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Captulo 4: Desarrollo y Resultados del Plan de Trabajo

El presente captulo expone el desarrollo del proyecto que tiene como finalidad realizar el anlisis funcional para el proceso clarificacin, calentamiento de jugo y filtracin de cachaza; adems de crear la ingeniera de detalle, seleccin de componentes elctricos, seleccin de la instrumentacin, creacin de los planos DTI y

diagramas sama, creacin de los planos elctricos de control, planos de potencia de motores y finalmente elaborar la programacin del PLC CompactLogix,

correspondiente al diseo de la automatizacin del proceso de clarificacin de jugo de caa de azcar, mediante el uso del Clarificador SRI y los equipos que ayudan al acondicionamiento del jugo para obtener las condiciones requeridas.

Variables que afectan en el Proceso de Clarificacin de Jugo de Caa.

Consideraciones acerca del desempeo operacional de las estaciones de clarificacin y filtracin. El proceso de clarificacin del jugo de caa tiene como objetivos primordiales remover la mxima cantidad de impurezas disueltas y suspendidas en el jugo e incrementar su pH, con el fin de minimizar las prdidas en sacarosa en este proceso y en los posteriores. La efectividad de la clarificacin determina la filtrabilidad del jugo en las estaciones de filtros; la cual influye en las prdidas de sacarosa en cachaza. Cualquier partcula que permanezca en suspensin en el jugo clarificado puede causar incrustaciones en el cristal de azcar, de manera que el contenido de cenizas aumenta. La filtracin, por su parte, tiene dos funciones principales; la primera es la recuperacin de la mxima cantidad de jugo filtrado arrastrado por los lodos para asegurar que el contenido de sacarosa en cachaza sea el ms bajo posible; la segunda es la remocin del mayor porcentaje de material insoluble con la cachaza de forma que su presencia en el jugo filtrado sea mnima.

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A continuacin se presentan algunas consideraciones acerca del desempeo operacional de las estaciones de clarificacin y filtracin. Estacin de Clarificacin. Los factores que ms influyen en la eficiencia de clarificacin son la estabilidad en el jugo alcalizado que entra al clarificador, el pH del jugo y su temperatura, la correcta operacin del tanque de evaporacin instantnea o tanque flash y el tipo de floculante, su dosis y calidad. Tomando en

cuenta los parmetros de operacin mencionados se har una descripcin detallada de cmo afectan individualmente en la clarificacin del jugo mezclado. Control del Flujo. Un adecuado control del flujo mezclado garantiza en buena parte el control adecuado del pH y la temperatura del jugo. Alcalizacin del Jugo. El proceso de encalado de jugo tiene por objetivo mantener el valor de pH de jugo en el rango de (7.6 pH-8.2 pH). El jugo proveniente de los molinos es previamente pesado en la romana de jugo donde se descarga aproximadamente 900 Kg. de jugo hacia los tanques de encalado, este jugo posee aproximadamente un pH de 5.6 el cual se considera cido, por lo tanto se adiciona sacarato de calcio (Agua+Cal+Jugo) para regular el pH en el rango de (7.6 pH-8.2 pH) lo cual evita prdidas de sacarosa. Considerando que un pH muy elevado causa la formacin excesiva de sales clcicas, descomposicin de azcares reductores y

aumento de la coloracin, y que un pH muy bajo produce que se queme el azcar disminuyendo su calidad, tambin se obtiene que un control de pH en ptimas condiciones, facilita en el proceso de clarificacin separar las impurezas presentes en el jugo, est contiene una considerable cantidad de materia fina y coloidal en suspensin que debe eliminarse para conseguir azcares de alta pureza al final del proceso.

El sacarato de calcio es preparado en tanques de almacenamiento donde se realiza la mezcla de agua, cal y jugo de caa, esta mezcla es bombeada hacia los tanques de encalado a travs de bombas dosificadoras de velocidad variable, en estos tanques se mezclan el sacarato de calcio y el jugo proveniente de los molinos por medio de unas hlices agitadoras que permiten homogenizar la mezcla,

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posteriormente se bombea el jugo encalado hacia el siguiente proceso de calentamiento.

Control de Temperatura del Jugo y Evaporacin Instantnea. Es importante que la temperatura del jugo a la salida de los calentadores alcance valores entre 102C y 105C con el fin de asegurar la coagulacin de las protenas. Las variaciones en la temperatura del jugo producirn gradientes de temperatura en el clarificador, los cuales causan que los lodos, en lugar de sedimentarse, presenten tendencia a subir. El jugo, antes de alimentar el clarificador, va a un tanque denominado tanque flash; all dado que el jugo est a una temperatura mayor que la temperatura de ebullicin, a la presin atmosfrica se produce una evaporacin instantnea, para de esta forma eliminar los gases incondensables presentes en el jugo.

La eliminacin de los gases incondensables es indispensable pues el ascenso de gases, a travs de la masa de lquido dentro del Clarificador, creara una turbulencia que no permitira la sedimentacin de los flculos formados durante el proceso de purificacin.

A su vez antes de ingresar el jugo al tanque clarificador tambin es necesaria la adicin de floculantes que tienen como funciones incrementar la velocidad de sedimentacin, disminuir el volumen final de lodos mediante la produccin de lodos

ms compactos y contribuir en la reduccin de la turbiedad del jugo y en la filtrabilidad de los lodos.

Sobre los flculos, que se han formado en el proceso de clarificacin bsicamente por la reacciones entre los iones fosfato y de calcio, se aglomeran partculas finas suspendidas que incrementan su tamao y densidad. En el Clarificador los flculos sedimentan por gravedad saliendo por el fondo en forma de lodo, que se denomina Cachaza. Por la parte superior del Clarificador sale el jugo claro o clarificado; cuyo flujo, al igual que la del lodo que sale por debajo, se puede controlar mediante vlvulas manuales que operan en base al principio de vasos comunicantes. Lo anterior quiere decir que el operador del equipo puede ejercer un control para evitar o disminuir a un mnimo la salida de insolubles en el jugo claro.

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Estacin de Filtracin. Como el lodo sedimentado an contiene sacarosa, se mezcla con una pequea cantidad de bagacillo, que se obtiene de tamizar parte del bagazo producido en la molienda. Este bagacillo acta como medio filtrante y facilita la operacin de filtracin; que se realiza en equipos de tipo rotatorio al vaco en cuya superficie se forma una torta de cachaza. Esta torta puede ser posteriormente empleada como abono orgnico.

Modelo Matemtico de Clarificador de SRI, Segn la Hiptesis de Pflanz. La obtencin de ecuaciones del clarificador se basa en la hiptesis de Pflanz, citado en Gil, M. (1997): considera el Clarificador como dos zonas homogneas, una de clarificacin y otra de sedimentacin, de volmenes V1 y V2. Y que las corrientes de clarificacin y de lodos transitan por el clarificador con la misma dinmica, que en primera aproximacin se describen por un retardo puro, R1 y R2 respectivamente, tal como se muestra en la figura 8.

Figura 8. Diagrama de Flujo de Clarificador SRI

,

, ,

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Esta consiste en suponer que la concentracin de lodos separados del efluente, en estado de equilibrio, es proporcional al flujo de lodos que entran al clarificador.

AFK =

(1)

Realizando un balance de masas global en condiciones estticas:

+= FFF (2) Donde el superndice indica que el anlisis se realiza en condiciones

estticas, es la densidad del lodo, es la densidad del jugo claro, o es la densidad del jugo mezclado, F es el caudal de lodo, F caudal de jugo claro, Fo caudal de jugo mezclado, K es un factor de correlacin, A es el rea de la zona de clarificacin y para el caso es la misma rea de la zona de lodos, de aqu se obtiene la concentracin del lodo sedimentado:

( )

=

FAK

FF 1

(3)

De esta forma se logra obtener una medicin indirecta de la densidad de los lodos en funcin de los caudales de entrada de jugo mezclado, caudal de lodo y el caudal de jugo claro, sin embargo esta relacin plantea como limitante que el proceso se realice bajo condiciones estticas, por tanto es necesario plantear un modelo que permita describir el comportamiento de las variables del proceso en rgimen dinmico, para ello se realiza un balance de masas, y tomando las condiciones antes mencionadas, de tal modo que el volumen total del clarificador se supone como dos zonas homogneas, una es la zona de clarificacin de jugo (V1) y otra la zona de sedimentacin de lodos (V2), estas dos zonas son fracciones del volumen total, fraccin del caudal complementario que circula por cada parte en relacin al caudal

que llega al clarificador, corregido por un factor de correlacin , siendo H la altura del clarificador .

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FFHAV =1

(4)

12 VHAV = (5)

Ambas zonas con tiempo de retencin R1=V1/F y R2=V2/F, los cuales, representan los tiempos de residencia de las corrientes de clarificacin y sedimentacin en sus respectivos volmenes.

El flujo de materiales que entra y sale de un sistema delimitado, de acuerdo a la ley de la conservacin de la masa es (Acumulacin) = [(Entradas) (Salidas) + (Generacin o Consumo en el sistema)]; si no existe generacin ni consumo dentro del sistema. Por tanto se tiene obtiene, (Entra) (Sale) = (Acumulacin)

Balance de masas en la zona de lodos [Entra]=F(t-R1)dt; [Sale]=Fdt; [Acumulacin]=d(V2 ), luego planteando el balance de masas:

= FRtFdt

Vd )1()2( (6)

Luego aplicando propiedades de derivadas se obtendr:

dtdV

VRt

VF

dtd 2

2))1((

2=

(7)

Descripcin de los Lazos de Control.

Lazo de control densidad de lodo. Es relevante para la obtencin del producto final de calidad (Azcar Refinado), que el jugo tenga un nivel de turbiedad mxima 7.674 NTU/Bx. Es tambin importante condicionar la extraccin de sustancias insolubles que floculan por gravedad en el SRI, para ello se propone un lazo de control de densidad que permita al sistema controlar la retirada de lodo o cachaza, actuando sobre el caudal de ste.

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Sobre este propsito es conveniente implementar un transmisor de densidad, para crear un parmetro de control con relacin a la lectura de la densidad, de manera de controlar el caudal de la retirada del lodo por medio de una bomba de extraccin de lodos que a su vez es regulada por la accin del controlador de accin PI (Proporcional + Integral) el cual emite la seal de control de 4-20 mA dc, a un Variador de Frecuencia, que controla la velocidad de giro del motor trifsico de

induccin de la bomba para extraccin de lodo. El punto de consigna o set point que debe de la densidad de lodo, se obtiene

en referencia a la densidad aproximada de 1000 Kg/cm; densidad al cual se produce

el jugo claro, permitiendo ubicar el valor deseado en un rango 1000 Kg/cm a 1060

Kg/cm de modo que se evite en lo posible prdidas de sacarosa en el lodo.

Este transmisor debe ser instalado en la salida de lodo del clarificador cerca de la caja de lodo, permitiendo recoger muestras y, al mismo tiempo, hacer la lectura del sensor. La figura 9, muestra el diagrama de instrumentacin y tuberas de lazo de control de densidad.

Figura 9. Diagrama DTI de Lazo de Control de Densidad

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Adems de presentar el diagrama DTI tambin se aprecia en la figura 10, el diagrama SAMA; un esquema poco utilizado pero que orienta mejor en cuanto a la comprensin de la estrategia de control realimentado.

El lazo de control utiliza dos mdulos de entrada y salida analgicos que son la interfaz de la seal del transmisor de densidad y la accin de control del controlador PI sobre el variador de velocidad de la bomba de lodos.

Figura 10. Diagrama SAMA de Control de Densidad de Lodo.

Lazo de Control de Floculante. El jugo floculante ha sido desarrollado para aumentar el rendimiento y eficiencia de la estacin de clarificacin de jugo, esto significa que las tasas de sedimentacin son aumentadas considerablemente

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reduciendo as tiempos de retencin en la etapa de clarificacin. Por lo tanto el floculante es adecuado para su uso en clarificadores SRI. El resultado de esto es la de produccin de un azcar de mayor calidad. Obviamente, la correcta utilizacin depender de las condiciones en que se prepare el floculante y la cantidad que se requiera utilizar sea determinada por ensayos en el laboratorio, como es la prctica aceptada.

El floculante debe aadirse al jugo mezclado antes de la entrada en el clarificador. Los mejores resultados se logran permitiendo mezclar suavemente la solucin de floculante de dos a tres minutos, con la corriente del proceso antes de entrar en el clarificador, a travs de un mezclador de lnea.

La debida administracin debe tener una relacin entre 1 a 3 ppm en el peso del jugo. Para ello como se ilustra en la figura 11, se plantea usar un lazo de control a relacin que nos permita establecer el punto de control de tal manera de que el caudal de floculante y el caudal de jugo mezclado se mezclen en la proporcin correcta.

Figura 11. Diagrama DTI para el Control de caudal de floculante

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Como se observa, el circuito de control de la figura 12, bsicamente se encarga de medir el caudal del jugo mezclado a travs de un sensor-transmisor de flujo magntico marca Yokogawa, que en este caso ser el caudal incontrolable o flujo salvaje, y multiplicarlo por una constante que se determina por la relacin entre el caudal de floculante (FE1) y el caudal de jugo mezclado (FE2), expresado matemticamente por, R=FE1/FE2; para obtener el caudal de floculante deseado, que

ser utilizado como Set Point del controlador PI FC-100. Por otra parte la medicin del caudal del floculante permite obtener la variable de proceso (PV), que ser controlada por la accin la accin proporcional e integral a travs de una seal de 4 a 20 mA que regula la velocidad del motor de la bomba dosificadora del floculante.

Figura 12. Diagrama SAMA de lazo de Control de Floculante.

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Lazo de Control del Nivel en el Tanque Cachazon y Control en el Nivel de la Bandeja Receptora del Filtro Rotativo. Una vez que se consigue retirar el lodo con una densidad y consistencia regulada por el lazo de densidad, continua el proceso almacenando el lodo en el tanque receptor de cachaza denominado tanque cachazon, el lodo contenido en este tanque se mezclan agregndole bagazo que acta como medio filtrante y facilita la operacin de filtracin.

Por parte, para el operador muchas veces es inevitable ejercer control sobre el nivel de este tanque cachazon, por ello es conveniente plantear una estrategia de

control On-Off que evite el desbordamiento del lodo extrado. Como se puede apreciar, la figura 13, ilustra el diagrama DTI del control de

nivel del tanque cachazon; la entrada de sustancia viene dada por el ventilador de bagazo y por la bomba de lodos que ejerce su accin en el clarificador, pero no ha tenido ninguna accin de control tomando el nivel del tanque, por tanto es necesario introducir un dispositivo conmutable tipo flotador, para medir el nivel, cuando est por encima de 90 % del volumen total del tanque, activando una alarma emitida hacia el controlador PLC por alto nivel, ste a su vez se encargara de ejercer la acciones de control, deteniendo el motor del ventilador de bagazo y del mismo modo el variador de la bomba de lodos, de modo de evitar el desbordamiento del tanque de cachaza.

Una vez que el controlador determine que el nivel est por debajo del 90 % del volumen del tanque, y la situacin est totalmente normalizada, el PLC arrancar los motores de la bomba y del ventilador.

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Figura 13. Diagrama DTI para el Control del Nivel en el Tanque Cachazon

Lazo de control en la bandeja del filtro. Funcionamiento del filtro rotativo a vacio. En el Filtro de Tambor a Vaco el

lodo a filtrar llega de forma continua a la bandeja del filtro que proviene del clarificador SRI. Un agitador pendular en la misma bandeja impide la sedimentacin de los slidos que lleva en suspensin. El tambor que gira en la bandeja es el elemento filtrante; su superficie exterior est dividida en celdas recubiertas por una tela filtrante. De esta superficie una tercera parte est sumergida en la solucin a filtrar, adaptando su velocidad de rotacin a las caractersticas de la filtracin y el

producto. El vaco aplicado al filtro, creado por una bomba exterior, llega a las celdas a travs

de un cabezal de control y las tuberas consiguientes, dando lugar a la absorcin del lquido a travs de la tela filtrante depositndose el slido sobre la misma tela filtrante

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y como una capa uniforme. El cabezal de control automtico tiene por misin dividir el tambor en distintas secciones para que en su rotacin las celdas pasen sucesivamente por las zonas de filtracin, lavado y desecado de la torta de slidos producidos y su descarga.

Durante el proceso de filtracin se alimenta agua condensada a presin para realizar un lavado de la torta de cachaza y facilitar la extraccin de la sacarosa

presente. Se debe regular el trabajo de los filtros para obtener un POL (indica el contenido aparente de sacarosa en un producto azucarado) no mayor a 2.5 en la torta de cachaza a fin de minimizar las prdidas de azcar en el proceso de elaboracin.

La propuesta para la estrategia de control, viene dada por la condiciones de nivel de la bandeja, contenido de POL de cachaza, las prdidas de sacarosa en cachaza. Pero es conveniente hacer nota que el producto llega a la bandeja receptora del filtro de manera continua sin ejercer ningn tipo de control que regule el desbordamiento del filtro, esta situacin anloga con el tanque cachazon y la bomba que extrae los lodos del clarificador no toman en cuenta ninguna realimentacin que permita regular su caudal tomando en consideracin los volmenes de lodos

almacenado en el tanque de cachaza y la bandeja receptora del filtro. Para ello se propone un control de nivel tal como se ilustra en la figura 14, que

permita controlar la velocidad de giro del filtro a fin de mantener un nivel del 70 % del volumen total almacenado en la bandeja del filtro, dicho equipo como ya se ha mencionado tiene un movimiento rotativo, controlado por un motor trifsico con caja reductora, que es comandado a su vez por un variador de velocidad.

Para la automatizacin se debe implementar un transmisor de nivel por radar ultrasnico, debido que es adecuado para aplicaciones donde el medio a sensar es un medio fangoso y por tanto no es conveniente que se mantenga en contacto con ste por la alta frecuencia con que necesitara mantenimiento. El transmisor determina el

volumen de la bandeja del filtro en tiempo real, y enva una seal de 4 a 20 mA al modulo de entradas analgicas del PLC, que a travs del algoritmo de control PI

(Proporcional + Integral) calcular la salida de la seal de control (seal de 4-20 mA),

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ejerciendo la accin de control sobre el variador de velocidad que regular la rapidez del giro en el tambor del filtro rotativo, debido a que la velocidad de giro va a determinar qu tanta cantidad de lquido se extrae de la bandeja del filtro, proporcionando de esta forma que el nivel se conserve en el punto deseado o set point. Por otra parte el nivel se puede ver afectado por una perturbacin que depende de la cantidad el valor del caudal proveniente del tanque cachazon, este caudal

depender directamente del nivel que tenga el tanque cachazon debido a que la extraccin va estar relacionada con la altura del lquido en determinado instantes del

proceso, trayendo como consecuencia que se rebose el nivel de la bandeja del filtro. Para solucionar se propone en la programacin del PLC, que se bloquee el

paso de lquido con una vlvula de control On-Off, una vez que se capte un nivel superior al 80 % del volumen de la bandeja, hasta que disminuya el nivel por un valor inferior al 75% abriendo nuevamente la vlvula para continuar con el proceso.

Figura 14. Diagrama DTI para el Control de Nivel en la Bandeja Receptora de Filtro Rotativo de Vacio

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En el diagrama SAMA de la figura 15, se aprecia la estrategia de control que se requiere para implementar el lazo de control del nivel en el tanque cachazon y control en el nivel de la bandeja receptora del filtro rotativo, adems tambin por medio de la figura 16, se observar un diagrama de flujo que facilitar posteriormente la programacin del PLC.

Figura 15. Diagrama SAMA del Control en la Bandeja del Filtro y Tanque Cachazon

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Si

Cierto Falso

No

Si

Si

Cierto Falso

No

Figura 16. Diagrama de Flujo del Sistema para el Control de Nivel, en el Cachazon y Bandeja del Filtro.

Motor Ventilador de Bagazo - ON

Nivel del Cachazon >= 90%

Motor Ventilador de Bagazo - OFF

Motor Bomba de Lodos - ON

Motor Bomba de Lodos - OFF

Vlvula Del Cachazon al Filtro- Abierta

Nivel del Filtro >= 80%

Hacer Mientras Nivel >= 90%

Motor Ventilador de Bagazo - ON

Motor Bomba de Lodos - ON

Cerrar Vlvula Del Cachazon al Filtro

Motor Bomba de Lodos - OFF

Hacer Mientras Nivel >= 80%

Abrir Vlvula Del Cachazon al Filtro

Motor Bomba de Lodos - ON

Tiempo de Retardo = 120 Sg

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Propuesta para la instrumentacin del proyecto Clarificador tipo SRI.

La propuesta para la seleccin de la instrumentacin se bas en el estudio y en el anlisis operacional de cada lazo de control, as como tambin mediante las recomendaciones por parte de los ingenieros de fbrica y tcnicos instrumentistas. Por otra parte las requisiciones que debe hacer el departamento deben presentar la

informacin suficiente para la compra adecuada de los equipos, a continuacin se detalla la instrumentacin necesaria para el proyecto:

Instrumentos para el lazo de dosificacin de floculante:

FIT-100A, Transmisor de flujo magntico ADMAG CA magnetic flowmeter, marca Yokogawa, para la medicin del caudal en la lnea de jugo mezclado.

FIT-100B Transmisor de flujo magntico, ADMAG CA magnetic flowmeter, marca Yokogawa, para la medicin del caudal de la lnea de floculante.

Opciones :

FY-100A, Variador de frecuencia power flex 40, Marca Allen-Bradley, para regular la velocidad del motor trifsico de induccin, en la bomba de

floculante.

FC-100, Controlador CompactLogix, se requieren dos canales para entradas analgicas modulo 1769-IF4I, un canal de salida analgica modulo 1769-OF4CI de Sistema CompactLogix.

V1-100, Vlvula manual para apertura/bloqueo del tanque Flash.

V2-100, Vlvula manual para apertura/bloqueo del Tanque de Floculante.

V3-100, Vlvula manual de bloqueo a la entrada de bomba de dosificacin de

floculante.

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V4-100, Vlvula manual de bloqueo a la salida de bomba de dosificacin de

floculante.

V5-100, Vlvula manual, para adicin de floculante por gravedad.

M1-100, Bomba para dosificacin de floculante.

Instrumentos para el lazo de control de nivel en el tanque de cachaza:

LSHH-200, Interruptor de alto nivel, tipo flotador RFS, con contacto normalmente abierto, permite determinar un alto nivel en el tanque cachazon.

LY-200, Relevador con contacto normalmente abierto, arranque y parada del ventilador de bagazo por alto nivel.

LC-200, Controlador CompactLogix, se requieren un canal de entrada digital del modulo 1769-IA16, y un canal de salida digital del modulo 1769-OA8.

Instrumentos Para el Lazo de Control de densidad:

DIT-300, Transmisor de presin diferencial, marca Smar modelo DT301.

para la medicin de densidad del lodo sedimentado en el clarificador por el clarificador SRI.

FY-300, Variador de frecuencia power flex 40, Marca Allen-Bradley, para regular la velocidad del motor trifsico de induccin, en la bomba de floculante.

DIC-300, Controlador CompactLogix, se requiere un canal para entrada

analgicas modulo 1769-IF4I, un canal de salida analgica modulo 1769-OF4CI.

M2-300, Bomba para la extraccin de lodos.

V6-300, Vlvula manual para apertura/bloqueo del lodo a la salida del clarificador.

V7-300, Vlvula manual de bloqueo a la entrada de bomba de extraccin de

lodos.

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V8-300, Vlvula manual de bloqueo a la salida de bomba de extraccin de

lodos.

V9-300, Vlvula manual, para la extraccin de lodos por gravedad.

Instrumentos para Filtro de Vacio:

LIT-400, Transmisor de nivel por radar, marca VEGA, permite monitorear el nivel de la bandeja del filtro rotativo de vaco.

LY-400A, Variador de frecuencia power flex 40, Marca Allen-Bradley, para

regular la velocidad del motor trifsico de induccin, en el tambor del filtro de vaco.

LY-400B, Actuador neumtico marca Bray Controls, parte No 92-1270-11300-532, presin mxima 140 PSI.

V10-400, Vlvula de bloqueo entre el cachazon y la bandeja del filtro, tipo mariposa, 6'' de dimetro, marca Bray, Serie 20, asiento en EPDM.

LC-400, Controlador CompactLogix, se requieren un canal de entrada analgica del modulo 1769-IF4I, un canal de salida analgica del modulo 1769-OF4CI, y un canal de salida digital del modulo 1769-OA8.

Las caractersticas tcnicas de operacin de los transmisores de caudal, transmisor de nivel, transmisor de densidad, vlvula de corte y actuador neumtico,

variadores de velocidad para motores, conexiones elctricas con los mdulos analgicos y mdulos digitales del PLC; se presentar en los anexos. Adems se anexar las conexiones del sistema elctrico para el control de motores, sealizacin de los procesos elctricos, y las conexiones elctricas que alimentarn cada uno de los componentes necesarios para desarrollar la propuesta.

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Control de Potencia de los Motores de Induccin Trifsico.

Para que la operacin de arranque de los motores de induccin se pueda llevar a cabo, es preciso que el par de arranque sea bastante superior al par resistente de la carga, de esta forma se obtiene un momento de aceleracin que obliga a girar al rotor a una velocidad cada vez ms elevada, obtenindose el rgimen permanente

cuando se igualan pares motor y resistente. Por otra parte, este par de arranque debe lograrse sin un excesivo valor de la

corriente en la conexin del motor a la red y durante todo el proceso de aceleracin. A este propsito se propone el tipo de arranque de los siguientes motores de acuerdo a la intensidad de corriente y la potencia nominal del motor.

Arranque directo. Es un sistema de arranque obtenido en un solo tiempo; el motor arranca de forma directa cuando se aplica a sus bornes, directamente, la tensin a que debe trabajar. Suponiendo que el motor arranca en carga, el bobinado tiende a absorber una intensidad de corriente muy superior a la que seala su placa de

caractersticas, llegando hasta 8 veces la intensidad nominal (8In). Como puede apreciarse, este aumento de corriente en el perodo de arranque hace que las lneas

incrementen considerablemente su carga y como consecuencia directa, su cada de tensin. En redes de 220/380V esto se manifiesta, entre otras cosas, por variaciones de la iluminacin.

Este mtodo de arranque es indicado para las mquinas de pequea y mediana potencia, sin embargo no es recomendado si el arranque debe hacerse lenta y progresivamente (determinados montacargas, cintas transportadoras, etc.) debido a su elevado par inicial de arranque (fijado por el tipo de construccin del rotor y cerca de 1,5 veces el par nominal), por tanto en la tabla 1 se indican los motores que tendrn a disposicin este tipo de arranque, ya que este tipo de arranque se ajusta a la potencia nominal de los motores.

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Tabla 1. Tipos de Arranque para Motores

Servicio del Motor Tensin ( V) Intensidad (A) Potencia (HP) Arranque

Bomba de Floculante 230/460 4.84/2.42 1.5 Por Variador

Ventilador de Bagazo 440 19.4 14.76 Estrella-Triangulo

Bomba de Lodos 440 6.5 4 Por Variador

Eje del Cachazon 440 6.6 5 Directo Eje del Clarificador 440 2.27 2.95 Directo Filtro Rotativo 440 6.65 5 Por Variador

Arranque estrella-tringulo. La finalidad de esta forma de arranque es la de reducir la intensidad absorbida por el motor durante el periodo de arranque, en detrimento de su par.

Este mtodo solo es aplicado a motores trifsicos donde los dos extremos de los dos devanados estn accesibles. Adems, estos motores deben estar preparados

para funcionar en tringulo con la tensin de la red. Consiste en arrancar el motor conectando sus devanados en estrella,

quedando estos sometidos a una tensin por fase igual a la tensin compuesta de la

red dividida por 3, o sea a un 58% de la tensin nominal. Una vez que el motor alcanza una cierta velocidad de giro (se aconseja que sea, al menos, del 80% de la velocidad nominal), se conectan los devanados en tringulo, pasando la tensin de fase a ser igual a la tensin compuesta de red.

El par se reduce con relacin al cuadrado de la tensin de alimentacin y es

igual al tercio del par proporcionado por un motor con arranque directo. Por tanto, ste mtodo se utiliza en motores que inician su marcha con demanda de par resistente inferior al nominal.

Maniobra de control en arranque directo. Hay dos posibilidades para que el operador de turno ponga en marcha los motores, mediante el selector manual-

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automtico, en el caso del control manual, el arranque se realiza por un pulsador tipo push-button normalmente abierto, el cual energiza la bobina del contactor, enganchando los contactos trifsicos, para poner en marcha el motor, la parada se realiza mediante otro push-button normalmente cerrado o por el disparo del rel trmico, permitiendo el corte de energa en la bobina del contactor y de esta forma parando el motor.

En el caso de control automtico, la conmutacin del motor se realiza mediante la programacin de alguna rutina de control del PLC. el mdulo de salidas

analgicas realiza la conmutacin de la bobina del contactor, este tipo de estrategia se dise con el propsito de que a futuro mediante una interfaz hombre-mquina el operador mediante un panel View o algn tipo de terminal de control, ejecute todas las operaciones pertinentes al arranque y parada de los motores que pertenecen al proceso de clarificacin y filtracin, en la figura 17 se observa el circuito de control de parada y arranque de los motores del eje del cachazn y eje del clarificador, en el cual se utiliza una tensin de control de 120 V ac.

Figura 17. Circuito de Control de Arranque Directo.

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Maniobra de Control en Arranque Estrella Triangulo. Al igual que en la maniobra de arranque directo se tendr la opcin de arranque manual o automtico, este tipo de accin se ejecutar exclusivamente en el motor que controla para la adicin de bacillo mediante un ventilador, este motor tal como se observa en la tabla 1, presenta una potencia nominal superior a 10 Hp, por tanto es conveniente emplear el mtodo de estrella triangulo para el control de arranque.

En modo manual inicialmente actuarn, por medio de un pulsador tipo push-button de arranque, los contactores CR131 y CR139, con lo que el motor se energiza con la conexin estrella. Pasado un tiempo aproximado de 5 s, un rel temporizador tipo On-Delay (TD141) desconecta CR139 y conecta a continuacin CR137, obtenindose la conexin en tringulo. El paro se realiza mediante un pulsador de paro o por disparo del rel trmico OL452. En la figura 18 se detalla el diagrama esquemtico de conexiones en el arranque de estrella-triangulo, teniendo en cuenta que la tensin de control utilizada es de 120VAC.

Figura 18. Circuito de Control de Arranque de Estrella-Triangulo

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En el caso de modo de arranque automtico, el operador dispondr de un terminal de control Panel View el cual interacta con el controlador PLC, para ejecutar la conmutacin del motor ventilador de bagazo.

Programacin de parmetros en los variadores de velocidad PowerFlex 40. Como ya se ha mencionado, los elementos finales de control van a estar

ligados al control de la velocidad rotativa de los motores trifsicos, que para el presente proyecto tienen como objetivo regular; las bombas de dosificacin de floculante, bomba de extraccin de lodos y regular la velocidad del filtro rotativo. Con este propsito es necesario seleccionar los variadores de acuerdo a su rango de voltaje, corriente y potencia nominal. De modo que para la seleccin de los instrumentos variadores de velocidad para motores trifsicos de induccin, se optar por el modelo PowerFlex 40/400 de Allen-Bradley, ya que este tipo de variadores se adapta perfectamente en aplicaciones para bombas y ventiladores, adems presenta parmetros de programacin que se pueden ajustar a las seales de control, y los tiempos de respuesta requeridos por el sistema, en la tabla 2, se detalla mejor las caractersticas que debe cumplir cada modelo de variador con los requerimientos del motor.

Tabla 2. Seleccin de Variadores de Velocidad.

SERVICIO POTENCIA(HP) CORRIENTE(A) MODELO N CATALOGO

Bomba Floculante

1.5 2.42 PowerFlex 40

22B-D4P0N104

Bomba de Lodos

4 6.5 PowerFlex 400

22B-D010N104

Filtro Rotativo

5 6.6 PowerFlex 400

22B-D010N104

La programacin de los mdulos de control PowerFlex AC Drives, se logra

modificando los parmetros que se encuentran estructurados por medio de directorios en la memoria interna del procesador, esto se logra mediante el uso de un teclado

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integrado en el equipo, tal como se ilustra en la figura 19. Por medio del Drive Explorer.

Figura 19. Teclado Integrado del Variador PowerFlex40

Los parmetros de programacin vienen estructurados de la siguientes Grupos.

Basic Display (b) Basic Program (P) Terminal Block (T) Communications (C) Advanced Program (A) Aux Relay Card (R) Advanced Display (d)

Cada uno de estos grupos contiene una cantidad definida de parmetros que establecen la funcionalidad de los variadores de velocidad con las aplicaciones en cada tipo de sistema, por tanto se program solo los parmetros del grupo Basic Program, para lograr la configuracin de los equipos, tales parmetros se describen a continuacin: P031. Establece el valor mximo de voltaje permitido por el motor. P032. Establece valor mximo de frecuencia en Hertz. P033. Mximo valor de corriente permitido por el motor

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P034.Establece la frecuencia ms baja a la salida del motor. P035.Establece la frecuencia ms alta a la salida del motor. P036.Este parmetro permite al programador establecer el mecanismo en que se va a arrancar el variador de velocidad, que de acuerdo a sus opciones pueden ser, mediante el teclado integrado, control de tres hilos, control a dos hilos, o mediante una comunicacin del puerto serial entre el variador y una interfaz hombre-mquina.

Por tanto es preciso acotar que este parmetro permite establecer la estrategia de control para la parada y el arranque de los motores de induccin, en este caso se

establece a travs del control de dos hilos, para que mediante un selector de dos posiciones se de arranque o parada en el caso de que el control se encuentre de manera manual.

En el momento que el control se haga en automtico, un contacto

normalmente abierto, va a estar comandado por el mdulo de salidas digitales (PLC), ste permitir el arranque o parada a travs del host o terminal de control, lo cual se logra poner en evidencia mediante la figura 20.

.

Figura 20. Esquema de Cableado de Control a Dos Hilos

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P037. Establece el modo de parada ya que el variador estos pueden ser a travs de, una rampa de desaceleracin, o introduciendo un voltaje DC en los pines de control. P038. En este punto se establece si se va a seleccionar un dispositivo externo que regule la frecuencia del variador, a travs de una entrada analgica, por tanto tambin se debe indicar el tipo de entrada analgica de acuerdo a la tabla 3.

Tabla 3. Tipos de entradas analgicas para Variador PowerFlex400

Parmetro T073 Configuracin Rango de Entrada

0 Corriente 0-20 mA

1 Corriente 4-20 mA

2 Voltaje-Unipolar 0-10 V 3 Voltaje-Bipolar -10 a +10 V

P039. Establece el tiempo de aceleracin desde 0 Hz hasta la frecuencia mxima establecida por el parmetro P035, por tanto se define una rampa de aceleracin de acuerdo a la siguiente relacin; rampa de aceleracin= mxima frecuencia/ tiempo aceleracin. De igual modo se establece un parmetro P040, para el tiempo de desaceleracin desde la mxima frecuencia hasta 0 Hz, definido de la siguiente forma; rampa de desaceleracin= mxima frecuencia/ tiempo desaceleracin. Tal

como lo indica la figura 21. El rango para los tiempos de los parmetros P039 y P040 est entre 0.01s y 600s, pero en las aplicaciones de bombas se consigue conveniente que las rampas de aceleracin y desaceleracin sean lo suficientemente rpidas para dar una mejor respuesta a los sistemas. Los tiempos seleccionados son de 0.3 s, para cumplir con los parmetros de seguridad de los motores de modo de alargar la vida til del mismo.

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Figura 21. Regulacin de aceleracin y de desaceleracin

Seleccin de Componente para el Control Para Motores de Induccin Trifsicos. Para el control de motores se tom en cuenta las parmetros nominales elctricos y mecnicos que corresponden a cada motor de modo que se pueda elegir acertadamente las estrategias de arranque as como tambin seleccionar aquellos elementos que determinan tanto los circuitos de potencia como los de control de motores, a continuacin en la tabla 4, se ilustrarn tales parmetros elctricos:

Tabla 4. Caractersticas elctricas de placa para motores de Induccin Trifsico

Servicio Marca Tensin ( V) Intensidad (A) Potencia (HP) Velocidad (RPM)

Bomba de Floculante Nord 230/460 4.84/2.42 1.5 1660

Ventilador de Bagazo Toshiba 440 19.4 14.76 1740

Bomba de Lodos Weg 440 6.5 4 1140

Eje del Cachazon Fives-Lille 440 6.6 5 1730 Eje del Clarificador Sumitomo 440 2.27 2.95 1750

Filtro Rotativo Sumitomo 440 6.65 5 1730

Componentes Esenciales para los circuitos de potencia y circuitos de Control

Disyuntores:

GV2-L08, Telemecanique

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GV2-L10, Telemecanique

GV2-L14, Telemecanique

GV2-L22, Telemecanique

Contactores:

LC1-D09-F7, Telemecanique LC1-D25-F7, Telemecanique

Rels Trmicos:

LRD-08, Telemecanique LRD-12, Telemecanique

LRD-14, Telemecanique

LRD-22, Telemecanique

Selectores (Manual-Automtico), Telemecanique. Pulsadores dobles, Telemecanique.

Cable de potencia N 12.

Cable de control N16.

Borneras de potencia, Telemecanique.

Borneras de control, Telemecanique.

Temporizador LA2DT2 (On-Delay), Telemecanique. Transformador 440v/120-220v.

Armario de control.

Luces piloto, 110v Telemecanique.

Para el desarrollo del proyecto de clarificacin se estudi los sistemas de control Allen-Bradley, para los cuales se definen las tres familias de estos sistemas de control.

1. Sistema PLC: controladores lgicos programables que son identificados por el prefijo PLC. como: PLC-5, PLC-3, PLC-2.

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2. Sistemas SLC: es una lnea de controladores pequeos con la flexibilidad y potencia de un gran procesador.

3. Sistema Logix5000: un sistema de control que puede integrar disciplinas secuenciales, movimiento, drive, y control de procesos.

A su vez la plataforma Logix 5000 contiene un sistema operativo que es comn para los siguientes formatos fsicos; ControlLogix, FlexLogix, CompactLogix,

DriveLogix, SoftLogix, todos manejados bajo un mismo sistema operativo. El sistema a implementar se refiere a la plataforma CompactLogix y a continuacin se

establece los componentes del Hardware as como la descripcin de cada uno de ellos.

Sistema CompactLogix: la plataforma CompactLogix es un pequeo sistema

modular que est orientado hacia aplicacin stand-alone, para sistema de conexiones medianas, las entradas y salidas que cuenta la plataforma est engranado hacia aplicaciones de control stand-alone, donde el espacio est limitado por el panel. Los controladores CompactLogix ofrecen espacio de memoria de 512 Kb hasta 1.5 Mb, soporta redes Neblina (Ethernet/IP, ControlNet, DeviceNet), en la figura 22 se muestra un sistema CompactLogix.

Figura 22. Sistema CompactLogix

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En la figura anterior se ilustran, los elementos del sistema de control o PLC con el cual trabajar para la programacin de las estrategias para la automatizacin del Clarificador SRI, a continuacin se har una descripcin un poco ms detallada de los elementos que lo conforman:

1769-ECR Cubierta final derecha

1769-IA16 Mdulo de entradas digitales de 16 puntos a 120 Vac

1769-IF4I 4 Mdulo de entradas analgicas aisladas de 4 canales

1769-L32C Procesador CompactLogix ControlNet de 750 K

1769-OA8 Mdulo de salidas digitales de 8 puntos a 120/240 Vac

1769-OF4CI Mdulo de salidas analgicas aisladas de 4 canales

1769-PA2 Fuente de alimentacin entrada: 120/240 Vac , 2 A; salida 5 Vdc

Por otra parte el paquete software propuesto para la comunicacin del procesador fueron los suministrados por Rockwell Automation. Este contiene el RSLinx Classic Communication Service, que es un producto desarrollado para la conexin de las redes de Allen-Bradley y dispositivos para aplicaciones de Microsoft Windows. Estos van desde la programacin de dispositivos y aplicaciones de configuracin, tales como RSLogix y RSNetWorx para aplicaciones HMI como RSView32, a sus aplicaciones de adquisicin de datos propia con Microsoft Office, pginas Web, o Visual Basic. RSLinx Classic tambin incorpora avanzadas tcnicas de optimizacin de datos y contiene un

conjunto de diagnsticos. RSLinx Classic es un OPC Data Access Compliant Server y un servidor DDE.

Este a travs de RSWho que es la ventana principal RSLinx Classic muestra las redes y dispositivos en un estilo similar al Explorador de Windows. Una variedad de herramientas integradas de configuracin y monitoreo estn accesibles haciendo clic derecho en el dispositivo en RSWho. Algunas de las

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herramientas disponibles son los de configuracin de Gateway ControlLogix Herramienta para 1756-DHRIO y mdulos 1756-ENET, un visor de escalera para PLC-5, SLC o MicroLogix procesadores de la familia de controladores Logix5000, y un monitor de datos para los datos de seguimiento en directo de cualquier Logix5550, PLC -5, SLC o MicroLogix los controladores de la familia, tal como se ilustra en la figura 23.

Figura 23. Ventana Principal del RSLinx Classic.

As de esta forma se logra comunicar el PLC con algn terminal de monitoreo o programacin, mediante las redes de conexin que se encuentren en la ventana de comunicacin. En cuanto a las conexiones fsicas existen bsicamente dos tipos, para comunicar un terminal de programacin controlador Logix5000, las cuales son mediante una conexin de puerto serial, y las conexiones de redes tales como las ControlNet, que es un tipo de conexin patentada por Rockwell, para el desarrollo de

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grandes redes en la industria que soporten datos crticos; las conexiones DeviceNet, que permiten la comunicacin directa entre dispositivos de bajo nivel como variadores de frecuencia, sensores, arrancadores de motores, y otros dispositivos sin necesidad ocupar canales de entrada/salida en los mdulos de PLC.

Ya que es importante definir el tipo de conexin que se ajuste a la velocidad y manejo de datos, se usa la conexin de puerto serial como un estndar para la programacin ya que sta permite al usuario mayor portabilidad en los terminales de programacin que se encuentran a su disposicin, sin embargo es limitante la

velocidad de transmisin de datos si se quiere aumentar la capacidad de elementos de la red, finalmente es la comunicacin serial la opcin adecuada para la programacin del PLC, teniendo en consideracin los siguientes parmetros de configuracin de la tabla 4.

Tabla 5. Parmetros de Comunicacin Serial

Parmetros Configuracin Protocolo DF1 full-dplex

Rata de Baudios 19.2 Kbit/s

Paridad Ninguna

Direccin de Estacin 0

Control de lneas No handshaking

Deteccin de error BCC

Respuestas Embebidas Auto deteccin

Deteccin de datos repetidos Habilitados

Tiempo de espera ACK 50 (x 20 ms) Recepcin limite NAK 3 repeticiones

Transmisin limite ENQ 3 repeticiones Bits de datos 8

Bits de parada 1

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Ya completada la etapa de comunicacin entre el controlador CompactLogix y el terminal de control o programacin es necesario adems configurar los mdulos de entrada y salida, indispensables en el control de los procesos, el Software que permite realizar esta tarea es el RSLogix 5000 , ste no es ms que el software usado para programar y configurar todos los sistemas Logix5000, entre otras funciones se usa para desarrollar y modificar el cdigo en diagrama escalera, el diagrama de

bloque de funciones; monitorear proyectos y componentes del sistema durante su operacin y como ya se ha mencionado, configurar mdulos de Hardware

Los beneficios de utilizar este software es que se pueden desarrollar programas en diferentes lenguajes de programacin tales como los diagramas en escalera, bloques, funciones secuenciales y texto estructurado, adems es fcil de usar para aquellos programadores familiarizados con ambiente de visualizacin de ventanas, los cuales tienen las ventajas de edicin, como cortar, copiar, pegar, componentes dentro del mismo ambiente de programacin, en la figura 24, se aprecia la ventana principal del RSLogix5000.

Figura 24. Ventana Principal del RSLogix 5000

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Descripcin del Hardware de la familia CompactLogix Mdulos analgicos 1769-IF4I, 1769-OF4CI: El modulo 1769-IF4I es un

mdulo de entradas aisladas, convierte y digitalmente almacena datos analgicos para ser enviados a los controladores, tales como la Controlador CompactLogix o el controlador MicroLogix 1500. El mdulo es compatible con cualquier combinacin de hasta cuatro conexiones analgicas de sensores de voltaje o corriente, de corriente continua. El modulo 1769-OF4CI es un mdulo de salidas aisladas que proporciona cuatro canales de salida diferencial. Los mdulos pueden ser operados en los

siguientes rangos de entradas y salidas:

Tabla 6. Rangos de Mdulos Analgicos

Rango de entrada en operacin normal Rango mximo de operacin

10V dc 10.5V dc 15V dc 0.55.25V dc

05V dc -0.5+5.25V dc

010V dc -0.5+10.5V dc

020 mA 021 mA

420 mA 3.221 mA

Los datos pueden ser configurados en cada mdulo para dar un escalamiento con respecto a la seal de control en unidades de ingeniera, escalamiento para el bloque PID, o en porcentaje.

Mdulos Digitales 1769-OA8, 1769-IA16. El mdulo 1769-OA8 es un mdulo de salidas que realiza las tareas de control digital manifestadas por la propia programacin del PLC, las cuales cierran o abren los contactos de salidas con voltajes AC de 100 hasta 240 VAC, permitiendo ejercer las acciones de arranque o parada de algn sistema, este mdulo tiene una capacidad mxima de 8 canales de los cuales tiene la facilidad de ser separados en dos grupos de 4 canales en caso que se requiera la utilizacin de diferentes niveles de tensin AC. En cuanto al mdulo 1769-IA16, es

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un dispositivo de entradas digitales para una capacidad mxima de 16 canales que permiten una tensin de entrada mxima de 120 VAC, ste verifica cuales canales se encuentran encendidos o apagados para finalmente ejercer una accin de control.

Configuracin de los mdulos de entrada y salida usando el RSLogix 5000, para configurar los mdulos 1769 de entrada y salida, es necesario crear un proyecto que se identifique con el sistema que se va a realizar, de ste modo se configura como primer paso el tipo de controlador a travs de la figura 25.

Figura 25. Configuracin del Controlador.

Indicando el tipo de controlador 1769-L32C, el nombre del proyecto, una breve descripcin y la revisin que no es sino la versin del firmware que tiene el

controlador actualmente, en caso de no introducir la revisin correcta sta se puede actualizar sin algn inconveniente con el programa Flash, que es un programa para la

actualizacin del Firmware.

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En la figura 26, se tiene la opcin de seleccionar el tipo de mdulo por sus caractersticas como por ejemplo, si es un mdulo de entradas digitales o de salidas analgicas, adems se puede elegir el mdulo por su descripcin, luego de esto se establecen las propiedades de cada mdulo tales como el nmero de slot que va a ocupar en el BackPlane, el nombre que lo distinguir, una descripcin de uso, y lo ms importante el nmero de serie y revisin, debido a que cada firmware debe tener

esta informacin al momento de cargar o descargar el programa de control. A continuacin se ilustra cada una de las revisiones por medio de la tabla 7.

Figura 26. Configuracion de Modulos E/S

Tabla 7. Parmetros de Configuracin Modulo E/S

Modulo Serie Revisin Slot 1769-IF4I A 1.2 1

1769-OF4CI A 1.2 2

1769-IA16 A 3.1 3

1769-OA8 B 3.1 4