XXVII Jornadas en Ingeniería Eléctrica y Electrónica

JIEE, Vol. 27, 2017140

Automatización del Compresor Wittemann # 1 en la Planta de CO2 de la Empresa Linde Ecuador

S.A.

Ángel Quinatoa, Aracely Yandún, Nelson Sotomayor, Escuela Politécnica Nacional (EPN), Quito-Ecuador

Resumen - La automatización se encuentra relacionada con la aplicación de sistemas mecánicos, electrónicos y computadoras para ejecutar y controlar procesos. La automatización de un proceso se refiere a la sustitución de tareas manuales para que puedan ser realizadas por máquinas, robots o cualquier otro tipo de automatismo. Las ventajas de implementar la automatización dentro de un proceso industrial son: optimizar costos, mejoras en servicio y en calidad. En la actualidad muchas empresas ecuatorianas están implementando la automatización en sus procesos con el fin de aumentar la producción y brindar seguridad. Con el objetivo de mejorar el proceso de producción de CO2 de la empresa Linde Ecuador S.A., seha desarrollado la “Automatización del Compresor Wittemann # 1”. Este trabajo permite medir y monitorear las principales variables físicas (presión y temperatura) para el correcto funcionamiento de la máquina en la producción de CO2.

Índices – Automatización, compresor, PLC, HMI, planta de CO2.

I. INTRODUCCIÓN La empresa Linde Ecuador S.A. ubicada en el sector de Machachi, posee compresores que se encargan de la producción de CO2 en la planta. El objetivo del presente trabajo es la automatización y monitoreo del compresor Wittemann # 1, con el fin de monitorear que los valores de presión y temperatura se mantengan dentro del rango correcto de funcionamiento y así evitar posibles daños a este importante equipo. Adicionalmente, se controla el encendido y apagado de la máquina, a través del monitoreo de las variables físicas de presión y temperatura. Con los datos recibidos, se programa la activación de alarmas y el apagado del compresor de manera automática en caso de registrarse valores inadmisibles de presión y temperatura. Por otro lado, en la automatización se implementó la activación de una electroválvula de desfogue automático, misma que se enciende cuando el compresor se apaga. Este elemento desfoga el CO2 al ambiente con el fin de que no exista sobrepresiones en el compresor y en las tuberías de CO2.

A. Quinatoa, es Ingeniero en el área de instrumentación y automatización en la empresa Linde Ecuador S.A., Machachi-Ecuador, (e-mail: quinatoa.angel@yahoo.es). A. Yandún, es Profesora Ocasional en la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Escuela Politécnica Nacional, Quito-Ecuador, (e-mail: aracely.yandun@epn.edu.ec). N. Sotomayor, es Profesor Principal T/C en la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de La Escuela Politécnica Nacional, Quito-Ecuador, (e-mail: nelson.sotomayor@epn.edu.ec).

Para ayudar a la supervisión del proceso de producción de CO2 se implementa un HMI (interfaz hombre máquina) local a través de una pantalla táctil, en donde se muestra el funcionamiento del compresor Wittemann # 1 al usuario.

II. COMPRESOR Un compresor se define como una máquina de fluido, construida para aumentar la presión de un volumen definido de aire al reducir ese volumen en una cámara encerrada [1].

A. Tipos de compresores A continuación, se enumeran los diferentes tipos de

compresores: Émbolo. Tornillo. Sistema pendular Taurozzi. Rotativo-helicoidal. Roto dinámicos. Reciprocante.

Se da énfasis a este último tipo de compresor debido a que el principio de funcionamiento es similar al equipo que existe en la planta industrial de CO2, debido a que este posee pistones para compresión del gas, válvulas y maneja diversas etapas en el proceso de producción de CO2.

B. Compresor Twittean # 1 El compresor Wittemann # 1 es un equipo diseñado

originalmente para realizar la compresión de aire, sin embargo, como la aplicación lo requiere, también puede ser adaptado para procesar otros gases sin ningún inconveniente como es el caso del CO2 en la planta de la empresa Linde Ecuador S.A.

Consta de dos cilindros montados en forma de V, su sistema de compresión es de dos etapas, en la primera succiona gas y en la segunda etapa comprime, eleva la presión y por ende aumenta la temperatura. En la Tabla I y Tabla II se observan los datos técnicos más importantes de la máquina a automatizar, es decir, los datos del compresor y del motor del mismo [3].

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TABLA I DATOS TËCNICOS DEL COMPRESOR [2]

Fabricante Wittemann

Modelo WHO-122B

Tamaño 11 1/4 -6 x7

Fluido CO2

Flujo 1000 kg/hora

Presión 300 psi

Motor Premium efficiency

Tensión 220 Vac trifásico

Aceite Regal 68

Cantidad 7 galones

TABLA II

DATOS TÉCNICOS DEL MOTOR [2]

Potencia 125 HP

Número de polos 4

Factor de potencia 0.88

Frecuencia 60 Hz

Voltaje 220/440 VAC

Corriente 298/149 A

Velocidad 1800 RPM

Temperatura 40 °C

III. ANÁLISIS TÉCNICO DEL CIRCUITO DE CONTROL

En esta etapa del proyecto se realiza un estudio y análisis de los principales sensores e instrumentos destinados a monitorear los rangos de presión y temperatura a los que opera el compresor de la planta. Se seleccionan los diferentes equipos de control, instrumentación y visualización acorde a los requerimientos del compresor. En la Figura 1 se muestra de manera general la arquitectura del sistema automatizado, con los principales elementos de monitoreo y control requeridos para realizar la automatización del compresor Wittemann # 1 en la planta de CO2.

Fig. 1 Arquitectura del sistema.

En la Tabla III y Tabla IV se detallan los valores máximos y mínimos de presión y temperatura requeridos para el correcto funcionamiento del compresor Wittemann # 1.

TABLA III VALORES DE PRESIÓN [2]

Parámetro Rango mínimo [psi]

Rango máximo [psi]

Presión de succión 2 8

Presión entre etapas 56 76

Presión de descarga 250 330

Presión de agua 16 40

Presión de aceite 28 40

Presión de instrumentación 80 160

TABLA IV

VALORES DE TEMPERATURA [2]

Parámetro Rango mínimo [°C]

Rango máximo [°C]

Descarga de primera etapa 130 160

Descarga de segunda etapa 110 160

Entre etapas 23 32

Entrada de agua 10 25

Salida de agua 15 28

A. Selección del controlador

Se utiliza un controlador lógico programable, PLC por sus siglas en inglés, para desarrollar e implementar la lógica de control del proceso industrial, pues tiene la capacidad de recibir, acondicionar y ejecutar las señales análogas y digitales presentes en la aplicación. Se selecciona el PLC S7-1200, CPU 1212C de Siemens,

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mismo que se encarga de todo el control y monitoreo de las variables existentes en el sistema.

Fig. 2 PLC S7-1200, 1214C [4].

Adicionalmente se hace uso de un módulo adicional de entradas análogas para la lectura de datos emitidos por los transmisores de presión que luego serán procesados por el PLC. De igual manera se utiliza un módulo de entradas análogas para RTD debido a que los transmisores de temperatura seleccionados para la medición de este variable son PT100 a tres hilos, por lo cual este módulo que posee 8 entradas para RTD facilita el procesamiento emitido por estos instrumentos.

Fig. 3. Conexión de RTD’s a módulo análogo [4].

B. Selección de HMI local

Para implementar el HMI local se hace uso de una pantalla táctil básica de 10 pulgadas a color, al igual que el PLC, marca Siemens, lo que permite que la comunicación entre estos dos equipos no presente problemas de compatibilidad. En la Figura 4 se muestra la pantalla táctil utilizada para este proyecto.

Fig. 4Pantalla táctil KTP 1000 de Siemens [4].

C. Medición de presión

La medición y monitoreo de la presión del compresor Wittemann # 1, se hace a través de 6 transmisores de presión distribuidos e instalados en los puntos más importantes del compresor, determinados por los operadores de la planta. Los transmisores de presión utilizados son marca “Dwyer”, son sensores de 2 hilos con salida de corriente de 4 a 20 mA, su rango de medida es amplio y permite la medición de valores positivos de presión. Cumpliendo con los requerimientos necesarios para poder monitorear esta variable correctamente.

Fig. 5. Transmisor de presión-Dwyer.

D. Medición de temperatura

En el sistema es indispensable la medición y monitoreo de temperatura del compresor Wittemann # 1, esta medición se realiza a través de 5 sensores de temperatura PT100, mismos que miden valores positivos y negativos de la variable de temperatura. Las PT100 marca “Watlow” son sensores de 3 hilos, a medida que varía el valor de temperatura, variará la resistencia del sensor. Como se observa en la Figura 6, se muestra la PT100 a ser utilizada.

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Fig. 6. Sensor de temperatura PT100-Watlow [4].

E. Diagrama de bloques de entradas y salidas del sistema

Para determinar el número de entradas y salidas tanto análogas como digitales requeridas por el sistema se realiza un análisis acorde a las necesidades de la planta industrial de CO2, así como los instrumentos a ser utilizados, tomando en cuenta todos los parámetros para un correcto funcionamiento del compresor. Se determina entonces que la aplicación requiere de 16 entradas entre señales análogas y digitales, así como de 7 salidas digitales. En la Figura 7 se observa el diagrama de bloques del PLC con sus respectivas entradas y salidas del sistema.

Fig. 7. Diagrama de entradas y salidas del sistema [4].

F. Tablero de control

A continuación, se presenta el plano con los valores de dimensionamiento de altura, ancho y profundidad del nuevo panel de control.

Fig. 8. Plano de construcción del nuevo panel de control [4].

IV. LÓGICA DE CONTROL Para la automatización del compresor Wittemann # 1, es necesario realizar la programación tanto del PLC, así como de la pantalla táctil. Para esto, se utiliza el programa TIA PORTAL V11 de la compañía Siemens, mismo que posee una licencia libre y evita inconvenientes de compatibilidad al trabajar con la misma marca. Mediante este software se procede a programar los equipos que realizarán el control y monitoreo del compresor de la planta de CO2.

A. Lenguaje Ladder

Es un lenguaje de programación gráfico, el cual utiliza elementos como contactores (normalmente abiertos y cerrados), bobinas, contadores, temporizadores, etc. El lenguaje ladder o escalera se caracteriza por ser de fácil programación y de simple lógica de control. En la Figura 9 se observa un segmento de la programación realizada para este trabajo, en lenguaje ladder, como es el arranque del compresor.

Fig. 9. Bloque general de programación en lenguaje de programación Ladder [4].

B. Diagrama de flujo

Para iniciar el control y monitoreo del sistema se debe obtener los valores reales de las variables físicas tan de presión como de temperatura del compresor Wittemann # 1. Una vez en funcionamiento se procede a verificar las diferentes condiciones y protecciones de trabajo del equipo. La lógica de la programación fue desarrollada a través de un diagrama de flujo mismo que si se quiere conocer a detalle se puede observar en [4].

C. Direcciones IP

Para que exista comunicación entre los equipos se debe verificar las direcciones IP, tanto del PLC, pantalla táctil y computadora. Así se designó las siguientes direcciones IP, para el PLC 192.168.0.1, pantalla táctil 192.168.0.2 y computadora la 192.168.0.20. En la Figura 10 se observa la dirección IP del PLC.

Fig. 10. Dirección IP del PLC [4].

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V. PRUEBAS Y RESULTADOS Se realizan las respectivas pruebas para verificar el correcto funcionamiento al realizar la automatización del compresor Wittemann # 1. Las pruebas realizadas se detallan a continuación.

A. Marcha y paro del compresor

Se realiza la prueba de marcha y paro del compresor mediante botones físicos y botones programados en el HMI local, comprobando que el funcionamiento a través de estos dos métodos es exitoso. En la Figura 11 se observa el encendido y apagado a través de la pantalla de arranque del compresor.

Fig. 11. Marcha y paro del compresor [4].

B. Encendido y apagado de electroválvulas

En esta prueba se verifica el encendido y apagado de 2 electroválvulas denominadas de 50 y 100 %, así como de la electroválvula de desfogue automático con todas las condiciones requeridas por el sistema. Al final de la prueba realizada se comprueba que el funcionamiento es el correcto.

Fig. 12. Encendido y apagado de electroválvulas [4].

C. Alarmas

En esta prueba se procede a verificar si el compresor se apaga automáticamente en caso de existir valores fuera de rango, sean estos de presión o temperatura, la prueba

realizada es exitosa y por ende el compresor está protegido.

Fig. 13. Pantalla de alarmas [4].

D. Pulsador de emergencia

Se instalan tres pulsadores de emergencia con acceso a los operadores. En caso de ocurrir un evento fuera de lo normal se debe pulsar este elemento para apagar todo el sistema. Al realizar la prueba se apaga el equipo y la prueba realizada es exitosa. En la Figura 14 se muestra el pulsador de emergencia instalado en la Planta.

Fig. 14. Pulsador de emergencia [4].

E. Monitoreo de variables de presión y temperatura

Por otra parte, se realizan también pruebas del monitoreo de las variables de presión y temperatura. En la Figura 15 se puede observar una gráfica de temperatura en función del tiempo de funcionamiento de todas las etapas de compresión del CO2.

Fig. 15. Temperaturas monitoreadas [4].

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En la Figura 16, se observan las presiones monitoreadas por los instrumentos en cada una de las etapas trabajadas en este proyecto.

Fig. 16. Presiones monitoreadas [4].

VI. CONCLUSIONES Se concluye que la automatización del compresor Wittemann # 1 mejora en la supervisión del proceso de producción de CO2 en la planta industrial de CO2 de la empresa Linde Ecuador S.A. Por otra parte, el trabajo implementado en la fábrica, satisface plenamente las necesidades de los usuarios y de los operadores. De igual manera, la automatización del Wittemann # 1 ha sido considerada por parte de los administradores de la empresa como una inversión que ha mejorado el proceso de producción y ha permitido obtener un producto (CO2) de alta calidad para los clientes. Sin embargo, no se poseen datos estadísticos respecto a esta mejora.

VII. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen la colaboración prestada por

todos los trabajadores y administradores de la empresa Linde Ecuador S.A.

VIII. REFERENCIAS [1] S.R. Majumdar, Sistemas Neumáticos, McGraw-Hill, 1998 [2] Linde Ecuador S.A; “Manual compresor Wittemann # 1”, 1993. [3] Linde Ecuador S.A; “Diagrama eléctrico de arranque del

compresor Wittemann”; 1993. [4] Quinatoa A.; “Automatización del Compresor Wittemann # 1 en la

Planta de CO2 de la Empresa Linde Ecuador S.A.” EPN, Quito, Ecuador, Mayo 2015

IX. BIOGRAFÍAS Segundo Ángel Quinatoa Lema, realizó sus estudios secundarios en el Colegio Nacional Primero de Abril de Latacunga obteniendo el título de Físico-Matemático en el año 2005. Los estudios superiores los realizó en la Escuela Politécnica Nacional en la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica en la carrera de Ingeniería en Electrónica y Control, obteniendo su título en el año 2015. Realizó la pasantía en el Nuevo

Aeropuerto de Quito. Actualmente trabaja en Linde Ecuador S.A en el área de instrumentación y automatización. Áreas de

interés: Producción de gases industriales, Automatización e instrumentación, Seguridad ocupacional y Energías renovables.

Aracely Yandún, nació el 23 de Septiembre de 1986 en la ciudad de Quito– Ecuador. Sus estudios secundarios los realizó en el Colegio Experimental de Señoritas Simón Bolívar en el cuál se incorporó como Bachiller en Ciencias Básicas especialidad Físico-Matemático. Obtiene su título en Ingeniera en Electrónica y Control en la Escuela Politécnica Nacional en el año 2011. Se ha

desempeñado como ingeniera de obra de instalaciones electrónicas de varios proyectos. Egresada de la Maestría de Automatización y Control Electrónico Industrial de la EPN. Actualmente docente de la EPN. Áreas de interés: Control industrial y automatización, Circuitos Eléctricos, Domótica, Ecología y Medio Ambiente.

Nelson Sotomayor, nació en Quito-Ecuador el 9 de Septiembre de 1971. Realizó sus estudios secundarios en el Instituto Nacional Mejía. Se graduó en la Escuela Politécnica Nacional como Ingeniero en Electrónica y Control en 1999. Obtuvo su título de Magíster en Ingeniería industrial en junio del 2006 en la Escuela Politécnica Nacional. En septiembre del 2008 como becario del

Gobierno de México y la Agencia de Cooperación Internacional del Japón (JICA), participó en el IV Curso Internacional de Robótica Aplicada, en el Centro Nacional de Actualización Docente CNAD ubicado en México DF. Actualmente desempeña el cargo de Profesor Principal T/C en el Departamento de Automatización y Control Industrial de la Escuela Politécnica Nacional. Actualmente se desempeña como Jefe del departamento de Automatización y Control Industrial. Áreas de interés: robótica móvil, informática y redes, microcontroladores, automatización y control industrial.