desactivar la unidad de refrigeración.

Alimentación AC y 24V, ésta última es una fuente DC instalada en la

parte posterior del tablero.

Fig. 17 Tablero eléctrico recibido [8].

2. METODOLOGÍA

2.1. CAMBIOS ESTRUCTURALES Y FUNCIONALES

Luego de una evaluación exhaustiva se determinó hacer varias modificaciones como

eliminar la recirculación del Líquido refrigerante desde el tanque interno hasta el

tanque superior y reubicar el intercambiador de calor hacia un espacio de mayor

transferencia térmica, eso condujo a efectuar muchos más cambios en la estructura:

26

Fig. 18 Estación de Refrigeración modificada [8]

.

2.1.1. Reubicación de evaporador hacia el interior del tanque de la Nevera

Con el fin de generar un sistema más eficiente en el cual haya una transferencia

térmica más rápida hacia el líquido refrigerante se sitúa el evaporador con el fin de que

esté sumergido en el depósito interno de la unidad de refrigeración, este cambio se ve

reflejado en la Fig. 19.

Fig. 19 Reubicación de evaporador e intercambiador de calor [8].

Intercambiador de

calor (círculos

concéntricos)

27

2.1.2. Reubicación del intercambiador de calor (círculos concéntricos)

Al modificar la zona de transferencia térmica (evaporador), también se cambia el

espacio del choque térmico (intercambiador de calor principal) y se emplaza también

dentro del tanque interno de la unidad de refrigeración para que no se disipe esta

propagación de calor en grandes cantidades, (ver Fig.19).

Los criterios para elegir un intercambiador de círculos concéntricos fueron los

siguientes:

2.1.2.1. Conductividad térmica: Se define como la capacidad de un material

para transferir calor, el intercambiador fabricado con Aluminio instalado

en la estructura sin modificar (ver fig. 12) tiene un coeficiente de

conductividad térmica que oscila entre 209 − 232𝑊

𝑚 𝐾 [12], es bajo

comparado con el del Cobre que tiene un coeficiente más alto entre

372 − 385𝑊

𝑚 𝐾 [12], por ello se decide cambiar el material del

intercambiador de calor por éste último, ya que cuando el producto

circule por esta tubería va a poseer mayor transferencia térmica del

entorno enfriado que cubre el área externa del intercambiador de calor.

2.1.2.2. Geometría: El serpentín estaba compuesto por una serie de segmentos

rectos y curvos, en las partes rectas cuando circulaba el producto la

transferencia de calor del entorno no contribuía en gran medida a bajar

la temperatura del líquido, sumado a que el líquido pasa rápido al no

encontrar una oposición significativa, en cambio en las curvas definidas

en “u”, le cambiaban la dirección y disminuían la velocidad al producto

de tal manera que surgía una diferencia de temperatura determinante.

No obstante este tipo de intercambiador no era suficiente para obtener la

temperatura deseada para el proceso, para eso fue necesario elegir otro

tipo de elemento, que además fuera asequible en el mercado. El

seleccionado tiene una geometría dispuesta por círculos, donde el

producto recorre la tubería con una mayor resistencia a la del serpentín,

agregado a esto, se tiene como consecuencia que el producto va a

permanecer más tiempo dentro del intercambiador de calor y es posible

lograr una temperatura muy cercana a la deseada para el proceso de

pasteurización.

2.1.2.3. Área transversal y longitud: No sólo la geometría del dispositivo

permite una mayor o menor transferencia térmica. El área transversal del

28

intercambiador es directamente proporcional a la velocidad por la que

circula el producto, y según lo anterior se decide reducir el área interna

(se pasa de ¼’ (diámetro interno del intercambiador de calor de Aluminio

tipo serpentín) a 18⁄ ′). También se escoge una mayor longitud de tubería

(5m), un poco más del doble del intercambiador de calor anterior.

Estos factores hacen que el producto dure mayor tiempo en la zona de

choque térmico y por ende su transferencia térmica aumente

considerablemente.

2.1.3. Supresión de recirculación de líquido refrigerante

Se determinó que en esta operación el líquido refrigerante perdía la transferencia

térmica recibida en el tanque interno, ya que debía ser transportado por una serie de

tuberías externas e impulsado por una bomba centrífuga, éste llegaba al tanque

superior (el cual al estar descubierto y en contacto con el ambiente hacia que el líquido

refrigerante aumentara su temperatura), y en el instante en que se contacta con el

intercambiador de calor (choque térmico) ya había perdido la suficiente capacidad

calorífica para enfriar el líquido producto que circulaba por el serpentín.

Entonces se optó por dejar el líquido refrigerante estático (sin realimentación) en el

tanque interno de la Nevera (ver Fig.20).

Fig. 20 Líquido Refrigerante en tanque interno [8].

Al prescindir de una tubería conectada con el tanque superior, también hubo que

relegar el elemento actuador (bomba centrífuga) que impulsaba dicho fluido al nivel

superior. Al realizar este cambio se instaló una línea de drenaje del refrigerante del

tanque interno a través de una tubería uniforme de 1’ controlada por una válvula de

bola manual de ¼ giro (ver Fig. 21).

29

Fig. 21 Drenaje tanque interno nevera [8].

2.1.4. Selección de Refrigerante

Después de realizada esta transformación física era requerido que el líquido

refrigerante tuviera ciertas características que al momento de ser sometido al

enfriamiento del evaporador no sufriera cambios físicos irreversibles ni tampoco que

ocurriera un cambio de fase (de líquido a sólido), ya que estas alteraciones afectarían

las propiedades del líquido como agente refrigerante. Para ello se eligió un líquido con

un punto de fusión de 0 = −17,778 y de ebullición de 253 = 122,778,

condiciones de trabajo ideales para el proyecto (ver Fig. 22).

2.1.5. Actuador (Servo-válvula)

Con el fin de estrangular el caudal de líquido producto que circula por el intercambiador

de calor se fabrica e instala una válvula servo asistida (ver Fig. 23). Es en este actuador

donde ocurre el primer instante de choque térmico ya que es el componente de entrada

del sistema.

Fig. 22 Refrigerante usado para el proceso de refrigeración [8].

30

Fig. 23 Servo-válvula [8].

Este actuador se compone de una base elaborada de acero inoxidable, la cual está

asegurada a la estructura de la estación. El servo-motor tiene un acople rígido con un

tornillo de retención conectado a la válvula (también de acero inoxidable) de un

diámetro interno de ½’, a su vez los tornillos de sujeción inmovilizan estos dos

componentes para que cuando sea accionada la servo-válvula no se produzca

movimiento relativo y sea consecuente el desplazamiento generado con el solicitado

desde el software.

2.1.6. Nueva tubería y tanque superior

Se instala tubería CPVC de ½’ para enlazar la servo-válvula con el intercambiador de

calor a través de uniones flexibles (manguera lonada de ¼’) como se aprecia en la Fig.

24 y para acoplar una salida hacia el tanque superior (ver Fig. 25).

Fig. 24 Mangueras (negras) de unión de ¼’ [8].

Tornillos de

sujeción Servo-motor

5V

Acople

Válvula de

bola (1/2’)

Base

31

Fig. 25 Vista posterior Estación de Refrigeración [8].

El tanque superior cambia su función, ya no es la zona de choque térmico, es ahora

un depósito del líquido producto procesado. Se compone de una línea de vaciado

controlado por una válvula manual de bola de ¼ de giro.

Fig. 26 Tanque depósito producto – parte superior [8].

2.1.7. Sensores instalados

En el tanque superior se instala un flotador de tipo ON/OFF para detectar la capacidad

límite del líquido producto (ver Fig. 26). Dentro de la nevera se instalan tres detectores

de temperatura resistivos (Termistores tipo NTC) distribuidos así: dos termopozos

internos para indicar la temperatura de entrada y salida del líquido producto a través

del intercambiador de calor, estos sensores se puede observar en la siguiente imagen:

Fig. 27 Termopozos de entrada y salida [8].

Sensor

de nivel

ON/OFF

Termopozo

entrada

Intercambiador

de calor

Termopozo

salida

Intercambiador

de calor

32

Y otro termistor sumergido dentro del tanque interno para indicar la temperatura del

refrigerante (ver Fig. 28).

Fig. 28. Termistor líquido refrigerante [8].

Por último, como dispositivos principales de medición de Temperatura, se instalaron

dos termopozos externos con acciones determinantes en el control implementado:

2.1.7.1. Termopozo de entrada: Termistor que mide la temperatura de entrada

del producto, antes de ingresar a la primera zona de choque térmico

(servo-válvula).

Fig. 29. Termopozo de entrada (Termistor de 10KΩ) [8].

2.1.7.2. Termopozo de salida: Luego de que el producto ha pasado por todas

las zonas de choque térmico, este sensor ubicado en el tanque superior

indica la temperatura de salida previamente deseada. A partir de la

lectura de este termistor se realiza la acción de control sobre la servo-

válvula, la cual reduce/aumenta el caudal del producto. Este

Termistor

Termopozo

externo de

entrada

33

procedimiento es explicado posteriormente en el modelamiento

experimental del sistema.

Fig. 30. Termopozo (Termistor 10KΩ) de salida [8].

2.1.8. Tablero Eléctrico

En él se encuentran distribuidas las conexiones y los circuitos necesarios para el

correcto funcionamiento de la planta de refrigeración. El tablero dispone de

conexiones a la red eléctrica monofásica y dos fuentes de alimentación conmutadas

de 24v y 5v de corriente continua, respectivamente. El cable utilizado para la conexión

entre los diferentes dispositivos es del calibre 16 TFF. Para el sistema de comunicación

se utilizó cable UTP CAT5 TIA/EIA-568-B. El tablero provee de conexión a los

diferentes sistemas y sensores del sistema además de contar con circuitos de

protección ante sobretensiones. Dentro del tablero podemos encontrar los siguientes

componentes y conectores:

Fusilera y fusible de 4 A.

Termo-magnético de 10 A.

26 borneras para riel DIN.

Conector para relé de 14 terminales para riel DIN.

Relé LTONIC de 14 terminales de 24 V DC | 240 VAC 5 A.

Sistema embebido PLC.

Controlador I/O.

Conectores RJ45 - CAT6 para comunicación MODBUS TCP/IP.

Terminales de conexión para Válvula Proporcional.

Terminales de conexión para cinco sensores de temperatura.

Terminales de conexión para sensor de nivel.

Circuito de comunicación para controlador I/O.

Circuito de acondicionamiento (0-10V) de tres sensores internos.

Switch TP-LINK de cinco puertos.

Módulo de prácticas didácticas.

Terminales de conexión a la unidad de refrigeración.

Termopozo

externo de

salida

34

En la Fig. 31 se puede observar la distribución de los dispositivos anteriormente

nombrados en el tablero eléctrico dispuesto para la estación.

Fig. 31 Tablero de conexión (Vista general) [8].

2.1.9. Alimentación General

El tablero y los diferentes componentes en su interior, reciben energía eléctrica

principalmente de la red monofásica de corriente alterna y de dos fuentes conmutadas

de corriente continua ubicadas en la parte posterior del tablero como se puede ver en

la figura 32.

Fig. 32 Fuentes Conmutadas de corriente continua [8].

Fuente

5 VDC

Fuente

24 VDC

Circuito de

Protección

Sensor de

nivel

Sistema

embebido

PLC

Comunicación

Controlador

I/O

Relé de

accionamiento

unidad de

refrigeración Válvula

proporcional

Módulo de

prácticas

Switch de

comunicación

Controlador

I/O

Fuentes de

Alimentación

Tarjeta

sensores

(0-10v)

35

Las fuentes conmutadas proporcionan voltajes de alimentación de 5V y 24V. La fuente

conmutada de 5V provee una carga nominal de 3 A y alimenta el sistema embebido

PLC, la válvula proporcional, el controlador I/O y el sistema de comunicación.

La fuente conmutada de 24V, provee niveles de voltaje lógicos adecuados para

sistemas industriales y alimenta el relé de accionamiento de la unidad de refrigeración.

Al igual que la fuente de 5V puede entregar una carga nominal de 3A.

2.1.10. Marquillas y Convenciones

El tablero está provisto de marquillas que permiten identificar de una manera ordenada

cada uno de los componentes con sus respectivas conexiones. Cada marquilla

responde a un sistema de convenciones que por medio de un código numérico

relacionan una conexión a un sistema indicado. A continuación está relacionado el

sistema de convenciones utilizadas:

Fig. 33 Marquillas instaladas [8].

Marquilla Etiqueta

00 GND AC

120 FASE AC

6 NEUTRO AC

24 24V DC

5 5V DC

0 0V DC

33 Señal PWM Servo-válvula

81 Sensor de Nivel ON/OFF

80 Sensor de Nivel ON/OFF

71 Unidad de Refrigeración

70 Unidad de Refrigeración

40 Termopozo interno de entrada

41 Termopozo interno de salida

42 Sensor de Temperatura Refrigerante Tabla 1 Sistema de convenciones Tablero eléctrico [8].

36

2.2. DIAGRAMA DE BLOQUES

El sistema implementado puede ser descrito a través de bloques bien definidos, estos

bloques constituyen unidades funcionales del sistema y se comunican entre sí. La

unidad que gobierna y ejecuta las tareas de control es el sistema embebido PLC y

tiene acceso a todas las variables del sistema. El diagrama de bloques puede ser

apreciado en la siguiente figura:

Fig. 34 Diagrama de bloques sistema de Control y supervisión de la unidad de refrigeración [8].

2.2.1. Sistema embebido PLC (Sistema de control)

Es el sistema principal de procesamiento y el encargado de supervisar y ejecutar las

órdenes requeridas para el correcto funcionamiento del sistema. Esta implementado

con una tarjeta de desarrollo Raspberry Pi modelo 2 B+, cargada con la herramienta

IPC Platform de Resologis que permite ejecutar tareas propias de un sistema de

automatización industrial convirtiéndolo así en un PLC (Controlador Lógico

Programable) de gama baja.

Sumado a esta capacidad, Resologis proporciona un entorno de desarrollo integrado

basado en ISaGRAF 5 que permite desarrollar programas dentro del estándar IEC-

Controlador

I/O

Sensores de

temperatura Sensor de Nivel

tanque de producto

Unidad de

refrigeración Relé 24 V

Servo-Válvula

Sistema

Embebido

PLC

(Raspberry

Pi 2)

Sistema de

supervisión

(SCADA)

web HMI

Acondicionamiento

de sensores internos

(0-10V)

Módulo de

prácticas

37

61131-32, cumpliendo con todos los paradigmas de programación de un sistema de

automatización industrial.

Fig. 35 Raspberry Pi modelo 2 B+ como micro PLC [8].

Al sistema embebido ingresa directamente la señal de medición de nivel del tanque de

llegada de producto pasteurizado. No obstante, la Raspberry Pi no posee conversores

análogos/digitales (ADC), por lo tanto no es capaz de leer directamente sensores

continuos (como los sensores de temperatura), así que se optó por usar el protocolo

industrial MODBUS TCP/IP para leer los valores de los termistores desde un

Controlador I/O (entradas y salidas). La señal de ajuste para la servo-válvula también

es enviado por medio de MODBUS TCP/IP hasta el módulo de control de entradas y

salidas, la tarjeta de desarrollo se encarga de ejecutar la acción de control PID y ajustar

el debido valor de apertura de la servo-válvula.

Fig. 36 Entorno Grafico ACP [8].

2 Normativa para PLC’s de cómo se aplican a procesos industriales.

38

El software de programación proporciona bloques funcionales para implementar la

acción de control PI requerida. El correspondiente bloque se puede apreciar en la

figura 37.

Fig. 37 Bloque PID ISaGRAF 5 [8].

Las características del bloque de control pueden ser vistos en la Tabla 2, y como se

puede apreciar sus parámetros hacen que al ser empleados dentro del proyecto sea

de una manera muy intuitiva aplicarlos dentro del programa.

AUTO BOOL The operation mode of the PID controller:

TRUE controller runs in automatic mode

FALSE controller runs in manual mode. At initialisation, set theoperationmodeto FALSE.

Pv REAL Process output value

Sp REAL Setpoint value, i.e., value required at the output

X0 REAL Adjustment value. When running in manual mode, in the case of an open loop, is the non-regulated value

entering the system where the output value of the PID controller is equal to X0.

Kp REAL Proportionalityconstant

Ti REAL Integral time constant

Td REAL Derivative time constant

Ts TIME Samplingperiod

Xmin REAL Minimumposiblevalue

Xmax REAL Maximumposiblevalue

Xout REAL Command. In the case of a closed loop with regulation, is the regulated value entering the system.

Tabla 2 Características Bloque PID [13].

Este tipo de lenguaje por bloques permitió a su vez generar el programa de supervisión

y control del sistema, efectuando la conversión y linealización de magnitudes:

39

Fig. 38 Control implementado en el entorno ACP por medio de bloques funcionales [8].

De una resolución de 10 bits a temperatura para los sensores, de grados de

desplazamiento de la servo-válvula a voltaje para generar una equivalencia entre los

valores de entrada y salida del bloque de control PI y la configuración de variables tipo

IOT (‘Internet de las cosas’).

Fig. 39 Linealización de sensores de temperatura y disposición de variables booleanas [8].

40

2.2.2. Controlador I/O

El controlador I/O es el encargado de gestionar y capturar las diferentes variables de

la planta, gracias a un sistema de comunicación externo puede comunicarse con el

sistema embebido y enviarle las diferentes variables de la planta para ser analizadas,

también provee de señales de salida PWM que permiten controlar la apertura de la

servo-válvula. El controlador I/O esta implementado con una tarjeta Arduino UNO

versión R3 y un actuador de relé para la activación de la unidad de refrigeración. El

Arduino posee un conversor A/D de 10 bits de resolución con 6 canales de captura,

esto permite obtener después de una tarjeta de acondicionamiento el valor en

temperatura de los tres sensores del sistema. En la figura 40 se puede ver en detalle

el controlador I/O.

Fig. 40 Controlador I/O [8].

2.2.3. Circuito de comunicación controlador I/O

Para poder comunicar el controlador I/O con el sistema embebido PLC se utilizó un

módulo Ethernet ENC28J60 con comunicación SPI que permite su conexión y

programación con el Arduino UNO. Utilizando las librerías correspondientes permiten

sobre la capa Ethernet comunicar al Arduino con la Raspberry utilizando el protocolo

de comunicación MODBUS TCP/IP. En adición el modulo lleva una tarjeta de

acondicionamiento de voltaje que alimenta con 3.3 V el módulo Ethernet. La figura 41

muestra en detalle la distribución de los componentes de comunicación del módulo.

ARDUINO

UNO R3

Comunicación

MODBUS

Actuador

(relé) para la

unidad de

refrigeración

(Chiller) Salida Servo-Válvula

Acondicionamiento

sensores de

temperatura

41

Fig. 41 Circuito de comunicación controlador I/O [8].

2.2.4. Sistema de supervisión (SCADA) Web HMI

La herramienta IPC Platform proporciona el sistema necesario para generar un sistema

de supervisión a través de IOT (internet de las cosas) que permite la creación de

WEB’s HMI lo que facilita la creación de sistemas de supervisión a un bajo costo.

A través de un servidor de mensajería MQTT implementada en Mosquitto, se supervisa

y modifica las diferentes variables del sistema por medio de la tarjeta Ethernet de la

Raspberry y se visualiza desde una HMI en un navegador Web. La web HMI puede

ser visualizada desde cualquier equipo disponible dentro de la red. La herramienta IPC

Platform incluye dentro de la configuración del dispositivo métodos de programación

para agregar cada una de las imágenes, botones y cajas necesarias para implementar

el sistema de supervisión de la siguiente manera más definida:

El “Internet de las cosas” o IOT es un concepto que define la conexión de diferentes

dispositivos cotidianos a la red, permitiendo conocer y modificar el estado de éstos en

todo momento. Al ser tan grande la cantidad de dispositivos que se espera que estén

conectados a la red se busca que los diferentes protocolos utilizados para realizar esta

tarea ocupen la menor cantidad posible de ancho de banda sin comprometer el envío

correcto de los datos. De aquí nacen diferentes protocolos como lo es MQTT.

La herramienta IPC de Resologis provee el controlador necesario para establecer una

comunicación MQTT, además de implementar un Servidor (MQTT Broker) y un Cliente

MQTT (WEB HMI). Todo esto integrado al entorno de programación en ISaGRAF 5.

MQTT (Message Queue Telemetry Transport): Es un protocolo usado para la

comunicación ‘machine-to-machine’ (M2M) en el IOT. Este protocolo está orientado a

la comunicación de sensores, debido a que consume muy poco ancho de banda y

puede ser utilizado en la mayoría de los dispositivos empotrados con pocos recursos

[14].

Módulo

ENC28J60

Regulador

3.3V Conexión

controlador

I/O

42

La arquitectura de MQTT sigue una topología de estrella, con el nodo central que hace

de servidor o “Broker”, que es el encargado de gestionar la red y de transmitir los

mensajes. Para mantener activo el canal, los clientes mandan periódicamente un

paquete y esperan la respuesta del Broker [14].

Fig. 42 Red MQTT [14].

2.2.4.1. MQTT en Resologis IPC

Resologis IPC provee el controlador necesario para implementar una comunicación

MQTT, lo que le permite compartir y monitorear información hacia un MQTT Broker y

ser obtenido por diferentes clientes. Resologis provee una interfaz WEB (HMI), que

permite transferir datos desde la aplicación hasta el Broker y ser visualizados en el

mismo. Además que es compatible con las tecnologías HTML antiguas, lo que permite

compatibilidad con los diferentes navegadores [13]. La arquitectura de comunicación

que implementa Resologis es la siguiente:

Fig. 43 Arquitectura de comunicación [13].

43

Esta Arquitectura se basa en cuatro elementos, el sistema de automatización “IPC

Runtime”, el MQTT Broker, el servidor Web y la Aplicación Web.

Para poder llevar los datos del programa en IPC al Broker se utilizan las variables IOT,

las cuales son declaradas durante la escritura del programa principal en la plataforma

de desarrollo ACP.

2.2.4.2. Controlador MQTT

La activación o desactivación del controlador MQTT se realiza desde la página web

local de configuración de IPC ingresando en el navegador la IP correspondiente de

nuestra Raspberry Pi con Resologis, con el usuario y contraseña definida por defecto.

Fig. 44 Página web local para IPC [13].

Las opciones de configuración son simples, podemos elegir entre activar y desactivar

el IOT. Al activarlo podremos configurar la tasa de lectura, la IP del MQTT Broker, el

cual básicamente está ligado a un Broker implementado en Mosquitto3 y el puerto de

comunicación del mismo.

Fig. 45 Opciones de configuración IOT [13].

3 Recibe mensajes publicados y los envía a todos los clientes que se han suscrito, es el Broker o intermediario de mensajes que implementa el protocolo MQTT [15].

44

Variables IOT

Las variables IOT son empaquetadas dentro de un mensaje y son llevadas a un buffer

de transmisión, que luego son cargadas al Broker donde se realizan las suscripciones

y publicaciones de las mismas.

2.2.4.3. WEB HMI

Luego de haber realizado la migración de variables tipo IOT nuevamente se inicia

sesión en la página web local de IPC para diseñar la interfaz de usuario que

proporciona la visualización e interacción de los datos del servidor en tiempo real con

un navegador web.

Fig. 46 Panel de visualización de WEB HMI [13].

El resultado es la siguiente imagen donde se puede observar el diagrama P&ID del

sistema de refrigeración con etiquetas que señalan el estado actual de los

componentes del proceso, indicadores de temperatura principales, teclado para

ingresar el valor de temperatura requerido del producto, visualización y control de

variables booleanas (sensor de nivel y unidad de refrigeración).

45

Fig. 47 Web HMI [8].

2.2.5. Sensores de Temperatura

El sistema cuenta con cinco sensores de temperatura distribuidos así: dos termopozos

externos, dos termopozos internos y un sensor sumergible en líquido refrigerante. Los

sensores de temperatura utilizados son de principio resistivo (ver la siguiente tabla).

Modelo NTC

Rango de resistencia 0Ohm~10KOhm ±1%

Rango de temperatura -40°C~120°C

Coeficiencia de temperatura 2%~5%

Material Cobre niquelado cilíndrico

Diámetro/largo sensor 4mm/25mm

Tabla 3 Características de los sensores instalados [15].

Para poder acondicionar la señal del sensor sumergible y termopozos internos se

debe utilizar una resistencia de precisión de 5.1 KΩ en serie con el termistor

(configuración pull-down). Y para linealizar la salida de los termopozos externos se

realizó una configuración pull-up con una resistencia de 10𝐾𝛺.

46

Fig. 48 Termistor 10𝐾𝛺 [8].

2.2.5.1. Linealización de sensores

Para generar una relación lineal para los sensores de temperatura instalados se

empleó dos configuraciones representadas de la siguiente manera:

Fig. 49 Divisores de voltaje usados para linealizar los sensores [8].

2.2.5.1.1. Sensores internos

La resistencia eléctrica de los sensores en configuración pull-down aumenta cuando

la temperatura disminuye describiendo un comportamiento logarítmico.

TERMISTOR

10k

R10k

5V

ADC

TERMISTOR

10k

R

5,1k

5V

ADC

Pull-downPull-up

47

Fig. 50 Curva característica de sensores internos [8].

Tienen una relación no lineal, no obstante para el trabajo realizado se requirió utilizarlo

en una zona similar a una lineal, entre 20 y −5, como se observa en la anterior

figura, luego de haber aplicado algunas herramientas de Microsoft Excel se halló una

línea de tendencia que normaliza la lectura de Temperatura de los termistores con la

siguiente ecuación la cual es aplicada en el entorno de programación ACP.

𝑇 = −23,96 ln(𝑅) + 229,55 (1)

𝑇: 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑒𝑛 𝑦 𝑅: 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝛺.

2.2.5.1.2. Termopozos externos

La siguiente Tabla indica la relación Temperatura en vs Resistencia en KΩ, de los

termistores NTC10kΩ, correspondiente a los termopozos externos. Estos datos son

usados de manera segmentada para hallar un linealización simple.

48

Tabla 4. Temperatura vs Resistencia (Termistor 10kΩ) [15].

Para generar una ecuación lineal, la cual debe ser aplicada en el software del PLC, se

tomaron datos de la Tabla 4 en los cuales se incluye el span4 del sensor, bien sea para

el de entrada como para el de salida, de esta manera y realizando las siguientes

equivalencias se explica cómo se determina estas dos expresiones algebraicas:

Estos dos termistores tienen una configuración pull-up con una resistencia. Esto quiere

decir que hay un divisor de voltaje sobre la resistencia de 10KΩ, con alimentación de

5V para el circuito. Para ello se emplea la siguiente ecuación:

𝑉10𝐾𝛺 =10KΩ∗5𝑉

10KΩ+ 𝑅𝑇𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑡𝑜𝑟 (2)

Los valores resultantes se observan en la columna dos de las Tablas 3 y 4.

4 Diferencia algebraica entre límite superior e inferior del sensor, específicamente definidos para el proceso.

49

Luego de realizar el divisor de voltaje, se representa una equivalencia del voltaje sobre

la resistencia de 10KΩ con el conversor análogo digital (ADC) del sistema que está

determinado en 10 bits, con la siguiente ecuación:

𝐵𝑖𝑡𝑠 =𝑉10𝐾𝛺∗1023

5 (3)

Los datos obtenidos no son enteros, por lo que se prosigue a redondear estos valores

que concuerden con el ADC de 10 bits, que se indican en las columnas tres y cuatro

de las Tablas 5 y 6, respectivamente.

Termistor de entrada: La Tabla 5 indica una relación de bits para el conversor

análogo/digital del Controlador I/O vs Temperatura en grados Celsius.

Resistencia [Ω] Divisor de Voltaje [10kΩ] Bits (1023) ADC [10 bits] Temperatura en ºC

15731,3 1,943158721 397,5702743 398 15

15016,1 1,998712829 408,9366448 409 16

14337,5 2,054442732 420,3389831 420 17

13693,2 2,110310131 431,7694528 432 18

13081,5 2,16623703 443,2120963 443 19

12500,5 2,222172841 454,6565632 455 20

11948,5 2,278060004 466,0910768 466 21

11423,9 2,333842111 477,5040959 478 22

10925,2 2,389463422 488,8842162 489 23

10451 2,444868222 500,2200381 500 24

10000 2,5 511,5 512 25

9570,9 2,554813524 522,714847 523 26

9162,6 2,609249267 533,8524 534 27

8773,8 2,663286069 544,9083297 545 28

8403,7 2,716844982 555,8664834 556 29

8051,2 2,769898954 566,721326 567 30

7715,4 2,822403107 577,4636757 577 31

7395,4 2,874323097 588,0865056 588 32

7090,4 2,925619061 598,5816599 599 33

6799,6 2,97626134 608,9430701 609 34

6522,3 3,026213058 619,1631916 619 35

6257,7 3,075465779 629,2402984 629 36

6005,3 3,123965187 639,1632772 639 37

5764,5 3,171683212 648,9263852 649 38

5534,5 3,218642377 658,5342303 659 39

5315 3,264773098 667,9725759 668 40

50

5105,3 3,310096456 677,2457349 677 41

4905 3,354579 686,3468635 686 42

4713,6 3,398216616 695,2751196 695 43

4530,7 3,440990455 704,026647 704 44

4355,8 3,48291283 712,6039649 713 45

4188,7 3,523931016 720,9962858 721 46

4028,7 3,564122121 729,219386 729 47

3875,8 3,60339584 737,2547889 737 48

3729,4 3,641819744 745,1163197 745 49

3589,3 3,679365383 752,7981574 753 50

3455,3 3,716007818 760,2951997 760 51

3326,9 3,751810248 767,6203768 768 52

3203,9 3,786759972 774,7710904 775 53

3086,2 3,820818878 781,7395424 782 54

2973,3 3,854069512 788,5426222 789 55

2865,2 3,886453378 795,1683612 795 56

2761,6 3,918004012 801,6236209 802 57

2662,2 3,948760879 807,9164758 808 58

2566,9 3,978705966 814,0432406 814 59

2475,5 4,007855397 820,0072141 820 60

2387,9 4,036196611 825,8058267 826 61

2303,8 4,063785172 831,4504462 831 62

2223,1 4,09061531 836,9398925 837 63

2145,6 4,116717165 842,280332 842 64

2071,2 4,142090264 847,4716681 847 65

1999,8 4,166736112 852,5142086 853 66

1931,2 4,190693308 857,4158509 857 67

1865,3 4,213968463 862,1779475 862 68

1801,9 4,23660597 866,8095815 867 69

Tabla 5 ADC (10 bits) vs Temperatura – Termopozo de entrada [8].

51

Fig. 51 Linealización Termistor de entrada [8].

Ecuación de linealización:

𝑇 = 0,117(𝐴𝐷𝐶) − 32,478 (4)

𝑇: 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑒𝑛 º𝐶 𝑦 𝐴𝐷𝐶: 𝐶𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 𝑎𝑛á𝑙𝑜𝑔𝑜 − 𝑑𝑖𝑔𝑖𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 10 𝑏𝑖𝑡𝑠

Termopozo de salida: Sensor principal de la planta, indica la Temperatura del

producto obtenido. Además es bajo su magnitud que se realiza la acción del

control. También es llevado al ADC de 10 bits normalizado en grados Celsius.

Resistencia [Ω] Divisor de voltaje [10kΩ] Bits (1023) ADC [10 bits] Temperatura en ºC

38230,7 1,036684104 212,1055676 212 -3

36294 1,080053571 220,9789606 221 -2

34742,1 1,117515718 228,6437159 229 -1

32742,1 1,169806818 239,342475 239 0

31113,8 1,216136674 248,8215636 249 1

29575,9 1,263395147 258,4906471 258 2

28122,9 1,311547652 268,3426497 268 3

26749,6 1,360559026 278,3703768 278 4

25451,3 1,410385515 288,5648763 289 5

24223,4 1,46098868 298,918284 299 6

23061,8 1,512319353 309,4205397 309 7

21962,5 1,564333203 320,0625733 320 8

20921,8 1,616982194 330,8345568 331 9

19936,4 1,670207507 341,7244558 342 10

19002,9 1,723965534 352,7233484 353 11

18118,4 1,778195061 363,8187095 364 12

y = 0,1117x - 32,478R² = 0,9853

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 200 400 600 800 1000

Temp en ºC vs ADC

52

17280 1,832844575 375 375 13

16485,2 1,887846797 386,2534548 386 14

15731,3 1,943158721 397,5702743 398 15

15016,1 1,998712829 408,9366448 409 16

14337,5 2,054442732 420,3389831 420 17

13693,2 2,110310131 431,7694528 432 18

13081,5 2,16623703 443,2120963 443 19

12500,5 2,222172841 454,6565632 455 20

11948,5 2,278060004 466,0910768 466 21

11423,9 2,333842111 477,5040959 478 22

10925,2 2,389463422 488,8842162 489 23

10451 2,444868222 500,2200381 500 24

10000 2,5 511,5 512 25

Tabla 6. ADC (10 bits) vs Temperatura – Termopozo de salida [8].

Fig. 52 Linealización Termistor de salida [8].

Ecuación de linealización:

𝑇 = 0,0922(𝐴𝐷𝐶) − 21,818 (5)

Las ecuaciones (1), (4) y (5) son ingresadas en el software de programación, las cuales

posibilitan la visualización de la temperatura real de los puntos de medición del proceso

de refrigeración.

y = 0,0922x - 21,818R² = 0,9989

-5

0

5

10

15

20

25

30

0 100 200 300 400 500 600

Temp en ºC vs ADC

53

2.2.6. Servo – Válvula

La servo – válvula es el dispositivo por el cual se ajusta la temperatura de trabajo

indirectamente con el cambio del flujo del producto. La válvula proporcional está

compuesta por tres partes definidas anteriormente en los cambios estructurales de la

estación de refrigeración. Para ajustar la apertura de la válvula se utiliza un servomotor

de 5V con un giro de 180° y un torque de 3,53 Kg/cm [16].

Para fijar de desplazamiento angular (limitado para definir una apertura y cierre total

de la bola) se utiliza una señal modulada en ancho de pulso (PWM) que se genera en

el Controlador I/O.

Posteriormente se realiza un cálculo para determinar el desplazamiento angular con

respuesta dinámica aproximadamente lineal, para ello se debe tener en cuenta la

naturaleza de la válvula, y es que por su geometría y rotación la válvula de bola la

representa un modelo no lineal en su salida.

Por lo tanto, es necesario realizar una conversión lineal alrededor de un rango de

operación seleccionado para la apertura y cierre de la misma.

Para ello fue necesario instalar provisionalmente un medidor de caudal en la salida del

sistema de refrigeración, como el de la siguiente figura:

Fig. 53 Sensor de caudal L/min [17].

Se toman las medidas de flujo volumétrico del sistema de refrigeración en diferentes

puntos (ángulos).

L/min 0,2155 0,5991 0,9704 1,2404 1,2457 1,3907 1,4225

Ángulo de

desplazamiento

55 60 65 70 75 80 95

Tabla 7 Válvula de bola: Caudal vs Desplazamiento angular [8].

54

Luego determinar su ecuación lineal más aproximada, utilizando los recursos que

proporciona Microsoft Excel.

Fig. 54 Modelo lineal (aproximado) de válvula [8].

La ecuación que se muestra en la anterior figura es polinómica de 3º grado, esto indica

la complejidad para establecer un modelo aproximado a uno lineal. No obstante, es

suficiente para incluirla en la programación del sistema embebido PLC, y así poder

relacionar el desplazamiento angular de la válvula directamente con la estrangulación

del flujo volumétrico del producto.

2.2.7. Sensor de Nivel Tanque de Producto Pasteurizado

A la salida del proceso el producto es llevado a un tanque de reserva el cual almacena

el producto pasteurizado para su posterior envasado. Este tanque dispone de un

sensor (tipo flotador) de nivel discreto el cual envía una señal directamente al sistema

embebido PLC y le informa que el tanque se encuentra lleno. Este sensor funciona por

medio del efecto magnético que produce el flotador al contacto con la barra fija del

mismo, produciendo un estado de conducción entre sus terminales. El sensor de nivel

utilizado puede ser apreciado en la figura 53.

y = 72,278x3 - 147,62x2 + 98,804x + 39,554

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

Ecuación Válvula: Caudal(L/min) vs Ángulo (Grados Sexagecimales)

55

Fig. 55 Sensor de Nivel [8].

2.2.8. Relé industrial 24 VDC | 240 VAC 5 A

Para proporcionar energía a la unidad de refrigeración se utiliza un relé industrial de

24 VDC ideal para cargas inductivas y capacitivas. Este relé recibe la señal de

activación del controlador I/O.

Fig. 56 Relé 24 V DC | 240 VAC 5 A [8].

2.2.9. Acondicionamiento de Sensores (0-10V)

Es una tarjeta elaborada con el fin de normalizar el span de tres sensores de

temperatura: termopozo interno de entrada, termopozo interno de salida y termistor de

líquido refrigerante. El voltaje de salida está dado de 0 a 10V limitando la alimentación

de 12V con diodos zener. La finalidad de este circuito es proporcionar una magnitud

estándar para un dispositivo (PLC) externo. Estos valores pueden ser tomados en el

módulo de prácticas que se describen en los anexos de este documento.

2.3. DIAGRAMAS GENERALES

2.3.1. DIAGRAMA P&ID

Representa el diagrama de tuberías e instrumentación del sistema en el cual se

muestran, de forma general, la unidad de refrigeración junto con todos los

56

componentes que intervienen el proceso, además se indican las convenciones para

entender rápidamente las abreviaciones mostradas (Tag’s5).

Fig. 57 Diagrama P&ID – Estación de Refrigeración [8].

2.3.2. DIAGRAMA ELÉCTRICO GENERAL

La representación pictográfica fue elaborada de manera modular (con etiquetas y

marquillas) para entender cada componente del tablero eléctrico del sistema.

Se explica las conexiones realizadas en las fuentes conmutada de 24V y 5V, las

etiquetas sin color corresponden al formato de convenciones por marquillas definidas

en el apartado 2.1.10.

Las líneas punteadas indican cada uno de los módulos instalados en el tablero. Las

etiquetas pintadas y sin marquillas, son conexiones internas y de enlace con otros

módulos.

5 Símbolo circular que contiene un código alfa-numérico.

58

2.4. MODELAMIENTO EXPERIMENTAL POR CURVA DE REACCIÓN

Según la gráfica generada por el osciloscopio (ver Fig. 58), el sistema después de

haber sido excitado con una señal paso6 con una estrangulación del caudal de

producto al 20%7, se obtuvo una señal que se asimila a una planta de 2º orden como

respuesta temporal que se define en términos de: 𝑡𝑠: 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑏𝑙𝑒𝑐𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜,

𝜁: 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑔𝑢𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 y 𝑀𝑝: 𝑆𝑜𝑏𝑟𝑒 − 𝑖𝑚𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜, como factores iniciales para

realizar la identificación y el modelo experimental bajo la siguiente ecuación general

en tiempo continuo:

𝐺(𝑠) =𝜔𝑛

2

𝑠2+2𝜁𝜔𝑛𝑠+𝜔𝑛2 (6)

𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒, 𝜔𝑛: 𝐹𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑔𝑢𝑎𝑑𝑎, 𝜁: 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑔𝑢𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜

Fig. 58 Curva de reacción del sistema de refrigeración (Imagen generada por el osciloscopio) [8].

Observando la curva de reacción de la planta se puede obtener directamente los

siguientes valores:

𝑡𝑠 = 42𝑠 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑏𝑙𝑒𝑐𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜

𝑀𝑝 =𝑌𝑚𝑎𝑥−𝑌𝑒𝑠𝑡𝑏

𝑌𝑒𝑠𝑡𝑏100% = 0,25 ∗ 100% = 25% 𝑀á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 − 𝑖𝑚𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜 (7)

6 La señal paso está representada como la activación de una bomba centrifuga (Askoll M222-5/85W) que impulsa el líquido de proceso por el sistema de refrigeración. 7 Una estrangulación o regulación del caudal del producto al 20%, como cifra aproximada, es un posicionamiento de la servo-válvula con apertura mínima que disminuye la velocidad del líquido del proceso, lo cual proporciona una respuesta lenta del sistema y una apreciación más detallada en la gráfica generada en el osciloscopio.

59

Teniendo la siguiente ecuación que expresa el máximo sobre-impulso de la señal en

términos del factor de amortiguamiento 𝜁 se despeja ésta última para hallarla con el

dato anteriormente indicado:

𝑀𝑝 = 𝑒

−𝜁𝜋

√1−𝜁2 (8)

Aplicando Logaritmo Natural:

ln 𝑀𝑝 = ln 𝑒

−𝜁𝜋

√1−𝜁2

−1,3863 =−𝜁𝜋

√1 − 𝜁2

√1 − 𝜁2 (1,3863) = 𝜁𝜋

Ahora elevando al cuadrado toda la expresión:

(1 − 𝜁2) (1,3863)2 = 𝜁2𝜋2

(1,3863)2 − (1,3863)2𝜁2 = 𝜁2𝜋2

(1,3863)2 = 𝜁2(𝜋2 − (1,3863)2)

Aplicando raíz cuadrada a la anterior ecuación:

𝜁 =1,3863

√𝜋2− (1,3863)2 (9)

𝜁 = 0,49173 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑔𝑢𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜

Luego, se hallan los otros parámetros que definen el sistema de 2º orden:

𝑡𝑠 =4

𝜁𝜔𝑛 𝐶𝑜𝑛 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑏𝑙𝑒𝑐𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 2% (10)

Se despeja 𝜔𝑛:

𝜔𝑛 =4

𝜁𝑡𝑠= 0,1936 𝐹𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑔𝑢𝑎𝑑𝑎 (11)

Aplicando una aproximación para generar el tiempo de muestreo (𝑇𝑠):

2𝜋

𝑇𝑠≈ 10𝜔𝑛 (12)

2𝜋

10𝜔𝑛≈ 𝑇𝑠 = 3,24 𝐴𝑝𝑟𝑜𝑥. 10 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑒ñ𝑎𝑙

La ecuación de 2º orden en tiempo continuo queda de la siguiente forma:

60

𝐺(𝑠) =−0,03748

𝑠2+0,1904𝑠+0,03748+ 2,3 (13)

Se le suma 2,3V a la función de transferencia porque la respuesta a una señal paso

inicia en un nivel DC que corresponde al valor inicial del sensor 2,3𝑉 ≈ 22, lo que

equivale a la Temperatura ambiente del sistema.

𝐺(𝑠) =2,3𝑠2+0,1904𝑠+0,04872

𝑠2+0,1904𝑠+0,03748 (14)

Luego de tener la función de transferencia se procede a discretizar el sistema

utilizando las herramientas que proporciona MATLAB a través de sus diferentes

comandos.

Lo primero es definir la función de transferencia en tiempo continuo:

A continuación de discretiza la señal con el tiempo de muestreo generado (𝑇𝑠 = 3,24):

Para ver la función de transferencia discreta de manera más clara:

𝐺(𝑧) =2,3𝑧2+3,605𝑧+1,674

𝑧2−1,255𝑧+0,5396 (15)

Ahora se comprueba si después de realizar los cálculos para hallar la función de

transferencia la señal experimental es similar a la generada por MATLAB a través del

comando ‘step (Gz)’:

61

Señal experimental

(Lazo Abierto)

Señal generada en MATLAB

(Lazo Abierto)

Tabla 8 Curva de respuesta (experimental vs generada en MATLAB) [8].

Como se observa en la Tabla. 7 las señales son similares, su tiempo de

establecimiento, su nivel DC indican una aproximación del sistema con la cual se

puede establecer el control a implementar.

Usando el comando ‘pidtool (Fz,'pi')’ se invoca una herramienta de sintonización del

control proporcional e integral (PI) que se va a emplear en el sistema, en donde se

obtienen las constantes del control junto con la gráfica de respuesta del sistema en

lazo cerrado luego de la sintonización.

0 10 20 30 40 50 60 70 800.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6Respuesta a una señal paso - FT discreta

Tiempo (seconds)

Am

plit

ud

62

Constante de control proporcional 𝐾𝑝 = 0,34151

Constante de control integral 𝐾𝑖 = 0,21081 Tabla 9 Señal de respuesta y constantes de control [8].

Como se aprecia en la señal simulada de respuesta al sistema de control en lazo

cerrado, el ‘set-point’ requerido (temperatura de salida de producto) se estabiliza

después de un minuto. Se podría considerar lento, sin embargo los sistemas térmicos

son de naturaleza lenta, y para este trabajo en específico el resultado obtenido es

rápido.

Finalmente al obtener las constantes proporcional e integral, se debe ajustar la salida

del controlador PI para que sean acordes con la señal de ajuste del actuador. En este

caso el controlador deberá proveer valores comprendidos entre 55 y 100, los cuales

corresponde al grado de apertura de la válvula. Cuando la válvula se encuentra en el

ángulo de apertura mínima el sistema transfiere la máxima cantidad de energía del

producto al intercambiador y de una manera casi lineal dicha transferencia se reduce

al aumentar el ángulo de apertura. De esta manera y a través de una función lineal se

puede parametrizar la salida del controlador y obtener una ecuación. Esta ecuación se

describe en la siguiente gráfica.

63

Al realizar medidas sobre el sistema real se obtiene una respuesta similar a la

encontrada en la simulación, como se puede ver en la siguiente gráfica.

EFECTOS DE LA NO LINEALIDAD DE LA VALVULA

Como se puede observar el comportamiento de la válvula entre los ángulos

comprendidos entre 70 y 100° presenta una no linealidad. Este comportamiento afecta

en cierta medida algunos rangos de temperatura de trabajo del controlador,

otorgándole ciertas oscilaciones y sobre impulsos. Como se puede ver en la siguiente

gráfica, cuando la válvula se ve obligada a efectuar un cambio a través de su zona no

lineal se presentan algunos tiempos muertos y además un sobreimpulso desmesurado,

afectando directamente la respuesta del sistema.

y = 136,36x + 50,455

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-0,1 -0,05 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35

Linealización Controlador PI - Válvula

64

3. RESULTADOS

El desarrollo de este proyecto se ha ido describiendo de manera gradual, desde el

capítulo de cambios estructurales, luego el detalle de la metodología aplicada y el

modelamiento experimental del sistema. Por ello esta sección hace énfasis en la

reacción del producto después que ha transitado por el sistema de refrigeración, el tipo

de producto utilizado y pasteurización empleada.

En primera instancia se menciona algunos conceptos relevantes para comprender cuál

es la finalidad del sistema de refrigeración y que tipo de proceso se lleva a cabo.

3.1. Pasteurización

La pasteurización es el proceso térmico que se aplica a líquidos (generalmente

alimentos) con el objeto de reducir los agentes patógenos que puedan contener

(bacterias, protozoos, mohos y levaduras,…). Uno de los objetivos de este tratamiento

térmico es la esterilización parcial de los alimentos líquidos, alterando lo menos posible

su estructura física, sus componentes químicos y sus propiedades organolépticas

(sabor, olor, textura, color, temperatura,…) [18].

3.1.1. Proceso HTST (High Temperature Short Time) – por Lotes

Exposición del líquido de proceso a una temperatura alta durante un período breve,

aproximadamente 72 °C durante 15 segundos, tiempo cercano a la estabilización del

sistema de control con realimentación (lazo cerrado). El proceso por lotes es una

porción de líquido que se calienta en un recipiente a la temperatura determinada,

limitado por la capacidad del tanque de proceso (17L), que luego es llevada a la etapa

65

de refrigeración para disminuir súbitamente la temperatura (~4). Es un método

ideado para los pequeños productores debido a que es un proceso sencillo [18].

Aunque la temperatura de salida del producto es ~4, ésta puede ser seleccionada

por el usuario en el HMI, otorgando un rango amplio en la salida, cumpliendo el objetivo

de que sea didáctica cuando sea manipulada.

3.2. Pruebas realizadas

El sistema es de tipo hidráulico, es una composición de tuberías y mangueras que

previamente es purgado o vaciado (de forma manual o usando un compresor sin

exceder los 20 PSI) dejando la mínima cantidad posible de líquido de proceso en la

máquina. Luego se conecta la manguera de ingreso de líquido, ajustando y verificando

este procedimiento.

En primera instancia, como se refirió en la sección de la WEB HMI, se ubican y

reconocen los botones e indicadores necesarios para el proceso.

Desde el primer momento que es energizada la Estación de Refrigeración, se ejecuta

la WEB HMI para prender la unidad de refrigeración (nevera), se realiza un

seguimiento periódico a la temperatura del refrigerante, que por defecto se encuentra

a temperatura ambiente, por un tiempo que oscila entre 120 y 140 minutos. Cuando la

temperatura del refrigerante está por debajo de los 0, se supervisa minuciosamente

el sistema hasta que llega a −5, en esta fase del proceso hay dos opciones:

Comenzar la pasteurización del producto y dejar encendida la unidad de

refrigeración, o…

Apagar la nevera, ya que si el líquido refrigerante es ≤ −6, el aire contenido

en el intercambiador de calor se solidifica (sublimación inversa), y se debe

esperar un tiempo cercano de una hora para que desaparezca parcialmente la

obstrucción en el sistema y se deba, nuevamente, purgar la máquina como se

citó inicialmente.

El tiempo de espera para que se reestablezca la estación es extenso porque

una de las propiedades del refrigerante es retener lo máximo posible la energía

que ha recibido por la unidad de refrigeración.

Se es cuidadoso con el proceso, no hay necesidad de volver al principio y se continuó

con la siguiente fase que es poner en marcha el dispositivo de enfriamiento.

Previamente fue acondicionado un tanque con una bomba centrífuga (características

semejantes a las requeridas por la planta en general) de aspecto artesanal, fue llenado

con 15L de agua y se calentó con una resistencia de inmersión hasta llegar a una

temperatura entre los 65 − 70.

66

Enseguida se seleccionó la temperatura de salida del producto, 4 para el proceso.

Luego de fijar el ‘set point’ la servo-válvula automáticamente realizó un desplazamiento

angular para permitir un caudal mínimo, se encendió la bomba para impulsar el líquido

de proceso, luego se verificó la temperatura de entrada, la cual ha bajado un poco,

después se revisó el flujo volumétrico del producto que es relativamente bajo, y en ese

instante que el líquido ha pasado por todo el sistema ha sufrido un choque térmico con

una temperatura inferior a la fijada < 4, la válvula proporcional estranguló más el

caudal (respondiendo al control implementado), aumentó paulatinamente la

temperatura y por último la estabilizó al cabo de 15𝑠 − 20𝑠.

En esta fase el sistema ha perdido la energía suministrada, y fue necesario purgar la

máquina y seguir nuevamente los pasos anteriormente descritos para disponer

nuevamente de la Estación de Refrigeración.

Posteriormente se realizaron pruebas con una temperatura de salida más alta, como

respuesta se obtuvo una estabilización más rápida, menor pérdida de energía

suministrada y flujo volumétrico mayor del producto.

Finalmente, como anotación importante, la WEB HMI funciona con una licencia de

prueba ‘Enterprise (Trial)’, eso quiere decir que es necesario reiniciar el sistema

embebido PLC (Raspberry Pi 2) al cabo de dos horas para seguir con el proceso de

refrigeración.

3.3. Análisis de resultados

El sistema de control implementado (proporcional-integral) ha otorgado al sistema un

tiempo de estabilización de la salida relativamente bajo a pesar de que los resultados

de las pruebas se ven afectados por un sobre-impulso, la razón se basa en que los

sistemas térmicos poseen una respuesta lenta.

La licencia de prueba de la WEB HMI tiene un tiempo al término de dos horas, es una

limitante para el proyecto porque es necesario detener el procedimiento que se está

ejecutando para reiniciar el PLC. No obstante está la versión ‘Home’ que cuesta

USD$99 o la ‘Enterprise’ USD$999, según el fabricante (Resologis).

El líquido refrigerante tiene unas propiedades que permiten suministrarle energía por

debajo de 0 sin cambiar de estado, permitiendo que el sistema estuviera en la

capacidad de bajar la temperatura del líquido de proceso a 4, la cual es una magnitud

díficil de lograr dado el tiempo total que requiere el proceso y la estructura sobre la que

está montado.

Tener la alternativa de fijar una temperatura deseada por el usuario, en un rango

limitado, hacen que el sistema sea dinámico en su respuesta.

67

4. CONCLUSIONES

El acoplamiento del evaporador de la unidad de refrigeración junto con el

intercambiador de calor, actuando como agente conductor el refrigerante, produjo una

eficiencia sobresaliente del proceso ya que la transferencia térmica es la más directa

posible y de pocas pérdidas al estar en un comportamiento cerrado. La transferencia

al producto se lleva a cabo en unos 20 segundos aproximadamente.

68

La servo-válvula tuvo un buen desempeño en las pruebas realizadas a pesar de

haberse fabricado con un bajo presupuesto, su precisión es dependiente de los

ángulos que puede ajustar el servo motor y esto está en el orden de 5 grados de

precisión, su estética no es la mejore pero no fue condicionante para ejecutar una

función primordial para el proceso.

La instalación de termopozos en la composición de tuberías, también fueron

construidos por iniciativa propia, se obtuvieron buenos resultados para el sistema

porque su linealización fue sencilla de hacer, tienen un rango de trabajo ideal para los

procesos de refrigeración y son de bajo costo, ya que pueden trabajar desde -40°C

hasta 80 °C.

El intercambiador de cobre fue una buena elección dadas sus características de:

conductividad térmica: el líquido de proceso recibía mayor cantidad de energía que su

antecesor (de Aluminio), longitud y área transversal: el líquido dura más tiempo

circulando a través de él, ya que tiene una longitud de 5 m (casi el doble que el de

aluminio) y su geometría de círculos concéntricos ayudo a reconocer más fácilmente

su área transversal para poder realizar cálculos más sencillos.

Eliminar la realimentación de líquido refrigerante fue una de las modificaciones más

importantes del proyecto ya que con este cambio se logró mejorar el tiempo en que el

sistema llegaba a su punto de trabajo, se pasó de 10 horas para llegar a 1°C a

solamente 3 horas.

La decisión de implementar un Sistema embebido PLC para la estación fue por su bajo

costo, su programación intuitiva, posee protocolos de comunicación industrial

(MODBUS), además de que cumple con los paradigmas de un Controlador Lógico

Programable de gama baja. Es un buen ejemplo y comienzo para que los estudiantes

de Ingeniería puedan aplicarlo y sacarle provecho, además con la configuración

eléctrica que se implementó el sistema permite realizar prácticas utilizando un PLC

externo sin que interfiera con el que tiene el sistema, esto permite al estudiante tener

muchas más opciones de trabajo.

Al ser un sistema de temperatura, el sistema tiene un comportamiento lento lo que

permitió que en el sistema de control se despreciara el tiempo derivativo, ya que el

sistema no sufre cambios abruptos de temperatura.

5. BIBLIOGRAFÍA

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tipo túnel, Bucaramanga: Universidad Autonoma de Bucaramanga, 2012, pp. 81-88.

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time pasteurization systems -1,» Empirical model development, pp. 1-15, 1990.

69

[3] R. &. B. S. T. Octaviana, «Temperature Control of Liquid Egg Pasteurization System Using PLC

(Programmable Logic Controller) Siemens Simatic S7-200 and HMI (Human Machine Interface)

Simatic HMI Panel.,» Electric Power, Electronics, Comunications, Controls, and Informatics

Seminar, pp. 99-104, 2014.

[4] G. M. &. L. D. R. Chamorro, «Diseño de un banco de pruebas para el control de temperatura y

flujo,» El hombre de la máquina, pp. 130-145, 2008.

[5] C. G. &. V. M. J. Monroy, «Diseño y construcción de un control de temperatura para el fluído del

banco de pruebas para bombas hidráulicas de desplazamiento positivo,» Scientia Et Technica,

pp. 93-98, 2009.

[6] M. M. &. J. R. L. Enriquez, Comparación de Observadores por modos deslizantes de 1er y 2do

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[7] R. K. &. L. Waghmare, «Research and Application of new Dynamic Matrix control based on state

feedback theory for Heat exchanger control.,» ICETET, pp. 1031-1036, 2009.

[8] H. M. Fredy Rivera, Artist, Tesis de Grado en mención. [Art]. Universidad Distrital "Francisco José

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[9] C. M. J. E. F. R. J. C. C. G. Álvaro Pulido, «ETAPA DE REFRIGERACIÓN DE LA PLANTA

PASTEURIZADORA - INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS DOS,» Universidad Distrital "Francisco

José de Caldas", Facultad Tecnológica, 2015.

[10] C. d. l. Refrigeración, «http://www.clubedarefrigeracao.com.br/es/,» 2013. [En línea]. Available:

http://www.clubedarefrigeracao.com.br/es/downloads/comprendiendo-el-concepto-de-

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[11] E. c. d. l. Refrigeración, «Club de la Refrigeración,» 2013. [En línea]. Available:

http://www.clubedarefrigeracao.com.br/es/downloads/evaporador-donde-el-fluido-

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[12] I. C. y. M. Ambiente, «http://www.miliarium.com/,» 2001-2008. [En línea]. Available:

http://www.miliarium.com/Prontuario/Tablas/Quimica/PropiedadesTermicas.asp. [Último

acceso: 02 09 2016].

[13] Resologis, «http://www.resologis.com/,» [En línea]. Available: http://www.ipc.resologis.com/.

[Último acceso: 25 09 2016].

[14] G. Theory, «https://geekytheory.com/,» [En línea]. Available: https://geekytheory.com/que-es-

mqtt/. [Último acceso: 27 09 2016].

[15] Vistronica, «https://www.vistronica.com/,» 24 09 2016. [En línea]. Available:

https://www.vistronica.com/sensores/termistor-ntc-de-10k-detail.html.

70

[16] S. S. a. Reviews, «http://www.servodatabase.com,» 24 08 2016. [En línea]. Available:

http://www.servodatabase.com/servo/towerpro/sg-5010.

[17] I. y. d. electrónico, «Electronilab,» [En línea]. Available: http://electronilab.co/tienda/sensor-de-

flujo-de-agua-g12-1-30lmin/. [Último acceso: 11 2016].

[18] E. y. l. d. C. S.A.S., «Equipo y laboratorio de Colombia,» 2011-2015. [En línea]. Available:

http://www.equiposylaboratorio.com/sitio/contenidos_mo.php?it=2926. [Último acceso: 23 09

2016].

[19] I. Hub, «http://www.iot-hub.org/p/welcome-page.html,» 2015. [En línea]. Available:

http://www.iot-hub.org/2015/09/mqtt-with-mosquitto-beginners-tutorial.html. [Último acceso:

26 09 2016].

6. ANEXOS

Guía de Laboratorio Planta de Refrigeración

1. Características Generales

1.1 Elementos Utilizados

71

- Interruptor Termo magnético monofásico

- PLC Embebido

- Switch Ethernet

- Chiller

- Servo-Válvula

- Sensores de temperatura NTC

- Relé Electro-Mecánico

- Fuente de alimentación 24V

- Fuente de alimentación 5V

- Tablero de prácticas externas

1.2 DESCRIPCIÓN DE ELEMENTOS

1.2.1 INTERRUPTOR TERMOMAGNETICO

Dispositivo interruptor que se dispara al superar una corriente de 10 A, permite el paso

de energía eléctrica a toda la planta de refrigeración.

1.2.3 PLC EMBEBIDO

Dispositivo de control y automatización basado en un microcomputador Raspberry Pi

2. Tiene acceso a todos los sensores y actuadores del sistema (con sus

correspondientes acoplamientos) por medio de comunicación modbus TCP/IP. Utiliza

un bloque PID programable que permite la apertura y cierre de la servo-válvula cuyo

objetivo es cambiar la temperatura de transferencia del producto hacia el chiller.

1.2.4 SWITCH ETHERNET

Dispositivo que permite el enlace entre dispositivos (HMI, PLC, etc.) por medio de

Ethernet. Tiene capacidad para conectar 5 dispositivos.

1.2.5 CHILLER

Sistema de refrigeración que permite reducir la temperatura de un fluido. Está

compuesto por los siguientes dispositivos: compresor, evaporador, intercambiador y

depósito de refrigerante. El compresor es activado mediante un relé electromecánico

de 24 V DC, este compresor se encarga de llevar el líquido refrigerante hacia el

evaporador y desplazar la energía calórica del refrigerante de proceso. Por el

72

intercambiador se hace pasar un líquido el cual entrega su calor al refrigerante del

depósito.

1.2.6 SERVO-VALVULA

Es un dispositivo compuesto por una válvula de bola y un servomotor, puede ser

accionado por medio de una señal PWM generada por el PLC embebido. Esta servo-

válvula permite el paso del líquido que se pretende enfriar hacia el intercambiador y

permite ajustar el flujo que pasa por el mismo, cambiando indirectamente la

temperatura de transferencia.

1.2.7 SENSOR DE TEMPERATURA NTC

Un sensor resistivo NTC (coeficiente de temperatura negativo) es un tipo de termistor

cuyo coeficiente de temperatura es de valor elevado, permitiendo cambios muy

elevados de resistencia en intervalos relativamente pequeños de temperatura. Se

encuentran repartidos en termo pozos dentro de las tuberías y del tanque de

refrigerante. Están disponibles para ser utilizados con el PLC embebido o por un

sistema externo con salida de voltaje de 0v a 10v.

1.2.8 RELE ELECTRO-MECANICO

Dispositivo que permite controlar el encendido y apagado de un sistema monofásico

por medio de una excitación de voltaje de corriente directa de 24V. En la planta

funciona como un actuador para el compresor del chiller.

1.2.9 FUENTES DE ALIMENTACION DE 24V Y 5V

Son fuentes conmutadas que proveen a los diferentes dispositivos de tensiones de

24V y 5 V, cada una con una carga nominal de 2 A.

1.2.10 TABLERO DE PRACTICAS EXTERNAS

Está compuesto por conectores para de tipo banana, el cual permite realizar prácticas

utilizando dispositivos de control externos a la planta (PLC’S, relés, transmisores, etc.).

1.3 ADVERTENCIAS Y PRECAUCIONES

1.3.1 Siga paso a paso las instrucciones que se indican en las prácticas

1.3.2 No manipule los equipos de una forma inadecuada o diferente a la descrita en

esta guía.

1.3.3 En caso de fallos o errores no intente repararlo, informe lo sucedido al docente

o al encargado de laboratorio.

73

1.3.4 Mantenga este equipo lejos de lugares con altas concentraciones de humedad

para evitar cortos e incendios.

1.3.5 Coloque el sistema en una superficie plana y sin inclinaciones.

1.3.6 Verifique que el cable de conexión se encuentra en buen estado antes de

conectar el sistema.

1.3.7 Verifique que la válvula de desagüe (ubicada en la parte inferior) se encuentre

libre de obstáculos y totalmente cerrada.

1.3.8 Verifique que el sistema se encuentra cargado con líquido refrigerante antes de

empezar la práctica.

1.4 ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO PLANTA DE REFRIGERACION

1.5 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA DE REFRIGERACION

El sistema de enfriamiento utiliza un compresor que desplaza un gas refrigerante hacia

un evaporador, este evaporador disminuye la temperatura del líquido refrigerante en

el cual está sumergido el intercambiador de calor, al desplazar un líquido a través del

intercambiador este entrega su calor al líquido refrigerante causando que el líquido se

enfrié. Tanto la tubería como el líquido refrigerante tienen dispuestos termistores

conectados a un transmisor de 0v a 10v. Un selector ubicado en el tablero externo de

NEVERA

COMPRESOR EVAPORADOR Relé INTERCAMBIADOR Termistores

NTC

Transmisor

de

temperatura

PLC EMBEBIDO SERVO-VALVULA

SELECTOR

TABLERO EXTERNO

HMI

74

prácticas permite elegir el direccionamiento de los sensores y del relé de activación

del compresor. Al seleccionar el modo de PLC, este interconecta los sensores con el

PLC Embebido y permite visualizar los valores de temperatura y apertura de la servo-

válvula en una web HMI. Al elegir el modo externo se deberá conectar otro dispositivo

ajeno a la planta para realizar prácticas.

1.6 PRACTICA DE LABORATORIO #1

1.6.1 Prueba de enfriamiento del refrigerante

Para poder llevar a cabo el proceso, primero se debe llevar el líquido refrigerante

dentro del contenedor de la nevera a una temperatura óptima, gracias a un termistor

ubicado al interior del contenedor se puede verificar y controlar la temperatura que

deseemos. Para llevar a cabo este proceso es necesario conocer el comportamiento

tanto del termistor como el de la nevera. En la industria es indispensable conocer las

curvas características de los sensores que se están utilizando en la planta, para

conocer el comportamiento de la misma y poder ejecutar acciones de control

pertinentes.

Módulos Requeridos

- Fuente de alimentación de 24V

- Tablero de prácticas externas

- Termistor NTC

- Relé de accionamiento del compresor

PROCEDIMIENTO

1. Ubicar la planta en un lugar completamente plano y en un lugar con suficiente

espacio al lado de un tomacorriente.

2. Verificar que el tomacorriente este habilitado

3. Conecte el cable de poder de la planta al tomacorriente

4. Antes de encender verifique que los interruptores del tablero de prácticas se

encuentren en modo externo.

75

5. Encienda la planta utilizando el interruptor termo-magnético ubicado en la parte

superior izquierda del tablero eléctrico.

6. Conecte el relé de accionamiento de la nevera utilizando una fuente de alimentación

de 24v conectado a la bornera correspondiente en el tablero de prácticas (tenga en

cuenta que este relé solo puede ser accionado con una tensión de 24V).

76

PRECAUCION: No aplique por ningún motivo una señal de alta frecuencia, puede

causar el mal funcionamiento del equipo incluso su avería. El compresor está protegido

contra señales oscilantes, si usted enciende y apaga el compresor en un lapso corto

de tiempo deberá esperar por lo menos 10 minutos para que el sistema de seguridad

le permita accionar de nuevo el compresor.

7. Con la ayuda de un multímetro mida la variación de voltaje presente en las borneras

del sensor de temperatura de refrigerante, realice esto cada 10 minutos a partir de la

primera medición.

8. Encuentre la resistencia correspondiente para el termistor utilizando la siguiente

ecuación:

𝑅𝑁𝑇𝐶 =5.1𝐾Ω

(10𝑉𝑉𝑀

− 1)

Donde Vm es el voltaje medido.

9. Utilizando la siguiente tabla encuentre una curva característica para el sensor e

indique la temperatura correspondiente a partir de la resistencia encontrada en el punto

anterior.

77

9. Consigne los datos obtenidos en la siguiente tabla:

TIEMPO VOLTAJE RESISTENCIA TEMPERATURA

0 MINUTOS

10 MINUTOS

20 MINUTOS

30 MINUTOS

40 MINUTOS

50 MINUTOS

60 MINUTOS

70 MINUTOS

80 MINUTOS

90 MINUTOS

100 MINUTOS

110 MINUTOS

120 MINUTOS

10. Escriba tres conclusiones de la práctica.

78


1.7.1 Comprobación de la planta de refrigeración en lazo abierto

Para poder determinar el control más apropiado para la planta, primero se debe

conocer su respuesta temporal en lazo abierto. Esta respuesta puede ser encontrada

de muchas maneras y una de ellas es de forma experimental. El objetivo de esta

práctica será encontrar dicha respuesta utilizando una señal paso para excitar al

sistema, obtener la curva de reacción del sistema y por métodos matemáticos

encontrar la función de transferencia del sistema.

Equipos Requeridos

- Terminal Windows con ACP Resologis y navegador web instalados.

- Fuente de alimentación de 24V.

- Tablero de prácticas.

- Termistores NTC.

- Relé de accionamiento del compresor.

- PLC embebido.

- Switch Ethernet.

- Patch Cord Ethernet.

- Líquido de pruebas (agua).

PROCEDIMIENTO






encuentren en modo automático.

79



6. Conecte el patch-cord de la terminal al switch ubicado en el tablero eléctrico.

7. Verifique que el terminal que esté utilizando tenga una dirección IP fija (se

recomienda la de la imagen)

80

8. Se debe cargar un programa especial en la tarjeta, para llevar a cabo esto verifique

que las carpetas “practica_2” y “practica_3” se encuentren en el directorio

C://users/admin/documentos/ACP6.4

9. Abra el archivo practica_2 contenido en la carpeta “practica2” utilizando el programa

ACP 6.4 de Resologis. Presione el icono de descargar el programa y presione en si a

todo en la ventana emergente.

81

10. Ingrese a un navegador web y digite la dirección “192.168.0.2/view7” y aparecerá

la siguiente pantalla:

11. Presione el botón de “chiller” el cual encenderá el compresor de la nevera y lleve

el sistema a una temperatura de 1° centígrado, esta temperatura será indicada en

alguno de los 2 indicadores de la interfaz

82

12. Una vez llegado a la temperatura de control, ajuste el ángulo de apertura de la

servo-válvula en “170” utilizando el teclado de la aplicación, ingrese el número seguido

de la tecla ok. Esto llevara a la válvula a la apertura máxima.

13. Conecte el canal A de un osciloscopio al conector del sensor de salida de producto

ubicado en el tablero de prácticas, utilizando un cable banaba-caimán. (Ajuste la

escala de voltaje entre 2V y 5V por división, y la escala de tiempo entre 1s y 5s por

división).

14. Utilizando la bomba ubicada en la panta de dosificación (o bien una bomba externa

con su correspondiente acoplamiento) haga pasar agua a través del sistema y

compruebe la curva obtenida en el osciloscopio.

15. Se espera que el sistema se comporte como uno de segundo orden, el cual tiene

la siguiente ecuación característica:

𝐺(𝑠) =𝜔𝑛

2

𝑠2 + 2𝜁𝜔𝑛𝑠 + 𝜔𝑛2

Teniendo en cuenta la curva obtenida con el osciloscopio indique los siguientes datos

descriptivos:

a. Máximo sobre-impulso (Mp).

b. Tiempo de establecimiento (ts).

c. Ganancia (K).

d. Tiempo de máximo sobre-impulso (Tp)

16. A partir de los datos obtenidos en el punto anterior y utilizando algún criterio de

control encuentre la función de transferencia del sistema.

83



1.7.1 Control PID sobre la planta de refrigeración

Una vez obtenida la función de transferencia del sistema y conocer su comportamiento,

el siguiente paso a seguir es elegir la acción de control que mejor se ajuste al mismo.

En esta práctica se va a estudiar los controladores PID, gracias a la sencillez con que

pueden ser implementados en el PLC del sistema, además que son controladores muy

utilizados en la industria.

Equipos Requeridos

- Terminal Windows con ACP Resologis y navegador web instalados.

- Fuente de alimentación de 24V.

- Tablero de prácticas.

- Termistores NTC.

- Relé de accionamiento del compresor.

- PLC embebido.

- Switch Ethernet.

- Patch Cord Ethernet.

- Líquido de pruebas (agua).

PROCEDIMIENTO






encuentren en modo automático.

84



6. Conecte el patch-cord de la terminal al switch ubicado en el tablero eléctrico

7. Verifique que el terminal que esté utilizando tenga una dirección IP fija (se

recomienda la de la imagen)

85

8. Se debe cargar un programa especial en la tarjeta, para llevar a cabo esto verifique

que las carpetas “practica_2” y “practica_3” se encuentren en el directorio

C://users/admin/documentos/ACP6.4

9. Abra el archivo practica_3 contenido en la carpeta “practica3” utilizando el programa

ACP 6.4 de Resologis. Presione el icono de descargar programa y presione en si a

todo en la ventana emergente.

86

10. Ingrese a un navegador web y digite la dirección “192.168.0.2/view6” y aparecerá

la siguiente pantalla:

11. Presione el botón de “chiller” el cual encenderá el compresor de la nevera y lleve

el sistema a una temperatura de 1° centígrado, esta temperatura será indicada en

alguno de los 2 indicadores de la interfaz

12. Una vez llegado a la temperatura de control el sistema estará listo para recibir el

producto. Active los botones correspondientes al módulo PID para que este pueda

funcionar.

87

13. Puede utilizar el teclado numérico para ajustar el set point deseado, este valor

determina la temperatura en °C a la cual se quiere llevar el producto, dependiendo del

valor que se elija el controlador ajustara la servo-válvula reduciendo o prolongando el

tiempo que el producto pasa en el intercambiador (flujo). Se observara el diferencial

de temperatura entre la entrada y la salida de producto gracias a los indicadores

gráficos y numéricos de la interfaz.

88

14. Ajuste el set point entre valores de 4°C y 12°C de temperatura y realice tres

pruebas. Determine el tiempo en que la salida de producto llega a la temperatura

seleccionada y verifique los cambios de ángulo que presenta la servo-válvula (este

cambio también se puede ver en la interfaz), finalmente calcule el diferencial de

temperatura entre la entrada y la salida, así como su variación en el tiempo. Consigne

estos datos en una tabla.

NOTA: Si la temperatura de refrigerante asciende a 3°C detenga la prueba y vuelva a

enfriar el sistema a 1°C

15. En este momento el controlador está ajustado con los coeficientes óptimos para el

mejor funcionamiento (proporcional, integral y derivativo), para modificar estos valores

deben ser cambiados en el programa “practica 3” y ser descargado en el PLC de la

siguiente forma:

16. Realice una prueba más con los nuevos valores de ganancias y repita lo indicado

en el punto 14. ¿Qué diferencias hay?, ¿si se llega al valor de set point?


IMPLEMENTACIÓN DE UN CONTROLADOR PI SOBRE LA ETAPA …

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