UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE

SAN MARCOS(Universidad del Perú, Decana de América)

FACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

CURSO:

LABORATORIO DE OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS

PROFESOR: ING. GODOY

TEMA: MODÚLO TEMPERATURA

ALUMNOS:

ALEXANDER ROBERTO ROSALES FERNANDEZ 10170151

ESPINOZA NAVARRO, RAFAEL

MELISSA CARMEN CORDOVA ROJAS 11170178

KATHERINE SANCHEZ DORREGARAY

JHONATAN MARQUINA ZAMBRANO

JULIO CESAR ORTEGA 

INDICE1. RESUMEN.............................................................................................................................3

2. INTRODUCCION..................................................................................................................4

3. OBJETIVOS..........................................................................................................................5

4. FUNDAMENTOS TEORICOS.............................................................................................6

5. MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA.................................................................................7

4.1. UNIDADES DE MEDIDA DE TEMPERATURA.........................................................7

6. INSTRUMENTOS DE CONTROL DE LA TEMPERATURA..........................................8

7. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE – PLC.....................................................9

7.1 PROGRAMACIÓN........................................................................................................11

7.2 PARTES LÓGICAS DEL PLC.....................................................................................18

7.3 EL CONTROL PID........................................................................................................19

8. PROCESO EN EL MODULO DE TEMPERATURA......................................................25

9. RESULTADOS....................................................................................................................28

10. CONCLUSIONES.............................................................................................................29

11. RECOMENDACIONES....................................................................................................30

12. BIBLIOGRAFIA................................................................................................................31

13. ANEXOS............................................................................................................................32

1. RESUMEN

En este laboratorio se trató del Sistema de Control de Temperatura y su Control

en un proceso automático.

El presente laboratorio tiene como intención, una descripción teórica sobre las

diferentes tecnologías existentes para control de temperatura para equipos

basados en calentamiento a través de resistencias eléctricas, como por

ejemplo baños termostáticos de agua y/o aceite, planchas calefactoras, etc., y

una visón práctica de los mismos y sus diferentes usos.

Un control adecuado de la temperatura, es importante para el bienestar del

personal, el funcionamiento de los instrumentos y la seguridad en el trabajo

(por ejemplo, con disolventes inflamables).

2. INTRODUCCION

El propósito fundamental de los procesos industriales es transformar materias primas en un producto final, y para ello se requiere de una buena instrumentación para asegurar que los productos sean elaborados apropiadamente. Dentro de esta instrumentación, se destaca los instrumentos de medición, que mientras de mejor calidad sean aseguran una medición precisa y exacta de los distintos parámetros como la temperatura, caudal y presión.

Se da un especial énfasis en la temperatura, ya que muchos procesos requieren de la transferencia de energía, que es justamente lo que mide la temperatura. Algunos de los procesos son: mezcla de fluidos, calentamiento o enfriamiento de sustancias, la destilación de gasolina y el pasteurizado de la leche.

Su importancia en los procesos industriales radica en que cuando una sustancia es calentada, las propiedades físico-químicas de los materiales varían y no solo interviene para la transformación de la materia prima en producto final sino también como variable que afecta la entrada o salida del proceso de medición y control.

Por ello es importante considerar la temperatura en cualquier proceso y especialmente en el control de procesos ya que afecta directa e indirectamente con el fin de mejorar la calidad del producto. Así que en el presente informe se mostrarán las nociones básicas acerca de la temperatura como funciona en un control de proceso, usando la experiencia en el módulo de temperatura del CEMA; y también el uso del programa LabView con el cual se va a poder crear una programación para controlar el procesos y los parámetros entre estos la temperatura.

3. OBJETIVOS

Examinar los conceptos básicos de la medición de la temperatura y cuál

es su utilidad en los procesos unitarios, así como mostrar la importancia

del sistema de control de temperatura y sus aplicaciones en la industria.

Reconocer los instrumentos adecuados de un sistema de control del

módulo de Temperatura, sus características y funciones.

Controlar el proceso de control de temperatura manteniendo el sistema

estable así como desarrollar capacidad para ajustar un sistema de

control de temperatura.

Definir y describir el procedimiento para la medición de la temperatura

que varía en el sistema, además de variar los diferentes parámetros del

sistema e identificar los cambios en la temperatura, producto de estas

variaciones.

Identificar las diferencias entre el modo manual y el modo automático del

PLC del módulo de Temperatura.

4. FUNDAMENTOS TEORICOS

Definición de Temperatura

Se puede definir temperatura como el grado de energía térmica medida en una escala definida. La temperatura de un cuerpo es su intensidad de calor, o sea la cantidad de energía que puede ser transferida a otro cuerpo. Es una medida de la energía cinética de las partículas que componen el sistema.

Cuando dos sistemas están a la misma temperatura, se dice que están en equilibrio térmico y no se producirá transferencia de calor. Cuando existe una diferencia de temperatura, el calor tiende a transferirse del sistema de mayor temperatura al de menor temperatura hasta alcanzar el equilibrio térmico.

Multitud de propiedades físicas de los materiales o las sustancias dependen de la temperatura, como por ejemplo su estado (gaseoso, líquido, sólido, plasma...), la densidad, la solubilidad, la presión de vapor, el volumen de un líquido, la longitud de una varilla, la resistencia de un alambre, la presión de un gas que se conserve a volumen constante, o bien el volumen de un gas que se conserva a presión constante, así como el color de un filamento de una lámpara o la conductividad eléctrica.

Definición de Calor

Calor, en física, transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de temperatura.

El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante.

La energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo.

5. MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA

Para medir la temperatura el más común es el termómetro de mercurio, que es un tubo capilar de vidrio al vacío con un depósito de mercurio en el fondo y el extremo superior cerrado. Debido a que el mercurio se dilata más rápidamente que el vidrio, cuando aumenta la temperatura este se dilata y sube por las paredes del tubo.

Este termómetro es el más usado, aunque no el más preciso, porque el mercurio a los - 400C se congela restringiendo el rango o intervalo en que se puede usar.

También existen otros métodos de medición. Mencionaremos los siguientes:

Termopar:

Se basa en un voltaje eléctrico producido por la unión de conductores diferentes y que cambia con la temperatura, este voltaje se usa como medida indirecta de la temperatura.

Termistor

Este método se obtiene gracias a la propiedad de variación de la resistencia eléctrica con la temperatura.

Pirómetros

Se usa en los casos donde las temperaturas a medir son altas. La medición se logra por el registro de la energía radiante (radiación electromagnética; por ejemplo emisión de infrarrojo) que desprende un cuerpo caliente.

Bandas de metal

Cuando dos tiras de metal delgadas, unidas en uno de sus extremos, se dilatan a diferente velocidad cuando cambia la temperatura. Estas tiras se utilizan en los radiadores de los automóviles, y en los sistemas de calentamiento y aire acondicionado.

4.1. UNIDADES DE MEDIDA DE TEMPERATURALa temperatura se mide grados: Kelvin (°K), Celsius (°C), Fahrenheit (°F) y Rankine (°R).

Grado Celsius (°C).La escala de grados Celsius es la más usada, y tiene como punto más bajo 0.0°C, que es el punto de congelamiento del agua y el máximo es 100°C, que es el punto de evaporación del agua

Grado Fahrenheit (°F). Toma divisiones entre el punto de congelación de una disolución de cloruro amónico (a la que le asigna valor cero) y la temperatura normal corporal humana (a la que le asigna valor 100). Es una unidad

típicamente usada en los Estados Unidos; erróneamente, se asocia también a otros países anglosajones como el Reino Unido o Irlanda, que usan la escala Celsius.

Grado Kelvin (K).El Kelvin es la unidad de medida del SI. La escala Kelvin absoluta parte del cero absoluto y define la magnitud de sus unidades, de tal forma que el punto triple del agua es exactamente a 273,16 K.

Grado Rankine (R) .Se denomina Rankine a la escala de temperatura que se define midiendo en grados Fahrenheit sobre el cero absoluto, por lo que carece de valores negativos. Esta escala fue propuesta por el físico e ingeniero escocés William Rankine en 1859.

El grado Rankine tiene su punto de cero absoluto a −459,67 °F, y los intervalos de grado son idénticos al intervalo de grado Fahrenheit.

A continuación vemos la relación entre las escalas mencionadas

A continuación se presentan las conversiones entre unidades:

* °K=°C+273 = (5/9)(°F+460) = (5/9)°R

* °C=°K-273 = (5/9)(°F+32) = (5/9)(°R-491,6)

* °F=(9/5)(°K-460) = (9/5)(°C+32) = °R-460

* °R= (9/5) °K = (9/5) (°C+491,6) = °F+460

6. INSTRUMENTOS DE CONTROL DE LA TEMPERATURA

Es una de las mediciones más importantes que se efectúan en los procesos industriales, para ello se hace uso de diversos sensores. Es de suma importancia seleccionar adecuadamente el instrumento de medición de temperatura, por lo cual se debe conocer los diferentes tipos de sensores disponibles teniendo en cuenta las limitaciones del sensor elegido.

Termómetros de Vidrio Instrumentos de medición de temperatura más conocido, consta de un depósito de vidrio que puede contener mercurio, pentano, alcohol tolueno y una escala, principalmente se utiliza el mercurio.

Termómetros Bimetálicos Instrumento de medición de temperatura, más utilizados debido a su bajo costo y buen grado de precisión. Está conformado por el elemento bimetálico, un eje, un cojinete, el puntero, la escala y la cubierta de protección. El elemento bimetálico puede ser recto, curvo, en forma helicoidal o en espiral.

Termómetros de Sistemas Llenos Instrumento de medición que indica el valor de la temperatura a cierta distancia del punto donde se encuentra el elemento de medición. El sistema generalmente está formado por un elemento sensible a los cambios de temperatura (bulbo), un elemento sensible a los cambios de presión o volumen (Bourdon, fuelle, diafragma), un medio para conectar estos elementos (tubo capilar) y un mecanismo para indicar, registrar o transmitir la señal relacionada con la temperatura.

7. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE – PLC

El Controlador Lógico Programable (PLC) nació como solución al control de circuitos complejos de automatización. Por lo tanto se puede decir que un PLC no es más que un aparato electrónico que sustituye los circuitos auxiliares o de mando de los sistemas automáticos. A él se conectan los captadores (finales de carrera, pulsadores, etc.) por una parte, y los actuadores (bobinas de contactares, lámparas, pequeños receptores, etc.) por otra.

Un Controlador Lógico Programable es un aparato electrónico operado digitalmente, que usa una memoria programable para el almacenamiento interno de instrucciones para implementar funciones específicas, tales como lógica, secuenciación, registro y control de tiempos, conteo y operaciones aritméticas para controlar, a través de módulos de entrada/salida digitales (ON/OFF) o analógicos (1 5 VDC, 4 20 mA, etc.), varios tipos de máquinas o procesos.

Figura 4.2 Termómetro de sistemas llenos

El PLC por sus especiales características de diseño tiene un campo de aplicación muy extenso. Su utilización se da fundamentalmente en aquellas

instalaciones en donde es necesario un proceso de maniobra, control, señalización, etc., por tanto, su aplicación abarca desde procesos de

fabricación industriales de cualquier tipo a transformaciones industriales, control de instalaciones, etc.

7.1 PROGRAMACIÓN

La programación de un PLC se

realiza mediante periféricos del autómata, como pueden ser un PC, una consola de programación, un grabador EPROM, etc. El programa que más se ha utilizado hasta ahora ha sido el SYSWIN en sus diferentes versiones, pero se están empezando a utilizar nuevos programas más completos, como el CX-PROGRAMMER.

Este último es el que vamos a utilizar a la hora de programar autómatas, el cual comienza con la ejecución de un GRAFCET o DIAGRAMA DE MANDO del proceso a controlar y basándonos en este GRAFCET realizaremos el DIAGRAMA DE RELES o ESQUEMA DE CONTACTOS, que permite una representación lógica

de control similar a los sistemas electromecánicos. El GRAFCET surge en Francia a mediados de los años 70, debido a la colaboración de algunos fabricantes de autómatas, como Telemecanique y Aper con dos organismos oficiales: AFCET (Asociación francesa para la cibernética, economía y técnica) y ADEPA (Agencia nacional para el desarrollo de la producción automatizada).

Actualmente es una herramienta imprescindible cuando se trata de automatizar procesos secuenciales de cierta complejidad con autómatas programables.

El GRAFCET es un diagrama funcional que describe la evolución del proceso que se quiere automatizar. Está definido por unos elementos gráficos y unas reglas de evolución que reflejan la dinámica del comportamiento del sistema.

Elementos Básicos

Las etapas

 

Las etapas representan cada uno de los estados del sistema. El símbolo empleado para representar una etapa es un cuadrado con un número o símbolo en su interior que la identifica. Las etapas iniciales se representan por un cuadrado de doble línea. Cuando se recorre el gráfico de evolución por cualquier camino posible, deben alternarse siempre una etapa y una transición.

Las acciones que llevan asociadas las etapas se representan con un rectángulo donde se indica el tipo de acción a realizar. Una etapa puede llevar asociadas varias acciones.

 Las líneas de evolución

 

Las líneas de evolución unen entre sí las etapas que representan acciones consecutivas. Las líneas se entenderán siempre orientadas de arriba abajo, a menos que se represente una flecha en sentido contrario. Dos líneas de evolución que se crucen deben de interpretarse que no están unidas.

 Las transiciones

 

Las transiciones representan las condiciones lógicas necesarias para que finalice la acción o acciones asociadas a una etapa y se inicien las de la etapa o etapas inmediatamente consecutivas. Gráficamente se representan por una línea

cruzada sobre las líneas de evolución.

Reglas de Evolución

El proceso se descompone en etapas, que serán activadas de forma secuencial.

Una o varias acciones se asocian a cada etapa. Estas acciones sólo estarán activas cuando la etapa esté activa.

Una etapa se hace activa cuando la precedente lo está y la condición de transición entre ambas etapas ha sido activada.

La activación de una condición de transición implica la activación de la etapa siguiente y la

desactivación de la etapa precedente.

La etapa inicial tiene que ser activada antes de que se inicie el ciclo del GRAFCET. Un ciclo está formado por todas las etapas posteriores a la etapa inicial.

Estructuras del grafcet

Existen procesos que requieren estructuras más complejas en las que se representan bucles, tomas de decisiones o tareas simultáneas que deben sincronizarse. Para estos

casos el GRAFCET dispone de otras estructuras básicas a partir de las cuales pueden generarse los diagramas de dichos procesos.

Secuencia lineal

La secuencia lineal es la estructura más simple posible y consiste en

una sucesión de etapas unidas consecutivamente por las líneas de evolución y condiciones de transición.

Dentro de un tramo de secuencia lineal solamente una etapa debe estar activa en un instante determinado.

 

Se activa una etapa cuando se encuentra activada la anterior y se cumplan las condiciones de transición entre ambas.

La activación de una etapa implica la desactivación de la anterior.

Una secuencia lineal puede formar parte de una estructura más compleja.

Divergencia y convergencia en “o”

 

La divergencia y convergencia en “o”, a las que llamaremos conjuntamente bifurcación en “o”, forman una estructura en la que existen los siguientes elementos:

               

Una divergencia en “o” en la que se inician varios caminos o subprocesos alternativos posibles.

Una serie de caminos alternativos con una macro estructura lineal, aunque pueden tener otras estructuras más complejas.

Una o más convergencias en “o” de dichos caminos alternativos, de tal forma que la macro estructura deben ser globalmente cerradas.

Las propiedades básicas que cumple la estructura de bifurcación en “o” son las siguientes:

 

A partir del punto de divergencia el proceso podrá evolucionar por distintos caminos alternativos, cada uno de ellos con su propia condición de transición.

Las condiciones de transición de los diversos caminos de divergencia han de ser excluyentes entre sí, de forma que el proceso sólo podrá progresar por uno de ellos.

A nivel de gráfico global, los distintos caminos iniciados como divergencia en “o” deben confluir en uno o más puntos de convergencia en “o”. Dicho de otra forma, la estructura debe ser totalmente cerrada y no pueden existir caminos abiertos, ya que esto provocaría situaciones sin posible salida.

Divergencia y convergencia en “y”

La divergencia y convergencia en “y”, a la que llamaremos conjuntamente bifurcación en “y”, forman una estructura en la que existen los siguientes elementos:

Una divergencia en “y” en la que se inician varios caminos o subprocesos que deben iniciarse simultáneamente cuando se cumpla una determinada condición de transición común

Una serie de caminos simultáneos con una macro estructura lineal, aunque pueden contener otras estructuras más complejas.

Una o más convergencias en “y” de dichos caminos, de manera que la macro estructura debe ser globalmente cerrada.

Las propiedades que cumplen las bifurcaciones en “y” son las siguientes:

 

A partir del punto de divergencia el proceso evolucionará por varios caminos a la vez ejecutando varias tareas simultáneamente.

La condición de transición para iniciar las tareas simultáneas es única y común para todas ellas.

La convergencia en “y” impone de por sí una condición de transición: Todas las tareas que confluyan deben haber terminado para que el proceso pueda continuar.

INSTRUCCIONES PARA EL DIAGRAMA DE RELES o ESQUEMA DE CONTACTOS

La mayoría de las instrucciones están disponibles en forma diferenciada y en forma no diferenciada, distinguiéndose las primeras por un símbolo de arroba (@) delante del nemónico de la instrucción. Una instrucción no diferenciada se ejecuta cada vez que es escaneada siempre que su condición de ejecución sea ON, mientras que una instrucción diferenciada se ejecuta sólo una vez después de que su condición de ejecución pase de OFF a ON. Si la condición de ejecución no ha cambiado o ha cambiado de ON a OFF desde la última vez que fue escaneada la instrucción, ésta no se ejecutará.

Estas seis instrucciones básicas corresponden a las condiciones de ejecución en un diagrama de relés. Cada una de estas instrucciones y cada dirección de bit se pueden utilizar tantas veces como sea necesario, no existe un número limitado ni restricciones en el orden en el que se deben utilizar mientras no se exceda la capacidad del PLC. Las combinaciones de estas condiciones determinan la ejecución o no de las siguientes instrucciones:

OUT y OUT NOT se utilizan para controlar el estado del bit designado de acuerdo con la condición de ejecución. OUT pone a ON el bit designado A para una condición de ejecución ON y lo pone a OFF para una condición de ejecución OFF. OUT NOT pone a ON el bit designado para una condición de ejecución OFF y lo pone a OFF para una condición de ejecución ON.

 

SET pone el bit operando a ON cuando la condición de ejecución es ON y no afecta al estado del bit operando cuando la condición es OFF. RESET pone a OFF el bit operando cuando la condición de ejecución es ON y no afecta al estado del bit operando cuando la ejecución es OFF.

DIFU y DIFD se utilizan para poner a ON el bit designado durante sólo un ciclo de scan. Estas instrucciones se utilizan cuando no hay disponibles instrucciones diferenciadas y se desea la ejecución de una

instrucción sólo en un scan. (El programa se ejecuta continuamente ya que es cíclico. Un scan es una sola pasada a ese programa). Son útiles a la hora de simplificar la programación. Llevan un contacto asociado que se pone a ON durante solo un scan.

IL se utiliza siempre junto a ILC para crear enclavamientos en el programa. Si la condición de ejecución de IL es ON el programa se ejecutará como está escrito, con una condición de ejecución ON para cada instrucción que haya entre IL e ILC. Si la condición de ejecución de IL es OFF no se ejecutarán las instrucciones que hay entre IL e ILC.

El rango de V es de 000.0 a 999.9, sin escribir el punto decimal y N define el número de contador. Un temporizador se activa cuando su condición de ejecución se pone a ON y se resetea de nuevo al valor V

cuando la condición de ejecución se pone a OFF. Existe un contacto asociado que se pone a ON cuando el temporizador termina la cuenta y este contacto asociado será condición de ejecución de cualquier otra instrucción. Los temporizadores se resetean cuando están enclavados entre IL e ILC.

CNT se utiliza para descontar a partir del valor V cuando su condición de ejecución pasa de ON a OFF. Se resetea cuando su contacto de reset se pone a ON. También tiene un contacto asociado que se pone a ON cuando el contador termina de contar el valor V que sirve de condición de ejecución para cualquier otra instrucción. Los contadores no se resetean cuando se encuentran enclavados entre IL e ILC.

Estas son las llamadas instrucciones de transferencia de datos más importantes:

MOV copia el contenido del canal S al canal D cuando su condición de ejecución es ON. S puede ser un canal ó un

direccionamiento inmediato (un valor precedido del símbolo #).

XFER copia los contenidos de los canales S, S+1, S+2,..., S+N a los canales D, D+1, D+2,..., D+N. N tiene que estar en código BCD.

BSET copia el contenido del canal S a todos los canales existentes entre St y E. S también puede ser un direccionamiento inmediato.

XCHG intercambia el contenido de los canales S y T.

7.2 PARTES LÓGICAS DEL PLC

Las partes lógicas son aquellas que intervienen en el procesamiento de datos por parte del PLC, estas partes son:

a. Memoria Programable

Es aquella zona en donde se alojan las instrucciones ingresadas por el programador al PLC

b. Memoria de Datos

Es aquella región en donde se alojan los datos con los que va a trabajar el programa como por ejemplo: la Variable del Proceso, las Variables de Control etc.

c. Dispositivos de Salida

Son aquellos dispositivos encargados de enviar el mensaje al actuador, en el caso del Control de Procesos este mensaje es la Variable de Control.

d. Dispositivos de Entrada

Los dispositivos de entrada se encargan de recibir la información de los medios del exterior tales como los sensores, en el Control de Procesos esta información en la Variable del Proceso.

e. Unidad de Programación

Es aquella unidad que se encarga de la ejecución y control del programa ubicado en la memoria programable.

7.3 EL CONTROL PID

En un sistema con un sistema de control, según sea la forma en que conteste el actuador, distinguiremos distintos tipos de acciones de control, algunas de ellas solamente utilizarán acciones llamadas básicas, aunque lo más común es que respondan mediante una combinación de estas acciones básicas.

Acciones Básicas Combinación de acciones básicas

Proporcional (P) Proporcional - Integrador (PI)

Derivativa (D) Proporcional - Derivativa (PD)

Integral (I) Proporcional - Integral - Derivativa (PID)

Al controlador derivativo también se le llama diferencial.

CONTROL PROPORCIONAL

El control de nivel por flotador que ves en la figura, es un ejemplo de regulación proporcional (que esencialmente es cómo funciona la cisterna del baño de casa)

La válvula de control Ve consigue que el caudal de entrada de fluido en el depósito sea igual al flujo de salida, a base de mantener el nivel constante en el depósito. Regulando la posición del tornillo T, ajustamos el nivel deseado.

Si ocurre un aumento del caudal de salida (por abrir Vs), disminuye el nivel del depósito, que es detectado por el flotador, que por medio de una palanca, modifica la posición la válvula Ve, aumentando el caudal de entrada hasta

conseguir que sea igual al de salida. Entonces, el flotador estará más bajo que al principio, produciéndose un error permanente.

En estos controladores la señal de accionamiento es proporcional a la señal de error del sistema. Recuerda: La Señal de error es la obtenida en la salida del comparador entre la señal de referencia y la señal realimentada, como vimos en el tema 1.

Es el más sencillo de los distintos tipos de control y consiste en amplificar la señal de error antes de aplicarla a la planta o proceso.La función de transferencia de este tipo de reguladores es una variable real, denominada Kp (constante de proporcionalidad) que determinará el grado de amplificación del elemento de control.Si y (t) es la señal de salida (salida del controlador) y e(t) la señal de error (entrada al controlador), en un sistema de control proporcional tendremos:

 

Que en el dominio de Laplace, será:

Por lo que su función de transferencia será:

Donde Y(s) es la salida del regulador o controlador, E(s) la señal de error y Kp la ganancia del bloque de control.

Teóricamente, en este tipo de controlador, si la señal de error es cero, también lo será la salida del controlador. La respuesta, en teoría es instantánea, con lo

cual el tiempo no intervendría en el control. En la práctica, no ocurre esto, si la variación de la señal de entrada es muy rápida, el controlador no puede seguir dicha variación y presentará una trayectoria exponencial hasta alcanzar la salida deseada.

En general los reguladores proporcionales (P) siempre presentan una respuesta con un cierto error remanente, que el sistema es incapaz de compensar.

8. PROCESO EN EL MODULO DE TEMPERATURA

El tercero laboratorio de Operaciones y Procesos Unitarios empieza con el reconocimiento de los componentes que conforman un módulo de control de temperatura, el módulo de control de temperatura es similar al módulo de caudal visto en la primera experiencia. Así se identifica a la sonda que viene a ser parte de un sensor de caudal, la sonda captura la temperatura del proceso y lo envía al controlador. Seguidamente se identifica un calentador (para elevar la temperatura del agua) que tiene formas de tubos, este calentador viene a ser el actuador; a medida que el calentador aumenta la temperatura hay un relay que envía información al controlador. Para concluir se identifica el PLC, la variable de control, quien recibe información de la sonda y determina si el sistema está en sintonía, para lo cual envía una respuesta al variador de temperatura. Una vez identificadas los componentes del módulo de

temperatura se identificó las variables que intervienen. La primera variable es el Set Point , quien es la variable que determina a que temperatura debe estar el proceso ( temperatura final del agua ), una segunda variable es la variable de proceso quien determina la temperatura real del proceso ( en un instante dado ) y la tercera variable es la variable de control quien determinara la sintonía del proceso , cuando la variable de proceso y el Set Point sea la misma el proceso habrá culminado.

Figura 5.1: PROCESO EN EL MODULO DE TEMPERATURA.

MÓDULO DE TEMPERATURA

Sonda (sensor)

Temperatura

Set Point

PLC Relay / Resistencia Actuador (calentador)

Proceso

Figura 5.1 Modulo de temperatura

Figura 5.2 Figura 5.3

Figura 5.4

9. RESULTADOS

Iniciamos con un SET POINT de 25°C y tomaremos tiempos de 10 segundos para obtener los siguientes resultados hasta llegar a la temperatura requerida:

Set Point = 25° C

Temperatura Inicial (registrada) = 22.8° C

Tiempo Temperatura registrada

0 segundo T1 = 22.8° C

10 segundos T2 = 24.3° C

20 segundos T3 = 23.8° C

30 segundos T4 = 24.2° C

Figura 5.5

Figura 5.6

40 segundos T5 = 24.5° C

50 segundos T6 = 24.7° C

60 segundos T7 = 25.0° C

En el módulo se registra que a los 60 segundos se logra la temperatura requerida para el Set Point. Cuando el modulo trabaja en modo automático solo le toma unos segundos en llegar al Set Point. Cuando el modulo trabaja de modo manual, al operario le toma más tiempo en llevarlo al Set Point.

10. CONCLUSIONES

Se observó que en algunas pruebas demoró en alcanzar el valor deseado de temperatura o éste se alcanzó muy rápido, esto es debido a la temperatura del ambiente.

El sistema aumenta la temperatura hasta alcanzar en un nivel muy cercano (o exactamente) el valor deseado, en un tiempo relativamente corto (dependiendo de la temperatura inicial y temperatura deseada).

Manejar controles automáticos trae beneficios como por ejemplo el

hecho de que no hay necesidad de una persona vigilando un sitio donde

el incremento en la temperatura signifique un riesgo, lo cual implica

reducción en los costos.

Los módulos de temperatura son dispositivos de observación que

pueden ser utilizados en muchas aplicaciones tecnológicas en la

industria y existen diferentes tecnologías para controlar la temperatura

principalmente en las industrias químicas.

El uso de los sensores de temperatura puede ser determinante en la

seguridad de las personas, ya que con estos se evita que haya alguien

expuesto a altas temperaturas.

11. RECOMENDACIONES

Se recomienda vaciar el agua del tanque porque la temperatura

puede tardar en regularse hasta la temperatura deseada.

Antes de iniciar el proceso de medición es indispensable asegurarse

que los dispositivos de medición estén en perfectas condiciones y

muy bien colocados, ya que podrían producir datos erróneos.

Es recomendable que el estudiante revise la teoría previa a los

principios empleados en el proceso de medición para evitar posibles

confusiones y malas interpretaciones de los datos.

Se recomienda verificar que la temperatura ambiente no afecte en

gran magnitud las medidas en el cambio de temperatura del

controlador, ya que se podría llegar al Set Point muy rápido o muy

lento para una mejor obtención de datos.

De preferencia, usar el modo automático para el ingreso del Set Point

ya que en el cálculo manual se puede cometer errores.

12. BIBLIOGRAFIA

http://es.wikipedia.org/wiki/Constant%C3%A1n

http://www.sapiensman.com/medicion_de_temperatura/

http://www.termografia.com.mx/Aplicacion-de-la-Termografia-en-la-

Industria-Alimentaria.html

http://www.messer.es/Sectores_y_aplicaciones/

Quimica_y_petroquimica/Control_de_temperatura/

www.aga.com.ec/international/web/lg/ec/likelgagaec.nsf/docbyalias/

app_pc_tempcontrol

http://es.omega.com/prodinfo/controladores-de-temperatura_es.html

http://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura

http://insutecmza.blogspot.com/2011/06/tabla-de-temperaturas.html

http://dircasa-calora.blogspot.com/2009/11/como-trabajan-los-

sensores-de.html

13. ANEXOSCUESTIONARIO

a. Mencionar y detallar 5 aplicaciones del control de proceso de temperatura en la industria.

Termografía en la industria alimentaria

En la Industria Alimentaría el control de la temperatura es de suma importancia a lo largo de toda la cadena producción, transporte, almacenamiento y venta. Las cámaras Infrarrojas ofrecen una solución perfecta para monitorear la temperatura a lo largo de todas las etapas con resultados precisos y extremadamente confiables. La termografía infrarroja (TI) es una de las técnicas no destructivas de análisis y monitoreo de procesos de elaboración de alimentos de mayor crecimiento en los últimos años dado por su alta precisión y rapidez, así como la ventaja de no tener que realizar paros en el proceso que resultan muy costosos.

CRYOCONTROL® - Refrigeración de tanques y reactores

Un control de temperatura adecuado es clave en la industria farmacéutica y química. A menudo es necesario el enfriamiento de reactores hasta temperaturas de -100ºC, a la vez que en el mismo ciclo son necesarias temperaturas elevadas.Consciente de los elevados requisitos de dichas industrias, Messer ha desarrollado el Cryocontrol®, un proceso que proporciona el frío y calor necesarios de forma controlada, con ciclos cortos, cambios de temperatura rápidos y márgenes de desviación de temperatura muy reducidos. Su elevado grado de fiabilidad y bajo mantenimiento hacen del Cryocontrol® una fuente de frío y calor ideal. 

CATCOOL - Enfriamiento de catalizadores

El método convencional para enfriar un catalizador consiste en la recirculación de aire proveniente de un soplador; proceso que demora aproximadamente 3 días. CATCOOL realiza el mismo trabajo, pero en un período inferior a 24 horas, por medio de la inyección de nitrógeno. CATCOOL es un método efectivo y seguro para el enfriamiento rápido de catalizadores y reactores, con el consecuente ahorro de tiempo y costos. Además, CATCOOL puede ser empleado para realizar un cambio de catalizador, remover productos poliméricos o para la limpieza y reparación de reactores. Los parámetros para la realización del trabajo, pueden ser controlados por la unidad móvil AGA High Flow, que regula el caudal, presión y temperatura, a fin de asegurar un enfriamiento rápido y seguro.

CUMULUS® FTC - Control de temperatura de reactores

Figura 10.1 Control de temperatura CRYOCONTROL

Tecnología específica para el control de la temperatura de las reacciones químicas. El sistema de control de temperatura de fluidos CUMULUS® FTC, es un concepto propio patentado por AGA para el enfriamiento de fluidos de proceso sin riesgo de congelación. AGA ha desarrollado un proceso que no solo es efectivo, sino que es controlable a niveles de exactitud nunca oídos (alrededor de +/- 1°C). Mientras numerosos países han prohibido o restringido el uso de equipos de refrigeración que utilicen CFC, el concepto CUMULUS® FTC emplea nitrógeno, argón u oxígeno líquido para enfriar líquidos en forma controlada y con gran precisión en una unidad que es compacta y silenciosa, que no requiere CFCs y que no emite toxinas. Una ventaja adicional del sistema CUMULUS® FTC, es que el nitrógeno utilizado como refrigerante en el proceso, puede ser reutilizado posteriormente, agregando valor a la rentabilidad del sistema. Y, mientras las ventajas económicas son obvias, también tiene un considerable efecto ambiental beneficioso.

TDI - Control de temperatura en lavavajillas industriales

El TDI es un método mediante un cambio de color permanente, donde la temperatura elegida en el lavavajillas ha sido correctamente alcanzada. La temperatura mínima que deben alcanzar los lavavajillas industriales es 71ºC; este es el punto térmico, establecido por la normativa vigente, en el cual se considera que los utensilios sometidos al ciclo de lavado han sido termalmente desinfectados. El indicador autoadhesivo TDI contiene 3 puntos de temperatura y su adhesivo especial, después de soportar el ciclo de lavado completo, puede ser fácilmente despegado al final del proceso para incluirse en el manual APPCC. El cambio de color del TDI es muy fácil de ver ya que pasa claramente de blanco a totalmente negro nada más alcanzarse los 65 / 71 / 82ºC por unos segundos. Se recomienda despegar mientras la superficie todavía está caliente.

b. Realice una gráfica Temperatura Vs Tiempo utilizando 3 valores diferentes del Set Point inicial desde el reposo hasta lograr la sintonía del sistema.

Cuadro 10.1 Temperatura Vs Tiempo

SP(°C) TIEMPO (seg.)

22.8 10

24.2 40

25 70

c. ¿Por qué el tanque en el módulo de temperatura tiene un tanque concéntrico?, explicar.

1. Pues, para evitar accidentes de quemadura, tener contacto físico con el tanque interno del módulo.

2. Mantener la temperatura controlada internamente del sistema

0 10 20 30 40 50 60 70 8021.5

22

22.5

23

23.5

24

24.5

25

25.5

22.8

24.2

25

TIEMPO(seg)

TEMPERA

TURA

(°C)

Gráfica 10.1 Temperatura Vs Tiempo

d. Colocar las fórmulas de las aleaciones del cuadro 3.1

Termopar tipo J (Hierro – Constantán)

Hierro (+) ← Debe estar libre de impurezas

Constantán (-) ← 55%Cu + 45%Ni

Termopar tipo T (Cobre - Constantán)

Cobre (+) ← Debe estar libre de impurezas

Figura 10.2 Tanque del módulo de temperatura

Constantán (-) ← 55%Cu + 45%Ni

Termopar tipo K (Cromel - Alumel)

Cromel (+) ← 64%Ni + 25%Fe + 11%Cr

Alumel (-) ← 94%Ni + 3%Mn + 2%Al + 1%Si

Termopar tipo R (Platino/Rodio(13%) - Platino)

Pt + 13%Rh (+) ← 87%Pt + 13%Rh

Platino (-) ← 100%Pt

Termopar tipo S (Platino/Rodio(10%) - Platino)

Pt + 10%Rh (+) ← 90%Pt + 10%Rh

Platino (-) ← 100%Pt

Termopar tipo B (Platino/Rodio (6%) - Platino/Rodio (30%))

Pt + 6%Rh (+) ← 94%Pt + 6%Rh

Pt + 30%Rh (-) ← 70%Pt + 30%Rh

Termopar tipo E (Cromel - Constantán)

Cromel (+) ← 64%Ni +25%Ni + 11%Cr

Constantán (-) ← 55%Cu + 45%Ni

e. Detallar las propiedades del Constantán así como su aplicación.

El Constantán es una aleación, cuya composición es de cobre en 55% y de Níquel en un 45%. Algunas de sus propiedades son:

Propiedades EléctricasResistividad Eléctrica ( µOhmcm ) 52,0Coeficiente de Temperatura ( K-1 ) +/-0,00002

Propiedades FísicasDensidad ( g cm-3 ) 8,9

Punto de Fusión ( C ) 1225-1300

Propiedades MecánicasAlargamiento ( % ) <45

Dureza Brinell 100-300Impacto Izod ( J m-1 ) 107

Módulo de Elasticidad ( GPa ) 162Resistencia a la Tracción ( MPa ) 400-590

Propiedades TérmicasCoeficiente de Expansión Térmica @20-

100C ( x10-6 K-1 )14,9

Conductividad Térmica a 23C ( W m-1 K-1 ) 19,5Temperatura Máxima de Utilización al Aire

(C) 500

Las aplicaciones del Constantán son las siguientes:

Es utilizado en circuitos de corriente alterna.

En la fabricación de monedas

Forma parte de tres tipos de termopares E, J y T, los cuales son

muy utilizados en la industria.

Posee propiedades que sirven para la medición de deformación.

Se encuentra en las resistencias eléctricas y elementos

termoeléctricos.

Sirven para los contactos eléctricos de los automóviles.

Cuadro 10.2 Propiedades del Constantán

f. Explicar detalladamente el funcionamiento de los sensores de temperatura por rayos infrarrojos.

El diseño más básico consiste en un lente para enfocar los rayos infrarrojos (IR) de energía a un detector que convierte la energía de una señal eléctrica que puede ser representada en unidades de temperatura después de ser compensado por la variación de temperatura ambiente. Esta configuración facilita la medición de temperatura a distancia sin contacto con el objeto a medir. Como tal, el termómetro infrarrojo es útil para medir la temperatura en circunstancias donde los termopares o sensores tipo sonda no pueden obtener datos precisos. Algunas circunstancias típicas son en donde el objeto a medir se mueve, donde el objeto está rodeado por un campo electromagnético, como en el calentamiento por inducción, en donde el objeto se encuentra en un vacío o en atmósfera controlada, o en aplicaciones donde se requiere una respuesta rápida.

Figura 10.3 Presentaciones del Constantán

g. ¿Qué otros controladores existen el mercado?, explicar.

CONTROL DE ENCENDIDO/APAGADO

También conocido como control on/off de la temperatura, este tipo de control es el más sencillo en cuanto a su funcionamiento. Si la temperatura está por debajo de lo establecido, el control envía señales para elevarla, del mismo modo si la temperatura está por encima de lo establecido, el control se activa para disminuirla. Un ejemplo claro es el termostato que está en los hogares, cuyo sistema de funcionamiento es igual a lo explicado anteriormente.

Este tipo de control se utiliza en procesamientos en donde los cambios de temperatura son muy lentos, y no es recomendable usar para controlar con precisión la temperatura.

CONTROL DE TEMPERATURA DE LAZO SIMPLE

Este tipo de control es similar al control de temperatura visto en clase, el cual compara la señal de entrada (variable de proceso) con una señal deseada (el usuario lo introduce), y lo equilibra hasta que la temperatura medida sea lo más cercano posible con la temperatura deseada.

Figura 10.4 Sensores de temperaturas

CONTROL DE TEMPERATURA PROPORCIONAL

Este tipo de control es también de sencillo y similar al control on/off, con la diferencia de que la temperatura requerida por el proceso, esté debajo de la banda de proporcional. Esta banda proporcional se conoce como el intervalo de temperatura en el cual los controles proporcionales determinan el suministro de energía para aumentar o disminuir el calentamiento.

CONTROL PROPORCIONAL INTEGRADO DERVIATIVO (PID)

Es un controlador cuyo fin es hacer que el margen de error entre la señal deseada con la señal de salida, sea cero. Además puede anticipar cuál será la temperatura de salida en la que se ejerce en el proceso. Su uso es necesario para el control de temperatura en los procesos, a pesar de ser solo usados para niveles de controles más bajos. Estos controladores son usados en procesos en donde las contantes de tiempo son largas, por ejemplo en los circuitos de temperatura y los de concentración.

h. Redactar un trabajo de investigación de una hoja (sin contar gráficos) acerca de la lógica neuronal y su aplicación en el control de procesos (en caso de copia de internet u otra fuente, el tema será anulado).

La lógica neuronal es una analogía al funcionamiento de las redes neuronales (o redes de neuronas) de una persona en donde los datos se obtiene de una fuente y son divididos a cada neurona realizando cada una de ellas una operación obteniéndose un conjunto de valores los cuales se vuelven a reunir para dar un resultado final.

Desde el punto de vista de la ingeniería las redes neuronales pueden ser consideradas como sistemas dinámicos que trabajan extraordinariamente paralelamente.

APLICACIONES GENERALES

Se utiliza para la resolución de una variedad de problemas, principalmente los relacionados con control de procesos industriales complejos y sistemas de decisión en general, cuando la complejidad del proceso en cuestión es muy alta y no existen modelos de solución precisos.

Ejecutan transformaciones de los datos entrantes dependiente de sus propios estados mediante funciones de propagación (relacionada a la

entrada de información), de activación (que modifica a la anterior), y de transferencia (que se aplica al valor devuelto por la función de activación).Esta técnica se ha empleado con bastante éxito en la industria, extendiéndose sus aplicaciones a multitud de campos.

EJEMPLO DE APLICACIÓN EN EL CONTROL DE PROCESOS DE LA INDUSTRIA

Ya que en estos tiempos la industria debe aumentar la eficiencia en los procesos industriales. Una aplicación de redes neuronales como sensores que pueden medir variables del proceso, las cuales no pueden ser medidas fácilmente. La ventaja de esto es que habrá una estimación temprana de la calidad del proceso con costos bajos. Ello permitirá el control, y la mejora de un proceso si no cumple las exigencias. Esta aplicación como sensor puede ser empleada en casi toda la industria procesal.