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HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF.
OBJETIVO.
Controlar la temperatura de un horno de elaboración de esmalte cerámico
utilizando un algoritmo y estrategia de control para asegurar la calidad de
producto.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF.
JUSTIFICACIÓN.
En la producción del esmalte cerámico de una empresa llamada Cerámicos
San José, principalmente al inicio del proceso, se detectó que las variaciones
de caudal en la válvula de control hacen que el esmalte para cerámico no
cubra con los requerimientos necesarios, esto debido a cambios de nivel el
contenedor de combustible, el caudal de combustible necesario para la
fundición están sujetas a perturbaciones ya que toda la planta está alimentada
del mismo contenedor.
La calidad del producto se ha visto afectada ya que no cumple con los
requerimientos específicos del cliente, esto debido a cambios de nivel del
contenedor de combustible que provocan perturbaciones, esto se debe a que el
contenedor del combustible empleado para la producción del esmalte
cerámico, no tiene ningún tipo de control, este se llena y consume de forma
irregular o no constante.
La calidad que ha estado buscado la empresa en el esmalte cerámico, mejora
la competitividad de sus productos y productividad de operación. Las
perturbaciones ocasionan que la calidad del esmalte presente error, esto es
gránulos en la frita cerámica sin fundir.
La calidad que requiere la producción para su mejoramiento ha estado
presento en todos los cambios que la empresa a echo en diferentes secciones
de la producción.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF.
En un lazo retroalimentado, todo producto que no cumpla las características
mínimas para decir que es correcto, será eliminado, sin poderse corregir los
posibles defectos de fabricación que podrían evitar esos costos añadidos y
desperdicios de material. La diferencia de caudal, debida a la falta de control
en la variable manipulada, ocasiona defectos que son detectados ya que el
proceso dio por terminado.
La fundición, del esmalte cerámico, siendo este el primer proceso, requiere de
mayor atención ya que es el primer proceso para la fabricación del esmalte, el
resto de los procesos, para obtener el producto final, dependen de la fundición.
Las perturbaciones en la variable manipulada afecta directamente a la calidad
del producto, la fundición del esmalte cerámico tiene como variable
primordial la temperatura, si esta tiene perturbaciones la fundición se fe
afectada y por tal motivo la calidad del esmalte para cerámico.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF.
INTRODUCCIÓN.
Los trabajos de control contribuyen a modificar los aspectos físicos de la
obra que se esta realizando. Ayudan a cambiar la funcionabilidad y a
resolver acciones que se consideran problemáticas, es decir que no
contribuyen al objetivo de control.
Las aplicaciones que se realizan nos permiten visualizar el
funcionamiento real físico de los componentes integrados en el sistema de
control, esto permite visualizar el comportamiento de nuestro sistema de
control, la secuencia con la que esta operando, los tipos de conexiones que
esta requiere etc.
La automatización no solo resuelve problemas de control sino que
contribuye a la mejora de calidad de trabajo de las personas que muchas
veces están en contacto con secuencias de operación incomodas, es decir
que cause un efecto físico doloroso al ejecutar su labor.
La importancia de controlar y automatizar sistemas ayuda a mejorar los
aspectos de vida y a conservar en condiciones idóneas los componentes
relacionados con el sistema de control.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página i
ÍNDICE.
CAPITULO 1
OBJETIVO. ........................................................................................................................................................ 3
Controlar la temperatura de un horno de elaboración de esmalte cerámico utilizando un algoritmo y estrategia
de control para asegurar la calidad de producto. ................................................................................................ 3
JUSTIFICACIÓN. .............................................................................................................................................. 4
1.0 ORÍGENES. ............................................................................................................................................. 1
1.2 INTRODUCCIÓN A LAS PASTAS Y ESMALTES CERÁMICOS. ..................................................... 2
1.3 PASTA CERÁMICA. .............................................................................................................................. 2
1.4 SECADO. ................................................................................................................................................. 4
1.5 COCCIÓN. ............................................................................................................................................... 5
1.6 ESMALTE. ............................................................................................................................................... 6
1.7 DEFECTOS EN LOS ESMALTES.......................................................................................................... 8
1.7.1 Cuarteo. ................................................................................................................................................ 8
1.7.2 Saltado del esmalte. ............................................................................................................................. 9
1.7.3 Recogido del esmalte. .......................................................................................................................... 9
1.7.4 Pinchado del esmalte. ........................................................................................................................ 10
1.7.5 Reventado del esmalte. ...................................................................................................................... 10
1.7.6 Piel de Naranja. .................................................................................................................................. 11
1.8 TIPOS DE ESMALTE. .......................................................................................................................... 12
1.8.1 Esmalte alveolado o tabicado. ............................................................................................................ 13
1.8.2 Esmalte vaciado o campeado. ............................................................................................................ 13
1.8.3 Esmalte de bajo-relieve. ..................................................................................................................... 14
1.8.4 Esmalte traslúcido o transparente. ..................................................................................................... 14
1.8.5 Esmalte pintado o de pintores. ........................................................................................................... 14
1.8.6 Esmalte de aplicación. ....................................................................................................................... 14
1.8.7 Esmalte cuadriculado. ........................................................................................................................ 14
2.0 ANÁLISIS DEL PROCESO Y DETECCIÓN DEL PROBLEMA. ....................................................... 15
2.1 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA. ........................................................................................ 15
2.3 CONTROL DE LA TEMPERATURA DEL HORNO DE FUNDICCION. .......................................... 17
2.3.1 Lazo cerrado ...................................................................................................................................... 17
2.3.2 Lazo cerrado con control PID. ........................................................................................................... 21
2.4 TIEMPO MUERTO. .............................................................................................................................. 25
3.0 SOLUCIÓN PROPUESTA. ................................................................................................................... 31
3.1 CONTROL EN LA TEMPERATURA DEL HORNO DE FUNDICIÓN. ........................................... 32
3.2 CONTROL REALIMENTADO. ............................................................................................................ 33
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página ii
3.2.1 Características del control realimentado. ........................................................................................... 34
3.3 CONTROL EN CASCADA. .................................................................................................................. 35
3.4 PROBLEMA EN EL HORNO DE FUNDICIÓN DE ESMALTE CERÁMICO. ................................. 36
3.5 DETECCIÓN DE VARIABLES DE PROCESO PARA EL CONTROL EN CASCADA. .................. 37
3.5.1 Variable controlada. ........................................................................................................................... 37
3.5.2 Variable manipulada. ......................................................................................................................... 37
3.6 ESTRATEGIA DE CONTROL EN CASCADA. .................................................................................. 38
3.7 ELEMENTOS FÍSICOS O HARDWARE. ............................................................................................ 41
3.7.1 Válvula solenoide. ............................................................................................................................. 41
3.8 TRANSDUCTOR................................................................................................................................... 43
3.8.1 Definición. ......................................................................................................................................... 44
3.8.2 Conceptos básicos transductores de temperatura. .............................................................................. 45
3.9 SENSORES INFRARROJOS. ............................................................................................................... 47
3.9.1 Sensores de temperatura infrarrojos. .................................................................................................. 47
3.10 MEDIDOR DE FLUJO DE PROCESO. .............................................................................................. 54
3.10.1 Factores para la elección del tipo de medidor de fluido. .................................................................. 54
3.10.2 Campo de aplicación. ....................................................................................................................... 56
3.11 PROCESO DE CONTROL Y ADQUISICIÓN DE DATOS. .............................................................. 58
3.11.1 Definiciones. .................................................................................................................................... 58
3.12 TOPOLOGÍA DE REDES FRECUENTEMENTE USADAS. ............................................................ 63
3.12.1Redes de araña .................................................................................................................................. 64
3.12.2Redes de árbol. .................................................................................................................................. 64
3.12.3 Redes de bus. ................................................................................................................................... 65
3.12.4 Redes de anillo. ................................................................................................................................ 66
3.13 TOPOLOGÍAS FÍSICAS TENEMOS. ................................................................................................ 66
3.13.1 Topología de BUS / Linear Bus. ...................................................................................................... 67
.................................................................................................................................................................... 68
3.13.2 Cable USB. ...................................................................................................................................... 68
3.13.3 Como Funciona. ............................................................................................................................... 68
3.14 DEFINICIÓN DEL PLAN DE MANTENIMIENTO. ......................................................................... 73
3.15 PLAN DE MANTENIMIENTO PARA EL HORNO DE FUNDICIÓN. ............................................ 74
4.0 DISEÑO Y PROGRAMACIÓN. ........................................................................................................... 80
4.1 INTRODUCCIÓN A HMI (INTERFAZ HOMBRE MÁQUINA). ....................................................... 80
4.2 CONTROL EN LA TEMPERATURA DEL HORNO DE FUNDICIÓN. ........................................... 81
4.3 SIMULINK. ........................................................................................................................................... 81
4.4 LABVIEW. ............................................................................................................................................. 82
4.5 LOS BENEFICIOS DE LA PROGRAMACIÓN GRÁFICA EN NI LABVIEW.................................. 82
5.0 COSTOS. ................................................................................................................................................ 87
5.1 INTRODUCCIÓN. ................................................................................................................................. 87
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página iii
5.2 COSTOS INDIRECTOS. ....................................................................................................................... 88
5.3 IMPACTO ACTUAL. ............................................................................................................................ 89
6.0 EXPLICACIÓN DE RESULTADOS OBTENIDOS. ............................................................................ 92
6.1 INICIO DEL PROCESO. ....................................................................................................................... 92
6.2 PROCESO DE FUNDICIÓN. ................................................................................................................ 93
6.3 SIMULACION DEL PROCESO. .......................................................................................................... 93
6.4 PERTURBACIONES. ............................................................................................................................ 93
6.5 CONTROL EN CASCADA. .................................................................................................................. 93
6.6 SIMULACION DE LA RESPUESTA CONTROLADA. ...................................................................... 94
6.7 CONCLUSIONES. ................................................................................................................................. 95
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página iv
ÍNDICE DE FIGURAS, TABLAS Y ECUACIONES.
FIGURAS.
CAPITULO 1
FIGURA 1. 1 FIGURA ANTIGUA. .................................................................................................................................. 1 FIGURA 1. 2 MODELADO CON MATERIA PARA ESMALTE CERÁMICO.................................................................................... 3 FIGURA 1. 3 BRIQUETA DE PASTA. .............................................................................................................................. 4 FIGURA 1. 4 BOTÓN DE MATERIAL PARA ESMALTE ANTES Y DESPUÉS SU COCCIÓN. ................................................................ 7 FIGURA 1. 5 APLICACIÓN DE ESMALTE. ........................................................................................................................ 7 FIGURA 1. 6 CUARTEO EN ESMALTE CERÁMICO. ............................................................................................................. 8 FIGURA 1. 7 SALTADO DE ESMALTE CERÁMICO. ............................................................................................................. 9 FIGURA 1. 8 RECOGIDO DE ESMALTE. .......................................................................................................................... 9 FIGURA 1. 9 PINCHADO DE ESMALTE CERÁMICO. ......................................................................................................... 10 FIGURA 1. 10 REVENTADO DE ESMALTE. .................................................................................................................... 10 FIGURA 1. 11 PIEL DE NARANJA. .............................................................................................................................. 12 FIGURA 1. 12 TIPOS DE APLICACIONES DE ESMALTES. ................................................................................................... 12 FIGURA 1. 13 PLACA DE LA DORMICIÓN EN LA QUE SE UTILIZA ESMALTE DE BAJO-RELIEVE.................................................... 13
CAPITULO 2 FIGURA 2. 1 CONTROL EN LAZO CERRADO SIN CONTROLADOR PID. .................................................................. 18 FIGURA 2. 2 ELEMENTO FINAL DE CONTROL MANUAL. ...................................................................................... 19 FIGURA 2. 3 DIAGRAMA DE BLOQUE DEL CONTROL EN LAZO CERRADO SIN PID. .............................................. 20 FIGURA 2. 4 GRAFICO DEL CONTROL SIN PID. ................................................................................................... 20 FIGURA 2. 5 DIAGRAMA DTI CON EL CONTROLADOR PID. ................................................................................ 21 FIGURA 2. 6 DIAGRAMA DE BLOQUES CON EL CONTROLADOR PID.................................................................... 22 FIGURA 2. 7 GRAFICA DEL SISTEMA CONTROLADO CON PID. ............................................................................ 22 FIGURA 2. 8 CONTROL DE TEMPERATURA DEL HORNO CON PERTURBACIÓN EN LA VARIABLE MANIPULADA. .... 24 FIGURA 2. 9 GRAFICA DE LA TEMPERATURA DEL HORNO CON PERTURBACIÓN EN LA VARIABLE MANIPULADA. 24 FIGURA 2. 11 GRAFICAS CORRESPONDIENTES AL ANÁLISIS YA MENCIONADO. .................................................. 29
CAPITULO 3 FIGURA 3. 1 DIAGRAMA BÁSICO DE CONTROL LAZO CERRADO. ........................................................................................ 33 FIGURA 3. 2 CONTROL EN CASCADA. ......................................................................................................................... 36 FIGURA 3. 3 CONTROL ANTE LA PERTURBACIÓN. .......................................................................................................... 39 FIGURA 3. 4 VÁLVULA DE CONTROL. ......................................................................................................................... 42 FIGURA 3. 5 DIAGRAMA DE LA VÁLVULA DE CONTROL. .................................................................................................. 43 FIGURA 3. 6 PIRÓMETRO RADIOACTIVO. .................................................................................................................... 48 FIGURA 3. 7 FUNCIONAMIENTO DEL TRANSDUCTOR DE TEMPERATURA. ............................................................................ 50 FIGURA 3. 8 FABRICANTE. ....................................................................................................................................... 50 FIGURA 3. 9 RANGOS DE OPERACIÓN. ....................................................................................................................... 51 FIGURA 3. 10 PIRÓMETRO ACTUAL. .......................................................................................................................... 52 FIGURA 3. 11 DIFERENTES TIPOS DE CONEXIONES. ....................................................................................................... 53 FIGURA 3. 12 MAG 5000 CAUDALIMETRO. ............................................................................................................... 57 FIGURA 3. 13 VISTA REAL. ...................................................................................................................................... 57 FIGURA 3. 14 NI USB 6212 ................................................................................................................................... 62 FIGURA 3. 15 CONEXIONES DE BUS. ........................................................................................................................ 68 FIGURA 3. 16 PIRÁMIDE DE BUS. ............................................................................................................................ 69 FIGURA 3. 17 USB. ............................................................................................................................................... 70 FIGURA 3. 18 DIAGRAMA DE CONEXIONES FINAL. ........................................................................................................ 72
CAPITULO 4 FIGURA 4. 1 CASCADA. ........................................................................................................................................... 85
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página v
FIGURA 4. 2 CASCADA CON PERTURBACIÓN Y LAZO CERRADO CON PERTURBACIÓN. ............................................................ 85
CAPITULO 5 FIGURA 5. 1 COSTOS. ............................................................................................................................................. 88 FIGURA 5. 2 PERTURBACIONES EN EL SISTEMA CAUSAN IMPACTO DIRECTO EN LA CALIDAD DEL PRODUCTO. ............................. 90 FIGURA 5. 3 CONTROL EN CASCADA REDUCE COSTOS, MEJORA LA CALIDAD. ...................................................................... 91
TABLAS.
TABLA3. 1SENSORES DE TEMPERATURA. .................................................................................................................... 47 TABLA3. 2 PLAN DE MANTENIMIENTO. ...................................................................................................................... 75 TABLA3. 3 PLAN DE MANTENIMIENTO PARA EL HORNO DE FUNDICIÓN. ............................................................................ 78 TABLA3. 4 HORARIOS DE MANTENIMIENTO. ............................................................................................................... 79
ECUACIONES.
ECU. 2. 1 ............................................................................................................................................................. 25 ECU. 2. 2 ............................................................................................................................................................. 25 ECU. 2. 3 ............................................................................................................................................................. 26 ECU. 2. 4 ............................................................................................................................................................. 28
ANEXO A……………...…………………………………………………......1
APÉNDICE.
Apéndice A…………………………………………………………………..I
Apéndice B…………………………………………………………………..II
Apéndice C…………………………………………………………………..III
Apéndice D…………………………………………………………………..IV
México DF.
CAPITULO 1
[ANTECEDENTES.]
HERNÁNDEZ CARILLO BERENICE.
México DF. Página 1
1.0 ORÍGENES.
El origen del esmalte cerámico se halla íntimamente ligado a los inicios de la metalurgia,
con la escasez de los elementos puros nativos, obligó a usar el horno cerámico para diversas
pruebas. Ello se desprende del hecho de que las turquesas o azules que se encuentran en el
Egipto de principios de la era dinástica, han sido compuestos de cobre.
En Egipto, donde poco después aparecen los esmaltes de sodio-cobre, en los comienzos de
la era dinástica.
Son pequeños objetos esmaltados, cuentas, figurillas, amuletos etc. sobre el 2.600 a. C.
aparecen revestimientos para uso constructivo, con esmaltes turquesas o azulados, de donde
nace la tradición oriental que enlaza la cerámica con la arquitectura y que culminará luego
en el Islam.
Y hacia el 1.200 a. C. ya surgen piezas cerámicas de mayor tamaño, como ejemplo se
muestra en la figura 1.1 que se encuentra en la siguiente página.
El esmalte arqueológicamente atestiguado más antiguo, es un vidriado alcalino compuesto a
base de carbonato de sodio o de bórax más cuarzo, y coloreado con carbonato de cobre.
Figura1 Predynastic female figurine, Louvre.
HERNÁNDEZ CARILLO BERENICE.
México DF. Página 2
En una tablilla de arcilla cocida Asiría, que se guarda en el British Museo, se halla escrita la
fórmula de un esmalte de plomo y cobre (verde), de Babilonia, nos relata el procedimiento
desde la extracción de la mina zuku-glass.
1.2 INTRODUCCIÓN A LAS PASTAS Y ESMALTES CERÁMICOS.
Tabiques, floreros, vajillas, pisos, lavabos y sanitarios, entre otros, son productos de
cerámica. En la actualidad, esta industria en nuestro país enfrenta una dura competencia en
el mercado mundial, ya que a pesar de que la cerámica popular tiene una gran tradición a
nivel industrial, no ha logrado un buen desarrollo.
La mayoría de las líneas de negocios de este sector enfrentan una fuerte competencia en el
mercado, por lo que se deberían buscar estrategias para que los productores de cerámica
invirtieran en nuevas plantas, en automatización y capacitación de personal, con el
objetivo de lograr una mayor calidad y reducir las pérdidas económicas.
La capacitación continua permitirá a pequeños productores conocer la forma de manipular
las pastas y los esmaltes de manera más técnica, ya que la comprensión de su
comportamiento y el conocimiento sobre las pruebas para conocerlo son esenciales si se
quiere fomentar el desarrollo. A continuación se explica que es y cómo se prueban las
pastas y esmaltes cerámicos.
1.3 PASTA CERÁMICA.
Ésta se obtiene de la mezcla de distintas arcillas y sustancias. Una vez que se han elegido
las materias primas que conformarán la pasta, se mezclan, se trituran y se efectúa la
conformación o moldeado de piezas.
En el conformado se añade agua a las arcillas con el fin de plastificar la mezcla para poder
moldear, cuidando siempre de mantener la rigidez necesaria para evitar que las piezas
sufran fractura.
HERNÁNDEZ CARILLO BERENICE.
México DF. Página 3
Luego viene la fase de cocción, en donde se pretende conseguir la máxima densidad
aparente que proporcione a la pieza cerámica las características físicas, químicas y térmicas
que de ella se espera. Así pues, y a grandes rasgos, el proceso cerámico es sinónimo de
densificación, la cual, se logra con el conformado y la cocción.
Para diseñar correctamente la pasta se debe tener información sobre las materias primas
disponibles, las propiedades del producto a fabricar y las características del proceso de
fabricación. El acabado depende de:
La composición y estructura de la arcilla.
Las condiciones de cocción: temperatura y su perfil en tiempo y atmósfera del
horno.
El colorante añadido (si se usa esta técnica).
Las arcillas que contienen óxido férrico, tienen un color rojo.
A medida que se aumenta la temperatura de cocción el color se oscurece, en parte porque
una parte del óxido férrico se convierte en magnetita, que es de color negro. La figura 1.2
muestra un modelado con acabado.
Figura 1. 2Modelado con materia para esmalte cerámico.
HERNÁNDEZ CARILLO BERENICE.
México DF. Página 4
En las arcillas calcáreas, la alteración del color (del rojo hacia amarillo) depende del
contenido en carbonato de calcio.
1.4 SECADO.
Cuando la pasta cerámica ha sido moldeada con la forma deseada, debe tratarse para
eliminar el exceso de agua. Para ello se somete a un secado, el cual es un fenómeno en
donde el agua de humedad emigra a la superficie para su evaporación. A medida que
avanza el secado, las partículas se van aproximando y la contracción aumenta.
Entonces, se va eliminando el agua que se encontraba tanto absorbida como en los poros,
van apareciendo poros vacíos. La suma del volumen de poros más el volumen de arcilla
seca equivale a la dimensión final de la pieza.
El ceramista no suele tomar en cuenta el volumen, sino la contracción lineal que a efectos
prácticos es lo mismo. Para ello, utiliza distintas pruebas, una de ellas consiste en moldear
una pieza en forma de paralelepípedo y hacer marcas antes y después del secado con el fin
de medir la contracción, como se observa en la figura 1.3 que se encuentra en la siguiente
página. También pesa la pieza antes y después del secado con lo cual puede estimar la
plasticidad.
Figura 1. 3Briqueta de pasta.
HERNÁNDEZ CARILLO BERENICE.
México DF. Página 5
Durante el secado, también puede ser determinada la curva de Bigot. Estas curvas permiten
conocer el comportamiento al secado (ubicación del punto crítico, declive de la curva
porciento de contracción con porciento de humedad).
Una vez determinada la curva de Bigot, el cruce entre las prolongaciones de los tramos
correspondientes a la primera y segunda etapa de secado corresponde a la llamada humedad
crítica. Este punto depende únicamente de la pasta y debe determinarse en cada caso.
1.5 COCCIÓN.
La cocción cerámica es un proceso de densificación. El calor que llega a la pasta sirve para
desencadenar todo un conjunto de reacciones, entre las que cabe distinguir: Reacciones
químicas, porosidad, Transformaciones cristalinas polimórficas, producción de micro
grietas.
El proceso de cocción se inicia con reacciones en estado sólido: rotura de enlaces químicos,
descomposición de minerales y formación de puentes de unión. Más tarde se inicia la
generación de líquido, ya que una parte de los componentes funden. Todo ello conduce a
una densificación de la masa y el cuerpo adquiere una rigidez que le confiere las
propiedades esperadas.
En la etapa de calentamiento de la pieza, la periferia está más caliente que el interior, así
pues, existe un gradiente de temperatura que provoca una deformación. Durante el
enfriamiento, el fenómeno es el contrario.
Ahora la temperatura mayor se halla en el núcleo y las fuerzas exteriores quedan sometidas
a tracción, esfuerzo mecánico que la cerámica resiste con mucha dificultad. De ahí el hecho
que sean más frecuentes las roturas en el enfriamiento que en el calentamiento.
A la salida del horno el producto cerámico presenta una porosidad cerrada y una porosidad
abierta. La calidad, cantidad y distribución de los poros condiciona y clasifica los productos
cerámicos, así como también lo hizo la composición de la arcilla.
HERNÁNDEZ CARILLO BERENICE.
México DF. Página 6
1.6 ESMALTE.
El esmalte o barniz es una suspensión líquida de minerales muy finamente molidos, y que
se aplica a las piezas cerámicas, por lo general una vez que ésta ha tenido un pre cocido por
medio de pincel, baño de inmersión, o aspersión con algún tipo de pistola, spray o soplete.
Estas piezas barnizadas se queman nuevamente en el horno, hasta la temperatura necesaria
para obtener la fusión de la mezcla de los ingredientes, la mezcla se convierte entonces en
un recubrimiento vítreo firmemente adherido al cuerpo de arcilla.
Existen diversas maneras de clasificar los esmaltes: de alta o baja temperatura, según la
temperatura a que deban llegar para alcanzar su punto de madurez; plúmbicos (de plomo),
alcalinos o feldespáticos según los fundentes utilizados en su preparación; también
podemos distinguirlos según su textura, aspecto visual o táctil, en barnices mates,
cristalinos, transparentes, opacos, semimates, satinados, iridiscentes y otros.
Para diseñar un esmalte se prueba con distintas fórmulas Seger para conocer el
comportamiento del esmalte. La fórmula de Seger se utiliza para expresar la composición
de los esmaltes cerámicos. Para calcularla los óxidos se clasifican en básicos, anfóteros y
ácidos y se indica la cantidad de sustancia de cada tipo de óxido con respecto a un mol de
óxidos básicos totales.
Con cada fórmula se fabrica un botón que se coloca sobre la pasta cerámica formulada y se
somete a cocción en el horno a la temperatura escogida, para conocer la respuesta. Puede
observarse en la figura 1.4 que se encuentra en lasiguiente página, un botón de los polvos
que formulan el esmalte, antes y después de su cocción en el horno.
HERNÁNDEZ CARILLO BERENICE.
México DF. Página 7
Figura 1. 4Botón de material para esmalte antes y después su cocción.
Una vez aplicado, debe darse tiempo para que seque antes de someterlo a la cocción; en
caso contrario la humedad superficial al evaporarse bruscamente puede provocar que el
esmalte se abra, separe, desconche o se formen burbujas.
La Frita es un Barniz parcial o completo, fundido en el horno hasta alcanzar la condición
de vidrio, enfriado y luego molido. Luego se usa para esmaltar piezas o en la preparación
de otros barnices. Con este procedimiento se elimina la toxicidad del plomo y la solubilidad
de los fundentes alcalinos. La aplicación del esmalte cerámico por los artesanos o
compañías de inmuebles sanitarios es la última aplicación del proceso como se puede
observar en la figura 1.5 que se muestra a continuación.
Figura 1. 5Aplicación de esmalte.
HERNÁNDEZ CARILLO BERENICE.
México DF. Página 8
El fundente se agrega al esmalte además de la sílice y la alúmina, para lograr que el punto
de fusión sea más bajo, esto es, reduce la temperatura de maduración de las dos primeras.
Según las temperaturas que se deseen alcanzar, los compuestos que se agregan como
fundentes varían: el plomo y los álcalis para las temperaturas más bajas, y el sodio y el
potasio de los feldespatos para las altas.
1.7 DEFECTOS EN LOS ESMALTES.
Los defectos en la calidad del producto final, han estado afectando la economía de la
empresa ya que estos defectos hacen que los requerimientos de los compradores no sean
cubiertos, es decir, que no se alcanza el objetivo de calidad. A continuación se presentan la
descripción de alguno de estos defectos causados por la falta de control ante perturbaciones
en la variable manipulada.
1.7.1 Cuarteo.
Se caracteriza por la aparición de finas rajaduras en la superficie vidriada. Este defecto se
debe a que el coeficiente de dilatación del esmalte utilizado es excesivamente alto respecto
al coeficiente de la pasta cerámica. Un ejemplo se muestra en la figura 1.6.
Figura 1. 6Cuarteo en esmalte cerámico.
HERNÁNDEZ CARILLO BERENICE.
México DF. Página 9
1.7.2 Saltado del esmalte.
Es el defecto inverso del cuarteo y es producido cuando el coeficiente de dilatación del
esmalte es muy bajo respecto a la pasta. Se detecta por partes de vidriado que saltan o se
despegan, particularmente en superficies curvas y bordes. Este problema, generalmente es
causado por defecto de la pieza previamente cocida, por alto contenido de cuarzo o por
estar muy finamente molido. Un ejemplo se muestra en la figura 1.7.
Figura 1. 7Saltado de esmalte cerámico.
1.7.3 Recogido del esmalte.
El esmalte se recoge dejando ver la pasta como si este no hubiera sido ―mojado‖ por el
esmalte. Un ejemplo se muestra en la figura 1.8. El problema es debido, a veces, a que el
tamaño de partícula de esmalte es muy pequeño respecto al de los granos sintetizados de la
pasta previamente cocida.
Figura 1. 8Recogido de esmalte.
HERNÁNDEZ CARILLO BERENICE.
México DF. Página 10
1.7.4 Pinchado del esmalte.
Se detecta como pequeños poros en la superficie ya vitrificada. Es muy frecuente por
causas de contaminación de pequeñas partículas de suciedad. Pero en muchos casos son
varios los motivos que producen este problema. Un ejemplo se muestra en la figura 1.9.Así,
aparece pinchado cuando la pieza de pasta esta excesivamente cocido; cuando el caolín o
arcillas como aditivo de molienda en el esmalte contienen laminillas de mica, si el agua es
muy dura, cuando hay gases en el horno, cuando se utilizan esmaltes muy viscosos.
Figura 1. 9Pinchado de esmalte cerámico.
1.7.5 Reventado del esmalte.
Ocurre cuando el esmalte ya vitrificado salta como si reventara en pequeñas áreas o zonas,
dejando ver el material en el que el esmalte se aplica. El defecto se debe siempre a que la
pasta contiene granos de cal. Un ejemplo se muestra en la figura 1.10.
Figura 1. 10Reventado de esmalte.
HERNÁNDEZ CARILLO BERENICE.
México DF. Página 11
1.7.6 Piel de Naranja.
La superficie vitrificada no está lisa, presenta un defecto como de pequeños granos u olas,
similar al efecto que le da nombre.
Este problema la mayoría de las veces aparece cuando el esmalte es aplicado por pistola. El
volumen del aire de atomización por unidad de volumen de esmalte es el factor
predominante, también puede influir en el ángulo de incidencia, que debe ser de 60° o más.
Se puede identificar fácilmente cuando la pieza quedo cruda o fue sobrecosida. Las piezas
crudas se caracterizan por:
Presentar pequeños cráteres en la superficie del vidriado como consecuencia de un
hervido incompleto.
Pinchado, indicando de falta de maduración del esmalte.
Falta de brillo.
Falta de estirado.
Mal desarrollo de los colores de los esmaltes si estos son coloreados.
Cuarteo.
Las piezas sobrecosidas se caracterizan por:
Pobre desarrollo de colores o colores atacados por el esmalte muy fluido.
Esmalte corrido por exceso de fluidez.
Piezas deformadas por exceso de temperatura.
Superficie del esmalte con pequeñas burbujas, ampollas, falta de brillo,
piel de naranja.
Un ejemplo se muestra en la figura 1.11.
HERNÁNDEZ CARILLO BERENICE.
México DF. Página 12
Figura 1. 11 Piel de naranja.
1.8 TIPOS DE ESMALTE.
Es importante tener en consideración que los esmaltes que la empresa elabora, están
clasificados por temperatura de fundición, por esto, los valores de consignas serán distintos
para las diferentes cargas para fundición. La temperatura es seleccionada con respecto al
esmalte que se vaya a ser procesado en el horno de fundición.
La idea de fundir diferentes esmaltes para cerámicos es con la finalidad de abarcar más
mercado de aplicación en materiales. Existen diferentes materiales que requieren de la
aplicación de esmalte para su venta, uso sanitario, domestico, industrial etc. En la figura
1.12 se muestran diferentes tipos de materiales de aplicación de esmalte cerámico.
Figura 1. 12Tipos de aplicaciones de esmaltes.
HERNÁNDEZ CARILLO BERENICE.
México DF. Página 13
Debido a que todas las fritas cerámicas son empleadas para diferentes tipos de esmaltes, los
tiempos de fundición y temperaturas son también distintos para cada carga de esmalte
cerámico lista para la fundición. A continuación se presentan diferentes tipos de esmaltes
cerámicos.
Se conocen diversas formas y maneras de esmalte en la decoración de joyas y muebles y en
la formación de dibujos y figuras con el mismo, las cuales se caracterizan por el distinto
procedimiento que en la operación se ha seguido como ejemplo se muestra en la figura
1.13.
1.8.1 Esmalte alveolado o tabicado.
Colisioné de los franceses, llamado así porque se obtiene depositando la masa vitrificable
en alvéolos o compartimentos formados por láminas de oro adheridas por un canto o borde
al objeto metálico que se trata de ornamentar, las cuales marcan el contorno y líneas
principales de las figuras.
1.8.2 Esmalte vaciado o campeado.
Champlevé que es una simplificación del precedente del que se diferencia en que los
alvéolos están excavados en el espesor del metal y forman el campo.
Figura 1. 13Placa de la Dormición en la que se utiliza esmalte de bajo-relieve.
HERNÁNDEZ CARILLO BERENICE.
México DF. Página 14
1.8.3 Esmalte de bajo-relieve.
De basse-taillé, que se logra cincelando una plancha u objeto metálico en finos relieves y
cubriéndolos luego con esmalte de color y en polvo para que al someterlo a la acción del
fuego quede la sustancia vítrea depositada en los surcos.
1.8.4 Esmalte traslúcido o transparente.
Que puede ser el anterior y también el que se deposita sobre fondos de oro o de plata para
darles brillo.
1.8.5 Esmalte pintado o de pintores.
Lleva figuras pintadas sobre una placa lisa (o previamente esmaltada) y sometida de nuevo
a la fusión, apareciendo el conjunto como un verdadero cuadro de pintura sobre fondo
blanco.
1.8.6 Esmalte de aplicación.
Que sencillamente consiste en un esmalte alveolado, hecho fuera de la pieza que con él se
adorna y aplicado a ella como si se tratara de engastarle una piedra preciosa.
1.8.7 Esmalte cuadriculado.
Es una incrustación de oro practicada en surcos abiertos en una pieza artística de cristal de
roca o de vidrio blanco y que lleva encima una capa de esmalte muy fusible. El nielo o niel
es una forma de esmalte negro.
México DF.
CAPITULO 2
[DETECCIÓN DEL
PROBLEMA.]
Las condiciones físicas de cada componente que interviene en el proceso de elaboración de
esmalte cerámico son cambiantes con el tiempo y estas determinan el estado del sistema en todo
momento. La calidad resultante del producto terminado y la optimización del proceso dependerán
de las técnicas de control que se empleen para lograr dicho resultado. La detección de las causas
de la problemática nos permitirá saber con exactitud qué estrategia de control es la más idónea
para proponer para cada caso en específico.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página 15
2.0 ANÁLISIS DEL PROCESOY DETECCIÓN DEL PROBLEMA.
En el comienzo no se consideraron las perturbaciones que la variable que se estaba
manipulando tenía a causa de una diferencia de caudal, esta diferencia era ocasionada por
falta de control en el caudal del contenedor del combustible. Los diferentes procesos que se
requiere para la obtención del producto final, están alimentados del mismo contenedor que
el horno de fundición, por esta razón las variaciones de caudal en la variable manipulada
provocan perturbaciones que afectan en el periodo de fundición.
El control automático (PID) que en un principio se implementó, corrigió el offset que el
sistema está creando, pero dado a la perturbación arriba mencionada el control PID no
cubre con las exigencias de la producción, es decir , no cubre con el objetivo de control.
El controlador establece la consigna principal (que es la temperatura de fundición del
esmalte) en función de la cual se genera la señal de salida que determina la posición de la
válvula, esta a su vez, ajusta el caudal, que es la variable manipulada, para que al actuar
sobre el proceso se alcancen unas nuevas condiciones de operación similares a las deseadas.
2.1 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA.
La falta de control en la fundición de esmalte cerámico provoca defectos en la calidad final
de esmalte, los defectos más sobresalientes fueron mencionados en el capitulo 1.
El algoritmo de control de nuestro proceso es por medio de un control PID, se lleva a cabo
mediante una configuración en lazo cerrado, en la que la medida de la variable controlada,
que se efectúa por medio de un pirómetro radioactivo, se devuelve al controlador para que
efectúe la comparación con el punto de consigna. En el ANEXO A se encuentra el
diagrama de flujo del proceso de toda la planta de fabricación de esmalte para cerámicos
SAN JOSE.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página 16
El horno por el que circula el material cerámico que se va a fundir por medio de un
calentamiento, responde con una temperatura de salida, esta está en función con el caudal
en la línea de del flujo de combustible que se le está suministrando, haciendo que la
fundición de comienzo para lograr que en la salida obtengamos cristal líquido o esmalte
cerámico en forma líquida.
Las constantes de tiempo y T1 y T2 así como las constantes de tiempo muerto o retardo Tm
y ganancias Kp, Ku Km, fueron datos que se obtuvieron del resultado del modelado ya
planteado por un ingeniero de procesos. Confiando en que los valores ofrecidos por esta
persona sean reales, las funciones de transferencia, que contiene estos valores, serán
analizadas para poder observar su respuesta dinámica.
T1 y T2 = Constantes de tiempo.
Tm = Tiempo muerto.
Kp Ku Km = Ganancia estática.
La diferencia de caudal con el tiempo, provoca una perturbación, esta perturbación es una
señal a afecta negativamente el valor de la salida de nuestro sistema controlado, esta
perturbación es originada en la variable manipulada, por lo tanto es una perturbación
externa y se considera como una perturbación de entrada.
Según la simulación del sistema de control retroalimentado, sin ningún algoritmo de
control, la respuesta ante una entrada escalón apenas alcanza el 50% de la respuesta total,
esto ocasiona que el material no tenga una fundición completa. Más adelante se mostraran
las gráficas del sistema sin un control PID y una simulación con el sistema controlado, el
resultado fue considerado satisfactorio en un comienzo, hasta que el caudal o la variable
manipulada fue perturbada.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página 17
2.3 CONTROL DE LA TEMPERATURA DEL HORNO DE
FUNDICCION.
2.3.1 Lazo cerrado.
En cualquier sistema de control en lazo cerrado, la salida se compara con la entrada de
referencia. Por tanto a cada entrada de referencia le corresponde una condición operativa
fija, como resultado, la precisión del sistema depende de la calibración.
Ante la presencia de perturbaciones en la variable manipulada, un sistema de control en
lazo cerrado, no realiza ninguna acción correctora. En la práctica, el control en lazo
cerrado sólo se utiliza cuando no se conoce la relación entre la entrada y la salida y si no
hay perturbaciones en la variable que estamos manipulando, en caso de que existan
perturbaciones se tiene que recurrir otra estrategia de control.
Para corregir este problema se optó por establecer un control realimentado (feedback) o
control en lazo cerrado con la finalidad de mejorar la respuesta del sistema. Una vez que la
variable controlada es medida, el controlador reajusta el caudal, la variable manipulada, con
los valores indicados para mantener la variable controlada en el punto requerido para la
fundición.
En un principio se planteó un sistema retroalimentado compuesto por una tarjea de
adquisición de datos NI USB 6212 para el monitoreo de las variables involucradas con
nuestro proceso, una válvula solenoide como elemento final de control y un medidor de
radiación como transductor de la variable controlada.
La parte de control se hace mediante la programación en LABVIEW. Cabe denotar que el
objetivo principal es la simulación y control ante perturbaciones enla variable manipulada
ocasionados por una falta de control de caudal en el contenedor de combustible, esta
simulación será por medio de MATLAB.
Los retrasos dependen de las características físicas de los elementos ya antes mencionados.
En el siguiente capítulo se describirá de forma más detallada la interacción actual de
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página 18
nuestro proceso. El intervalo entre el momento en que el disturbio entra al proceso y el
tiempo que la temperatura empieza a responder se conoce como tiempo muerto, retardo de
tiempo o retardo de transporte. El tiempo muerto es parte integral del proceso y se debe
tomar en cuenta en las funciones de transferencia. En la mayoría de los procesos el tiempo
muerto no se define fácilmente, generalmente es inherente y se distribuye a lo largo del
proceso, es decir, la válvula de regulación de caudal, horno de fundición, transductor de
temperatura.
En la figura 2.1 se muestra el diagrama de control manual del proceso de fundición en el
horno de esmalte cerámico con un control manual de lazo cerrado. En un comienzo así era
como se operaba nuestro horno de fundición, esto ocasionaba una gran pérdida ocasionada
por el offset.
.
Como se mostró en la figura 2.1 podemos observar que el flujo de información que se
efectúa en el control de este proceso circula cerrándose sobre sí mismo a través del flujo de
señal que está siendo operada por un ser humano sin la aplicación de ningún algoritmo de
control.
Figura 2. 1Control en lazo cerrado sin controlador PID.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página 19
La figura 2.2 muestra la válvula de control y operación con la que con anterioridad se
modificaba el caudal del combustible de fundición, en este caso era de operación
mecánica, el operador tenía que estar constantementesometido a condiciones extremas para
su ajuste. Por otra parte, el ajuste del caudal no es el necesariopara alcanzar la consigna
necesaria, por tal motivo la calidad del producto está en función de la experiencia generada
por el tiempo de operación del horno de fundición.
Se tomaba la temperatura que estaba operando, después se tomaba por experiencia el
tiempo necesario para que la fundición diera comienzo, después de esto se mantenía el
caudal constante el tiempo requerido para que la fundición se diera por terminada.
En el comienzo, se detectó que la falta de disposición de un instrumento de control que nos
bridara la oportunidad de mantener al sistema en la consigna deseada, provocaba que la
temperatura, que es la variable que se está controlando, no alcanzara la temperatura deseada
para la fundición y creerá al mismo tiempo un offset, este se manipulaba ajustando el
caudal de aportación de combustible manualmente.
En este caso la temperatura de fundición para cada esmalte para cerámicos es la entrada y la
temperatura del esmalte cerámico fundido es la salida a controlar, la función de
transferencia del horno depende del diseño del propio horno, características del tipo de
Figura 2. 2Elemento final de control manual.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página 20
esmalte que se va a fundir, características del combustible entre otras, por otra parte
tenemos que denotar que es la temperatura de fundición del horno lo que se desea controlar.
Alguien demuestro que el sistema mejora su respuesta si se introduce un control PID
retroalimentado a efectos de mejorar la respuesta dinámica del sistema.
La figura 2.3 muestra el sistema retroalimentado con el que en un principio se estaba
operando. El personal era el encargado de ajustar la válvula de control con el valor correcto
para la fundición.
Figura 2. 3Diagrama de bloque del control en lazo cerrado sin PID.
La figura 2.4 muestra la gráfica del diagrama de bloques de la figura 2.3 simulada. Nótese
que el sistema solo alcanza el 50% de la respuesta final deseada, por tal motivo, se requirió
de un algoritmo de control PID para llevar al sistema al 100% de la respuesta final. La
respuesta final, es decir, que la temperatura para la fundición llegue a la temperatura real
deseada o la requerida para que el proceso de comienzo.
Figura 2. 4Grafico del control sin PID.
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 22000
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1SISTEMA SIN CONTROL
TIEMPO
TE
MP
ER
AT
UR
A D
E E
NT
RA
DA
(%
)
Solo el 50% de la respuesta final ente una entrada escalón unitario.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
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Se puede ver como la respuesta alcanza el 50% de la entrada a una señal escalón unitario
sin control, con la que se simula la respuesta del sistema, nótese que esta con
retroalimentación pero sin un controlador.
2.3.2 Lazo cerrado con control PID.
En principio se estableció un sistema de control como el que se muestra en la figura 2.5, la
temperatura que se requiere para la fundición es transmitida al controlador, el cual en
función de la diferencia del valor deseado y el obtenido por el transductor, colocara la
posición de la válvula para ajustar el caudal preciso de la válvula de alimentación de
combustible. Con lo que se logra una acción de control, que en comparación con la que no
se le aplica ningún algoritmo de control, que hace que sistema alcanzo el 100% de la
respuesta deseada.
La figura 2.6 muestra el diagrama de bloques correspondiente al control de temperatura del
horno en retroalimentación con un controlador PID, esto con el fin de que podamos
observar la diferencia de las respuestas del control en lazo cerrado sin controlador y control
en lazo cerrado con uno.
Figura 2. 5Diagrama DTI con el controlador PID.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página 22
Figura 2. 6 Diagrama de bloques con el controlador PID.
El diagrama anteriormente mostrado, arroja la gráfica de la figura 2.7. Se puede ver como
la salida del sistema alcanza un valor mayor del 100%, lo cual se consideraron satisfactorio
en un comienzo. Las oscilaciones son producto de las ganancias PID del controlador.
Figura 2. 7Grafica del sistema controlado con PID.
Sin embargo, si el caudal de la línea de alimentación, que es nuestra variable manipulada,
sufre un cambio o perturbación, supongamos una disminución en el nivel del contenedor
del combustible para la fundición, como primera estancia crearía una diferencia en el
caudal, a continuación esto provocaría un descenso en la temperatura del esmalte cerámico
que sería detectado por el transmisor. El transductor detectara este cambio una vez que la
temperatura yacambio, lo que afecta en la fundición ocasionando que la frita ceramica no
tenga la cocción necesaria, cuando no se alcanza la temperaturaadecuada, la fritacontiene
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 22000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
SISTEMA CONTROLADO PID
TIEMPO
TE
MP
ER
AT
UR
A D
E E
NT
RA
DA
(%
)
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página 23
gránulos de material no fundido, si la temperatura aumenta más de lo necesario, ocasiona
que el esmalte cerámico se torne obscuro o que no cubra con los requerimientos adecuados
para la venta. Algunos defectos de este tipo fueron explicados en el capítulo 1, DEFECTOS
EN LOS ESMALTES.
Se debe de considerar que estos sucesos vienen afectados por el retardo de tiempo y el
tiempo muerto inherentes a la dinámica propia del horno de fundición, así como por el
retardo de tiempo del sensor de temperatura y también por un pequeño tiempo muerto
debida a la situación física del sensor. El controlador realimentado no rechaza las
perturbaciones hasta que su efecto modifica la salida del sistema o variable controlada.
En conjunto el controlador modificara su señal de salida lo que provoca una mayor apertura
de la válvula a efectos de compensar la disminución en la presión de combustible tendiendo
así a recuperar el caudal inicial.
El horno se encuentre perfectamente optimizado, es evidente que la variable controlada se
ve alterada como consecuencia de la perturbación en la variable manipulada. Precisamente
si hay acción correctora es porque hay señal de desviación.
Hay que tomar en cuenta diferentes constantes de tiempo muerto en el sistema de control,
T1, T2 y los retardos son datos proporcionados por el departamento de control de procesos
de la planta de esmalte cerámico. La función de transferencia del horno fue modelada y
obtenida por el mismo departamento, así como las constantes de tiempo son
correspondientes a los elementos que actualmente están en funcionamiento en la planta.
En diagrama de bloques de la figura 2.8 se muestra como un cambio en la línea de presión
crea un cambio en el caudal y este a su vez perturba nuestro sistema. Esta perturbación se
encuentra entre nuestro elemento final de control y la planta, esto ocasiona que la variable
controlada se vea modificada, esdecir, que la perturbación que afecta a nuestro sistema es
detectada una vez que ya tuvo efecto sobre nuestro proceso a controlar.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página 24
Esta perturbación tienes la misma función de transferencia que la válvula de control ya que
representan la misma parte del proceso, la válvula de control modifica o cambia el caudal y
la perturbación es una modificación o cambio de caudal.
Figura 2. 8Control de temperatura del horno con perturbación en la variable manipulada.
La grafica de la figura 2.9, que se muestra en la siguiente página, muestra la gráfica del
diagrama de bloques de la figura 2.8 en la cual se puede ver como la perturbación
afecta el sistema. Esta grafica muestra la respuesta del sistema ante una entrada de
escalón unitario con una perturbación con señal de entrada unitaria, esta representa
el cambio de caudal en la variable manipulada.
Figura 2. 9Grafica de la temperatura del horno con perturbación en la variable manipulada.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 22000
0.2
0.4
0.6
0.8
1X: 890
Y: 1.099
SISTEMA RETROALIMENTADO CON PERTURBACION DEL 20%
TIEMPO
TE
MP
ER
AT
UR
A D
E E
NT
RA
DA
(%
)
Perturbación del 20 % en
la variable manipulada.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página 25
A continuación se presenta la definición del tiempo muerto de primer y segundo
orden, esto con el fin de explicar que los elementos fiscos reales tienes presentan un
atraso por transporte, es decir, las respuestas reales se ven atrasadas por un tiempo
definido por las características físicas de cada elemento.
Nótese que en la figura 2.9 se muestra un recuadro de valores en x, y; el valor de y es
de 1.099 esto significa que la perturbación hace que nuestro sistema alcance un sobre
impulso de .099 con respecto a la consiga simulada, con una perturbación en la
variable manipulada del 20%.
2.4 TIEMPO MUERTO.
Un fenómeno que se presenta muy a menudo en los sistemas de flujo es el del atraso por
transporte, que se conoce también como tiempo muerto.
Sistema de primer orden.
Ecu. 2. 1
Sistema de segundo orden.
Ecu. 2. 2
Siendo K, la ganancia estacionaria, to el tiempo muerto τ, τ1, τ2, los atrasos dinámicos y ζ
la razón de amortiguamiento.
Estos datos se pueden comprobar en el libro de CONTROL DE PROCESOS 2ª edición, el
modelado proporcionado por el departamento de control de procesos es igual al que se
puede observar en el libro ya antes mencionado.
Los datos dinámicos correspondientes son de acuerdo a condiciones dinámicas del sistema.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página 26
El comportamiento dinámico del horno de fundición de esmalte cerámico puede ser
descrito mediante la siguiente función de transferencia.
Ecu. 2. 3
Tal modelado fue demostrado por alguien con las condiciones actuales de operación, los
cual nos muestra los siguientes parámetros.
Kp = Ganancia estática, o relación (incremental) entre la temperatura de salida y el
caudal de combustible (en estado estacionario).
Tm = un tiempo muerto, función del tiempo medio de residencia.
T1, T2 = Constantes de tiempo, dependientes de la concepción (diseño) y de la
dinámica del horno, estos datos fueron proporcionados por el departamento de
control de procesos de la planta.
Hay que notar que un cambio en el nivel de combustible en el contenedor, genera
instantáneamente un cambio en el caudal de la válvula, lo que genera un cambio en la
variable principal a controlar.
Los numeradores de las funciones de transferencia representan la ganancia estática de cada
función de transferencia involucrado con nuestro análisis, esto significa la proporcionalidad
con que cada entrada afecta a nuestra variable de salida.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página 27
Detrás del punto suma se tiene al caudal del combustible. La ganancia Ku se calcula
linealizando la función en el punto de trabajo. Se recuerda una vez más que las variables
representadas por una notación operacional se refiere a lasdesviaciones de su punto de
trabajo con lo que la salida del bloque perturbación será nula cuando la presión en la línea
de combustible sea la deseada.
La variable presión a la entrada del bloque perturbación debe ser entendido como la
diferencia entre la presión instantánea y la normal. Esto es que la ganancia Ku es la
variación del caudal de combustible por unidad de cambio de presión en el punto de
operación normal.
Del mismo modo la ganancia estática Kp del horno será la variación de temperatura a la
salida del horno por unidad de variación de caudal de combustible. Algo similar se puede
explicar de las ganancias Kv y Km.
El bloque válvula debe ser entendido en realidad como una composición de dos elementos,
la válvula en si como un componente mecánico y un pequeño proceso de caudal.
La válvula tiene como como variable de entrada la señal de control y como variable de
salida la posición de su vástago (más exactamente su capacidad de paso).
El proceso de caudal tendrá como variable de entrada la posición del vástago (capacidad de
paso) de la válvula y como variable de salida el caudal. Al proceso le agregamos
implícitamente un bloque de ganancia con K=1 por lo que no es necesario dibujarlo.
La perturbación que hemos descrito actúa realmente en el proceso de caudal y es por esta
razón que le agregamos un bloque de tipo ganancia (como el del proceso) y no un bloque
retardo como el de la válvula.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página 28
Definiendo una función de costo de la forma:
Ecu. 2. 4
Donde Φ es una función del error y del tiempo, se obtiene un valor que caracteriza la
respuesta del sistema. Entre menor sea el valor de Φ, mejor será el desempeño del sistema
de control, por ello, un desempeño optimo se obtienecuando Φ es mínimo.
Los criterios de desempeño utilizados por el departamento de control de procesos fueron:
Integral del error absoluto (IAE). Hay que tener presente que físicamente hablando la
variación de caudal con relación a la apertura de la válvula sufrirá un pequeño retardo
debido al efecto de inercia que presenta un cambio de caudal (fenómeno de golpe de ariete).
Si la alteración sufrida por la variable controlada, debido a un cambio de presión, es
inadmisible, una posible solución sería controlar, en un lazo separado, el caudal de la línea
de combustible, aunque por diversas razones esto no siempre sería conveniente o factible.
Recordemos que por otra parte la linealidad de la característica efectiva de la válvula no es
lo bueno como se podría desear.
Tomando en cuenta de que el controlador envía su señal a la válvula se espera que el caudal
siga una ley lineal con le señal de control pero dado que la característica de la válvula no lo
es se tiene una fuente de alinealidades que son nocivas.
En la figura 2.11, que se encuentra en la siguiente página, muestra la gráfica del sistema de
control en lazo cerrado, sin la perturbación y con la perturbación de la diferencia de caudal
de combustible en la línea de alimentación de la válvula de control, este grafico
corresponde a los diagramas de bloque ya antes mencionados.
En esta figura se puede apreciar como una acción de control PID permite que la repuesta
del sistema es estado estacionario llegue al 1, que es en este caso nuestra señal de prueba o
escalón unitario, esta señal la usamos para representar el porcentaje del el valor final
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página 29
deseado de la respuesta del sistema, es decir que la respuesta final va del cero al cien por
ciento.
En la misma figura, la gráfica con la perturbación en la variable manipulada, muestra como
el sistema sufre un cambio a causa de un cambio en el caudal de alimentación de
combustible para la fundición. Debe de tomarse en cuentaque son varios procesos los que
están alimentados por el mismo contenedor de combustible que está conectado el horno de
fundición.
Figura 2. 10Graficas correspondientes al análisis ya mencionado.
Como la variable manipulada no está exenta de las perturbaciones ocasionadas por el
cambio de presión en la línea de combustible para la fundición, el diagrama de bloques de
nuestro sistema de control en lazo cerrado con la perturbación, se conecta a un punto suma
ya que la perturbación añade información al sistema, es decir que se suma el bloque válvula
y el bloque perturbación.
Los cambios en la presion de linea en la conbustible probocan un cambio en la salida del
sistema.Se puede ver como en el minuto 6 que es cuando en la simulacion se hace pasar una
perturbacion representada por un retardo de primer orden con constante de tiempo igual a
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 22000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
SISTEMA DE CONTROL PID CON PERTURBACIÓN.
TIEMPO
TE
MP
ER
AT
UR
A D
E E
NT
RA
DA
(%
)
Perturbación.
Sistema sin offset PID.
Sistema sin control.
Entrada de forzamiento.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página 30
.05 y ganancia Ku igual a ,1esto significa que la ganancia sera la variacion del caudal de
combustible por unidad de cambio de presion de este.
La accion del control PID provoca que el sistema alcanze el valor requerido para que la
fundicion de nuestro esmalte ceramico de comienzo. Esto mejora la calidad de nuestros
productos ya que el offset se reduce el 50%, esto es que cada que un lote de produccion de
comienzo para la fundicion, el producto final saldra con la fundicion necesaria para cada
frita de esmalte ceramico.
Ahora se analizo que las perturbaciones en la entrada del flujo de combustible, ocacionan
desviaciones de la salida con repecto a lo deseado. Estas desviaciones generan defectos en
la calidad final de nuestro producto. Las perdidas de produccion por refundicion son
inecesarias si se implementa un control a la perturbacion.
Esto se logra con una estrategia de control avanzada. Esto consiste en anidar un control
retroalimentado para que corrija las perturbaciones antes de que afecta nuetra variable
controlada.
En el siguiente capitulo se analizara las diferencias del control PID convencional y el
control en cascada, se podra observar como las perturbaciones son controladas. La
implementacion de un control avanzado a nuestro sistema corrije las desviaciones genradas
por los perturbaciones, asi de esta manera mantiene la variable controlada en el punto
deseado para la fundicion.
CAPITULO 3
[SOLUCIONES.]
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página 31
3.0 SOLUCIÓN PROPUESTA.
Como se ha visto en el capítulo anterior, la problemática principal en esta parte del proceso
es la diferencia de caudal que se crea en base al gasto del combustible que se usa en toda la
planta. En este caso solo nos enfocaremos a la simulación del proceso, para observar la
diferencia del algoritmo de control PID en lazo abierto y el control en cascada, en este
capítulo se dará una solución al control del horno de fundición ante una perturbación en la
variable manipulada.
La variable manipulada es la correspondiente al caudal necesario para la fundición y la
señal de esta es un cambio de caudal en la válvula de control, es decir la señal de
perturbación procede del exterior del lazo cerrado, esta es detectada por un elemento
denominado caudalimetro, este se encargara de detectar cualquier cambio de caudal antes
de que este cambio afecta la señal de salida del sistema.
La perturbación en lazo abierto hace que nuestro sistema tenga un sobre impulso, esto
afecta a la producción, ya que la fundición no se realiza por completo para los diferentes
tipos de esmaltes cerámicos, esto fue en un comienzo, el offset se compenso gracias a las
acción de control PID, pero no se contempló que la diferencia de caudal (variable
manipulada) presentan cambios, es decir, no es constante el caudal de combustible, esto
genera perturbaciones que afectan el producto final, algunas de estas fayas fueron
mostradas en capítulos posteriores.
Con un control anidado, el controlador esclavo obtendrá la consigna remota del controlador
maestro, el controlador maestro es el que recibe directamente las consigna adecuada para la
fundición de cada uno de los esmaltes cerámicos que en la planta se manufactura, la señal
de salida del controlador maestro es al mismo tiempo el set point del controlador esclavo.
Esta es una ventaja ya que como es diferente la temperatura de cocción de cada esmalte
cerámico, no se tiene que ajustar dos consignas distintas ya que el set point del controlador
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página 32
maestro es heredado por el controlador esclavo, así este modifica el caudal de la válvula
para ajustarlo en medida necesaria para la fundición correspondiente.
El impacto que esta perturbación tiene en nuestro periodo de fundición, afecta directamente
a la calidad del producto final así como la falta de un control ante perturbaciones en nuestra
variable manipulada y la ausencia de un control de caudal en el contenedor de combustible
empleado para la fundición así como otras partes del proceso.
1. SIMULACIÓN DEL CONTROL EN LA TEMPERATURA DEL HORNO DE FUNDICIÓN
ANTE PERTURBACIONES.
Existen variadas formas de dar solución esta causa que nos está originando problemas de
diferentes aspectos, principalmente económicos.
Para comenzar a analizar la solución propuesta a esta causa, comenzaremos por definir
detalladamente algunos términos y definiciones de cada uno de los elementos relacionados
en el análisis y solución al problema del control en cascada.
3.1 CONTROL EN LA TEMPERATURA DEL HORNO DE
FUNDICIÓN.
La configuración de control en cascada se utiliza cuando la variable manipulada sufre
perturbaciones que afectan a la variable controlada, es decir, cuando la estrategia de control
que se tomó en un principio no está generando las soluciones necesarias para alcanzar el
objetivo de control, en este caso es la calidad total del producto final.
En el caso del caudal de la alimentación de combustible para la fundición, si la presión del
gas está sometida a variaciones, se observara variaciones considerables en la temperatura
de fundición (variable controlada), esta variación afecta directamente a la calidad del
producto final que es el esmalte cerámico.
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La regulación o control automático en lazo cerrado, fue en un comienzo la solución
planteada, ya que el algoritmo de control PID corrigió en un 50% el offset creado por la
falta de un controlador, esta consistió en sustituir la acción del hombre por un dispositivo
llamado controlador o regulador.
El conjunto de componentes que lleva a cabo el control automático, en el proceso de
fundición de esmalte cerámico, es nombrado sistema de control automático o con
regulación automática.
La figura 3.1muestra un diagrama de bloques de la disposición básica de los compontes que
forman un proceso con control automático a lazo cerrado.
Cabe denotar que el flujo de señal se cierra sobre sí mismo, además que el sistema tiene
como entrada el punto de consigna que será la temperatura de fundición del esmalte
cerámico y tendrá por otra parte como señal de salida la variable controlada.
3.2 CONTROL REALIMENTADO.
En un inicio, el control realimentado fue la solución para mejorar la respuesta dinámica del
sistema, lo resultados obtenidos fueros considerados satisfactorios en un comienzo. El
modelado y la sintonización del controlador PD, así como los instrumentos involucrados
para el control en el horno defundición,fueron proporcionados por el departamento
encargado del control de procesos en la planta.
Figura 3. 1 Diagrama básico de control lazo cerrado.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página 34
El lazo de control de un proceso es diseñado para tener todas las variables bajo control. El
término utilizado para llamar a la variable que ha sido manipulada, es el de ―VARIABLE
MANIPULADA‖. A la o las variables que han sido medidas con anterioridad se les
denomina ―VARIABLE MEDIDA‖.
De la misma manera, el término utilizado para expresar el valor de ajuste, es ―SET
POINT‖, y la diferencia entre el valor actual de la variable y el set point, se denomina
―DESVIACIÓN‖.
La acción es realizada para eliminar la desviación. En el proceso de control, la acción es el
ajuste de la variable, a este ajuste se le denomina ―VARIABLE MANIPULADA‖.
En términos prácticos, el control es un ciclo continuo de medición, toma de decisión, y
realizar una acción. El proceso de control es un lazo diseñado para mantener la variable
controlada en el set point.
Las gráficas estarán simuladas en MATLAB SIMULINK, para el sistema de adquisición y
control estará simulado en LABVIEW esto mejora la visualización de la respuesta del
sistema.
3.2.1 Características del control realimentado.
Ventajas:
Produce acción correctora en cuanto existe error.
La acción correctora es independiente de la fuente y tipo de la perturbación.
Necesita poco conocimiento del proceso a controlar (un modelo aproximado).
El controlador PID es uno de los controladores de realimentación más versátil y
robusta.
Desventajas:
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
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No produce acción correctora hasta que la perturbación se propaga a la variable
controlada.
No es capaz de generar una acción preventiva (aunque las perturbaciones sean
conocidas o se puedan medir).
En procesos con grandes tiempo muertos, la dinámica del sistema en bucle cerrado
no suele ser aceptable.
En algunas aplicaciones la variable controlada no puede medirse y la
realimentación no puede realizarse.
A pesar de sus desventajas, la mayoría de las aplicaciones industriales utilizan bucles de
realimentación simple, para las situaciones en las que el control realimentado no resulta
satisfactorio, es necesario utilizar otras estrategias para obtener los resultados requeridos,
para complementar a estas estrategias que se combinan con el bucle de realimentación (no
lo sustituyen) se les denomina estructuras avanzadas de control.
3.3 CONTROL EN CASCADA.
Se ha observado que hay perturbaciones que están afectando la variable manipulada
directamente, en el caso de nuestro proceso es el caudal del material empleado para la
fundición del esmalte cerámico. Este tipo de perturbación la denominaremos perturbación
de entrada.
Un punto importante del control en cascada es que utiliza la medida de variables internas o
auxiliares para detectar el efecto de las perturbaciones e iniciar, antes de que afecte a
nuestro proceso, una acción correctora.
Esta acción de control se realiza mediante ciclos o bucles de realimentación (feedback)
anidados.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
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La estrategia de control en cascada consiste en implantar un lazo de control secundario
dentro del lazo principal con el fin de controlar de manera independiente la propia variable
manipulada, la señal de perturbación de entrada se encuentra entre el elemento de control y
el horno de fundición esto es debido a que la perturbación es una diferencia de caudal, y
esto desvía la variable controlada del valor deseado.
La figura 3.2 muestra el diagrama de bloques de un control en cascada, la perturbación se
conecta al sistema como una adición ya que representa la señal de perturbación de entrada.
3.4 PROBLEMA EN EL HORNO DE FUNDICIÓN DE ESMALTE
CERÁMICO.
El objetivo es calentar una mezcla de esmalte cerámico hasta el punto de fundición en un
horno horizontal, manipulando el caudal de combustible que entra al mismo para la
fundición, este debe mantenerse constante durante cierto periodo de tiempo, pero no lo es.
La caída de presión en la válvula ocasiona variaciones en el caudal, lo que afecta
directamente la calidad del producto final. La planta cuenta con un contenedor de
combustible especial para la fundición del esmalte, la presión de este no esconstante lo que
representa una perturbación en nuestro sistema de control del horno de fundición.
Figura 3. 2 Control en cascada.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
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Los proceso subsecuentes al proceso de fundición, emplean el mismo combustible que
suministrados por el mismo recipiente, es decir, que todos los procesos que intervienen en
la elaboración del esmalte cerámico están alimentados con el mismo contenedor.
La válvula, nuestro elemento final de control para la fundición, se ve afectada por esta
perturbación haciendo que nuestro proceso se encuentre perturbado por los cambios en el
caudal de combustible en la válvula.
3.5 DETECCIÓN DE VARIABLES DE PROCESO PARA EL
CONTROL EN CASCADA.
A continuación se menciona las variables que se están involucrando en nuestro proceso,
esto con la finalidad de abordar una explicación clara del proceso.
3.5.1 Variable controlada.
La variable controlada será la temperatura del producto a la salida del horno de fundición
que es cristal líquido de esmalte cerámico, los diferentes tipos de esmaltes se funden a
diferentes temperaturas, por lo tanto la variable controlada no es la misma para todas las
fundiciones.
3.5.2 Variable manipulada.
La variable manipulada es el caudal. En dinámica de fluidos, caudal es la cantidad de
fluido que pasa en una unidad de tiempo.El caudal de combustible es por tal motivo nuestra
variable de proceso manipulada.
La variable de perturbación de nuestra variable manipulada, es la diferencia de caudal en la
válvula debida a los cabios de nivel del contenedor de combustible.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
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3.6 ESTRATEGIA DE CONTROL EN CASCADA.
El empleo de una regulación en cascada se consigue colocando en primer lugar el lazo
secundario y después el lazo principal.
El lazo secundario por tener escasos elementos con constantes de tiempo pequeñas suele
admitir ganancias muy grandes muy grandes del controlador antes de volverse crítico por lo
que normalmente suele ensayarse una ganancia elevada.
Por esta razón en general es suficiente un controlador proporcional ya que la desviación
permanente será pequeña y en todo caso carece de importancia ya que no estamos
interesados en la variable manipulada por otro lado la pequeña desviación permanente
resultante será compensada por el controlador principal.
El lazo secundario pasa a ser como conjunto un bloque más del lazo principal. Debemos de
tomar en cuenta de que incluso siendo el lazo secundario inestable en sistema global puede
ser estable.
En la siguiente grafica se muestra la respuesta del sistema en lazo cerrado con la
perturbación al sistema. La perturbación que se añadió al sistema se puede ver observada en
la gráfica. Esta perturbación es un cambio en el caudal, por lo mismo la perturbación y la
función de transferencia tienen en mismo denominador con las mismas constantes de
tiempo y ganancia.
La solución está en implantar un sistema de control según una configuración en cascada
como se muestra en la figura 3.3.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
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En general consiste en regular la variable manipulada creando un lazo secundario. En este
caso es preciso instalar una medida del caudal de combustible cuya señal será enviada a un
controlador de caudal el cual a su vez será quien gobierne la válvula de control.
El punto de consigna de este nuevo controlador, llamado controlador secundario o esclavo,
procederá de la señal de salida del controlador de temperatura llamado ahora controlador
principal o controlador maestro.
La señal de salida del controlador maestro (función de la señal de error de temperatura)
representa ahora por tanto la demanda de caudal de combustible al controlador secundario.
Cualquier variación del caudal en el combustible debida a una variación de presión será
corregida rápidamente por el controlador secundario sin esperar a que la perturbación afecte
a la temperatura controlada y a la totalidad del lazo principal como sucedería si no existiese
el lazo secundario.
Una de las características de este tipo de configuración es que el lazo secundario suele ser
muy rápido en comparación con el lazo de control principal. El controlador secundario
puede ser solo de acción proporcional.
Figura 3. 3 Control ante la perturbación.
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Teniendo en cuenta de que no importara que el lazo secundario mantenga una desviación
permanente, ya que, con relación al control de temperatura este error será perfectamente
compensado por la acción integral del controlador principal.
Sin embargo, es posible también incorporar acción integral al controlador secundario pero
es poco usual dotarlo de acción derivativa precisamente por hecho de tratarse de un lazo de
respuesta rápida y cuya medida puede contener ruido que sería amplificado por acción
derivativa.
A continuación se introducirá un bloque de perturbación a nuestro proceso, un cambio de
caudal en la variable manipulada.
La ganancia será la variación de temperatura a la salida del horno por cada grado de
variación de temperatura en la entrada. Esto significa que una pequeña variación de caudal
en la entrada repercutiría aproximadamente en la misma proporción en la temperatura de
salida.
El empleo de una regulación en cascada se consigue colocando en primer lugar el lazo
secundario y después el lazo principal.
El lazo secundario por tener escasos elementos con constantes de tiempo pequeñas suele
admitir ganancias muy grandes muy grandes del controlador antes de volverse crítico por lo
que normalmente suele ensayarse una ganancia elevada.
Por esta razón en general es suficiente un controlador proporcional ya que la desviación
permanente será pequeña y en todo caso carece de importancia ya que no estamos
interesados en la variable manipulada por otro lado la pequeña desviación permanente
resultante será compensada por el controlador principal.
El lazo secundario pasa a ser como conjunto un bloque más del lazo principal. Debemos de
tomar en cuenta de que incluso siendo el lazo secundario inestable en sistema global puede
ser estable.
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3.7 ELEMENTOS FÍSICOS O HARDWARE.
3.7.1 Válvula solenoide.
En muchas aplicaciones es necesario controlar el paso de algún tipo de flujo, desde
corriente eléctrica hasta gases o líquidos. Esta tarea es realizada por válvulas. En particular,
las accionadas por solenoides permiten su implementación en lugares de difícil acceso y
facilitan la automatización delproceso al ser accionadas eléctricamente.
Este tipo de válvulas es controlada variando la corriente que circula a través de un
solenoide (conductor ubicado alrededor de un émbolo, en forma de bobina). Esta corriente,
al circular por el solenoide, genera un campo magnético que atrae un émbolo móvil.
Por lo general estas válvulas operan de forma completamente abierta o completamente
cerrada, aunque existen aplicaciones en las que se controla el flujo en forma lineal. Al
finalizar el efecto del campo magnético, el émbolo vuelve a su posición por efecto de la
gravedad, un resorte o por presión del fluido a controlar.
Existen muchos tipos de válvulas de solenoide. Todas ellas trabajan con el principio físico
antes descrito, sin embargo se pueden agrupar de acuerdo a su aplicación, construcción o
forma:
Según su aplicación: Acción Directa u Operadas mediante piloto.
Según su construcción: Normalmente abierta o Normalmente cerrada.
Según su forma: De acuerdo al número de vías.
La figura 3.4, que se muestra en la siguiente página, muestra la válvula que está
actualmente en operación. Esta fue diseñada con las especificaciones necesarias para el
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página 42
proceso de fundición, entre ellas cabe mencionar el diámetro, características químicas del
combustible líquido entre otros.
Las especificaciones técnicas de la válvula que se muestra arriba, se encuentran en el
APÉNDICE A, esta fue proporcionada por el departamento de control de procesos de la
planta. Las dimensiones físicas de esta válvula de control proporcional fuero con respecto a
nuestro proceso.
La regulación proporcional de la apertura y cierre de las válvulas EV260B se alcanza
mediante la regulación progresiva de la corriente de la bobina y de la fuerza de conexión de
la bobina.
Cuando aumenta la corriente de la bobina, lafuerza de conexión de esta sobrepasara en un
punto concreto la fuerza equivalente del muelle de cierre la armadura se mueve
verticalmente, abriendo el orificio piloto del diafragma el cual debido al efecto servo sigue
el movimiento de la armadura. La válvula se abre completamente cuando lacorriente de la
bobina alcanza su valor máximo.
Mediante la regulación progresiva de la corriente de la bobina, la armadura se puede
colocar en cualquier posición en el tubo de la armadura y ajustar laválvula a cualquier
Figura 3. 4 Válvula de control.
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posición entre completamente cerrada y completamente abierta. En la figura 3.5 se muestra
el diagrama de la válvula.
El rango efectivo de la corriente de bobina para las válvulas proporcionales EV260B sin
generador de señales es de aprox. 300-600 mA.
Las válvulas EV260B se encuentran también disponibles con un generador de señales
incorporado en la caja de terminales de la bobina.
Los terminales de salida del generador de señales están conectados a la bobina. El
generador de señales regula la corriente de la bobina de manera que sea proporcional a la
señal de entrada (señal de control).
La señal de control puede ser:
Señal de tensión de 0-10 V cc.
Señal de corriente de 4 a 20 mA.
3.8 TRANSDUCTOR.
Figura 3. 5 Diagrama de la válvula de control.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
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3.8.1 Definición.
Es fácil realizar medidas de la temperatura con un sistema de adquisición de datos, pero la
realización de medidas de temperatura exactas y repetibles no es tan fácil.
La temperatura es un factor de medida engañoso debido a su simplicidad. A menudo
pensamos en ella como un simple número, pero en realidad es una estructuraestadística
cuya exactitud y repetitividad pueden verse afectadas por la masa térmica, el tiempo de
medida, el ruido eléctrico y los algoritmos de medida.
Esta dificultad se puso claramente de manifiesto en el año 1990, cuando el comité
encargado de revisar la Escala Práctica Internacional de Temperaturas ajustó la definición
de una temperatura de referencia casi una décima de grado centígrado. (Imaginemos lo que
ocurriría si descubriéramos que a toda medida que obtenemos normalmente le falta una
décima de amperio.)
Dicho de otra forma, la temperatura es difícil de medir con exactitud aún en circunstancias
óptimas, y en las condiciones de prueba en entornos reales es aún más difícil. Entendiendo
las ventajas y los inconvenientes de los diversos enfoques que existen para medir la
temperatura, resultará más fácil evitar los problemas y obtener mejores resultados.
En el siguiente informe se comparan los cuatro tipos más corrientes de transductores de
temperatura que se usan en los sistemas de adquisición de datos: detectores de temperatura
de resistencia (RTD), termistores, sensores de IC y termopares.
La elección de los transductores de temperatura adecuados y su correcta utilización puede
marcar la diferencia entre unos resultados equívocos y unas cifras fiables. Los termopares
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página 45
son los sensores más utilizados pero normalmente se usan mal. Por eso vamos a dedicar una
atención especial a estos dispositivos.
Una vez conocido la forma en que operan cada tipo de transductor de temperatura se
analizaran las especificaciones técnicas de los mismos (de manera comercial) para
determinar cuáles son los factores más importantes a considerar para la elección de los
mismos.
3.8.2 Conceptos básicos transductores de temperatura.
Los transductores eléctricos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos
por la temperatura y entre los cuales figuran:
Variación de resistencia en un conductor (sondas de resistencia).
Variación de resistencia de un semiconductor (termistores).
Fuerza electromotriz creada en la unión de dos metales distintos
(termopares).
Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de
radiación).
Otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un gas,
frecuencia de resonancia de un cristal, etc.).
Los metales puros tienen un coeficiente de resistencia de temperatura positivo bastante
constante. El coeficiente de resistencia de temperatura, generalmente llamado coeficiente
de temperatura es la razón de cambio de resistencia al cambio de temperatura.
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México DF. Página 46
Un coeficiente positivo significa que la resistencia aumenta a medida que aumenta la
temperatura. Si el coeficiente es constante, significa que el factor de proporcionalidad entre
la resistencia y la temperatura es constante y que la resistencia y la temperatura se
graficarán en una línea recta.
Cuando se usa un alambre de metal puro para la medición de temperatura, se le refiere
como detector resistivo de temperatura, o RTD (por las siglas en ingles de resistive
temperature detector).
Cuando se usan óxidos metálicos para la medición de temperatura, el material de óxidos
metálicos conformado en forma que se asemejan a pequeños bulbos o pequeños
capacitores.
El dispositivo formado así se llama Termistor. Los termistores tienen coeficientes de
temperatura negativos grandes que no son constantes. En otras palabras, el cambio de
resistencia por unidad de cambio de temperatura es mucho mayor que para el metal puro,
pero el cambio es en la otra dirección: la resistencia disminuye a medida que se aumenta la
temperatura.
El hecho de que el coeficiente no sea constante significa que el cambio en la resistencia por
unidad de cambio de temperatura es diferente a diferentes temperaturas.
La linealidad extrema de los termistores los hace poco apropiados para la medición de
temperatura a través de rangos amplios. Sin embargo, para lamedición de temperaturas
dentro de bandas angostas, están muy bien dotados, pues dan una gran respuesta a un
cambio de temperatura pequeño.
Como regla general, los termistores son preferibles cuando la banda de temperaturas
esperada es angosta, mientras que los RTD son preferibles cuando la banda de temperatura
esperada es amplia.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
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Ningún transductor es el mejor en todas las situaciones de medida, por lo que tenemos que
saber cuándo debe utilizarse cada uno de ellos.
Como podemos ver, en la Tabla 3.2 que se encuentra en la siguiente página, se están
comparando los cuatro tipos de transductores de temperatura más utilizados, y refleja los
factores que deben tenerse en cuenta: las prestaciones, el alcance efectivo, el precio y la
comodidad.
Tabla3. 1Sensores de temperatura.
3.9 SENSORES INFRARROJOS.
3.9.1 Sensores de temperatura infrarrojos.
RTD Termistor Sensor de IC Termopar
Ventajas.
Más estable.
Más preciso.
Más lineal que
los Termopares.
Alto
rendimiento.
Rápido.
Medida de dos
hilos.
El más lineal
El de más alto
rendimiento.
Económico
Autoalimentado.
Robusto.
Económico.
Amplia variedad
de formas físicas.
Amplia gama de
temperaturas.
Desventajas. Caro.
Lento.
Precisa fuente de
alimentación.
Pequeño cambio
de resistencia.
Medida de 4
hilos.
Autocalentable.
No lineal.
Rango de
temperaturas
limitado.
Frágil.
Precisa fuente
de
alimentación.
Autocalentable.
Limitado a
< 250 ºC
Precisa fuente
de
alimentación.
Lento.
Autocalentable.
Configuraciones
limitadas.
No lineal.
Baja tensión.
Precisa referencia.
El menos estable.
El menos sensible.
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Los sensores de temperatura infrarrojos (IR), denominados también piró-metros de
radiación, son dispositivos de no contacto que miden indirectamente la temperatura de
cuerpos calientes a partir de la radiación térmica emitida en forma natural por los mismos.
Se utilizan en los casos en los cuales resulta imposible o peligroso el uso de un termistor,
una termocupla u otro tipo de sensor de contacto.
Es el caso, por ejemplo, de procesos industriales donde se manejan temperaturas muy
superiores a las del punto de fusión del transductor, de cuerpos calientes muy pequeños,
inaccesibles o en movimiento, de atmósferas de alto voltaje o que deben permanecer libres
de contaminación la figura 3.6 se muestra un ejemplo de un pirómetro de radiación.
Los sensores IR están basados en el concepto de que todos los cuerpos, a temperaturas por
encima del cero absoluto (-273.5°C), producen radiación térmica en cantidad dependiente
de su temperatura y sus propiedades físicas. Esta energía se incrementa a medida que el
objeto se torna más caliente los cuales miden la energía emitida, reflejada y transmitida.
Figura 3. 6 Pirómetro radioactivo.
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En los sensores IR prácticos la energía emitida, que es la que indica realmente la
temperatura de un objeto, se captura mediante un detector apropiado, precedido de un
sistema óptico, se amplifica y procesa mediante circuitos electrónicos.
La función de la óptica es concentrar la energía y limitar la influencia de la radiación
proveniente de otras fuentes distintas del objeto bajo medida. Esta es la parte más crítica del
sistema y la que determina el campo de vista de la unidad.
El detector, por su parte, se encarga de convertir la energía IR a una variable eléctrica
medible, es decir un voltaje, una corriente o una resistencia equivalente. Incluye
típicamente un filtro espectral para limitar la energía a una banda estrecha.
El amplificador debe resolver y amplificar las débiles señales de salida enviadas por el
detector, las cuales pueden ser, por ejemplo, del orden de 1 mV/°C.
Una vez obtenida una señal estable y manejable, la misma debe ser linealizada, es decir
convertida en una función lineal de la temperatura y representada como una corriente de 4-
20 mA, un voltaje de 0-5 V, una señal digital.
Actualmente se dispone también de sensores de temperatura IR inteligentes, los cuales
pueden ser programados para comunicarse entre sí y con computadoras en una planta de
manufactura.
De este modo se facilita el direccionamiento, la configuración, la actualización y el
mantenimiento de las unidades desde sitios remotos durante su instalación y operación.
En la figura 3.7 que se encuentra en la siguiente página se muestra el diagrama de un
pirómetro de radiación.
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La figura 3.8 muestra la marca del fabricante. En tabla de la figura 3.9, que se muestra en la
siguiente página, se pude observar los diferentes tipos de pirómetros, estos tienen diferentes
características técnicas, las aplicaciones vienen especificadas, lo posterior a realizar es la
elección para nuestro proceso del pirómetro que se ajuste al proceso de fundición de
cerámicos.
Figura 3. 7 Funcionamiento del transductor de temperatura.
Figura 3. 8 Fabricante.
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Figura 3. 9 Rangos de operación.
En el APENDICE B se muestra la información técnica necesaria para su empleo.
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El pirómetro que trabaja actualmente se muestra en la figura 3, este tiene diferentes
ventajas como salidas digitales y analógicas de 4 – 20 mA o 0 – 5 Vcc.
Esto permite que el controlador NI USB 6212 recoja la señal del pirómetro y la compare
con la consigna de operación. La figura 3.10 muestra una foto del pirómetro en operación
actual.
Figura 3. 10 Pirómetro actual.
En la siguiente página se muestra la figura 3.11, en esta se puede ver las diferentes posibles
conexiones con diferentes tipos de elementos como lo es un PC, una salida analógica para
un control, una salida digital para uso de interfaz entre otras.
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Figura 3. 11 Diferentes tipos de conexiones.
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3.10 MEDIDOR DE FLUJO DE PROCESO.
Los medidores de flujo son instrumentos utilizados para determinar la cantidad de flujo
másico que pasa a través de una tubería. Otros nombres con los cuales suelen llamarse:
flujómetros, caudalimetros o medidores de caudal.
Existe una gran cantidad de principios con los cuales operan este tipo de instrumentos, su
selección está en función de la precisión requerida de las lecturas, así como de su costo y
mantenimiento.
En general se clasifican en: diferencial de presión, desplazamiento positivo, por medición
de velocidad y por medición de masa.
Los medidores de flujo más comunes son los de diferencial de presión que se basan en el
cambio de presión debido a una reducción en el diámetro de la tubería. A mayor diferencia
de presión mayor es el flujo.
3.10.1 Factores para la elección del tipo de medidor de fluido.
RANGO: los medidores disponibles en el mercado pueden medir flujos desde varios
mililitros por segundo (ml/s) para experimentos precisos de laboratorio hasta varios miles
de metros cúbicos por segundo (m3/s) para sistemas de irrigación de agua o agua municipal
o sistemas de drenaje.
Para una instalación de medición en particular, debe conocerse el orden de magnitud
general de la velocidad de flujo así como el rango de las variaciones esperadas.
EXACTITUD REQUERIDA:cualquier dispositivo de medición de flujo instalado y
operado adecuadamente puede proporcionar una exactitud dentro del 5 % del flujo real.
La mayoría de los medidores en el mercado tienen una exactitud del 2% y algunos dicen
tener una exactitud de más del 0.5%. El costo es con frecuencia uno de los factores
importantes cuando se requiere de una gran exactitud.
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PÉRDIDA DE PRESIÓN: debido a que los detalles de construcción de los distintos
medidores son muy diferentes, éstos proporcionan diversas cantidades de pérdida de
energía o pérdida de presión conforme el fluido corre a través de ellos.
Excepto algunos tipos, los medidores de fluido llevan a cabo la medición estableciendo una
restricción o un dispositivo mecánico en la corriente de flujo, causando así la pérdida de
energía.
TIPO DE FLUIDO: el funcionamiento de algunos medidores de fluido se encuentra
afectado por las propiedades y condiciones del fluido. Una consideración básica es si el
fluido es un líquido o un gas.
Otros factores que pueden ser importantes son la viscosidad, la temperatura, la corrosión, la
conductividad eléctrica, la claridad óptica, las propiedades de lubricación y homogeneidad.
CALIBRACIÓN: se requiere de calibración en algunos tipos de medidores. Algunos
fabricantes proporcionan una calibración en forma de una gráfica o esquema del flujo real
versus indicación de la lectura.
Algunos están equipados para hacer la lectura en forma directa con escalas calibradas en
las unidades de flujo que se deseen. En el caso del tipo más básico de los medidores, tales
como los de cabeza variable, se han determinado formas geométricas y dimensiones
estándar para las que se encuentran datos empíricos disponibles.
Estos datos relacionan el flujo con una variable fácil de medición, tal como una diferencia
de presión o un nivel de fluido.
Los Flujómetros o caudalímetros electromagnéticos MAGFLO permiten medir el caudal de
líquidos con una conductancia desde 2 μS/cm2.
El sistema de medida consta de un sensor y un convertidor de señal.
Para mayor información técnica ver APENDICE C, esta información fue proporcionada por
el departamento de control de procesos de planta.
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3.10.2 Campo de aplicación.
El flujómetro electromagnético MAGFLO ofrece un medio fiable, preciso yeconómico para
la medida de caudales de cualquier líquido conductor de laelectricidad. Tiene aplicaciones
características en todos los sectores.
Sector agua potable: agua potable, productos químicos, tratamiento de aguasresiduales.
Sector alimentación: productos lácteos, cerveza, vino, refrescos.
Sector químico: detergentes, productos farmacéuticos, ácidos, bases.Otros sectores: pasta
de papel, minería.
CARACTERÍSTICAS.
Montaje de módulos individuales con diferentes protocolos de comunicación, sin
ningún tipo de herramienta.
Resiste la inundación constante, gracias a uniones y cables especiales que
protegen al sensor y las bobinas; es posible aumentar en terreno el grado de
protección a IP 68.
Cuerpo del sensor de acero soldado y plástico moldeado.
Electrodos de puesta a tierra incorporados en medidor.
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La tabla de la figura 3.12 muestra diferentes caudalimetros. El elemento que utilizaremos
para el control anidado es el MAG 5000 por las características físicas del componente.
Figura 3. 12 MAG 5000 caudalimetro.
La figura 3.13 muestra una fotografía del caudalimetro real.
Figura 3. 13 Vista real.
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3.11 PROCESO DE CONTROL Y ADQUISICIÓN DE DATOS.
La adquisición de datos o adquisición de señales, consiste en la toma de muestras del
mundo real (sistema analógico) para generar datos que puedan ser manipulados por un
ordenador u otras electrónicas (sistema digital).
Consiste, en tomar un conjunto de señales físicas, convertirlas en tensiones eléctricas y
digitalizarlas de manera que se puedan procesar en una computadora o PC. Se requiere una
etapa de acondicionamiento, que adecua la señal a niveles compatibles con el elemento que
hace la transformación a señal digital.
El elemento que hace dicha transformación es el módulo de digitalización o tarjeta de
Adquisición de Datos (DAQ).
3.11.1 Definiciones.
DATO: Representación simbólica (numérica, alfabética), atributo o característica de un
valor. No tiene sentido en sí mismo, pero convenientemente tratado (procesado) se puede
utilizar en la relación de cálculos o toma de decisiones.
ADQUISICIÓN: Recogida de un conjunto de variables físicas, conversión en voltaje y
digitalización de manera que se puedan procesar en un ordenador.
SISTEMA: Conjunto organizado de dispositivos que interactúan entre sí ofreciendo
prestaciones más completas y de más alto nivel. Una vez que las señales eléctricas se
transformaron en digitales, se envían a través del bus de datos a la memoria del PC.
Una vez los datos están en memoria pueden procesarse con una aplicación adecuada,
archivarlas en el disco duro, visualizarlas en la pantalla, etc...
BIT DE RESOLUCIÓN: Número de bits que el convertidor analógico a digital (ADC)
utiliza para representar una señal.
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RANGO: Valores máximo y mínimo entre los que el sensor, instrumento o dispositivo
funcionan bajo unas especificaciones.
TEOREMA DE NYQUIST: Al muestrear una señal, la frecuencia de muestreo debe ser
mayor que dos veces el ancho de banda de la señal de entrada, para poder reconstruir la
señal original de forma exacta a partir de sus muestras. En caso contrario, aparecerá el
fenómeno del aliasing que se produce al infra-muestrear. Si la señal sufre aliasing, es
imposible recuperar el original. Velocidad de muestreo recomendada:
2*frecuencia mayor (medida de frecuencia)
10*frecuencia mayor (detalle de la forma de onda)
Los componentes de los sistemas de adquisición de datos, poseen sensores adecuados que
convierten cualquier parámetro de medición de una señal eléctrica, que se adquiriere por el
hardware de adquisición de datos.
Los datos adquiridos se visualizan, analizan, y almacenan en un ordenador, ya sea
utilizando el proveedor de software suministrado u otro software. Los controles y
visualizaciones se pueden desarrollar utilizando varios lenguajes de programaciónde
propósito general como Visual BASIC, C++, Fortran, Java, Lisp, Pascal.
Los lenguajes especializados de programación utilizados para la adquisición de datos
incluyen EPICS, utilizada en la construcción de grandes sistemas de adquisición de datos,
LabVIEW, que ofrece un entorno gráfico de programación optimizado para la adquisición
de datos, y MATLAB.
Estos entornos de adquisición proporcionan un lenguaje de programación además de
bibliotecas y herramientas para la adquisición de datos y posterior análisis.
De la misma manera que se toma una señal eléctrica y se transforma en una digital para
enviarla al ordenador, se puede también tomar una señal digital o binaria y convertirla en
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página 60
una eléctrica. En este caso el elemento que hace la transformación es una tarjeta o módulo
de Adquisición de Datos de salida, o tarjeta de control.
La señal dentro de la memoria del PC la genera un programa adecuado a las aplicaciones
que quiere el usuario y, luego de procesarla, es recibida por mecanismos que ejecutan
movimientos mecánicos, a través de servomecanismos, que también son del tipo
transductores.
Un sistema típico de adquisición utiliza sensores, transductores, amplificadores,
convertidores analógico - digital (A/D) y digital - analógico (D/A), para procesar
información acerca de un sistema físico de forma digitalizada.
La adquisición de datos se inicia con el fenómeno físico o la propiedad física de un objeto
(objeto de la investigación) que se desea medir.
Esta propiedad física o fenómeno podría ser el cambio de temperatura o la temperatura de
una habitación, la intensidad o intensidad del cambio de una fuente de luz, la presión dentro
de una cámara, la fuerza aplicada a un objeto, o muchas otras cosas.
Un eficaz sistema de adquisición de datos puede medir todas estas diferentes propiedades o
fenómenos.
Un sensor es un dispositivo que convierte una propiedad física o fenómeno en una señal
eléctrica correspondiente medible, tal como tensión, corriente, el cambio en los valores de
resistencia o condensador, etc.
La capacidad de un sistema de adquisición de datos para medir los distintos fenómenos
depende de los transductores para convertir las señales de los fenómenos físicos
mensurables en la adquisición de datos por hardware.
Transductores son sinónimo de sensores en sistemas de DAQ. Hay transductores
específicos para diferentes aplicaciones, como la medición de la temperatura, la presión, o
flujo de fluidos.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
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DAQ también despliega diversas técnicas de acondicionamiento de Señales para modificar
adecuadamente diferentes señales eléctricas en tensión, que luego pueden ser digitalizados
usando CED.
Las señales pueden ser digitales (también llamada señales de la lógica) o analógicas en
función del transductor utilizado.
El acondicionamiento de señales suele ser necesario si la señal desde el transductor no es
adecuado para la DAQ hardware que se utiliza. La señal puede ser amplificada o des
amplificada, o puede requerir de filtrado, o un cierre patronal, en el amplificador se incluye
para realizar demodulación.
Varios otros ejemplos de acondicionamiento de señales podría ser el puente de conclusión,
la prestación actual de tensión o excitación al sensor, el aislamiento, linealización, etc. Este
pre tratamiento del señal normalmente lo realiza un pequeño módulo acoplado al
transductor.
DAQ hardware son por lo general las interfaces entre la señal y un PC. Podría ser en forma
de módulos que pueden ser conectados a la computadora de los puertos (paralelo, serie,
USB, etc.) o ranuras de las tarjetas conectadas a (PCI, ISA) en la placa madre. Por lo
general, el espacio en la parte posterior de una tarjeta PCI es demasiado pequeño para todas
las conexiones necesarias, de modo que una ruptura de caja externa es obligatoria.
El cable entre este recuadro y el PC es cara debido a los numerosos cables y el blindaje
necesario y porque es exótico. Las tarjetas DAQ a menudo contienen múltiples
componentes (multiplexores, ADC, DAC, TTL-IO, temporizadores de alta velocidad,
memoria RAM).
Estos son accesibles a través de un bus por un micro controlador, que puede ejecutar
pequeños programas. El controlador es más flexible que una unidad lógica dura cableada,
pero más barato que una CPU de modo que es correcto para bloquear con simples bucles de
preguntas.
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Driver software normalmente viene con el hardware DAQ o de otros proveedores, y
permite que el sistema operativo pueda reconocer el hardware DAQ y dar así a los
programas acceso a las señales de lectura por el hardware DAQ.
Un buen conductor ofrece un alto y bajo nivel de acceso.
Ejemplos de Sistemas de Adquisición y control:
DAQ para recoger datos (datalogger) medioambientales (energías renovables e
ingeniería verde). · DAQ para audio y vibraciones (mantenimiento, test). · DAQ +
control de movimiento (corte con láser).
DAQ + control de movimiento+ visión artificial (robots modernos).
La tarjeta de adquisición de datos que está en operación es una NI USB 6212, está
programada en control de retroalimentación en LabView, lo que permite monitorear el
proceso en una PC. En la siguiente página se puede ver la figura 3.14 que muestra la tarjeta
NI USB 6212.
Figura 3. 14 NI USB 6212
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página 63
En el APENDICE D se encuentra la información técnica de la NI USB 6212, esta fue
proporcionada por el encargado de departamento de control de procesos de la planta.
3.12TOPOLOGÍA DE REDES FRECUENTEMENTE USADAS.
La topología de red se define como la cadena de comunicación usada por los nodos que
conforman una red para comunicarse.
Un ejemplo claro de esto es la topología de árbol, la cual es llamada así por su apariencia
estética, por la cual puede comenzar con la inserción del servicio de internet desde el
proveedor, pasando por el router, luego por un switch y este deriva a otro switch u otro
router o sencillamente a los hosts (estaciones de trabajo).
El resultado de esto es una red con apariencia de árbol porque desde el primer router que se
tiene se ramifica la distribución de internet dando lugar a la creación de nuevas redes o
subredes tanto internas como externas. Además de la topología estética, se puede dar una
topología lógica a la red y eso dependerá de lo que se necesite en el momento.
En algunos casos se puede usar la palabra arquitectura en un sentido relajado para hablar a
la vez de la disposición física del cableado y de cómo el protocolo considera dicho
cableado.
Así, en un anillo con una MAU podemos decir que tenemos una topología en anillo, o de
que se trata de un anillo con topología en estrella.
La topología de red la determina únicamente la configuración de las conexiones entre
nodos. La distancia entre los nodos, las interconexiones físicas, las tasas de transmisión y
los tipos de señales no pertenecen a la topología de la red, aunque pueden verse afectados
por la misma.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
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3.12.1Redes de araña
La topología en estrella es la posibilidad de fallo de red conectando todos los nodos a un
nodo central.
Cuando se aplica a una red basada en la topología estrella este concentrador central reenvía
todas las transmisiones recibidas de cualquier nodo periférico a todos los nodos periféricos
de la red, algunas veces incluso al nodo que lo envió.
Todos los nodos periféricos se pueden comunicar con los demás transmitiendo o recibiendo
del nodo central solamente.
Un fallo en la línea de conexión de cualquier nodo con el nodo central provocaría el
aislamiento de ese nodo respecto a los demás, pero el resto de sistemas permanecería
intacto. El tipo de concentradorhub se utiliza en esta topología, aunque ya es muy obsoleto;
se suele usar comúnmente un switch.
La desventaja radica en la carga que recae sobre el nodo central. La cantidad de tráfico que
deberá soportar es grande y aumentará conforme vayamos agregando más nodos
periféricos, lo que la hace poco recomendable para redes de gran tamaño.
Además, un fallo en el nodo central puede dejar inoperante a toda la red. Esto último
conlleva también una mayor vulnerabilidad de la red, en su conjunto, ante ataques.
Si el nodo central es pasivo, el nodo origen debe ser capaz de tolerar un eco de su
transmisión. Una red en estrella activa tiene un nodo central activo que normalmente tiene
los medios para prevenir problemas relacionados con el eco.
3.12.2Redes de árbol.
Una topología en árbol (también conocida como topología jerárquica) puede ser vista como
una colección de redes en estrella ordenadas en una jerarquía. Éste árbol tiene nodos
periféricos individuales (por ejemplo hojas) que requieren transmitir a y recibir de otro
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
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nodo solamente y no necesitan actuar como repetidores o regeneradores. Al contrario que
en las redes en estrella, la función del nodo central se puede distribuir.
Como en las redes en estrella convencionales, los nodos individuales pueden quedar
aislados de la red por un fallo puntual en la ruta de conexión del nodo. Si falla un enlace
que conecta con un nodo hoja, ese nodo hoja queda aislado; si falla un enlace con un nodo
que no sea hoja, la sección entera queda aislada del resto.
Para aliviar la cantidad de tráfico de red que se necesita para retransmitir todo a todos los
nodos, se desarrollaron nodos centrales más avanzados que permiten mantener un listado de
las identidades de los diferentes sistemas conectados a la red.
Éstos switches de red ―aprenderían‖ cómo es la estructura de la red transmitiendo paquetes
de datos a todos los nodos y luego observando de dónde vienen los paquetes respuesta.
3.12.3 Redes de bus.
Las topologías más corrientes para organizar las computadoras de una red son las de punto
a punto, de bus, en estrella y en anillo. La topología de punta a punta es la más sencilla, y
está formada por dos ordenadores conectados entre sí.
La topología de bus consta de una única conexión a la que están unidos varios ordenadores.
Todas las computadoras unidas a esta conexión única reciben todas las señales transmitidas
por cualquier computadora conectada. La topología en estrella conecta varios ordenadores
con un elemento dispositivo central llamado hub.
El hub puede ser pasivo y transmitir cualquier entrada recibida a todos los ordenadores —
de forma semejante a la topología de bus— o ser activo, en cuyo caso envía selectivamente
las entradas a ordenadores de destino determinados.
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3.12.4 Redes de anillo.
La topología en anillo utiliza conexiones múltiples para formar un círculo de computadoras.
Cada conexión transporta información en un único sentido. La información avanza por el
anillo de forma secuencial desde su origen hasta su destino.
Las redes de área local (LAN, siglas en inglés), que conectan ordenadores separados por
distancias reducidas, por ejemplo en una oficina o un campus universitario, suelen usar
topologías de bus, en estrella o en anillo.
Las redes de área amplia (WAN, siglas en inglés), que conectan equipos distantes situados
en puntos alejados de un mismo país o en países diferentes, emplean a menudo líneas
telefónicas especiales arrendadas como conexiones de punto a punto.
Cuando hablamos de topología de una red, hablamos de su configuración. Esta
configuración recoge tres campos: físico, eléctrico y lógico. El nivel físico y eléctrico se
puede entender como la configuración del cableado entre máquinas o dispositivos de
control o conmutación. Cuando hablamos de la configuración lógica tenemos que pensar en
cómo se trata la información dentro de nuestra red, como se dirige de un sitio a otro o como
la recoge cada estación.
Así pues, para ver más claro cómo se pueden configurar las redes vamos a explicar de
manera sencilla cada una de las posibles formas que pueden tomar.
3.13 TOPOLOGÍAS FÍSICAS TENEMOS.
Topología de BUS / Linear Bus.
Topología de Estrella / Star.
Topología de Estrella Cableada / Star - Wired Ring.
Topología de Árbol / Tree.
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3.13.1 Topología de BUS / Linear Bus.
Consiste en un cable con un terminador en cada extremo del que se cuelgan todos loes
elementos de una red. Todos los Nodos de la Red están unidos a este cable. Este cable
recibe el nombre de "Backbone Cable". Tanto Ethernet como LocalTalk pueden utilizar
esta topología.
En esta topología, los elementos que constituyen la red se disponen linealmente, es decir,
en serie y conectados por medio de un cable; el bus. Las tramas de información emitidas
por un nodo (terminal o servidor) se propagan por todo el bus (en ambas direcciones),
alcanzado a todos los demás nodos.
Cada nodo de la red se debe encargar de reconocer la información que recorre el bus, para
así determinar cuál es la que le corresponde, la destinada a él.
Es el tipo de instalación más sencillo y un fallo en un nodo no provoca la caída del sistema
de la red. Por otra parte, una ruptura del bus es difícil de localizar (dependiendo de la
longitud del cable y el número de terminales conectados a él) y provoca la inutilidad de
todo el sistema.
Ventajas de la topología de BUS:
Es fácil conectar nuevos nodos a la red.
Requiere menos cable que una topología estrella.
Desventajas de la topología de BUS:
En la figura 3.15 se muestra una conexión de BUS.
Toda la red se caería se hubiera una ruptura en el cable principal.
Se requiere terminadores.
Es difícil detectar el origen de un problema cuando toda la red cae.
No se debe utilizar como única solución en un gran edificio.
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3.13.2 Cable USB.
USB Universal Serial Bus es una interfaz plug&play entre la PC y ciertos dispositivos tales
como teclados, mousses, scanner, impresoras, módems, placas de sonido, cámaras entre
otros elementos.
Una característica importante es que permite a los dispositivos trabajar a velocidades
mayores, en promedio a unos 12 Mbps, esto es más o menos de 3 a 5 veces más rápido que
un dispositivo de puerto paralelo y de 20 a 40 veces más rápido que un dispositivo de
puerto serial.
3.13.3 Como Funciona.
Trabaja como interfaz para transmisión de datos y distribución de energía, que ha sido
introducida en el mercado de PC´s y periféricos para mejorar las lentas interfaces serie (RS-
232) y paralelo. Esta interfaz de 4 hilos, 12 Mbps y "plug and play", distribuye 5V para
alimentación, transmite datos y está siendo adoptada rápidamente por la
industriainformática.
Es un bus basado en el paso de un testigo, semejante a otros buses como los de las redes
locales en anillo con paso de testigo y las redes FDDI. El controlador USB distribuye
testigos por el bus.
El dispositivo cuya dirección coincide con la que porta el testigo responde aceptando o
enviando datos al controlador. Este también gestiona la distribución de energía a los
periféricos que lo requieran.
Figura 3. 15 Conexiones de BUS.
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Emplea una topología de estrellas apiladas que permite el funcionamiento simultáneo de
127 dispositivos a la vez. En la raíz o vértice de las capas, está el controlador anfitrión o
host que controla todo el tráfico que circula por el bus.
Esta topología permite a muchos dispositivos conectarse a un único bus lógico sin que los
dispositivos que se encuentran más abajo en la pirámide sufran retardo.
A diferencia de otras arquitecturas, USB no es un bus de almacenamiento y envío, de forma
que no se produce retardo en el envío de un paquete de datos hacia capas inferiores.
El sistema de bus serie universal USB consta de tres componentes:
Controlador.
Hubs o Concentradores.
Periféricos.
En la siguiente página se muestran dos figuras, la figura 3.16 muestra la pirámide de BUS,
la figura 3.17 muestra los diferentes tipos de conexiones de USB.
Figura 3. 16 Pirámide de BUS.
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El USB puede conectar varios tipos de dispositivos como pueden ser: mouse, teclados,
escáneres, cámaras digitales, teléfonos móviles, reproductores multimedia, impresoras,
discos duros externos entre otros ejemplos, tarjetas de sonido, sistemas de adquisición de
datos y componentes de red.
Para dispositivos multimedia como escáneres y cámaras digitales, el USB se ha convertido
en el método estándar de conexión.
Para impresoras, el USB ha crecido tanto en popularidad que ha desplazado a un segundo
plano a los puertos paralelos porque el USB hace mucho más sencillo el poder agregar más
de una impresora.
Algunos dispositivos requieren una potencia mínima, así que se pueden conectar varios sin
necesitar fuentes de alimentación extra. La gran mayoría de los concentradores incluyen
fuentes de alimentación que brindan energía a los dispositivos conectados a ellos, pero
algunos dispositivos consumen tanta energía que necesitan su propia fuente de
Figura 3. 17 USB.
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alimentación. Los concentradores con fuente de alimentación pueden proporcionarle
corriente eléctrica a otros dispositivos sin quitarle corriente al resto de la conexión (dentro
de ciertos límites).
En el caso de los discos duros, es poco probable que el USB reemplace completamente a
los buses (el ATA (IDE) y el SCSI), pues el USB tiene un rendimiento más lento que esos
otros estándares.
Sin embargo, el USB tiene una importante ventaja en su habilidad de poder instalar y
desinstalar dispositivos sin tener que abrir el sistema, lo cual es útil para dispositivos de
almacenamiento externo.
Hoy en día, una gran parte de los fabricantes ofrece dispositivos USB portátiles que ofrecen
un rendimiento casi indistinguible en comparación con los ATA (IDE).
Por el contrario, el nuevo estándar Serial ATA permite tasas de transferencia de hasta
aproximadamente 150/300 MB por segundo, y existe también la posibilidad de extracción
en caliente e incluso una especificación para discos externos llamada eSATA.
El diagrama de conexión física de la figura 3.18 que se encuentra en la siguiente página,
muestra la conexión física de los componentes para la implementación del control en
cascada, cabe denotar que el objetivo general es solo el control y la simulación del control
ante perturbaciones ya antes mencionadas.
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Figura 3. 18 Diagrama de conexiones final.
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3.14DEFINICIÓN DEL PLAN DE MANTENIMIENTO.
La empresa es nombrada como Cerámicos San Felipe que pertenece a un dueño cuyo
nombre es Don Felipe.
Dentro de esta planta de fabricación de esmalte cerámico se requiere planificar el
mantenimiento de los siguientes equipos.
Horno de fundición marca.
Circuito de muestreo.
El mantenimiento de las instalaciones se realiza con la periodicidad diaria, semanal,
mensual, trimestral o anual que previamente haya sido establecida para cada elemento
objeto de la misma.
Muchos responsables y expertos en mantenimiento en la planta coinciden en que al menos
los 2/3 de la actividad de mantenimiento debe ser planificada, lo cual no se toma en cuenta.
La herramienta que permite la planificación de las diferentes tareas de mantenimiento en el
area de fundiciones es plan de mantenimiento.
La mayor parte de las tareas preventivas y correctivas del horno de fundición, así como los
elementos que interactúan en el mismo sistema están incluidas en él.
A pesar de ello, hay muchos técnicos y responsables de mantenimiento que no conocen la
forma adecuada de elaborar un plan de mantenimiento, no conocen los pasos a seguir para
conseguir programar las diferentes tareas, e incluso algunos no disponen de un formato
adecuado.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página 74
Además, al igual que para el servicio de mantenimiento y a través de la misma aplicación
informática y bajo el mismo procedimiento, se pueden cumplimentar partes de trabajo para
cubrir las necesidades puntuales que no hayan sido previstas.
3.15PLAN DE MANTENIMIENTO PARA EL HORNO DE
FUNDICIÓN.
Al horno de fundición le vamos a realizar las siguientes operaciones.
Control de combustiones y rendimiento de interiores.
Calibrar instrumentación.
Inspección del estado de aislamiento térmico.
Comprobar el circuito de combustible de alimentación del horno de fundición.
Limpiar chimenea y conductos de humos residuales.
Verificar el funcionamiento correctivo de las válvulas de acuerdo a la señal de
control.
Calibrar unidades de mantenimiento.
La tabla 3.1 y la tabla 3.2 que se muestra en las siguientes páginas respectivamente nos
indica de forma resumida la frecuencia del servicio de mantenimiento en las instalaciones
generales del area de fundición donde se encuentra nuestro proceso principal que es la
fundición del esmalte cerámico.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
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El tipo de técnica para el desarrollo de nuestro plan de mantenimiento viene después de la
periodicidad en la cual este se tiene que ser ejecutado.
Tabla3. 2 Plan de mantenimiento.
PERIODICIDAD. TECNICA.
DIARIA Barrido de excesos de polvo acumulado.
Limpieza de polvo en instrumentación.
Limpieza de instrumentos de muestreo.
DIAS ALTERNOS Lavado en general del área de fundición.
Calibrar unidades de mantenimiento.
SEMANAL Control de combustiones y rendimiento de
interiores.
Verificar el funcionamiento correctivo de las
válvulas de acuerdo a la señal de control.
MENSUAL Calibrar instrumentación.
Limpiar chimenea y conductos de humos
residuales.
TRIMESTRAL Inspección del estado de aislamiento
térmico
ANUAL Comprobar el circuito de combustible de
alimentación del horno de fundición.
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La fiabilidad y la disponibilidad del control del horno de fundición dependen, en primer
lugar, de su diseño y de la calidad de su montaje.
Si se trata de un diseño robusto y fiable, y la planta ha sido construida siguiendo fielmente
su diseño y utilizando las mejores técnicas disponibles para la ejecución, depende en
segundo lugar de la forma y buenas costumbres del personal de producción, es decir de
todo el personal que opera las instalaciones y planifica las actividades.
La fiabilidad y disponibilidad dependen del mantenimiento que se realice. Si el
mantenimiento es básicamente correctivo, atendiendo sobre todo los problemas cuando se
presentan, es muy posible que a corto plazo esta política sea rentable.
Debemos imaginar el mantenimiento como un gran depósito. Si realizamos un buen
mantenimiento preventivo, tendremos el depósito siempre lleno.
Si no hacemos nada, el depósito se va vaciando, y puede llegar un momento en el que el
depósito, la reserva de mantenimiento, se haya agotado por completo, siendo más rentable
adquirir un nuevo horno de fundición o incluso construir una nueva planta que atender
todas las reparaciones que van surgiendo conforme pasa el tiempo en la producción.
Debemos tener en cuenta que lo que hagamos en mantenimiento no tiene su consecuencia
de manera inmediata, sino que los efectos de las acciones que tomamos se revelan con seis
meses o con un año de retraso.
Hoy pagamos los errores de ayer, o disfrutamos de los aciertos.
La ocasión perfecta para diseñar un buen mantenimiento programado que haga que la
disponibilidad y la fiabilidad del horno de fundición industrial sean muy altas, es durante la
implementación de un sistema de control de éste.
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Cuando el sistema de control ha sido implementado y el horno de fundición es entregada al
propietario para su explotación comercial, el plan de mantenimiento debe estar ya diseñado,
y debe ponerse en marcha desde el primer día que el horno entra en operación.
Perder esa oportunidad significa renunciar a que la mayor parte del mantenimiento sea
programado, y caer en el error (un grave error de consecuencias económicas nefastas) de
que sean las averías las que dirijan la actividad del departamento de mantenimiento.
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3.16 PLAN PARA EL HORNO DE FUNDICION.
Tabla3. 3 Plan de mantenimiento para el horno de fundición.
INSTALACCION. PERIODICIDAD. OBSERVACIONES.
BANCADA DEL HORNO Barrido area
de fundición,
mezclado.
Diario.
Eliminación
de excesos
de polvo.
2 veces a la
semana.
TUBERIA DE
COMBUSTIBLE.
Limpieza de
polvo en
circuito de
combustión.
Trimestral.
Semanal.
REVESTIDURAS DE
INTERIORES
Cambio de
material
térmico.
Anual.
Reposición
de material
aislante.
Anual.
CARCASA EXTERIOR
DEL HORNO
Cubrir con
materiales
térmicos
aislantes de
calor
2 meses.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
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VALVULAS DE
CONTROL
Calibración. 2 meses.
Limpieza de
polvo.
Diario.
SISTEMA DE CONTROL Calibración.
6 meses.
CHIMENEAS Y
CONDUCTOS DE
HUMOS RESIDUALES.
Limpieza. Anual.
Calibración. Anual.
El cuadro de la figura 3.19 se muestra el personal destinado c cumplir con presentado plan
de mantenimiento. Cada persona involucrada con el proceso debe seguir este plan para la
mejora y optimización de la calidad del esmalte cerámico.
Tabla3. 4Horarios de mantenimiento.
México Df.
[DISEÑO.]
CAPITULO 4
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página 80
4.0 DISEÑO Y PROGRAMACIÓN.
Los elementos de control automático en conjunto con la estrategia de control para cada uno
de los puntos que tocaremos en el presente trabajo, serán mostrados gráficamente por
medio de una Interfaz Hombre Maquina, de las siglas en ingles HMI (Human Interface
Machine), para obtener la ventaja de monitorear nuestros elementos involucrados en el
control de manera continua y poder analizar causa de problemas que se puedan originar,
además de poder prevenir posibles variaciones en la calidad del producto.
4.1 INTRODUCCIÓN A HMI (INTERFAZ HOMBRE MÁQUINA).
La sigla HMI es la abreviación en inglés de Interfaz Hombre Máquina. Los sistemas HMI
podemos pensarlos como una ―ventana‖ de un proceso. Esta ventana puede estar en
dispositivos especiales como paneles de operador o en una computadora. Los sistemas HMI
en computadoras se los conoce también como software HMI o de monitoreo y control de
supervisión.
Las señales del proceso son conducidas al HMI por medio de dispositivos como tarjetas de
entrada/salida en la computadora, PLCs (Controladores Lógicos Programables), RTU
(Unidades remotas de I/O) o DRIVEs (Variadores de velocidad de motores). Todos estos
dispositivos deben tener una comunicación que entienda el HMI.
En el proceso de fundición del esmalte cerámico la Interfaz Gráfica permite monitorear de
manera continua las variables de control en tiempo real sin someter al personal a
condiciones extremas de temperatura.
Existen variadas formas de dar solución esta causa que nos está originando problemas de
diferentes aspectos. Para comenzar a analizar la solución propuesta a esta causa,
comenzaremos por definir detalladamente algunos términos y definiciones de cada uno de
los elementos relacionados en el análisis y solución al problema del control en cascada.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
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4.2 CONTROL EN LA TEMPERATURA DEL HORNO DE
FUNDICIÓN.
La configuración de control en cascada se utiliza cuando la variable manipulada sufre
perturbaciones que afectan a la variable controlada.
En el caso del caudal de la alimentación de combustible para la fundición, si la presión del
gas está sometida a variaciones, se observara variaciones considerables en la temperatura
de fundición (variable controlada), esta variación afecta directamente a la calidad del
producto final que es el esmalte cerámico.
4.3 SIMULINK.
Simulink es un entorno de programación visual, que funciona sobre el entorno de
programación Matlab.
Es un entorno de programación de más alto nivel de abstracción que el lenguaje
interpretado Matlab (archivos con extensión .m). Simulink genera archivos con extensión
.mdl (de "model").
En las imágenes, se puede apreciar el diagrama en bloques de un Radar, en el cuál se
muestra que uno de sus bloques de procesamiento de señal, es un filtro Kalman realizado en
un script de Matlab.
Luego, se puede apreciar un sistema de control automático, junto a su modelización y
finalmente un sistema de un automóvil, vinculando la simulación a un entorno de realidad
virtual.
Simulink viene a ser una herramienta de simulación de modelos o sistemas, con cierto
grado de abstracción de los fenómenos físicos involucrados en los mismos. Se hace
hincapié en el análisis de sucesos, a través de la concepción de sistemas (cajas negras que
realizan alguna operación).
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
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Se emplea arduamente en Ingeniería Electrónica en temas relacionados con el
procesamiento digital de señales (DSP), involucrando temas específicos de ingeniería
biomédica, telecomunicaciones, entre otros. También es muy utilizado en Ingeniería de
Control y Robótica.
4.4 LABVIEW.
Labview es un entorno de programación gráfica usado por miles de ingenieros e
investigadores para desarrollar sistemas sofisticados de medida, pruebas y control usando
íconos gráficos e intuitivos y cables que parecen un diagrama de flujo.
Ofrece una integración incomparable con miles de dispositivos de hardware y brinda
cientos de bibliotecas integradas para análisis avanzado y visualización de datos, todo para
crear instrumentación virtual.
La plataforma LabView es escalable a través de múltiples objetivos y sistemas operativos,
desde su introducción en 1986 se ha vuelto un líder en la industria.
La regulación o control automático en lazo cerrado, fue en un comienzo la solución
planteada, esta consiste en sustituir la acción del hombre por un dispositivo llamado
controlador o regulador.
4.5 LOS BENEFICIOS DE LA PROGRAMACIÓN GRÁFICA EN NI
LABVIEW.
Durante más de 20 años, NI LabView a escuchado millones de ingenieros y científicos para
desarrollar test sofisticados y aplicaciones de medida y control.
Además de que LabView provee de una variada gama de características y herramientas de
asistentes e interfaces de usuario configurables, se diferencia por ser un lenguaje de
programación gráfico de propósito general (conocido como G), con su compilador
asociado, su enlazador, y herramientas de depuración.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
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LabView es diferente de la mayoría de lenguajes de propósito general principalmente en
dos vertientes. Primero, la programación G se desarrolla cableando iconos gráficos en un
diagrama que compila directamente a código máquina de modo que los procesadores del
ordenador pueden ejecutarlo.
Aunque se representa gráficamente en lugar de texto, G contiene los mismos conceptos de
programación que se pueden encontrar en la mayoría de los lenguajes tradicionales. Por
ejemplo, G incluye todas las construcciones estándar tales como tipos de datos, bucles,
eventos, variables, recursividad y programación orientada a objetos.
Como todo el mundo, los ingenieros y científicos aprenden observando y procesando
imágenes sin necesidad de pensamiento consciente. Se denominan ―pensadores visuales‖,
ya que son especialmente adeptos a organizar información con procesamiento visual.
En otras palabras, piensan mejor en imágenes. Esto se refuerza a menudo en facultades y
universidades donde se anima a los estudiantes a modelar soluciones a problemas como
diagramas de proceso.
Sin embargo, la mayoría de los lenguajes de programación de propósito general requieren
el empleo de cantidades ingentes de tiempo en aprender la sintaxis necesaria asociada con
el lenguaje y mapear la estructura del mismo al problema a solventar. La programación
gráfica con G provee de una experiencia más intuitiva.
El código G es más sencillo de entender por ingenieros y científicos porque están
familiarizados con la visualización y la modelización gráfica de procesos y tareas en
términos de diagramas de bloque y flujo gramas (que siguen también las reglas del flujo de
datos).
Además, ya que los lenguajes de flujo de datos requieren basar la estructura del programa
en el propio flujo, a usted se le anima a pensar en términos del problema que quiere
solucionar.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
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Por ejemplo, y programa típico en G puede adquirir, en primer lugar, de varios canales de
datos de temperatura, después pasarlos a una función de análisis y finalmente escribirlos a
disco. En conjunto, el flujo de datos y los pasos involucrados en este programa son
sencillos de comprender en el diagrama de LabView.
El conjunto de componentes que lleva a cabo el control automático, en este caso es el
proceso de fundición de esmalte cerámico, es nombrado sistema de control automático o
con regulación automática anidada con el fin de corregir la perturbación antes de que esta
afecta a nuestro sistema de controlado.
En la figura 4.1 se muestra el diagrama de bloques del control en cascada del horno de
fundición de esmalte cerámico.
Las gráficas obtenidas son mostradas en el CAPITULO 6, el diagrama de la figura 4
muestra nuestro sistema simulado en SIMULIK, el bloque de la perturbación no está
conectado al sistema.
El departamento de control de calidad proporciona el diagrama de la figura 3 en el cual se
pueden observar las funciones de transferencia con sus respectivas constantes, ganancias y
tiempos muertos.
El sistema esta retroalimentado por medio de un pirómetro, este tiene salidas digitales y
analógicas, lo que es una ventaja ya que el control puede ser monitoreado por medio de un
sistema de control y adquisición de datos.
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Figura 4. 1 Cascada.
La figura 4.2 muestra dos gráficas, estas son el resultado de la diferencia del sistema de
control en lazo cerrado y el control en cascada del mismo sistema, hay que denotar que la
perturbación en la caída de presión en la línea de combustible para la fundición no afecta de
a nuestro nuestra variable controlada con el mismo sobre impulso. Esto es debido a la
acción de control de nuestro controlador anidado.
Figura 4. 2Cascada con perturbación y lazo cerrado con perturbación.
La perturbación es conectada y se observa que la respuesta del sistema. Al conectar el
bloque perturbación al sistema, este se ve afectado y muestra un sobre impulso, se detectó
que este es el responsable de que la calidad del producto final tenga impurezas.
650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150
0.9
0.95
1
1.05
1.1
1.15
X: 889
Y: 1.006
CONTROL EN CASCADA Y LAZO CERRADO CON PERTURBACIÓN.
TIEMPO.
TE
MP
ER
AT
UR
A D
E E
NT
RA
DA
(%
)
LAZO CERRADO
CONTROL CASCADA
ENTRADA
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La figura 4.2 muestra un cuadro en el cual podemos apreciar el valor de y que es de 1.006.
Esto significa que la perturbación tiene un sobre impulso del .6% ante una perturbación del
20% en la variable manipulada, mientras que la perturbación no controlada tienes un sobre
impulso de 9.9% sobre la señal de prueba.
La configuración en cascada nos permita implantar un lazo secundario dentro de nuestro
lazo principal, este se aplicó ya que la perturbación en nuestra variable manipulada afectan
a la variable controlada.
La perturbación se conecta al sistema y respuesta de este cambia. El caudalimetro tiene la
misma función de transferencia que la válvula de control ya que estas representan el mismo
proceso pero con diferentes entradas de excitación.
México DF.
CAPITULO 5
[COSTOS.]
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF. Página 87
5.0 COSTOS.
El costeo se refiere al procedimiento de determinar los costos con exactitud antes de la
producción. La ventaja de poder predeterminar el costo es obvia.
La mayoría de los contratos actuales se firman con base en un "costo firme", que significa
que el fabricante debe predeterminar los costos de producción, a fin de establecer un precio
firme suficientemente alto para tener una utilidad.
5.1 INTRODUCCIÓN.
Al tener estándares de tiempo en las operaciones de trabajo directo, los fabricantes pueden
asignar un precio a los elementos que integran el costo primario del producto.
En general, se piensa que el costo primario es la suma de los costos directos de material y
mano de obra.
Los costos son la base de las acciones dentro de una organización. Cuando los costos de
procesar una parte se vuelven demasiados altos comparados con los métodos de producción
competitiva, debe considerarse hacer algunos cambios.
Es invariable que existan distintas alternativas para la manufactura de un diseño funcional,
dado que compiten en términos de costos.
Por ejemplo, el moldeo compite con la forja, escariar con perforar, moldeo en matriz con
moldeo en plástico, el metal pulverizado con destornilladores automáticos, etcétera.
Los costos de manufactura se pueden clasificar en cuatro grupos: costos directos de
material, costos directos de mano de obra, gastos de fabricación y gastos generales.
Los dos primeros se refieren a la producción directa, mientras que los dos últimos son
gastos fuera de la producción, llamados costos generales.
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Los costos directos de material incluyen materia prima, componentes compradas, artículos
comerciales estándar (sujetadores, alambre, conectores, etc.) y artículos subcontratados.
El ingeniero industrial comienza por calcular la cantidad básica requerida para el diseño. A
este valor se suman pérdidas por desperdicio por errores ya sea de manufactura, de proceso
o de diseño y mermas debidas a robo o efectos ambientales.
La cantidad aumentada que se obtiene, multiplicada por el precio unitario, proporciona el
costo final de material con un factor de resta por el valor de recuperación previsto, la figura
5.1 muestra algunos elementos involucrados para el cálculo de costos.
Figura 5. 1 Costos.
Los costos de fabricación incluyen aspectos como mano de obra indirecta, herramientas,
máquinas y costos de energía.
La mano de obra indirecta incluye aspectos como envió y recepción, flete, almacenamiento,
mantenimiento y servicios de intendencia.
5.2 COSTOS INDIRECTOS.
Los costos de trabajo indirecto, herramientas y máquinas pueden tener mayor influencia en
la selección de un proceso específico que el material y los costos de trabajo directo.
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Una de las características de este tipo de configuración es que el lazo secundario suele ser
muy rápido en comparación con el lazo de control principal. El controlador secundario
puede ser solo de acción proporcional.
Teniendo en cuenta de que no importara que el lazo secundario mantenga una desviación
permanente, ya que, con relación al control de temperatura este error será perfectamente
compensado por la acción integral del controlador principal.
Sin embargo, es posible también incorporar acción integral al controlador secundario pero
es poco usual dotarlo de acción derivativa precisamente por hecho de tratarse de un lazo de
respuesta rápida y cuya medida puede contener ruido que sería amplificado por acción
derivativa.
A continuación se introducirá un bloque de perturbación a nuestro proceso, un cambio de
caudal en la variable manipulada.
5.3 IMPACTO ACTUAL.
La ganancia será la variación de temperatura a la salida del horno por cada grado de
variación de temperatura en la entrada.
Esto significa que una pequeña variación de caudal en la entrada repercutiría
aproximadamente en la misma proporción en la temperatura de salida. Esto provoca pérdidas de ingresos, la calidad del producto depende de la fundición, si esta
parte del proceso mejora, la calidad mejora también.
A continuación se mostraran los resultados obtenidos del sistema ante una estrada escalón.
La figura 5.2 muestra las características necesarias para poder observar cómo afecta a
nuestro sistema la perturbación en la variable manipulada.
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Figura 5. 2 Perturbaciones en el sistema causan impacto directo en la calidad del producto.
Este es un hecho generalizado ya que en realidad ambos bloques representan el mismo
proceso; tanto el pirómetro y el caudalimetro, cada una con sus variables de entrada
distintos.
La figura 5.3 muestra un sistema de control de caudal en la variable manipulada, la salida
del contenedor de combustible no presenta ningún tipo de control de caudal para el abasto
de cada uno de los procesos que a este están conectados, implantar un control para
mantener las demandas de caudal necesario para toda la plante seria costoso en
comparación de la implementación de un control en cascada solo en el proceso que lo
requiere, ya que el sistema de control de caudal requeriría la adquisición de pocos
elementos para llevar a cabo el objetivo de control.
0 500 1000 1500 2000 25000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4SISTEMA PERTURBADO.
TIEMPO.
TE
MP
ER
AT
UR
A D
E E
NT
RA
DA
. Perturbación.
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Figura 5. 3 Control en cascada reduce costos, mejora la calidad.
La figura 5.3 muestra la respuesta del sistema con el control en cascada, el caudalimetro
corrige la perturbación antes de que se propague en el sistema.
La diferencia de estas dos estrategias de control nos muestra que un control en lazo cerrado
anidado evita que la perturbación afecte de la misma manera a nuestro sistema en lazo
abierto.
0 500 1000 1500 2000 25000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4SISTEMA CONTROLADA ANTE PERTURBACIÓN.
TIEMPO.
TE
MP
ER
AT
UR
A D
E E
NT
RA
DA
.
Perturbación controlada.
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[CONCLUSIONES.]
CAPITULO 6
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6.0 EXPLICACIÓN DE RESULTADOS OBTENIDOS.
El control de la producción tiene que establecer medios para una continua evaluación de
ciertos factores: la demanda del cliente, la situación de capital, la capacidad productiva, etc.
Esta evaluación deberá tomar en cuenta no solo el estado actual de estos factores sino que
deberá también proyectarlo hacia el futuro.
Podemos definir el control de producción, como "la toma de decisiones y acciones que son
necesarias para corregir las perturbaciones de un proceso, de modo que se corrijan los
defectos en la producción que están ocasionando mala calidad en el producto".
Una definición más amplia, según el diccionario de términos para el control de la
producción y el inventario, sería:
"Función de dirigir o regular el movimiento metódico de los materiales por todo el ciclo de
fabricación, desde la requisición de materias primas, hasta la entrega del producto
terminado, mediante la transmisión sistemática de instrucciones a los subordinados, según
el plan que se utiliza en las instalaciones del modo más económico".
Para lograr el objetivo, la gerencia debe estar al tanto del desarrollo de los trabajos a
realizar, el tiempo y la cantidad producida; así como modificar los planes establecidos,
respondiendo a situaciones cambiantes.
6.1 INICIO DEL PROCESO.
La calidad de la producción de esmalte para materiales cerámicos, depende de todos las
partes en conjunto de pequeños procesos comenzando por la mezcla y pesado del material
para la fundición, la fundición, el secado, la molienda, el secada del esmalte, el pesado y
almacenado, por mencionar los procesos principales, entre ellos, primordialmente, es la
fundición.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
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6.2PROCESO DE FUNDICIÓN.
Esta parte de todo el proceso que se tiene que llevar a cabo para la elaboración del esmalte,
se detectó que las variaciones de nivel en el contenedor de combustible afectaban en el
caudal necesario para la fundición, esto afectaba a la frita ceramica, haciendo que
contuviera material sin fundición a causa de falta de temperatura, o material oscurecido a
causa de temperaturas demasiado altas.
6.3SIMULACION DEL PROCESO.
Las pruebas en simulación realizadas muestran que el sistema alcanza el cien por ciento de
la respuesta necesaria para la fundición cunado en controlador PID se implementa en el
sistema, en cambio el sistema solo alcanza el cincuenta por ciento de la respuesta cuando
solo está siendo retroalimentado sin ningún algoritmo de control.
6.4PERTURBACIONES.
Los defectos en el producto fundido son a causa de una diferencia de caudal por cantidad de
combustible que es utilizado en toda la planta, este no tiene ningún sistema de control de
ningún tipo.
Como no es constante en caudal necesario para la fundición y siendo diferentes
temperaturas para diferentes fundiciones, un cambio en el caudal afecta directamente la
fundición del esmalte ocasionando defectos en la calidad del producto.
6.5CONTROL EN CASCADA.
Para la corrección de perturbaciones en la variable manipulada, se coloca un medidor de
caudal en la variable manipulada, esto detectada que existe una diferencia de caudal y
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mandara la señal al controlador de caudal, esta controlador tiene dos consignas una
principal que proviene del controlador maestro y otra consigna remota que proviene del
controlador esclavo, el controlador esclavo coloca la posición de la válvula en la posición
necesaria para que salga el caudal necesario para cada fundición.
Las diferentes fundiciones tienen requieren de diferente consumo de combustible, esto se
respeta con el control en cascada ya que la consigna principal es la consigna maestra para el
controlador que manipula la variable manipulada.
6.6SIMULACION DE LA RESPUESTA CONTROLADA.
La simulación del sistema ante perturbaciones y la implementación de un control en
cascada hacen que el sistema tenga un control en la fundición cuando existan cambios de
caudal en la variable manipulada.
En las gráficas mostradas con anterioridad se muestra la diferencia de los sistemas
controlados con y sin perturbaciones. La calidad del producto se mejora porque se corrigen
los defectos ocasionados por las perturbaciones.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
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6.7 CONCLUSIONES.
El control ha sido definido bajo dos grandes perspectivas, una perspectiva limitada cuando
el sistema no está sometido a perturbaciones y una perspectiva amplia que es cuando el
control industrial contempla las perturbaciones que físicamente son los responsables de los
defectos en la producción.
Desde la perspectiva limitada, el control se concibe como la verificación posterior de los
resultados conseguidos sin perturbaciones en el seguimiento de los objetivos planteados y
el control de gastos invertido en el proceso realizado por los niveles directivos donde la
estandarización en términos cuantitativos, forma parte central de la acción de control.
Bajo la perspectiva amplia, el control es concebido como una actividad no sólo a nivel
directivo, sino de todos los niveles y miembros de la entidad, orientando a la organización
hacia el cumplimiento de los objetivos propuestos bajo mecanismos de medición
cualitativos y cuantitativos.
Este enfoque hace énfasis en los factores sociales y culturales presentes en el contexto
institucional ya que parte del principio que es el propio comportamiento individual quien
define en última instancia la eficacia de los métodos de control elegidos en la dinámica de
gestión.
Todo esto lleva a pensar que el control es un mecanismo que permite corregir desviaciones
a través de indicadores cualitativos y cuantitativos dentro de un contexto social amplio, a
fin de lograr el cumplimiento de los objetivos claves para el éxito organizacional, es decir,
el control se entiende no como un proceso netamente técnico de seguimiento, sino también
como un proceso informal donde se evalúan factores culturales, organizativos, humanos y
grupales.
HERNÁNDEZ CARRILLO BERENICE.
México DF.
BIBLIOGRAFIA.
1.- C. SMITH y A. CORRIPIO. "Principles and practice of automatic process control"
Wiley. 1985.
Modelos, simulación y síntesis de controladores especiales para procesos de ingeniería química. Otros
esquemas de control.
2.- G. STEPHANOPOULOS. "Chemical Process Control".
Prentice Hall. 1984.
Modelos y control retroalimentado de procesos de ingeniería química. Contiene otros esquemas de control y
sus aplicaciones en procesos químicos. Control digital.
3.- K. OGATA. "Ingeniería de control moderna".
Prentice Hall. 1997. 3era. Edición.
Análisis y control de sistemas eléctricos, neumáticos, mecánicos, electromecánicos e hidráulicos
retroalimentados. Diseño de compensadores.
Contiene análisis y diseño en espacio de estado. Uso de MatLab.
4.- R. DORF. ―Sistemas modernos de control. Teoría y práctica".
Adisson-Wesley Iberoamericana. 1989.
Análisis y compensación de sistemas eléctricos y mecánicos retroalimentados.
5.- E. O. DOEBELIN. "Control systems principles and design".
Wiley. 1985.
Análisis y compensación de sistemas retroalimentados. Ejemplos hidráulicos, electromecánicos y
aeroespaciales.
Contiene introducción a sistemas discretos y control digital.
6.- D. B. MIRON. "Design of feedback control systems".
HBJ Publishers. 1989.
Análisis y compensación de sistemas retroalimentados. Ejemplos eléctricos y térmicos sencillos.
7.- B. C. KUO. "Automatic control systems".
Prentice Hall. 1995.
Análisis y compensación de sistemas hidroeléctricos y mecánicos retroalimentados. Ejemplos de motores,
control de nivel y control de trayectoria en vehículos aéreos.
Contiene espacio de estado e introducción a sistemas discretos y control digital.
1
ANEXO A.
INICIO.
RECEPCIÓN DE
MATERIA PRIMA.
LISTO
PESADO DE
ESMALTE.
MEZCLADO DE
ESMALTE.
FUNDICIÓN DEL
ESMALTE.
SECADA DE LA
FRITA CERÁMICA.
MOLIENDA DE LA
FRITA CERÁMICA.
LISTO
LISTO
LISTO
SI
NO
SI
SI SI
LISTO
SI
SECADA Y PESADO
DEL PRODUCTO
FINAL.
ALMACENAMIENTO
DEL PRODUCTO
FINAL.
PRUEBA DE
CALIADAD. LISTO
SI
SI
PRUEBA DE
CALIADAD.
NO
LISTO
PRUEBA DE
CALIADAD.
NO
NO
NO
NO
I
APENDICE A.
II
APENDICE B.
III
APENDICE C.
IV
APENDICE D.