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7/22/2019 Tesis.AUTOMATIZACIN Y CONTROL PARA LA PLANTA DE INYECCIN DE AGUA SALADA(1).pdf
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UNIVERSIDAD DE ORIENTE
NCLEO DE ANZOTEGUI
ESCUELA DE INGENIERA Y CIENCIAS APLICADAS
DEPARTAMENTO DE COMPUTACIN Y SISTEMAS
PROPUESTA DE AUTOMATIZACIN Y CONTROL PARA
LA PLANTA DE INYECCIN DE AGUA SALADA DE LA
ESTACIN DE DESCARGA BARED 8, PERTENECIENTE A
EL DISTRITO MCURA
PRESENTADO POR:
JULIN ANTONIO PINO VILLARROEL
TRABAJO DE GRADO PRESENTADO ANTE LA UNIVERSIDAD DE
ORIENTE COMO REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL TTULO DE
INGENIERO DE SISTEMAS
BARCELONA, ABRIL DE 2009.
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UNIVERSIDAD DE ORIENTE
NCLEO DE ANZOTEGUI
ESCUELA DE INGENIERA Y CIENCIAS APLICADAS
DEPARTAMENTO DE COMPUTACIN Y SISTEMAS
PROPUESTA DE AUTOMATIZACIN Y CONTROL PARA
LA PLANTA DE INYECCIN DE AGUA SALADA DE LA
ESTACIN DE DESCARGA BARED 8, PERTENECIENTE A
EL DISTRITO MCURA
ASESORES
_____________________ _____________________
PROF. LUIS FELIPE ROJAS ING. NERIO VELASQUEZ
ASESOR ACADMICO ASESOR INDUSTRIAL
BARCELONA, ABRIL DE 2009.
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UNIVERSIDAD DE ORIENTE
NCLEO DE ANZOTEGUI
ESCUELA DE INGENIERA Y CIENCIAS APLICADAS
DEPARTAMENTO DE COMPUTACIN Y SISTEMAS
PROPUESTA DE AUTOMATIZACIN Y CONTROL PARALA PLANTA DE INYECCIN DE AGUA SALADA DE LA
ESTACIN DE DESCARGA BARED 8, PERTENECIENTE A
EL DISTRITO MCURA
JURADO
El jurado hace constar que asign a esta tesis la calificacin de:
_______________________
PROF. LUIS F. ROJAS
ASESOR ACADMICO
_______________________ ________________________
PROF. HECTOR MOISES PROF. MARIA GERARDINO
JURADO PRINCIPAL JURADO PRINCIPAL
BARCELONA, ABRIL DE 2009.
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RESOLUCION
De acuerdo con el artculo 44 del Reglamento de Trabajos de Grado de
la Universidad de Oriente:
LOS TRABAJOS DE GRADO SON PROPIEDAD DE LA
UNIVERSIDAD DE ORIENTE Y SLO PODRN SER UTILIZADOS PARA
OTROS FINES CON EL CONSENTIMIENTO DEL CONSEJO DE NCLEO
RESPECTIVO, EL CUAL PARTICIPAR AL CONSEJO UNIVERSITARIO.
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RESUMEN
En el presente trabajo se realiz un estudio del sistema actual de la
Planta de Inyeccin de Agua Salada (P.I.A.S.) ubicada en el Centro de
Operaciones Bared (C.O.B), en el estado Anzotegui, describiendo todos los
subsistemas involucrados en el proceso, as como tambin las variables
operacionales que manejan dichos subsistemas. Luego se procedi a definir
la filosofa de operacin que permiti deducir la filosofa de control con que la
planta operar de manera eficiente. Se propuso la arquitectura del sistema
de supervisin y control asociado a la planta. Finalmente se estableci losrequerimientos de equipos e instrumentos necesarios para respaldar la
implantacin de la arquitectura de sistema de supervisin y control de la
planta expuesta anteriormente. Una vez comprendido esto se procedi a
identificar los puntos problemticos donde se encontr lo siguiente: ausencia
de un sistema de control automatizado que permita supervisar las
actividades operacionales de la planta as como tambin de Controladores
Lgicos Programables (PLC); existencia de unas vlvulas neumticas
obsoletas entre los tanques de almacenamiento lo cual se traduca en un
proceso de trasferencia de agua lento y en un alto costo de mantenimiento
de la misma; y por ultimo inexistencia de una interfaz hombre-mquina que
permita interactuar a los operadores de la planta con el proceso que se
produce en dicha planta. De acuerdo a esto, se seleccionaron equipos
satisficieran las deficiencias en proceso, de acuerdo a criterios de
funcionamiento, as como que cumplieran con las Normas PDVSA y con
estndares internacionales. Realizando el anlisis de alternativas seseleccionaron las alternativas que mejor se adaptaran a las necesidades. De
acuerdo a ello se escogi el sistema de control ControlLogix de Allen
Bradley, la interfaz hombre-mquina MultiPanel 370 de Siemens y el
Transmisor de doble onda guiada de Rosemount serie 3002.
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DEDICATORIAS
A mi padre Julin y a mi madre Mara quienes siempre estuvieron all
para darme el empuje, consejos y apoyo durante toda mi vida y
carrera universitaria, y que eternamente sern el pilar fundamental de
lo que hoy en da soy y de lo que he logrado en mi vida.
A mis abuelos Evangelia y Fermn; Asteria (Maita) y Julin (desde all
arriba en el cielo) les dedico esta meta de mi vida.
A mi esposa Jennifer, quien ha sido mi mejor amiga con la que
siempre cont y quien me apoyo en este logro de mi vida.
A mis hijos Nathalia Alejandra y Julin Alejandro, por ser motivos de
inspiracin en mi vida y en mi carrera universitaria.
A todos mis panas (Alejandro Lpez, Yoel Snchez, Mara Martnez,
Adriana Castillo, Patricia Salazar, Joseph Serrano, Manuel Peters,
Rosmelis Machado, Franz Acosta), por estar en las buenas y malas, y
por haber compartido conmigo esta etapa tan bonita de la vida la cual
es ser estudiante universitario.
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AGRADECIMIENTOS
A mi asesor industrial Ing. Nerio Velsquez, por haberme brindado el
apoyo y la confianza durante el tiempo que estuve realizando las
pasantas en el departamento de Mantenimiento Mayor de PDVSA
distrito Mcura.
Al profesor Luis Felipe Rojas por haberme brindado sus sabios
consejos y ayudado en la realizacin de este proyecto.
Al profesor Pedro Dorta por ser ms que un profesor que me imparti
clases un amigo con el que cont durante mi carrera universitaria.
A mi to Jess R. Pino M. (Chuo), quien me tendi la mano
incondicionalmente en momentos difciles de mi vida.
A la Universidad de Oriente por haberme admitido y formarme en el
profesional que hoy en da soy.
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INDICE GENERAL
RESOLUCION.........................................................................................................................IV
RESUMEN .................................................................................................................................V
DEDICATORIAS ....................................................................................................................VI
AGRADECIMIENTOS......................................................................................................... VII
INDICE GENERAL .............................................................................................................VIII
CAPTULO I............................................................................................................................ 12
INTRODUCCIN ................................................................................................................... 12
CAPTULO II .......................................................................................................................... 14
EL PROBLEMA...................................................................................................................... 14
2.1PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................................................... 14
2.2OBJETIVOS ....................................................................................................................... 17
2.2.1 Objetivo General:.................................................................................................... 17
2.2.2 Objetivos Especficos: ............................................................................................. 17
CAPTULO III......................................................................................................................... 18
MARCO TERICO................................................................................................................ 18
3.1ANTECEDENTES ............................................................................................................... 18
3.2 FUNDAMENTOS TERICOS ............................................................................................... 20
3.2.1 Principales equipos utilizados en el proceso de tratamiento de crudo y generacin
de agua salada............................................................................................................................. 213.2.1.1 Separadores [6]............................................................................................................... 213.2.1.2 Calentadores [6].............................................................................................................. 223.2.1.3 Tanques de almacenamiento [6] ..................................................................................... 23
3.2.2 Autmatas programables......................................................................................... 24
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3.2.3 Unidad central de procesos (CPU) ......................................................................... 263.2.3.1 Memoria del autmata.................................................................................................... 283.2.3.2 Memoria de programa .................................................................................................... 293.2.3.3 Funcin del autmata programable................................................................................. 29
3.2.4 Descripcin general de un PLC[5] ........................................................................ 303.2.4.1 Programacin de un PLC................................................................................................ 333.2.4.2 La estructura bsica de cualquier autmata programable ............................................... 343.2.4.3 Comunicaciones lgicas de un PLC ............................................................................... 353.2.4.4 Tcnicas de automatizacin en los PLC ......................................................................... 37
3.2.4.4.1 Lgica cableada...................................................................................................... 373.2.4.4.1 .1 Estados OFF y ON....................................................................................... 39
3.2.4.4.2 Lgica programada................................................................................................. 403.2.4.5 Memoria necesaria en la automatizacin de procesos .................................................... 40
3.2.4.5.1 Memoria RAM....................................................................................................... 413.2.4.5.2 Memoria ROM....................................................................................................... 42
3.2.4.6 Mdulos de comunicacin.............................................................................................. 423.2.4.7 Consola de programacin............................................................................................... 433.2.4.8 Fuente de poder .............................................................................................................. 433.2.4.9 Bastidor de entrada y salida [6] ...................................................................................... 443.2.4.10 Bastidor remoto [6]....................................................................................................... 453.2.4.11 Direccionamiento de casilleros y grupos [6]................................................................. 453.2.4.12 PLC en comparacin con otros sistemas de control...................................................... 463.2.4.13 Seales Analgicas y digitales...................................................................................... 483.2.4.14 Capacidades E/S en los PLC modulares ....................................................................... 51
3.2.5 Sistemas de control[5]............................................................................................ 523.2.5.1 Sistemas de control de lazo abierto[5] ........................................................................... 533.2.5.2 Sistemas de control de lazo cerrado[5] .......................................................................... 54
3.2.6 Automatizacin [9].................................................................................................. 543.2.6.1 La Parte Operativa [9] .................................................................................................... 54
3.2.6.1.1 Accionadores y Preaccionadores............................................................................ 553.2.6.2 La Parte de Mando [9] .................................................................................................... 55
3.2.6.2.1 Tecnologas cableadas............................................................................................ 563.2.6.2.2 Tecnologas programadas....................................................................................... 56
3.2.6.3 Objetivos de la automatizacin....................................................................................... 57CAPITULO IV......................................................................................................................... 61
RESULTADOS ........................................................................................................................ 61
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4.1DESCRIPCIN ACTUAL DEL SISTEMA DE LA PLANTA DE INYECCIN DE AGUA SALADA,
IDENTIFICANDO LAS VARIABLES QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO.................................................. 61
4.1.1 Introduccin ............................................................................................................ 61
4.1.2 Funcionamiento de la Planta de Inyeccin de Agua Salada. ................................. 654.1.2.1 Tanque de principal de agua........................................................................................... 674.1.2.2 Tanque de inyeccin de agua .......................................................................................... 684.1.2.3 Tanque de desnatado ...................................................................................................... 694.1.2.4 Bombas de inyeccin...................................................................................................... 704.1.2.5 Suministro de electricidad .............................................................................................. 724.1.2.6 Sistema de medicin de agua.......................................................................................... 72
4.1.3 Resumen de los posibles interruptores y alarmas a instalar en los tanques E-177 y
E-176 ........................................................................................................................................... 74
4.1.4 Identificacin de la problemtica............................................................................ 74
4.1.4.1 Ausencia de un sistema de control automatizado ........................................................... 754.1.4.2 Obsolescencia del sistema de medicin de agua en los tanques de almacenamiento...... 754.1.4.3 Altos Costos de Mantenimiento de operacin ................................................................ 75
4.2ESTABLECIMIENTO DE LA FILOSOFA DE CONTROL QUE CUBRIR LAS NECESIDADES
OPERATIVAS DEL SISTEMA DE INYECCIN DE AGUA SALADA............................................................. 76
4.2.1 Diagrama de Flujo referente a la Lgica de control que tendrn los PLC para
la automatizacin y control del sistema de inyeccin de agua salada. ....................................... 83
4.3DEFINICIN DE LA ARQUITECTURA DE CONTROL PARA LA PLANTA DE INYECCIN DE AGUA
SALADA............................................................................................................................................. 87
4.3.1 Arquitectura del sistema propuesto ......................................................................... 874.4ESTABLECIMIENTO DE LOS REQUERIMIENTOS Y EQUIPOS PARA LA AUTOMATIZACIN Y
CONTROL DE LA PLANTA ................................................................................................................... 90
4.4.1. Requerimientos generales ...................................................................................... 91
4.4.2 Sistema de control ................................................................................................... 914.4.2.1 Requerimientos de funcionamiento ............................................................................... 91
4.4.3 Requerimientos de seguridad .................................................................................. 92
4.4.4 Interfaz hombre-mquina ....................................................................................... 924.4.4.1 Requerimientos de funcionamiento ................................................................................ 93
4.4.5 Transmisor de doble onda guiada serie 3300 de Rosemount.................................. 944.4.5.1 Requerimientos de funcionamiento ................................................................................ 954.4.5.2 Sondas de los transmisores............................................................................................. 964.4.5.3 Medicin de niveles de los transmisores SERIE 3300 Rosemount................................. 97
4.4.6 Anlisis de alternativas ........................................................................................... 984.4.6.1 Sistemas de control (PLC).............................................................................................. 98
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4.4.6.1.1 PLC Simatic S7 400 de Siemens............................................................................ 984.4.6.1.2 PLC ControlLogix de Allen Bradley.................................................................... 1004.4.6.1.3 PLC Fanuc 90 70 de General Electric ............................................................... 101
4.4.6.2 Interfaz de operador...................................................................................................... 102
4.4.6.2.1 PanelView 1000 color de Allen Bradley .............................................................. 1024.4.6.2.2 Multipanel 370 de Siemens .................................................................................. 102
4.4.6.3 Transmisor de doble onda guiada serie 3300 de Rosemount ........................................ 1034.4.6.3.1 Transmisor de doble onda guiada Rosemount modelo 3301 ................................ 1034.4.6.3.2 Transmisor de doble onda guiada Rosemount modelo 3302 ................................ 105
4.4.7 Balance de alternativas ......................................................................................... 1064.4.7.1 Sistema de control ........................................................................................................ 1064.4.7.2 Interfaz del operador..................................................................................................... 1074.4.7.3 Transmisor de doble onda guiada................................................................................. 108
4.4.8 Requerimientos finales .......................................................................................... 1104.4.8.1 Sistema de control (PLC) ............................................................................................. 1104.4.8.2 Interfaz del operador..................................................................................................... 1114.4.8.3 Transmisor de doble onda guiada................................................................................. 112
CAPITULO V ........................................................................................................................ 113
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES................................................................... 113
5.1CONCLUSIONES......................................................................................................... 113
5.2RECOMENDACIONES....................................................................................................... 115
BIBLIOGRAFA ................................................................................................................... 116
METADATOS PARA TRABAJOS DE GRADO, TESIS Y ASCENSO:.......... ........... ... 118
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CAPTULO I
INTRODUCCIN
El presente captulo muestra un breve prembulo sobre la gran
importancia de los sistemas automatizados y el control de los procesos
industriales, en un mundo que depende en su totalidad de los avances
tecnolgicos para ser aplicados en ciertos procesos productivos. Adems se
establece un contenido estructural del presente proyecto de investigacin.
En los actuales momentos, la tendencia en el campo de automatizacin y
el control de procesos estn orientados a la mejora de las operacionesejecutadas por diversas empresas de manufactura, de produccin por lotes,
de produccin continua, entre otras.
Especficamente, las empresas petroleras que se caracterizan por una
produccin con procesos continuos, necesita el monitoreo y control
permanente en la mayora de sus operaciones, de tal manera de obtener
beneficios optimizando dicha produccin y evitando la ocurrencia de
incidentes y accidentes dentro de las instalaciones que pueden causar daos
materiales y humanos.
La automatizacin es un sistema donde se trasfieren tareas de
produccin, realizadas habitualmente por operadores humanos a un conjunto
de elementos tecnolgicos.
Segn la importancia de la automatizacin, se distinguen los siguientes
grados:
Aplicaciones en pequea escala, como mejorar el funcionamiento de
una mquina.
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Posibilidad de que un hombre trabaje con ms de una mquina.
Coordinar o controlar una serie de operaciones y una serie de
magnitudes simultneamente.
Realizar procesos totalmente continuos por medio de secuencias
programadas.
El proyecto se basar en realizar una propuesta de automatizacin para
el control del proceso de inyeccin de agua salada, as como tambin la
definicin de una arquitectura de control que cumpla con las necesidades de
la planta.
Esta investigacin se encuentra conformada por cinco captulos que
explican de forma detallada la evolucin de este trabajo. Captulo 1,
Introduccinen este parte se muestra una explicacin muy resumida acerca
del tema central de la investigacin. Captulo 2, El problemaen donde se
expone de manera clara y explcita la problemtica que origina esta
investigacin as como tambin el objetivo general y los objetivos especficos
que permitirn desarrollar este proyecto de manera ordenada y sistemtica.
Captulo 3, Marco tericoaqu se establecen algunos proyectos similares a
el que se est desarrollando as como tambin algunos conceptos que son
de gran importancia para la realizacin de la investigacin. Captulo 4,
Resultados en este captulo se desarrollan cada uno de los objetivos
especficos expuestos anteriormente que permitirn llegar al resultado.
Captulo 5, Conclusiones y Recomendaciones aqu se procede a
especificar las conclusiones que se produjeron como parte del estudio, ascomo el planteamiento de algunas recomendaciones para la mejora de este
proyecto.
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CAPTULO II
EL PROBLEMA
El presente captulo describe con exactitud el problema planteado,
siendo la matriz principal que origina la realizacin de este proyecto de
investigacin. De igual forma se establece el objetivo general y los objetivos
especficos planteados en este proyecto.
2.1 Planteamiento del problema
PETRLEOS DE VENEZUELA S.A. (PDVSA), representa para laeconoma del pas una fuente importante y confiable de generacin de
recursos requeridos para el desarrollo nacional. Para generar estos recursos
se deben realizar una serie de procesos o pasos para la produccin y
comercializacin de hidrocarburos, tales como: exploracin, perforacin,
produccin, deshidratacin y transporte.
La Cuenca Oriental es considerada una de las mayores productoras
de petrleo pesado y extrapolado en el mbito nacional y mundial, est
constituida por diversas estaciones de descarga y a su vez por un gran
nmero de pozos para ser explotados, localizados en diferentes reas a lo
largo de dicha cuenca, cabe destacar que para estas estaciones de descarga
existe un gran nmero de plantas de inyeccin de agua salada (P.I.A.S.) las
cuales se encargan de distribuir el agua generada como consecuencia del
proceso de produccin y deshidratacin del crudo.
Particularmente la P.I.A.S. de la estacin BARED 8 que se
encuentra ubicada en el municipio Miranda del estado Anzotegui, a 36 km.
al sur de San Tom; la cual est diseada para recibir agua salada
proveniente de las estaciones de descarga del rea, para luego almacenar
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dicha agua y bombearla por un proceso de inyeccin a pozos ya explotados
y sin ninguna vida operativa.
Hoy en da la P.I.A.S. BARED 8, es una de las plantas de inyeccinde agua salada ms importantes del distrito, ya que esta maneja gran parte
del agua que se genera a partir del proceso de produccin de ms de 3.000
barriles de petrleo diarios, y con una disposicin de 107 pozos petroleros
explotados por los diferentes mtodos de extraccin de crudo.
Actualmente, los subsistemas que integran la P.I.A.S. de BARED 8,
no han sido explotados al mximo, ya que no cuentan con la automatizacinde los procesos que permiten que se realicen la ejecucin, control y
evaluacin de los mismos de una manera eficiente, principalmente el proceso
de circulacin de agua salada a travs de las tuberas. Este proceso de
inyeccin de agua obedece al nivel de producto total existente en los tanques
que almacenan el agua, especficamente al grosor de nata que se produce a
consecuencia de la deshidratacin de crudo, as como tambin la proteccin
del sistema de bombeo (bombas y tuberas), lo cual representa el punto de
eje del sistema de control que gestione la planta. Todo esto conforma el
sistema de bombeo e inyeccin a los pozos del rea que no estn
operativos.
Una de las principales metas de PDVSA es ser la corporacin
energtica de referencia mundial por excelencia, para satisfacer las
necesidades de energa de la sociedad, apoyndoles en la calidad de sus
trabajadores y tecnologas de vanguardias, para crear el mximo valor parala nacin venezolana. Por esta razn PDVSA debe estar a la par con los
avances tecnolgicos de la actualidad, de ah que el propsito de esta sea
crear una propuesta de automatizacin y control de una planta que vaya
acorde con estos avances y que permita a la empresa (inicialmente a la
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P.I.A.S. de la estacin BARED - 8) realizar todas las operaciones del sistema
de inyeccin de agua salada de manera automtica. Creando una interfaz
hombre mquina para que de manera coordinada se logre la eficiencia,
productividad y seguridad de este sistema.
Para ello se abordarn diferentes tcnicas como la revisin
bibliogrfica, la investigacin de campo, el diagrama PI&D, control lgico de
los PLC, entre otros; as como la utilizacin de diferentes recursos entre los
cuales se pueden mencionar las computadoras personales como estaciones
supervisoras, software de aplicacin en el rea industrial, software de
supervisin y control, complementando con los diferentes tipos deinstrumentos que permitirn la medicin y el envo de seales, los cuales
permitirn lograr los objetivos propuestos.
Con este trabajo se pretende llegar hasta la fase de diseo, la cual
no contempla la ejecucin ni implementacin de dicha propuesta. Esta debe
ser sometida a normas y estndares que tiene la empresa para la
adecuacin de este diseo. La propuesta pretende crear procesos netamente
automatizados que le permitan a PDVSA el crecimiento tecnolgico,
especficamente en los procesos de inyeccin de agua salada pertenecientes
a la P.I.A.S. de la estacin BARED 8 y as cumplir con sus obligaciones en
cuanto a los procesos de inyeccin de agua salada requeridas por la unidad
de Deshidratacin de una forma efectiva y eficiente.
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2.2 Objetivos
2.2.1 Objetivo General:
Elaborar una propuesta de Automatizacin y control para una planta de
inyeccin de agua salada de la estacin de descarga BARED 8,
perteneciente al distrito Mcura.
2.2.2 Objetivos Especficos:
1. Describir el sistema actual de la planta de inyeccin de agua salada,identificando las variables que intervienen en el proceso.
2. Establecer la filosofa de control que cubra las necesidades operativas
del sistema de inyeccin de agua salada.
3. Definir la arquitectura de control para la planta de inyeccin de agua
salada.
4. Establecer los requerimientos y equipos que permitan la automatizacin
y control de la planta.
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CAPTULO III
MARCO TERICO
Este captulo muestra un breve resumen de trabajos en donde la
principal problemtica es el rea de automatizacin y control de procesos en
los cuales se ven reflejados aspectos similares a los que se van a desarrollar
en este proyecto. Tambin se explican las bases tericas relacionadas con el
presente trabajo los cuales permitirn obtener informacin importante acerca
de la problemtica que se pretende resolver en esta investigacin.
3.1Antecedentes
Para este proyecto se pudieron encontrar algunos trabajos previos que
fueron realizados en la Universidad de Oriente Ncleo de Anzotegui
(Venezuela), donde se implementaron sistemas automatizados destinados al
control de procesos. A continuacin se nombran algunos de ellos:
Gonzlez, K. (2005), desarroll un trabajo de grado titulado Diseo
de un sistema de supervisin para los controladores lgicos
programables (PLC) de una unidad mejoradora de crudo extrapesado ,
en esta investigacin se desarroll un sistema que permite el control a
distancia de parmetros operacionales en tiempo real, tomando como
referencia a el PLC (controlador lgico programable) que funciona en la
planta, dicho controlador est ligado a los procesos que ocurren en la planta
donde se mejora la calidad del petrleo, esto fue posible gracias a la
utilizacin de herramientas tales como RSView32, RSLogix5000 y RSLinx,
estos a su vez utilizados para el monitoreo de la informacin que detalla el
funcionamiento de PLC basada en conexiones PLC-PC de supervisin. [1]
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Costas, A. (2003), desarroll un trabajo de grado titulado Diseo de
un s istema de supervisin para las plantas compresoras de gas de rea
I, rea II y Morichal del distrito San Tom,este trabajo de grado se bas
en la actualizacin del sistema de supervisin a travs de la instalacin deequipos e instrumentacin para el control de las variables operacionales de
los moto compresores con la finalidad de obtener un sealizacin correcta y
oportuna de las causas de paro de los moto compresores, mediante el
monitoreo de las seales de presin y temperatura en cada una de las
etapas, vibracin del motor compresor y sistema de enfriamiento.[2]
Prado, N. (2003), desarroll un trabajo tituladoDesarrollo de
ingeniera conceptual-bsica para la actualizacin tecnolgica de las
plantas compresoras de gas en el centro de operaciones morichal-
estado Monagas ,en este proyecto se realiz un estudio del sistema actual
de las plantas compresoras de gas JOBO 2, JOBO 3 Y PILON ubicadas en el
centro de operaciones Morichal (C.O.M.) en el estado Monagas, analizando
todos los subsistemas involucrados en el proceso a travs del conocimiento
de la filosofa de la operacin y control as como tambin de la arquitectura
de los sistemas de supervisin y control asociados a las plantas. Esto con el
fin de determinar la implementacin de los instrumentos que sean pertinentes
para la actualizacin tecnolgica de las plantas de acuerdo a criterios de
funcionamiento. De acuerdo a esto se escogi el sistema de control
ControlLogix de Allen Bradley. [3]
Martnez, K. (2003), desarroll un trabajo titulado Mejoramiento del
proceso de comunicacin entre el centro de administracin de energa ylas sub-estaciones de PDVSA San Tom , en esta investigacin se realiz
un estudio comparativo de las caractersticas funcionales de los protocolos
MODBUS y DNP V3.0 con el fin de mejorar el proceso de comunicacin entre
el CADE y las Sub-estaciones de PDVSA San Tom, se plantearon pruebas
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necesarias para evaluar las caractersticas funcionales de los protocolos y
determinar aquel que ms se ajuste a las necesidades de la empresa
elctrica. Se obtuvo que el protocolo DNP V3.0 tiene la capacidad de
interrogar los eventos por clases y de manejar mayor volumen de informacinen el mensaje. [4]
Gmez, M. (2001), desarroll un trabajo titulado Diseo de un
Sistema que permita la supervisin y control a distancia de las pruebas
de pozos productores de crudo , en esta obra se realiz un estudio de dos
propuestas para la automatizacin del mltiple de produccin, as como
tambin la realizacin de un programa en diagrama escalera medianteSoftware RSLogix 5 English para automatizar las pruebas de pozos de una
estacin de descarga de crudo. [5]
3.2 Fundamentos tericos
Planta de agua salada: la planta de agua salada tiene como propsito
recolectar, almacenar e inyectar el agua salada a pozos que ya han sido
explotados, esta agua es generada como consecuencia del proceso de
tratamiento de crudo que se suscita en una estacin de deshidratacin del
petrleo.
La planta de inyeccin de agua salada (P.I.A.S.) cuenta con 3 reas
bien definidas para el cumplimiento de los objetivos de produccin y calidad.
Estas reas son:
rea de tratamiento de crudo: en esta rea ocurren los procesos de
separacin, calentamiento, deshidratacin del crudo; esto es con la finalidad
de poder separar el crudo del gas y el agua salada. En esta rea intervienen
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elementos importantes para el proceso de tratamiento como: mltiples de
produccin, separadores, calentadores, tanques de lavado.
rea de almacenamiento : luego de haber separado el agua del crudo,el agua es transferida por medio de tuberas a los tanques existentes en la
(P.I.A.S.), para posteriormente mandar esa agua hacia el rea de bombeo.
rea de bombeo: consta de motores bombas utilizadas para la
transferencia de agua salada almacenada en el patio de tanques, donde
finalmente ser inyectada a pozos que ya han sido explotados y rehabilitados
para la recepcin de dicha agua.
3.2.1 Principales equipos utilizados en el proceso de tratamiento de
crudo y generacin de agua salada
3.2.1.1 Separadores [6]
Son aquellos que permiten disgregar los componentes y contaminantes
con el fin de optimizar el procesamiento y comercializacin de alguno de
ellos (crudo y gas).
Los separadores forman parte de un gran grupo de equipos que
involucran los procesos fsicos de separacin de fases: lquidas y gaseosas.
Se disean equipos para separar mezclas de diferentes fases, a saber: gas-
liquido, gas-slido. Lquido-lquido, lquido-slido, slido-slido y slido-
lquido-gas.
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Figura 3.1: Tanque separador BARED-8.
Fuente: [Propia].
El propsito esencial de todo separador es liberar la fase deseada tan
completamente de la(s) otras que como sea posible, y para esto hay que
seleccionar el proceso fsico adecuado. Existen varios procesos fsicos de
separacin los equipos utilizados en la industria petrolera los principios msutilizados son los tres primeros: gravedad, inercia y choque. De este amplio
universo de separadores, solamente se concentrara la atencin en los
separadores gas-lquido, los cuales son utilizados frecuentemente en las
reas de produccin para separar el gas del petrleo y el agua.
3.2.1.2 Calentadores [6]
Son aquellos que poseen un nmero de dispositivos en los cuales el
calor liberado por la combustin del combustible dentro de un cercado
aislado internamente se transfiere al fluido que fluye dentro de los sistemas
tubulares. Generalmente los elementos tubulares de calentadores son
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instalados a lo largo de las paredes y techo de la cmara de combustin,
donde ocurren altas transferencias de calor, principalmente por radiacin.
Adems, si se justifica econmicamente, tambin se debe agregar una
bancada de tubos, donde se produce transferencia de calor principalmentepor conveccin.
La funcin principal de un calentador es proveer una cantidad
especfica de calor a niveles de temperaturas relativamente altos, con el fin
de calentar el fluido. El calentador debe ser capaz de ejecutar esta actividad
sin producir sobrecalentamiento de sus componentes estructurales y del
fluido.[6]
Figura 3.2: Tanques calentadores de crudo BARED-8.
Fuente: [Propia].
3.2.1.3 Tanques de almacenamiento [6]
Los tanques son utilizados para almacenar dependiendo de su
condicin agua salada o crudo. En este caso hacemos referencia a los
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tanques que se encargan de almacenar agua salada proveniente de la
estacin de tratamiento de crudo extrado de los pozos directamente.
Figura 3.3: Tanque de almacenamiento de crudo BARED-8.
Fuente: [Propia].
Una vez descritos los principales procesos donde se realizara la
investigacin, hay que establecer y definir los equipos que permitan el logrode los objetivos propuestos.
3.2.2 Autmatas programables
Son equipos electrnicos, en general basados en microprocesadores,que aceptan seales de entrada para evaluar y generar salidas apropiadas
para controlar mquinas o procesos. Los controladores programables son de
control lgico y su funcin lgica queda determinada por un programa
introducido por el usuario en el que se indica el modo en que los dispositivos
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de salida funcionan en respuestas a los de entrada. El programa se
almacena en una memoria de lectura-escritura, por lo que puede introducirse
una modificacin en el proceso controlado mediante la programacin. [7]
Para NEMA (The Nacional Electrical Manufactures Association), un
autmata programable es un aparato electrnico que opera digitalmente y
usa una memoria programable para el almacenamiento interno de
instrucciones, para implementar funciones especficas tales como lgica,
secuencia, temporalizacin, conteo y aritmtica para controlar mquinas o
procesos por medio de mdulos de entradas o salidas, analgicas o digitales.
Figura 3.4: Allen Bradley PLC.
Fuente[www.tcgroupinc.com/.../Refinery%20PLC%20Rack.JPG].
Los primeros autmatas pretendan, bsicamente, sustituir a los
sistemas convencionales con rels o circuitos lgicos, con las ventajas
evidentes que supona tener un hardware estndar. Por ello nacieron con
prestaciones muy similares a las que ofrecan dichas tecnologas
convencionales y sus lenguajes de programacin eran muy prximos a losesquemticos empleados en las mismas.
Estas limitaciones eran aconsejadas solo por limitaciones de mercado y
no respondan a limitaciones tecnolgicas de aquel momento, ya que las
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posibilidades que podan ofrecer eran realmente mayores.
Los autmatas actuales han mejorado sus prestaciones respecto a los
primeros en muchos aspectos, pero fundamentalmente a base deincorporarse un juego de instrucciones ms potente, mejorar la velocidad de
respuesta y dotar al autmata de capacidad de comunicacin. Los juegos de
instrucciones incluyen actualmente, aparte de las operaciones lgicas con
bits, temporizadores y controladores, otra serie de operaciones lgicas con
palabras, operaciones aritmticas, tratamiento de seales analgicas,
funciones de comunicacin y una serie de funciones de control no
disponibles en la tecnologa clsica de rels, todo ello a potenciado suaplicacin masiva al control industrial.
3.2.3 Unidad central de procesos (CPU)
La CPU (Central Processing Unit), construida alrededor de un sistema
microprocesador, es la encargada de ejecutar el programa de usuario y de
ordenar la transferencia de informacin en el sistema de entradas/salidas.
Adicionalmente, puede tambin establecer comunicacin con perifricos
externos, como son la unidad de programacin, monitores LED/LCD o TRC,
otros autmatas u ordenadores, etc. Para ejecutar el programa, CPU
adquiere sucesivamente las instrucciones una a una desde memoria, y
realiza las operaciones especificadas en las mismas.
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Figura 3.5: Unidad central de procesos.
Fuente [www.tinglado.net/.../puzle_cpu/cpu.jpg].
Esta decodificacin puede realizarse mediante un sistema de lgica
estndar con microprocesador ms memoria, o puede estar programada por
hardware (cableada) en el propio procesador, segn diseo propio del
fabricante utilizando tecnologas custom o personalizadas. La primera
solucin, ms barata, es la ms frecuente en autmatas de gama baja,
mientras que la segunda, con mayores costos de diseo y desarrollo, es
propia de autmatas de gama media y alta, donde el incremento de precios
queda compensado por los bajos tiempos de ejecucin de las instrucciones,
muchos menores que en la solucin estndar (dcimas de microsegundos
frente a decenas de microsegundos). En cualquier caso, esta descodificacin
interna de instrucciones, es transparente al usuario, que no puedemodificarla en ninguna forma. Al ser adems especfica de cada fabricante,
que elige el lenguaje de programacin que soportara su autmata
(instrucciones, contactos o smbolos grficos), y la forma en que se
interpretan sus instrucciones, la descodificacin no solo limita los lenguajes
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disponibles de programacin, sino que es la responsable de que no todas la
CPU pueden ejecutar los mismos programas, aunque hayan sido escritos en
el mismo lenguaje, impidiendo, en definitiva, el intercambio de programas
entre autmatas diferentes.
3.2.3.1 Memoria del autmata
La memoria de un trabajo es el almacn donde el autmata guarda todo
cuanto necesita para ejecutar la tarea de control.
Figura 3.6: Memoria del autmata programable.
Fuente [www.sc.ehu.es/.../MEMORIA/ap73.jpg].
Una memoria de semiconductor es un dispositivo electrnico capaz de
almacenar datos binarios (seales de niveles altos y bajos unos y ceros,
denominadas bits), que pueden ser ledos posicin a posicin (bit a bit), o por
bloques de ocho (byte) o diecisis posiciones (Word).
La memoria ideal para el autmata debera ser simultnea rpida,
pequea, barata y de bajo consumo de energa. Como ninguna de las
memorias del mercado reune todas las condiciones, los autmatas combinan
distintos tipos de ellas.
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3.2.3.2 Memoria de programa
La memoria de programa, normalmente externa y enchufable a la CPU,almacena el programa escrito por el usuario para su aplicacin.
Adicionalmente puede contener datos alfanumricos y textos variables, y
tambin informacin parametrizada sobre el sistema, por ejemplo nombre o
identificador del programa escrito, indicaciones sobre la configuracin de E/S
o sobre la red de autmatas, si existe, etc.
Cada instruccin de usuario ocupa un paso o direccin del programa ynecesita, normalmente, para ser almacenada, dos posiciones de memoria de
semiconductor (dos bytes). La capacidad total del programa de usuario
depende del tipo de CPU utilizada, y puede oscilar entre los 1 K pasos de un
autmata compacto hasta algn centenar de K instrucciones en un autmata
de gama alta.
La ejecucin del programa en el mdulo es siempre prioritaria, de modo
que si se da tensin al autmata con un mdulo conectado, la CPU ejecuta
su programa y no el contenido en la memoria RAM interna.
3.2.3.3 Funcin del autmata programable
El Autmata Programable es un dispositivo de control principal de los
sistemas automatizados en la industria. Controla las secuencias de arranque,
operacin y parada. Mediante el almacenamiento de los programas decontrol del equipo lgico y los datos del monitoreo de la condicin de
funcionamiento y los datos solicitados por el operador, el controlador enva
comando a los dispositivos de control para regular la velocidad, la
temperatura, la carga, el nivel y otras condiciones del sistema.
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3.2.4 Descripcin general de un PLC[5]
Los PLC (Programable Logic Controller) son dispositivos electrnicosmuy usados en Automatizacin Industrial. Es un hardware industrial, que se
utiliza para la obtencin de datos. Una vez obtenidos, los pasa a travs de
bus (por ejemplo por Ethernet) en un servidor.
Su historia se remonta a finales de la dcada de 1960 cuando la
industria busc en las nuevas tecnologas electrnicas una solucin ms
eficiente para reemplazar los sistemas de control basados en circuitoselctricos con rels, interruptores y otros componentes comnmente
utilizados para el control de los sistemas de lgica combinacional.
Bsicamente un PLC es el cerebro de un proceso industrial de
produccin o fabricacin, reemplazando a los sistemas de control de rels y
temporizadores cableados. Se puede pensar en un PLC como una
computadora desarrollada para soportar las severas condiciones a las que
puede ser sometida en un ambiente industrial, auto que usted conduce, el
diario que usted lee, las bebidas que usted consume, etc.
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Figura 3.7: Esquemtico de un PLC (2008).
Fuente [www.mx.geocities.com/.../td/EntradaDiscretaAC.gif].
Hoy en da, los PLCno slo controlan la lgica de funcionamiento de
mquinas, plantas y procesos industriales, sino que tambin pueden realizar
operaciones aritmticas, manejar seales analgicas para realizarestrategias de control, tales como controladores proporcional integral
derivativo (PID).
Los PLC actuales pueden comunicarse con otros controladores y
computadoras en redes de rea local, y son una parte fundamental de los
modernos sistemas de control distribuido.
Existen varios lenguajes de programacin, tradicionalmente los msutilizados son el diagrama de escalera (Lenguaje Ladder), preferido por los
electricistas, lista de instrucciones y programacin por estados, aunque se
han incorporado lenguajes ms intuitivos que permiten implementar
algoritmos complejos mediante simples diagramas de flujo ms fciles de
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interpretar y mantener. Un lenguaje ms reciente, preferido por los
informticos y electrnicos, es el FBD (FunctionBlock Diagram) que emplea
compuertas lgicas y bloques con distintas funciones conectados entre s.
En la programacin se pueden incluir diferentes tipos de operandos,
desde los ms simples como lgica booleana, contadores, temporizadores,
contactos, bobinas y operadores matemticos, hasta operaciones ms
complejas como manejo de tablas (recetas), apuntadores, algoritmos PID y
funciones de comunicacin multiprotocolo que le permitiran interconectarse
con otros dispositivos.
Los PLC fueron inventados en respuesta a las necesidades de la
automatizacin de la industria automotriz norteamericana por el ingeniero
Estadounidense Dick Morley. Antes de los PLC, el control, las secuenciacin,
y la lgica para la manufactura de automviles era realizada utilizando rels,
contadores, y controladores dedicados. El proceso para actualizar dichas
instalaciones en la industria ao tras ao era muy costoso y consuma mucho
tiempo, y los sistemas basados en rels tenan que ser re cableados por
electricistas especializados.
La industria automotriz es todava una de las ms grandes usuarias de
PLC, y Modicon todava numera algunos de sus modelos de controladores
con la terminacin ochenta y cuatro. Los PLC son utilizados en muchas
diferentes industrias y mquinas tales como mquinas de empaquetado y de
semiconductores. Algunas marcas con alto prestigio son ABB Ltd., Koyo,
Honeywell, Siemens, Trend Controls, Schneider Electric, Omron, Rockwell(Allen-Bradley), General Electric, fraz max, Tesco Controls, Panasonic
(Matsushita), Mitsubishi e Isi Matrix machines.
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3.2.4.1 Programacin de un PLC
Los primeros PLC, en la primera mitad de los 80, eran programados
usando sistemas de programacin propietarios o terminales de programacinespecializados, que a menudo tenan teclas de funciones dedicadas que
representaban los elementos lgicos de los programas de PLC. Los
programas eran guardados en cintas. Ms recientemente, los programas
PLC son escritos en aplicaciones especiales en un ordenador, y luego son
descargados directamente mediante un cable o una red al PLC. Los PLC
viejos usan una memoria no voltil (magnetic core memory) pero ahora los
programas son guardados en una RAM con batera propia o en otrossistemas de memoria no voltil como las memoria flash.
Los primeros PLC fueron diseados para ser usados por electricistas
que podan aprender a programar los PLC en el trabajo. Estos PLC eran
programados con lgica de escalera (ladder logic). Los PLC modernos
pueden ser programados de muchas formas, desde la lgica de escalera
hasta lenguajes de programacin tradicionales como el BASIC o C. Otro
mtodo es usar la Lgica de Estados (State Logic), un lenguaje de
programacin de alto nivel diseado para programas PLC basndose en los
diagramas de transicin de estados.
Recientemente, el estndar internacional IEC 61131-3 se est
volviendo muy popular. IEC 61131-3 define cinco lenguajes de programacin
para los sistemas de control programables: FBD (Function block diagram),
LD (Ladder diagram), ST (Structured text), similar al Lenguaje deprogramacin Pascal), IL (Instruction list) y SFC (Sequential function chart).
Mientras que los conceptos fundamentales de la programacin del
PLC son comunes a todos los fabricantes, las diferencias en el
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direccionamiento E/S, la organizacin de la memoria y el conjunto de
instrucciones hace que los programas de los PLC nunca se puedan usar
entre diversos fabricantes. Incluso dentro de la misma lnea de productos de
un solo fabricante, diversos modelos pueden no ser directamentecompatibles.
3.2.4.2 La estructura bsica de cualquier autmata programable
Fuente de alimentacin:convierte la tensin de la red, 110 220V ac
a baja tensin de cc (24V por ejemplo) que es la que se utiliza como tensin
de trabajo en los circuitos electrnicos que forma el autmata.
CPU: la Unidad Central de Procesos es el autntico cerebro del
sistema. Es el encargado de recibir rdenes del operario a travs de la
consola de programacin y el mdulo de entradas. Despus las procesa para
enviar respuestas al mdulo de salidas.
Mdulo de entradas: aqu se unen elctricamente los captadores
(interruptores, finales de carrera...). La informacin que recibe la enva al
CPU para ser procesada segn la programacin. Hay 2 tipos de captadores
conectables al mdulo de entradas: los pasivos y los activos.
Mdulo de salida: es el encargado de activar y desactivar los
actuadores (bobinas de contactores, motores pequeos...). La informacin
enviada por las entradas a la CPU, cuando est procesada se enva al
mdulo de salidas para que estas sean activadas (tambin los actuadoresque estn conectados a ellas). Hay 3 mdulos de salidas segn el proceso a
controlar por el autmata: rels, triac y transistores.
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Terminal de programacin:la terminal o consola de programacin es
el que permite comunicar al operario con el sistema. Sus funciones son la
transferencia y modificacin de programas, la verificacin de la programacin
y la informacin del funcionamiento de los procesos.
Perifricos:ellos no intervienen directamente en el funcionamiento del
autmata pero s que facilitan la labor del operario.
3.2.4.3 Comunicaciones lgicas de un PLC
Las formas como los PLC intercambian datos con otros dispositivos sonmuy variadas. Tpicamente un PLC puede tener integrado puertos de
comunicaciones seriales que pueden cumplir con distintos estndares de
acuerdo al fabricante. Estos puertos pueden ser de los siguientes tipos:
RS-232: (tambin conocido como Electronic Industries Alliance RS-
232C) es una interfaz que designa una norma para el intercambio
serie de datos binarios entre un DTE (Equipo terminal de datos) y un
DCE (Data Communication Equipment, Equipo de Comunicacin de
datos), aunque existen otras en las que tambin se utiliza la interfaz
RS-232. En particular, existen ocasiones en que interesa conectar otro
tipo de equipamientos, como pueden ser computadores.
Evidentemente, en el caso de interconexin entre los mismos, se
requerir la conexin de un DTE (Data Terminal Equipment) con otro
DTE.
RS-485: est definido como un sistema en bus de transmisinmultipunto diferencial, es ideal para transmitir a altas velocidades
sobre largas distancias (35 Mbps hasta 10 metros y 100 Kbps en
1.200 metros) y a travs de canales ruidosos, ya que reduce los ruidos
que aparecen en los voltajes producidos en la lnea de transmisin. El
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medio fsico de transmisin es un par entrelazado que admite hasta 32
estaciones en 1 solo hilo, con una longitud mxima de 1.200 metros
operando entre 300 y 19200 bps y la comunicacin half-duplex
(semiduplex). Soporta 32 transmisiones y 32 receptores. Latransmisin diferencial permite mltiples drivers dando la posibilidad
de una configuracin multipunto. Al tratarse de un estndar bastante
abierto permite muchas y muy diferentes configuraciones y
utilizaciones.
RS-422:su funcin esconectar dispositivos en forma serial, junto con
el RS-423, son los reemplazantes del estndar RS-232, pues soportan
mayores velocidades de transferencia. Tambin permiten
compatibilidad hacia atrs, pues es posible conectar dispositivos RS-
232 en ellos.
Ethernet:es un estndar de redes de computadoras de rea local con
acceso al medio por contienda CSMA/CD. El nombre viene del
concepto fsico de ether. Ethernet define las caractersticas de
cableado y sealizacin de nivel fsico y los formatos de tramas de
datos del nivel de enlace de datos del modelo OSI.
Modbus:es un protocolo de comunicaciones situado en el nivel 7 delModelo OSI, basado en la arquitectura maestro/esclavo o
cliente/servidor, diseado en 1979 por Modicon para su gama de
controladores lgicos programables (PLCs). Convertido en un
protocolo de comunicaciones estndar de facto en la industria es el
que goza de mayor disponibilidad para la conexin de dispositivos
electrnicos industriales.
Bus CAN:es un protocolo de comunicaciones desarrollado por la firma
alemana Robert Bosch GmbH, basado en una topologa bus para la
transmisin de mensajes en ambientes distribuidos, adems ofrece
una solucin a la gestin de la comunicacin entre mltiples CPUs
(unidades centrales de proceso).
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Profibus: (Process Field Bus) es un bus de campo industrial utilizado
en mbito de automatizacin industrial. Se trata de una red abierta,
estndar e independiente de cualquier fabricante y cuenta con varios
perfiles. Devicenet:consiste en una rama o bus principal -de hasta 500 mts con
mltiples derivaciones -de hasta 6 mts. cada una- donde se conectan
los diferentes dispositivos de la red. En cada red Device Net se
pueden conectar hasta 64 nodos y cada uno puede soportar un
nmero infinito de E/S aunque lo normal son 8, 16 32.
Ethernet I/P: Protocolo para la comunicacin en una red a travs de
paquetes conmutados, es principalmente usado en Internet. Los datosse envan en bloques conocidos como paquetes (datagramas) de un
determinado tamao (MTU). El envo es no fiable (conocido tambin
como best efforto mejor esfuerzo); se llama as porque el protocolo IP
no garantiza si un paquete alcanza o no su destino correctamente. Un
paquete puede llegar daado, repetido, en otro orden o no llegar. Para
la fiabilidad se utiliza el protocolo TCP de la capa de transporte.
Muchos fabricantes adems ofrecen distintas maneras de comunicar
sus PLC con el mundo exterior mediante esquemas de hardware y software
protegidos por patentes y leyes de derecho de autor.
3.2.4.4 Tcnicas de automatizacin en los PLC
Bsicamente existen dos tecnologas que se emplean en la fabricacin
de automatismo.
3.2.4.4.1 Lgica cableada
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Denominamos conexin cableada a todos los controladores cuya
funcin se determina mediante la conexin (cableado) de sus elementos
individuales de conexin. As, por ejemplo, se determina la funcin de control
de un contactor mediante la seleccin de los elementos de conexin (abrir ocerrar) y por las caractersticas de su conexin, (conexin en serie o
conexin en paralelo).
En sistemas mayores se emplea la conexin cableada en autmatas
programables, entre los que se encuentran los PLC controlador lgico
programable, la RTU Unidad Terminal Remota o los rels programables, o
computadoras o servidores de uso industrial. Estos autmatas no seprograman en lenguajes tradicionales como cualquier computador, se
programan en Ladder, lenguaje en el cual las instrucciones no son otra cosa
que lneas de lgica cableada. As el conocimiento de la lgica cableada es
de fundamental importancia para quien programa un autmata programable
o PLC. La lgica cableada ms que una tcnica, hoy en da constituye una
filosofa que permite estructurar circuitos en forma ordenada, prolija y segura,
sea en circuitos cableados o programados. La prctica de la lgica cableada
ha sido asimilada por otras ramas de la tecnologa como las
telecomunicaciones y la informtica, con la introduccin del cableado
estructurado en edificios, oficinas y locales comerciales, lugares donde es
poco usual el manejo de esquemas y dibujos de las instalaciones elctricas,
excepto la de potencia, la elaboracin de proyectos de detalle y el cableado
en forma ordenada mediante el uso borneras y regletas, que pasaron a
llamarse patcheras en el caso de las redes de datos y telefona. La
estructura mecnica as como el cableado en el armario de distribucindepende de la funcin del controlador. El montaje y cableado de un
controlador programable puede efectuarse recin despus de que se
conozca su programa es decir, sus documentaciones de conexin. Cada
cambio posterior de las funciones del controlador requiere un cambio de la
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estructura y del cableado. Estos cambios son muchas veces costosos y
exigen mucho tiempo.
3.2.4.4.1 .1 Estados OFF y ON
Desde un punto de vista terico la lgica cableada opera de igual forma
que la lgica tradicional, donde las variables solamente pueden tener dos
estados posibles, verdaderos o falsos. En la lgica cableada verdadero
es igual a un rel energizado o en ON, en el caso de los contactos el estado
verdadero es el contacto CERRADO. En la lgica cableada un falso es
igual a un rel des energizado o en OFF, para los contactos el estado falsoes el contacto ABIERTO o estas puedes ser todas las estradas que cruzan
por el circuito primario las abiertas.
Figura 3.8: Estados de la lgica cableada.
Fuente [www.upload.wikimedia.org/wikipedia/domus.23.jpg].
En los circuitos electrnicos digitales o compuerta lgica, se utiliza el
sistema numrico binario; donde verdadero es igual a 1 y falso es igual a
0. Si se trata de un sistema neumtico u leo-hidrulico, verdadero es
igual a una vlvula ABIERTA y falso es igual a una vlvula CERRADA. Sise trata del mando de la vlvula, verdadero corresponde al mando
accionado y falso corresponde al estado no accionado del mando.
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Figura 3.9: lgica cableada.
Fuente [upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/75/L].
3.2.4.4.2 Lgica programada
En cambio la estructura y el cableado son ampliamente independientes
de la funcin deseada del controlador. Al aparato de automatizacin se
conecta todos los contactos emisores requeridos para la funcin del
controlador (interruptores, pulsadores, barras de luz, etc.) y todos los
aparatos activadores sujetos al controlador (contactores, vlvulas, etc.).
Figura 3.10: Lenguaje de contactores programada.
Fuente [www.yoreparo.com/.../images/319_image009.gif].
3.2.4.5 Memoria necesaria en la automatizacin de procesos
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Permite el almacenamiento de datos y/o programas del sistema. La
memoria consta de la circuitera electrnica capaz de almacenar el programa
y los datos. La memoria de datos tiene las variables de entrada de la
mquina, las variables intermedias (por ejemplo producto de un clculo) y lasvariables de salida a ser transmitidas por las unidades E/S. Desde el punto
de vista del C.P.U., la memoria es una unidad de E/S que puede ser leda,
escrita o ambas. Generalmente la memoria est organizada en arreglos de
un 1 Byte u 8 Bits cada una.
La memoria programa contiene las instrucciones del programa que
maneja el A.P. Parte de este programa est en la zona del monitor, que seencarga de mantener los recursos del sistema, teclado, pantalla, botones,
seales luminosas, video, programacin de memorias externas, etc.
La cantidad de memoria en un controlador programable viene expresada en
unidades de "Kilobytes" (Kb) lKb=2io-1024 bytes.
3.2.4.5.1 Memoria RAM
La Memoria RAM, en general puede estar constituida por diversos
medios fsicos. Desde el punto de vista de los PLC. La memoria RAM
semiconductora es la ms importante. En este tipo de memoria, la
informacin (en binario) puede ser escrita o leda en nmero indefinido de
veces, y la memorizacin est garantizada mientras exista memorizacin
elctrica. Al suprimir la fuente de alimentacin, la memoria se borra. Por ello
la RAM de tipo semiconductora es una memoria voltil. Para evitar estopuede aadirse al sistema de memoria RAM semiconductora un respaldo de
batera que suplante la energa suficiente como para mantener la informacin
de memoria cuando falle la alimentacin principal.
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La celda bsica de una memoria RAM est constituida por un Flip-Flop
con su circuitera de control de lectura y escritura. Internamente la memoria
consta de celdas bsicas capaces de almacenar un bit de informacin ("1" o
"O" lgico). El conjunto de estas celdas constituye una matriz que esaccesada (o direccionada) por lneas externas bajo el control del CPU.
3.2.4.5.2 Memoria ROM
La memoria ROM semiconductora slo puede ser leda (no escrita).
Viene en diferentes modalidades:
a) ROM: Memoria con los datos grabados de fbrica.b) PROM: Inicialmente 'Vaca", el usuario programa una vez los datos
en la memoria y estos ya no pueden borrarse o cambiarse ms.
c) EPROM: El usuario programa los datos de la memoria, sin embargo
stos pueden borrarse sometiendo el integrado a una dosis de luz
ultravioleta, segn especificacin del fabricante.
d) EEPROM: Los datos son grabados y borrados elctricamente.
La ventaja de las memorias EPROM y EEPROM es que pueden usarse
para prototipos que deben someterse a correcciones. Una vez que el
programa sea definido, puede parecerse a una memoria ROM o PROM, que
fabricado en grandes cantidades resulta ms econmicas. Las memorias de
tipo ROM son no voltiles, la informacin que contiene no se borra al quitar la
alimentacin del integrado. Las memorias EPROM, no pueden borrarse y
grabarse indefinidamente sino slo un nmero limitado de veces que por lo
general oscila entre 10.000 y 100.000.
3.2.4.6 Mdulos de comunicacin
La comunicacin ms usada entre el PLC y su perifrico (Terminales.
consolas teclados, impresoras) es la del tipo serial asincrnico. Este modo de
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comunicacin permite el intercambio de caracteres alfanumricos
(generalmente en cdigo ASCU) compuesto de una secuencia de bits
transmitidos uno detrs del otro. La velocidad de transmisin se expresa en
baudios (bits /seg.). Las interfaces se rigen por normas estndar como RS232C.
3.2.4.7 Consola de programacin
Su funcin es la de registrar en la memoria del controlador las
instrucciones para el funcionamiento del programa. El cdigo usado para la
programacin (Booleano, redes de contactos, Grafcet, Lenguaje de alto nivel)debe ser transformado al cdigo binario entendible por el C.P.U. La consola
de programacin contiene un procesador de traduccin (Compilador).
La consola puede estar integrada en el controlador programable o estar
separada. En algunos casos puede simularse un programa por medio de la
consola colocndole en un modo especial. Existe tambin un control de
ejecucin de programa paso a paso o en bloque, con la insercin de "break-
point". El programa puede ser almacenado en otros medios como cassette,
discos, etc. La consola contiene a veces programadores de EPROM que
permite guardar el contenido del programa en forma no voltil.
3.2.4.8 Fuente de poder
Este sistema juega uno de los mayores roles de operacin total de
controlador programable ya que su papel fundamental no es solamente la de
suministrar los requerimientos de voltaje DC a los componentes del PLC (esdecir, al procesador> a la memoria y a las Entradas/Salidas), sino tambin, al
monitor. Adems debe regular el voltaje suministrado que permitir operar al
C.P.U.
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Figura 3.11: Descripcin esquemtica de un PLC.
Fuente [www.proton.ucting.udg.mx/.../image005.gif].
3.2.4.9 Bastidor de entrada y salida [6]
El bastidor de Entrada / Salida comprende el cableado del plano
posterior y los conectores de borde del modulo que se requiere para dirigir la
alimentacin elctrica y las seales de datos de hacia y desde los mdulos
instalados. La determinacin del tamao se refiere al nmero de mdulos de
Entradas / Salidas que pueden ser instalados en el bastidor adems del
modulo del PLC, el cual ocupa una ranura especial en la posicin izquierda
mxima del bastidor.
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Figura 3.12: Entradas y salidas de un PLC.Fuente [www.ecom.coastal.com/.../PLC003-XXX-ENG.jpg].
3.2.4.10 Bastidor remoto [6]
Si el nmero necesario de canales de Entradas / Salidas sobrepasa el
cupo mximo de un solo bastidor, puede instalar un segundo bastidor
remoto. En este caso el bastidor remoto debe incluir ya sea otro PLC en un
modo de ADPTADOR, o un modulo adaptador de Entradas / Salidas
remotas. En el bastidor remoto, la ranura mas a la izquierda se reserva para
el PLC o adaptador de Entradas / Salidas, mientras que en el resto de las
ranuras son para los mdulos de alimentacin elctricas o de Entradas /
Salidas.
3.2.4.11 Direccionamiento de casilleros y grupos [6]
A cada modulo de Entradas / Salidas se les asigna un nmero de
casillero / grupo de acuerdo con su posicin en el bastidor de Entradas /
Salidas. Este nmero pasa a formar parte de la direccin lgica de cada
Terminal de Entradas / Salidas.
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La direccin lgica es una designacin del Software que se utiliza para
identificar y almacenar los datos en la memoria del PLC, y para adquirir o
enviar datos hacia y desde dispositivos externos.
Con el sistema de Direccionamiento de una sola ranura, un bastidor
local de 16 ranuras contiene dos casilleros (Racks) numerados casillero 1 y
casillero 2. Cada casillero consta de ocho grupos de terminales de Entradas /
Salidas, numeradas 00 hasta 07. Con el mtodo de Direccionamiento de una
sola ranura, cada ranura es equivalente a un grupo. Con el direccionamiento
de dos ranuras, cada grupo comprende dos ranuras. Con el direccionamientode media ranura, cada grupo sera equivalente a media ranura.
Con el mtodo de direccionamiento de una sola ranura, cada grupo de
Entradas / Salidas puede contener hasta 16 terminales de entradas y 16
terminales de salida. En la seccin de mdulos de Entradas / Salidas discreta
de este cuaderno de trabajo se discutirn mayores detalles del
direccionamiento lgico.
3.2.4.12 PLC en comparacin con ot ros s istemas de control
Los PLC estn adaptados para un amplio rango de tareas de
automatizacin. Estos son tpicos en procesos industriales en la manufactura
donde el coste de desarrollo y mantenimiento de un sistema de
automatizacin es relativamente alto contra el coste de la automatizacin, y
donde van a existir cambios en el sistema durante toda su vida operacional.Los PLC contienen todo lo necesario para manejar altas cargas de potencia;
se requiere poco diseo elctrico y el problema de diseo se centra en
expresar las operaciones y secuencias en la lgica de escalera (o diagramas
de funciones). Las aplicaciones de PLC son normalmente hechos a la
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medida del sistema, por lo que el costo del PLC es bajo comparado con el
costo de la contratacin del diseador para un diseo especfico que solo se
va a usar una sola vez. Por otro lado, en caso de productos de alta
produccin, los sistemas de control a medida se amortizan por s solosrpidamente debido al ahorro en los componentes, lo que provoca que pueda
ser una buena eleccin en vez de una solucin "genrica".
Sin embargo, debe ser notado que algunos PLC ya no tienen un
precio alto. Los PLC actuales tienen todas las capacidades por algunos
cientos de dlares.
Diferentes tcnicas son utilizadas para un alto volumen o una simple
tarea de automatizacin, Por ejemplo, una lavadora de uso domstico puede
ser controlada por un temporizador a levas electromecnico costando
algunos cuantos dlares en cantidades de produccin.
Un diseo basado en un micro controlador puede ser apropiado donde
cientos o miles de unidades deben ser producidas y entonces el coste de
desarrollo (diseo de fuentes de alimentacin y equipo de entradas y salidas)
puede ser dividido en muchas ventas, donde el usuario final no tiene
necesidad de alterar el control. Aplicaciones automotrices son un ejemplo,
millones de unidades son vendidas cada ao, y pocos usuarios finales
alteran la programacin de estos controladores. (Sin embargo, algunos
vehculos especiales como son camiones de pasajeros para trnsito urbano
utilizan PLC en vez de controladores de diseo propio, debido a que los
volmenes son pequeos y el desarrollo no sera econmico.)
Algunos procesos de control complejos, como los que son utilizados en
la industria qumica, pueden requerir algoritmos y caractersticas ms all de
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la capacidad de PLC de alto nivel. Controladores de alta velocidad tambin
requieren de soluciones a medida; por ejemplo, controles para aviones.
Los PLC pueden incluir lgica para implementar bucles analgicos,proporcional, integral y derivadas o un controlador PID. Un bucle PID podra
ser usado para controlar la temperatura de procesos de fabricacin, por
ejemplo. Histricamente, los PLCs fueron configurados generalmente con
solo unos pocos bucles de control analgico y en donde los procesos
requieren cientos o miles de bucles, un Sistema de Control Distribuido (DCS)
se encarga. Sin embargo, los PLC se han vuelto ms poderosos, y las
diferencias entre las aplicaciones entre DCS y PLC han quedado menosclaras.
Resumiendo, los campos de aplicacin de un PLC o autmata
programable en procesos industriales son: cuando hay un espacio reducido,
cuando los procesos de produccin son cambiantes peridicamente, cuando
hay procesos secuenciales, cuando la maquinaria de procesos es variable,
cuando las instalaciones son de procesos complejos y amplios, cuando el
chequeo de programacin se centraliza en partes del proceso.
3.2.4.13 Seales Analgicas y d igi tales
Las seales digitales o discretas como los interruptores, son
simplemente una seal de On/Off (1 0, Verdadero o Falso,
respectivamente). Los botones e interruptores son ejemplos de dispositivos
que proporcionan una seal discreta. Las seales discretas son enviadasusando la tensin o la intensidad, donde un rango especifico corresponder
al Ony otro rango al Off. Un PLC puede utilizar 24V de voltaje continuo en la
E/S donde valores superiores a 22V representan un On, y valores inferiores a
2V representan Off. Inicialmente los PLC solo tenan E/S discretas.
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Las seales analgicas son como controles de volmenes, con un
rango de valores entre 0 y el tope de escala. Esto es normalmente
interpretado con valores enteros por el PLC, con varios rangos de precisindependiendo del dispositivo o del nmero de bits disponibles para almacenar
los datos. Presin, temperatura, flujo, y peso son normalmente
representados por seales analgicas. Las seales analgicas pueden usar
tensin o intensidad con una magnitud proporcional al valor de la seal que
procesamos. Por ejemplo, una entrada de 4-20 mA o 0-10 V ser convertida
en enteros comprendidos entre 0-32767.
Figura 3.13: Seales digitales y analgicas comportamiento.
Fuente [www.electromatica.cl/conceptos/HART_sign.gif].
Las entradas de intensidad son menos sensibles al ruido elctrico
(como por ejemplo el arranque de un motor elctrico) que las entradas de
tensin.
Usando solo seales digitales, el PLC tiene 2 entradas digitales de dos
interruptores del tanque (tanque lleno o tanque vaco). El PLC usa la salida
digital para abrir o cerrar una vlvula que controla el llenado del tanque.
Si los dos interruptores estn apagados o solo el de tanque vaco
esta encendido, el PLC abrir la vlvula para dejar entrar agua. Si solo el de
tanque lleno esta encendido, la vlvula se cerrara. Si ambos interruptores
estn encendidos sera una seal de que algo va mal con uno de los dos
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interruptores, porque el tanque no puede estar lleno y vaco a la vez. El uso
de dos interruptores previene situaciones de pnico donde cualquier uso del
agua activa la bomba durante un pequeo espacio de tiempo causando que
el sistema se desgaste ms rpidamente. As tambin se evita poner otroPLC para controlar el nivel medio del agua.
Un sistema analgico podra usar una bscula que pese el tanque, y
una vlvula ajustable. El PLC podra usar un PID para controlar la apertura
de la vlvula. La bscula est conectada a una entrada analgica y la vlvula
a una salida analgica. El sistema llena el tanque rpidamente cuando hay
poca agua en el tanque. Si el nivel del agua baja rpidamente, la vlvula seabrir todo lo que se pueda, si el caso es que el nivel del agua esta cerca del
tope mximo, la vlvula estar poco abierta para que entre el agua
lentamente y no se pase de este nivel.
Figura 3.14: Esquemtico de una seal elctrica analgica adaptada.
Fuente [www.yoreparo.com/foros/files/adaptacion.jpg].
Con este diseo del sistema, la vlvula puede desgastarse muy
rpidamente, por eso, los tcnicos ajustan unos valores que permiten que la
vlvula solo se abra en unos determinados valores y reduzca su uso.
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Un sistema real podra combinar ambos diseos, usando entradas
digitales para controlar el vaciado y llenado total del tanque y el sensor de
peso para optimizarlos.
3.2.4.14 Capacidades E/S en los PLC modulares
Los PLC modulares tienen un limitado nmero de conexiones para la
entrada y la salida. Normalmente, hay disponibles ampliaciones si el modelo
base no tiene suficientes puertos E/S.
Los PLC con forma de rack tienen mdulos con procesadores y conmdulos de E/S separados y opcionales, que pueden llegar a ocupar varios
racks. A menudo hay miles de entradas y salidas, tanto analgicas como
digitales. A veces, se usa un puerto serie especial de E/S que se usa para
que algunos racks puedan estar colocados a larga distancia del procesador,
reduciendo el coste de cables en grandes empresas. Algunos de los PLC
actuales pueden comunicarse mediante un amplio tipo de comunicaciones
incluidas RS-485, coaxial, e incluso Ethernet para el control de las entradas
salidas con redes a velocidades de 100 Mbps.
Los PLC usados en grandes sistemas de E/S tienen comunicaciones
P2P entre los procesadores. Esto permite separar partes de un proceso
complejo para tener controles individuales mientras se permita a los
subsistemas comunicarse mediante links. Estos links son usados a menudo
por dispositivos de Interfaz de usuario (HMI) como keypads o estaciones de
trabajo basados en ordenadores personales.
El nmero medio de entradas de un PLC es 3 veces el de salidas,
tanto en analgico como en digital. Las entradas extra vienen de la
necesidad de tener mtodos redundantes para controlar apropiadamente los
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dispositivos, y de necesitar siempre ms controles de entrada para satisfacer
la realimentacin de los dispositivos conectados.
Figura 3.15: PLC modular bsico.
Fuente [images.industri al.omron.es/.../CJ1M400x400.jpg].
3.2.5 Sistemas de control[5]
El objetivo de un sistema de control es el de gobernar la respuesta en
una planta, sin que el operador intervenga directamente sobre los elementos
de salida. Dicho operador manipula nicamente las magnitudes
denominadas de consigna y el sistema de control se encarga de gobernar
dicha salida a travs del accionamiento de los elementos finales de control.
El conjunto de sistemas de control y accionamiento se limitara a ser un
convertidor amplificador de potencia que ejecuta las rdenes dadas a travs
de las magnitudes de consigna. Este tipo de sistema de control se denomina
en lazo abierto, por el hecho de que no recibe ningn tipo de informacin delcomportamiento de la planta.
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Figura 3.16: Esquema de un s istema de control computarizado.
Fuente [www.learn.londo/image005.gif].
Lo habitual, sin embargo, es que el sistema de control se encargue de
la toma de ciertas decisiones ante determinados comportamientos de la
planta, hablndose entonces de sistemas automticos de control. Para ello
se requiere la existencia de algunos sensores que detectan el
comportamiento de dicha planta y de unas interfaces para adaptar las
seales de los sensores a las entradas del sistema de control. Este tipo de
sistema se denomina en lazo cerrado ya que poseen una estructura con unacadena directa y un retorno o realimentacin, formando un lazo de control,
donde la seal de salida o controlada interviene en las acciones de control.
3.2.5.1 Sistemas de control de lazo abierto[5]
Es aquel sistema en que solo acta el proceso sobre la seal de
entrada, y da como resultado una seal de salida independiente. Estos
sistemas se caracterizan por:
Sencillos y de conceptos fciles.
Nada asegura su estabilidad ante una perturbacin.
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La salida no se compara con la entrada.
Afectado por las perturbaciones.
La precisin depende de la previa calibracin del sistema.
3.2.5.2 Sistemas de control de lazo cerrado[5]
Son los sistemas en los que la accin de control est en funcin de la
seal de salida. Sus caractersticas son:
Complejos, pero amplios de parmetros.
La salida se compara con la entrada y la afecta para el control delsistema.
Estos sistemas se caracterizan por su propiedad de
retroalimentacin.
3.2.6 Automatizacin [9]
Es un sistema donde se trasfieren tareas de produccin, realizadas
habitualmente por operadores humanos a un conjunto de elementos
tecnolgicos.
Un sistema automatizado consta de dos partes principales:
Parte operativa.
Parte de mando.
3.2.6.1 La Parte Operativa [9]
Es la parte que acta directamente sobre la mquina. Son los
elementos que hacen que la mquina se mueva y realice la operacin
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deseada. Los elementos que forman la parte operativa son los accionadores
de las mquinas como motores, cilindros, compresores y los captadores
como fotodiodos, finales de carrera. Los dispositivos encargados de convertir
las magnitudes fsicas en magnitudes elctricas se denominan transductores.Los transductores se pueden clasificar en funcin del tipo de seal que
transmiten en:
Transductor todo o nada: Suministran ua seal binaria
claramente diferenciada. Los finales de carrera son transductores
de este tipo.
Transductores numricos: Transmiten valores numricos en formade combinaciones binarias. Los encoders son transductores de
este tipo.
Transductores analgicos: Suministran una seal conti