Pag.6 2. La planta piloto 2.1 Descripción de la planta...pag. 7 2.2 Sensores y actuadores...pag. 11 2.3 Cuadro de control...pag. 12
Pag.7 2.1 Descripción de la planta A lo largo de los años la planta piloto ha ido evolucionando como consecuencia natural de los avances en algoritmos de control y de las necesidades de nuevos dispositivos. La descripción de los elementos que se hace a continuación se refiere a la situación de la planta durante la realización del presente proyecto. Fig. 2.1: Vista general de la planta. La planta piloto ha sido diseñada como instalación de ensayos de distintos procesos térmicos con el objetivo de ensayar diversas estructuras de control. Es una planta bastante versátil y permite distintas configuraciones según el proceso térmico que interese estudiar y controlar. El elemento focal de la planta es un depósito de trabajo equipado con una resistencia para calentar el agua que éste contenga. Este depósito tiene dos entradas de agua a distintas temperaturas así como una salida situada en su parte inferior. El depósito cuenta también con una camisa de refrigeración conectada a un intercambiador de calor. Como fuente y sumidero de agua para todos estos elementos se dispone de un tanque de agua situado en la parte inferior de la planta. A continuación se muestran estos elementos con algo más de detalle:
Pag.8 Intercambiador de calor Depósito de trabajo Bomba de recirculación Caudalímetro Sensor de temperatura Válvula automática Fig. 2.2: Vista posterior de la planta. Depósito de trabajo Este es el elemento focal de la planta. Su forma es de cilindro vertical de 20 cm de diámetro y aproximadamente un metro de altura, lo que le da una capacidad aproximada de 30 litros. El depósito posee una válvula de venteo que, cuando se encuentra abierta, mantiene la presión del depósito igual a la ambiental. Cuando la válvula está cerrada, la presión del depósito no debe superar los 5 bares. Además del
Pag.9 correspondiente sensor de nivel, el depósito cuenta con un tubo indicador que permite al usuario conocer el nivel de agua. Como ya se ha mencionado, el depósito contiene en su interior una resistencia interna de unos 60 cm de alto situada a lo largo de la parte inferior del depósito. La resistencia debe estar totalmente cubierta de agua para funcionar sin riesgo de fundirse. El depósito cuenta también con una camisa de refrigeración alimentada por el circuito de recirculación. En la parte superior del depósito se encuentran las tuberías de entrada de agua fría y caliente, así como la entrada de agua de recirculación a la camisa de refrigeración. Por su parte la tubería de salida del agua del interior, y la de la camisa de agua se sitúan en la parte inferior. El depósito cuenta también con un rebosadero provisto de una válvula manual que, cuando ésta se encuentra abierta, impide que el depósito se llene por encima de cierta altura máxima. Intercambiador de calor El intercambiador de calor es del tipo carcasa y tubo en U. El agua fría procedente del tanque de abastecimiento pasa por la carcasa absorbiendo el calor del agua procedente de la camisa de refrigeración del depósito, que circula por el tubo. El intercambiador está envuelto en material refractario para mantenerse aislado de la temperatura ambiental. Termo Grupo de presión Tanque de abastecimiento Fig. 2.3: Elementos de la zona inferior. Tanque de abastecimiento
Pag.10 Situado en la parte inferior de la planta, este tanque es la fuente y el sumidero de toda el agua que llega al interior del depósito y a la carcasa del intercambiador de calor. Junto con el grupo de presión, este tanque asegura un caudal y una presión mayores que los que se obtendrían con la red de abastecimiento. El uso del mismo tanque como sumidero permite reutilizar siempre la misma agua. En caso de fugas, será necesario será necesario su llenado a través de la tubería que lo conecta a la red de abastecimiento. Grupo de presión Este dispositivo es el encargado de sacar agua del tanque de abastecimiento y llevarla al intercambiador, al grupo caliente o a la tubería de agua fría. El sistema lo componen la bomba de alimentación, un presostato y un calderín. Mediante este dispositivo se garantiza que la presión de los circuitos de agua será de 4 bares. Termo (grupo caliente) El termo eléctrico se encuentra en la parte trasera de la planta, y es el encargado de proveer de agua caliente al depósito de trabajo. Está provisto de una resistencia de 12000 vatios de potencia nominal y su capacidad es de 400 litros, lo que le confiere una inercia alta al sistema de calentamiento de agua. La temperatura del agua se regula mediante un termostato tarado a 80ºC. El funcionamiento de este grupo no está regulado por el autómata, aunque éste cuenta con sensores para conocer la situación del termostato y de la resistencia. Grupo frío El grupo frío es un dispositivo externo a la planta ubicado junto al cuadro de control que mantiene la temperatura del tanque de abastecimiento en un valor determinado. Bomba de recirculación La electrobomba de recirculación es la encargada de mantener el caudal en el circuito de recirculación. La bomba no mantenerse en marcha si la válvula del mismo circuito está cerrada. Sistema de tuberías Las tuberías que conectan los distintos elementos de la planta tienen distintos colores para su identificación. De esta forma las tuberías de agua (fría) procedente del tanque de abastecimiento son azules, la de agua caliente es roja, la de salida del tanque es negra, y la del circuito de recirculación es verde. La tubería del rebosadero no está pintada, y su color es el del cobre.
Pag.11 2.2 Sensores y actuadores Entre los sensores de la planta se pueden destacar los transductores de temperatura y los caudalímetros. También hay un sensor de presión y otro de nivel en el depósito de trabajo. Se dispone de 4 caudalímetros colocados en las tuberías de entrada de agua fría y caliente en el depósito, de salida del depósito y de recirculación. Los correspondientes a las entradas y salidas de agua son de tipo eléctrico y están unidos a un sensor de presión diferencial de placa-orificio. El correspondiente al circuito de recirculación, por el contrario, es de tipo electromagnético. Esto le confiere una mayor precisión, y además hace innecesario el transductor de placa-orificio. La lista completa de sensores es la siguiente: TT1: Sensor de temperatura de agua caliente entrante en el depósito. TT2: Sensor de temperatura de agua fría entrante en el depósito. TT3: Sensor de temperatura de agua saliente del depósito. TT4: Sensor de temperatura de agua que vuelve al depósito por el circuito de recirculación. TT5: Sensor de temperatura del depósito. FT1: Caudalímetro de la tubería de agua caliente entrante en el depósito. FT2: Caudalímetro de la tubería de agua fría entrante en el depósito. FT3: Caudalímetro de la tubería de agua saliente del depósito. FT4: Caudalímetro del circuito de recirculación. LT1: Sensor de nivel de agua del depósito. 1 PT1: Sensor de presión del depósito. Termostato del grupo caliente. Señales de confirmación de las dos bombas. También se dispone de varias señales de alarma: Disparo de protecciones de la resistencia del depósito. Disparo de protecciones de la resistencia del grupo caliente. Disparo de protecciones de la bomba de alimentación. Disparo de protecciones de la bomba de recirculación. Disparo del interruptor magnetotérmico. Los principales actuadores del sistema son las válvulas. En la planta piloto hay 3 válvulas controladas por el autómata, siendo el resto de las válvulas manuales de pistón. Las válvulas manuales permiten escoger qué partes de la planta entrarán en funcionamiento y cuáles no, mientras que las válvulas automáticas permiten regular el caudal del conducto en el que se encuentran. Las válvulas automáticas se regulan mediante manómetros que detectan la presión ejercida sobre las mismas. La lista de válvulas de la planta es la siguiente: 1 Actualmente el sensor de nivel se encuentra desconectado. A pesar de ello, para la programación del autómata se ha supuesto que este sensor existe y se encuentra en funcionamiento. Mientras el sensor se encuentre desconectado, algunos algoritmos no funcionarán correctamente, pero aún será posible trabajar con la planta.
Pag.12 V1 (manual): Permite el paso de agua fría del tanque de abastecimiento al depósito y al intercambiador de calor. V2 (manual): Permite el paso de agua caliente del termo al depósito. En este proyecto se ha supuesto que siempre hay al menos una válvula abierta entre V1 y V2 V3 (manual): Cuando V1 está abierta, V3 permite o no el paso de agua fría a la carcasa del intercambiador de calor. V4 (automática): Regula el caudal de agua caliente que entra en el depósito. V5 (automática): Regula el caudal de agua fría que entra en el depósito. V6 (manual): Abre o cierra la salida de agua del depósito. V7 (manual): Permite o no el uso del rebosadero. V8 (automática): Regula el caudal de recirculación. V9 (manual): Cuando está cerrada, impide el uso del circuito de recirculación. En el presente proyecto, se ha supuesto que esta válvula siempre está abierta. Vv (manual): Válvula de venteo del depósito. Vs (manual): Válvula de seguridad ante subidas de presión. Se recomienda mantener siempre abiertas las válvulas V1, V2 y V9. 2.3 Cuadro de control Este armario contiene el cuadro eléctrico que alimenta al autómata y otros varios dispositivos y los conecta entre sí. Por seguridad el cuadro de control está derivado a tierra. Switch PLC Fuente de industrial alimentación ID0 IM0 IM1 IM2 Q0 Q1 RES0 RES1 Fig. 2.4: Cuadro de control.
Pag.13 En la esquina superior derecha del cuadro de mandos se encuentra la fuente de alimentación, que suministra 24 voltios de tensión continua y hasta un máximo de 240 vatios. A su izquierda se encuentra el bastidor del PLC. El autómata es un M340 Modicom de Shneider Electric. El PLC está formado por una CPU y una serie de tarjetas para entradas y salidas. El autómata se conecta con el PC por medio de un switch industrial que permite gestionar una pequeña red de computadores en paralelo. Al PLC se le asocia la dirección 84-3-54-82. A media altura en el cuadro de control se encuentran varios elementos para cortar la corriente en caso de emergencia: El primero de ellos (desde la izquierda) es un interruptor diferencial (ID0) que desconecta la instalación en caso de contacto con el usuario por falta de aislamiento. Su sensibilidad es de 0 3A. A continuación se encuentran los interruptores magnetotérmicos (IM0, IM1 e IM2), cuya misión es proteger diversos dispositivos de la planta ante cortocircuito. IM0 protege al grupo frío; IM1, la resistencia del depósito, e IM2 la del grupo caliente. Las resistencias también deben protegerse ante sobrecarga, para lo cual se utilizan dos relés de estado sólido. Estos dispositivos (RES0 y RES1) se encuentran en el lado derecho del cuadro de control, y desconectan las resistencias en caso de temperatura excesiva. Entre los interruptores magnetotérmicos y los relés antes citados, encontramos dos equipos integrados (Q0 y Q1). Estos equipos protegen respectivamente las bombas de recirculación y alimentación. Cada uno está compuesto por un contactor, un relé térmico y un interruptor magnetotérmico. El contactor permite conectar o desconectar (manualmente) la bomba, mientras que el relé térmico y el interruptor magnetotérmico protegen la bomba de sobrecarga o cortocircuito respectivamente. Bajo el interruptor diferencial y los magnetotérmicos se encuentran diversos regleteros que sirven para conectar diversos dispositivos a su tensión de alimentación. La fuente de alimentación y el autómata se conectan a tensión alterna de 220V, mientras que las tarjetas de entradas y salidas, las bombas y el switch industrial van a 24V en continua. En esta zona se encuentra también el regletero de derivación a tierra. Por último, en la parte inferior del cuadro de control se encuentran otros regleteros varios cuyos dispositivos complementan las señales de entrada y salida del autómata. Aquí podemos encontrar fusibles, protecciones para termopares o relés de interfase con aislamiento galvánico.