UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR
DE
SAN MARCOS
(Universidad del Perú, DECANA de América)
FACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIAL E.A.P. INGENIERÍA INDUSTRIAL Experiencia nº 4
MÓDULO DE PRESIÓN Curso
: Laboratorio de operación de procesos unitarios
Horario
: Lunes de 2-4 pm
Profesor : Ing. Manuel Godoy Martínez
Alumnos
:
* Jollana Carrascal Cristian 10170256 * Neira Zavala Robert
10170138
* Quiroz Huerta Henry
08170121
* Saavedra Pinedo Daniel
02170129
* Tello Rosado Abel
10170162
* Vitor Advíncula Arnold
10170015 0
Ciudad Universitaria, 10 de Junio del 2013
INDICE
Tema
Página
1. Resumen.................................................................................2 2. Introducción...........................................................................3 3. Objetivos.................................................................................4 4. Fundamentos Teóricos..........................................................5 5. Procedimiento........................................................................9 6. Resultados............................................................................10 7. Conclusiones........................................................................11 8. Recomendaciones...............................................................12 9. Bibliografía...........................................................................13 10. Anexos................................................................................14
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1. RESUMEN En el presente laboratorio se trató sobre el Sistema de Control de Presión. Tiene como finalidad, la evaluación del control de la presión. Para el desarrollo de este laboratorio controlamos el proceso mediante el PLC que se encargará de controlar el Set Point (valor indicado) y mantenerlo constante mediante reguladores. El modulo de presión emula una planta de control de presión de cualquier proceso y un adecuado control de la presión en la industria ayuda a tener un nivel de presión adecuado en el desarrollo de las actividades industriales (fabricación de diversos productos) y la seguridad del personal.
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2. INTRODUCCION El control de procesos es importante en un proceso industrial; porque medir variables como la temperatura, caudal, y presión entre otras; permiten trabajar en condiciones seguras; en el presente informe trataremos sobre la variable presión. Es importante tener en cuenta esta variable porque todos los materiales tienen una presión máxima de operación en condiciones seguras, además la presión tiene efectos directos e indirectos sobre los productos terminados. En el presente informe entenderemos conceptos básicos acerca de la presión, unidades de medida, etc. Además se podrá observar cómo se lleva un control de la presión en un proceso automatizado, que se realiza en el laboratorio del CEMA, también se notara que una de las formas de medir la presión es variando el caudal; conoceremos los instrumentos y dispositivos que sirven para medir la presión, además las diversas aplicaciones que se están desarrollando en la actualidad, se analizaran algunos diagramas de procesos donde se involucra la medición de la presión; por último se realizara una simulación de un control de proceso con la ayuda del software labview, los resultados de esta simulación podrán ser exportados a una tabla de Excel.
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3. OBJETIVOS
Conocer los conceptos en el control de la presión y la utilidad del sistema de control de la presión en los procesos industriales.
Examinar y analizar los instrumentos, las funciones que estos realizan y sus características dentro del módulo de presión.
Conocer la función que realiza el modulo de presión, así como el procedimiento para la medición de la presión que varia dentro de dicho módulo e identificar los factores que generan dichas variaciones.
Controlar la presión manteniendo el sistema estable (en base a una presión seleccionada o requerida), desarrollar un ajuste de este sistema para un mejor control de presión.
Identificar las diferencias entre el control manual y el automático (sus ventajas y desventajas) del módulo de temperatura.
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4. FUNDAMENTOS TEORICOS DEFINICIÓN DE PRESIÓN En el informe ESTÁTICA DE FLUIDOS (Robert Mott, 2011) se define a la presión como la intensidad de fuerza que se ejerce sobre una unidad de área determinada. Mientras la fuerza que actúa sobre una superficie dada sea mayor, mayor será la presión. El área de la superficie para una determinada fuerza es inversamente proporcional a la presión resultante. En la figura se ilustra la presión ejercida sobre un punto cualquiera de masa líquida.
Figura 4.1 Presión
UNIDADES DE PRESIÓN En la presentación SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (ALFARO LOPEZ, 2009) se indica que la unidad de presión en el SI es el pascal (Pa) y se define como la presión correspondiente a una fuerza de un newton de intensidad actuando que actúa perpendicularmente sobre una superficie de un metro cuadrado. 5
Sin embargo, existen otras unidades utilizadas por la presión como la atmósfera y el bar.
Cuadro 4.1 Equivalencias de unidades
Fuente: (PROGON Producciones Generales S.A., 2010)
TIPOS DE PRESIÓN En la presentación TIPOS DE PRESIÓN (ROA RODRIGUEZ, 2012), se consideran las siguientes formas de presión: PRESIÓN ATMOSFÉRICA: Denominada también presión barométrica. Es la presión ejercida por los gases que conforman la atmósfera en cualquier punto de la misma. La presión atmosférica a nivel del mar en unidades internacionales es 101325 N/m². La presión atmosférica se puede medir con el barómetro. La figura muestra un modelo de barómetro.
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Figura 4.2 Barómetro Digital
1. PRESIÓN ABSOLUTA: Es la suma de la presión atmosférica con la presión manométrica, también se puede definir como la presión de un fluido medido con referencia al vacío perfecto o cero absoluto. La ecuación de la presión se encuentra definida por: P = gh, donde: es la densidad, g la gravedad y h la altura. 2. PRESIÓN MANOMÉTRICA: Se define como la diferencia entre la presión absoluta y la presión manométrica, donde la presión absoluta es mayor que la presión atmosférica. Se utiliza como instrumento de medición al manómetro.
Figura 4.3 Nanómetro de tipo Bourdon
3. PRESIÓN DE VACÍO: Es la diferencia entre la presión atmosférica menos la presión absoluta. El instrumento de medición es el vacuómetro el cual permite efectuar ensayos muy rápidos, pero efectivos en lo cuanto al estado de funcionamiento de las válvulas, el 7
carburador y el encendido. Además la presión absoluta es menor que la atmosférica.
TIPOS DE MEDIDORES DE
Figura 4.4 Vacuómetro
PRESIÓN
De la presentación ELEMENTOS DE MEDICIÓN Y CONTROL (A.Díaz, 2008), se consideraron los siguientes tipos:
MEDIDORES MECÁNICOS: Elementos primarios encargados de medir directamente la presión comparando con la presión ejercida por un líquido de densidad y altura previamente conocidas. Por ejemplo: barómetro cubeta, manómetro de tubo en U, manómetro de campana.
MEDIDORES ELECTROMECÁNICOS: En estos medidores de presión se utiliza un transmisor electrónico que genera una señal en base a la posición de un sensor. La presión ejercida es determinada por la posición donde se encuentra el sensor. Encontramos los siguientes tipos de medidores electromecánicos: transmisores electrónicos de equilibro de fuerza, resistivos, magnéticos, capacitivos.
MEDIDORES NEUMÁTICOS: En estos medidores de presión se utilizan elementos mecánicos con desplazamiento de gases.
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5. PROCEDIMIENTO Módulo de Presión El módulo de presión emula una planta de control de presión de cualquier proceso (por ejemplo en la industria de alimentos o de cauchos, donde el sostenimiento de una presión determinada es crítico. El instrumental básico que debe tener un módulo de control de presión es el siguiente: Transmisor de presión: se encarga de enviar la señal de la magnitud de presión en rangos estándar que un controlador pueda interpretar y actuar en consecuencia. Actuador: se encarga de liberar o elevar la presión en un contenedor en donde se lleva a cabo el proceso. Elemento final de control: recibe señales estándar del controlador y mueve el actuador en consecuencia. Controlador de presión: se encarga de enviar señales apropiadas al elemento final de control basándose en señales provenientes del proceso (en este caso presión). En el módulo de presión de la universidad se distinguen dichos elementos, además de algunas protecciones necesarias para garantizar la seguridad del operario.
Experiencia Básicamente la experiencia consistía en controlar la variación de la presión, ya sea de forma manual o automática. Operación en forma manual: Una vez seleccionada la forma manual, se introduce el Set Point en la pantalla, se verá una cantidad variable que se tiene que regular 9
manualmente, esto se realiza con una perilla que se encuentra al lado derecho en el módulo, una vez regulado el valor no se queda constante sino que varía y habría que repetir el procedimiento anterior todas las veces que sea necesario. Operación de forma automática: Se selecciona la forma automática, se introduce el Set Point en la pantalla, en ese momento el PLC recibe información del sensor de temperatura y lo procesa para luego envía los resultados al actuador para que éste se regule automáticamente. Al igual que en la forma manual la presión varía si maniobramos la válvula inferior y como el proceso está controlado automáticamente el PLC buscaría una solución para mantener controlada la presión.
6. RESULTADOS Iniciamos con un SET POINT de 14 bar. y tomaremos tiempos de 5 segundos para obtener los siguientes resultados hasta llegar a la temperatura requerida:
Set Point = 16 bar. Presión Inicial (registrada) = 14 bar. Tiempo
Presión registrada
0 segundo
P1 = 14 bar.
5 segundos
P2 = 14.6 bar.
10 segundos
P3 = 14.8 bar.
15 segundos
P4 = 15.2 bar
20 segundos
P5 = 16 bar
En el modulo se registra que a los 20 segundos se logra la presión 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
7. CONCLUSIONES Se reconoció el manejo que tiene el módulo de presión en el proceso y se identificaron sus principales componentes (bomba centrifuga, controlador, sensores, actuador) y sus funciones. Se observó que era necesario que no queden “bolsas” de aire dentro del módulo (en especial en la bomba centrífuga), ya que esta “cantidad de aire adicional” afectaba el proceso de la medición de la presión tal como sucedía con la temperatura del ambiente en el módulo de temperatura. Se observó que el módulo de presión aumentó la presión (dependiendo del valor que le ordene el controlador) hasta alcanzar el valor aproximado (o exacto) del Set Point ingresado en un tiempo corto (realmente corto) y lo mantuvo estable. Como el proceso se puede hacer de 2 maneras diferentes (manejo manual y manejo automático), se concluye el manejo automático del modulo de presión tiene a ser más exacto que el manejo manual a la hora de obtener los diferentes valores de la presión medidos. Se observó que los módulos de presión simula una planta de control de presión de muchos procesos industriales, es por eso son usados en muchas aplicaciones industriales (como el control de la presión en el área de trabajo de una persona evitando así que trabaje a elevadas o bajas presiones pudiendo afectar su integridad física) y existen diferentes tecnologías para el control de la presión.
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8. RECOMENDACIONES Antes de usar la bomba centrífuga, llenar con agua la tubería de succión y la carcasa de la bomba evitando que queden “bolsas” de aire dentro de la bomba. Antes de iniciar el proceso se recomienda verificar que las válvulas estén abiertas (o en correcta posición). Se recomienda revisar la teoría previa para evitar un manejo inadecuado en la obtención de datos del módulo en el proceso de medición de presión. Escuchar las indicaciones para la manipulación de los controles dentro del módulo para evitar una mala manipulación, en caso de encontrar una falla avisar de inmediato a las personas encargadas (no intentar solucionar ya que por desconocimiento se podría llegar a dañar el módulo). Para el control de la presión se recomienda, de preferencia, usar el modo automático (es más preciso) en lugar del modo manual, generalmente en el ingreso del Set Point y la obtención de datos.
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9. BIBLIOGRAFIA http://spain.gcegroup.com/es/aplicaciones-industriales/ http://www.bronkhorst-cori-tech.com/es/es/coriolis_medidores_y_controladores/ http://www.ab.com/es/epub/catalogs/12768/229240/2286210/9861080/9861082/pri nt.html http://www.sick.com/es/eses/home/products/product_portfolio/instrumentation/Pages/pressuresensors.aspx http://www.interempresas.net/Quimica/Articulos/102871-Transmisores-de-presionpara-el-control-de-procesos.html http://www.sick.com/instruments/EN/home/products/pressure_sensors/Pages/PBS .aspx http://lbetanc7230.blogspot.com/2007/05/tipos-de-sensores.html http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/magnetic/hall.html Dr. Juan J. Gonzáles de la Rosa, J.A. (s.f.). APUNTES DE TRANSDUCTORES. Universidad de Cádiz, Cádiz, España.
10. ANEXOS 13
CUESTIONARIO
a. Defina brevemente cinco aplicaciones industriales del control de proceso para la presión (indicar en qué procesos y con qué instrumentos). Proceso: Control de dosificación mediante medidores de caudal másico y volumétrico de líquidos. Instrumento: Medidores / Controladores de Caudal Másico por efecto Coriolis de Bronkhorst CoriTech, son adecuados para todo tipo de aplicaciones en ambientes industriales, químicos, médicos y de laboratorio. Se pueden ofrecer equipos compactos para dosificación de caudal másico de líquidos, en combinación con una bomba de engranajes, por ejemplo: como alternativa a los métodos de llenado y dosificación volumétricos, medidas directas del caudal másico independientede las propiedades del fuido.
Proceso: Control de sistemas neumáticos. Instrumento: Controles de Presión Boletín 836, pueden usarse para controlar sistemas neumáticos, manteniendo las presiones pre-seleccionadas entre dos valores. Los controles de presión pueden usarse para detectar sobrepresiones de gases o líquidos para proteger máquinas, procesos y personal. También pueden usarse para detectar bajas presiones para proteger el equipo contra pérdida de refrigerante y lubricación.
Proceso: Control de presión en medios líquidos y gaseosos. Instrumento: Transmisor de presión flexible PFT, el transmisor PFT está destinado a aplicaciones industriales, como en ingeniería de maquinaria e instalaciones, sistemas de máquinasherramienta, sistemas hidráulicos y neumáticos, sistemas de control de presión y bombas y compresores. El PFT ofrece una excelente precisión en todo el intervalo de temperaturas de funcionamiento. Existe una versión con un intervalo de temperaturas ampliado hasta los 150 °C disponible opcionalmente a petición. Existen numerosos conectores de proceso personalizados de serie. La presión en medios concretos, como sedimentos, fangos, pasta o líquidos especialmente viscosos puede medirse por medio de una membrana de acero inoxidable opcional de montaje enrasado.
Proceso: Transmisores de presión para el control de procesos químicos. Instrumento: Sensores de película delgada, gruesa o piezoresistivos (instrumentos WIKA), captan el valor de la presión o la variación de la misma dentro del proceso y la convierten en una señal eléctrica normalizada, por ejemplo de 4 a 20 mA o de 0 a 5 V.
Proceso: Control de Bombas y Compresores. Instrumento: PBS Interruptor de Presión Universal con IO-LINK, es un interruptor electrónico de presión, transmisor y pantalla en un dispositivo. El PBS tiene una membrana de acero inoxidable soldada circularmente. Por lo tanto, es muy adecuado para una gran variedad de medios corrosivos.
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b. Realice una gráfica Presión Vs Tiempo utilizando 3 valores diferentes del Set Point inicial desde el reposo hasta lograr la sintonía del sistema.
Set Point (bar.)
TIEMPO (seg.)
14.8
10
15.2
15
16
20 Cuadro 10.1 Presión Vs Tiempo
16.2 16
16
15.8 15.6 15.4
PRESIÓN (bar)
15.2
15.2 15 14.8
14.8 14.6 14.4 14.2 8
10
12
14
16
18
20
22
TIEMPO(seg)
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Gráfica 10.1 Presión Vs Tiempo
c. ¿Qué es el efecto Hall?, explicar brevemente. Si una corriente eléctrica fluye a través de un conductor situado en un campo magnético, éste campo ejerce una fuerza transversal sobre los portadores de cargas móviles, que tiende a empujarlas hacia un lado del conductor. Esto es más evidente en un conductor plano delgado como el mostrado. La acumulación de cargas en los lados del conductor, equilibrará esta influencia magnética, produciendo un voltaje medible entre los dos lados del conductor. La presencia de este voltaje transversal medible se llama efecto Hall en honor de E. H. Hall que lo descubrió en 1879. Note que la dirección de la corriente I en el diagrama es la de la corriente convencional, de modo que el movimiento de electrones es en la dirección opuesta. Eso confunde aún más todas las manipulaciones de la "regla de la mano derecha" que debemos realizar para obtener las direcciones de las fuerzas.
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Figura 10.1 Sonda Hall para la medida de los Campos Magnéticos
En el módulo de presión los sensores tienen un imán dentro de ellos que al detectar el mínimo cambio de presión genera una variación en el voltaje Hall, lo cual genera que se pueda medir la presión.
Figura 10.2 Sensores que actúan bajo el efecto Hall
d. Explicar la aplicación del principio de ionización para el control de la presión. El documento del Dr. Juan J. Gonzáles de la Rosa, J.A. (s.f.). APUNTES DE TRANSDUCTORES. Universidad de Cádiz, Cádiz, España. Detalla que los medidores de presión basados en el principio de ionización miden las presiones de los gases entre 10-13 a 10-3 bares. El procedimiento de determinación de la presión es a través de la medición del flujo de corriente entre el ánodo y cátodo. Esto se basa en que la corriente es directamente proporcional (DP) al número de iones por volumen, y este último es DP a la presión de gas presente.
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Figura 10.3 Estructura de un medidor de Ionización
e. Explicar la aplicación del principio Bimetálico para el control de la presión. La aplicación del principio bimetálico para el control de la presión se utiliza para medir en forma directa la temperatura y la presión. Se usa como elemento una hélice bimetálica de rápida respuesta. Su fabricación es a partir de dos tiras de metal que luego son soldadas en frío .El movimiento que es rotatorio es transferido con baja fricción.
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Figura 10.4 Tipos de elementos bimetálicos
Transductor bimetálico Utiliza una espiral bimetálica calentada por una fuente de tensión estabilizada. Cualquier cambio en la presión produce una deflexión de la espiral, que a su vez esta acoplada a un índice que señala la escala el vacío.
Figura 10.5 Transductor bimetálico
f. Explicar detalladamente (una cara de texto como mínimo) otro protocolo existente a parte de MODBUS (en caso de copia de internet u otra fuente el trabajo será anulado). Un protocolo de comunicación es un conjunto de reglas que permiten la transferencia de datos entre distintos dispositivos que conforman una red. Entre los protocolos más usados en la industria (a parte de MODBUS) tenemos: Protocolo Red)
de Comunicación Hart (Transductor Remoto Direccionable En 19
El protocolo HART fue desarrollado en la década de 1980 por Rosemount Inc., desde el año 1993 está depositado en la Fundación de Comunicación HART (HCF) volviéndose de uso libre y gratuito. Este protocolo usa la norma Bell 202: Modulación por Desplazamiento de Frecuencia o MDF (FSK en ingles), para agrupar informaciones digitales sobre las señales analógicas típicas de 4 a 20 mA, tanto los datos de configuración como las medidas de proceso (temperatura, caudal o presión). La información del control se modula digitalmente sobre el lazo de corriente, por ende no existe interferencia entre ellas. Como su velocidad es de 1200 bps la aplicación central puede obtener 2 o más actualizaciones digitales por segundo de un dispositivo de campo. La comunicación se produce típicamente entre un dispositivo de campo inteligente y un sistema de control/monitoreo (dispositivos habilitados con HART). Pero como este protocolo aun no es un bus de campo completamente pues los instrumentos se cablean a través de un cable de instrumentación estándar a los módulos de entrada y/o salida. El protocolo HART es capaz de suministrar hasta 2 maestros (1 maestro primario y 1 maestro secundario), permitiendo usar maestros secundarios como comunicadores de mando. Existen 2 tipos de configuraciones de red de comunicación digital con los dispositivos de campo:
Configuración de red Punto a punto, las cuales sirven para comunicar únicamente 2 dispositivos.
Configuración de red Multipunto, donde un solo dispositivo se puede comunicar con más de 2 dispositivos.
La tecnología HART es fácil de usar y muy confiable cuando se necesita poner en servicio dispositivos inteligentes y calibrarlos, así como para realizar diagnósticos continuos.
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