simulacion proyecto de automatizacion compresores de...

SIMULACION PROYECTO DE AUTOMATIZACION COMPRESORES D E AIRE EN COCA COLA FEMSA .

ALVAREZ BALANTA OMAR ANDRES

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE ELECTRÓNICA BOGOTÁ D.C.

2009


ALVAREZ BALANTA OMAR ANDRES

ING. BALDOMERO MÉNDEZ P

UNIVERSIDAD SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE ELECTRÓNICA BOGOTÁ D.C.

2009

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TABLA DE CONTENIDO

Pag.

INTRODUCCIÓN 6

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 7

1.1 ANTECEDENTES (ESTADO DEL ARTE) 7

1.1.1 7

1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 9

1.2.1 Descripción. 9

1.2.1 Formulación del problema. 9

1.3 JUSTIFICACIÓN 9

1.4 OBJETIVOS 11

1.4.1 Objetivo general 11

1.4.2 Objetivos específicos 11

1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES 12

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2. MARCO DE REFERENCIA 13

2.1 MARCO TEÓRICO 13

2.1.1PLC 13

2.1.2 SENSORES DE PRESIÓN 14

3. METODOLOGÍA 15

3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN 15

3.2 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN DE USB / SUB-LÍNEA DE FACULTAD / CAMPO

TEMÁTICO DEL PROG 16

3.2.1 Línea de investigación USB: tecnologías actuales y sociedad 16

3.2.2 Sub-línea de faculta: Instrumentación y control de procesos. 16

3.2.3 Campo temático: Control. 16

3.5 HIPÓTESIS 16

4.1.1 ACTUADORES 17

4.1.2 CAPTADORES 17

4.1.3 AUTÓMATA 17

CITAS BIBLIOGRAFÍCAS 28

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INTRODUCCIÓN Se pretende simular el proyecto de automatización de los compresores de aire de la INDUSTRIA NACIONAL DE GASEOSAS S.A, más conocida como COCA COLA FEMSA. Los compresores suministran el aire a las líneas de producción, el cual es utilizado como fuente de energía para maquinas y dispositivos neumáticos, transporte y secado de embases, y para la limpieza de piezas. La importancia de la automatización de estas maquinarias se ve reflejada en el ahorro energético de la planta, pues los compresores no estarán encendidos si no son necesarios y cada uno de ellos entrara en funcionamiento cuando la carga así lo indique. Además evitara mantener personal en el cuarto de maquinaria auxiliar, donde se encuentran los compresores protegiendo a las personas de exponerse de la contaminación auditiva que allí se produce, ya que además de los compresores de aire allí se en encuentran alojados los compresores de amoniaco calderas y plantas eléctricas. La empresa cuenta con tres compresores de aire, dos de ellos de turbina y uno de pistón. Y se automatizara la puesta en marcha y la detención de ellos, dependiendo el valor de presión de descarga de los compresores. El PLC, nos permitirá controlar este proceso y el SCADA INTOUCH hará a las veces de visualización Y SUPERVICION DEL PROCESO.

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1 ANTECEDENTES (ESTADO DEL ARTE)

1.1.1 Proyecto de sistema de automatización estació n para llenado y transporte de líquido. Automatismo que permita efectuar el llenado y transporte de cierto líquido formado por la mezcla de dos componentes A y B.

Figura 1.: Estación para llenado y transporte de líquido

Ref.: http://www.isa.uniovi.es/genia/spanish/doc/publicaciones/Ejemplo%20Automatizaci%F3n.pdf, jueves 20 de agosto de 2008, 7:00 p.m

Se dispone de dos depósitos:

• El primero de ellos lleva asociado tres sensores, dos de ellos capacitivos, uno de nivel mínimo (normalmente cerrado) y otro de nivel máximo, y un tercero de temperatura de tipo termostato. Asimismo consta de tres electroválvulas monoestables: V1 permite realizar el llenado, V3 introduce el vapor de calentamiento y V2 permite el vaciado hacia el segundo depósito.

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• El segundo incorpora un sensor de nivel capacitivo cuyo transmisor envía una señal analógica entre 0 y 10 V proporcional al volumen contenido en el depósito (0-1000litros). La aportación de líquido A se realiza a través de la válvula V2 y del líquido B por medio de una bomba accionada por un motor eléctrico con dos señales de retorno (contactor y defecto). La descarga de la mezcla hacia la carretilla se efectúa mediante la electroválvula monoestable V6. Asimismo el depósito dispone de un agitador motorizado.

Una carretilla de transporte de líquido que incorpora un sensor capacitivo para detectar el nivel máximo. Para desplazar la carretilla se dispone de un motor eléctrico con inversión de giro controlado a través de las señales MI (Mover Izquierda) y MD (Mover Derecha). Además existen dos finales de carrera electromecánicos (AQUI y ALLI) que marcarán las posiciones de carga y descarga respectivamente de la carretilla. El vaciado de la carretilla se realiza mediante la electroválvula monoestable VC. FUNCIONAMIENTO ACONDICIONAMIENTO DEL LÍQUIDO A En funcionamiento automático, el ciclo comienza con el llenado del depósito 1 por el componente A que antes de ser utilizado debe alcanzar una determinada temperatura. Los pasos son: 1. Con el sensor de nivel mínimo (MIN1) activo y las válvulas de salida del depósito 1(V2) y de entrada de vapor (V3) cerradas, se abre V1 para permitir la entrada del líquido A. 2. Cuando se alcance el nivel máximo (MAX1) debe cerrarse V1. 3. Comienza entonces la etapa de calentamiento con vapor, en la que se abre la válvula V3. Cuando la temperatura alcanza el valor marcado en el termostato se produce una señal digital (TMP) que debe cortar la entrada de vapor, iniciándose el proceso de vaciado y mezcla sobre el depósito 2. MEZCLA DE A y B En modo automático, mientras exista líquido en el depósito 1, y el depósito 2 contenga menos de 50 litros se produce la mezcla de ambos componentes A y B según el siguiente proceso: 1. Se abre la válvula V2 de modo que el líquido A alcance 400 litros de nivel en el depósito 2, cerrando entonces dicha válvula. Si durante esta fase, no hay suficiente líquido A, debe activarse el ciclo de acondicionamiento de A. El motor de mezcla (MTR) debe accionarse desde el comienzo de la operación de mezcla. 2. A continuación se acciona la bomba (BMB) permitiendo que el líquido B consiga llenar el depósito 2 hasta 900 litros. 3. Durante 50 segundos más debe estar funcionando el motor de mezcla (MTR) dejando el líquido en condiciones de ser transportado.

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TRANSPORTE DEL PRODUCTO FINAL El vaciado del depósito 2 una vez realizada la mezcla se efectúa sobre la carretilla y a través de la válvula V6. La carretilla evoluciona entre los puntos AQUI, donde se carga, y ALLI donde se descarga. Los movimientos a derecha (MD) e izquierda (MI), y la operación de descarga (VC), que dura 20 segundos, deben ser activados automáticamente. Para indicar el llenado de la carretilla se dispone de un sensor de nivel máximo, MAXC.

1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

1.2.1 Descripción. Los procesos industriales desde sus inicios se han caracterizado, por llevar a cabo labores tortuosas, monótonas y peligrosas para los trabajadores que hacen parte de esta actividad. La búsqueda de automatizar varias tareas de la industria ha ido mejorando las condiciones de los operarios, exponiéndolos día a día, a menores peligros y generándoles quehaceres mucho mas analíticos que operativos. Además de incrementar en muchos casos la calidad del producto, el cual no será determinado por el criterio de las personas a cargo del proceso, si no de unos estándares fijos e inmutables que garantizaran la satisfacción del cliente final. Los puntos claves de la conveniencia de la automatización de los compresores de aire radica, en la búsqueda de ahorro energético, reducción a la exposición de ruido inherente a las maquinas, y la reducción del tiempo de respuesta del encendido de los compresores por una necesidad de aire en las líneas de producción. Además, de la utilización del SCADA, que nos permitirá tener una supervisión a distancia del proceso. 1.2.1 Formulación del problema. ¿Cómo se puede ahorrar energía eléctrica en el sistema de aire de la empresa?

1.3 Justificación

Se busca el ahorro de energía eléctrica, a través de la automatización de los compresores de aire, ya que los compresores no tendrán que estar encendidos si no es necesario. Los operarios no tendrán que estar pendientes de un bajonazo en la presión de descarga del compresor para posteriormente encender otro, pues esta acción se realizara de forma automática y de manera inmediata. De esta forma las personas reducirán el tiempo de explosión al ruido que producen las

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maquinas. La supervisión podrá hacerse a distancia, gracias a la instalación de un SCADA, el cual nos mostrara en tiempo real los datos relevantes del proceso como lo son: la presión, indicación del estado de funcionamiento o no de los compresores, historial de presión, historial de encendido y apagado de los compresores. La información estadística recopilada del sistema será vital para el mejoramiento de la automatización en un futuro.

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1.4 OBJETIVOS

1.4.1 Objetivo general

Simular el proyecto de automatización de los compresores de aire en COCA

COLA FEMSA

1.4.2 Objetivos específicos

• Realizar un programa en donde se automatice el encendido y apagado de los

compresores de aire.

• Hacer una adquisición de datos del sistema a través de un SCADA.

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1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES

Se pretende abarcar en este proyecto, La simulación de la automatización de los compresores de aire de la empresa COCA COLA FEMSA. En la automatización básicamente se hará el encendido y el apago de la maquinaria con respecto a un captador, que en este caso es un transductor de presión. Los turbo compresores cuentan ya con un control para la apertura y cierre de la válvula de paso de aire el compresor se pisto es on/off, por tal motivo el objetivo es el de prender y apagar el los compresores. La empresa cuenta en el cuarto de maquinas auxiliares con un PLC TELEMECANiQUE, el cual controla todo el sistema de refrigeración de la planta, en este ya se trajeron las señales del transductor de presión y del sensor de flujo ubicados a la salida del tanque pulmón de aire, que es donde llega el aire descargado por el compresor. La automatización puede hacerse en base a la presión o el flujo de aire, en este caso únicamente se utilizara la presión, dejando la lectura de flujo como un dato meramente estadístico. Para la utilización de la aplicación en la empresa deberá hacerse el cambio de lenguaje de programación de FESTO a TELEMECANIQUE.

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2. MARCO DE REFERENCIA

2.1 MARCO TEÓRICO

2.1.1PLC. Controlador lógico programable usado para la automatización de procesos electromecánicos, tales como el control de maquinaria sobre la línea de ensamblaje de una fabrica. Los PLC están diseñados para el manejo de múltiples señales tanto de entradas como de salidas y a diferencia de los micro controladores, los PLC soportan altos rangos de temperatura, inmune el ruido eléctrico y con una gran resistencia a impactos y vibraciones. En un sistema de tiempo real el PLC produce una señal de salida en respuesta a unas condiciones de entrada en un tiempo determinado

Figura2.: PLC MITSUBISHI

Ref.: http://www.machine-information-systems.com/images/M itsubishi-PLC.jpg . Viernes, 21 de agosto del 2009, 03:40:a.m.

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2.1.2 Sensores de presión. La presión es una fuerza por unidad de superficie, y para su medida se procede bien a su comparación con otra fuerza conocida, bien a la detección de su efecto sobre un elemento elástico (medidas por reflexión).

Figura3.: Manómetro

Ref.: http://platea.pntic.mec.es/~cpalacio/imagenes/manometro.gif. Viernes, 21 de agosto de 2009, 11:45 a.m

En los manómetros de columna de liquido, como el tubo en U, el resultado de la comparación de la presión a medir y una presión de referencia, si se desprecian efectos secundarios es una diferencia de nivel de líquidos h.

Donde ρ es la densidad del líquido y la g es la gravedad. Un sensor de nivel, permite obtener una señal eléctrica.

g

AAh

ρ'−=

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Al aplicar una presión a un elemento elástico, este se deforma hasta el punto en que las tensiones internas igualan la presión aplicada.

2.1.3 Telemedida por corriente. En la telemedida por corriente, la magnitud medida se convierte en una corriente continua proporcional, que se envía por la línea y es detectada en el extremo receptor midiendo la caída de tensión en una resistencia conocida. El valor de corriente habitual es de 4-20mA. Fue adoptado como norma en 1975 y hay numeroso transductores intercambiables que cumplen esta norma. La ventaja de emplear 4mA para el valor de 0 es que permite distinguirlo de un circuito abierto (0mA). La resistencia de entrada del receptor es de 250Ω, obteniendo tensiones de 1-5V. Otra de la telemedida por corriente es que, si el trasmisor es flotante, a veces es posible realizar el enlace con solo dos hilos compartidos por la alimentación y la señal.

3. METODOLOGÍA

3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN

Empírico-analítico: cuyo interés es el técnico, orientado a la interpretación y transformación del mundo material; proporciona una estructura particular a la metodología de investigación en tanto que orienta el trabajo a la contrastación permanente de las aseveraciones teóricas con la verificación experimental, de manera que los cálculos generados a través de modelos matemáticos y simulaciones computacionales se deben retroalimentar con la experimentación, en la búsqueda de información cada vez más confiable y práctica para la solución del problema. Esta simbiótica debe llevar consigo una relación teórica al menos presumible entre variables, de manera que se puedan establecer relaciones funcionales entre ellas; igualmente y de acuerdo con los medios experimentales, también se deben establecer los parámetros experimentales conveniente.

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3.2 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN DE USB / SUB-LÍNEA DE FA CULTAD / CAMPO TEMÁTICO DEL PROG

3.2.1 Línea de investigación USB: tecnologías actua les y sociedad . El desarrollo de este proyecto pertenece a esta línea, debido al impacto social que evidentemente representa al mejorar un proceso productivo, beneficiando a la empresa por el ahorro energético, a los operarios que reducirán el tiempo de exposición al ruido de las maquinas, y al consumidor final el cual, quedara conforme y satisfecho con la calidad del producto. 3.2.2 Sub-línea de faculta: Instrumentación y contr ol de procesos. El control del PLC hacia los compresores de aire, debido a una señal de entrada de un sensor de presión. 3.2.3 Campo temático: Control. El fin del proyecto es la simulación del proyecto de automatización de los compresores de aire en COCA COLA FEMSA.

3.5 HIPÓTESIS

La automatización de los compresores de aire de la empresa COCA COLA FEMSA, traerá como consecuencia un ahorro de energía eléctrica para la planta.

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4. DESARROLLO INGENIERIL 4.1Elementos

4.1.1 Actuadores

• Compresor de turbina Cooper de 300hp, conectado a una tensión de 440V, con un consumo máximo de 296 A.

• Compresor de turbina Cooper de 150hp, conectado a una tensión de 440V, con un consumo máximo de 140 A.

• Compresor de pistón Joy de 100hp, conectado a una tensión de 440V, con un consumo máximo de 80 A.

4.1.2 Captadores

• Transductor de presión • Transductor de flujo

4.1.3 Autómata

• Modicon TSX Micro TELEMECANIQUE (PLC proyecto) • PLC FESTO I/O digitales

4.2 Funcionamiento actual Los compresores son encendidos manualmente. Al encenderlos comienza a comprimir el aire, el cual pasa a un tanque pulmón donde se encuentra un manómetro de presión y medidor de flujo, posteriormente pasa a un secador o es bypasiado a un filtro, y por ultimo llega a las líneas de producción. Los compresores adquieren los datos del medidor de flujo y el manómetro, en el caso de los compresores de turbinas esa información la utilizan para modular la apertura y cierre de la válvula de aire, entre menos presión mas se abrirá la válvula y entre más presión menos se abrirá la válvula. Si la presión esta en 80Psi La válvula se encuentra totalmente abierta, si la presión se encuentra en 100 Psi la válvula se encuentra cerrada, los valores pueden ser modificados.

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4.3 Automatizacion

Figura4.: Funcionamiento compresor Cooper 300hp

INICIO

Fw30=80

Manual

Compresor Cooper

300hp ON Automático

Fw10<Fw30

Compresor Cooper

300hp ON

Compresor Cooper

300hp OFF

FINAL

Stop

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Figura5.: Funcionamiento compresor Cooper 150hp

INICIO

Fw30=80

Manual

Compresor Cooper


Fw10<Fw30+3

Compresor Cooper

150hp ON

Compresor Cooper

150hp OFF

FINAL

Stop

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Figura6.: Funcionamiento compresor Joy 100hp

INICIO

Fw30=80

Manual

Compresor Joy


Fw10<Fw30+7

Compresor Joy

100hp ON

Compresor Joy

100hp OFF

FINAL

Stop

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Se debe garantizar la presión en 80 Psi cuanto minimo en las líneas de produccion. Por tal razón a esta presión deben estar trabajando todos los compresores si diera el caso.

• En primer lugar el selector debe estar en automatico. • El autómata toma le informacion del sensor • Si la presión en el tanque pulmon esta por debajo a 87Psi se prende el

primer compresor (Cooper 300hp) • Si la presión esta por debajo de 83 Psi se prende el segundo compresor

(Cooper 150 hp) • Si la presión es igual a 80 Psi se rende el ultimo compresor(Joy 100hp)

4.4 Programa 4.4.1Condiciones iniciales STEP 0 IF NOP THEN RESET P10 RESET P11 RESET P12 RESET P20 RESET P21 RESET P22 RESET P30 RESET P31 RESET P32 STEP 1 IF s0 'I0.0: automat ico cooper 300hp THEN SET P10 IF s1 'I0.1: automat ico cooper 150hp THEN SET P11 IF s2 'I0.2: automat ico joy 100hp THEN SET P12 IF S3 'I0.3: manual cooper 300 hp THEN SET P20 IF s4 'I0.4: MANUAL COOPER 150HP THEN SET P21 IF s5 'I0.5: manual joy 100hp THEN SET P22 IF s6 'I0.6: STOP CO M COOPER 300hp THEN SET P30

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IF s7 'I0.7: stop co m cooper 150hp THEN SET P31 IF s8 'I0.8: stop co m joy 100hp THEN SET P32 JMP TO 1

4.4.2Stop compressor Cooper 300hp IF s6 'I0.6: STOP CO M COOPER 300hp THEN RESET P10 RESET P20 RESET Y0 'O0.0: compres or COOPER 300hp

4.4.3Stop compressor Cooper 150hp IF s7 'I0.7: stop com cooper 150hp THEN RESET P11 RESET P21 RESET y1 'O0.1: compres or COOPER 150hp

4.4.4Stop compressor Joy 100hp IF s8 'I0.8: stop co m joy 100hp THEN RESET P12 RESET P22 RESET Y2 'O0.2: compres or JOY 100hp

4.4.5Automatico Cooper 300hp STEP 0 IF s0 'I0.0: automat ico cooper 300hp THEN RESET P20 OTHRW JMP TO 1 STEP 1 IF FW10 'presion aire < FW30 'presion refer encia THEN SET Y0 'O0.0: compres or COOPER 300hp OTHRW JMP TO 2 STEP 2 IF FW10 'presion aire >

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FW30 'presion refer encia THEN RESET Y0 'O0.0: compres or COOPER 300hp JMP TO 1

4.4.6Automatico Cooper 150hp STEP 0 IF s1 'I0.1: automat ico cooper 150hp THEN RESET P21 OTHRW JMP TO 1 STEP 1 IF FW10 'presion aire < FW30 'presion refer encia + V3 THEN SET y1 'O0.1: compres or COOPER 150hp OTHRW JMP TO 2 STEP 2 IF FW10 'presion aire > FW30 'presion refer encia + V3 THEN RESET y1 'O0.1: compres or COOPER 150hp JMP TO 1

4.4.7Automatico Joy 100hp STEP 0 IF s2 'I0.2: automat ico joy 100hp THEN RESET P22 OTHRW JMP TO 1 STEP 1

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IF FW10 'presion aire < FW30 'presion refer encia + V7 THEN SET Y2 'O0.2: compres or JOY 100hp OTHRW JMP TO 2 STEP 2 IF FW10 'presion aire > FW30 'presion refer encia + V7 THEN RESET Y2 'O0.2: compres or JOY 100hp JMP TO 1

4.4.8Manual Cooper 300hp IF S3 'I0.3: manual c ooper 300 hp THEN RESET P10 SET Y0 'O0.0: compres or COOPER 300hp

4.4.9Manual Cooper 150hp IF s4 'I0.4: MANUAL COOPER 150HP THEN RESET P11 SET y1 'O0.1: compres or COOPER 150hp

4.4.10Manual Joy 100hp IF s5 'I0.5: manual j oy 100hp

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THEN RESET P12 SET Y2 'O0.2: compres or JOY 100hp

4.5 Visualización

Compresores de aire

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Tanque pulmón

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CITAS BIBLIOGRAFÍCAS BIBLIOGRÁFIA INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TECNICAS, Normas Colombianas para presentación de trabajos de investigación. Quinta Actualización. Bogotá D.C.: ICONTEC, 2006. 138pg. NTC 1486. SANCHIS PERIS ENRIQUE, Sistemas electrónicos digitales: Fundamentos y diseño de aplicaciones, Valencia. Publicaciones Universidad de Valencia 2002. 511pg. RAMON PALLAS ARENY, Sensores y acondicionadores de señales, Alfaomega, 32-35, 458-460 pg. COCA COLA FEMSA, Documento complementario de: Requerimiento de eficiencia energía eléctrica.

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