implementación de un sistema de control de nivel para el suministro

implementación de un sistema de control de nivel para el suministro

UNIVERSIDAD DE MAGALLANES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD
“ IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL DE
NIVEL PARA EL SUMINISTRO DE PETRÓLEO
DE GRUPOS ELECTRÓGENOS “
CLAUDIO DANILO ACUÑA OYARZÚN
- 2006 -
UNIVERSIDAD DE MAGALLANES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD
“ IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL DE
NIVEL PARA EL SUMINISTRO DE PETRÓLEO
DE GRUPOS ELECTRÓGENOS “
Trabajo de titulación presentado
en conformidad a los requisitos
para obtener el título de Ingeniero
de Ejecución en Electricidad.
Profesor Guía:
Sr. Jorge Nagüelquin Delgado
CLAUDIO DANILO ACUÑA OYARZÚN
- 2006 -
ii
AGRADECIMIENTOS
Deseo expresar mis más sinceros agradecimientos a todas las personas y profesores
que brindaron su apoyo, facilidades y consejos en el desarrollo de este trabajo. También
agradecer al profesor guía Sr. Jorge Nagüelquin Delgado. En forma especial agradezco a mi
esposa por la comprensión y apoyo que me ha entregado en esta etapa.
Claudio Acuña Oyarzún
iii
RESUMEN
El presente trabajo de titulación aborda el tema del control diferencial de niveles, para
abastecer con petróleo dos estanques diarios de grupos electrógenos a través de una bomba
eléctrica, ubicados en Aeropuerto Carlos Ibáñez de Punta Arenas. Ambos estanques se alimentan
a su vez, con otra bomba, desde un estanque principal. Se pretende automatizar este proceso
utilizando las tecnologías disponibles a través de un autómata programable y dispositivos de
automatización industrial, considerando que este proceso actualmente involucra el accionar de
válvulas en forma manual y energizar también de manera secuencial, a través de una protección
eléctrica el funcionamiento de las bombas de llenado.
Principalmente se trabaja con sensores tipo on-off que sensan el nivel en un
determinado punto para el accionar de las bombas o activar alarmas involucradas, obedeciendo a
sus características de bajo costo. Por lo tanto se trata de un control de nivel entre dos puntos, uno
alto y uno bajo, que es una de las aplicaciones más comunes para controlar y medir nivel
utilizando elementos mecánicos, eléctricos y electrónicos.
Para el funcionamiento del sistema se programa un PLC Mitsubishi para que maneje
las válvulas y bombas manteniendo automáticamente los niveles de los estanques diarios. Por lo
anterior también se muestran las generalidades de dicho PLC y del programa SFC.
Ya que involucra funcionamiento del sistema en un ambiente explosivo se aborda
también el tema y las consideraciones de seguridad inherentes a los estanque de combustible o
petróleo diesel.
iv
INDICE GENERAL
CAPITULO I: INTRODUCCIÓN
1.1
INTRODUCCIÓN………………………………………………………..…….. 1
1.2
APLICACIÓN DE LA MEMORIA…………..…………………………………1
1.3
VISIÓN GENERAL…………..…………………………………………………2
CAPITULO II: CONCEPTOS GENERALES DE SISTEMAS DE CONTROL
2.1
ESTRATEGIA DE CONTROL…………………………………………..…….. 3
2.2
ELEMENTOS DEL CONTROL DE PROCESOS…….…..…………………… 5
2.2.1
EL SENSOR (MEDICIÓN)……………………………………………. 5
2.2.2
EL CONTROLADOR……………………………………………..…... 6
2.2.3
EL ELEMENTO DE CONTROL FINAL…………………………..…. 6
2.2.4
EL PROCESO……………………………………………………..……6
2.2.5
LAS PERTURBACIONES……………………………………………..6
2.2.6
DEMANDA DE CARGA…………………..………………………..… 7
CAPITULO III: DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
3.1
CONCEPTOS FUNDAMENTALES………………………...………………… 8
3.2
ASPECTOS DEL ESTADO ACTUAL DEL PROCESO……………………… 8
3.3
DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN AUTOMATIZADA………….……..9
3.4
AREAS FUNDAMENTALES DEL PROCESO A IMPLEMENTAR………… 11
3.4.1
3.4.2
AREA I: ESTANQUE PRINCIPAL……..……………………….…… 12
3.4.1.1
BOMBA………………………..…………………………… 12
3.4.1.2
INTERRUPTORES DE NIVEL………...………………….. 12
3.4.1.3
VALVULA SOLENOIDE DE ENTRADA………...…..….. 13
AREA II: BOMBA DE LLENADO………………..………………….. 13
v
3.4.3
3.4.2.1
BOMBA………………………….…………………………. 13
3.4.2.2
VÁLVULA SOLENOIDE ALIMENTACIÓN Nº 1 Y 2…... 13
AREAS III Y IV: ESTANQUES DIARIOS Nº 1 Y 2………..……….14
CAPITULO IV: DETECCIÓN DE NIVEL
4.1
GENERALIDADES………………………………………………….………… 15
4.2
INTERRUPTORES PARA MEDIDA DE NIVEL…………………….……..…16
CAPITULO V: REQUERIMIENTOS DE SEGURIDAD
5.1
ALCANCES…………………………………………………………………….. 20
5.2
TERMINOLOGÍA……………………………………………………………… 21
5.2.1
AMBIENTE INFLAMABLE……….…………………………………. 21
5.2.2
ANCLAJE………………………...……………………………….…… 21
5.2.3
VENTEO………………………………………………..…………..…..21
5.2.4
ZONA CLASIFICADA…………………….……………………….…. 21
5.2.5
ZONA ESTANCA DE SEGURIDAD………………………………….21
5.3
CONSIDERACIONES DE SEGURIDAD DEL PROYECTO…………...……. 21
5.4
SEGURIDAD INTRINSECA………………………...……………………..….. 22
5.5
PROTECCIÓN CONTRA INTEMPERIE…………..…………..…………….. 22
5.6
ESTANQUES DE COMBUSTIBLE……………………...……………….…… 23
5.6.1
DISTANCIA DE SEGURIDAD……………….……………………….23
5.6.2
ZONA ESTANCA DE SEGURIDAD…………………………….……24
5.6.3
VENTEO PARA ESTANQUES SOBRE SUPERFICIE…………...…. 25
5.6.4
FUENTES DE IGNICIÓN…………………………………………..… 25
5.6.5
PREVENCIÓN DE SOBRE LLENADO……………………………… 25
vi
CAPITULO VI: PROGRAMACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL DE
NIVEL Y PRUEBAS DE FUNCIONAMENTO
6.1
CARACTERÍSTICAS DE PLC MITSUBISHI FX1S-30MR-ES/UL….……… 26
6.2
PROGRAMACIÓN DEL SISTEMA…………………………..…………….… 28
6.2.1
REQUERIMIENTOS DE ENTRADAS/SALIDAS…………………… 29
6.2.2
DESCRIPCIÓN DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA…………. 31
6.2.3
6.3
6.2.2.1
PASO A RÉGIMEN AUTOMÁTICO………………………. 31
6.2.2.2
PASO A RÉGIMEN MANUAL………………………….…. 34
6.2.2.3
GESTIÓN DE ALARMAS………………………..……...…. 34
ELEMENTOS DE VISULIZACIÓN………………………….………. 35
SIMULACIÓN DEL PROCESO EN LABORATORIO DE PLC DE LA
UNIVERSIDAD Y PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO……………….…… 36
CAPITULO VII: CONCLUSIONES………………………………………………………47
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS………………………………….......……..48
ANEXO A……………………………………………………………………….49
ANEXO B……………………………………………………………………….53
1
1.1 I N T R O D U C C I Ó N
En el presente trabajo de titulación se elabora un proyecto orientado a la
automatización industrial, para el control de nivel. En el ámbito del control de procesos
industriales toma gran importancia el control de la magnitud de nivel y especialmente en lo que
respecta al control del combustible almacenado en estanques (petróleo diesel), para el control de
inventarios. La tendencia es que lo anterior se lleve a cabo a través de un sistema automatizado
para así eliminar las tareas repetitivas ejecutadas por el hombre. Además se debe considerar
aspectos tales como la protección medioambiental y seguridad de la planta.
Este sistema pretende modernizar y automatizar una actividad que actualmente se
realiza en forma manual, para así contar con un sistema que opere durante las 24 horas del día
prolongando el funcionamiento de la máquina eléctrica que lo requiere, que son los grupos
electrógenos. Estos son unidades motrices compuestos por un motor diesel y un alternador que
produce energía eléctrica secundaria trifásica a los valores nominales de frecuencia, tensión y
potencia que se requieren. Estas máquinas obtienen su combustible desde un estanque interior
“diario”, ubicado al lado del grupo electrógeno y a su vez estos se abastecen desde un estanque
principal exterior, de mayor capacidad de combustible a través de una bomba eléctrica. La
capacidad de estos depósitos “diarios” es limitada y por lo general se calcula para un tiempo de
funcionamiento que sea el doble de la máxima duración prevista a requerir el uso de energía
eléctrica secundaria.
1.2 APLICACIÓN DE LA MEMORIA
La Dirección General de Aeronáutica Civil ha emprendido importantes iniciativas en
el uso de tecnologías y modernización de sus procesos. Dentro de estos procesos se encuentra el
apoyo esencial que prestan dos grupos electrógenos del Aeropuerto Carlos Ibáñez de Punta
2
Arenas ya que actualmente respaldan las cargas críticas del aeropuerto, generando energía
eléctrica secundaria de vital importancia para las operaciones aéreas diurnas y nocturnas. El pilar
fundamental para el desarrollo de este proceso de generación eléctrica secundaria es la seguridad.
Para ello, en lo que se refiere a sistemas de energía secundaria (grupos electrógenos) para los
servicios de: Sistemas de Ayudas Visuales Luminosas, Radares y Radioayudas del Aeropuerto,
tomando en consideración las emergencias y requerimientos de funcionamiento durante cortes de
energía de larga duración este sistema aporta una mayor autonomía, seguridad y eficiencia a la
navegación aérea, ya que se dispone de un funcionamiento continuo sin necesidad de reponer su
combustible en forma manual.
1.3 VISIÓN GENERAL
El capítulo
segundo muestra los conceptos básicos de sistemas de control y
elementos que lo constituyen, logrando acercarnos al tema de la presente tesis.
El capítulo tercero describe el actual funcionamiento del proceso con la explicación
de algunos conceptos previos, incluyendo lo que se pretende con la instalación automatizada y la
subdivisión de sus áreas funcionales.
El capítulo cuarto presenta los sensores tipo interruptor de nivel on – off, describe sus
materiales de construcción y características que poseen de acuerdo a cada aplicación.
El capítulo quinto muestra algunos aspectos normativos asociados a la seguridad
inherente al manejo de combustibles líquidos en estanques de almacenamiento y bajo la
vigilancia de la Superintendencia de Electricidad y Combustibles.
El capítulo sexto presenta las generalidades del PLC Mitsubishi FX1S-30MR-ES/UL,
su simulación en laboratorio y aspectos para el funcionamiento del sistema de control mediante
PLC.
El capítulo séptimo contiene las conclusiones del desarrollo de este trabajo.
3
2.1 ESTRATEGIA DE CONTROL.
En este capítulo se presentan algunos conceptos generales de sistemas de control
como marco teórico y para mejorar la comprensión de la tesis.
Los sistemas de control industrial pueden ser operados como sistemas en lazo abierto
o en lazo cerrado.
En un sistema de control en lazo abierto, se ajusta el valor del controlador de acuerdo
al valor deseado pero no hay medición del valor actual (retroalimentación).
L (CARGA)
CONTROLADOR
VALOR
DESEADO
ON/OFF
SET POINT
ELEMENTO
CONTROL
FINAL
VARIABLE
CONTROLADA
PROCESO
Figura 2.1: Sistema de control en lazo abierto.
Por otro lado, en un sistema en lazo cerrado o “feed back” se mide la salida del
proceso de forma que se compare con el valor deseado y se pueda automáticamente reducir el
error. Por lo tanto existe retroalimentación.
CONTROLADOR
VALOR
DESEADO
SET POINT
L (CARGA)
ELEMENTO
CONTROL
FINAL
+
VARIABLE
CONTROLADA
PROCESO
MEDICION
SENSOR/
TRANSMISOR
Figura 2.2: Sistema de control en lazo cerrado.
4
La forma de ajustar el proceso en función del error se le denomina acción de control.
Las acciones de control, en el control clásico pueden ser del tipo: ON-OFF, proporcional,
proporcional derivativo (PD), proporcional integral (PI), proporcional integral-derivativo (PID).
En el presente sistema de control de nivel se opera bajo la filosofía de control en lazo
cerrado, ya que el consumo de combustible por parte de los grupos electrógenos es muy variable.
Además se incorpora una acción de control todo/nada u ON-OFF, ya que el proceso es un sistema
lento, implementándose con varios switch de nivel.
CONTROLADOR (PLC)
NIVEL
DESEADO
ON/OFF
SET POINT
+
-
L (CARGA)
ELEMENTO
CONTROL
FINAL
VALVULA/
BOMBA
VARIABLE
CONTROLADA
PROCESO
ESTANQUES
MEDICION DE
NIVEL
SENSOR DE
NIVEL
Figura 2.3: Sistema de control de nivel (lazo cerrado).
La acción de control ON-OFF se basa en que el controlador tiene solo dos posiciones
o estados. Si se compara la variable de proceso (nivel) con el valor de referencia se toma una de
las dos posibles acciones dependiendo del signo del error. Aplicando lo anterior al control de
nivel de un estanque, si el nivel es menor que el nivel de referencia la acción es encender la
bomba y electroválvula asociada, mientras que si el nivel es mayor que el nivel de referencia la
acción es apagar la bomba y electroválvula.
Además se trabaja específicamente con una zona de tolerancia GAP o histérisis en la
que se mantiene el estado anterior, por lo tanto se trata de un control diferencial. Este ajuste del
gap o brecha diferencial depende de la posición en que se sitúan de los sensores de nivel dentro
del estanque (LSH / LSL), comandando la apertura o cierre de la válvula solenoide y
5
partida/parada de la bomba de llenado, si se hace muy pequeña acortaría la vida útil de los
dispositivos.
Figura 2.4: Control diferencial on-off.
2.2 ELEMENTOS DEL CONTROL DE PROCESOS.
Las partes básicas de este sistema de control incluye: el sensor (medición), el
controlador, el elemento de control final (actuador), el proceso, las perturbaciones y la demanda
de carga.
2.2.1 EL SENSOR (MEDICIÓN).
Es la determinación de la existencia de una magnitud o variable de lo que ocurre en el
proceso. Esta tarea la realiza el sensor o switch de nivel. El sensor es capaz de detectar la
variable, en este caso nivel bajo observación del estanque. Este elemento debe ser resistente a un
ambiente industrial agresivo.
6
2.2.2 EL CONTROLADOR.
La tarea básica de un controlador es ajustar el estado del proceso (variable de
proceso) a un valor deseado (valor de referencia). La diferencia entre ambos valores es el error,
entonces el objetivo del controlador es reducir el error a cero o al mínimo. Dicha tarea la ejecuta
un PLC marca Mitsubishi.
2.2.3 EL ELEMENTO DE CONTROL FINAL.
Es un dispositivo de influencia en el proceso ya que finalmente efectúa la acción
sobre la variable nivel dada por el controlador. En este sistema corresponde a la bomba de
llenado y electroválvulas asociadas.
2.2.4 EL PROCESO.
Se refiere al sistema físico o la magnitud física que se desea controlar, en este caso es
un lazo de control de nivel.
2.2.5 LAS PERTURBACIONES.
Variable cuya aparición puede tener una probabilidad de ocurrencia. Se puede
establecer como filtraciones, fugas o derrame de combustible de los estanques, lo cual considera
una variación de los niveles. El controlador es el encargado de eliminar la influencia de las
perturbaciones externas en el proceso.
7
2.2.6 DEMANDA DE CARGA.
Corresponde al consumo aleatorio de combustible por parte de los grupos
electrógenos y en consecuencia la variación de los niveles de petróleo.
8
3.1 CONCEPTOS FUNDAMENTALES.
En el presente capítulo se expone la visión del proceso actual, aspectos de su
automatización y dispositivos correspondientes para cada área funcional.
Un grupo electrógeno es un equipo compuesto por un motor impulsor, un generador
de energía eléctrica (alternador) y los correspondientes equipos de control y comando.
Un estanque es un recipiente destinado para el almacenamiento de combustible
líquido que posee una capacidad superior a los 220 litros.
Un grupo electrógeno por diseño contempla para su funcionamiento un estanque de
combustible que se ubica al contigüo a éste y constituye su fuente de abastecimiento de petróleo
para su uso diario, considerando generalmente una autonomía de 8 horas. A dicho depósito se le
denomina estanque diario e incluye un control diferencial de nivel para recargar a su vez desde
un estanque principal exterior que por razones de seguridad se instala más alejado de la
instalación ya que tiene una capacidad mucho mayor de combustible.
3.2 ASPECTOS DEL ESTADO ACTUAL DEL PROCESO.
Como se muestra en la figura 3.1 el proceso consiste en tres estanques. Dos estanques
aéreos (estanque diarios) que alimentan con petróleo diesel a 2 grupos electrógenos ubicados en
Subestación del Aeropuerto C. Ibáñez del Campo. Un grupo electrógeno es de 316 KVA (N° 1) y
tiene un estanque diario de 900 litros de capacidad; el otro grupo electrógeno tiene una capacidad
de 330 KVA (N° 2) y esta provisto con un estanque diario de 950 litros de capacidad. Los grupos
electrógenos son de marca Petbow, se encuentran conectados en cascada y actualmente respaldan
las cargas del Aeropuerto como Sistemas de Ayudas Visuales Luminosas y Radioayudas para la
navegación aérea. El abastecimiento a estos estanques diarios se realiza mediante el
accionamiento manual de válvulas
y una bomba eléctrica Nº 1 monofásica de llenado a
9
velocidad constante de 1/4 HP - 1425 rpm, desde un estanque principal de 9000 litros de
capacidad del tipo cilíndrico-horizontal. También se dispone de una bomba eléctrica monofásica
de 2 HP – 3000 rpm Nº 2 para el llenado del estanque principal desde un camión-tanque
eventualmente y cuando se requiera. Ambas bombas son accionadas directamente desde la caseta
de combustible exterior a través de de la conexión y desconexión manual de sus protecciones
eléctricas marca Saime Segtel de 1 x 25 A., lo que representa una tarea física que puede llevar a
cometer errores humanos al rebalsar accidentalmente los estanques o por una mala maniobra de
las válvulas manuales del sistema.
Figura 3.1: Diagrama del proceso actual.
3.3 DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN AUTOMATIZADA.
El proceso corresponde a un lazo de control diferencial de nivel. Diseñado para el
control de la variable física de nivel de combustible con una secuencia lógica.
10
Mediante un PLC Mitsubishi se lleva el mando de todo el sistema y se programa para
activar o desactivar las válvulas solenoides (dos vías) y bombas eléctricas que actúan en el
proceso para bombear petróleo y mantener automáticamente los niveles de los estanque diarios de
los grupos electrógenos (Figura 3.2).
Figura 3.2: Diagrama del proceso automatizado.
Para designar y representar los diferentes elementos del proceso, se adoptan las
normas de la Sociedad Americana de Instrumentación (ISA), que facilita la asignación de
símbolos y códigos para los instrumentos de medida y control. Con esta norma se asigna una
etiqueta identificadora llamada TAG que se divide en dos partes: la primera formada por letras,
en mayúsculas y hasta un número de cuatro, que identifica la funcionalidad; la segunda parte esta
formada por números que identifican el circuito o sistema en el que se encuentra el elemento.
En la tabla 3.1 se detallan los instrumentos y dispositivos del proceso para entregar
una función clara para cada elemento.
11
Tabla 3.1 : Instrumentos y dispositivos del diagrama del proceso.
Tag
Tipo
E/S
Variable medida
LASH21
Detector de nivel
E
Nivel Estanque Nº 1
LSH21
Detector de nivel
E
Nivel Estanque Nº 1
LSL21
Detector de nivel
E
Nivel Estanque Nº 1
LASL21
Detector de nivel
E
Nivel Estanque Nº 1
LASH22
Detector de nivel
E
Nivel Estanque Nº 2
LSH22
Detector de nivel
E
Nivel Estanque Nº 2
LSL22
Detector de nivel
E
Nivel Estanque Nº 2
LASL22
Detector de nivel
E
Nivel Estanque Nº 2
Activa alarma bajonivel
LASH
Detector de nivel
E
Nivel Estanque Nº 3
Activa alarma
sobrenivel
LASL
Detector de nivel
E
Nivel Estanque Nº 3
Activa alarma bajonivel
S
-----
S
-----
S
-----
FY21
FY22
FY02
LIC21
LIC22
V01-V06
Válvula solenoide 2
vías estanque Nº 1
Válvula solenoide 2
vías estanque Nº 2
Válvula solenoide 2
vías estanque ppal.
Lazo control de nivel
estanque Nº 1 (PLC)
Lazo control de nivel
estanque Nº 2 (PLC)
Válvula 2 vías
manual
-----
Variables de entrada
del proceso.
Variables de entrada
del proceso.
---
-----
P01
Bomba Nº 1
S
-----
P02
Bomba Nº 2
S
-----
Función
Activa alarma
sobrenivel
Sensa variable bajo
control
Sensa variable bajo
control
Activa alarma bajonivel
Activa alarma
sobrenivel
Sensa variable bajo
control
Sensa variable bajo
control
Permite/impide el paso
de petróleo
Permite/impide el paso
de petróleo
Permite/impide el paso
de petróleo
Controlador lazo
cerrado de nivel Nº 1
Controlador lazo
cerrado de nivel Nº 2
Permite/impide el paso
de petróleo
Llenado a estanques
diarios D01, D02
Llenado a estanque
principal D03
3.4 AREAS FUNDAMENTALES DEL PROCESO A IMPLEMENTAR.
El proceso de control de nivel se divide esencialmente en cuatro áreas como lo indica
la tabla Nº 3.2.
12
Tabla 3.2: Areas funcionales del proceso.
Area funcional:
Estanque Principal
Bomba de llenado
Estanque diario Nº 1
Estanque diario Nº 2
Aparatos correspondientes:
Switch valor alto y alarma de nivel
Switch valor bajo y alarma de nivel
Bomba alimentación para estanque principal P02
Válvula solenoide entrada N.C. FY02
Bomba alimentación estanques diarios P01
Válvula solenoide alimentación N.C. FY21
Válvula solenoide alimentación N.C. FY22
Switch valor alto y alarma de nivel 1
Switch valor alto de nivel 1
Switch valor bajo de nivel 1
Switch valor bajo y alarma de nivel 1
Switch valor alto y alarma de nivel 2
Switch valor alto de nivel 2
Switch valor bajo de nivel 2
Switch valor bajo y alarma de nivel 2
3.4.1 AREA I: ESTANQUE PRINCIPAL.
Consiste en un estanque de abastecimiento cilíndrico horizontal de 9.000 lts. de
petróleo diesel que alimenta a dos estanques de menor capacidad o de uso diario.
3.4.1.1 BOMBA.
Este estanque se abastece a través de la bomba de alimentación Nº 2, cuando un
operador la pone en marcha en forma manual se efectúa la recarga al estanque desde un camión
de transporte de combustible. La bomba se controla desde un panel de mando ubicado en la sala
de control. Para que la bomba funcione rigen las siguientes condiciones de habilitación: el
estanque principal no está lleno, la válvula solenoide FY02 está abierta, el paro de emergencia no
está activado.
3.4.1.2 INTERRUPTORES DE NIVEL.
Estos son dos detectores que informan sobre el nivel de llenado del estanque principal
y se utilizan para el enclavamiento de las bombas del proceso. Uno ubicado en la parte superior
13
del estanque indica Switch valor alto y alarma de nivel, por lo cual al activarse desconecta la
bomba de alimentación para el estanque principal y habilita una alarma. El otro ubicado en la
parte inferior del estanque indica Switch valor bajo y alarma de nivel, con lo que desconecta la
bomba de alimentación hacia los estanques diarios y activa una alarma.
3.4.1.3 VÁLVULA SOLENOIDE DE ENTRADA.
Este dispositivo permite o impide la entrada de combustible al estanque principal o
exterior. Por ser del tipo de dos vías provee una acción simple on-off. Cuando el solenoide está
activo, la válvula está abierta. Cuando el solenoide está desactivado, la válvula está cerrada.
3.4.2 AREA II: BOMBA DE LLENADO.
Esta bomba se encuentra designada con el número 1 y se controla en forma
automática según lo programado en el autómata.
3.4.2.1 BOMBA.
Los estanques diarios se abastecen de combustible a través de una bomba de
alimentación Nº 1, cuando uno o ambos estanques lo requieren se pone en marcha en forma
automática y se efectúa la recarga desde el estanque principal de combustible hasta los estanques
diarios. Para que la bomba funcione rigen las siguientes condiciones de habilitación: uno o ambos
estanques diarios no están llenos, la válvula solenoide FY21, FY22 o ambas están abiertas, el
estanque principal no está vacío, el paro de emergencia no está activado.
3.4.2.2 VÁLVULA SOLENOIDE DE ALIMENTACION Nº 1 y 2.
Consiste en dos dispositivos electroválvulas (FY21 y FY22) que permiten o impiden
la entrada de combustible hacia los estanques diarios, seleccionando al estanque que lo solicita.
Cuando el solenoide está activo, la válvula está abierta. Cuando el solenoide está desactivado, la
válvula está cerrada.
14
3.4.3 AREAS III y IV: ESTANQUE DIARIOS Nº 1 y 2.
Esta sección consiste en dos áreas. Cada área comprende un estanque diario del tipo
rectangular y de abastecimiento diario para la máquina generadora. El depósito Nº 1 tiene una
capacidad de 900 lts. de petróleo diesel y alimenta un grupo electrógeno de 315 KVA. El
Nº 2
es de 950 lts. de combustible disponibles para las necesidades de un grupo electrógeno de 330
KVA. Ambas áreas involucran además los interruptores de nivel asociados, que detectan la
presencia del combustible en el interior de los estanques.
15
4.1 GENERALIDADES.
Este capítulo presenta las características principales de los sensores tipo interruptor de
nivel on – off.
Las variaciones en las condiciones de proceso y ambientales, han originado la
aparición de variados métodos y tecnologías para la detección del nivel de líquidos, entre los
cuales se pueden citar: radar, ultrasonido, presión diferencial, por capacidad y conductividad,
flotador, radiofrecuencia (RF), sistemas mecánicos (interruptores de nivel), sistemas de
vibración, medición hidrostática. Por otro lado existen otros factores o parámetros a tomar en
cuenta: precisión de la medida, características del estanque, condiciones ambientales,
características del producto y requerimientos de instrumentación.
Específicamente para el presente trabajo se implementa un sistema para la detección
de nivel que funciona básicamente con interruptores de nivel de punto de contacto dispuestos en
forma adecuada en el recipiente, depósito o estanque bajo el control. Obedeciendo a su bajo costo
en forma comparativa los interruptores de nivel son bastante utilizados en instalaciones de
electrobombas de llenado en los que debe detectarse los niveles del líquido en un punto y parar o
poner en marcha la electrobomba o bien para proporcionar una alarma.
Los interruptores de nivel son detectores/sensores de nivel on-off . Para cada estanque
diario de combustible se utilizan cuatro switch individuales normalmente cerrados, situados en
las alturas precisas donde se desea efectuar el control. Uno de los sensores indica el nivel mínimo
y partida de la bomba de llenado, mientras que el otro se ubica a un nivel por encima de la
anterior e indica máximo y parada de la bomba de llenado. Los dos sensores restantes están
encargados de entregar una alarma por sobre nivel y otra alarma por bajo nivel en cada estanque,
estos son situados uno en la parte superior y otro cerca del fondo del estanque respectivamente.
Según la norma ISA(Sociedad Americana de Instrumentación) se asigna un “tag
number” a cada sensor: LASH Switch valor alto y alarma de nivel, LSH Switch valor alto de
nivel, LSL Switch valor bajo de nivel, LASL Switch valor bajo y alarma de nivel (FIG. 4.1).
16
4.2 INTERRUPTORES PARA MEDIDA DE NIVEL.
Básicamente son switch de nivel diseñados para operación exacta y confiable en
estanques y contenedores, permitiendo la señalización de niveles multipunto, conectar bombas o
válvulas de descarga. La operación de estos switch generalmente pueden ser configurados como
normalmente abierto (N.O.) o normalmente cerrado (N.C.). Las características que poseen son:
tamaño compacto, bajo costo, larga vida útil y diseño a prueba de impactos.
MARGEN
NORMAL
DE
OPERACION
Figura 4.1: Distribución típica de sensores en estanque.
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Descripción de los sensores de nivel on/off:
LASH= Switch valor alto y alarma nivel.
LSH= Switch valor alto de nivel (control normal de parada de la bomba).
LSL= Switch valor bajo de nivel (control normal de arranque de la bomba).
LASL= Switch valor bajo y alarma nivel.
Estos sensores se construyen en muchos estilos, tamaños y materiales. Además para
que tomar en cuenta el material de construcción de estos sensores, va a depender directamente del
líquido que es supervisado. En la siguiente tabla se revisan algunas aplicaciones:
Tabla 4.1: Aplicaciones de sensores según su material de construcción.
MATERIAL
USO
ACERO INOXIDABLE
Para condiciones de alta temperatura, alta presión y
corrosivas. Utilizado en industria de alimentos,
procesos médicos y de calefacción.
POLIPROPILENO (PP)
Para condiciones ácidas.
LATON
TEFLON
POLISULFONA (PSU)
Opción para líquidos tales como aceites lubricantes,
gasolina y petróleo. Utilizado en tanques de
almacenamiento de combustibles.
Material aplicable para ácidos, alcalinos y procesos
químicos.
Resistente a detergentes ácidos y salados. También
para uso continuo en agua caliente y vapor.
POLI
Conveniente para usos como combustibles y
BUTILENTEREFTALATO
sistemas hidráulicos con servicio continuo.
(PBT)
KYNAR
BUNA-N (NITRILO)
Resistente a productos químicos y solventes.
Para uso en hidrocarburos,
ácidos diluidos,
depósitos de gasolina y sistemas hidráulicos.
18
Por otro lado, estos sensores son los encargados de comandar la apertura de las
electroválvulas y la marcha o parada de la bomba de llenado del proceso. Además habilitan una
alarma en caso de sobrenivel o bajonivel según corresponda. En el caso de la ocurrencia de un
sobrenivel en cualquiera de los dos estanques, se activa la detención de la bomba de llenado.
Figura 4.2: Switch de nivel de cuatro flotadores.
En la figura 4.2 se muestra un switch de flotador magnético que puede ser fabricado
para especificaciones particulares tales como flange, hilo, número/diámetro de flotadores, el
recorrido del flotador y las distancia total de trabajo del flotador. Se utiliza para medir nivel
multipuntos de control y alarmas. Cuenta con una protección IP65. Además se puede variar los
tipos de cubierta: anti-ácido o a prueba de explosión.
19
Figura 4.3: Switch de nivel tamaño compacto.
En la figura 4.3 se presenta un switch de nivel de bajo costo y a prueba de impactos.
Contiene un switch herméticamente sellado. El sensor trabaja con un imán permanente que
cuando el flotador sube o baja con el nivel, el switch es activado por el imán.
Figura 4.4: Switch de nivel de bajo costo.
Un switch de nivel hecho de polipropileno moldeado nos muestra la figura 4.4. Está
diseñado para resolver problemas de distancia y detección de nivel multipunto en estanques
cerrados y abiertos. Emplea un microswitch como componente de contacto que se activa cuando
el ángulo es mayor de 28º.
20
5.1 ALCANCES.
En este capítulo se entregan algunos aspectos normativos asociados a la seguridad en
el manejo de combustibles líquidos en estanques de almacenamiento de petróleo.
El avance de la tecnología a dado lugar a una nueva problemática dentro del control
de procesos: la seguridad. Cada vez que un proceso comienza a funcionar se presentan
potenciales riesgos tanto para las máquinas como para el operador.
En el presente capítulo se hace mención de las políticas de seguridad inherente a los
estanques de combustible según el Reglamento de Seguridad para el almacenamiento de
combustibles líquidos derivados del petróleo del Ministerio de Economía, Fomento y
Reconstrucción con el fin de proteger a las personas y los bienes.
El organismo encargado de fiscalizar el cumplimiento de la normativa vigente es la
Superintendencia de Electricidad y Combustibles.
Las instalaciones industriales son aquellas que utilizan los combustibles para
producción de calor, para procesos químicos o físicos de transformación o procesamiento sin la
finalidad de su ulterior distribución como combustible.
La operación de toda instalación de combustibles líquidos debe considerar sus
características de diseño y las instrucciones de los fabricantes. La operación debe ser
documentada mediante procedimientos escritos que permitan adoptar las medidas de seguridad
pertinentes, para evitar peligros y emanación de residuos que causen daños a las instalaciones de
uso público, cursos de agua, lagos o mares.
La clasificación de los combustibles líquidos según su punto de inflamación, indica
que el petróleo diesel se encuentra dentro la clase de peligrosidad II.
21
5.2 TERMINOLIGÍA.
5.2.1 AMBIENTE INFLAMABLE.
Es aquel que contiene polvo, vapor o gas inflamable en mezcla con el aire y que
puede entrar en ignición al producirse una chispa u otro agente.
5.2.2 ANCLAJE.
Fundación de acero y hormigón con el peso suficiente para proporcionar una carga
adecuada a un estanque lleno, impidiendo su movimiento.
5.2.3 VENTEO.
Conexión existente entre la zona de gases de un estanque y el exterior, cuyo propósito
es impedir que la presión o vacío se exceda en el interior del estanque.
5.2.4 ZONA CLASIFICADA.
Aquella en la cual existe la presencia de vapores o gases explosivos inflamables, la
cual debe ser señalizada e implementada con las medidas de seguridad que correspondan.
5.2.5 ZONA ESTANCA DE SEGURIDAD.
Es aquella que circunda a un estanque, constituida por el suelo y muros de contención
impermeables al combustible almacenado y cuyo propósito es contener el líquido ante un
eventual derrame de combustible.
5.3 CONSIDERACIONES DE SEGURIDAD DEL PROYECTO.
El diseño contempla la renovación de las instalaciones por lo que debe ser ejecutada
por un instalador proyectista considerando las siguientes disposiciones generales:
22
1)
Contemplar la eventual interrupción del suministro de combustible en forma total y contar
con la información de planos y especificaciones técnicas de los estanques.
2)
Considerar los métodos de eliminación de las emanaciones, según lo dispuesto por las
autoridades medio-ambientales.
3)
Las instalaciones eléctricas deben cumplir con la norma chilena oficial.
4)
Se prohíbe el tendido de líneas aéreas de cualquier categoría sobre zonas clasificadas como
instalaciones de combustibles líquidos.
El
autómata
programable
debe
estar
protegido
de
ambientes
hostiles,
electromagnéticos, químicos, etc. Para ello se instalan dentro de armarios o gabinetes para evitar
posibles contaminaciones en su funcionamiento.
Los módulos de entradas y salidas deben disponer de aislamiento galvánico con el
exterior.
Para asegurar la fiabilidad del sistema se debe considerar la falla de los sensores de
uso normal, para lo cual se instalan sensores adicionales que alarman el sistema y lo restituyen.
Para solucionar cualquier problema de funcionamiento en un determinado instante se
considera una parada de emergencia que paraliza el proceso. Esta es activada en forma manual.
5.4 SEGURIDAD INTRINSECA.
Se refiere al diseño de los circuitos de comando y control de manera que su nivel de
energía sea tan bajo para responder el ideal a la seguridad intrínseca “la energía no debe llegar a
valores que puedan producir altas temperaturas, arcos o chispas”. La seguridad intrínseca es la
más utilizada para operar en ambientes explosivos. Esta seguridad no requiere de blindajes
pesados o costosos y actualmente sus dispositivos son más económicos de fabricar.
5.5 PROTECCIÓN CONTRA INTEMPERIE.
Los dispositivos de control deben responder contra la intemperie para aumentar su
seguridad en el caso que lo requiera. Principalmente se trabaja con los índices de protección IP
23
que se refiere a la hermeticidad de las carcasas y gabinetes contra sólidos, líquidos e impactos. El
código consiste en dos letras y dos dígitos, el primer dígito indica nivel de protección contra
polvo y ataque de sólidos externos; el segundo dígito indica el nivel de protección contra el agua.
A continuación se indican algunos ejemplos:
-
IP5X: especifica hermeticidad parcial contra polvo, protección total contra sólidos.
-
IP6X: especifica hermeticidad total contra polvos, protección total contra sólidos.
-
IP64: agrega protección contra salpicaduras de agua.
-
IP65: agrega protección contra lluvia, nieve, escarcha y manguereo ocasional directo.
-
IP66: agrega protección contra chorros fuertes de manguera con presión.
-
IP67: agrega protección contra inmersión temporal en agua.
-
IP68: agrega protección contra inmersión prolongada en agua.
5.6 ESTANQUES DE COMBUSTIBLE.
Los estanques deben ser diseñados y construidos utilizándose materiales de acuerdo a
las normas nacionales y a falta de éstas normas extranjeras. Para los estanques externos, estos
deben soportar condiciones climáticas adversas como lluvia, nieve, vientos, salinidad, humedad y
bajas temperaturas.
5.6.1 DISTANCIA DE SEGURIDAD.
Los estanques de almacenamiento de combustible deben tener una distancia de
seguridad que debe estar incluida al interior del terreno donde se encuentra instalado.
Los tanques sobre superficie, destinados al almacenamiento de combustible deben
cumplir con las distancias de seguridad dispuestas en la tabla 5.1:
24
Tabla 5.1: Distancias de seguridad para tanques que almacenan de combustibles líquidos.
CAPACIDAD DEL
ESTANQUE
(M3)
Distancias mínimas de seguridad
A (m)
B (m)
1.0 o menor
1.5
1.5
1.1 a 3.0
3.0
1.5
3.1 a 50.0
4.5
1.5
40.1 a 100.0
6.0
1.5
100.1 a 190.0
9.0
3.0
190.1 a 400.0
15.0
4.5
400.1 a 2000.0
24.5
6.0
2000.1 a 4000.0
30.5
11.0
4000.1 a 8000.0
40.0
14.0
8000.1 a 12000.0
50.0
17.0
Superior a 12000.1
53.0
18.0
A: Distancia en metros, medida desde un tanque a cada una de las líneas que
deslindan la propiedad, en las cuales hay o puede haber construcciones vecinas.
B: Distancia en metros, medida desde un tanque al lado más próximo de cualquier
camino o edificación dentro de la propiedad.
5.6.2 ZONA ESTANCA DE SEGURIDAD.
Es un sistema de protección contra derrames, que se debe emplazar alrededor del
estanque. La zona estanca debe tener un volumen igual o superior al del tanque dentro de la zona.
Las zonas estancas de seguridad deber ser impermeables al combustible almacenado en el
estanque y además de estar libres de materiales y envases de combustible.
25
5.6.3 VENTEO PARA ESTANQUES SOBRE SUPERFICIE.
Todo estanque debe estar equipado con dispositivos de venteo, asegurando que la
presión interior del tanque no sobrepase su presión de diseño. La salida de los venteos debe estar
ubicada de preferencia en las partes altas de los estanques para permitir una mejor difusión de los
vapores.
5.6.4 FUENTES DE IGNICIÓN.
Se deben eliminar toda fuente de ignición, de todas aquellas zonas donde se puedan
producir vapores inflamables.
5.6.5 PREVENCIÓN DE SOBRE LLENADO.
Los tanques de instalaciones que almacenan combustible deben estar equipados con
alarma de nivel máximo de líquido o con cierre automático de válvulas de llenado.
26
6.1 CARACTERÍSTICAS DE PLC MITSUBISHI FX1S-30MR-ES/UL.
Este capítulo contiene las generalidades del PLC Mitsubishi FX1S-30MR-ES/UL.
Además se revisan aspectos de funcionamiento del proceso en laboratorio y programación del
sistema:
Un PLC (Programable Logic Controller - controlador lógico programable) es un
dispositivo de estado sólido, diseñado para controlar secuencialmente procesos en tiempo real en
un ámbito industrial. El PLC utilizado para la presente tesis (FIGURA 6.1) es de la serie FX1S,
marca Mitsubishi, modelo específico FX1S-30MR-ES/UL y es del tipo compacto. En su panel
frontal tiene indicadores LED de estados de las entradas/salidas y además estado del PLC
(POWER/RUN/ERROR).
Figura 6.1: PLC Mitsubishi FX1S-30MR-ES/UL.
Como lo muestra la tabla 6.1 adjunta, este PLC tiene 30 entradas/salidas (16 entradas
y 14 salidas), sus salidas son del tipo relé y su alimentación es con una tensión de 100 a 220
VCA. Además tiene una fuente interna de corriente continua de 24 VDC.
27
Tabla 6.1: Descripción de plc mitsubishi.
DESIGNACION
DESCRIPCION
FX1S
Serie de PLC
30
Número de
entradas/salidas
M
Unidad base
R
Salida relé
ES
Alimentación
en CA 100-200 V
UL
Registro
La distribución de sus bornes de conexión se muestra en la figura 6.2.
S/S S/S X1 X3 X5 X7 X11 X13 X15 X17
N S/S X0 X2 X4 X6 X10 X12 X14 X16
L
0V Y0 Y1 Y2 Y4
24V
Com0 Com1 Com2
Com3
Y7 Y11 Y12 Y14
Y3 Y5 Y6 Y10
Com4
Y13 Y15
Figura 6.2: Regleta de conexiones PLC FX1S-30MR-ES/UL.
Descripción de la regleta de conexiones:
-
16 puertas de entrada: X0-X7 / X10-X17 (notación octal)
-
14 puertas de salida, con 5 circuitos: Y0-Y7 / Y10-Y15 (notación octal);
Com0-Y0 / Com1 –Y1 / Com2 – Y2, Y3, Y4, Y5
Com3 – Y6, Y7, Y10, Y11 / Com4 – Y12, Y13, Y14, Y15
-
24-0: Fuente interna de 24 VDC.
-
S/S: Entrada configurada como tipo fuente o tipo sumidero
-
L – N: Alimentación a 220 VAC
28
Existen dos posibilidades para configurar las entradas:
-
Entrada tipo fuente, como se muestra en la figura 6.3.
-
Entrada tipo sumidero, como se muestra en la figura 6.4.
24V 0V
S/S X0 X1 X2 X3
FX1S-30MR-ES/UL
Figura 6.3: Configuración tipo fuente.
24V 0V
S/S X0 X1 X2 X3
FX1S-30MR-ES/UL
Figura 6.4: Configuración tipo sumidero.
6.2 PROGRAMACIÓN DEL SISTEMA.
La programación del PLC se realiza por medio de un computador con el software
SWOPC-FXGP/WIN-E Versión 3.1. Específicamente se programa la realización del sistema de
control de nivel en forma directa basado en Grafcet a través de la Sequencial Funtion Chart
29
(SFC). El SFC es una estandarización del Grafcet. El Grafcet es un gráfico de representación de
sistemas secuenciales y esta definido por reglas de evolución. Además, el grafcet es una
representación gráfica del automatismo compuesto por etapas y transiciones, las cuales se
alternan en el plan de la secuencia. Una etapa corresponde a una situación del sistema que indica
un comportamiento y se representa por un cuadrado. La transición es un elemento que permite
evolucionar de una etapa a otra y se representa por un trazo perpendicular a la línea que une las
etapas. Un salto (jump) puede ser colocado en lugar de una etapa. Los procesos del estado de la
señal activa toma lugar a través de los enlaces direccionales, disparados por la conexión a una
transición. Una cadena de etapas se concluye con un salto a otra etapa sobre la misma cadena de
etapas, esto ocurre en forma cíclica.
6.2.1 REQUERIMIENTOS DE ENTRADAS/SALIDAS.
Las entradas y salidas del PLC deben ser las suficientes para conectar todas las
señales y líneas de control para el proceso. La lógica de funcionamiento que es almacenada y
ejecutada por el PLC es implementada hacia el proceso a través de las entradas y salidas. Las
entradas y salidas del PLC están cableados hacia los sensores de nivel, actuadores
(bombas/electroválvulas) y lámparas de señalización para crear un sistema de control total.
Las entradas y salidas utilizadas son del tipo digital, o sea permiten conectar al
autómata captadores y accionadores de terreno del tipo todo o nada.
En la tabla 6.2 y 6.3 se describen las entradas y salidas del autómata necesarias para
el control del proceso.
30
Tabla 6.2: Descripción de entradas.
SIMBOLO
LASH21
LSH21
LSL21
DESCRIPCIÓN
Switch valor alto y alarma nivel estanque 1
Switch valor alto nivel estanque 1
(parada de bomba P01)
Switch valor bajo nivel estanque 1
(partida de bomba P01)
Variable
X000
X001
X002
LASL21
Switch valor bajo y alarma nivel estanque 1
X003
LASH22
Switch valor alto y alarma nivel estanque 2
X004
LSH22
LSL22
LASL22
Switch valor alto nivel estanque 2
(parada de bomba P01)
Switch valor bajo nivel estanque 2
(partida de bomba P01)
X005
X006
Switch valor bajo y alarma nivel estanque 2
X007
LASH
Switch valor alto y alarma nivel estanque principal
X010
LASL
Switch valor bajo y alarma nivel estanque principal
X011
P
Pulsador de partida bomba P02
X012
S
Pulsador de parada bomba P02
X013
PA. EM.
Pulsador parada de emergencia
X014
Pulsador de arranque automático
X015
Pulsador de arranque manual
X016
AUTO
MANUAL
31
Tabla 6.3: Descripción de salidas.
SIMBOLO
FUNCIÓN
Variable
LSA
Lámpara de sistema automático.
Y000
FY21
Apertura electroválvula de estanque 1
Y001
FY22
Apertura electroválvula de estanque 2
Y002
Partida bomba 1
Y003
Apertura electroválvula de estanque principal
Y004
P02
Partida bomba 2
Y005
LPE
Lámpara de parada de emergencia
Y006
LAH1
Lámpara de alarma sobrenivel estanque 1
Y007
LAL1
Lámpara de alarma bajonivel estanque 1
Y010
LAH2
Lámpara de alarma sobrenivel estanque 2
Y011
LAL2
Lámpara de alarma bajonivel estanque 2
Y012
LEPF
Lámpara de estanque principal lleno
Y013
LEPE
Lámpara de estanque principal vacío
Y014
LSM
Lámpara de sistema manual
Y015
P01
FY02
6.2.2 DESCRIPCIÓN DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA.
Para una mejor comprensión del funcionamiento del sistema se sugiere revisar el
diagrama de la figura 6.5, en donde se pueden apreciar los dispositivos del proceso.
6.2.2.1 PASO A RÉGIMEN AUTOMÁTICO.
Al mover un conmutador de tres posiciones (Manual – OFF - Automático) a posición
Automático, se gobierna el llenado de petróleo a los estanques diarios 1 y 2 a través de la bomba
32
P01 desde un estanque principal. Para lo anterior se enciende una lámpara de señalización para el
modo Automático.
Si se activa el sensor de nivel LASL (estanque principal vacío) enciende una lámpara
de señalización y deshabilita el sistema de carga de combustible automático a los estanques
diarios hasta que se restablezca, retornando al estado de inicialización.
Cuando inicialmente el sistema parte con los estanques 1 y 2 vacíos, los sensores de
nivel LASL21 y LASL22 activan las electroválvulas (FY21 – FY22) y una vez transcurrido
medio segundo se activa la bomba P01 (acciona una lámpara de visualización) a través de un
contactor K1, que introduce petróleo a cada estanque hasta el nivel normal superior en que los
sensores LSH21 y LSH22 desactivan la bomba 1 y después de medio segundo se desactiva la
electroválvula correspondiente para cada estanque.
Si el estanque 1 se llena primero, el sensor LSH21 desactiva la electroválvula FY21
cerrándose, pero la bomba P01 y la electroválvula FY22 siguen funcionando para llenar el
estanque 2.
Si el estanque 2 se llena primero, el sensor LSH22 desactiva la electroválvula FY22
cerrándose, pero a su vez la bomba P01 y la electroválvula FY21 continúan funcionando hasta
llenar el estanque 1.
Cuando el proceso ya esta inicializado, si baja el nivel del estanque 1, el sensor de
nivel normal bajo LSL21 activa la electroválvula FY21, abriéndose y transcurrido medio segundo
de tiempo se activa la bomba P01 para que este se llene con combustible hasta el sensor de nivel
normal alto LSH21 desactivando la bomba 1 y después de medio segundo la electroválvula
FY21. El sistema procede de igual forma si baja el nivel del estanque 2 en forma independiente;
pero esta vez operando con los sensores LSL22, LSH22 y la electroválvula FY22.
Las electroválvulas llevan un sistema mecánico automático para cerrarse.
Si se activa el sensor de nivel LASL (estanque principal vacío) en el momento que la
bomba P01 esta cargando combustible a los estanques diarios 1 o 2, o ambos, se detiene el
proceso de carga de petróleo y enciende una lámpara de señalización.
33
34
6.2.2.2 PASO A RÉGIMEN MANUAL.
Al mover el conmutador de tres posiciones a posición Manual, se maneja el llenado
con petróleo al estanque principal, a través de la bomba P02 desde un camión-tanque cuando es
necesario. Se enciende una lámpara de señalización para el modo Manual.
El arranque de la bomba P02 (acciona una lámpara de visualización) se produce al
presionar la botonera de partida (P), que energiza la electroválvula FY02 y la bobina de un
contactor K2. Primero se activa la electroválvula FY02 y luego de medio segundo, si el contactor
K2 cierra entonces energiza la bomba P02 en forma directa. La bomba P02 se pone en marcha
introduciendo petróleo desde el camión-tanque de abastecimiento hasta que se activa el sensor de
nivel LASH (estanque principal lleno, que indica con una luz piloto) o bien hasta que se pulsa el
botón de parada (S) por el operador, desactivando primero la bomba P02 y después de medio
segundo la electroválvula FY02.
6.2.2.3 GESTIÓN DE ALARMAS.
Situaciones en las que se puede producir una alarma en el sistema:
¾ SOBRENIVEL (LASH21 - LASH22 – LASH): Si durante la fase de llenado de los
estanques, o en otra etapa, se produce un sobrenivel se detiene el llenado e indica la
alarma de visualización del estanque correspondiente.
¾ BAJONIVEL (LASL21 - LASL22 – LASL): Si durante el proceso, el nivel de los
estanques baja demasiado, se activa una alarma correspondiente al estanque afectado y
además procede a encender la bomba y electroválvula de llenado hasta el sensor de nivel
valor normal alto.
¾ PARADA DE EMERGENCIA (LPE): Si durante el proceso se produce una emergencia
real, el operador tiene la posibilidad de efectuar una Parada de Emergencia, al accionar un
botón (normalmente cerrado) que detiene todo el proceso e indica lo ocurrido con una
lámpara intermitente de señalización hasta que el operador repone dicho botón, cuando la
situación se normaliza.
35
6.2.3 ELEMENTOS DE VISUALIZACIÓN.
Dada las necesidades para el funcionamiento del sistema se incluye un panel de
operador en cual se ubica en la sala de control. En este panel se pueden visualizar datos y alarmas
del proceso y a su vez algunas botoneras de control.
Esta conformado por tres secciones: CONTROL – STATUS – NIVELES.
CONTROL
STATUS
TANK A
TANK B
BOMBA 1 ON
ALARMA
SOBRENIVEL
ALARMA
SOBRENIVEL
BOMBA 2 ON
ALARMA
BAJO NIVEL
ALARMA
BAJO NIVEL
AUTO
MANUAL
PARTIDA
BOMBA 2
PARADA
BOMBA 2
NIVELES
SISTEMA
MANUAL
TANK PPAL
SISTEMA AUTO.
SISTEMA EN
PARADA EMER.
PARADA
EMERGENCIA
Figura 6.6: Panel de control.
CONTROL: Contiene los siguientes elementos:
¾ PA.EM.(Botonera Parada de Emergencia - N.C.)
¾ P (Pulsador de partida bomba P02 - N.O.)
¾ S (Pulsador de parada bomba P02 - N.O.)
¾ AUTO (Botonera de sistema en modo automático - N.O.)
¾ MANUAL (Botonera de sistema manual - N.O.)
STATUS: Contiene las lámparas de descripción de estados:
¾ LSA (Lámpara de sistema automático, color verde)
¾ LSM (Lámpara de sistema manual, color verde)
NIVEL MAX
DETIENE B 2
ALARMA
BAJO NIVEL
DETIENE B 1
36
¾ P01 (Bomba 01 encendida, color verde)
¾ P02 (Bomba 02 encendida, color verde)
¾ LPE (Lámpara de parada de emergencia, color rojo)
NIVELES: Contiene las lámparas de visualización de alarmas niveles de los estanques:
¾ LAH1 (Lámpara de alarma sobrenivel estanque 1, color rojo)
¾ LAL1 (Lámpara de alarma bajonivel estanque 1, color rojo)
¾ LAH2 (Lámpara de alarma sobrenivel estanque 2, color rojo)
¾ LAL2 (Lámpara de alarma bajonivel estanque 2, color rojo)
¾ LEPF (Lámpara estanque principal lleno, color rojo)
¾ LEPE (Lámpara estanque principal vacío, color rojo)
6.3
SIMULACIÓN
DEL
PROCESO
EN
LABORATORIO
DE
PLC
DE
LA
UNIVERSIDAD Y PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO.
Se realiza la implementación del sistema de control de nivel en el laboratorio UMAG,
en tablero disponible para los alumnos (Figura 6.7). Dicho tablero cuenta con los elementos
necesarios para la simulación, PLC Mitsubishi, botoneras, contactores, etc.
Además se instalan switch on-off, los cuales representan a los sensores de nivel
normalmente cerrados. Estos sensores están montados en un panel con tres sectores que simulan
los estanques del sistema, un estanque principal y dos estanques diarios (Figura 6.8).
En las figuras 6.9, 6.10 y 6.11 se visualizan los diagramas grafcet de los estanques
con una breve explicación de la función de cada etapa y las salidas asignadas por su símbolo. En
las transiciones se aprecian las entradas que las condicionan, en la primera fila las designaciones
37
adoptadas y en la segunda fila inmediatamente abajo, las entradas (X) para efectos de
programación asociada.
Figura 6.7: Implementación del sistema de control.
38
Figura 6.8: Estanques e interruptores del sistema.
39
40
41
42
El programa funciona en paralelo con tres bloques SFC para los estanques del
proceso. Los bloques SFC son similares en programación pero solo cambian las entradas y
algunas salidas. Luego de cargar el programa creado al PLC se verifica su correcto
funcionamiento en cuanto a sus alarmas, condiciones de seguridad y habilitación.
En la figura 6.12 se visualiza a modo de ejemplo, un bloque SFC correspondiente a
uno de los estanques diarios. A continuación se detalla su funcionamiento:
¾ La etapa S2 es de inicialización y permanece en ésta hasta que cambia a modo automático
pasando a la etapa S29.
¾ Si se activa sensor de nivel normal bajo, pasa a la etapa S30, se abre la electroválvula y
espera medio segundo para seguir a la etapa S31 en que además parte bomba. Cuando se
llena con petróleo hasta nivel normal alto pasa a la etapa S32, en que se desconecta la
bomba y espera medio segundo para cerrar la electroválvula. A continuación salta y
retorna a la etapa S2.
¾ Si el sensor de nivel normal bajo no opera, un sensor de bajonivel y alarma activa la
electroválvula al pasar a la etapa S34, luego de medio segundo sigue a la etapa S35 en que
parte la bomba y hasta que se activa el sensor de nivel normal alto se desconecta la bomba
para esperar medio segundo cerrando la electroválvula correspondiente. A continuación
retorna a través de un salto en el programa a la etapa S2.
¾ Si en los casos anteriores y principalmente durante el llenado, no opera el sensor de nivel
normal alto la bomba sigue funcionado hasta un sensor de sobrenivel que se encarga de
detener el sistema e indicar una alarma. Lo anterior funciona a través de los saltos (jump)
a la etapa S33.
¾ Si el estanque principal indica bajo nivel deshabilita todo el sistema de llenado e indica
una alarma (etapa S38).
¾ Si se el operador activa una parada de emergencia deshabilita el sistema e indica una
alarma intermitente (etapa S37).
43
Figura 6.12: Diagrama SFC de un estanque.
44
45
46
47
CONCLUSIONES
En el presente trabajo de titulación, se ha presentado el diseño e implementación de
un sistema de control diferencial de nivel que aporta un ahorro estimado de $ 250.000 anuales
para el control de bombas de alimentación de petróleo permitiendo políticas de gestión
coherentes con el servicio que prestan los grupos electrógenos.
El sistema de control es robusto ya que ha sido diseñado con un índice de protección
IP 55 y equipos aptos para un ambiente industrial.
La programación mediante SFC resulta ser de fácil comprensión y programación para
el usuario, ya que lo traduce en forma directa a diagrama tipo escalera o instrucciones.
La inversión inicial que se requiere para la instalación del sistema es de $ 1.550.000,
cifra que puede se amortizada en un plazo de 6 años, lo que no es tanto tiempo si se considera que
la instalación actual data del año 1990.
Los resultados de esta experiencia en laboratorio pueden dar una idea de la
potencialidad de este sistema ya que por su sencillez solo resta el poder programar un PLC que
cuente con lenguaje Grafcet o SFC sin importar de manera significativa su marca o modelo, pero
si sus entradas/salidas.
Con este tipo de sistema de automatización se abre un camino para implementar en el
resto de las instalaciones existentes, tanto a nivel regional como nacional considerando que en
los Aeropuertos del país (10) no se ha implementado y los sistemas son de características muy
similares.
48
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
[1]
DECRETO SUPREMO Nº 90 del Ministerio de Economía, Fomento y
Reconstrucción.
[2]
Enriquez Harper “EL ABC DE LA INSTRUMENTACION EN EL CONTROL
DE PROCESOS INDUSTRIALES”.
[3]
Ian G. Warnock “PROGRAMMABLE CONTROLLERS”. Edición PRENTICE
HALL 1988
[4]
Ramón Piedrafita Moreno “INGENIERIA DE LA AUTOMATIZACION
INDUSTRIAL”. Edición ALFAOMEGA 2001
[5]
Vicent Lladonosa Giró “CIRCUITOS BASICOS DE CONTROLES DE NIVEL”.
[6]
MANUALES:
- PLC FX1S-30MR-ES (PLC Mitsubishi).
- FX GP-WIN/E (SOFTWARE DE PROGRAMACION).
- RS COMPONENTES.
[7]
INTERNET: -www.electromatica.cl
-www.endress.cl
-www.electroindustria.cl
-www.vega.com
-www.simplexdirect.com
-www.gespa.cl
-www.autocontrol.cl
-www.cobo.cl
-www.fabelec.cl
-www.rschile.cl
49
ANEXO A: Recomendación de los dispositivos del proceso.
La recomendación de los equipos con que se realiza este proyecto, se hace de acuerdo
a los productos existentes en el mercado nacional, ya que se dispone de una amplia variedad. Lo
anterior incluye los actuadores y sensores del sistema.
DETECTOR DE NIVEL MULTIPUNTO
Beneficios
¾ Construcción robusta.
¾ Bajo costo.
¾ Hasta cuatro puntos de contacto en un mismo equipo.
¾ Variedad de materiales y tipos de montaje.
Características
Este sensor ofrece un amplia variedad de configuraciones para cumplir con la
mayoría de las necesidades de censado de nivel. El robusto diseño provee de uno a cuatro puntos
de censado en un mismo aparato. Cuenta con diferentes opciones de materiales y flotantes para
aplicaciones tales como altas presiones, corrosivos y combustibles. El diseño permite ajustar el
largo del sensor para un mejor montaje. Los contactos pueden ser SPDT, DPDT, normalmente
cerrado o normalmente abierto.
Este sensor es ideal para alarmas de nivel simple o múltiple y para el accionamiento
de partida y parada de una bomba.
Especificaciones
Montaje:
acero al carbono
Flotantes:
de 2” pared robusta
Máxima presión:
hasta 1000 psi
Máxima temperatura:
250 º F
50
Tensión:
200 VDC Máximo
Corriente:
0.5 A.
Cubierta:
a prueba de explosión, material aluminio.
INTERRUPTOR DE NIVEL DE LIQUIDOS CILINDRICO
Características
Disponible en tipo cilindro para aberturas pequeñas.
Conmutación directa de 250 V a.c./250 V d.c.
Micro-interruptor sin mercurio.
Disponible en diferentes materiales para la compatibilidad con distintos medios.
Especificaciones
Temperatura de funcionamiento:
de -20ºC a +70ºC
Material:
Polipropileno.
Cable:
5 m (3x 0.75mm2) para combustibles y líquidos que contienen
aceite.
Corriente de conmutación:
3 A (a.c.) 1 A (d.c.)
Dimensiones:
29,2 mm (diámetro) x 135 mm (longitud)
VALVULA SOLENOIDE DE DOS VIAS
Características
Esta válvula es apropiada para la mayoría de las aplicaciones en que se manejan
fluidos como combustibles y gases. Opera en forma normalmente cerrada y es adecuada para
medios ácidos alcalinos, líquidos agresivos, detergentes y combustibles. Las piezas internas son
de polipropileno.
Especificaciones
Potencia nominal de la bobina:
8W
Tensión de alimentación:
24 V d.c., 110 V a.c., 220 V a.c.
51
Temperatura del fluido:
de – 30ºC a + 80ºC
Margen de presiones:
0 – 4,5 bares
Caudal:
6,7 l/min.
Tamaño del orificio:
5 mm.
BOMBA PARA COMBUSTIBLE AG-88
Características
Esta bomba es apta para gasóleo. Esta dotada con una válvula de by-pass de
recirculación y es del tipo autoaspirante.
Especificaciones
Aspiración:
5m
Impulsión:
30 m
Motor:
0,5 HP – 220 VAC Autoventilado
Protección:
IP-55
Consumo:
6A
R.P.M. :
1380
Tubo entrada/salida:
1”
MEDIDOR VOLUMETRICO MG-80
Características
Fabricada para hidrocarburos, aceites, herbicidas, líquidos químicos. Indicador
parcial de tres cifras y totalizador de seis cifras.
Especificaciones
Caudal:
10 – 90 l/min.
Presión máxima de trabajo:
3,5 bar.
Temperatura máxima:
60º C
52
Carcasa:
poliamida
Peso:
1,6 Kg.
Conexión:
1”
53
ANEXO B: Costo de los dispositivos del proceso.
ITEM
1
DESCRIPCION
UNIDAD CANTIDAD
PRECIO
UNITARIO
38.800
TOTAL
($)
388.000
c/u
10
c/u
1
200.000
200.000
c/u
1
80.000
80.000
4
Interruptor de nivel
PLC MITSUBISHI
FX1S-30MR-ES/UL
Tablero metálico, con
accesorios de conección.
Válvula solenoide 24 Vdc
c/u
3
88.000
264.000
5
Bomba para petróleo AG-88
c/u
2
212.000
424.000
6
Contactor 24 Vdc
Medidor volumétrico
mecánico MG-80
c/u
2
18.000
36.000
c/u
2
79.000
158.000
2
3
7
VALOR TOTAL = $ 1.550.000.-