U N I V E R S I D A D D E G U A D A L A J A R A 1/8 CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS EXACTAS E INGENIERIAS DIVISION DE INGENIERIAS

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1 U N V E R S D A D D E G U A D A L A J A R A 1/8 EQUPO EXPERMENTAL PARA CONTROL AUTOMATCO NDUSTRAL Berdugo Couoh Juan Carlos , Diaz Mora Roberto Alejandro Godinez De Anda Juan Miguel RESUMEN Como primera actividad para nuestro trabajo, emprendimos la búsqueda de un proyecto adecuado a los requisitos de la materia de Metodología y diseño de proyecto electromecánico ; para ello acudimos al Departamento de ngenieria de proyectos (DP) del Centro Universitario de Ciencias Exactas e ngenierías; en donde el Dr. Rubén Ruelas Lepe nos propuso la realización del Equipo Experimental para Control Automático ndustrial. Luego la planteamos a nuestro profesor de la materia para su aprobación mediante una carta donde el Dr. Ruelas nos solicita el diseño y la construcción del prototipo, financiado con recursos de la Universidad de Guadalajara. Después definimos los objetivos, requisitos y especificaciones con los que debe contener el equipo -de acuerdo con las peticiones del Dr. Ruelas; enseguida consignamos un estudio comparativo con los equipos ya existentes. Concluimos que no existía un equipo similar que cumpliera con los requisitos de funcionamiento de nuestro prototipo, y nos enfocamos a buscar la normatividad aplicable a nuestro proyecto. Con esas bases procedimos a la elaboración del diseño y cálculo del prototipo: Plasmamos, a manera de bosquejo, las primeras ideas de los sistemas que debe contener el prototipo; buscamos y localizamos la teoría en la que está sustentado el diseño y cálculo del prototipo; formulamos el cálculo de dichos sistemas, así como el diseño geométrico y especificaciones técnicas de los mismos; organizamos una lista maestra de las partes necesarias para la construcción y funcionamiento del equipo para ilustrar los dibujos técnicos; determinamos los costos para la posterior construcción del prototipo y, así, obtener las conclusiones para dar por terminada la redacción de la memoria técnica. Con la información contenida en la memoria técnica redactamos la petición del financiamiento que nos otorgó la Universidad de Guadalajara por mediación del Dr. Rubén Ruelas Lepe para la construcción del prototipo. Ya con el financiamiento compramos el material y las partes para la construcción del prototipo. El primer paso fue construir la estructura que va a contener las partes del equipo, que consistió en cortar los ángulos de aluminio que dan forma a la estructura, también se hicieron los cortes para las paredes de la estructura que están formadas por acrílico trasparente luego armamos la estructura y pegamos las paredes de acrílico; se hicieron las perforaciones correspondientes a los depósitos de vidrio para hacer la instalación de las mangueras y las mini bombas que tomaran parte en el sistema de control de nivel. Luego nos enfocamos a la elaboración del sistema de control de temperatura posteriormente el sistema de control de nivel; realizamos las pruebas necesarias para asegurar el buen funcionamiento de los sistemas antes diseñados y calculados. Una vez asegurado el funcionamiento del prototipo procedimos a la construcción del sistema eléctrico para la alimentación de los sistemas de nivel y temperatura.

2 U N V E R S D A D D E G U A D A L A J A R A 2/8 Con todos los sistemas funcionando satisfactoriamente, continuamos con la instalación de los mismos (censores, actuadores y controladores) en la estructura del prototipo para realizar las pruebas finales y dejar en óptimas condiciones el equipo para que cumpla con el funcionamiento para el que fue desarrollado. ANTECEDENTES Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de los diversos productos obtenidos. Los procesos son muy variados y abarcan muchos tipos de productos: la fabricación de los productos derivados del petróleo, y de los productos alimenticios; la industria cerámica, las centrales generadoras de energía, la siderurgia, los tratamientos térmicos, la industria papelera, la industria textil, etc. En todos estos procesos es absolutamente necesario controlar y mantener constantes algunas magnitudes, tales como la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, el ph, la conductividad, la velocidad, la humedad, etcétera. El sistema de control para estas magnitudes se puede definir como: un sistema que compara el valor de una variable a controlar con un valor deseado y cuando existe una desviación se efectúa una acción de corrección sin que exista intervención humana, a este tipo de sistema se le denomina lazo cerrado. El sistema de lazo abierto es en el cual no existe la retroalimentación y la regulación de las variables del proceso se hace de manera manual. Los sistemas de control industrial pueden ser operados como sistemas de lazo abierto o sistemas de lazo cerrado. En los inicios de la era industrial, el operario llevaba a cabo un control manual de estas variables y utilizaba sólo instrumentos simples como: manómetros, termómetros, válvulas manuales, etcétera; control que era suficiente por la relativa simplicidad de los procesos. En la década de los 60 s a los 80 s, los sistemas industriales de lazo abierto y lazo cerrado fueron controladores neumáticos, la mayoría de los controladores usaban amplificadores operacionales para proporcionar las funciones de control. Sin embargo, la gradual complejidad con que estos procesos se han ido desarrollando ha exigido una automatización progresiva por medio de los instrumentos de medición y control. En la década de los 80 s y 90 s se incorporaron los microprocesadores con los amplificadores operacionales para proporcionar un control digital; estos instrumentos han ido liberando al operario de su función de actuación física directa en la planta y, al mismo tiempo, le ha permitido una labor única de supervisión y de vigilancia del proceso desde centros de control situados en el propio proceso, o bien en salas aisladas separadas; asimismo, gracias a los instrumentos ha sido posible fabricar productos complejos en condiciones estables de calidad y de características, condiciones que al operario le serían imposibles o muy difíciles de conseguir, realizando exclusivamente un control manual. Es importante comprender que las partes básicas de cualquier sistema de control tendrán los mismos nombres y proporcionarán las mismas funciones en forma independiente que el controlador sea neumático, con amplificadores operacionales o en un sistema basado en microprocesadores. El sistema de control exige pues, para que la comparación y subsiguiente corrección sean posibles, que se incluya una unidad de medida, una unidad de control, un elemento final de control y el propio proceso. Este conjunto de unidades forma un bucle o lazo que recibe el nombre de bucle de control ; el bucle puede operar en lazo abierto o en lazo cerrado.

3 U N V E R S D A D D E G U A D A L A J A R A 3/8 Cálculo y diseño hidráulico.- Éstos comprenden el sistema de bombeo para el subsistema del Control de Nivel en el cual se utilizarán dos mini bombas, 3 depósitos de Vidrio: 5 litros y una válvula manual de aguja 1/4" ó 6.35 mm; manguera de 5/16" ó 7.93 mm de Diámetro. El sistema de Bombeo que interviene en el Control de Temperatura por una resistencia eléctrica de paso que calentara el agua que recirculará una mini bomba: en dicho subsistema intervienen una mini bomba, dos depósitos de vidrio: 5 litros ambos, tubería de cobre de 5/16" ó 7.93 mm de diámetro. Para el cálculo Hidráulico en el sistema del Control de nivel, es necesario ver la figura H1 para que puedan ir siguiendo y justificando nuestros cálculos que son los siguientes: Para llenar él deposito: DA= DA=22 V V Q = t = t Q m t = = min = 1min 37. 5seg m min Cálculo y diseño eléctrico.- En la realización del cálculo eléctrico del equipo, lo primero es ver la cantidad de corriente que demandará en prototipo. Para así poder calcular la potencia del prototipo y el calibre del conductor a utilizar. Cálculo de la corriente nominal del prototipo: = total instrumentos

4 U N V E R S D A D D E G U A D A L A J A R A 4/8 entonces la corriente total es: total total total = R1+ R2 + = 3.14 A A + 5A+ 1A+ 1A = A fuentecd + controladornivel + controladortemperatura tomando en cuenta que la corriente demandada por el prototipo es de A la potencia demandada por el equipo será la siguiente: P= Kw Para una corriente de A, el tipo del conductor es: Tipo THW (conductor con aislamiento de PVC resistente a la humedad y a la propagación de incendios) Tamaño Nominal = mm 2 ó 14 AWG Cálculo y diseño de instrumentación y control.- Dentro del cálculo del sistema de control del prototipo nos encontramos con los diagramas de bloque para seguir el control de temperatura y nivel.

5 U N V E R S D A D D E G U A D A L A J A R A 5/8 Los controladores reciben señales de los transductores de nivel y temperatura ( termopar y flotador respectivamente), para que a su vez activen los actuadores (mini bombas y resistencias eléctricas). El control de nivel, para su funcionamiento requiere de un transductor y de un actuador; el transductor consiste en un flotador que en si es una resistencia electrica de alambre variable con un rango de 0 a 260 ohms que va montada en el deposito del proceso para hacer las medicion de nivel; Luego entonces para cada valor de resistencia corresponde un valor en una escala de nivel, para que el controlador pueda interpretar esta medición en ohms del flotador es necesario un circuito que pueda convertir los valores de resistencia en valores de voltaje; esta conversion se hace mediante un puente de de wheatstone. Este puente es un instrumento que mide la resistencia con una precisión mucho mayor que la que puede obtenerse con un ohmimetro típico. La construcción básica requiere de una fuente de corriente directa a 5 Volts y 4 resistencias variables como se muestra en el diagrama; entre b y d circulan pequeñas cantidades de corriente. Cuando se ajustan los medidores patrón R1, R2 y R3, de modo que la corriente que circula entre los puntos b y d sea cero (condición nula), Rinc se podrá encontrar en términos de R1 R2 y R3. Se dice que el puente esta equilibrado cuando la corriente de b a d es igual a cero. La ecuación que relaciona R incógnita con los resistores conocidos para el puente equilibrado es la siguiente. Rinc = R2R3 R1 Conociendo el funcionamiento del puente de wheatstone, lo aplicamos para que el controlador pueda intrepetar la variación de voltaje o corriente que existe entre los puntos b y d del diagrama, siendo la resistencia incógnita nuestro transductor (flotador).una vez hecha la medición de nivel la señal del circuito del transductor se conecta a la terminal de entrada analógica del controlador para que nos de la lectura del nivel en el deposito; (Ajustando el rango calibrando los valores de las resistencias 1 2 y 3 del circuito del transductor); Esto para que el controlador pueda procesar la información, en base a esto y según se requiera nos mande la señal de respuesta para activar los

6 U N V E R S D A D D E G U A D A L A J A R A 6/8 actuadores (mini bombas) y llevar a cabo el proceso deseado. Para la activación de los actuadores, se requiere de un circuito para el encendido de los actuadores, esto es necesario debido que a las variaciones del proceso son de respuesta rápida por lo que no podemos hacer uso del relevador interno del controlador ya que se acortaría la vida útil de los platinos, por lo tanto tenemos la necesidad de hacer uso de otro método de activación para los actuadores; y esto consiste en hacer uso de la salida logica del controlador y desactivando el relevador interno; la salida logica alimentara un circuito de encendido para los actuadores o mini bombas, el circuito de se muestra en la figura: El circuito se divide en 2 partes, la primera en donde se alimenta al transistor (TP41C) con una resistencia variable que regularía el flujo de corriente que circula por el colector y el emisor del transistor; la segunda parte del circuito en la referente a la alimentacion de la mini bomba; al activarse el transistor se cierra el circuito y con esto activar la bomba, entonces lo que nos va a regular el flujo de corriente en la mini bomba dependera del ajunte de la resistencia que alimenta al transistor y por consiguiente regular la velocidad de la bomba. El Control de Temperatura, para que funcione necesita de un transductor y un actuador; en este caso el transductor será un termopar tipo K que en relación a la magnitud de la temperatura dentro del deposito del proceso convertirá la energía térmica en energía eléctrica para que el controlador pueda procesar esta información para que nos pueda mostrar el valor correspondiente de la temperatura en grados centígrados o grados kelvin según se requiera, y para esto se configura el controlador para determinar las unidades de medida para la temperatura. Una vez efectuada la medición de temperatura en él deposito del proceso, y según se requiera se procede a la activación de los actuadores en este caso son resistencias eléctricas para poder obtener el proceso de variación de temperatura. Para llevar a cabo el proceso hacemos uso de 2 sistemas independientes para variar la temperatura del proceso, a fin de comparar el comportamiento del proceso con ambos subsistemas. El diagrama de conexión es el siguiente: Debido a las especificaciones del relevador interno del controlador, que no deberá exceder los 5 amperes, a su vez las resistencias eléctricas generan un arco eléctrico al activarse; este fenómeno nos acorta la vida útil de los platinos del relevador interno del controlador ya que no esta diseñado para la potencia que requieren las resistencias, en consecuencia no se pueden utilizar de manera directa; por lo que se opto por usar el relevador interno para alimentar un relevador externo de doble contacto y de mayor

7 U N V E R S D A D D E G U A D A L A J A R A 7/8 capacidad de corriente, a fin de proteger el controlador. Los contactos ubicados en las entradas de nuestro relevador externo nos daran la posibilidad de elegir uno u otro subsistema. BOSQUEJO FOTOGRAFA

8 U N V E R S D A D D E G U A D A L A J A R A 8/8 RESULTADOS El sistema de control de temperatura funciona satisfactoriamente al activar las resistentencias y manteniendo la temperatura en el depósito dentro del rango de 30 a 60 C según se requiera. El sistema de control de nivel también funciona en forma satisfactoria de acuerdo con lo establecido en el diseño previo; acciona y regula la velocidad de las bombas manteniendo el nivel deseado dentro del depósito del proceso. Se comprobó la flexibilidad de las dimensiones del equipo en cuanto a la forma de transportarlo, y de acuerdo con lo establecido en los objetivos. El equipo logró un funcionamiento óptimo en términos generales de acuerdo con la simplicidad de las partes empleadas para su construcción, así como su adaptación al funcionamiento de los controladores. REFERENCAS BBLOGRÁFCAS Creus Antonio. nstrumentación ndustrial. Editorial Alfa Omega Marcombo. Enríquez Harper. El abc de la instrumentacion industrial en el control de procesos. Editorial: Limusa Noriega editores. G Hicks Tyler. Bombas su selección y aplicación. Editorial CECSA. Mataix Claudio. Mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas. 2ª edición. Ediciones del Castillo. Mcnaughton Kenneth. Bombas selección, uso y mantenimiento. Editorial Mc Graw hill. Mott Robert L. Mecánica de Fluidos aplicada. Editorial Prentice Hall. Niebbel Benjamin W. ngeniería industrial métodos, tiempos y movimientos. Editorial Alfa Omega. Kautman Milton y H, Seidman Arthur. Manual para ingenieros y técnicos en electrónica. Editorial. Mc Graw Hill. Grupo Condumex. Manual técnico de instalaciones eléctricas en baja tensión. Editorial. Grupo Condumex. Jensen. Dibujo y diseño en ingeniería. Editorial. Mc Graww Hill Robert L. Boylestad. Análisis introductorio de circuitos. Editorial Trillas. Paginas en internet: