Automatización y Controles Lógicos Programables (PLC) para Hornos Metalúrgicos
Un Trabajo Presentado Para el curso de Hornos Metalúrgicos Ing. Metalúrgica VIII Ciclo Universidad Nacional José Faustino Sánchez Carrión
Gallardo Rea, Carlos A.
Noviembre 2016.
Agradecimiento
Agradezco a mis padres por brindarme su apoyo para con mis estudios, para lograr ser buen profesional y mejorar día a día tanto como persona y como profesional. Al ingeniero a cargo del curso por llevarme al camino de la investigación y del desempeño como profesional.
i.
RESUMEN
El PLC (Controlador lógico programable) es una computadora digital usada para la automatización
de
procesos
electromecánicos,
en
estos
casos
en
hornos
metalúrgicos. Tienen la ventaja, sobre los computadores de uso general, de permitir la configuración sencilla de varios arreglos de entradas y salidas, inmunidad a ruido eléctrico, resistencia a vibraciones e impactos y operación en rangos amplios de temperaturas. Todo esto dado que son máquinas pensadas para uso industrial y por consiguiente resulta perfectamente adecuado para la tarea de automatización que se pretende en el caso de los distintos hornos metalúrgicos.
ii.
Índice
Agradecimiento ........................................................................................ 2 i.
RESUMEN ........................................................................................... 3
ii. Índice ................................................................................................... 4 iii.
Índice de Figuras ............................................................................. 5
iv.
Índice de Anexos ............................................................................. 5
I.
INTRODUCCIÓN ................................................................................. 6
II. Automatización y PLC para Hornos Metalúrgicos ......................... 7 2.1.
Controles Lógicos Programables (PLC) ......................................................... 7
2.1.1. Antecedentes ........................................................................................... 7 2.1.2.
PLC.......................................................................................................... 8
2.1.3.
Funcionamiento de un PLC ................................................................... 10
2.1.4.
Señales que Maneja un PLC ................................................................. 11
2.1.5.
Sistemas de Control Secuencial ............................................................ 11
2.1.6.
Redundancia.......................................................................................... 12
2.1.7.
Control PID ............................................................................................ 12
2.1.8.
Sistema de Control Distribuido .............................................................. 12
2.2.
Hornos de Calcinación en la Mina Loma de Níquel...................................... 13
2.3.
Horno para Tratamiento Térmico (Horno de Mufla)...................................... 15
2.3.1.
Diseño e Implementación del Hardware ................................................ 15
2.3.2.
Desarrollo del Software ......................................................................... 17
2.4.
Hornos de Inducción .................................................................................... 18
2.5.
Colada Continua UP CAST .......................................................................... 19
III. ANEXOS ......................................................................................... 20 IV.
Bibliografía ..................................................................................... 21
iii.
Índice de Figuras
Figura 1.Esquema de Funcionamiento del PLC. ....................................................... 10 Figura 2.tren de Gas.................................................................................................. 14 Figura 3. Tren de Diesel. ........................................................................................... 14 Figura 4. Generador de Llama. ................................................................................. 14 Figura 5. Características de los Distintos CPU del S7-1200 ..................................... 17 Figura 6. Hornos de Inducción. ................................................................................. 18
iv.
Índice de Anexos
Anexo 1. Esquema de un DCS.................................................................................. 20 Anexo 2. Componentes Principales del SIMATIC S7-1200....................................... 20
I.
INTRODUCCIÓN
Al paso de los años la humanidad ha evolucionado gracias a dos características humanas muy importantes: la capacidad de ingenio y la naturaleza curiosa, permitiéndole al hombre materializar cosas que al principio solo pueden existir en nuestra imaginación. Pero sin lugar a duda la característica fundamental humana es la de tener la necesidad de controlar todo lo que alrededor sucede, y de no ser así al menos buscar una explicación y alguna aplicación a su favor para dichos fenómenos. Todo esto ha permitido desarrollar una variedad de inventos y productos, y también buscar la manera de ir mejorando los procesos de productos asociados a éstas creaciones. Con la aparición de los microprocesadores (electrónica del estado sólido), la tecnología tuvo un crecimiento asombroso, y con ella aparecieron elementos o sistemas que permitieron controlar de manera “inteligente” y eficiente los proces os representando un cambio muy significativo.
A partir de este avance tecnológico los sistemas de control, en especial para la industria, han crecido y se han expandido mediante diversas técnicas e implementaciones. Particularmente en el caso de la industria metalúrgica estos dispositivos conocidos como PLC son el elemento clave para controlar los procesos y desarrollar la actividad metalúrgica.
II.
Automatización y PLC para Hornos Metalúrgicos
2.1. Controles Lógicos Programables (PLC) 2.1.1. Antecedentes A finales de los años 60 y con el apogeo de la electrónica del estado sólido se empiezan a establecer los requerimientos para la creación de un dispositivo de control más flexible, que pueda ser programado fácilmente y que como parte de su funcionamiento incluya estado sólido para reducir el desgaste y el cableado, que fuera resistente a ambientes industriales, expandible, reajustable y que por ende redujese el tiempo de reparación y paradas de planta. Más específicamente fue un requerimiento generado por la industria automotriz liderada por General Motor (GM) para la implementación de un proceso automatizado en su planta de fabricación de transmisiones automáticas para automóviles GM Hydramatic. De este modo surgieron los primeros dispositivos relacionados o parecidos a lo que hoy día conocemos como controlador lógico programable PLC. Desde que aparecieron los primeros PLC hasta nuestros días, éstos han experimentado un proceso de evolución a consecuencia del desarrollo de componentes electrónicos como microprocesadores, memorias, etc. cada vez más rápidos y poderosos. Esta evolución se caracterizó porque inicialmente sólo realizaba control ON/OFF, es decir pura lógica digital, y ya ahora hay incorporación de funciones de comparación, capacidades aritméticas y de manipulación de datos, incremento de su capacidad de memoria, incorporación de capacidad de comunicación, desarrollo de interfaces de entrada/salida remotas, funciones de control analógico, PID, incorporación de mecanismos de detección de fallas, software para su uso y posibilidad de integración con los equipos de una planta y entre los diferentes niveles jerárquicos de la organización.
2.1.2. PLC Hoy en día en la industria podemos definir a los controladores lógicos programables como dispositivos de estado sólido que tienen la capacidad de almacenar instrucciones para implementar funciones de control, tales como:
Control de eventos secuenciales.
Control temporizado.
Funciones de contador.
Funciones aritméticas.
Manipulación de datos.
Comunicación.
Desde el punto de vista de su estructura se puede decir que el PLC está constituido fundamentalmente por una unidad central de procesamiento (CPU), una serie de circuitos interfaces para los elementos de campo (conexión entrada/salida con el mundo real) y dispositivos para la programación. 1. Unidad central de procesamiento (CPU), constituida por: Procesador.
Memoria.
Fuente de alimentación.
2. Módulos de entrada/salida.
Módulos digitales.
Módulos analógicos.
Módulos especiales.
3. Dispositivos de programación.
Software especial.
Simuladores.
Interfaces humano máquina HMI.
La posibilidad de realizar tareas de control simple y repetitivo, como el encendido y apagado de elementos de una máquina sencilla, hasta ejecutar tareas de control sofisticadas y a gran escala en una planta, le dan a los PLC una importancia cada vez mayor dentro del mundo de la automatización de sistemas. Las principales áreas de aplicación donde se han incorporado PLC son:
Industria química y petroquímica.
Industria de la manufactura.
Industria del papel.
Industria del vidrio y plástico.
Industria alimentaria.
Industria metalúrgica.
Generación y distribución de energía eléctrica.
La arquitectura flexible y modular de los PLC, permite adaptar el sistema de control a cambios o expansiones del proceso que se está controlando. Su fácil instalación, mínimo mantenimiento y alta confiabilidad son factores importantes a la hora de implementar soluciones utilizando PLC.
2.1.3. Funcionamiento de un PLC El principio de operación del PLC se basa en la ejecución cíclica del programa de control que se encuentra almacenado en su memoria. Para ello el procesador lee o acepta los datos o señales de los elementos de campo que llegan a todas las entradas del dispositivo, ejecuta la lógica del control del programa que le fue almacenado y escribe o actualiza todas las salidas a las que está conectado por medio de las interfaces de salida. Este proceso secuencial de leer entradas, ejecutar el programa y actualizar las salidas es conocido como “scanning” o
barrido.
Figura 1.Esquema de Funcionamiento del PLC.
Este ciclo de barrido es la característica fundamental de los PLC comparado con un sistema de computación común. A diferencia de un programa de computadora donde el programa tiene un ciclo descendente y las instrucciones se van realizando de modo secuencial a través de las líneas de código y el procesamiento se puede detener dentro de una rutina específica, los PLC ejecutan todas sus líneas de código cada vez, es decir leen todas las entradas y las almacenan en una tabla, operan todas las líneas de código con los datos de la tabla activando las acciones que cumplan con los requisitos programados según el estado de las entradas, y al final del ciclo escribe todas las salidas en una tabla que se activan a las señales físicas.
El lenguaje de programación varía según la interfaz, pero en general es bastante iconográfico y varía desde instrucciones en tipo escaleras que imitan a un diagrama eléctrico, a íconos con forma de compuertas lógicas que se interconectan, y claro está para funciones especializadas y lenguaje avanzado las instrucciones en forma de código directo. 2.1.4. Señales que Maneja un PLC Las señales que maneja un PLC son de varios tipos, pero en general podemos agruparlos en dos, señales digitales y señales analógicas. Las primeras indican solamente dos estados, 1 o 0, ON/OFF y son señales eléctrica de voltaje que pueden ser de 0-10V, -10V, +10V y más comúnmente 0 y 24 V. las segundas, pueden ser de voltaje o de corriente y su función es dar un valor proporcional a la variable de campo medida, es decir no tiene solo dos estados como 0 y 1 sino que brinda un rango completo entre 0 y 100% de la calibración del instrumento para alguna variable. Lo más común en la industria es que la señal sea una señal de corriente entre 4 y 20mA, la elección de este valor viene dado por la forma de construcción de los trasmisores y obedece a dos detalles importantes, en primer lugar al ser una señal de corriente y no de voltaje permite alcanzar mayores distancias sin deformar su contenido a diferencia del voltaje, y en segundo lugar que no existía nivel cero sino que éste al estar ligado a 4mA permite obtener información sobre la desconexión o rotura del cable sirviendo así de diagnóstico para el sistema. 2.1.5. Sistemas de Control Secuencial Un sistema automatizado de control secuencial es aquel que se encarga de ejecutar ciertos pasos pre establecidos de manera coordinada y muchas veces repetitivas con el fin de controlar en general algún proceso y más específicamente en la mayoría de los casos alguna actividad dentro de un proceso final industrial.
En otras palabras, son sistemas que realizan una función específica para la que fueron programados luego de que se de alguna condición particular para la ejecución de sus acciones. La interacción del sistema de control con el proceso es mediante elementos medidores y actuadores que traen señales desde el proceso y las envían al mismo. 2.1.6. Redundancia Uno de los factores claves para los sistemas de seguridad es la redundancia, y como su nombre lo indica esto consiste en la repetición de una misma información, esto permite tomar decisiones más seguras y tener una mayor certeza de que las respuestas del sistema serán llevadas a su destino. La redundancia en un sistema de control basado en PLC viene dada de muchas maneras, puede existir en el cableado, en los elementos de campo, es decir tener dos o más elementos midiendo lo mismo, y redundancia en el sistema de control, es decir dos o más controladores procesando la misma información y verificando que las decisiones sean las mismas, de haber discrepancia indica un posible error en el sistema. 2.1.7. Control PID Los controles PID (Proporcional Integral Derivativo) son dispositivos electrónicos de control cuya tecnología intenta mantener la salida de un proceso en un nivel predeterminado deseado afectando para ello las variables de entrada del proceso. Para mantener una salida constante, el controlador mide la salida del sistema y controla la entrada, y aplica modelos matemáticos a la diferencia de dos señales, que es el denominado error. El error es luego tratado en tres diferentes maneras simultáneamente (proporcional, integral y derivativo). 2.1.8. Sistema de Control Distribuido En un sistema de control distribuido (SCD o DCS) se permite al operador monitorear y controlar todos y cada uno de los lazos de control en la planta a través
de enlaces de comunicación de alta velocidad. Es decir, en vez de existir una unidad central encargada de controlar todos los procesos, en distintos lugares de la planta, según la sección del proceso y la necesidad de control, existe una o más unidades de procesamiento que toman decisiones sobre el proceso específico al cual controlan. De esta forma con el DCS se está respondiendo más eficientemente que una sola computadora o unidad de procesamiento (PLC, etc.) que centralizan toda la data. Claro está que entre todas las unidades existe una interconexión que permite al operador hacer cambios a cualquiera desde el mismo lugar, y además intercambiar señales si dos o más unidades comparten un proceso o son parte de una secuencia.
2.2. Hornos de Calcinación en la Mina Loma de Níquel Los hornos calcinadores de Minera Loma de Níquel permiten tanto la pre reducción con carbón, como el precalentamiento del material a temperaturas cerca de los 900-1000°C para su posterior proceso de reducción, fundición y refinación. En cuanto al sub sistema de quemador de los hornos calcinadores que genera la llama dentro de la cámara del horno, puede estar alimentado tanto por Diesel como por gas natural e inclusive en un modo dual o combinado donde se mezcla tanto Diesel como gas para producir llama. Para el control de dicho sistema existe un panel de operación local ubicado en el área del quemador, y un PLC S595F de seguridad redundante ubicado en un panel o armario de la sala de PLC en un nivel inferior al del quemador. A grandes rasgos el sub sistema del quemador físicamente está compuesto por 3 segmentos, el tren de gas que contiene las válvulas y elementos para controlar el suministro de gas hacia el horno, el tren de alimentación de Diesel y el generador de llama como tal que introduce los combustibles en la cámara del horno para su ignición.
Figura 2.tren de Gas.
Figura 3. Tren de Diesel.
Figura 4. Generador de Llama.
2.3. Horno para Tratamiento Térmico (Horno de Mufla) 2.3.1. Diseño e Implementación del Hardware El sistema consta de un horno eléctrico tipo mufla, dentro del cual se instalan los sensores de temperatura cuya señal se conecta directamente al PLC a través de su módulo para entradas análogas tipo termocupla; el PLC internamente verifica los valores programados del tipo de calentamiento empleado, el tiempo de permanencia y la temperatura máxima a alcanzar y visualiza permanentemente el estado del equipo a través del HMI local; adicionalmente el sistema consta de un interruptor magnético instalado en la puerta, el mismo que alerta su apertura. Los elementos de control y señalización se encuentran dentro del tablero de control, el mismo que tiene un switch de encendido y un HMI local de interfaz táctil que permite ingresar y revisar los datos del proceso. El sistema se conecta al PC en donde se desarrolló una HMI remoto mediante comunicación Ethernet. 2.3.1.1.
Condiciones del Trabajo del Sistema
Para lograr que el sistema funcione adecuadamente para su posterior desarrollo se debe tener en cuenta que el horno va a trabajar a una temperatura entre 450 y 950°C con un tiempo de permanencia entre 15 y 60 minutos, en tal sentido es necesario que el usuario pueda programar tanto la temperatura máxima de calentamiento como el tiempo de permanencia para la utilización del horno. La velocidad de calentamiento no es un dato que afecte de forma determinada el desarrollo del tratamiento térmico, pero su valor promedio es de aproximadamente 20°C/min, su valor estaría condicionado por la capacidad de calentamiento del horno y sería otro dato que debe ser programado por el usuario.
2.3.1.2.
Sistema de Apertura y Detección
La puerta tiene un sistema de apertura hacia abajo con bisagras en la parte inferior, el desgaste del horno ocasiona que el cierre no sea hermético y el calor se disipe; siendo evidente que las altas temperaturas características de estos procesos generan un alto riesgo para el usuario del sistema; hecho que obliga a mitigar la inseguridad existente al abrir la puerta, en tal sentido se utiliza el interruptor magnético para alertar al usuario la apertura de la puerta del horno. 2.3.1.3.
PLC S7-1200 SIMATIC
Los sensores de temperatura constituyen la principal entrada que se utiliza para controlar el funcionamiento de los hornos, en tal sentido es importante utilizar adecuados elementos que permiten interpretar correctamente estas señales y realizar las acciones requeridas para el correcto funcionamiento del horno; sin que las altas temperaturas de operación afecte su correcto desenvolvimiento. El elemento central para ejercer el control del proceso es el SIMATIC S7-1200 de SIEMENS, el mismo que es un PLC modular compacto de excelentes prestaciones y potentes funciones que lo convierten en una muy útil alternativa para la automatización de procesos que se pueden implementar con ayuda de su software de programación TIA Portal. El PLC S7-1200 está conformado por un microprocesador, una fuente de alimentación, circuitos de entrada y salidas analógicas y digitales, uno o varios puertos Ethernet. El PLC SIMATIC S7-1200 está disponible en cuatro versiones de CPU que trabajan con una alimentación de voltaje entre 85 y 264VAC a una frecuencia de operación entre 47 y 63Hz, estas opciones de CPU se diferencian por su capacidad de memoria y principalmente por la cantidad de entradas y salidas disponibles como se referencia en la siguiente figura.
Figura 5. Características de los Distintos CPU del S7-1200
La selección de la mejor alternativa del CPU utilizados se da en base a los requerimientos de las entradas y salidas necesarias para la implementación del sistema, en tal sentido se realiza el análisis de entradas y salidas. 2.3.2. Desarrollo del Software El software constituye el alma de cualquier sistema de automatización y control al permitir su funcionamiento y definir los detalles de operación de todos los componentes del hardware. Para la automatización del horno se utiliza como base de control al S7-1200 de SIEMENS, el mismo que configura usando el software TIA PORTAL V11. El sistema posee un HMI local basado en una pantalla táctil marca Delta, la programación que gobierna el funcionamiento de este equipo se realiza con ayuda del software DOPSoft 1.01.08; adicionalmente el prototipo puede conectarse con un computador donde se ejecuta el HMI remoto, el mismo que se configura usando LabVIEW 2011 que constituye una herramienta de programación gráfica muy versátil para el diseño de sistemas de control y automatización. LabVIEW se basa en un código gráfico denominado lenguaje G, cuya principal característica es la facilidad de uso que permite hacer programas relativamente complejos con una rapidez y facilidad que podría resultar casi imposible de conseguir con lenguajes de programación tradicionales.
2.4. Hornos de Inducción El horno de inducción es un tipo de horno eléctrico de fusión. Este aparato está a la vanguardia del procesamiento moderno y refinamiento de metal. Se trata de un avance significativo en comparación con otros artefactos de calefacción que tiene ante sí y, otros que todavía están en uso hoy en día. En comparación con los hornos tradicionales, el horno de inducción es más flexible en cuanto al procesamiento de los metales. Puede procesar casi cualquier tipo de metal. Su funcionamiento está abierto a adaptaciones. Esto significa que los operadores pueden calibrarla para ciertos propósitos. Con el control del PLC, esta máquina está abierta a ajustes para que se pueda procesar el metal o combinar metales para un propósito particular. Se puede fundir una amplia variedad de metales ferrosos y no ferrosos así como otros metales.
Figura 6. Hornos de Inducción.
La automatización de un horno de inducción da a los operadores el acceso a información precisa y detallada sobre los parámetros eléctricos durante el funcionamiento. La pantalla digital muestra información sobre el dispositivo, como el nivel de calor que tiene y la cantidad de electricidad que está consumiendo. Esto se traduce en un mejor grado de control y procesamiento.
El horno de inducción es una máquina eficaz y de fácil mantenimiento. Ofrece monitoreo constante de las zonas críticas a través de su pantalla digital. Esto permite a aquellos que la operan, prevenir los fallos de funcionamiento, averías y sustituir las piezas antes de un eventual fallo total. Sin esta función, las operaciones serían interrumpidas cuando estas partes fallen durante el uso de la máquina.
2.5. Colada Continua UP CAST Actualmente el principal campo de aplicación de la tecnología de colada continua vertical ascendente es la fabricación de alambrones de cobre y sus aleaciones, siendo la industria de alambres y cables el mayor consumidor de estos productos. No obstante, esta tecnología ha sido usada para colar barras, placas, alambrón habiéndose comprobado su comportamiento en trefilación. Se da inicio al proceso de colada continua vertical ascendente con la inserción de una barra de acero que en su extremo tiene roscada una punta de cobre o acero. Una vez la barra es insertada, el metal fundido se solidifica sobre la punta de arranque, y la barra de acero es jalada hacia arriba en pasos continuos de la máquina de tracción que es controlada por un PLC. Cuando el alambrón, barra o placa pasa por la máquina de tracción, la barra de acero es removida y la punta de arranque es cortada. A partir de este momento el proceso es automático y el producto colado del diámetro y forma deseado se enrolla usualmente en bobinas.
III.
ANEXOS
Anexo 1. Esquema de un DCS.
Anexo 2. Componentes Principales del SIMATIC S7-1200.
IV.
Bibliografía
Briceño Herrera, G. J. (2006). Control basado en PLC S7 de los hronos calcinadores de Minera Loma de Níquel. Sartenejas: Universidad Simón Bolívar.
Electricos, E. y. (noviembre de 2009). Controlador Lógico Programable . Obtenido de http://www.efn.uncor.edu/departamentos/electrotecnia/cat/eye_archivos/apunt es/a_practico/CAP%209%20Pco.pdf Herrera García, M. V. (2015). Automatización de Hornos para Tratamiento Térmico. Quito: Escuela Politécnica Nacional. Huaytay Lingán, V. H. (2013). Diseño de un Sistema de Supervisión y Control del Proceso de Ecualización en la Planta de Tratamiento de Aguas Industriales de la Empresa Doe Run Perú. Trujillo: Universidad Privada Antenor Orrego.
Montoya Otálvaro, J. D. (2009). Control y Automatización de un Horno de Secado de Madera. Medellín: Universidad Nacional de Colombia.
