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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

PROPUESTA DE CONTROL DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DE ACEITE LUBRICANTE DE UNA TURBINA LIBRE DEL EQUIPO MOBILE POWER PAC FT4C-1D/LF

Tesis

Que para obtener el Titulo de Ingeniero en Control y Automatización. Presenta:

Leonardo Gabriel Vega Macotela Asesores: M en C Leandro Brito Barrera Ing. Luís Enrique Murillo Yañez M en C Rene Tolentino Eslava

México, D. F. Noviembre 2007

AGRADECIMIENTOS A mi papá José Antonio Vega Silva por el apoyo y amor incondicional que siempre me ha brindado en todo momento A mi mamá Evangelina Lorenza Macotela Valdéz por brindarme siempre amor y esperanza A mis hermanos José Antonio Y Omar Gregorio por todo lo que me han enseñado A mi abuelita Maria Crescenciana Domínguez por su invaluable

Valdéz apoyo

A mis maestros Leandro Brito Barrera, Luis Enrique Murillo Yañez, Humberto Soto Ramírez, Antonio Arellano Aceves por los conocimientos, la orientación y la fe que me han brindado en mi formación profesional

ÍNDICE

RESUMEN INTRODUCCIÓN PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA OBJETIVO GENERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS JUSTIFICACIÓN

Pág. 1 2 3 3 3 4

CAPÍTULO I SISTEMAS DE LUBRICACIÓN DE TURBINAS LIBRES 1.1 Lubricación 1.1.1Tipos de lubricantes 1.1.2. Formas de lubricación 1.2 Estructura de los sistemas de lubricación 1.2.1 Composición del sistema de lubricación de las turbinas de gas 1.2.2 Descripción del sistema de lubricación de una turbina libre 1.3 Descripción del sistema del presente estudio 1.3.1 Componentes del sistema 1.3.2 Operatividad del sistema 1.3.3 Sistema de enfriamiento 1.3.4 Alarmas en el sistema

5 5 5 6 7 7 8 8 12 15 16 17

CAPÍTULO MODELADO DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO 2.1 Principios de la termodinámica 2.2 Modelado del sistema 2.2.1 Linealización de ecuación 2.3 Obtención de la función de transferencia 2.4 Simulación en lazo abierto 2.4.1 Parámetros y condiciones del proceso 2.5 Obtención de la función de los elementos de campo 2.5.1 Transmisor de temperatura 2.5.2 Transmisor de flujo2.5.3 Válvula de control de flujo 3.2 Sistema retroalimentado sin control

19 19 22 25 27 32 33 34 35 37 38

CAPÍTULO SIMULACIÓN Y PROPUESTA DE CONTROL DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DE LA TURBINA LIBRE 3.1 Sistemas retroalimentados 3.2 Sistema retroalimentado sin control 3.2 Control PID 3.2.1 Funcionamiento

40 40 40 41 41

3.2.2 Acción proporcional 3.2.3 Acción integral 3.2.4 Acción derivativa 3.3 Sintonización del sistema retroalimentado por Ziegler-Nichols 3.4 Control en cascada 3.5 Sintonización de sistema en cascada por Ziegler-Nichols 3.5.1 Sintonización del Lazo interno 3.5.2 Sintonización del lazo externo 3.6 Criterio de selección del PLC 3.6.1 Selección de módulos de entradas 3.6.2 Selección de los módulos de salida 3.6.3 Selección del CPU 3.6.4 Selección de la fuente de alimentación 3.7 Programación 3.7.1 Bloque de control PID

42 42 42 43 44 45 46 46 49 49 51 51 52 53 54

CAPÍTULO IV INTERFASE DEL SISTEMA DE LUBRICACIÓN 4.1 Lógica de operación de operación de la interfase 4.2 Características de los comandos de Visual Basic empleados en la Interfase 4.2.1Botón de comando (Command Button) 4.2.2 Etiquetas (Labels) 4.2.3 Control forma (shape) 4.2.4Control Imagen (Image) 4.2.5 Sentencia seleccionar caso (select case) 4.2.6 Control Timer 4.2.7 Cajas de texto (Text Box) 4.3 Comunicación entre Visual Basic utilizando recursos compartidos DDE 4.4 Descripción de la interfase 4.4.1 Control de la interfase 4.4.2 Monitoreo de variables críticas 4.4.3 Visualización de alarmas y paro 4.4.3.1 Condiciones normales de operación 4.4.3.2 Condiciones de alarma en el proceso 4.4.3.3 Condiciones del paro en el proceso

57 57 58 59 60 60 61 62 63 64 64 66 67 68 69

CAPÍTULO V EVALUACIÓN DEL PROYECTO 5.1 Ciclo de un proyecto (conceptualización) 5.1.1. Idea/estrategia 5.1.2.- Estudio de prefactibilidad/factibilidad 5.1.3.- Ingeniería básica 5.1.4.- Ingeniería de detalle

73 74 74 74 74 75

70 71

5.2 Ciclo del proyecto (construcción del dispositivo) 5.1.3.- Ingeniería básica 5.2.1.-Construcción 5.2.2.- Pruebas 5.2.3.- Evaluación expost 5.2.4.- Término o cierre 5.3 Formato para la planeación y evaluación del proyecto 5.4 avances y las estrategias del proyecto 5.5 Costos de materiales 5.6 Formato de planeación del proyecto: 5.6.1 Calendario de actividades del proyecto 5.6.2 Previsiones de evaluación del proyecto 5.6.3 Gráfica de Gantt del proyecto 5.6.4 Costos de cada actividad (no se incluyen los materiales 5.7 La evaluación económica 5.7.1 Conceptos previos 5.7.2 Clasificación de las inversiones 5.7.3 Capital de trabajo (según el ciclo productivo) 5.7.4 Financiamiento del proyecto 5.7.5 Flujos de fondos de un proyecto 5.7.6 Cálculo de la depreciación 5.8 Técnicas de evaluación 5.8.1 Algunos alcances matemáticos para comprender la tasa de descuento. 5.8.2 Valor actual neto (VAN) 5.8.3 Tasa interna de retorno (TIR) 5.8.4 Tasa interna (TIR) Versus valor actual neto (VAN)

75 75 75 75 75 75 76 76 77 78 78 79 82 83 84 84 84 85 85 85 86 86

CONCLUSIONES

92

BIBLIOGRAFÍA

93

GLOSARIO

94

ANEXO A Tablas de valores del aceite y del enfriador

98

ANEXO B Programación para la función de transferencia en MATLAB

101

87 87 88 88

ANEXO C Especificaciones técnicas del sensor de temperatura

103

ANEXO D Especificaciones técnicas del sensor de flujo

105

ANEXO E Programación del PLC

108

ANEXO F Bloque PID

113

ANEXO G Programación de la interfase

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RESUMEN En el presente trabajo se tiene el propósito de elaborar una propuesta de repotencialización de la turbina modelo Mobile Power Pac FT4C-1D/LF debido a la utilidad que este tipo de máquinas tienen para proporcionar energía eléctrica en lugares donde se requieran. Para cumplir con esta aspiración el trabajo aquí presente se desarrollo en varias fases y facetas. En primer termino se planteó con claridad la problemática concreta a resolver, para de esta manera proceder a describir el funcionamiento del sistema de enfriamiento. Después se procedió a diseñar su modelado matemático y simular su respuesta, para estar en posibilidad de proponer un sistema de control en cascada. Así mismo, en segundo termino s procedió a diseñar una interfase tal que permita el monitoreo de las variables del sistema de lubricación. Por ultimo se realizo un planteamiento de este proyecto en lo que se refiere a sus costos, su administración y su planteamiento para las diferentes fases de ingeniería. Como resultados de los procesos antes mencionados se corrobora desde el punto teórico de simulación el buen funcionamiento del sistema propuesto quedando pendiente trabajar con el sistema real para poder realizar los ajustes pertinentes.

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INTRODUCCIÓN La generación de electricidad es una necesidad vital de nuestra civilización contemporánea. En la actualidad es prácticamente imposible realizar cualquier actividad sin el uso de la energía eléctrica. Su generación sin embargo plantea problemas científicos y tecnológicos bastante complejos, por que inciden muchos campos teóricos-prácticos para la resolución de esta problemática, para la cual se requiere de la aplicación de una ingeniería multidisciplinaría. Desde la primera turbina de gas diseñada por Stolze en 1872 hasta la fecha, estos sistemas han cambiando y evolucionado en forma, tamaño y complejidad, cabe destacar que en la actualidad, las turbinas mas potentes se construyen en Estados Unidos, y se exportan a varias partes del mundo, como caso particular de las turbinas se inventaron y se construyeron las turbinas de gas, en el cual dentro de sus diferentes aplicaciones tiene como objeto, generar electricidad en sitios en los que no se podía contar con caídas de agua, fuentes de energía térmica, plantas nucleares, etc. tales que posibiliten el moviendo de generadores. De aquí que este tipo de maquinas estén constituidas de dos partes fundamentales, por un lado el generador de gases, que se encarga de la combustión y la captación de esa energía trasformándola en un moviendo mecánico (compresor y turbina), y por otro lado la turbina libre, en la cual se basa el presente trabajo. La turbina libre gira independientemente del compresor y de la turbina del generador de gases. La turbina libre se acopla directamente a un alternador eléctrico y gira a una velocidad de 3600 rpm. El tipo de turbina que se estudiará en la presente investigación es el modelo Mobile Power Pac FT4C-1D/LF, el cual posee un sistema de lubricación, que a su vez posee un sistema de enfriamiento, cuyo control se da con base a la variable termodinámica de temperatura, afectando el flujo del aceite lubricante, lo cual lo lleva permanentemente a caídas en el mismo. Estas caídas inciden en la disminución de vida útil, reduciendo su fiabilidad, ya que incrementa con ello la probabilidad de la tendencia a la falla en los siguientes aspectos: 

Menor vida útil del lubricante



Mayores desechos de lubricantes



Reducción de vida útil de cojinetes y/o rodamientos



Intervalos de parada más frecuentes



Menores ganancias por Kw Ingeniería en control y automatización

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Es posible diseñar un sistema de control de enfriamiento en base con otras variables, lo cual es el objeto de esta investigación; problemática que se plantea de manera sintética de acuerdo al siguiente: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Las variables de temperatura y flujo del aceite lubricante en el sistema de enfriamiento para la lubricación de la turbina libre, son fundamentales, debido a que estas variables determinan el funcionamiento del sistema, teniendo en el sistema actual una manipulación en el flujo del aceite lubricante después de ser enfriado para modular la temperatura. Buscando una repotencialización de la turbina libre, ya que ha brindado sus servicios por más de 30 años, se busca un sistema de control, en el cual la variable de flujo del aceite lubricante se mantenga constante y a su vez se pueda variar su temperatura, lo cual genera la siguiente incógnita: ¿Cómo se pueden regular las variables de temperatura del aceite lubricante en base al flujo del fluido enfriador del sistema de enfriamiento de aceite para lubricación de una turbina libre del equipo Mobile Power Pac FT4C-1D/LF? Esta pregunta es la guía general para orientar la investigación en torno al problema que aquí se plantea, teniendo la misma el siguiente: OBJETIVO GENERAL Desarrollar una propuesta de un sistema de control que regule las variables de temperatura del aceite lubricante en base al flujo del fluido enfriador del sistema de enfriamiento de aceite para la lubricación de la turbina libre modelo Mobile Power Pac FT4C-1D/LF. Este objetivo general para su tratamiento se desagrega en objetivos de orientación de la investigación y que son los siguientes: OBJETIVOS ESPECÍFICOS Facilitar la lectura de los valores de temperatura, presión y nivel en el sistema lubricación para determinar mediante estas variables el estado del sistema de lubricación. Desarrollar el modelado y la simulación del sistema de enfriamiento del sistema de lubricación. Desarrollar una propuesta de control del enfriamiento del sistema de lubricación. Mejorar el uso de la turbina disminuyendo los costos de operación y aumentando su fiabilidad.

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JUSTIFICACIÓN La turbina de gas Mobile Power Pac FT4C-1D/LF tiene alrededor de 30 años brindado sus servicios, en los cuales el sistema de lubricación de la turbina libre prácticamente no ha sido modificado en lo mas mínimo, pero en el transcurso de los años es necesario implementar una actualización tal que permita un mejor desempeño del sistema proporcionando un mejor servicio. Es en la indagación de este principio en donde tiene cabida la presente investigación ya que al realizar una actualización y mejoramiento del sistema de control de enfriamiento en el sistema de lubricación, se podrán mejorar los subsanar las posibles fallas que anteriormente se señalaron. Para el desarrollo de la presente investigación se propone un sistema de control en cascada, el cual mantenga el flujo del aceite lubricante constante y mantenga su temperatura dentro de los parámetros de correcto funcionamiento haciendo variar la cantidad de flujo del enfriador. Teniendo todo lo anterior la finalidad de ahorrar recursos materiales y financieros a la empresas que se encargan de generar energía eléctrica en lugares de difícil acceso redundando ello en una mayor ganancia y en una disminución de costos de energía para los usuarios. Ya que lo que se invertirá en el proyecto aquí propuesto se recuperaría en un plazo razonable. En síntesis, implicaría un beneficio social.

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CAPÍTULO I SISTEMAS DE LUBRICACIÓN DE TURBINAS LIBRES En este capitulo se hace necesario abordar las propiedades de los lubricantes, así como el ciclo que recorren a través de todo el sistema de lubricación, el cual tiene como propósito aumentar el tiempo de vida del sistema. Cabe señalar que el lubricante en su recorrido cíclico por el interior de la turbina aumenta su temperatura; por lo tanto se vuelve indispensable tener un sistema de enfriamiento. 1.1 Lubricación Todo sistema al realizar trabajo, siempre tiene pérdidas inevitables de energía en forma de calor. Generalmente, en los sistemas mecánicos esta pérdida se debe a la fricción interna de las partes del sistema. La fricción aparece cuando en su funcionamiento entran en contacto dos superficies de alguna parte del sistema. Que necesariamente tienen que deslizarse una con otra. Así pues, la fricción es la fuerza que se opone al movimiento relativo de dos superficies en contacto. No es una fuerza fundamental puesto que se deriva de las fuerzas electromagnéticas entre átomos. Cuando dos superficies se mueven relativamente una con otra, la fricción entre ambas convierte la energía cinética en energía térmica o calor. Existe la creencia que la fricción se debe a que las superficies en contacto están rugosas, sin embargo, suele ocurrir que a veces las superficies en contacto menos rugosas son las que tienen mayor fricción, porque en realidad la fricción se debe al intercambio de partículas de escala subatómica que realizan las superficies en contacto. Para la realización del trabajo, es necesario facilitar el deslizamiento de las superficies en contacto mediante el uso de fluidos .que estén entre las dos superficies en cuestión, estos fluidos, suelen llamarse lubricantes. Es necesario que estos lubricantes se mantengan a una temperatura constante, y ello implica ya en sí el diseño de sistemas complejos que hagan posible mantener la ecuación de estado del lubricante, en una isoterma, es decir a temperatura constante. Diseño que incluye la propia selección del lubricante. 1.1.1Tipos de lubricantes Los lubricantes dado su origen se clasifican en 2 tipos: Acites minerales y aceites sintéticos. Los aceites minerales proceden del petróleo, y son elaborados a partir del mismo después de múltiples procesos en sus plantas de producción, en las Refinarías. El petróleo crudo tiene diferentes componentes que lo hacen el indicado para la elaboración de distintos tipos de lubricantes como producto final. Ingeniería en control y automatización

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Los lubricantes minerales ofrecen un buen desempeño de lubricación en diversos sistemas, pueden perder eficiencia cuando queramos alargar el periodo de cambio o trabajamos en condiciones severas, altas velocidades, frecuentes arranques y paros constantes del sistema, etc. Los aceites sintéticos no tienen su origen directo del crudo o petróleo, sino que son creados de sub-productos petrolíferos combinados en procesos de laboratorio. Al ser más larga y compleja su elaboración, resultan más caros que los aceites minerales. Dentro de los aceites sintéticos, se pueden clasificar en:    

Oligómeros olefinicos Esteres orgánicos Poliglicoles Fosfato esteres

Los aceites sintéticos poseen tanto una estructura molecular uniforme, enlaces moleculares idénticos y fuertes como una estructura molecular saturada y libre de cera, combinación que hace posible que posean grandes ventajas de desempeño sobre los aceites minerales tales como: una mayor vida útil, mejor rendimiento, producción con menores interrupciones tanto en altas temperaturas y bajas. Para el caso de las turbinas libres, es más recomendable usar el tipo de aceites sintéticos, debido a las características de uso de la turbina de gas móvil, ya que ésta debe de funcionar en condiciones óptimas, sin importar el clima en el que se esté operando. El tipo de aceite sintético a utilizar dependerá del sistema a lubricar. En el caso de las turbinas libres, se puede emplear cualquier tipo de aceite, sin embargo. El aceite más adecuado es aquel que tiene como base a los esteres de fosfato, debido sus características físico-químicas tales como:     

Resistentes al fuego. Excelente adhesividad hacia las superficies metálicas. Buena estabilidad a temperaturas altas. Índices de viscosidad bajos. Volatilidad baja.

1.1.2. Formas de lubricación Las formas de lubricación de un sistema se dividen primordialmente en 2 tipos; 1. Película delgada. Se forma una capa de lubricante entre las superficies con espesores del orden de 0.003mm. Generalmente el lubricante se aplica sin elementos adicionales que permitan su recuperación, por lo cual se le conoce también como lubricación a toda perdida. 2. Película fluida o dinámica. Esta puede ser por cuña, esta se forma por movimiento de las partes y la adherencia del lubricante a las superficies, separándolas al entrar a la zona de compresión (contacto). En condiciones estáticas no se produce y deja sin lubricar al inicio de la Ingeniería en control y automatización

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marcha o por presión (representa un sistema de lubricación que mantiene presurizado al lubricante en el punto de lubricación, mediante una bomba, además de conducciones y depósitos de recuperación). La fricción fluida será función principalmente de la viscosidad del lubricante empleado. Esta propiedad es la que le da el “cuerpo” al fluido. La viscosidad es la resistencia a fluir, por ello los lubricantes ligeros fluyen más rápido que los pesados. Considerando sus características, el tipo de lubricación de película fluida, es la forma empleada de lubricación en las turbinas libres, ya que es en los cojinetes (véase figura 1-1) es en donde se emplea principalmente un sistema de lubricación, tratando de evitar el desgaste en la mayor medida de lo posible.

Figura 1-1 Lubricación de un cojinete de película fluida.

1.2 Estructura de los sistemas de lubricación Es necesario conocer tanto los componentes del sistema, como el ciclo que representa su funcionamiento, para que de este modo sea posible comprender de forma clara y concisa el problema que se va a atacar. 1.2.1 Composición del sistema de lubricación de las turbinas de gas Todos los sistemas de lubricación de las turbinas libres cuentan con los siguientes componentes básicos para su funcionamiento: Depósito o tanque, es en donde se almacena el aceite lubricante Bomba de suministro principal. Esta se encarga de mandar el aceite lubricante con la suficiente la suficiente presión y flujo para llegar a los inyectores. Filtros. Son los encargados de separar del aceite lubricante las partículas sólidas ajenas al sistema. Inyectores. Son los dispositivos cuyo funcionamiento depende que el aceite lubricante entre a la parte del sistema a lubricar (cojinetes)

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Recolectores. La función de los recolectores es el recoger el aceite lubricante que sale del sistema lubricado (también llamado aceite de barrido), para que pueda seguir su ciclo de utilización en el sistema. Bombas secundarias. Se encargan de enviar el aceite lubricante de regreso al tanque o deposito Enfriador. Su función el disminuir la temperatura del aceite de barrido. Así mismo, dependiendo del tipo de arquitectura de control que se platee en el sistema serán los dispositivos adicionales que se incluirán en el sistema, estos sensores principalmente son: 

Sensores de temperatura



Sensores de presión



Sensores de nivel



Válvulas



Controladores

1.2.2 Descripción del sistema de lubricación de una turbina libre En general se establece el mismo principio de funcionamiento para todos los sistemas de lubricación de una turbina libre, el cual se puede definir mediante un ciclo de operación (figura 1-2).

Figura 1-2 Ciclo de operación del sistema de lubricación de turbinas libres.

En donde: “D” es el Tanque o deposito “B1” es la bomba de suministro principal “F1” es el filtro primario “In” son los inyectores del aceite Ingeniería en control y automatización

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“Si” es el sistema a lubricar (los cojinetes en el caso de la turbina de gas) “Rc” son los recolectores “B2” es la bomba secundaria “F2” es el filtro secundario “En” es el intercambiador de calor (enfriador) El ciclo de funcionamiento del sistema de lubricación se describe en las siguientes etapas: Etapa1: El aceite es bombeado del tanque de almacenamiento “D” por la bomba “B1” hacia todo el sistema de lubricación (figura 1-3).

Figura 1-3 Etapa 1 del ciclo de lubricación de turbinas libres.

Etapa2: El aceite lubricante pasa por el filtro primario F1(figura 1-4).

Figura 1-4 Etapa 2 del ciclo de lubricación de turbinas libres.

Etapa 3 inmediatamente después de pasar el filtro primario, el aceite lubricante llega a llega a los inyectores “In” para posteriormente entrar al sistema a lubricar (figura 1-5).

Figura 1-5 Etapa 3 del ciclo de lubricación de turbinas libres.

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Etapa 4 Una vez que aceite de barrido es captado por los receptores “Rc” (figura 1-6).

Figura 1-6 Etapa 4 del ciclo de lubricación de turbinas libres

Etapa 5 El aceite de barrido es impulsado por la bomba secundaria “B2” hacia el filtro secundario “F2” (figura 1-7).

Figura 1-7 Etapa 5 del ciclo de lubricación de turbinas libres

Etapa 6 El aceite de barrido pasa por un enfriador para poder estabilizar la temperatura de tal forma que permita que el sistema opere de se forma adecuada, ya que si el aceite no se enfría aumentara su temperatura, de tal forma, que provoque la falla del sistema, y por consiguiente ocasionara la falla de toda la turbina libre. (figura 1-8).

Figura 1-8 Etapa 6 del ciclo de lubricación de turbinas libres.

Etapa 7 El aceite llega nuevamente al tanque de almacenamiento para repetir el ciclo (figura 1-9).

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Figura 1-9 Etapa 7 del ciclo de lubricación de turbinas libres.

1.3 Descripción del sistema del presente estudio El motor del equipo Mobile Power Pac FT4C-1D/LF, posee un sistema de lubricación del tipo película delgada o dinámica, compuesto de dos partes, una parte para el generador de gases y otra para la turbina libre, funcionando ambas partes de manera independiente.

Figura 1-10 Representación física de la turbina de gas Mobile Power Pac.

Los dos sistemas de lubricación son muy similares, con la diferencia de que el sistema de lubricación del generador de gases del tipo de tanque caliente (figura 1-12a), mientras que el sistema de lubricación de la turbina libre es del tipo de tanque frío (figura 1-12a). En el primero el aceite de barrido se bombea directamente al tanque de abastecimiento, antes de pasar por el enfriador y luego va al tanque frío. En el sistema de lubricación de la turbina libre, el aceite de barrido pasa por el enfriador, después por el tanque frío y al final llega al tanque de abastecimiento.

a)

b)

Figura 1-12 Esquema básico del sistema de lubricación; a) del generador de gases b) de la turbina libre (en donde Vc el la válvula de control de temperatura). .

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El sistema de lubricación de la turbina libre se encarga de lubricar los cojinetes 7, 8 y accesorio del cojinete 8 del equipo Mobile Power Pac FT4C-1D/LF 1.3.1 Componentes del sistema El sistema de lubricación de la turbina libre del equipo Mobile Power Pac FT4C1D/LF actual cuenta con los siguientes componentes (véase figura 1-13): 1 Tanque de abastecimiento. Es el elemento encargado de almacenar el aceite lubricante (a). 1 Deareador del tanque. Su función es separar el vapor del aceite lubricante, para evitar que este llegue al tanque de abastecimiento (b). 1 Bomba principal. Esta encargada de que el aceite lubricante llegue con la suficiente presión a todo el sistema antes de ingresar a los coladores internos para el aceite presurizado (c). 1 Válvula reguladora de presión de la bomba principal. Esta válvula tiene la función de regular la presión en la bomba principal (d). 1 Filtro de la bomba principal. Filtra partículas ajenas al lubricante para evitar el mal desempeño del sistema (e). 1 Filtro de by-pass de la bomba principal. Filtro de la bomba principal del sistema de lubricación (f). 1 Válvula check (unidireccional). Su función es evitar que el aceite lubricante fluya de regreso al sistema ya lubricado (g). 3 Colocadores internos para aceite presurizado a los cojinetes 7 y 8 y accesorios de la caja del cojinete 8 (caja de engranes). Su función es el inyectar el aceite lubricante a los cojinetes 7 y 8 y a caja de engranes (h) 2 Bombas internas de retorno de aceite de los cojines Nos. 7 y 8. Una vez que el aceite lubricante (también llamado aceite de barrido) sale de los cojinetes es necesario que una bomba eleve su velocidad de flujo para que puedan ser enviados nuevamente al tanque de retorno (i). 1 Bomba de retorno de aceite de la caja de engranes N3. Al igual que las que en el caso de los cojinetes, esta bomba se encarga de enviar el aceite lubricante nuevamente al tanque de almacenamiento (j). 1 Filtro de aceite en línea de retorno. Anexa una protección extra para el aceite lubricante que se dirige de las partes (también llamado aceite da barrido) ya lubricadas hacia el tanque de abastecimiento (l). 1 Enfriador de aceite. Su función es el disminuir la temperatura del aceite lubricante de barrido (m). . Ingeniería en control y automatización

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1 Válvula de by-pass del enfriador de aceite. Su papel consiste en regular la temperatura del aceite (n) 1 Válvula de drenaje del tanque de abastecimiento del aceite lubricante (o) 1 Válvula de alivio para el lazo anti sifón del sistema de lubricación de la turbina libre (p) 1 Respiradero rotatorio Este elemento se encarga de disipar el aceite lubricante que cambie de estado y lo envía al medio ambiente (q). Línea de ventilación anti-sifón. Sirve como escape para evitar el efecto de sifón Lazo de línea anti-sifón. Evita el fenómeno de sifón en el sistema de lubricaron de la turbina libre aceite lubricante 1 Manómetro de presión diferencial, detector debajo nivel con alarma. En caso de un presión baja del aceite lubricante este instrumento la detectara y mandara a activar una alarma 1 Manómetro identificador de presión, colocado antes de que el aceite sea inyectado para su lubricación en los cojinetes. Se encargan de determinar el nivel de presión en los cojinetes y mandar alarma o paro del sistema en caso de ser necesario. Caja de conexiones es el medio por el cual se van a enviar las señales de los sensores al cuarto de control del equipo Mobile Power Pac FT4C-1D/LF 2 Toberas de dosificación de aceite. Son los elementos que tienen la función de administrar el aceite lubricante a través del sistema de lubricaron. 1 Termopar este elemento manda una señal de apertura o cierre a la válvula by-pass para que de este modo se tenga un control retroalimentado en el sistema

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Tanque de abastecimiento (a). Deareador del tanque (b). Bomba principal (c). Válvula reguladora de presión de la bomba principal (d). Filtro de la bomba principal (e). Filtro by-pass l (f). Válvula check (g). Colocadores internos (h) Bombas internas de retorno (i). Bomba de retorno (j). Filtro de aceite en línea de retorno (k). Enfriador de aceite (l). Válvula de by-pass del entrador de aceite (m) Válvula de drenaje del (n) 1 Válvula de alivio (o) 1 Respiradero rotatorio (p).

Figura 1-13 Representación esquemática del sistema de lubricación de la turbina libre

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1 Sensor de nivel, este sensor está colocado en el tanque de abastecimiento, y se encarga de señalizar el nivel de aceite en el tanque de abastecimiento. Inyectores de aceite lubricante. Se encargan suministrar directamente el aceite lubricante a los cojinetes 7 y 8 ya la caja de accesorios del cojinete 8 1.3.2 Operatividad del sistema El sistema opera de la siguiente manera Desde el tanque de abastecimiento el aceite lubricante es bombeado por la bomba principal del sistema hacia los filtros e inyectores de los cojinetes 7 y 8 ya la caja de accesorios del cojinete 8, en la bomba principal se encuentran adaptados los siguientes dispositivos: 

Filtro principal



Filtro by-pass



Válvula reguladora de presión



Válvula check

En las siguientes (véase figura 1-14 y figura 1-15) figuras se observa de forma esquemática el orden de los dispositivos adaptados a la bomba principal de aceite así como una representación física de la bomba principal con sus componentes adaptados.

Figura 1-14 Esquema de los componentes adaptados a la bomba principal.

La válvula de presión de esta bomba está calibrada de tal forma que responde de forma inmediata a las necesidades del proceso. El cambio de esta válvula de presión influirá directamente en el operatividad de la bomba.

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Figura 1-15 Bomba principal de aceite con los componentes adaptados.

Posteriormente el aceite lubricante pasa a través del lazo anti-sifón y llega a los filtros posteriormente a toberas dosificadoras y a los inyectores del aceite lubricante de los cojinetes 7 y 8 y a la caja de accesorios del cojinete 8. Un vez que lubricados los componentes el aceite pasa por recolectores y es bombeado hacia el filtro detector de partículas metálicas, este detector cuenta con sensores de presión, para que en caso de que exista un gran numero de partículas metálicas en este filtro, se indique que existe una obstrucción. 1.3.3 Sistema de enfriamiento Una vez que el aceite pasa por el filtro de aceite en línea de retorno, pasa a través de un arreglo tal que permite el control retroalimentado de la temperatura del sistema. El control consta de un enfriador y una válvula bypass, este control funciona de la siguiente manera:

Figura 1-16 Ubicación del sistema de enfría

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Cuando la temperatura está dentro de un intervalo aceptable de operación (170° a 190° F de acuerdo a las características de diseño del sistema), el aceite lubricante pasa directamente al tanque. En cuanto el termopar ubicado en el tanque de abastecimiento detecte un incremento de temperatura del aceite lubricante fuera del intervalo de operación normal, mandara una señal a la válvula by-pass para que regule el paso del aceite por el lado del enfriador, y cierre el acceso del aceite lubricante que entra directo al tanque contenedor.

Figura 1-17 Esquema del sistema de control de temperatura actual.

Una vez que la temperatura del aceite lubricante se encuentre nuevamente dentro del intervalo de temperatura actual, el termopar mandara una señal a la válvula para que cierre el paso del aceite lubricante que pasa por el enfriador, y que abra nuevamente el paso directo al tanque de abastecimiento. 1.3.4 Alarmas en el sistema El Sistema de lubricación cuenta con una serie de alarmas tanto visibles (figura 1-8) como audibles, así como la opción de desenganchar todo el sistema Mobile Power Pac FT4C-1D/LF, estas alarmas se encuentran en el cuarto de control del sistema.

Figura 1-18 Cuadro de alarmas del sistema Mobile Power Pac FT4C-1D/LF

En caso de que los niveles de operación del sistema de lubricación salgan de los intervalo de seguridad establecidos en el diseño, el sistema activara relevadores de desenganche de emergencia. Las condiciones para que el sistema de alarmas y de paro sean activados por el sistema de lubricación es el siguiente:

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Tabla 1-1 condiciones de alarmas y de paro. ITEM MINIMO NORMAL Presión principal de aceite de la turbina 33 PSIG (paro) 40 a 50 PSIG libre Nivel de aceite 5 pulgadas (alarma) (medido desde el 3.5 pulgadas (paro) fondo) Temperatura de entrada de aceite de 170° F a 190° F lubricación Presión diferencial en el filtro de aceite externo

MAXIMO

225 ° F (alarma) 250 ° F (paro) 17 PSIG (alarma)

En los párrafos anteriores se han tratado desde un punto de vista global el funcionamiento del sistema de lubricación y su interacción con su sistema de enfriamiento y se han mostrado las fases por las que pasa el lubricante, sin embargo hace falta realizar un modelado del sistema de enfriamiento usando los principios generales de la termodinámica, lo que se hará en el siguiente capitulo

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CAPÍTULO II MODELADO DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO El objetivo de este capítulo es encontrar una función en el tiempo que muestre la relación entre el cambio de las variables de entrada y la variable de salida con el fin de establecer la dinámica del sistema. Para analizar su respuesta tanto en estado transitorio como permanente, es necesario realizar su modelo matemático de acuerdo a las leyes que rigen el comportamiento de los procesos térmicos. 2.1 Principios de la termodinámica Si definimos un sistema termodinámico como cualquier porción del mundo físico separado por paredes, el cual, puede ser abierto si intercambia materia, energía o información con sus alrededores, semiabierto si intercambian no todas las cosas anteriormente mencionadas; y cerrados, si no intercambian ninguna de las tres. Es la termodinámica la ciencia que trata el estudio del comportamiento de estos sistemas. La ley cero establece que todo sistema tiene una ecuación de estado que relaciona sus variables de estado, con una variable de estado denominada temperatura. F(X, Y, ….) =T

(1-1)

Donde X,Y,…..son variables de estado del sistema y T es la temperatura del mismo La primera ley establece que en todo sistema existe una variable de estado denominada energía interna U, que el calor Q es una forma de energía y que existe una relación entre U y Q con el trabajo que realiza (o se realiza en) el sistema: dU + dW = dQ

(1-2)

De esta ecuación se harán las siguientes observaciones: 1.- Es una ecuación en la que se expresa la conservación de la energía. 2.- que el trabajo y el calor no son variables de estado del sistema.

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Asimismo, la segunda ley de la termodinámica establece que existe una variable de estado que se denomina entropía S que se relaciona con el calor de la siguiente manera: Q d T

dS =

(1-3)

Por lo tanto, la ecuación de la energía quedaría de la siguiente manera: dU + dW = TdS

(1-4)

Si el sistema es un fluido, que tiene un volumen V y una presión P como variables de estado, entonces la ecuación anterior tiene la siguiente forma: dU + PdV = Tds

(1-5)

Esta ecuación representa una relación entre diferenciales, debido a que representa las variaciones de las variables entre diferentes estados de equilibrio, infinitesimales, es decir, muy cercanos. Estas últimas ecuaciones pueden ser representadas de otra manera, utilizando mediante las denominadas transformaciones de Legendre, otras variables de estado ( tres más) entre ellas, la que se considerará para el caso que nos ocupa es la variable de estado denominada entalpía H La entalpía se define de la siguiente manera: H = U+PV

(1-6)

Entonces, diferenciando, se tiene que dH = dU + PdV + VdP

(1-7)

dU + pdV= dQ

(1-8)

Pero se tiene que

Por lo tanto, sustituyendo en la ecuación anterior se tiene que: dH = dQ+VdP

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(1-9)

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En procesos, a presión constante, como los tratado en el presente trabajo, se tiene que: dP=0

(1-20)

dH = dQ

(1-31)

Por lo tanto:

Es decir, la entalpía representa la cantidad de calor introducido al sistema desde una fuente externa, lo cual explica el nombre de “calor total”, que se le da. Como puede observarse, si cada uno de los miembros de esta ecuación se divide entre el incremento de temperatura que ocurre en el sistema cuando recibe calor, se tiene: C p



p

Q T d d

p

H T d d



(1-42)

C p

En donde

es la capacidad calorífica a presión constante.

Par los fines de este trabajo, esta ecuación también puede escribirse de la siguiente manera: H d

C

p

p

=

dT

(1-53)

Se puede observar que si se dividen ambos miembros de esta ecuación entre la masa m del sistema entonces esta ecuación mostraría que la entalpía específica entre la temperatura en igual al calor específico. Antes, es necesario considerar los ciclos tanto del aceite como del fluido enfriador, interaccionando. El aceite, es llevado del tanque a las zonas de lubricación, y la fricción hace que parte del trabajo se transforme en calor, el cual es absorbido por el aceite lo cual hace que aumente su temperatura al regresar al tanque. Asimismo, el sistema enfriador realiza un ciclo en el que el fluido enfriador contenido en el serpentín, disminuye su temperatura, a un valor menor o igual que la del aceite, de tal manera que absorbe el calor de éste, manteniendo su temperatura a un nivel aceptable para el funcionamiento del sistema. Existe por lo tanto, un permanente intercambio de calor entre el aceite y el líquido enfriador del serpentín. Es precisamente para estos procesos de intercambio de calor, que se hace necesario utilizar la entalpía, debido a que como ya se he señalado con anterioridad que es esta variable de estado Ingeniería en control y automatización

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termodinámica la que representa el intercambio de calor entre un sistema y sus alrededores. 2.2 Modelado del sistema Para modelar el intercambiador de calor, se recurre al esquema mostrado en la figura 2-1, donde se representa esquemáticamente el flujo de los dos fluidos (tanto del aceite como del líquido enfriador), implicados en el proceso:

Figura 2-1 Esquema del enfriador propuesto para la simulación

En base a este esquema, incluyendo las propiedades físicas de los dos fluidos, la placa como medio de intercambio de calor y sus magnitudes físicas como área y volumen, se encuentra el balance térmico que da origen al modelo matemático del intercambiador de calor. Sin embargo, para el tratamiento y simulación del proceso, se deben hacer las siguientes suposiciones: 1. Ambos líquidos se consideran homogéneos por lo cual la densidad y la capacidad calorífica es la misma en todos los puntos donde fluye el líquido y no cambia con la temperatura de dichos líquidos. 2. El flujo del fluido del proceso es constante, q p  q po 3. El área de transferencia de calor es constante. 4. El intercambiador de calor se considera aislado de las condiciones ambientales. Ecuaciones de acuerdo a balance de energía Como se observa en la figura 2-1, intervienen en la transferencia de calor dos fluidos, uno que cede calor y el otro que lo recibe, por lo cual, se debe hacer un balance de energía para el fluido de proceso y otro para el de fluido de servicio tomando como base la ecuación de balance de energía.

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Balance de energía para el aceite lubricante Energía de Entrada  WP H P  q P  P C P TiP (t )

(2-6)

Donde:

WP  q P  P H P  C P TiP (t ) HP = Entalpía del fluido de proceso, J/kg WP = Flujo másico del fluido de proceso (aceite lubricante), kg/s Cp = Capacidad calorífica a presión constante, J/kg K qp = Flujo del aceite lubricante, m3/s p = Densidad del fluido del aceite lubricante, kg/m3 TiP = Temperatura de entrada del fluido de proceso, K Energía de Salida  WP H P  q P  P C P T (t )

(2-7)

Donde:

WP  q P  P H P  C P T (t ) HP = Entalpía del fluido de proceso (aceite lubricante), J/kg WP = Flujo másico del fluido de servicio, kg/s Cp = Capacidad calorífica a presión constante, J/kgK qp = Flujo del aceite lubricante, m3/s p = Densidad del aceite lubricante, kg/m3 T(t) = Temperatura de salida del aceite lubricante, K Energía Generada  UAT t   TS (t )

(2-8)

El signo negativo significa que el aceite lubricante esta cediendo energía interna Donde: U = Coeficiente global de transferencia de calor, constante, J/m2K s A = Área de transferencia de calor, m2 T(t) = Temperatura de salida del aceite lubricante, K TS(t) = Temperatura de salida del fluido de servicio, K Energía Acumulada  VCV

dT (t ) dt

(2-9)

Donde: V = volumen en el intercambiador de calor del fluido de proceso, m3 Ingeniería en control y automatización

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CV = Capacidad calorífica a volumen constante, J/kg K Realizando la sustitución de las ecuaciones 2-1, 2-2, 2-3 y 2-4 en la ecuación del balance de energía, se tiene: q P  P C PTiP (t )  UAT t   TS (t )  q P  P C P T (t )  VCV

dT (t ) dt

(2-10)

Se puede observar que existen dos incógnitas (T(t), Ts(t)) y una sola ecuación, por lo que es necesario tener otra ecuación independiente que es la ecuación en estado dinámico para el fluido de servicio, partiendo del al ecuación de balance de energía (como en el caso del fluido del proceso): Balance de energía para el fluido de servicio Energía de Entrada  WiS H iS  qiS (t )  S C PS TiS (t )

(2-11)

Donde: WiS  q iS (t )  S H iS  C PS TiS (t ) WiS =Flujo másico de entrada del fluido de servicio, kg/s HiS = Entalpía de entrada del fluido de servicio, J/kg qis = Flujo de entrada del fluido de servicio, m3/s s = Densidad del fluido de servicio, kg/m3 TiS = Temperatura de entrada del fluido de servicio, K Cps = Capacidad calorífica a presión constante del fluido de servicio, J/kgK Energía de Salida  WS H S  q S (t )  S C PS TS (t )

(2-12)

Donde: WS  q S (t )  S H S  C S TS (t ) WS = flujo másico del fluido de servicio, kg/s HS = entalpía del fluido de servicio, J/Kg qs(t)= Flujo de salida del fluido de servicio, m3/s TS(t) = Temperatura de salida del fluido de servicio, K s = Densidad del fluido de servicio, kg/m3 Cps = Capacidad calorífica a presión constante del fluido de servicio, J/kgK Energía Generada  UAT t   TS (t )

(2-13)

Donde: U = Coeficiente global de transferencia de calor, constante, J/m2Ks A = Área de transferencia de calor, m2 Ingeniería en control y automatización

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T(t) = Temperatura de salida del fluido de proceso, K TS(t) = Temperatura de salida del fluido de servicio, K Energía Acumulada  VS  S CV

(2-14)

dTS (t ) dt

Donde: CVs = Capacidad calorífica a volumen constante del fluido de servicio, J/kgK VS = Volumen en el intercambiador de calor del fluido de servicio, m3 s = Densidad del fluido de servicio, kg/m3 De igual manera se sustituyen las ecuaciones 2-6, 2-7, 2-8 y 2-9 en la ecuación del balance de energía obteniendo la siguiente ecuación: qiS (t )  S C PS TiS (t )  UAT (t )  TS (t )  q S (t )  S C PS TS (t )  VS  S CV

dTS (t ) dt

(2-15)

Ahora se puede observar que ya se tienen dos ecuaciones y dos incógnitas, lo cual quiere decir que el modelo es válido. 2.2.1 Linealización de ecuación Las funciones de transferencia que se requieren se pueden obtener a partir de las ecuaciones 2-5 y 2-10, pero debido a la no-linealidad del primer y último término del miembro izquierdo de la igualdad de la ecuación 2-10, ésta se debe linealizar, para lo cual se utiliza la expansión por series de Taylor para un función de dos variables , alrededor del punto x, y , aproximándola a la primer

 

derivada, en supuesto de que las diferenciales superiores, son tan pequeñas que se pueden despreciar. f ( x, y )  f ( x , y ) 

  f ( x, y ) ( x  x )  f ( x, y ) ( y  y ) x x x x x y y y

(2-16)

y y

Teniendo entonces: f 1 (T , q )  qiS (t )  S C PS TiS (t ) f 2 (T , q )  q S (t )  S C PS TS (t ) Para la ecuación 1-10, el primer término del lado izquierdo se linealiza de la siguiente manera: f1 (T , q )  f1 (T , q) 

  f1 (T , q ) (T  T )  f1 (T , q ) (q  q ) T  T T T T q qq

(2-17)

q q

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Realizando las derivadas parciales se tiene que: f1 (T , q )  qiS  S C PS T

(2-18)

f1 (T , q )  TiS  S C PS q

(2-19)

y

Evaluando ambas para el punto de operación se tiene que: f 1 (T , q )  q iS  S C PS T T T

(2-20)

f 1 (T , q )  TiS  S C PS T T T

(2-21)

f1 (T , q )  qiS  S C PS TiS

(2-22)

q q

y:

q q

Además se tiene que:

Sustituyendo las últimas tres ecuaciones en la ecuación (2-12) se obtiene: f1 (T , q)  qiS  S C PS TiS  qiS  S C PS (TiS (t )  TiS )   S C PS TiS (qiS (t )  qiS )  qiS  S C PS TiS  qiS  S C PS TiS (t )  qiS  S C PS TiS   S C PS TiS qiS   S C PS (TiS )(qiS ) Por último se encuentra la linealización del primer término que queda de la siguiente manera: f1 T , q   qiS  S CPS TiS (t )   S CPS TiS qiS (t )   S CPS (TiS )(qiS )

Al ordenar términos se tiene que:

f 1 T , q    S C PS TiS QiS (t )  qiS  S C PS iS (t )

(2-23)

De igual manera se aplica el mismo procedimiento para la ecuación f 2 (T , q)  q S (t )  S C PS TS (t ) obteniendo como resultado:

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f 2 T , q    S C PS TS QS (t )  q S  S C PS S (t )

(2-24)

Por lo tanto, la ecuación 2-10 linealizada queda de la siguiente manera:

 S CPS TiS QS (t )  qiS  S CPS iS (t )  UA  (t )  TS (t )    S CPS TS QS (t )

(2-25)

dT (t )   S qS CPS TS (t )  VS  CV S dt

En el presente trabajo, el flujo de entrada y de salda del fluido enfriador se considera el mismo. Si se hacen las siguientes igualdades, C1   S C PS TiS ; J/m3 C 2   S C PS qiS ; J/K s C3   S C PS TS ; J/m3 La ecuación queda de la siguiente manera: C1QS (t )  C 2 iS (t )  UA(t )  TS (t )  C3QS (t )  C 2TS (t )  VS CV

dTS (t ) dt

(2-26)

Teniendo como variables desviadas: TiP (t )  TiP (t )  Ti T (t )  T (t )  T TS (t )  TS (t )  TS Qs (t )  qS (t )  q S TiS (t )  TiS (t )  TiS 2.3 Obtención de la función de transferencia La obtención de la función de transferencia se logra a través de la relación de la entrada del proceso entre la salida en el dominio de Laplace, para ello es necesario identificar en las ecuaciones que modelan al proceso las variables en función del tiempo que son entradas y las que son salidas. Estas son las siguientes: Tabla 2-1 Definición de entradas y salidas

VARIABLE TiP Temperatura de entrada del fluido de proceso TIS(t) Temperatura de entrada del fluido de servicio Qs Flujo del fluido de servicio T(t) Temperatura de salida del fluido de proceso

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TIPO Entrada Entrada Entrada Salida

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Para poder realizar el analisis de entradas y salidas del modelado planteado en el presente trabajo es necesario realizar un diagramas de bloque el cual ilustre tanto las entradas del sitema, como las salidas del mismo, tal y como s muestra en la figura 2-2

Figura 2-2 Diagrama a bloques intercambiador de calor

Como se puede observar existen tres entradas (TIp(s) TiS(s), Qs(s)) y solo se considera una sola salida (T(s)) por lo que podemos deducir que se pueden tener tres funciones de transferencia que son las siguientes: T (s) Temperatura de salida del fluido de proceso  TiP ( s ) Temperatura de entrada del fluido de proceso

(2-27)

T ( s) Temperatura de salida del fluido de proceso  TiS ( s ) Temperatura de entrada del fluido de servicio

(2-28)

T ( s ) Temperatura de salida del fluido de proceso  QS ( s ) Flujo del fluido de servicio

(2-29)

Se obtiene la transformada de Laplace de la ecuación 1-5: q P  P C P TiP ( s )  UAT s   TS ( s )  q P  P C PT ( s )  VCV sT ( s )

(2-30)

Se despeja T(S) de la ecuación 1-25: T (s) 

q p  P C PP TiP ( s )  UATS ( s )

(2-31)

V P CV s  UA  q P  P C P

Normalizando la ecuación 1-26 a la forma característica de un sistema de primer orden se tiene:

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T (S ) 

 q P  P C PP TiP ( s ) UATS ( s )  1    UA  q P  P C P UA  q P  P C P   V P CV     s  1  q P  P C P  UA 

(2-32)

Donde:

1 

VP CV ; UA  qP  PCP

(2-33)

K2 

UA ; UA  qP  PCP

(2-34)

Haciendo el análisis dimensional para las constantes de tiempo y para las K1 

qP  P CP ; UA  q P  P C P

(2-35)

ganancias se tiene que:

J   m   mkg   kgK  3

1 

3



 ; Segundos  J  2  m   kg   J   2 m     3    m Ks   s   m   kgK  3

 m3   kg   J     s   m3   kgK   K1  ; Sin dimensiones 3  J  2  m   kg   J   2 m     3    m Ks   s   m   kgK   J  2  2 m   m Ks  K2  ; Sin dimensiones 3  J  2  m   kg   J   2 m     3    m Ks   s   m   kgK  Sustituyendo las ecuaciones 2-28, 2-29 y 2-30 en la ecuación 2-27 se tiene: T (S ) 

1 K1TiP ( s)  K 2TS ( s)  1s  1

(2-36)

Se obtiene la transformada de Laplace de la ecuación 2-21:

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C1QS ( S )  C 2 iS ( s )  UA( s )  TS ( s )  C3QS ( s )  C 2TS ( s )  VS CV TS s ( s )

(2-37)

Despejando TS(s) de la ecuación 2-32 se tiene: TS ( s ) 

(C1  C3 )QS ( s )  C 2TiS ( s )  UAT ( s ) VS CV s  UA  C 2

(2-38)

Normalizando la ecuación 2-33 se tiene:

 (C1  C3 )QS ( s ) C 2TiS ( s ) UAT ( s )  1   TS ( S )    UA  C 2 UA C 2 UA  C 2   VS CV     s  1  UA  C 2 

(2-39)

De esta ecuación se tiene que:

2 

VS CV ; UA  C 2

(2-40)

K3 

C1  C3 ; UA  C 2

(2-41)

K4 

C2 ; UA  C 2

(2-42)

K5 

UA ; UA  C2

(2-43)

Haciendo el análisis dimensional se tiene:

J   m   mkg   kgK  3

1 

3

  ; segundos 3   m  kg   J   J  2  2 m     3    m Ks   s   m   kgK 

J J  3 3 m m K3  ; K/m3 s J  J  2  2 m   Ks  m Ks 

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J Ks ; sin dimensiones K4  J  J  2  2 m   Ks  m Ks  J Ks K5  ; sin dimensiones J  J  2  2 m   Ks  m Ks  Sustituyendo estas igualdades se tiene: TS ( s ) 

1 K 3QS (s )  K 4TiS (s )  K 5T (s)  2s 1

(2-44)

Se sustituye la ecuación 2-39 en la ecuación 2-31 y se tiene: T ( s) 

 1  1  K 3QS (s)  K 4TiS (s)  K 5T (s )  K1TiP ( s )  K 2   1s  1   2s 1 

(2-45)

Desarrollando el producto se tiene: T (s) 

K2K3 K1 K2K4 TiP ( s )  QS ( s )  T (s)   1s  1 2 s  1  1s  1 2 s  1 iS  1s  1



(2-46)

K 2 K5 T (s)  1s  1 2 s  1

Se agrupan los términos T(S) en el miembro izquierdo de la igualdad:

T (S ) 

K 2 K5 K2 K3 K1 T (S )  TiP ( S )  Q (S )   1 S  1 2 S  1  1S  1 2 S  1 S  1S  1 

(2-47)

K2K4 T (S )  1 S  1 2 S  1 iS

Se realizan las operaciones de suma y resta en ambos miembros:

1s 12s 1  K2K5 T(s)  2s 1K1TiP(s)  K2K3QS (s)  K2K4TiS (s) 1s 12s 1 1s 12s 1

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(2-48)

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Como se puede observar tanto el término de la derecha como el de la izquierda están divididos por (1s+1)(2s+1), por lo tanto este factor se puede eliminar quedando la ecuación de la siguiente manera:

 1s  1 2 s  1  K 2 K 5 T ( s)   2 s  1K1TiP ( s)  K 2 K 3QS ( s)  K 2 K 4TiS ( s)

(2-49)

Ahora, como se explicó anteriormente, el sistema tiene tres entradas, mismas que se pueden ver en esta última ecuación, debido a eso se obtienen tres funciones de transferencia, para ello, se toma en cuenta una entrada y las otras se consideran que valen cero, para la primera función de transferencia se considera que TiP es la entrada:          K s 1  T (s) 1 2     TiP ( s )  1  K 2 K 5    1 2  2   1   2         1  K K s   1  K K s  1  2 5  2 5    

(2-50)

Teniendo ahora a TiS como entrada:      T ( s )  K 2 K 4  1     TiS ( s )  1  K 2 K 5    1 2  2   1   2         1  K K s   1  K K s  1  2 5  2 5    

(2-51)

Si se considera ahora a QS como entrada se tiene:      T ( s )  K 2 K 3  1     QS ( s )  1  K 2 K 5    1 2  2   1   2         1  K K s   1  K K s  1  2 5  2 5    

(2-52)

Para la obtención de la función de transferencia se ha despreciado la dinámica de las paredes del intercambiador de calor, lo cual supone que ante cualquier cambio de temperatura o flujo del fluido de servicio repercute directamente en la temperatura del flujo de proceso. 2.4 Simulación en lazo abierto La simulación del proceso para encontrar el comportamiento dinámico de la temperatura de salida de proceso se hace teniendo en cuenta solo el cambio en escalón del fluido de servicio por lo que la ecuación a utilizar es la ecuación 2-47 (véase figura 2-3). Ingeniería en control y automatización

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2.4.1 Parámetros y condiciones del proceso Para la simulación de la respuesta dinámica del proceso se toman los valores de el sistema tomando como referencia los patrones de mediciones más usuales en la industria, ya que se pueden emplear diferentes tipos de aceite lubricantes y líquidos enriadores, en este caso en particular se plantean los siguientes valores (véase Anexo A). Tabla 2-2 Definición de las variables del proceso

Capacidad calorífica del aceite lubricante (Cv,Cp) Flujo del aceite lubricante Densidad del aceite lubricante Temperatura de entrada del aceite lubricante Volumen del flujo de proceso Temperatura de entrada del fluido de servicio Temperatura de salida del flujo de servicio Densidad del fluido de servicio Capacidad calorífica del fluido de servicio (Cv,Cp) Volumen del flujo de servicio Coeficiente global de transferencia de calor Área de transferencia

 J  7.8052    kgK  0.0006309 m3/s  kg  852  3  m  393.15 K 0.3 m3 223.5 K 223.15 K  kg  1543  3  m   J  4.4865    kgK  0.3 m3  J  13.619    kgsK  3.7 m2

Para llevar a cabo la simulación del modelo matemático que describe el comportamiento de la temperatura de salida, es necesario realizar un diagrama de simulación en la herramienta Simulink incluida en el programa MATLAB que es el que se muestra en la figura 2-3 (véase Anexo B)

G p ( s) 

T ( s) 8946  2 QS ( s ) 13.86 S  7.448S  0.1505

(2-48)

En esta figura 2-3 el bloque entrada es el flujo del agua de servicio con su respectivo valor de entrada en escalón, como se menciona, en este caso se platea una temperatura inicial del proceso que es de 393.15 K, debido a que se trata de un enfriador y si esta temperatura por algún motivo no se controla de forma adecuada, el sistema llegara de forma inmediata al paro por alta Ingeniería en control y automatización

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temperatura del aceite lubricante, la temperatura de entrada está representada por el bloque Tss el cual se suma a la respuesta dinámica debido a la entrada en escalón.

Figura 2-3 Diagrama de bloques del modelado propuesto.

Entonces se tiene como respuesta del modelo propuesto la figura 2-3

Figura 2-3 Respuesta de la simulación del modelo matemático.

2.5 Obtención de la función de los elementos de campo En la presente investigación se tienen determinados intervalos de lectura de los transmisores, esto es con el fin de poder emplear cualquier transmisor que dentro de sus características cuente con los intervalos aquí establecidos, únicamente se realiza un cambio en los límites de las ecuaciones.

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Las entradas y salidas de un controlador son normalmente señales analógicas, típicamente de 0-20 mA o de 4-20 mA. La razón principal para el uso de 4 mA en vez de 0 mA, como límite inferior, es que muchos transmisores están diseñados para su conexión con dos hilos. Esto significa que el mismo hilo es usado tanto para manejar el transmisor como para transmitir la información desde el transmisor hasta el controlador. En este caso, no sería posible manejar el transmisor con una corriente de 0 mA. Por otra parte, la razón principal del uso de corriente en vez de diferencia de potencial es evitar la influencia de las caídas de diferencia de potencial, debidas a la resistencia a lo largo del recorrido del hilo. 2.5.1 Transmisor de temperatura Debido a las características del sistema, se propone un transmisor de temperatura cuyos intervalos se puedan modificar de tal modo que el mínimo de temperatura que puedan registrar sea de 0 °C (equivalente a 32 °F y 273.15 K) con 4 mA a la salida y el máximo de temperatura de censado sea de 140 °C (equivalente a 284 °Fy 413.15 K) con 20 mA a la salida, en este caso se platean transmisores de temperatura Endress-Hauser RTD THERMOMETER TR24 los cuales cumplen con estas características (para mayor información véase a Anexo C). Para definir el comportamiento de un transmisor se emplean los siguientes argumentos:  Su comportamiento es lineal  La señal mínima que pueden ofrecer es de 4 mA y la máxima de 20 mA Tomando en cuenta los puntos anteriores se puede definir su comportamiento como una recta, de la cual se parte para obtener su ecuación y posteriormente poder agregarla en la simulación del sistema de control. Se tiene la ecuación general de una recta

y  mx  b

(3-1)

y2  y1 x2  x1

(3-2)

Donde:

m

En el caso del transmisor la pendiente está dada por:

m

20  4  0.1142 413.185  273.15

(3-3)

Sustituyendo en (3-1) Ingeniería en control y automatización

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y  0.1142 x  b

(3-4)

Evaluando la ecuación en y  4 ; x  273.15 se tiene:

4  0.1142(273.15)  b ; b  27.2171

(3-5)

Por lo tanto la ecuación del comportamiento del transmisor es:

y  0.1142 x  27.2171

(3-6)

Por lo cual se puede definir el comportamiento del transmisor, así mismo se puede realizar la tabulación correspondiente de los valores, teniendo como resultado la figura 2-4

Corriente de salida

Comportamiento de un sensor de temperatura 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 413

404

396

387

378

369

361

352

343

334

326

317

308

299

291

282

273

Temperatura de entrada

Figura 2-4 Grafica del comportamiento del transmisor de temperatura propuesto

Teniendo su representación en diagrama de bloques como.

Figura 2-5 Representación en diagrama de bloques del transmisor de temperatura propuesto.

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2.5.2 Transmisor de flujoPara el caso del transmisor de flujo se emplea la misma característica de los transmisores para poder variar su intervalo de operación, dadas las suposiciones de los valores se tiene como flujo máximo 0.0006309 m3/s (equivalente a 37.854 l/min), para este caso el intervalo de operación del transmisor será de 0 l/min (equivalente a 0 m3/s) a una salida de 4 mA, hasta 40 l/min (equivalente a 0.000666 m3/s), para este caso se propone un transmisor Endress-Hauser PROMASS 64 M/F debido a las características de operación, que cumplen con las especificaciones requeridas (véase Anexo D), teniendo las mismas consideraciones de linealidad y intervalos de operación que el transmisor de temperatura se tienen los siguientes resultados Tomando como base la ecuación 3-2 se tiene:

m

20  4  25360.595 6.309*104

(3-7)

Sustituyendo en (2-1)

y  25360.595 x  b

(3-8)

Evaluando la ecuación en y  4 ; x  0 se tiene:

4  25360.595(0)  b ; 4  b ;

(3-9)

Por lo tanto la ecuación del comportamiento del transmisor es:

y  25360.595 x  4

(3-10)

Corriente de salida (mA)

Comportamiento de un sensor de flujo 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Flujo de entrada (m 3/s)

Figura 2-6 grafica del comportamiento del transmisor de flujo propuesto.

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Teniendo su representación en diagrama de bloques como.

Figura 2-7 Representación en diagrama de bloques del transmisor de flujo propuesto.

2.5.3 Válvula de control de flujo Para la obtención de la ecuación de la válvula de control se tomó como base el principio de una ecuación lineal, ya que en este caso se plantea una válvula, la cual tenga una acción lineal sobre el proceso, es decir al estar cerrada no dejara pasar nada de flujo, y al estar abierta dejara pasar el flujo máximo del enfriador. Por lo cual se obtiene las siguientes ecuaciones:

m

6.309*104  0  3.943*105 20  4

(3-11)

Sustituyendo en (2-1)

y  3.943*10 5 x  b

(3-12)

Evaluando la ecuación en y  0 ; x  4 se tiene:

0  3.943*10 5 (4)  b ; b  1.577 *104

(3-13)

Por lo tanto la ecuación del comportamiento del transmisor es:

y  3.943*10 5 x  1.577 *10 4

(3-14)

Flujo de salida (m 3/s)

Com portamiento de una valvula lineal de flujo 6,30E-04 6,00E-04 5,70E-04 5,40E-04 5,10E-04 4,80E-04 4,50E-04 4,20E-04 3,90E-04 3,60E-04 3,30E-04 3,00E-04 2,70E-04 2,40E-04 2,10E-04 1,80E-04 1,50E-04 1,20E-04 9,00E-05 6,00E-05 3,00E-05 0,00E+00 4 5 6 7 8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Corriente de entrada (m A)

Figura 2-8 Comportamiento de la válvula propuesta.

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Para cerrar este capitulo se señala la importancia que tiene el tratamiento de estos sistemas utilizando técnicas físico-matemáticas, lo cual, fortalece y sirve de base argumentativa para desde un punto de vista teórico construir el modelado del proceso, el cual conforma una base referencial para las posteriores pruebas de campo. Sin embargo para complementar lo expuesto en este capitulo se hace necesario realizar un diseño de control.

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CAPÍTULO III SIMULACIÓN Y PROPUESTA DE CONTROL ENFRIAMIENTO DE LA TURBINA LIBRE

DEL

SISTEMA

DE

Como ya se señalo con anterioridad, en esta capitulo se abordar el sistema de control del proceso en cuestión y se propone un diseño en cascada para posteriormente aterrizarlo en un PLC. 3.1 Sistemas retroalimentados Para entender el concepto (vease figura 3-1), se asume que el proceso es tal que cuando el valor de la variable manipulada se incrementa, entonces se incrementan los valores de las variables del proceso. Bajo este concepto simple, el principio de realimentación puede ser expresado como sigue: Incrementar la variable manipulada cuando la variable del proceso sea más pequeña que la referencia y disminuirla cuando ésta sea más grande.

Figura 3-1 Representación en diagrama de bloques de un sistema retroalimentado.

3.2 Sistema retroalimentado sin control Para plantear las ventajas que tiene el sistema de control en cascada es importante primero analizar el sistema con un control retroalimentado, por lo cual se plantea una simulación en MATLAB con Simulink, obteniendo el siguiente modelo del sistema (figura 3-2).

Figura 3-2 Representación en diagrama de bloques del sistema de enfriamiento sin control con retroalimentación.

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En el cual al no existir control únicamente el sistema no reacciona como su espera esto se puede observar de manera adecuada en la figura 3-3, ya que a la entrada del flujo de proceso a una temperatura de 393.15 K, el sistema no llega a los valores deseados

Figura 3-3 Respuesta del sistema de enfriamiento retroalimentado sin control

3.2 Control PID El controlador PID (Proporcional, Integral y Derivativo) es un controlador retroalimentado cuyo propósito es hacer que el error en estado estacionario, entre la señal de referencia y la señal de salida de la planta, sea cero de manera asintótica en el tiempo. 3.2.1 Funcionamiento Para el correcto funcionamiento de un controlador PID que regule un proceso o sistema se necesita, al menos: Un sensor, que determine el estado del sistema (termómetro, medidor de caudal, etc). Un controlador, que genere la señal que gobierna al actuador. Un actuador, que modifique al sistema de manera controlada (resistencia eléctrica, motor, válvula, bomba, etc). El sensor proporciona una señal analógica al controlador, la cual representa el punto actual en el que se encuentra el proceso o sistema. La señal puede representar ese valor en tensión eléctrica, intensidad eléctrica o frecuencia. En este último caso la señal es de corriente alterna, a diferencia de los dos anteriores, que son con corriente continua. Ingeniería en control y automatización

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El controlador lee una señal externa que representa el valor que se desea alcanzar. Esta señal recibe el nombre de punto de consigna(o punto de referencia), la cual es de la misma naturaleza y tiene el mismo intervalo de valores que la señal que proporciona el sensor. 3.2.2 Acción proporcional La parte proporcional consiste en el producto entre la señal de error y la constante proporcional. Esta componente PID toma un papel importante cuando la señal de error es grande, pero su acción se ve mermada con la disminución de dicha señal. Este efecto tiene como consecuencia la aparición de un error permanente, que hace que la parte proporcional nunca llegue a solucionar por completo el error del sistema. La constante proporcional determinará el error permanente, siendo éste menor cuanto mayor sea el valor de la constante proporcional. 3.2.3 Acción integral La función principal de la acción integral es asegurar que la salida del proceso concuerde con la referencia en estado estacionario. Con el controlador proporcional, normalmente existiría un error en estado estacionario. Con la acción integral, un pequeño error positivo siempre producirá un incremento en la señal de control y, un error negativo siempre dará una señal decreciente sin importar cuán pequeño sea el error. 3.2.4 Acción derivativa El propósito de la acción derivativa es mejorar la estabilidad de lazo cerrado. El mecanismo de inestabilidad puede ser descrito intuitivamente como sigue. Debido a la dinámica del proceso, pasa algún tiempo antes de que la variable de control se note en la salida del proceso. De esta manera, el sistema de control tarda en corregir el error. La acción de un controlador con acción proporcional y derivativa puede ser interpretada como si el control proporcional fuese hecho para predecir la salida del proceso Conjuntando se tiene que en dominio del tiempo, la ecuación característica de un controlador PID es: t  de(t )  u (t )  k p e(t )  ki  e(t )dt  kd  dt  0 

Conjuntando se tiene que en dominio de Laplace, la ecuación característica de un controlador PID es:  k  u ( s )  k p 1  i  kd s   s 

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3.3 Sintonización del sistema retroalimentado por Ziegler-Nichols El proceso de seleccionar los parámetros del controlador que cumplan con las especificaciones de desempeño se conoce como sintonización del controlador. Debido a que se conoce la función de transferencia del proceso, se calcula la respuesta escalón unitario o la ganancia crítica Kr y el periodo crítico Pcr. A continuación, empleando los valores calculados, es posible determinar los parámetros Kp, Ti y Td a partir de la tabla 3-1 Tabla 3-1 Valores de Kp, Ti y Td de acuerdo a la sintonización por Ziegler-Nichols

Tipo controlador P

de

Kp

Ti

Td

0.5 K r



0

PI

0.45K r

0

PID

0.65K r

1 Pcr 1.2 0.5 Pcr

Pcr

Para llevar acabo este método de sintonización se debe de hacer que Ti =  y Td = 0. Usando sólo la acción de control proporcional, incrementando Kp de 0 aun valor crítico Kr en donde la salida exhiba primero oscilaciones sostenidas. Por tanto, la ganancia crítica Kr y el periodo Pcr correspondiente se determinan experimentalmente (véase la figura 3-3), en este caso para que el sistema oscilara fue necesaria una Kr=5.513

Figura 3-3 Oscilación del sistema retroalimentado

Al realizar el análisis de las oscilaciones se obtuvieron los siguientes resultados Pcr  272.33 Ingeniería en control y automatización

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K p  0.6 Kr  (0.6)(5.513)  3.3078

Ti  0.5Pcr  (0.5)(272.33)  136.165 Td  0.125 Pcr  (0.125)(272.33)  34.04125 Ki 

Kp Ti



3.3078  0.02429 136.165

K d  ( K p )(Td )  (3.3078)(34.04125)  112.60164675

Al tener los datos de la ganancia proporcional, integral y derivativa, se realizaron mas pruebas para mejorar la respuesta del sistema obteniendo la respuesta de la figura 3-4 K p  2.1

K i  0.02429 K d  45

Figura 3-4 Señal controlada del sistema retroalimentado.

3.4 Control en cascada La aplicación en la cual se emplea el control en cascada (véase figura 3-5 y 36) en la presente propuesta se encuentra en el enfriamiento del intercambiador de calor que utiliza un refrigerante como fluido enfriador, cuyas características Ingeniería en control y automatización

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pueden cambiar por variación de presión, de al temperatura o de la viscosidad, dado a que no se tiene un acceso completo de la plata, estos valores se plantearon de forma ideal, esto es debido a que en la presente propuesta no se pudo obtener datos del sistema real, por lo que hubo la necesidad de parametrizar el proceso de forma ideal. Teniendo muy en cuenta la posibilidad de poder implementar el equipo, la presente propuesta cuenta con la flexibilidad de cambiar los datos de simulación por los datos reales a la planta. Las variaciones de la temperatura llegarán al controlador y este reajustara la posición de la válvula de acuerdo con las acciones de que disponga. Nótese que el control de temperatura se realiza mediante la cambio de temperatura por el refrigerante que pasa a través de la válvula, es decir, la temperatura es regulada mas bien por el caudal del refrigerante (si la calidad del refrigerante es constante) que por la posición del vástago de la válvula. Nótese que el caudal no esta controlado, y que es de interés secundario (variable secundaria), pero es evidente que sus fluctuaciones afectan a la variable temperatura, la que necesariamente es de interés principal (variable primaria) en el control del proceso

Figura 3-5 Diagrama de bloques general de un control en cascada

Si las señal de salida del controlador de temperatura (primario) actúa como punto de consigna de un instrumento que controle el caudal y cuya señal de salida ajuste la posición de la válvula, este segundo controlador (secundario) permitirá corregir rápidamente las variaciones de caudal provocadas por perturbaciones manteniendo el sistema en todo momento la capacidad para controlar la temperatura con el instrumento primario, tal y como se muestra en la figura 3-5

Figura 3-6 Representación del diagrama de bloques del sistema de enfriamiento propuesto

3.5 Sintonización de sistema en cascada por Ziegler-Nichols Para poder realizar la sintonización es necesario tomar en cuenta que el lazo de control externo brinda el punto de consigna al lazo interno, el lazo interno debe de ser mas rápido para poder corregir las perturbaciones que se Ingeniería en control y automatización

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presenten, por lo cual en este caso el lazo secundario se platea un control PI para una respuesta mejor en tiempo estacionario, y un control PID para el lazo externo, los pasos a seguir para la sintonización del sistema en cascada son los siguientes:   

El primer paso es sintonizar el lazo interno Sintonizar el lazo externo Comparar los resultados del control en cascada con el control retroalimentado

3.5.1 Sintonización del Lazo interno Para poder sintonizar el lazo interno se debe de tomar en cuenta los siguientes puntos  El controlador debe ser más rápido.  Frecuentemente se usa control proporcional. Para esta parte se trabajará con un controlador P (proporcional) basado en la respuesta del sistema en lazo cerrado, debido a que en la realización de pruebas de tiempo de respuesta , fueron esos parámetros los que brindaron una respuesta más rápida, aun mejorando la respuesta que en el sistema retroalimentado, tal y como se muestra en la figura 3-6

Figura 3-7 Respuesta del sistema de control en cascada con un control PI en el lazo interno.

3.5.2 Sintonización del lazo externo En esta etapa se procede a realizar la sintonización del lazo de control externo donde tenemos un control PID que nos permitirá complementar nuestro control en cascada, es importante tomar en cuenta que al sintonizar el lazo externo, el

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control del alzo interno debe de estar activo, en esta propuesta la sintonización que se empleó estuvo basada en el método de Ziegler-Nichols. La igual que en el sistema retroalimentado se debe de hacer que Ti =  y Td = 0. Usando sólo la acción de control proporcional, incrementando Kp de 0 aun valor crítico Kr en donde la salida exhiba primero oscilaciones sostenidas. Por tanto, la ganancia crítica Kr y el periodo Pcr correspondiente se determinan experimentalmente (véase la figura 3-7), en este caso para que el sistema oscilara fue necesaria una Kr=7.762

Figura 3-8 Oscilación del sistema con una Kr=7.762

Al realizar el análisis de las oscilaciones se obtuvieron los siguientes resultados Pcr  291 K p  0.6 Kr  (0.6)(7.762)  4.6572

Ti  0.5Pcr  (0.5)(291)  145.5 Td  0.125 Pcr  (0.125)(291)  36.375 Ki 

Kp Ti



4.6572  0.02429 145.5

K d  ( K p )(Td )  (4.6572)(36.375)  169.405

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Al tener los datos de la ganancia proporcional, integral y derivativa, se realizaron mas pruebas para mejorar la respuesta del sistema obteniendo la respuesta de la figura 3-9 K p  2.8

K i  0.02808 K d  75

Figura 3-9 Señal controlada del sistema en cascada.

Para esta modelo se planteó una temperatura inicial de 393.15 °K grados kelvin debido a que es una temperatura de prueba muy alta, tal que si por algún motivo se llegara a presentar y no se presentara un control adecuado, el sistema llegaría inmediatamente a paro general, el resultado de realizar este análisis es que en el momento de que la temperatura del aceite llegue a 358.15°K, el control actuara y mantendrá el valor de la temperatura dentro de los intervalos permitidos de seguridad, esto se ejemplifica con una simulación con variables cambiantes entre de un intervalo de 358.15°K a 393.15°K tal y como se puede observar en la figura 3-9 con un intervalo en tiempo de un segundo, es decir, cada segundo existirá un cambio de 358.15°K a 393.15°K, esto es con el fin de demostrar que el sistema propuesto puede controlar la temperatura sin llegar a activar el sistema de paro por emergencia

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Figura 3-10 Sistema de control con oscilaciones cada segundo con un intervalo de 358.15°K a 393.15°K

Una vez determinados los parámetros de control, se plantea un PLC para poder aterrizar los parámetros encontrados en la presente simulación. 3.6 Criterio de selección del PLC En cuanto a la elección del PLC adecuado, se tomaron varias características que cumplan con las funciones ya establecidas previamente en la simulación del sistema, las características aquí planteadas son las requeridas de manera mínima en el sistema real y sin importar el PLC del cual se trate, estas características deben de ser cumplidas en los siguientes puntos.    

Tener compatibilidad con tarjetas de entradas y salidas analógicas de 420 mA. Capacidad de realizar operaciones en la programación con punto flotante. Debe de ser compatible con comunicación DDE. Es necesario que se pueda programar uno o varios controles PID de acuerdo a la simulación.

En este caso la propuesta se enfoca a un PLC Allen Bradley SLC 500, ya que además de cumplir con las especificaciones ya mencionadas, también se cuenta con el programa RSLogix, RSLinx y RSEmulate, los cuáles son de vital importancia para esta propuesta ya que al no tener acceso total a la planta, a las posibilidades de equipamiento tanto personales como escolares, no se tuvo acceso a otro tipo de controladores, sin embargo, es posible adaptar los valores de la simulacion a cualquier tipo de controlador. 3.6.1 Selección de módulos de entradas La selección de módulos de entrada se basó principalmente en el concepto de desarrollo de la simulación del sistema y en las características reales de los Ingeniería en control y automatización

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transmisores–sensores, dado a que en la presente propuesta se platea el aterrizar las señales de simulación con un sistema de control físico de control (PLC SLC500), se debieron de tomar en cuenta las siguientes características de las tarjetas de entrada para su correcta interpretación en el PLC. 

Se debe de emplear el menor numero de módulos de entradas.



Dado a que las ecuaciones de simulación se basaron en sensores reales con señales de 4-20 mA se debe de emplear módulos de entradas que puedan interpretar estas señales.



La selección de los módulos de entradas analógicas depende en gran medida del escalamiento que se requiera para el control del proceso.

En cuanto a la familia de PLC´s SLC 500 los módulos de entradas analógicas que cumplen con las especificaciones básicas mencionadas anteriormente (además de cumplir con el número de entradas analógicas especificadas en la figura 3-10), es la tarjeta de entrada 1746-NI8 para entradas analógicas, ya que cuenta con 8 entradas analógicas para su empleo independiente, teniendo características de escalamiento para el control en el PLC. Tabla 3-2 Modos de escalamiento para la interpretación en el PLC Tipo de entrada

Rangos de señal

Unidades ingeniería

de

 10 Vcc 0-5 Vcc 1-5 Vcc 0-10 Vcc 0-20 mA 4-20 mA  20 mA 0-1 mA

-10.25 V a +10.25 V -0.5 V a +5.5 V +0.5 V a +5.5 V -0.5 V a +10.25 V -0.5 mA a 20.5 mA 3.5 mA a 20.5 mA -20.5 mA a 20.5 mA -0.05 mA a 1.05 mA

-10250 a +10250 -500 a +5500 +500 a +5500 -500 a +10250 -500 a 20500 3500 a 20500 -20500 a 20500 -50 a 1050

Escalamiento unidades ingeniería 1 mV/step 1 mV/step 1 mV/step 1 mV/step 1.0 µA/step 1.0 µA/step 1.0 µA/step 1.0 µA/step

de de

Los valores de la tabla anterior solo son para que se puedan manejar dentro del programa RSLinx realizando operaciones sin control PID, debido a que en este caso se plantea un control en cascada, es necesario agregar dos controladores PID., pero los valores de escalamiento empleados para la interpretación del PID son totalmente diferentes a los antes mencionados, por lo que es necesario realizar otro escalamiento basado en los valores de la tabla 3-3. Tabla 3-3 Modos de escalamiento para la interpretación del PID Tipo de entrada  10 Vcc 0-5 Vcc 1-5 Vcc 0-10 Vcc 0-20mA 4-20mA

Rango de señal -10.00 V a +10.00 V 0.0 V a +5.00 V +1.00V a +5.00V 0.0V a +10.00V 0.0 mA a 20.0 mA 4.0 mA a 20.0 mA

Escalamiento para el PLC 0 a 16383 0 a 16383 0 a 16383 0 a 16383 0 a 16383 0 a 16383

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 20mA 0-1mA

-20.0 mA a 20.0 mA 0.0 mA a 1.00 mA

0 a 16383 0 a 16383

En el caso de entradas digitales se maneja modulo de entradas digitales 1746IB8 para entradas digitales, la razón por la cual se agrego este modulo es el poder mandar una señal de arranque y paro del sistema de lubricación de forma manual. En este caso el escalamiento no es considerado ya que solo se manda una señal de parte de una entrada para arrancar el sistema y otra señal para poder detenerlo. Debido a que no se tiene acceso a la planta, en la presente propuesta se plantea únicamente una señal de accionamiento sin tomar en cuenta el mecanismo que la produzca. 3.6.2 Selección de los módulos de salida En la presente propuesta solo se presenta una salida analógica, la cual produce una señal de 4-20mA controlada, esta señal puede ser manipulada de tal manera que pueda satisfacer las necesidades de control para cualquier tipo de válvula lineal y de cualquier maraca, pero de igual manera es necesario realizar un escalamiento para que se pueda interpretar la señal que manda el control propuesto al modulo de salida analógica, para este caso se platea un modulo 1746-NIO4I, en el cual se tiene los rangos de operación y escalamiento están definidos en la tabla 3-4 Tabla 3-4 Escalamiento de la señal de salida de la tarjeta 1746-NIO4I Rango de la señal de salida 4-20mA 0-10 Vcc 0-5 Vcc

Rango decimal 6,242 to 31,208 0 to 32,764 0 to 16,384

Resolución 2.56348 μA 1.22070 mV/ 1.22070 mV/

En el caso de la salida digital se propone un modulo de salida 1746-OA8 ya que se platea una señal la cual se pueda manejar a consideración de las especificaciones de la planta, la cual produzca el paro o arranque del sistema de lubricación. 3.6.3 Selección del CPU La selección del PLC se baso principalmente en dos aspectos 

Memoria del CPU



Instrucciones

Teniendo como selección el procesador SLC5/03 debido a las siguientes características Este procesador proporciona 8 k o 16 k de memoria. E l canal RS-232 integrado le proporciona la flexibilidad de conectar dispositivos inteligentes externos sin la necesidad de tener módulos adicionales. Los sistemas modulares de E/S se pueden configurar con un máximo de 3 chasis (30 ranuras en total) y de 4 puntos de E/S se a un máximo de 4096 puntos de E/S. Ingeniería en control y automatización

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3.6.4 Selección de la fuente de alimentación La selección de la fuente se basa principalmente en tres factores de capacidad de corriente de las tarjetas y del cpu del PLC 

Capacidad de corriente (Amper) a 5V



Capacidad de corriente (Amper) 24 V



Capacidad de corriente del usuario

Si mismo existen una diversidad de 7 fuentes de alimentación para el PLC SLC 500 con sus diferentes características de capacidad de corriente y voltaje de línea, estas características se observan en la tabla 3-5 Tabla 3-5 Características de las fuentes de alimentación No de Cat.

Voltaje linea

1746-P1

De 85132/170-265 VCA, DE 47 A 63 hZ De 85132/170-265 VCA, DE 47 A 63 hZ De 19.2 a 28.8 VCC De 85132/170-265 VCA, DE 47 A 63 hZ De 90 a146 VCC De 30 a 60 VCC

1746-P2

1746-P3 1746-P4

1746-P5 1746-P6

de

Capacidad de corriente (Amps ) a 5V

Capacidad de corriente (Amps) 24 V

Capacidad corriente usuario

de del

Corriente de entrada al momento de arranque. max

2A

0.46

0.2 mA a 24 VCC

20 A

5A

0.96

0.2 mA a 24 VCC

20 A

3.6A

0.87

--------------------

20 A

10A

2.88

1 mA a 24 VCC V

45 A

5A

0.96

20 A

5A

0.96

0.2 mA a 24 VCC 0.2 mA a 24 VCC

20 A

Para la selección de la fuente es necesario tomar en cuenta los factores mencionados anteriormente para cada tarjeta de entrada, salida y el CPU, para este caso los cálculos se realizaron mediante la tabla 3-6 Tabla 3-6 Distribución de corriente de acuerdo a los módulos empleados Chasis Nº 1 Numero de ranura 0 1 2 3 4 5

Nº de catalogo 1747-L532 1746-NI8 1746-NIO4I 1746-OA8 1746-N2 1746-N2

Corrientes máximas 5 VCC 500 mA 200 mA 55 mA 185 mA -

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24 VCC 175 mA 100 mA 145 mA -

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6 Corriente total

1746-N2

0.94 A

420 mA

Los datos de corriente total se emplean para poder obtener la potencia en watts mínima necesaria para poder tener un correcto desempaño del sistema, estas operaciones se observan en la tabla 3-7con la cual se obtiene la fuente de alimentación requerida para del PLC de la presente propuesta.

Tabla 3-7 Selección de la fuente de acuerdo al consumo de los módulos Corriente Corriente total a 5 0.940 A VCC Corriente total a 24 0.420 A VCC Corriente de usuario 0.500 A a 24 VCC Fuente de alimentación requerida

Multiplicar por 5V

= Watts 4.7 Watts

24 V

10.08 Watts

24 V

12 Watts

1746-P1

3.7 Programación La base de la propuesta de control por PLC se realizó tomando en cuenta las señales de entrada y las señales de salida, tal y como se muestra en la figura 3-10 existen tanto entradas analógicas como digitales, pero en el planteamiento de esta propuesta se busca el control de la variable analógica de salida a la válvula de control.

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Figura 3-10 Diagrama de entradas y salidas físicas del PLC

De igual manera para poder realizar la lectura de las variables en la interfase propuesta, se plantea en la figura 3-11 las entradas y salidas que van desde la interfase hacia el PLC, a su vez, las señales que son censadas que van del PLC a la interfase

Figura 3-11 Diagrama de entradas y salidas la interfase al PLC

A su vez se realizó un escalamiento de cada variable como se menciono en la selección de tarjetas de entradas y salidas para la interpretación de la interfase, este escalamiento se puede observar en la programación (véase Anexo E)

3.7.1 Bloque de control PID El bloque de control PID se configuro de a cuerdo al esquema de un control en cascada teniendo como resultado dos bloques de control PID, en el cual el primer PID (controlador primario) será el encargado de brindar el SP al segundo PID (controlador secundario Así mismo también fue necesario realizar el escalamiento de las entradas y salidas analógicas teniendo el resultado en las Debido a que no se cuenta con el acceso a la planta, en esta propuesta solo se plantea el modelo con los datos de la simulación obtenidos en MATLAB, por lo que las pruebas reales con el PLC se realizaran hasta que se tenga el acceso correspondiente, por lo que se plantea por el momento la siguiente configuración del bloque de control PID primario y secundario de acuerdo a las simulaciones en MATLAB, pero fue configurado de acuerdo a las características que indica el manual de operación (véase Anexo F)

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Figura 3-12 Configuración del control primario

Debido a que en el controlador secundario el set point (palabra 2) lo brinda el control secundario, es necesario tomar en cuenta que el bloque de control es un archivo que almacena los datos requeridos para operar la instrucción. La longitud de archivo es de 23 palabras y se debe introducir como dirección de archivo de entero. En este caso, el bloque de control primario tiene la dirección N7:30 teniendo como salida N7:12, es decir ese debe de ser el set point de el control secundario. Teniendo en cuenta de que para establecer el set point de el controlador secundario (con direccionamiento N7:60) se debe de modificar la palabra 2 (set point), es decir se debe de copiar la salida del bloque PID primario (N7:12) y referirlo al set point del secundario (N7:62) tal y como se muestra en la figura 3-13

Figura 3-13 Modificación del set point del controlador secundario

Teniendo como resultado la configuración del bloque de control secundario ilustrado en la figura 3-14

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Figura 3-14 Configuración del control secundario

En el presente trabajo se han determinado las condiciones para la simulación de parámetros desde el punto de vista del modelo teórico. Sin embargo, es necesario que los parámetros restantes se prueben directamente en campo, para ello es necesario, tener acceso al sistema de estudio que se ha tratado. Se queda todo en condiciones apropiadas para que en el momento en el que la CFE decida aprobar la realización de este proyecto puedan realizarse las mediciones complementarias a las que aquí se presentan. Se insiste, en que como puede observarse se tiene todo preparado para ello. Se ha propuesto el sistema de control en cascada para la repotencialización e la turbina. Sin embargo es necesario también para complementar lo hasta aquí expuesto una interfase en la cual se realice un monitoreo de las variables criticas del sistema de lubricación, el cual se bordara en el siguiente capitulo

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CAPITULO IV INTERFASE DEL SISTEMA DE LUBRICACIÓN La idea fundamental en el concepto de interfase es el de mediación, entre hombre y máquina. La interfase es lo que "media", lo que facilita la comunicación, la interacción, entre dos sistemas de diferente naturaleza, típicamente el ser humano y una máquina como el computador. Esto implica, además, que se trata de un sistema de traducción, ya que los dos "hablan" lenguajes diferentes: verbo-icónico en el caso del hombre y binario en el caso del procesador electrónico. 4.1 Lógica de operación de operación de la interfase La interfase se realizó basado en una lógica de operación basada en puntos concretos de funcionabilidad que permitan la máxima fiabilidad del sistema, detección mas rápida en caso de un mal funcionamiento del sistema y realizar un muestro constante de las variables presión, nivel y temperatura del sistema de lubricación, estos puntos son los siguientes.        

 

 

El sistema puede iniciarse en cualquier momento que sea necesario, pero solo se podrá iniciar una vez. Una vez iniciado el proceso desde la interfase, se dejara pasar un tiempo de espera para empezar a recibir los datos del sistema. El sistema recibirá los datos de los sensores a través del programa RSLogix 500 del PLC En caso de no recibir señales del PLC el sistema se detendrá En caso de que las condiciones de alarmas establecidas en las bases de diseño de la turbina se activen, la interfase mandara una señal visible al usuario Se llevara a cabo un registro de las variables que puedan ocasionar una posible alarma o un posible paro en el sistema, este registro se enviara a una hoja de Excel para su posterior análisis. Se podrá guardar el registro de los sensores en Excel en cualquier momento En caso de que se necesite detener el sistema, el operador lo podrá hacer, pero tendrá que pasar una confirmación, en caso de que ocurra una selección no deseada de paro y no se haya dado la confirmación de paro, el operador podrá restaurar a condiciones normales de paro. Se podrá observar de que elemento del sistema se tarta con solo colocar el Mouse sobre un dispositivo El paro por una falla en el sistema se llevara acabo de forma inmediata, se vera una pantalla de falla y se procederá al guardado de los registros hasta ese momento y se regresara a la interfase en condiciones iniciales para su próxima puesta en operación En caso de que la interfase no pueda iniciar el sistema, un medio externo podrá hacerlo (véase Anexo E). Si llegara a existir un error e la programación no afectara en lo mas mínimo al sistema Ingeniería en control y automatización

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 

Se emplea como base una figura del manual de instrucciones de operación, para que de esta manera sea mas fácil comprender y detectar (en caso de existir), una alarma o el paro del sistema. La interfase se dividirá en tres partes: control, monitoreos y alarmas

En base a los puntos anteriores se realizó la programación de la interfase en visual Basic, principalmente por las siguientes ventajas que presenta. 

Permite un desarrollo eficaz y menor inversión en tiempo que con otros lenguajes.



El costo de la licencia de Visual Basic es bajo, comparado con el software especializado de otras marcas.



Se puede implementar cualquier interfase dependiendo de las necesidades del sistema y desarrollarla



Tiene compatibilidad de comunicación DDE (al igual que el software de Allen Bradley)



Es un buen sistema en caso de realizar muestreos de información.

En la programación se emplearon dos puntos primordiales para realizar la programación de la interfase: 1. Se definieron interactivamente sobre el formulario los controles que van a constituir la aplicación. 2. Se definieron para cada control el código con el que se va a responder a cada uno de los eventos. Para ello basta dar clic dos veces sobre el control y se abre una ventana de código. En ella Visual Basic 6.0 ha preparado ya el inicio y el final de la función con la que se va a responder al evento. El nombre del evento forma parte del nombre de la función, junto al nombre del control. 4.2 Características de los comandos de Visual Basic empleados en la Interfase Dado a que en la presente propuesta se realizó la programación de la interfase mediante controles de Visual Basic es importante tomar en cuenta que cada elemento cuenta con diferentes características de programación que se pueden usar o conveniencia del usuario, pero de acuerdo a estándares de programación de Visual Basic el nombre de cada elemento debe de llevar al principio 3 letras, las cuales determinaran el tipo de elemento que se esta empleando, esto es con el fin de que en cualquier momento y cualquier programador pueda entender de forma la forma mas rápida el programa, las abreviaturas para los comandos se muestran a continuación:

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Tabla 4-1 abreviatura de los comandos

Abreviatura chk cmd drv frm hsb lbl lst opt shp tmr

Control Check box command button drive list box form horizontal scroll bar label list option button shape timer

Abreviatura cbo dir fil fra img lin mnu pct txt vsb

Control combo y drop-list box dir list box file list frame image line menú Picture box text edit box vertical scroll bar

Los controles empleados para la presente propuesta de interfase en Visual Basic son los siguientes: 4.2.1Botón de comando (Command Button) La propiedades más importantes del botón de comando son su Caption, que es lo que aparece escrito en él, las referentes a su posición (Left y Top) y apariencia externa (Height, Width y tipo de letra) y la propiedad Enabled, que determina si en un momento dado puede ser pulsado o no. No hay que confundir la propiedad Caption con la propiedad Name. La primera define a un texto que aparecerá escrito en el control, mientras que las segunda define el nombre interno con el que se puede hacer referencia al citado objeto.. El evento que siempre suelen tener programado los botones de comandos es el evento clic. En la interfase se cuenta con una serie de eventos activados por botones de comando, una aplicación fundamental es en accionamiento del sistema de lubricación (activación de las bombas) y la detención del mismo, así como el envío de los datos de los sensores a una base de datos en Microsoft Excel tal y como se muestra en la siguiente fracción de código Private Sub cmdiniciarsistema_Click() Set y1app = New Excel.Application Set y1book = y1app.Workbooks.Add Set y1sheet = y1book.Worksheets.Add y1sheet.Cells(1, 1) = "Nivel en el tanque" y1sheet.Cells(1, 2) = "Sensor de temperatura 1" y1sheet.Cells(1, 3) = "Sensor de temperatura 2" y1sheet.Cells(1, 4) = "Sensor de temperatura 3" y1sheet.Cells(1, 5) = "Sensor de presion 1" y1sheet.Cells(1, 6) = "Sensor de presion diferencial" Timer1.Enabled = True

Cabe mencionar que es necesario llamar a la referencia de Excel, pero al hacer ejecutable el sistema, esto se hará de forma automática para la versión 11.0 correspondiente a Microsoft Office 2003, en caso de que no se cuente con esta Ingeniería en control y automatización

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versión, el cambio de versión es sumamente sencillo, ya que solo hay que hacer referencia a otra versión. 4.2.2 Etiquetas (Labels) En las etiquetas o labels la propiedad más importante es Caption, que contiene el texto que aparece sobre este control. Esta propiedad puede ser modificada desde programa, pero no interactivamente dando clic sobre ella. Puede controlarse su tamaño, posición, color de fondo y una especie de borde 3-D. Habitualmente las labels no suelen recibir eventos ni contener código. En el desarrollo de la presente investigación se empleó las etiquetas de labels para indicar partes del sistema de lubricación para su fácil identificación, así como las indicaciones de las unidades con las cuales se esta haciendo el almacenamiento de las variables del sistema.

Figura 4-1 Ejemplo de etiquetas en la interfase 4.2.3 Control forma (shape) Este control no cuenta con las propiedades text, Caption y Value, ni reconoce eventos. Se diferencia en que admite formas geométricas,colores de sistema complejas, que vienen definidas por la propiedad Shape, que admite los valores siguientes: cuadrado (Square), rectángulo (Rectangle), círculo (Circle), elipse (Oval), cuadrado redondeado (Rounded Square) y rectángulo redondeado (Rounded Rectangle). Los controles shape que se emplearon en esta interfase tiene la función primordial de la identificaron tanto de los sensores, como su ubicación física en el sistema. La diferencia radica en la forma del control shape tal y como se muestra en la siguiente figura y tabla

Figura 4-2 Uso del control shape en la interfase

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Tabla 4-2 Diferenciación de los controles shapes utilizados en la interfase Figura Tipo de sensor Sensor de nivel Sensor de temperatura Sensor de presión

4.2.4Control Imagen (Image) El control Image es un contenedor de gráficos bitmap, iconos, metafile, enhanced metafile, GIF y JPEG. Este control admite ya una amplia colección de eventos, por lo que es ya un control con un papel mucho más activo que los anteriores. Las propiedades más propias e importantes de este control son las propiedades Picture y Stretch. La propiedad Picture sirve para relacionar este control con el fichero que contiene el gráfico que se desea representar, a través del cuadro de diálogo Load Picture que permite elegir el fichero a insertar. El fichero deberá ser de uno de los tipos admitidos. Según el fichero elegido, la propiedad Picture tendrá uno de los tres valores siguientes: icon (ficheros cur, ico), bitmap (bmp, gif, jpg) o metafile (wmf, emf). En este caso se emplearon 56 imágenes con extensión bmp, ya que se plantea una animación del flujo del aceite lubricante a través del sistema de lubricación, esto es con el fin de crear un retardo que permita la comunicación entre Visual Basic y RSLogix 500, una vez que se termine la animación, la inicia imagen que se vera es la 56. La base de la imagen esta basada en el manual de instrucciones del operador, esto con el fin de facilitar el entendimiento de la lectura de las variables.

Figura 4-3 Imagen 56 de la interfase

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4.2.5 Sentencia seleccionar caso (select case) Esta sentencia permite ejecutar una de entre varias acciones en función del valor de una expresión. Es una alternativa cuando se compara la misma expresión con diferentes valores. Cuando se utiliza la forma expresión To expresión, el valor más pequeño debe aparecer en primer lugar. Cuando se ejecuta una sentencia Select Case, Visual Basic evalúa la expresión y el control del programa se transfiere a la sentencia cuya etiqueta tenga el mismo valor que la expresión evaluada, ejecutando a continuación el correspondiente bloque de sentencias. Si no existe un valor igual a la expresión entonces se ejecutan las sentencias a continuación de Case Else. Tanto en el sistema como en la interfase se tienen diferentes condiciones para activar una alarma o el paro del sistema es por ello que en determinado rango de opresión, se mantenga sin alarmas, y en caso de salir de esos rangos, se debe de indicar la activación de una alarma, y en caso de ser necesario, el paro del sistema, esto fue programado para las variables de las cuales depende el sistema de alarmas y el sistema de paro, tal y como lo describe el siguiente fragmento de código. 'sensor de temperatura 1 corregido Select Case Val(txtsensortemperatura3.Text) Case 0 To 224 shpsensortemp1.BackColor = vbGreen shpindicaiontempe.BackColor = vbGreen shpindicaiontempe.Height = 915 shpindicaiontempe.Top = 960 Case 224 To 249 shpsensortemp1.BackColor = vbYellow shpindicaiontempe.BackColor = vbYellow shpindicaiontempe.Height = 1115 shpindicaiontempe.Top = 860 cmdposiblefallaTemperatura.Enabled = True frmSistemadelubricaciondelaturbinalibre.BackColor = vbYellow Case 250 To 1000000 shpsensortemp1.BackColor = vbRed shpindicaiontempe.BackColor = vbRed shpindicaiontempe.Height = 1515 shpindicaiontempe.Top = 660 y1sheet.Cells(i, 1) = Val(txtsensortemperatura1.Text) y1sheet.Cells(j, 2) = Val(txtsensortemperatura2.Text) y1sheet.Cells(k, 3) = Val(txtsensortemperatura3.Text) y1sheet.Cells(l, 4) = Val(txtSensorpresion1.Text) y1sheet.Cells(m, 5) = Val(txtsensordenivel.Text) y1sheet.Cells(n, 6) = Val(txtsensorpresion2.Text)

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txtparo = 2 txtencendido = 1 txtencendido.LinkTopic = "RSLinx|tesisleo" txtencendido.LinkItem = "N7:0" txtencendido.LinkMode = 2 txtencendido.LinkPoke txtencendido.LinkMode = 0 txtparo.LinkTopic = "RSLinx|tesisleo" txtparo.LinkItem = "N7:1" txtparo.LinkMode = 2 txtparo.LinkPoke txtparo.LinkMode = 0 frmalarmatemp2.Show frmSistemadelubricaciondelaturbinalibre.BackColor = vbRed Unload frmSistemadelubricaciondelaturbinalibre Case Else shpsensortemp1.BackColor = vbGreen shpindicaiontempe.BackColor = vbGreen shpindicaiontempe.Height = 915 shpindicaiontempe.Top = 960 End Select

4.2.6 Control Timer Si se desea que una acción suceda con cierta periodicidad se puede utilizar un control Timer. Este control produce de modo automático un evento cada cierto número de milisegundos y es de fundamental importancia para crear animaciones o aplicaciones con movimiento de objetos. La propiedad más importante de un objeto de este tipo es Intervalo, que determina, precisamente, el intervalo en milisegundos entre eventos consecutivos. La acción que se desea activar debe programarse en el evento Timer de ese mismo control. Si en algún momento se desea detener momentáneamente la acción periódica es suficiente con hacer False la propiedad Enabled del control Timer y para arrancarla de nuevo volver a hacer True esa propiedad. Haciendo 0 la propiedad Interval también se consigue inhabilitar el Timer. En la programación de la interfase en cuestión se empleo el control Timer para realizar una animación al principio del accionamiento del sistema, con la finalidad de permitir un tiempo para que la interfase se pueda comunicar con el PLC tal y como se muestra en el siguiente código. Private Sub Timer1_Timer() a=c b=c-1 If b < 0 Then b = 0 If b >= 0 And b < 55 Then imglubricacion(b).Visible = False imglubricacion(a).Visible = True c=c+1 Else

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Timer1.Enabled = False imglubricacion(55).Visible = False imglubricacion(56).Visible = True Timer1.Enabled = False Timer2.Enabled = Trae End If End Sub

De igual forma se empleo como base un control Timer, que realiza la comunicación cíclica entre la interfase y el programa RSLogix, esta comunicación cíclica puede ser desde milisegundos hasta horas, en este caso se plantea un tiempo de lectura de 1 segundo (con la posibilidad de ser modificado) permitiendo tomar un muestreo de las variables presión, nivel y temperatura el sistema, este muestreo es albergado en un hoja de Excel para poder realizar un análisis de las variables mas detallado, el código se puede observar en el Anexo G 4.2.7 Cajas de texto (Text Box) La propiedad más importante de las cajas de texto es Text, que almacena el texto contenido en ellas. En el programa las cajas de texto son empleadas para recibir las datos de los sensores desde el programa RSLinx y de los datos que estas contengan, dependerá el accionamiento de las alarmas de la interfase, el direccionamiento de las variables se observa en la siguiente tabla. Tabla 4-3 Direccionamiento de las variables para su monitoreo

Sensor Sensor de temperatura 1 Sensor de temperatura 2 Sensor de temperatura 3 Sensor de presión 1 Sensor de presión 2 Sensor de nivel

Dirección de memoria en el PLC F8:6 F8:7 F8:8 F8:9 F8:10 F8:11

En cada ciclo de lectura de las variables en el PLC, el valor de la caja de texto cambiara, pero en el momento en que la caja de texto detecte alguna anomalía en el sistema, se indicara de forma inmediata (este sistema se explicará mas adelante). 4.3 Comunicación entre Visual Basic utilizando recursos compartidos DDE Los recursos compartidos DDE es una herramienta que se utiliza para administrar las conversaciones de intercambio dinámico de datos (DDE) a través de una red. En Recursos compartidos DDE puede crear, modificar y eliminar recursos compartidos DDE de forma que los programas de un equipo puedan comunicarse y compartir datos con programas de otros equipos. Ingeniería en control y automatización

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Se puede utilizar Recursos compartidos DDE para administrar cómo se comunican los programas y cómo comparten datos en una red mediante la creación, modificación y eliminación de recursos compartidos de intercambio dinámico de datos (DDE). Forma de comunicación entre procesos (IPC) implementada en la familia de sistemas operativos Microsoft Windows. Dos o más programas compatibles con el intercambio dinámico de datos (DDE, Dynamic Data Exchange) pueden intercambiar información y comandos. En la presente interfase las cajas de texto se utilizan como el control para el acoplamiento del DDE, el DDE Application|Topic usado se define en la característica de la caja de texto del asunto del acoplamiento. Para RSLinx, el uso es RSLinx y el asunto se configura en RSLinx bajo menú del DDE. En este caso el asunto es tesisleo, RSLinx|tesisleo (vease figura 4-4) se coloca en la característica del asunto del acoplamiento. El artículo del DDE es la dirección de la tabla de los datos del PLC que se están escribiendo o leyendo y se define en la característica del artículo del acoplamiento de la caja de texto.

Figura 4-4 Creación del tópico tesisleo

Es necesario definir las características del modo del acoplamiento del control. Para realizar un envío de datos a RSLinx, se fija el modo del acoplamiento a 2 (acoplamiento manual) para establecer un acoplamiento. Se realiza un empuje del acoplamiento que envíe el valor incorporado en la característica del texto de una caja de texto a RSLinx. Posteriormente se fija el modo del acoplamiento a 0 (ningunos) para cerrar el acoplamiento del DDE tal y como se muestra en la siguiente fracción de código. txtencendido.LinkTopic = "RSLinx|tesisleo" txtencendido.LinkItem = "N7:0"

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txtencendido.LinkMode = 2 txtencendido.LinkPoke txtencendido.LinkMode = 0

'modo de acoplamiento

Se puede definir el modo del acoplamiento del control. Cuando el modo del acoplamiento se fija a 1, se crea un acoplamiento automático y los datos se envían como acoplamiento caliente. Por lo tanto, hay un acoplamiento continuo entre Visual Basic y RSLinx. Cuando el modo del acoplamiento se fija a 2, se establece un acoplamiento manual, que abre un acoplamiento del DDE en RSLinx, pero no se lee ninguna información hasta que se realiza un comando de la petición del acoplamiento. Fijando el modo del acoplamiento a 3 establece un acoplamiento de la notificación entre RSLinx y Visual Basic. Por lo tanto, siempre que los datos cambien, un acoplamiento notifica acontecimiento ocurre, pero no se lee ninguna información hasta que se realiza un comando de la petición del acoplamiento. Cuando el modo del acoplamiento se fija a 0, no hay acoplamiento del DDE abierto para ese control. Esto se puede utilizar para cerrar un acoplamiento abierto del DDE. La razón por la que se empleo un acoplamiento manual en esta interfase es que se platea un control de flujo de datos totalmente independiente de otros programas, es decir, la interfase va a enviar y recibir datos si y solo si el código de la interfase esta realizando esta operación. 4.4 Descripción de la interfase La presente interfase consta de una pantalla donde se puede accionar o detener el sistema, enviar los datos de los sensores a Excel para su almacenamiento y análisis y detectar la posible causa de alarma o paro del sistema.

Figura 4-5 Visualización de la interfase

Así mismo la interfase se divide en 3 partes principales: 

Control de la interfase Ingeniería en control y automatización

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 

Monitoreo de variables críticas Visualización de alarmas y paro

Estas tres partes tiene una interacción directa con RSLogix 500, ya que a partir de el se obtendrán los datos para el muestreo, se podrá accionar o detener el sistema, o bien se accionaran las indicaciones de alarma en la interfase, a continuación se describe el funcionamiento de estas tres partes principales 4.4.1 Control de la interfase Se define esta parte de la interfase como control debido a que se puede iniciar o detener el sistema de lubricación desde la interfase dando clic sobre el botón de “Iniciar sistema de lubricación”, así mismo se pueden enviar todos los datos monitoreados a Excel presionando el botón de “Enviar datos de registro de los sensores a Excel” y se puede cerrar la interfase dando clic en “Confirmar paro del sistema”. En los botones de control de la interfase se propuso una lógica de utilización tal que reduzca al mínimo las pasibilidades de error por un empleo inadecuado de la interfase, los puntos para cumplir esta lógica son los siguientes: Al inicio de la Interfase solo se podrá iniciar el sistema de lubricación, todos los demás botones estarán deshabilitados. El sistema solo podrá arranca una vez, es decir, una vez arrancado el sistema, el botón de arranque del sistema se volverá inactivo. Una vez que el sistema arranque deberá de pasar un tiempo para poder establecer de forma adecuada la comunicación entre la interfase y RSLogix permitiendo de esta forma comenzar con el monitoreo de los sensores, al iniciar el censado del sistema se activará el botón de “Enviar el registro de los sensores a Excel” y “Detener el sistema”

Figura 4-6 Botones de control en la interfase

En caso de dar clic a de “Enviar el registro de los sensores a Excel”, se pedirá al usuario se desea grabar los datos hasta ese momento capturados, si no los desea guardar o si cancela la opción, si acepta ese registro se guardara el libro Ingeniería en control y automatización

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en el disco duro de la computador con el nombre que mas convenga y se reiniciara el censado de las variables en una nueva hoja de Excel, si no acepta, se borrara el registro llevado hasta ese momento y si cancela la acción, el censado seguirá de forma normal hasta un nuevo acontecimiento

Figura 4-7 cuadro de dialogo de los valores censados de la interfase

Si se da clic en el botón “Detener sistema” se volverán activos dos botones. 1.-Negar la activación del paro 2.-Confirmación del paro del sistema Esto es con el fin de evitar los errores causados por el incorrecto empleo de la interfase, proporcionando de esta manera más estabilidad a la interfase. Si se llegara a requerir el paro del sistema, al dar clic en el botón “Confirmación de paro del sistema”, se pedirá que se desee hacer con los datos almacenados en el libro de Excel, posteriormente, el sistema saldrá de operación y la interfase volverá a condiciones iniciales. 4.4.2 Monitoreo de variables críticas Este sistema esta basado puramente en el ciclo de un control Timer (Timer2) el cual tiene la función de realizar un ciclo continuo, permitiendo por cada ciclo, un censado de todas las variables críticas del sistema, este censado recauda los datos desde de el programa RSLogix (que es en donde se realiza el control del proceso), esta lectura funciona de manera independiente al control realizado por el PLC, es decir, el sistema de monitoreo no afecta de el control realizado por el PLC. Este sistema se puede apreciar de mejor manera en la programación de la interfase (véase Anexo G), pero de forma general se muestra en la siguiente figura.

Figura 4-7 Representación del ciclo de una variable en la interfase

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La base principal por la cual se realizó la interfase es poder tener un almacenamiento de la lectura de los sensores de las variables críticas cuando el sistema de lubricación se encuentre en operación, es por eso que se realizó una base de datos mediante la interacción de Visual Basic y Microsoft Excel, permitiendo de esta manera la lectura de las variables de diferentes fechas en las que el sistema fue activado.

Figura 4-8 Ejemplo de un monitoreo de la interfase en Microsoft Excel

En caso de que exista una condición detectada por los sensores en campo, la cual se encuentre fuera de los rangos de diseño, el sistema de visualización alarmas o paro de la interfase entrara en acción. 4.4.3 Visualización de alarmas y paro En caso de que exista una condición detectada por los sensores en campo, la cual se encuentre fuera de los rangos de diseño, el sistema de visualización alarmas o paro de la interfase entrara en acción. El sistema de visualización de alarmas tiene como variables presión nivel y temperatura en el proceso, estas variables están definidas de acuerdo a las bases de diseño del sistema de lubricación (véase tabla 1-1), dependiendo de las condiciones que se estén presentando en ese momento, será la indicación visual que se tendrá en la interfase, existen tres tipos de señalamientos en el sistema:   

Condiciones normales de operación en el proceso Condiciones de alarma en el proceso Condiciones del paro en el proceso

Estas condiciones solo se podrán visualizar una vez transcurrido el tiempo de retardo para poder comunicar la interfase con RSLogix, en caso de que no exista una conexión adecuada, la interfase saldrá e operación inmediatamente sin detener el proceso del sistema de lubricación, peri si deteniendo de forma inmediata la interfase mandándola nuevamente a condiciones de inicio.

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Si transcurre el tiempo de retardo para poder comunicar la interfase con RSLogix y la comunicación es la adecuada, entonces las condiciones de operación de señalamiento empiezan a actuar

Figura 4-9a Cuadro de alarmas en condiciones normales

Figura 4-9b Cuadro de alarmas en con alarma activada

Figura 4-9c Cuadro de alarmas en con paro activado

4.4.3.1 Condiciones normales de operación En esta condición el sistema opera de forma normal, el cuadro de alarmas presenta señalamientos de buen funcionamiento (véase figura 4-9a), el sistema funciona de manera normal. 4.4.3.2 Condiciones de alarma en el proceso En caso de una alarma, habrá una indicación en la pantalla de color amarillo, y en el cuadro de alarmas se habilitara la opción de “Posible Falla” dependiendo de la variable que haya disparado la alarma, esta condición segura así hasta que se normalice la acción de alarma por medio del control propuesto, o en caso de ir aumentado los parámetros de alarma se puede llegar al paro del sistema.

Figura 4-10 Señalamiento de alarma por temperatura

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En caso de dar un clic al botón se desplegara una ventana “Posible Falla” se desplegara una venta, la cual indicara que el sistema presenta una alarma, indicando también que alarma se ha activado En la ventana se tiene la opción de ver las posibles causas de la alarma en el sistema, además muestra en caso de ser necesario, soporte técnico, tanto para el sistema de lubricación de la turbina libre, como para la interfase.

Figura 4-11 Ventana de alarma por nivel

4.4.3.3 Condiciones del paro en el proceso En este caso se presenta una falla crítica en el sistema, sin importar si fue apagado el sistema de forma manual o no, la interfase mandara una señal de detener el sistema, al mismo tiempo la interfase se pondrá de color rojo para indicar el paro del sistema.

Figura 4-12 Señalamiento de paro del sistema por temperatura

En cuanto la interfase mande la señal de paro, esta saldrá de operación y desplegara una ventana. En la ventana se tiene la opción de ver las posibles causas del paro en el sistema, además muestra en caso de ser necesario, soporte técnico, tanto para el sistema de lubricación de la turbina libre, como para la interfase.

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Figura 4-11 Ventana de paro por nivel.

Una vez que el usuario analizó las posibles causas que ocasionaron el paro del sistema, puede dar clic en el botón “guardar registro y volver a la interfase”, lo cual ocasionara que se guarde el último registro de las variables hasta el momento del paro en Microsoft Excel y la interfase se reiniciara en condiciones iniciales esperando nuevamente ser activada. Con este capitulo se concluye la propuesta técnica objeto de la presente investigación, conformando toda la base teórica que servirá para hacer las pruebas en la turbina cuando se trabaje en ella. Hace falta la argumentación financiera para evaluar la factibilidad económica de la instalación y puesta en marcha de la propuesta, la cual se abordara en el siguiente capitulo.

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CAPÍTULO V EVALUACIÓN DEL PROYECTO Los proyectos de ingeniería como el presente, en los que se hacen propuestas de cambio a un sistema (del enfriado del lubricante del sistema de lubricación de la turbina libre tratada en el presente trabajo), pueden considerarse de entre otras formas posibles, como proyectos de inversión, debido a que las mejoras que se proponen tienen repercusiones en beneficios económicos. Sin embargo, si se quiere considerar de una manera más amplia la evaluación del proyecto, deben considerarse todas las fases por las que éste ha pasado desde el planteamiento del problema. Es importante considerar que un proyecto es la combinación de recursos humanos y no humanos, que se integran para alcanzar un fin específico, sus características son: 1.-Persigue varios objetivos a ser obtenidos para completarse. 2.-Tiene un tiempo de duración y recursos definidos y; 3.-Los problemas que pretende atender encuentran en el liderazgo del proyecto la respuesta para materializar las metas. Asimismo, un proyecto tiene un ciclo de vida que se inicia cuando se detecta la necesidad del mismo. El equipo que formula el proyecto, normalmente asigna un 5% de los recursos financieros que la empresa programa aplicar, para determinar metas y requerimientos, la “venta de la idea” a la gerencia y los ajustes necesarios. En la siguiente etapa (crecimiento), se desarrolla el organigrama para formular el documento de proyecto. En esta etapa se consume el 20% de los recursos programados y se tienen como tareas: formular el documento de proyecto, identificar los objetivos e integrar el grupo de trabajo. La ejecución del proyecto, corresponde a la etapa denominada “producción”, y en ella se aplica la mayor proporción de los recursos financieros (60%), que se entiende ya fueron autorizados para desarrollar el proyecto en cuestión. La última etapa, conocida como “declinación”, corresponde a la terminación del proyecto y en ella se aplica el 15% de los recursos financieros, mismos que se aplican en los detalles de la terminación de actividades (liquidación de personal, transferencia de equipos, etc.) y en los procesos de des incorporación. En una visión global, durante la formulación del proyecto deben intervenir el futuro responsable del mismo y el equipo que integrará el grupo de ejecución.

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Se hace necesario que haya un líder de proyecto quien será el responsable directo del proyecto, este líder, estará identificado con las metas del proyecto, deberá tener el aval de la alta gerencia y actuará principalmente como un ente integrador. Por su parte el equipo del proyecto generalmente es heterogéneo y su trabajo al interior del grupo debe ser armonioso. 5.1 Ciclo de un proyecto (conceptualización) Todo proyecto, tiene teóricamente, un ciclo de vida el cual inicia con la concepción de la idea de mejora y concluye con la implementación de ésta. En el presente parágrafo, se presenta se presenta el estado actual en el que se encuentra el ciclo del proyecto que se presenta en este trabajo. 5.1.1.- Idea/estrategia

-

Se ha realizado un análisis general de la situación del servicio brindado por la CFE. Se han identificado las condiciones del mercado, posibilidades, dificultades y ventajas, con respecto al servicio a los usuarios, de la mejora propuesta. Se ha analizado el marco legal, garantías, situación de pertenencia. Se ha propuesto un plan de trabajo general el cual en este caso se ha planteado desde el inicio del presente trabajo.

5.1.2.- Estudio de prefactibilidad/factibilidad

-

El proyecto se ha considerado como factible debido a que forma parte de un tratamiento en equipo, en el que se aportan otras modificaciones al sistema. En lo referente al Análisis Costo - Beneficio, la inversión es poca como se muestra más adelante y la recuperación es a muy corto plazo Se cuenta ya con un Preliminar o Conceptual del sistema de enfriamiento Se ha realizado también un Análisis Preliminar de Alternativas La propuesta está completamente Definida Se tiene el supuesto que en el caso de que la CFE acepte el proyecto, será esta dependencia la fuente de Financiamiento

5.1.3.- Ingeniería básica

-

Estudios Ingeniería Básicos. A la fecha, se han realizado simulaciones con los cambios propuestos Ingeniería Conceptual (tamaños y formas) éstos, para el presente proyecto están en la fase de simulación Evaluación Económica. Con esta se concluye la presente fase

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Faltaría desarrollar con más detalle, (lo cual se haría en el momento en que se aprobara el proyecto, pues ello permitiría ya en el sistema real hacer las pruebas necesarias) 5.1.4.- Ingeniería de detalle

-

Estudios Complementarios en caso necesario Ingeniería de Detalle (diagramas y/o planos de construcción) Ingeniería de Especialidades Especificaciones Técnicas Presupuesto detallado de la obra

5.1.5.- Licitaciones/subcontratos

-

Licitación Negociación Firma de Subcontratos de Construcción

5.2 Ciclo del proyecto (construcción del dispositivo) 5.2.1.-Construcción

-

Gestión de la elaboración de los dispositivos Distribución de tareas Acondicionamiento del área de trabajo Instalación de los dispositivos Servicios (canalizaciones, redes)

5.2.2.- Pruebas

-

Pruebas de Equipos Prueba del Sistema de enfriamiento

5.2.3.- Evaluación expost

-

Analizar si el proyecto funciona de acuerdo a lo previsto. Reestudiar la situación que dio lugar al proyecto. Para afirmar los propósitos del mismo Definir la necesidad de modificaciones mayores y/o menores a su actual operación para aumentar producción, mejorar rentabilidad

5.2.4.- Término o cierre

-

Liquidación de bienes y contratos

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5.3 Formato para la planeación y evaluación del proyecto Nombre del coordinador del proyecto y unidad o entidad responsable Nombre del coordinador de proyecto Leonardo Gabriel Vega Macotela Puesto ocupa dentro de la organización Líder de proyecto de la Gerencia de Proyectos Nombre y clave de la entidad responsable Comisión Federal de Electricidad 5.4 avances y las estrategias del proyecto Se hace necesario esquematizar la información para ajustar las previsiones y las tareas a realizar en el proyecto, para tener una visualización de las fases generales del mismo Tabla5-1 Cuadro en el que se presentan de manera sintética los

CONCEPTO

COSTO

INGENIERÍA CONCEPTUAL

DE SITUACIÓN ACTUAL

Costo de desarrollo Se cuenta con los Se desarrollaría de la idea (desde su costos de materiales y totalmente después concepción hasta su de trabajo de ingeniería de la aprobación del diseño) proyecto Cinco meses

DURACIÓN

INGENIERÍA DETALLE

desarrollaría Se determinaría en Se función de las totalmente después facilidades otorgadas de la aprobación del por la CFE proyecto

Planos de la turbina y Planos Detalle de Se desarrollaría del sistema de Especialidades totalmente después enfriamiento Diagramas de Equipos de la aprobación del CONTENIDO Planos Conceptuales e Instrumentación proyecto de los dispositivos de Especificaciones mejora Técnicas Diagramas de Condiciones de Proceso construcción Cálculos Se tiene un desarrollo parcial ya de un alto nivel de COMPLEJIDAD ++ +++ complejidad, en Ingeniería en control y automatización

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FLEXIBILIDAD Alta

espera de aprobación para pasar a la segunda fase (ingeniería de detalle) Los tiempos del proyecto están en función del apoyo que la empresa este dispuesta a otorgar para su realización

Baja

5.5 Costos de materiales Se hace necesario hacer una estimación de los costos de los materiales que se van a utilizar para la instrumentación del proyecto. En el entendido que de un tiempo a otro dichos costos se modifican generalmente, sin embargo en cada uno de ellos la estimación se ha hecho con una holgura del 15%. Tabla5-2 Cuadro en el que se detallan los costos de materiales

Descripción

Modelo

Sensortransmisor de temperatura Sensortransmisor de flujo Sensortransmisor de presión Procesador SLC 5/03 Tarjeta de entradas analógicas Tarjeta de salidas analógicas Tarjeta de salida 120/220 VCA Tapa ciega

T FI21

Fabricante / distribuidor EndressHauser

Costo unitario (pesos)

Costo Cantidad total (pesos)

3899

3

11670

PROMASS 63 M/A

EndressHauser

21649

1

21649

CERABAR PMC631

EndressHauser

6176

2

12352

1747-L532

AllenBradley AllenBradley

10305.40

1

10305.40

8118.80

1

8118.65

1746-NIO4I

AllenBradley

7880

1

7880

1746-OA8

AllenBradley

3572.24

1

3572.24

1746-N2

AllenBradley Allen Bradley Microsoft

216.50

3

649.50

3745.50

1

3745.50

2269.71

1

2269.71

1746-NI8

Fuente de 1746-P1 alimentación Software Microsoft

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Office 2003 Software Desktop Monitor Válvula control flujo

Microsoft Windows Vista Inspiron 530s

Microsoft

E228WFP

DELL

DELL

de de

Incluido en Inspiron 530s 8999

1

0

1

8999

4999 25000

1 1

4999 25000

TOTALES 19

121210

GASTOS DE INGENIERÍA CONCEPTUAL: $100,000.00 COSTO TOTAL DE LA FASE CONCEPTUAL DEL PROYECTO: $221,210.00 5.6 Formato de planeación del proyecto: Cronograma, calendario de actividades, para el cronograma de Gantt 5.6.1 Calendario de actividades del proyecto Es necesario en una propuesta de fechas de inicio y terminación de las actividades por que la realización de un proyecto implica compromisos en el tiempo con éste. Esto bajo la condición de que la fechas de inicio y terminación pueden variar aunque siempre hay que considerar las relaciones costo/tiempo Tabla 5-2 Calendario de actividades del proyecto

N° Actividad

Fecha de inicio

1

4-jun-2007

Fecha de Duración terminación 8-jun-2007 4

5-jun-2007

9-jun-2007

5-jun-2007

10-jun-2007 5

9-jun-2007

20-jun-2007 11

10-jun-2007

20-jun-2007 10

15-jun-2007

25-jun-2007 10

25-jun-2007

7-ago-2007 34

2 3 4 5 6 7

Conceptualizacion de la idea Esquematización del proceso Planteamiento del problema Formulación de posibles soluciones Fiabilidad de las soluciones Selección de la solución adecuada Planteamiento del modelo de solución en el sistema

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4

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8

9 10 11 12

13 13 14 15 16 17

19

Planteamiento de elementos del sistema de control (sensor, transmisor, controlador y elemento final de control) Simulación de parámetros ideales del sistema Simulación del control del sistema con parámetros ideales Propuesta del sistema de control en un PLC Allen Bradley Desarrollo de una interfase de monitoreo con sistema de señalización visual en caso de alarma y/o paro del sistema Planteamiento económico dado las características del sistema ideal Acceso al sistema real Pruebas en el sistema real Planteamiento económico dado las características del sistema real Simulación del control del sistema con parámetros reales Implementación del sistema de control en un PLC de acuerdo a las características del sistema real Terminación del proyecto

7-ago-2007

15-sep2007

31

20-ago-2007

15-sep2007 30-sep2007

28

15-sep-2007

15

30-sep-2007

20-oct-2007 21

30-sep-2007

20-oct-2007 21

7-ago-2007

30-oct-2007 77

* * *

* * *

10 15 10

*

*

10

*

*

15

*

* 15 Tiempo total de 246 duración * Las fechas se determinaran a partir de la aprobación del proyecto, sin embargo se hace un estimación de las duraciones respectivas 5.6.2 Previsiones de evaluación del proyecto Las metas y objetivos del proyecto deben cumplirse en tiempo y forma. Se hace necesario por lo tanto elaborar juicios de valor hcerca del nivel de cumplimiento de las metas y objetivos; y asi de esta manera tomar las medidas de ajuste en su caso para terminar el proyecto dentro de las fechas comprometidas Ingeniería en control y automatización

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Tabla 5-3 Evaluación del proyecto

N°

Actividad

1 2 3 4 5 6 7

Conceptualizacion de la idea Esquematización del proceso Planteamiento del problema Formulación de posibles soluciones Fiabilidad de las soluciones Selección de la solución adecuada Planteamiento del modelo de solución en el sistema Planteamiento de elementos del sistema de control (sensor, transmisor, controlador y elemento final de control) Simulación de parámetros ideales del sistema Simulación del control del sistema con parámetros ideales Propuesta del sistema de control en un PLC Allen Bradley Desarrollo de una interfase de monitoreo con sistema de señalización visual en caso de alarma y/o paro del sistema Planteamiento económico dado las características del sistema ideal Acceso al sistema real Pruebas en el sistema real Planteamiento económico dado las características del sistema real Simulación del control del sistema con parámetros reales Implementación del sistema de control en un PLC de acuerdo a las características del sistema real Terminación del proyecto

8 9 10 11 12 13 13 14 15 16 17 19

Peso en %

Porcentaje alcanzado al corte de evaluación

5 2 2 2 2 2 3

Terminada Terminada Terminada Terminada Terminada Terminada Terminada

5

Terminada

2 5

Terminada Terminada

5

Terminada

5

Terminada

5

Terminada

15 10 10

* * *

5

*

10 %

*

15 100%

* *

*las actividades restantes, se calcularán cuando se apruebe el proyecto por parte de la CFE

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5.6.3 Gráfica de Gantt del proyecto N° Actividad

Tiempo (Semanas)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

29 30 31 32

1

Conceptualizacion de la idea 2 Esquematización del proceso 3 Planteamiento del problema 4 Formulación de posibles soluciones 5 Fiabilidad de las soluciones 6 Selección de la solución adecuada 7 Planteamiento del modelo de solución en el sistema 8 Planteamiento de elementos del sistema de control (sensor, transmisor, controlador y elemento final de control) 9 Simulación de parámetros ideales del sistema 10 Simulación del control del sistema con parámetros ideales

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11 Propuesta del sistema de control en un PLC Allen Bradley 12 Desarrollo de una interfase de monitoreo con sistema de señalización visual en caso de alarma y/o paro del sistema 13 Planteamiento económico dado las características del sistema ideal 13 Acceso al sistema real * 14 Pruebas en el sistema real 15 Planteamiento económico dado las características del sistema real 16 Simulación del control del sistema con parámetros reales 17 Implementación del sistema de control en un PLC de acuerdo a las características del sistema real 19 Terminación del proyecto *En realidad no se ha contado con el acceso directo al sistema, el proyecto se ha realizado tomando en consideración las especificaciones de manuales del sistema así como los diagramas correspondientes

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5.6.4 Costos de cada actividad (no se incluyen los materiales Ademas de los matiarel que se utilizan para la instrumentacion del proyecto se hace necesario contar con el factor humano d la ingenieria en sus fases de accion, estas actividades profecionales objeto de un contrto laboral es necesario considerarlas dentro del costo total del proyecto, debido a que es una propuesta hecha por ingeniros que desarrollan sus servicios profecionales fuera del ambito de la empresa interesada. Tabla 5-4 Costos de cada actividad

N° Actividad

Costo en pesos

1 2 3 4 5 6 7

5000 2000 2000 2000 3000 2000 14000

8 9 10 11 12 13 13 14 15 16 17 19

Conceptualizacion de la idea Esquematización del proceso Planteamiento del problema Formulación de posibles soluciones Fiabilidad de las soluciones Selección de la solución adecuada Planteamiento del modelo de solución en el sistema Planteamiento de elementos del sistema de control (sensor, transmisor, controlador y elemento final de control) Simulación de parámetros ideales del sistema Simulación del control del sistema con parámetros ideales Propuesta del sistema de control en un PLC Allen Bradley Desarrollo de una interfase de monitoreo con sistema de señalización visual en caso de alarma y/o paro del sistema Planteamiento económico dado las características del sistema ideal Acceso al sistema real Pruebas en el sistema real Planteamiento económico dado las características del sistema real Simulación del control del sistema con parámetros reales Implementación del sistema de control en un PLC de acuerdo a las características del sistema real Terminación del proyecto

5000 10000 10000 12000 13000 10000 * * * * * *

*Como se ha señalado con anterioridad, los cálculos restantes se harán cuando se apruebe el proyecto por la CFE.

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5.7 La evaluación económica 5.7.1 Conceptos previos a. Depreciación: mide la desvalorización sobre la inversión en un activo fijo (exceptuando el terreno), por el desgaste derivado de su uso. La depreciación no representa un flujo real de dinero pero es un concepto de pérdida de valor que se descuenta como si fuera un costo más al momento de determinar las utilidades y calcular los impuestos sobre ellas.

b. Ciclo productivo: período que comienza con el primer desembolso para iniciar la operación del proyecto y termina cuando los productos terminados son vendidos y su retorno es recuperado quedando disponible para la compra de insumos que generen otro ciclo de producción. 5.7.2 Clasificación de las inversiones Habitualmente la mayor parte de las inversiones se realizan en el período de puesta en marcha del proyecto. Sin embargo, no siempre esto ocurre así y hay proyectos que programan crecimientos en el tiempo. a. Activos fijos: bienes tangibles como terrenos, edificios, equipos, vehículos, oficinas y equipamiento, infraestructura de servicios de apoyo (agua, energía, teléfonos). En general todos los activos fijos están sujetos a depreciación, con excepción de los terrenos.

b. Activos nominales: servicios o derechos adquiridos necesarios para la puesta en marcha del proyecto como patentes, licencias, capacitación de personas, fondos para imprevistos.

c. Capital de trabajo: en términos simples el capital de trabajo es considerado como los recursos necesarios para la operación de un proyecto por un ciclo productivo. En el caso del proyecto que en este trabajo se propone, proyectos de acuicultura, el primer ítem frecuentemente pasa a ser tanto o más importante que los demás. Esto debido a que el ciclo de producción es largo, luego es una materia que requiere especial énfasis, poniéndolo en términos prácticos.

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5.7.3 Capital de trabajo (según el ciclo productivo) Capital de Trabajo=Ciclo Productivo × Costo Diario de Operación. 5.7.4 Financiamiento del proyecto a. Fuentes propias: generadas por la empresa y que son las utilidades después de impuesto y las reservas de depreciación. Ventajas: al programar con capital propio se asume que existirá menor riesgo de insolvencia. b. Fuentes ajenas:       

Bancos comerciales nacionales e internacionales. Fundaciones. Organismos internacionales. Organismos estatales. Créditos estatales. Créditos de proveedores. Leasing (arrendamiento financiero).

La elección de la fuente de financiamiento debe ser estudiada por el evaluador en el contexto. En general, se produce que la situación más beneficiosa para el inversor es aquella que permite pagar un crédito al final de la vida del proyecto. En nuestro caso, se solicitará que la principal fuente de financiamiento sea al CFE, sin embargo, no se descartan las otras posibilidades. 5.7.5 Flujos de fondos de un proyecto Esta etapa de preparación del proyecto es la resultante de los datos obtenidos de los estudios de mercado, técnico, legal y organizacional de los cuales se ha podido obtener los valores esperados de ingresos, costos y el calendario de inversiones. El flujo de fondos requiere de esta información además de antecedentes sobre:    

Tratamiento tributario de la depreciación. Tratamiento tributario de las utilidades. Valor residual del proyecto. Financiamiento disponible.

A continuación, se abordarán estos aspectos, que serán la base para la evaluación económica del proyecto, considerándolo como proyecto de inversión, de esta manera, se procederá a la elaboración de algunos cálculos específicos

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5.7.6 Cálculo de la depreciación Se hará primero un cálculo lineal, para estimar anualmente la depreciación del dispositivo, en el supuesto de que el sistema se mantendrá funcionando de manera uniforme durante los cinco años. El costo total del presente proyecto, como ya se observó anteriormente, es de $221,210.00. El dispositivo que se propone, tiene una vida de uso esperada de 5 años al cabo de los cuales se estima que al final de los cinco años de trabajo, el dispositivo tendría un valor de $100,000.00. El valor a depreciar entonces es de 221,210-100,000 en 5 años, vale decir $121, 210/5 = $24,242 anuales También se puede hacer una estimación más refinada, utilizando la denominada depreciación acelerada por el método de los dígitos, la cual se hace de acuerdo con los siguientes pasos Se calcula un factor S: S

n(n  1) 2

Donde S es un factor a aplicar y n es el número de años en los que se depreciará. En nuestro caso, n=5 por lo tanto S

5(5  1) 30   15 2 2

Por lo tanto, la depreciación de cada año se calculará como sigue: Tabla 5-6 calculo de la depreciación por año

n/S × (Valor a depreciar del Depreciación equipo)

Año 1 2 3 4 5

5/15 × 121210 4/15 × 121210 3/15 × 121210 2/15 × 121210 1/15 × 121210

40403.4 32322.7 24242.0 16161.3 8080.7

Es más conveniente aplicar depreciación acelerada, para la evaluación del proyecto en cuestión. 5.8 Técnicas de evaluación La evaluación compara las corrientes, beneficio versus costos.

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Las técnicas de evaluación se basan en el flujo de fondos “descontados” a tasas que les hacen comparativos indicadores muy usados son el VAN y la TIR. 5.8.1 Algunos alcances matemáticos para comprender la tasa de descuento. Para el cálculo del valor del dinero en una inversión a plazos de interés compuesto, se utiliza la siguiente fórmula: VF= VP(1+i)n VP = Valor presente VF = Valor futuro i = Tasa de interés n = Número de años (o meses, etc…). Por otra parte, si se invierte dinero en el presente VP, y se conoce un valor futuro estimado a una tasa de interés i. entonces, este valor presente se puede calcular despejándolo de la fórmula anterior, como sigue: VP 

VF (1  i)n

El cálculo del valor presente permite llevar flujos de distintos años base para poder operar con ellos y obtener un resultado (positivo o negativo), y de esta manera se puede calcular tanto lo que se conoce como el VAN (valor actual neto) del proyecto, como su TIR (tasa interna de retorno)

5.8.2 Valor actual neto (VAN) Es la diferencia entre los ingresos y egresos del proyecto expresado en moneda actual. Tiene la siguiente expresión:

Donde: Vt = Ingresos en año t Et = Egresos en año t i = Tasa de interés Ingeniería en control y automatización

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n = Horizonte de evaluación n del proyecto Io = Inversión inicial. Esta es equivalente a:

Es importante señalar que un proyecto es conveniente cuando su VAN es mayor que cero. Que es igual a cero no significa que no sea rentable sino que entrega igual utilidad que la inversión alternativa. El proyecto recupera los desembolsos más el extra de ganancia que el inversionista tiene como meta mínima. Para esta evaluación se utiliza un tasa de interés i, rentabilidad mínima que se le pedirá al proyecto.

que representa la

5.8.3 Tasa interna de retorno (TIR) Es la tasa de interés a la cual el proyecto iguala su VAN a cero.

Donde: Y = Ingresos E = Egresos r = es la tasa interna de retorno incógnita a calcular. r es la tasa de costo de capital máxima a la que el proyecto podría acceder para que diera lo mismo llevarlo a cabo o no. Si la TIR es mayor que el costo de capital con que se evaluaría el proyecto, entonces el proyecto es atractivo. Si es menor, desde el punto de vista económico, no es recomendable realizarlo. 5.8.4 Tasa interna (TIR) Versus valor actual neto (VAN) Al evaluar un sólo proyecto, ambas deben dar resultados complementarios. Cuando tiene más de un proyecto para elegir podría tener seña les contrarias entre el VAN y el TIR. Para este proyecto, se calcularán en seguida estos dos indicadores, para varios costos de capital, es decir la factibilidad de desarrollar el proyecto del Ingeniería en control y automatización

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enfriador. Se cuenta con una tasa de costo de capital de 1%,. La legislación tributaria acepta la depreciación acelerada. Se reitera que los costos del proyecto, serán absorbidos por la CFE en un 100%. También para fines de cálculo, se estima que la empresa tiene, ya descontando los egresos por mantenimiento, un ingreso neto por año de $50,000.00 pesos, entonces calculamos con los datos considerados primero el VAN a cinco años: Se hará primero una tabla de tiempos: Años Ingresos netos Tasa/coeficiente

1 $50,000 0,9900

2 $50,000 0,9802

3 $50,000 0,9705

4 $50,000 0,9609

5 $50,000 0,9514

Entonces, el VAN a calcular, está dado aplicando las fórmulas anteriores de la siguiente manera: VAN= 5 120000 50000 50000 50000 50000 50000  221210       221210  n 2 3 4 1  0.01 (1  0.01) (1  0.01) (1  0.01) (1  0.01)5 n 1 (1  0.01)  50000(0.9900  0.9802  0.9705  0.9609  0.9514)  221210  50000(4.853)  221210  42650  221210  21440 es decir:

VAN=$21,440.00 Como puede observarse, una evaluación a cinco años da un VAN con los datos y condiciones ya estipulados. Cabe señalar que aquí se ha considerado el interés del 1%, sin embargo, este puede variar., es necesario entonces investigar cual es el interés que hay que pagar para que la inversión sea rentable a cinco años. Por lo tanto, es importante evaluar ahora, a partir de que momento, la inversión empieza a ser productiva, Para este evaluación se calculará la Tasa Interna de Retorno o TIR de la inversión. Por lo tanto, se hace el VAN igual a cero: VAN=0 Es decir:

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Por lo tanto lo que hay que hacer es calcular el valor de r para el cual la inversión de cumple. Este valor de r es precisamente la tasa interna de retorno. Para ello , se evaluará el VAN sucesivamente y en el valor de r para el cual haya cambio de signo de positivo a negativo, se tendrá su primera aproximación. El siguiente dígito en la aproximación, se puede hacer de dos maneras: a).- por interpolación b).- por aproximaciones sucesivas. Debido a las facilidades en el cálculo que se tienen con el programa EXCEL, estas aproximaciones se harán usando un sencillo macro. Anteriormente, ya se ha calculado el valor del VAN para r=0.1: calcularemos ahora el valor para r=0.2, lo cual se hará en EXCEL, por lo que no se expondrán las operaciones explícitamente. Para r=0.02 VAN=14462.97>0 Para r=0.03 VAN=7775.36>0 Para r=0.04 VAN=1381.11>0 Para r=0.05 VAN=-4736.170 Para r=0.043 Ingeniería en control y automatización

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VAN=-482.43