Alternativa de Solución. Control y supervisión de un sistema mezclador mediante una red industrial

Transcripción

1 UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Alternativa de Solución Control y supervisión de un sistema mezclador mediante una red industrial Presentado por: Héctor León López ROL USM: Profesor guía: Sr. Manuel Olivares Salinas Fecha: 17/07/2015

2 INTRODUCCIÓN En el presente documento se presentan las diferentes alternativas de solución para el problema del mezclador de flujos independientes y de sus componentes, los que han sido previamente identificados y definidos en documentos anteriores. Como alternativas de solución se evalúan dos implementaciones generales las cuales a su vez tienen diferentes consideraciones técnicas las que se detallan posteriormente en el presente informe. Sin perjuicio de lo anterior existen equipos los cuales son detallados independientemente de la implementación a seleccionar ya que estos son equipos que se encuentran disponibles en laboratorio y su uso resulta transversal al proyecto, tal es el caso de los PLC o los medidores de flujo por ejemplo. Cabe recordar que el objetivo del proyecto desde el punto de vista del control consiste en mantener constante la proporción entre los caudales a pesar de las perturbaciones que puedan existir en el sistema. 1

3 ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN Como se menciona anteriormente, se evalúan dos metodologías de implementación para el proyecto, cada una difiere en mayor o menor medida de la otra en cuanto a los equipos necesarios para su ejecución y sobre en cuales equipos se efectúa el control principal de la tarea. La primera alternativa de solución corresponde a una implementación con sensores de flujo, actuadores inteligentes, válvulas neumáticas, bombas y PLC. A continuación se detalla en breves palabras el funcionamiento de esta alternativa de solución. El sistema consta de dos bombas ubicadas en la base de la estructura las cuales toman agua del estanque principal, el agua viaja a través de las tuberías hasta un punto en el que existe una bifurcación que dirige una salida hacia una llave manual, mientras la otra salida llega a una válvula neumática para posteriormente circular por un medidor de caudal encargado de enviar constantemente una señal al controlador sobre la medición que registra, finalmente el agua cae nuevamente al estanque para no perder agua durante el proceso. Al accionar la perturbación se tiene un efecto directo en el caudal de la salida donde está el sensor ya que las bombas entregan un caudal constante y ahora se tienen activas dos salidas de agua. Para mantener la relación constante entre los caudales el controlador al recibir la señal de variación del medidor de caudal en una de las salidas actúa sobre la válvula del otro extremo disminuyendo el flujo de agua por medio de una señal eléctrica que posteriormente es convertida en una señal neumática para así poder entregar la presión necesaria para mover la válvula hasta obtener el caudal deseado, por consecuencia manteniendo la proporción original. Por otra parte la segunda alternativa consta de bombas con motores trifásicos y variadores de frecuencia para la actuación en reemplazo de válvulas y actuadores, de esta manera la variación de caudal se efectúa aumentando o disminuyendo la velocidad del motor a través del PLC lo que conlleva mayor o menor caudal según sea requerido. El funcionamiento es en teoría similar al anterior, sólo que se tiene acción en solo una bomba. Al ser activada la perturbación en el extremo sin variador se produce una caída en el caudal de este lado, el medidor de flujo envía constantemente la señal al controlador y éste al detectar que ha bajado el caudal envía una señal hacia el variador de frecuencia del motor para que disminuya el caudal y así mantener la proporción. De igual manera si se activa la perturbación del extremo con variador se debe aumentar la velocidad del motor para mantener la proporción. Como se menciona anteriormente, existen equipos que se utilizan independiente de la alternativa seleccionada tales como el controlador lógico programable y los medidores de caudal. Para la primera alternativa se debe seleccionar en particular un actuador inteligente el cual sea compatible con las especificaciones de la válvula disponible y para la segunda implementación se deben estudiar bombas con motores trifásicos y variadores de frecuencia. 2

4 Equipos Independientes de la Implementación A continuación se detallan los equipos a utilizar independiente de la implementación a desarrollar. Los controladores son los encargados de recibir la información de los medidores de caudal, interpretar ésta y eventualmente realizar el control de proporciones, entregando la señal para que el actuador inteligente o el variador de frecuencia varíen el caudal. 1. Controlador Lógico Programable (PLC) Dentro del inventario existente en la universidad destacan dos controladores los cuales se encuentran disponibles para su uso inmediato, estos son el controlador Mitsubishi Serie Q y el controlador Mitsubishi Serie L Serie Q Tabla 1 Serie Q Elemento Q03UDECPU Q35B Q62P QD81DL96 QE81WH QX48Y57 Q64AD2DA Descripción Módulo Universal Q CPU con Ethernet. Base CPU con 5 slots I/O y 1 slot para power supply VAC input - 5 VDC 3 A, 24 VDC 0.6 A output. Módulo para registro de datos. Módulo para medición de energía. Módulo 8 DC In, 7 Outs. 4 entradas y 2 salidas análogas. De la Serie Q destaca la versatilidad, potencia y capacidad del controlador así como de los módulos disponibles, el poder anclar a la base todos los módulos le da una característica de implementación más ordenada. Imagen 1 PLC Serie Q 3

5 1.2. Serie L Tabla 2 Serie L Elemento L02CPU L61P LJ61BT11 LY10R2 L60AD4 L60DA4 Descripción L-Series CPU; 16 Inputs/8 Outputs; Ethernet; Data Logger AC input, 5V DV, 5A output Módulo CC-Link & RS232 Relay & transistor digital output modules. 16, 32 & 64 points A/D input module, 4 channels, , -10 to +10V, 0 to 20mA D/A output module, 4 channels, , -10 to +10V, 0 to 20mA Controlador donde destacan prestaciones sin la necesidad de diversos módulos externos, prestaciones algo más limitadas que la serie Q pero de todas formas lo suficientemente potente para realizar todo tipo de tareas. Imagen 2 PLC Serie L 4

6 2. Medidores de Caudal Los medidores de caudal son equipos encargados como su nombre lo explica de entregar la medición del caudal que circula por el sistema de tuberías. Existen diversos principios de medición los que dependen del tipo de fluido a medir, de las condiciones y otros parámetros. En el contexto del laboratorio se utiliza agua lo que representa dada sus características una ventaja en la búsqueda, es por esto que los puntos necesarios a considerar para la elección de los medidores de caudal son los tipos de comunicación, el diámetro de la tubería y el rango de medición. Este último es importante ya que si el rango es muy amplio el error de medición puede llegar a ser considerable dado el bajo caudal a utilizar en laboratorio. Por ejemplo, para un caudal de 80 metros cúbicos por hora con un error del 0.1% representa un error de medición de ± 0.8 [m³/h], lo que dependiendo de la lectura puede llegar a ser significativo. Habiendo realizado el estudio de numerosos medidores se consideran cinco alternativas ya que muchas contienen descripciones redundantes que sólo varían en la aplicación. Tabla 3 Tabla comparación Medidores de Caudal Modelos Diámetro Rango [m³/h] Error Comunicación DCI 3/8 a 1 0 a 9 ±0.5 % HART, Modbus E200 3/8 a 2 0 a 70 ±0.25 % HART, Profibus PA, Foundation Fieldbus 80P 3/8 a 2 0 a 70 ±0.15 % HART, Profibus PA 80S 3/8 a 2 0 a 70 ±0.15 % HART, Profibus PA 83F 3/8 a 2 0 a 70 ±0.1 % HART, Profibus PA/DP, Foundation Fieldbus, Modbus, Ethernet 83P 3/8 a 2 0 a 70 ±0.1 % HART, Profibus PA/DP, Foundation Fieldbus, Modbus, Ethernet 83S 3/8 a 2 0 a 70 ±0.1 % HART, Profibus PA/DP, Foundation Fieldbus, Modbus, Ethernet El estudio de estos equipos se realiza con la marca de Endress & Hauser, esto dada la promesa de una donación de equipos, sin embargo esto no descarta la opción de considerar otro tipo de marcas bajo cualquier eventualidad que pudieran ocurrir. Además se debe considerar el flujo que circula por estos equipos que viene dado por la potencia y características de las bombas a considerar, ya sea en el caso de utilizar las que se encuentran actualmente en laboratorio o los que se consideran como opción alternativa. 5

7 Equipos Dependiendo de la Implementación En este punto se tratan los equipos que dependen de la implementación a considerar. Como se menciona anteriormente la primera alternativa considera sensores de flujo, actuadores inteligentes, válvulas neumáticas, bombas con motores monofásicos y PLC. 1. Alternativa A Actualización de Elementos Actuales 1.1. Válvula Neumática Fisher Controls GS En laboratorio se encuentra actualmente disponible esta válvula, la tabla adjunta muestra información relevante de este equipo. Tabla 4 Info Válvula Elemento Tipo 513 PresiÓn de Control Presión máxima Carrera del vástago Descripción 2 vías, normalmente abierta 3-15 [psi] (diafragma) 50 [psi] (diafragma) 3/4[in], 19,1 [mm] 1.2. Actuador Inteligente En esta línea destacan la serie ND7000H, ND9000H, ND9000P y ND9000F. La serie 7000 resulta ser la más limitada en cuanto a protocolos de comunicación ya que solo es compatible con HART. Por otra parte la serie 9000 además de ser más completa en muchos aspectos tiene un modelo definido para cada uno de los principales protocolos, H para HART, P para Profibus y F para Foundation Fieldbus. Además de la comunicación la diferencia entre una serie 9000 y otra es mínima. Tanto en la serie 7000 como en la serie 9000 se encuentran variaciones dependiendo de la tarea que realiza o de las características físicas, como por ejemplo el material empleado en la protección del equipo. La tabla siguiente muestra las características de cada modelo en cuanto al material de la carcasa, de los puertos disponibles y del peso aproximado. 6

8 Tabla 5 Comparativa de Materiales Modelo Material Puertos Neumáticos Peso [Kg] ND9100 Aleación de aluminio anodizado y compuesto de G 1/4 1,8 ND7100 polímero ND9200 Aleación de aluminio anodizado y cristal templado 1/4 NPT 3,4 ND7200 ND9300 Caja completa de acero inoxidable 1/4 NPT 8,6 ND9400 Carcasa de acero inoxidable y cubierta de polímero 1/4 NPT 5, Bombas El laboratorio consta de dos bombas con motores monofásicos, la tabla a continuación muestra mayor información de estos equipos. Tabla 6 Características Bomba Elemento Motor Alimentación Potencia Motor Consumo Potencia Máx. Bombeo Levante Máx. Característica Monofásico 220 Vac, 50 [Hz] 0.37[kW], 2800 [rpm] 2.4 [A] 0,5 [HP] 36 [l/min] 30 [m] 7

9 2. Alternativa B Nueva Implementación de Solución Como se menciona en el presente documento la nueva implementación para el proyecto contempla la instalación de variadores de frecuencia y bombas trifásicas en desmedro de las válvulas y actuadores. En los siguientes puntos se presentan distintas alternativas para cada uno de los elementos necesarios Variadores de Frecuencia (VDF) Se dispone de dos tipos de variadores de frecuencia en laboratorio, a continuación se muestra en detalle características de cada uno de ellos. La elección del variador de frecuencia va ligada directamente con la correcta adquisición de la bomba ya que deben ser compatibles en potencia y en conexiones. Tabla 7 VDF Modelo Potencia(kW [HP]) Máx. Amp [A] Input Output FR-D NA 0.75 [1] Fases, V 3 Fases, V FR-D NA 3.7 [5] Fases, V 3 Fases, V FR-E SC-NA 0.75 [1] 5 3 Fases, V 3 Fases, V 2.2. Bombas Trifásicas Tabla 8 Bombas Nombre Caudal [m3/h] Potencia [kw] [HP] Victoria Plus 16 0,76 1 Victoria Plus 11 0,6 0,75 Victoria Plus 10 0,43 0,5 Vulcano 14,3 2 1 La elección de las bombas se acota básicamente a su característica trifásica, la potencia y la corriente, parámetros que como se menciona anteriormente deben ser compatibles con el VDF. 8

10 Alternativas de Control Considerando el tipo de proceso a controlar se debe llevar un control en lazo cerrado pues se necesita información de la salida para poder llevar a cabo un control preciso. Se describen alternativas de control considerando los equipos disponibles recordando que para un control en lazo cerrado se necesitan al menos un sensor, un control y una actuación. En ambas alternativas de solución se dispone de los elementos necesarios para ser llevado a cabo. 1. Control en Cascada Se utiliza cuando la variable a controlar no se puede mantener dentro de un rango por causa de las perturbaciones producidas en algún punto del proceso. 2. Control de Relación Sistema de control que controla una variable del proceso con relación a otras variables. Mientras que el control en cascada es un método que mejora la regulación de una variable, el control de relación controla la relación entre dos cantidades. 3. Control Anticipativo Método en el cual la señal de salida se compara con un valor deseado a la vez que la señal de error actúa sobre el controlador. 4. Control de Gama Partida En este método de control una variable manipulada tiene preferencia con relación a otra del proceso. 5. Control Selectivo (Over-ride Control) Se emplea para limitar la variable de proceso por arriba o por abajo con el objeto de evitar daños en el proceso o instrumentos. 6. Control PID Unión de un control Proporciona, donde existe una relación lineal entre el valor de la variable controlada y la salida, la acción Integral actúa cuando existe una desviación entre la variable y el set point, integrando dicha desviación en el tiempo la cual es sumada a la acción proporcional. Finalmente en la regulación Derivativa existe una relación lineal entre la velocidad de variación de la variable controlada y la posición del elemento final de control, es decir, cuando existe un cambio en el valor absoluto del error. Se descarta la utilización de control prealimentado pues no se cuenta con sensores en la perturbación que permitan anteponerse a su efecto. 9

11 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE CADA ALTERNATIVA Ya definida cada alternativa de solución se procede a la argumentación de las ventajas y desventajas de cada implementación estudiada. 1. Alternativa A a. Ventajas i. Reutilización de equipos disponibles, como las bombas y válvulas. ii. Actualización a componentes modernos. iii. Alternativa menos costosa que la alternativa B. iv. Sencilla implementación que implica un ahorro de tiempo y recursos. b. Desventajas i. Equipos como la válvula Fisher podrían eventualmente presentar fallos dada alguna incompatibilidad con los equipos, por el tiempo de uso o por fatiga de material dada la presión del agua. ii. Modernización a media escala, posible incompatibilidad de equipos de bajo nivel a mayores niveles. 2. Alternativa B a. Ventajas i. Eficiencia Energética: Mientras que en la alternativa A se bombea en todo momento siendo la válvula la que permite el paso del agua en la alternativa B son los motores los que entregan el caudal lo que evitaría presión innecesaria en las tuberías y menor consumo energético. ii. En la misma línea el variadores de frecuencia cuenta con un modo de ahorro energético el cual optimiza la corriente entregada a las bombas disminuyendo el consumo. iii. Acerca a los estudiantes a equipos como variadores de frecuencia, entregando conocimientos básicos sobre estos. b. Desventajas i. Contempla la compra de bombas trifásicas y su posterior traspaso a configuración Delta, en si no es una desventaja pero presenta un eventual riesgo de implementación. ii. Configuración de VDF que podría traer consigo problemas imprevistos que requiere mayores precauciones. 10

12 DEFINICIÓN DE CARACTERISTICAS DE COMPARACIÓN Con el objetivo de tomar la decisión correcta y poder seleccionar la mejor alternativa de solución entre las dos antes expuestas se deben definir ciertas características las cuales deben cumplir para poder realizar una comparación de manera objetiva. Así como se identifica anteriormente, la elección de controladores PLC como de medidores de caudal es independiente a la elección de alternativa de solución, cabe mencionar que esto no supone un riesgo de incompatibilidad pues los supuestos ya han sido considerados. 1. Características para PLC 1.1. Versatilidad y conexiones 1.2. Compatibilidad con los equipos de bajo nivel 1.3. Cantidad de entradas y salidas análogas para escalabilidad 1.4. Limitación de módulos a agregar 2. Características Medidores de Caudal 2.1. Error porcentual 2.2. Diámetro 2.3. Rango 2.4. Comunicación Para la elección de la alternativa de solución se deben considerar ponderaciones de manera transversal ya que los equipos a implementar no pueden ser comparados entre sí, porque lo que conceptos como escalabilidad, dificultad de implementación y costos entre otros deben ser factores preponderantes para la elección. Una vez ponderados y realizada la selección de alternativa se debe proceder a elegir, según sea el caso, los equipos correctos para su ejecución. A. Alternativa A a. Material de Construcción Actuador b. Conectividad Actuador B. Alternativa B a. Amperaje VDF b. HP máximo VDF c. Caudal Bomba d. Potencia Bomba e. HP Bomba 11

13 CONCLUSIONES En el presente documento se realiza el estudio de equipos y consideraciones necesarias para la implementación del proyecto. Se abarcan tópicos como conectividad, escalabilidad, costos, rangos, usos y riesgos para así dar con la elección que mejor satisfaga las necesidades del proyecto. A nivel de solución se especifican las características de cada alternativa así como se destacan las consideraciones en detalle de cada implementación y de las características de cada equipo a utilizar una vez realizada la elección. Lo anterior permite tomar decisiones con datos que son relevantes para así evitar posibles incompatibilidades que se pueden presentar una vez se cuenta con los equipos. 12

14 REFERENCIAS [1] Eugenio Vildósola C, Actuadores, [2] Susana Torres, SENSORES DE FLUJO, PRINCIPIOS DE MEDICIÓN, [3] Control de Procesos - pág. 338, cap Manejo de Perturbaciones - Roca [4] Instrumentación Industrial - pág. 485, cap. 9 - Regulación Automática - Creus [5] Filosofías de Control Rafael Guzmán [6] Manuel Olivares, Experiencia Mezclador, 13