Instrumentación y control de una caldera industrial

Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Autor: F. Javier Payán Somet Tutor: Juan José Murillo Fuentes Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2013 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnólogías Industriales Instrumentación y Control de una Caldera Industrial Autor: María Carla González González Tutor: Luis Fernando Castaño Castaño Dpto. de Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnólogías Industriales Instrumentación y Control de una Caldera Industrial Autor: María Carla González González Tutor: Luis Fernando Castaño Castaño Profesor Contratado Doctor Dpto. de Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 Trabajo Fin de Grado: Instrumentación y Control de una Caldera Industrial Autor: María Carla González González Tutor: Luis Fernando Castaño Castaño El tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes profesores: Presidente: Vocal/es: Secretario: acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha: Agradecimientos Tal como se dijo en el discurso de graduación de bachillerato, ese día saliamos a navegar y hoy aquí, casi a punto para salir otra vez, quiero dar las gracias a los que de una manera u otra habéis formado parte de este viaje. Gracias a mi familia, tanto la que está aquí como la de Cuba, tanto la que he eligido como la que he tenido la suerte de tener. Agradezco a los de la urba por ser casa, a los del lacrosse por su energía, a los de clase porque sin ellos los días en la ETSI no hubieran sido lo mismo; destacar a Marisa, Irene, Isa, Nacho, Fran, Adri, Pepe y Ale. Tampoco serían lo mismo sin los que te dedican una sonrisa y un café en los descansitos. Gracias a los pequeños Pablo y Luis que zarparon conmigo desde el cole y volvemos a embarcar. Agradezco mucho a mi tutor, que me ha ayudado a llevar a cabo este proyecto, gracias Fernando. En especial, gracias papá, mamá y Carly María Carla González González Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales Sevilla, 2021 I Resumen El proyecto consiste en la explicación y análisis de un generador de vapor desde el punto de vista de la automatización. El documento está basado en una caldera pirotubular con una producción de 20t vapor/hora y una presión de trabajo de 11 bar. Sin embargo, mucha información es extrapolable. En el documento: • Se introduce el proyecto explicado los sistemas para la producción de vapor, detallando las partes del generador. • Se explica el funcionamiento del generador de vapor: secuencias, modos de operación y seguridades. • Se explica de manera general y específica la instrumentación del generador según su función. •Se describen los posibles lazos de control según las variables de proceso a regular. • Se implementa la automatización, teniendo en cuenta lo anterior, en un controlador S7 1200 de SIEMENS, utilizando Tia Portal v14 y se desarrolla una interfaz de usuario en un HMI. En el documento se explican los módulos, señales, alarmas, estructura de programa e interfaz. • Se presentan los costes que conllevaría llevar el proyecto a cabo, según las especificaciones del mismo. La motivación de este proyecto es sentar las bases para continuar su desarrollo y optimización en un futuro próximo. III XÍndice 4.2.1 Configuración 21 Caldera 21 Generador de calor 22 4.2.2 Puesta en marcha 22 4.2.3 Modo operación 24 Alimentación de agua 24 Gestión de demanda 25 Gestión de combustión 25 4.2.4 Seguridad 25 Cadena de seguridad de la caldera 26 Cadena de seguridad del quemador 27 Posibles fallos adicionales 27 4.3 Instrumentación 28 4.3.1 Instrumentos para medir presión 28 Especificaciones del proyecto 29 4.3.2 Instrumentos para medir temperatura 30 Especificaciones del proyecto 31 4.3.3 Instrumentos para medir nivel de agua 31 Especificaciones del proyecto 32 4.3.4 Instrumentos para medir caudal 32 Especificaciones del proyecto 33 4.3.5 Instrumentos para medir calidad del agua 33 Especificaciones del proyecto 33 4.3.6 Instrumentos para medidas de la combustión 34 Especificaciones del proyecto 35 4.4 Lazos de control 36 4.4.1 Caldera 36 Sistema de alimentación de agua 36 Sistema de gestión de demanda 39 4.4.2 Quemador 42 Sistema de gestión de combustión 42 4.4.3 Purga de sales 46 Sistema de purga continua de sales 46 5 Automatización 47 5.1 Dispositivos y sus conexiones 47 5.2 Datos y señales 48 5.2.1 Señales E/S 48 5.2.2 Datos ETAMATIC 51 5.3 Pantalla HMI y sus prestaciones 52 5.3.1 Caldera 52 5.3.2 Alarmas 55 5.3.3 Ajustes 57 5.4 Estructura de programa CPU 63 5.4.1 OB1-Tratamiento de señales de entrada 65 5.4.2 OB1-Funciones de operación 67 5.4.3 OB1-Tratamiento de señales de salida 69 5.4.4 OB1-Comunicación 70 Índice XI 5.4.5 OB30-Funciones de control automático 70 6 Análisis económico 73 7 Conclusión 75 8 Esquemas 77 Índice de Figuras 83 Índice de Tablas 85 Bibliografía 87 1 Introducción El generador de vapor tiene un papel importante en el sector industrial. Este es utilizado como base o parte del proceso que llevan a cabo la mayoría de las industrias, como son la industria alimentaria, de generación de electricidad, de fabricación de materiales, etc. Este hecho hace que sea interesante investigar y mejorar en lo referente a la gestión y control de este elemento. En la producción de vapor se deben tener en cuenta los distintos sistemas que actúan en conjunto para satisfacer la demanda solicitada. Satisfacer la demanda con mayor o menor eficiencia dependerá de factores como la correcta instrumentación y control de cada uno de los sistemas. Los mismos se pueden contemplar, de manera esquemática, en la Figura 1.1. Figura 1.1 Sistemas para la producción de energía en forma de vapor. Fuente: https://h2otek.com/blog/wp-content/uploads/2015/12/schema_OAM_BW720.jpg Como se muestra en la figura anterior, dichos sistemas son: •Sistemas de tratamiento de agua. •Sistema de alimentación de agua. •Sistema de generación de vapor. 1 2Capítulo 1. Introducción •Sistemas de seguridad y control. •Sistema de distribución. Cada sistema consta de diferentes elementos o subsistemas. En primer lugar, se focaliza la atención en la generación de vapor, cuyos elementos o subsistemas son: •Economizador. (recomendado) •Sobrecalentador. (opcional) •Generador de calor o quemador. •Caldera o cuerpo a presión. En cada sistema se explica sus correspondientes elementos de control y seguridad. 1.1 Generador de vapor Este apartado contempla los elementos antes mencionados en el sistema de generación de vapor. 1.1.1 Caldera industrial Por definición, una caldera es un recipiente metálico cerrado que aplicando el calor de algún combustible sólido, líquido o gaseoso, produce vapor o calienta el fluido a una temperatura superior a la del ambiente y presión por encima de la atmosférica. Se pueden establecer diversas clasificaciones: según la disposición del fluido, según el tipo de combustible empleado, según las necesidades energéticas, etc. Se decide emplear la primera de ellas, para poner en contexto. Se clasifican en dos tipos según la disposición del fluido: acuotubulares y pirotubulares. A su vez, las pirotubulares se subdividen según la disposición del haz tubular en: horizontal, vertical, de dos pasos o de varios pasos, por ejemplo de tres pasos. Tabla 1.1 Diferencia entre calderas pirotubulares y acuotubulares. Tipos Presión de trabajo Localización del fluido Pirotubular ≤22 bar Fluido a calentar por el exterior de los tubos Acuotubular ≥22 bar Fluido a calentar se desplaza por el interior de los tubos NOTA: algunas tienen estructura mixta. Las acuotubulares a pesar de poder trabajar a mayor presión, y por tanto tener mayor capacidad de producción, son menos dinámicas. Es decir, a la hora de cambios de consumo son menos eficientes que las pirotubulares, que se ajustan mejor a las variaciones. Este proyecto se centra en las pirotubulares, pudiendo ser extrapolada gran parte de la información a las acuotubulares. 1.1 Generador de vapor 3 1.1.2 Partes generales Las partes de una caldera dependerán del tipo, en este caso pirotubular: •Envolvente exterior : elemento encargado de contener los fluidos y evitar su fuga. En dicha envolvente se montan las tubuladuras, como medio para establecer la instrumentación necesaria para el control y supervisión: controles de nivel, indicadores ópticos de nivel, etc... •Generador de calor o quemador. (Apartado 1.1.3) •Hogar o cámara de combustión : encargada de contener la llama del quemador e iniciar el intercambio de energía por radiación. •Cámara de inversión de gases : está presente en las calderas de múltiples pasos de gases. Es un elemento que se encarga de variar la dirección de los gases que se trasladan de un paso a otro. •Fondo delantero y trasero exterior : se sueldan a la envolvente exterior. En estas piezas convergen los tubos de humos así como puertas de registro e inspección y cajones recolectores de gases. •Fondo delantero y trasero interior : solo en los casos de calderas de varios pasos de gases. Estos elementos van soldados a la virola de al cámara de inversión y su función es contener los productos de la combustión. •Tubos de intercambio de calor : Son los encargados del transporte de los gases y donde se realiza la transmisión por convección. •Economizador : se recomienda incluir este elemento que precalienta la alimentación de agua, sacando mayor rendimiento al sistema aprovechando la temperatura de los gases de combustión justo antes de salir a la atmósfera. •Sobrecalentador : elemento que se incorpora a la caldera cuando se necesita en el proceso vapor sobrecalentado. Conformado por un intercambiador de haz tubular aumenta la temperatura del vapor aprovechando el calor procedente de los gases de combustión. Figura 1.2 Ilustración del generador de vapor: vista exterior. Fuente: https://img.directindustry.es/images_di/photo-g/37754-6820977.jpg 4Capítulo 1. Introducción Figura 1.3 Ilustración del generador de vapor: vista interior. Fuente: https://www.attsu.com/uploads/images/producto/attsu-hh-caldera-de-vapor-de-gas-natural-glp-gasoleo-fueloleo/hhllama-1000x800.jpg 1.1.3 Combustión y quemador Una parte fundamental del sistema es la combustión y depende de la fuente de calor, quemador. En este apartado se pretende ampliar la información al respecto. Combustión La combustión, definida en la RAE, es una reacción química entre el oxígeno y un material oxidable, acompañada de desprendimiento de energía y que, habitualmente, se manifiesta por incandescencia o llama. Para que la combustión se produzca tienen que estar presentes tres elementos, los cuales componen el denominado triángulo de ignición: •Combustible. •Comburante. •Fuente de ignición. Los combustibles pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos. Sin embargo, para realizar la combustión es necesario que se encuentren en estado gaseoso. Por tanto, se realiza un tratamiento previo a los combustibles sólidos y líquidos para que desprendan los gases inflamables necesarios; pudiendo diferenciar dos temperaturas: de gasificación y de ignición. El comburante gerenalmente es oxígeno, en forma de O2 gaseoso, perteneciente a la composición de aire que se introduce. Las proporciones de combustible y comburante precisan encontrarse en unas condiciones concretas para que sea posible la combustión. Conseguir optimizar las proporciones es uno de los puntos que determinan cuán eficiente es la combustión. Para el ajuste de la relación aire-combustible se sigue el criterio de maximizar el rendimiento minimizando las emisiones, con la máxima seguridad. Además, las emisiones están reguladas por normativa, marcando su máximo admisible. 1.1 Generador de vapor 5 Hay distintos tipos de reacciones de combustión: •Completa. •Incompleta. •Estequiométrica. •Con exceso de aire. •Con defecto de aire. Combustión completa: C+O2→CO2+Calor (1.1) Combustión incompleta: 2C+O2→2CO (1.2) A raíz de lo mencionado anteriormente y observando las reacciones (1.1) y (1.2) se puede decir que una reacción incompleta produce menor cantidad de energía y, además, tiene el riesgo de producir inquemados, como el CO, que son gases tóxicos e inflamables. Con el fin de evitar esta situación se introduce un exceso de aire. Figura 1.4 Representación gráfica de la influencia del exceso de aire en la combustión. Fuente: https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRNiZJzOuxFLiR8DRnDLdOSgFTO-_y35snhZQ&usqp=CAU La combustión tiene distintas fases en la reacción: prerreacción o formación de radicales, oxidación y terminación. Añadir que a pesar de ser estas fases exotérmicas y endotérmicas, en balance la reacción es exotérmica. La combustión genera productos sólidos, cenizas y escorias, y gases a una temperatura elevada (200-1000ºC). Los parámetros de la combustión son los siguientes: •Temperatura de inflamación (flash point). •Temperatura de autoignición o autoinflamación. •Límites de inflamabilidad o explosividad: inferior y superior. 6Capítulo 1. Introducción •Poder comburívoro. •Poder fumígeno. •Coeficiente de exceso de aire. •Rendimiento de la combustión. • Pérdidas: de calor por radiación, de calor sensible en los gases quemados y de calor latente en el vapor de agua. Los factores más determinantes en cuanto a los aspectos ambientales y energéticos del proceso son: el exceso de aire y la temperatura de los productos. Quemador El quemador es el elemento encargado de mezclar el combustible con el aire para que a través de la llama se inicie la combustión. La salida de la mezcla aire-combustible se realiza a través de los orificios situados en la cabezal del quemador. Los quemadores pueden clasificarse siguiendo diferentes criterios, entre ellos está la clasificación según el tipo de combustible. Pudiendo ser: gas natural, propano, metano, biogas,fueloil, gasoil, carbón, biomasas, etc. En el proyecto se asume un quemador cuyo combustible es gas natural. Las partes de un quemador, tal como se observa en la Figura 1.5, son: •Detector de llamas. •Caja de aire. •Electrodos de ignición. •Disco estabilizador. •Tubo distribuidor de gas. •Lanzas de gas. •Transformador de ignición. • Presostato para control de presión de aire. •Mirilla de cristal. •Válvula entrada de gas. • Servomotor de control de clapetas de aire. •Tubo de llama. •Brida de unión a la caldera. 1.1 Generador de vapor 7 Figura 1.5 Partes de un quemador industrial. Fuente: https://emcombustion.es/wp-content/uploads/2017/12/Catalogo_JBD_en_pantalla-vOK-3.jpg En la Figura 1.6 se presenta una rampa de gas tipo, con sus distintos elementos. Esta rampa de gas es la que antecede a la entrada de gas del generador de calor. Los elementos enumerados en la rampa de gas de la Figura 1.6 son: 1. Válvula de entrada. 2. Filtro. 3. Manómetro. 4. Contador de gas. 5. Reguladora de presión. 6. Válvula de escape y seguridad. 7. Ventómetro o manómetro. 8. Presostatos. 9. Válvula principal de gas 1. 10. Válvula principal de gas 2. 11. Control de estanqueidad. 2 Alcance del proyecto El fin último del proyecto es sentar las bases para posteriores investigaciones en la producción de vapor a nivel industrial, optimizando el sistema básico que se plantea en el mismo. Para conseguir este propósito se parte de la explicación de un sistema de producción de vapor y se centran los esfuerzos en el generador de vapor. Describiendo y desarrollando la instrumentación y control del generador. Por tanto, se puede sintetizar el proyecto en: •Descripción del sistema de generación de vapor. –Elementos. –Funcionamiento. •Instrumentación necesaria. •Descripción de los posibles lazos de control. •Desarrollo de programa atendiendo a todo lo anterior. 15 3 Legislación aplicable En primer lugar, decir que existen distintas organizaciones y asociones que se encargan de unificar criterios y establecer estándares a seguir en los diferentes sectores. Existen tanto a nivel internacional como a nivel nacional. Por lo tanto, los fabricantes de los distintos equipos deben atenerse a dichas normativas ya establecidas, aunque tienen cierto margen de libertad para añadir requerimientos específicos de su equipo en concreto. Las instalaciones, mantenimientos o modificaciones que se realicen en un equipo determinado, deberán estar respaldadas por las indicaciones del fabricante y, a su vez, por las normativas de instalación vigentes en cada país. En este caso las normas revisadas para el proyecto son: •REP: reglamento de equipos a presión. •ITC: instrucciones técnicas complementarias del REP. •Una serie de normas UNE. 17 4 Instrumentación y control En este apartado se describe de forma más exhaustiva el generador de vapor. Se profundiza en el funcionamiento de la caldera y del quemador, además del análisis de la instrumentación y el control del sistema ya presentado. 4.1 Selección La selección del generador de vapor se basa en dos parámetros: •Producción de vapor/hora (máximo). [tnv/h] •Presión de trabajo. [bar] Estos parámetros están sujetos a la demanda de consumo de vapor del proceso correspondiente. Además, conocido el consumo se plantean las posibilidades para alcanzar dicha demanda: •Mayor número de generadores con menor producción de vapor cada uno. •Menor número de generadores con mayor producción de vapor cada uno. La caldera necesita ambos para su elección y estos mismos son los que definen los valores de tarado de los elementos de seguridad: presostato y válvula de seguridad. Se requiere: •Presión de tarado del presostato mayor que la presión de trabajo. •Presión de tarado de la válvula de seguridad mayor que la del presostato. • Presión de diseño de la caldera (máxima admisible) mayor o igual que la de tarado de la válvula de seguridad. El generador de calor, o quemador, se selecciona según la potencia térmica necesaria [kW]. Esta potencia térmica se obtiene de la relación con la producción de vapor/hora: por ejemplo 1 t/h de vapor saturado u 0.65 MW de salida de la caldera, aproximación que se cumple si la alimentación de agua está a 12 bar y 102 º C. Además de la potencia térmica, se tendrán en cuenta los siguientes parámetros en esta elección: •Sobrepresión del hogar. •Dimensiones de la llama. •Carga térmica de la caldera. 19 20 Capítulo 4. Instrumentación y control 4.1.1 Especificaciones del proyecto Este proyecto se basa en un generador de vapor cuyos parámetros característicos son: •Producción de vapor/hora: 20 000 kg/h. •Presión de trabajo: 11 bar. Estos parámetros permiten eligir una caldera con una producción de vapor por encima de la media para el ámbito de las calderas pirotubulares de tres pasos en procesos industriales. La caldera seleccionada tiene las siguientes características: Tabla 4.1 Especificaciones de la caldera pirotubular elegida. Fabricante Modelo Categoría Presión de diseño Producción de vapor Potencia UMISA CMS-50 IV 16 bar 20 000 kg/h 13 126 kW La caldera es de un hogar y preparada para un quemador ya sea de combustible líquido o gaseoso. El equipo de combustión, quemador, debe tener una potencia térmica mayor al dato 13 126 kW. Las características del quemador seleccionado son las siguientes: Tabla 4.2 Especificaciones de la fuente de calor elegida. Fabricante Potencia máxima Combustible ALGENCAL 17 440 kW Gas natural Otros elementos a caracterizar Las bombas de alimentación son parte fundamental del sistema de alimentación. Se trabaja con una de ellas y la otra se mantiene de reserva. Las características unitarias son: Tabla 4.3 Especificaciones de la bomba de alimentación. Fabricante Modelo m.c.l. Presión eq. Temperatura máx. GRUNDFOS CR32 160 16 bar 120 ºC 4.2 Funcionamiento 21 4.2 Funcionamiento El funcionamiento del generador de vapor está directamente relacionado con la producción de vapor demandado para el proceso en cuestión. La Figura 4.1 presenta las distintas fases del funcionamiento del generador de vapor, que son: • Configuración: es el primer paso, debe ser realizado por un técnico cualificado, donde se establecen los parámetros con los que trabaja el generador. • Puesta en marcha: es la secuencia de puesta en funcionamiento del sistema, donde se realizan las comprobaciones de seguridad para encender la llama y comenzar la producción de calor. • Modo operación: es el modo de funcionamiento en el que se coordinan los distintos subsistemas para lograr la producción de vapor. •Seguridad: es el modo de actuación que protege al sistema en caso de fallo. Figura 4.1 Diagrama de funcionamiento general. 4.2.1 Configuración Se precisa establecer los distintos parámetros de configuración para el correcto funcionamiento del sistema. Esta acción debe realizarla un técnico cualificado y es necesaria para poder poner en marcha el generador de vapor. Caldera Alimentación de agua: •Nivel de trabajo. •Ajustes PID. 22 Capítulo 4. Instrumentación y control Gestión de demanda: •Temperatura máxima de humos. •Presión de trabajo. •Ajustes PID. Generador de calor El generador de calor tiene que ser configurado para el ajuste de los valores de combustión: •Parámetros de la curva de combustión. 4.2.2 Puesta en marcha La puesta en marcha del sistema cuenta con lo mencionado en Figura 4.1: •Verificación de cadena de seguridad de caldera. •Verificación de cadena de seguridad de quemador. •Maniobra de encendido de llama. Un desglose más exhaustivo es: Figura 4.2 Diagrama de puesta en marcha. En la Figura 4.2 se observa la secuencia de una puesta en marcha del sistema de generación de vapor. Estas cadenas de seguridades están en constante comprobación. Como se apunta en la Figura 4.1, una vez comprobada la primera cadena de seguridad se pasa a la siguiente, pero siempre pendiente de que no haya un fallo inesperado en la anterior. 4.2 Funcionamiento 23 1. Cadena de seguridad de caldera: comprobaciones de seguridad que se realizan de manera repetitiva en la caldera, ya que son condición indispensable. La presión y el nivel son seguridades imperativas. La temperatura es importante en el ámbito del control de eficiencia del sistema, para evitar pérdidas. La cadena consta de tres condiciones a evaluar: a) Nivel de agua en rango. b) Presión de trabajo en rango. c) Temperatura de humos inferior a la máxima. 2. Secuencia de quemador a gas: acciones/comprobaciones que se realizan en el quemador, donde se verifica la correcta interacción del gas, la llama y el aire en el sistema. La secuencia planteada es: a) Comprobación previa: I. Gas en la línea (presostato de mínima presión de gas): se verifica que exista suministro. II. No debe haber flujo de entrada de aire en el sistema. III. No debe presencia de llama. b) Arranque de ventilador y prueba de estanqueidad: se arranca el ventilador, introduciendo aire al sistema, y se realiza una prueba de estanqueidad. Finalizada la operación, se comprueba: I. Gas en la línea (presostato de mínima presión de gas y estanqueidad del gas): se verifica que se mantenga el suministro y se comprueba la estanqueidad de las válvulas principales de gas. II. Aire en el sistema (presostato de mínima presión de aire): se verifica el correcto funcionamiento de la ventilación en marcha. III. No debe haber presencia de llama. c) Encendido de llama: puede ser con un quemador piloto o sin él. Para que se encienda la llama se necesita mezcla de aire con combustible y una chispa para la ignición. Una vez que se establezca la llama, se comprueba: I. Gas en la línea (presostato de mínima presión de gas): se mantiene el suministro. II. Aire en el sistema (presostato de mínima presión de aire): se mantiene el suministro. III. Presencia de llama (detector de llama): se verifica el correcto encendido y vigilancia de llama. Se ha establecido la secuencia para combustible gaseoso, si se empleara otro combustible podrían existir variaciones de la misma. 30 Capítulo 4. Instrumentación y control Tabla 4.7 Especificaciones manómetros. Fabricante Modelo Rango Diámetro Protección Temperatura máx. adm. ID. GESA M0304 0-25 bar 150 IP65 80ºC P-I1 GESA M0304 0-25 bar 100 IP65 80ºC P-I2 GESA M0304 0-6 bar 100 IP65 80ºC P-I3 GESA M0304 0-600 mbar 100 IP65 80ºC P-I4 4.3.2 Instrumentos para medir temperatura En los planos del apartado 8 se simbolizan con TT y TI los instrumentos de medida de temperatura. Donde TT son las siglas de un transmisor de temperatura y TI de un indicador de temperatura. Para las medidas de temperatura se decide usar una termorresistencia, PT-100 . La PT-100 es sensores de temperatura que consiste en un alambre de platino que a 0 º C tiene 100 Ω y al aumentar la temperatura también lo hace la resistencia eléctrica. Se seleccionan las termorresistencias con transmisor de temperatura para extraer la señal con el valor de la temperatura. • Transmisor de temperatura: elemento que convierte la temperatura en una señal eléctrica, generalmente 4-20mA. •Indicador de temperatura: es una señal o visor de temperatura, termómetro. Figura 4.8 Medidas de temperatura zona caldera. Figura 4.9 Medidas de temperatura zona alimentación de agua. 4.3 Instrumentación 31 Especificaciones del proyecto Tabla 4.8 Especificaciones indicador-transmisor de temperatura (PT100). Fabricante Modelo Rango Protección Temperatura máx. adm. Cabezal Transmisor ID. WIKA TR10-B -200-600ºC SIL2,IP65 80ºC KN4-A T15 T-T1 4.3.3 Instrumentos para medir nivel de agua En los planos del apartado 8 se simboliza con LI y LS los instrumentos de medida de nivel. Donde LS son las siglas de sensores de seguridad de nivel y LI de un indicador de nivel, óptico normalmente. •Indicador de nivel : es un instrumento que refleja, ya sea como señal o como visor, la medida del nivel evaluado. Ejemplo de señal indicadora de nivel es la que se obtiene del transmisor diferencial (P-T2, en Figura 4.6). Los visores ópticos son otras señales de nivel, necesarias según la norma (insertar). •Seguridad de nivel : son elementos de medida de niveles críticos, destinados evitar posibles peligros. La norma (insertar) hace referencia a la obligatoriedad de estos instrumentos en bajo y muy bajo nivel. Por tanto, siendo obligatorio dos limitadores de nivel para la caldera. Figura 4.10 Medidas de nivel de agua zona cuerpo de vapor. El transmisor diferencial de presión se emplea para recoger la información de la medida de nivel de agua en la caldera, tal como se refleja en la Figura 4.11. Figura 4.11 Diagrama de medida de nivel de agua. Fuente: https://instrumentacionycontrol.net/wp-content/uploads/2017/10/Figura-3-14.-Medida-del-nivel-del-calderin.gif 32 Capítulo 4. Instrumentación y control Especificaciones del proyecto Tabla 4.9 Especificaciones conjunto limitador de nivel. Fabricante Modelo Elemento Rango Protección Presión nominal Temperatura máx. adm. ID. GESTRA NRS 1-50 Regulador IN/OUT SIL 3, IP40 - 55ºC L-S1 GESTRA NRS 1-50 Electrodo Long. barilla IP65 40 bar 70ºC L-S1 Tabla 4.10 Especificaciones indicador óptico de nivel. Fabricante Modelo Rango Presión nominal Temperatura máx. adm. ID. DIESSE DS LG - RBR GR 18 HL = 490 mm 40 bar 300ºC L-I1 4.3.4 Instrumentos para medir caudal En los planos del apartado 8 se simbolizan con FT los instrumentos de caudal, siendo FT las siglas de un transmisor de flujo. •Transmisor de flujo : también llamado cuaudalímetro, es un sensor que transforma la medida del caudal en una señal eléctrica. Este instrumento puede calcular tanto flujo másico, caudal volumétrico y algunas medidas adicionales del fluido de una tubería. Figura 4.12 Medidas de caudal zona fuente de calor. Figura 4.13 Medidas de caudal zona salida de vapor. 4.3 Instrumentación 33 Especificaciones del proyecto Tabla 4.11 Especificaciones transmisores de flujo. Fabricante Modelo Protocolo com. Fluido Protección Presión nominal Temp. máx. adm. ID. EMERSON 8800D HART Vapor SIL 3 40 bar 232ºC F-T1 EMERSON 8800D HART Gas SIL 3 16 bar 232ºC F-T2 4.3.5 Instrumentos para medir calidad del agua La calidad del agua se mide de distintas maneras, entre ellas está el análisis de la conductividad del agua. Se utilizan los indicadores de conductividad (CI en 8) para obtener la medida a controlar. •Indicador de conductividad : es un dispositivo que mide la conductividad del agua mediante un electrodo y el regulador, normalmente, examina el valor. El regulador está asociado a la válvula de purga automática y es quien la controla según los valores obtenidos. Figura 4.14 Medidas de conductividad zona cuerpo de vapor. Especificaciones del proyecto Tabla 4.12 Especificaciones conjunto indicador de conductividad. Fabricante Modelo Elemento Rango Protección Temp. máx. adm. ID. GESTRA LRR 1-5B Regulador 0-10mS/cm IP40 50ºC C-I1 GESTRA ERL 16-1 Electrodo - - 60ºC C-I1 34 Capítulo 4. Instrumentación y control 4.3.6 Instrumentos para medidas de la combustión En los planos del apartado 8 se simboliza con SI, VLT, UV los instrumentos de medida adicionales para la combustión. Donde SI es un indicador de frecuencia, VLT un variador de frecuencia o transmisor y UV es el detector de llamas. •Indicador de frecuencia: señal que indica la velocidad de giro o frecuencia. •Variador de frecuencia : es un dispositivo que se encarga de regular la velocidad rotacional de un motor de corriente alterna al que estén asociados. En este proyecto se utiliza para el motor del ventilador de entrada de aire. •Detector de llamas: es un sensor de presencia de llama. Figura 4.15 Medidas del quemador, preparación de la combustión. En la combustión están involucrados, también, los sensores e indicadores de emisiones, en este caso de O2y CO en la salida de gases. •Analizador de combustión : es un equipo robusto que monitorea los gases producidos por la combustión. Se extrae con estos la composición de los gases evacuados y con los datos obtenidos se evaluan las emisiones. Figura 4.16 Medidas de la combustión. 4.3 Instrumentación 35 Especificaciones del proyecto Tabla 4.13 Especificaciones variador de frecuencia. Fabricante Modelo Rango Protección Fluido Temp. máx. adm. ID. DANFOSS VLT A.D. FC 202 22-37 kW Aire IP20 50ºC S-I1 Tabla 4.14 Especificaciones detector de llamas. Fabricante Modelo Rango Protección Fluido Temp. máx. adm. ID. LAMTEC FFS08 UV-1 260-400 nm Gas SIL 3, IP67 65ºC UV-1 Tabla 4.15 Especificaciones analizador de combustión. Fabricante Modelo Elemento Protocolo com. Fluido Protección Temp. máx. adm. ID. LAMTEC LT3-F Regulador PROFIBUS Gas SIL 2, IP65 O2CO-1 LAMTEC KS1D (HT) Sensor - Gas SIL 2, IP65 50ºC O2CO-1 36 Capítulo 4. Instrumentación y control 4.4 Lazos de control Los sistemas a controlar son: •Sistema de alimentación de agua, control de nivel de agua. •Sistema de demanda de vapor, control de presión. •Sistema de combustión. •Sistemas auxiliares, control de purga continua. Se plantean distintas alternativas en cuanto a lazos de control. Las alternativas planteadas son más o menos complejas según características concretas del generador en cuestión y los requerimientos que se pretendan satisfacer. 4.4.1 Caldera En este apartado se describen los sistemas de alimentación de agua y gestión de demanda. Los lazos de control de los sistemas son independientes, pero se utiliza un sólo controlador, PLC, para su ejecución. Sistema de alimentación de agua El fin de este sistema es mantener el nivel de agua de la caldera en el rango de trabajo establecido. Además de este objetivo, se tienen en cuenta una serie de requisitos a satisfacer para un funcionamiento adecuado del generador: •Máxima independencia posible respecto al control de combustión. •Procurar un suave cambio de agua ante las variaciones de carga. •Mantener en un equilibrio la salida de vapor y la entrada de agua. •Compensación de presión de alimentación de agua sin afectar al proceso. En el control de nivel de una caldera hay que tener en cuenta los fenómenos que provocan alteraciones en la medición, como: • Expansión o esponjamiento: fenómeno que se produce cuando hay un aumento instantáneo de carga y el nivel, en lugar de disminuir, que es lo esperado, aumenta. Este fenómeno es debido a una disminución de la presión que produce la aparición de burbujas ocasionando ese aumento de nivel. • Contracción: fenómeno, análogo, se produce cuando hay una disminución instantánea de carga y el nivel, en lugar de aumentar, que es lo esperado, disminuye. Se plantean los siguientes tipos de control posibles [5] [6]: •Un elemento : controla y regula el nivel de agua actuando sobre la válvula de entrada de alimentación. (Figura 4.17) –Se emplea en calderas pequeñas cuyo volumen de almacenamiento es alto. –Es un control proporcional e integral. –Este control se adecuará si no se producen variaciones bruscas de carga. Nota: no es un tipo de control recomendado dado que no satisface la mayoría de los requisitos comentados. Aunque si se dan los puntos anteriores se suele utilizar. 4.4 Lazos de control 37 Figura 4.17 Lazo de control alimentación de agua a un elemento. Fuente: https://instrumentacionycontrol.net/wp-content/uploads/2017/10/Figura-3-18.-Control-de-nivel-a-un- elemento.gif •Dos elementos : las variables de proceso son el nivel de agua y el caudal de vapor. Este control actúa sobre la válvula de alimentación de agua, regulando la apertura. (Figura 4.18) –Se emplea en calderas cuyas variaciones de carga son más frecuentes. – Este control cumple todos los requisitos mencionados salvo el último. La presión de alimentación hace que la relación posición de la válvula-caudal aportado varíen, ocasionando alteraciones en cuanto a la regulación. Para solucionar este problema se usa un control de tres elementos. 38 Capítulo 4. Instrumentación y control Figura 4.18 Lazo de control alimentación de agua a dos elementos. Fuente: https://instrumentacionycontrol.net/wp-content/uploads/2017/10/Figura-3-20.-Control-de-nivel-a-dos- elementos.gif •Tres elementos : las variables de proceso son el nivel de agua y el caudal de vapor, como el control anterior. La diferencia está en que, adicionalmente, recibe la señal del caudal de alimentación de agua. Este control actúa también sobre la válvula de alimentación de agua, regulando la apertura. (Figura 4.19) –Se emplea en calderas cuyas variaciones de carga son rápidas y frecuentes. –Encontramos alternativas al lazo de control: se muestra en Figura 4.19 una de ellas. – Este control es como el de dos elementos, pero antes de enviar la señal al actuador se compensan las alteraciones. Estas alteraciones son provocadas por aquellas variables de la alimentación de agua que no se mantienen constantes y afectan al caudal, principalmente la presión de alimentación. 4.4 Lazos de control 39 Figura 4.19 Lazo de control alimentación de agua a tres elementos. Fuente: https://instrumentacionycontrol.net/wp-content/uploads/2017/10/Figura-3-22.-Control-de-nivel-a-tres- elementos.gif Añadir que a estos controles se le pueden realizar algunas modificaciones según desajustes concretos o requisitos adicionales. Por ejemplo: si se trata de un control de tres elementos trabajando a baja carga pueden darse problemas. Por lo que se precisa de alternancia entre el de tres elementos y el de un elemnto. Sistema de gestión de demanda El fin de este sistema es mantener el equilibrio entre la energía que se entrega y la que se suministra. Este objetivo se consigue generando la señal de demanda de carga del sistema y enviarla al controlador de la fuente de calor para que se genere la energía acorde a dicha demanda. Si las condiciones de presión y temperatura de vapor no varían considerablemente, entonces, se puede establecer una relación unidad (1:1) entre la energía y el caudal de vapor. Con estas premisas se puede establecer que [6]: •Demanda de vapor = caudal de vapor + error en presión. •Suministro = combustible + aire + el cambio de energía demandada en el sistema. •Consumo = vapor de los consumidores. •El colector de vapor será el punto de balance. •En cuanto a la presión: – Se mantiene en su consigna si el suministro y el consumo es igual, siendo constante la energía almacenada. –Aumenta si el suministro es superior al consumo. –Disminuye si el suministro es inferior al consumo. 46 Capítulo 4. Instrumentación y control 4.4.3 Purga de sales Sistema de purga continua de sales El fin de este control es mantener en valores adecuados los niveles de conductividad. Es necesario este mantenimiento para evitar los perjuicios que provoca la acumulación de sólidos en la caldera y los consumidores. Al estar trabajando con una caldera pirotubular, cuyos cambios de carga son frecuentes, se define un lazo de control de dos elementos. Estos son la conductividad y el caudal de alimentación. Habitualmente, la cantidad de purga viene dado como un porcentaje del caudal de alimentación y modificado por la conductividad. Figura 4.27 Lazo de control dos elementos de purga continua. Fuente: https://instrumentacionycontrol.net/wp-content/uploads/2017/10/Figura-3-12.-Control-de-conductividad-de- dos-elementos.gif Bibliografía capítulo 4:[2] [3] [5] [6] 5 Automatización En este apartado se muestra la implementación de lo analizado en el apartado 4. Se realiza en un controlador S7 1200 de SIEMENS, utilizando Tia Portal V14. 5.1 Dispositivos y sus conexiones Los dispositivos elegidos para la implementación de este proyecto son: •PLC S7 1200 –CPU 1214C DC/DC/DC –Módulos E/S –Módulo comunicación PROFIBUS •HMI TP700 Comfort •ETAMATIC OEM En la configuración de dispositivos de Tia Portal se configuran sus conexiones y comunicaciones, como se puede observar en la Figura 5.1. Figura 5.1 Configuración de dispositivos. La comunicación se realiza por PROFINET, entre la pantalla y la CPU, y por PROFIBUS, entre la CPU y el controlador del quemador (ETAMATIC OEM). 47 48 Capítulo 5. Automatización 5.2 Datos y señales El PLC recibe y envía una serie de datos y señales, operando con ellos para el correcto funcionamiento del sistema. Estas señales se reciben mediante las entradas y salidas del PLC, ya sea las correspondientes a la CPU o los módulos E/S conectados. En este caso, se han elegido los siguientes módulos de E/S: •Módulo de 16 entradas digitales. •Módulo de 8 entradas analógicas (x2). •Módulo de 4 salidas analógicas. Además, se reciben datos del ETAMATIC mediante la comunicación PROFIBUS: •Módulo de comunicación CM1243-5. 5.2.1 Señales E/S Tabla 5.1 Entradas analógicas PLC. NºDirección Descripción de entradas Tipo Instrumento 1 IW96 Presión vapor Caldera 4 - 20 mA Transmisor de presión 2 IW98 Nivel de agua Caldera 4 - 20 mA Transmisor de presión Diferencial 3 IW100 Caudal de vapor Caldera 4 - 20 mA Caudalimetro de vapor 4 IW102 Temperatura vapor Caldera 4 - 20 mA Pt100 5 IW104 Temperatura entrada de agua Economizador 4 - 20 mA Pt100 6 IW106 Temperatura salida de agua Economizador 4 - 20 mA Pt100 7 IW108 Temperatura de gases entrada Economizador 4 - 20 mA Pt100 8 IW110 Temperatura de gases salida Economizador 4 - 20 mA Pt100 9 IW128 Presión impulsión Bomba alimentación de agua 4 - 20 mA Transmisor de presión 10 IW130 Conductividad del agua 4 - 20 mA Regulador de desalinización 11 IW132 Posición válvula de recirculación agua alimentación 4 - 20 mA Convertidor resistencia 1kΩa 4-20mA 12 IW134 Caudal gas natural 4 - 20 mA Cuantómetro de gas Tabla 5.2 Salidas analógicas PLC. NºDirección Descripción de salidas Tipo Instrumento 1 QW128 Válvula alimentación de agua Caldera 4 - 20 mA Válvula de control 2 QW130 Modulación Quemador (control de potencia) 4 - 20 mA Señal al controlador del quemador 5.2 Datos y señales 49 Tabla 5.3 Entradas digitales PLC. NºDirección Descripción de entradas Tipo Dispositivos asociados 1 I24.0 Nivel muy bajo de agua ( Mínimo de seguridad) 24 VCD Interruptor de limitador de nivel bajo 2 I24.1 Nivel bajo de agua ( Mínimo de agua ) 24 VCD Interruptor de limitador de nivel muy bajo 3 I24.2 Presión vapor excesiva 24 VCD Presostato 4 I24.3 Bomba 1 en marcha 24 VCD Señal de bomba 5 I24.4 Bomba 2 en marcha 24 VCD Señal de bomba 6 I24.5 Selector bomba 24 VCD Selector bomba 7 I24.6 Selector de bombas modo 24 VCD Selector modo funcionamiento bomba 8 I24.7 Alarma controlador Quemador en fallo 24 VCD Señal de alarma del controlador del quemador 9 I25.0 Magnetotermico Bomba 1 24 VCD Señal alerta magnetotérmico 10 I25.1 Magnetotermico Bomba 2 24 VCD Señal alerta magnetotérmico 11 I25.2 Magnetotérmico general 24 VCD Señal alerta magnetotérmico 12 I25.3 Enterado de alarma 24 VCD Pulsador 13 I25.4 Tensión de maniobra 24 VCD Pulsador 14 I25.5 Rearme de seguridades 24 VCD Pulsador 15 I25.6 Rearme tiempo vigilancia 24 VCD Pulsador 16 I25.7 Magnetotérmico ventilador 24 VCD Señal alerta magnetotérmico 17 I0.0 Fallo ventilador 24 VCD Relé variador de frecuencia 18 I0.1 Ventilador quemador en funcionamiento 24 VCD Relé variador de frecuencia 19 I0.2 Quemador en funcionamiento con gas 24 VCD Interruptor selección de combustible 20 I0.3 Puerta abierta quemador 24 VCD Interruptor en puerta de quemador 21 I0.4 Nivel mínimo depósito alimentación 24 VCD Interruptor de limitador de nivel Tabla 5.4 Lógica de entradas digitales PLC. NºDirección Descripción de entradas Lógica real Lógica programa 1 I24.0 Nivel muy bajo de agua ( Mínimo de seguridad) 0-Alarma 1-Alarma 2 I24.1 Nivel bajo de agua ( Mínimo de agua ) 0-Alarma 1-Alarma 3 I24.2 Presión vapor excesiva 0-Alarma 1-Alarma 4 I24.3 Bomba 1 en marcha 1-Marcha 1-Marcha 5 I24.4 Bomba 2 en marcha 1-Marcha 1-Marcha 6 I24.5 Selector bomba 0-Bomba 1 0-Bomba 1 7 I24.6 Selector de bombas modo 1-Automático 1-Automático 8 I24.7 Alarma ETAMATIC en fallo 0-Alarma 1-Alarma 9 I25.0 Magnetotermico Bomba 1 0-Alarma 1-Alarma 10 I25.1 Magnetotermico Bomba 2 0-Alarma 1-Alarma 11 I25.2 Magnetotérmico general 0-Alarma 1-Alarma 12 I25.3 Enterado de alarma 1-Rearme 1-Rearme 13 I25.4 Tensión de maniobra 1-Tensión 1-Tensión 14 I25.5 Rearme de seguridades 1-Rearme 1-Rearme 15 I25.6 Rearme tiempo dos horas 1-Rearme 1-Rearme 16 I25.7 Magnetotérmico ventilador 0-Alarma 1-Alarma 17 I0.0 Fallo ventilador 0-Alarma 1-Alarma 18 I0.1 Ventilador quemador en funcionamiento 0-Alarma 1-Alarma 19 I0.2 Quemador en funcionamiento con gas 1-Gas 1-Gas 20 I0.3 Puerta abierta quemador 0-Alarma 1-Alarma 21 I0.4 Nivel mínimo depósito alimentación 0-Alarma 1-Alarma 50 Capítulo 5. Automatización Tabla 5.5 Salidas digitales PLC. NºDirección Descripción de salidas Tipo Dispositivo asociado Lógica 1 Q0.0 Alarma acustica exterior 24 VCD Activa bocina exterior 1-Bocina 2 Q0.1 Seguridades correctas 24 VCD Activa señal luminosa 1-Correctas 3 Q0.2 Electroválvula de purga de lodos 24 VCD Activa bobina 1-Abre 4 Q0.3 Válvula recirculación agua bombas de agua (abrir) DPS Abrir válvula de control 1-Abre 5 Q0.4 Válvula recirculación agua bombas de agua (cerrar) DPS Cerrar válvula de control 1-Cierra 6 Q0.5 Marcha-paro bomba 1 24 VCD Activa bobina 1-Marcha 7 Q0.6 Marcha-paro bomba 2 24 VCD Activa bobina 1-Marcha 8 Q0.7 Paro quemador por presión de trabajo máxima 24 VCD Desactivar bobina 0-Paro 5.2 Datos y señales 51 5.2.2 Datos ETAMATIC El PLC recibe los datos que necesita del ETAMATIC mediante la comunicación PROFIBUS configurada. Fuente: EK-ETAMATICOEM-DLT2015-12-aES-003.pdf Figura 5.2 Conexiones ETAMATIC. El controlador del quemador cuenta con la siguiente distribución de entradas y salidas. Entre ellas el System Bus por el que realiza la comunicación mencionada. 52 Capítulo 5. Automatización 5.3 Pantalla HMI y sus prestaciones La pantalla HMI permite al operario interactuar con el sistema de producción de vapor. Por lo tanto, se desarrollan las pantallas con la idea de proporcionar, de manera intuitiva, las prestaciones necesarias. A continuación se presentan y explican cada una de ellas: Figura 5.3 Pantalla inicio. En la Figura 5.3 se observa la primera pantalla que da acceso a otras tres pantallas principales: •Caldera o generador de vapor. •Menú de ajustes. •Alarmero. 5.3.1 Caldera Se accede con el botón "CALDERA" a la pantalla de la Figura 5.4. Esta pantalla, junto con las siguientes dos, permite visualizar lo que está ocurriendo en cada parte del generador. Se muestran valores específicos de parámetros más relevantes en cada punto, así como las alarmas ahí destacables. Como se puede observar, la Figura 5.4 contiene acceso a otras pantallas como son: •Agua de alimentación. •Purga de lodos. •Alarmero. •Zona de vigilancia por tiempo: Tiempo. 5.3 Pantalla HMI y sus prestaciones 53 Figura 5.4 Pantalla generador de vapor. La pantalla de la Figura 5.5 muestra el sistema de alimentación de agua, incluyendo el depósito y la recirculación. Esto último se escapa del alcance de este proyecto, siendo una línea de mejora futura. Esta pantalla, además de mostrar valores y alarmas, permite el control de las bombas de alimentación. Figura 5.5 Pantalla alimentación de agua. 54 Capítulo 5. Automatización Volviendo a la pantalla de la caldera, Figura 5.4, se puede acceder a la pantalla de la Figura 5.6, purga de lodos, . En esta pantalla se da la opción de configurar los tiempos de apertura y entre apertura de la electroválvula que purga los lodos. También permite, seleccionando el modo manual, abrirla directamente manteniendo el pulsador. Figura 5.6 Pantalla purga de lodos. 5.3 Pantalla HMI y sus prestaciones 55 5.3.2 Alarmas Se accede, desde la pantalla de inicio, con el botón "ALARMAS" a la pantalla de la Figura 5.7. En esta pantalla se muestran las alarmas principales. Con intención de aclarar lo referente a las alarmas, se añade un listado de las mismas y algunas características resaltables. Tabla 5.6 Listado de alarmas. NºAlarmas PLC Alarma sonora Cadena seg. cald. Cadena seg. quemador Paro quemador Paro bomba 1 Tensión de maniobra x x x 2 Nivel mínimo de seguridad de caldera x x x x 3 Nivel mínimo de agua caldera x x x 4 Presión excesiva vapor caldera x x x 5 Magnetotérmico bomba 1 x x 6 Magnetotérmico bomba 2 x x 7 Magnetotérmico ventilador quemador x 8 Fallo variador ventilador quemador x 10 Alarma magnetotérmico general x x 11 Nivel máximo caldera pp x 12 Nivel mínimo de agua caldera pp x x x 13 Nivel mínimo de seguridad de caldera pp x x x x 14 Temperatura de vapor excesiva pp x x 15 Nivel mínimo depósito de agua x x 16 Preaviso fin tiempo vigilancia x 17 Fin tiempo vigilancia x x x 18 Puerta del quemador abierta x x x x 19 Presión mínima de gas x x 20 Presión máxima de gas x x 21 Estanqueidad del gas x x 22 Alarma ETAMATIC quemador x x 23 Presión de trabajo máxima alcanzada x En la Figura 5.7 se muestran las alarmas mediante señales lumínicas. Se ilumina en rojo aquella alarma que esté activa en ese momento. Además, para ver las alarmas activas actuales, se puede acceder a un bufer tocando el pulsador "ALARMAS ACTUALES", Figura 5.8. Figura 5.7 Pantalla alarmero. 62 Capítulo 5. Automatización Figura 5.18 Pantalla ajustes: tiempo de vigilancia. En el menú de ajustes, se puede acceder también a los ajustes de PID. En la Figura 5.19 se plasma la idea de las modificaciones disponibles en el control PID de cada uno de los lazos de control programados. Figura 5.19 Pantalla ajustes: visor PID. 5.4 Estructura de programa CPU 63 5.4 Estructura de programa CPU El programa consta de una serie de OBs, como se observa en la Figura 5.20, entre ellos destacan dos. Estos son el main (OB1), un programa cíclico, y el cyclic interrupt (OB30), un bloque de interrupciones cíclicas que se explican a continuación. Figura 5.20 Bloques de operación utilizados. El OB1 sigue un ciclo de operación que se ilustra en la Figura 5.21. • Tratamiento de señales de entrada: engloba las funciones relacionadas con la adaptación al programa de las señales y valores a introducidos. • Funciones de operación: son las funciones que aseguran y coordinan el funcionamiento de los equipos en el proceso. • Tratamiento de señales de salida: incluye las funciones que adaptan las señales del programa a las salidas reales. En este caso sólo está la de salidas digitales. • Comunicaciones: como en este proceso hay una comunicación con otro equipo de control, se añaden las funciones necesarias para conectarse según el protocolo y obtener la información que se necesita. 64 Capítulo 5. Automatización Figura 5.21 Estructura MAIN OB1. Por otro lado, se precisa el OB30 para los controles PID, dado que estos necesitan producirse con un ciclo constante, y en el main los tiempos de ejecución son variables. 5.4 Estructura de programa CPU 65 En la Figura 5.22 se observa que el bloque de interrupción se plantea en ciclos y se configura para ejecutarse cada 100ms. En cada ciclo se ejecuta la llamada a la función correspondiente, en este caso son los PIDs implementados. Figura 5.22 Estructura Cyclic Interrupt OB30. La OB30 tiene prioridad sobre la OB1, ya que así está por defecto y es lo deseado para que se desarrolle correctamente lo planteado. 5.4.1 OB1-Tratamiento de señales de entrada Las funciones correspondientes al tratamiento de señales de entrada son: •FC1_DI •FC3_AI •FC4_VAL_DEFECTO •FC5_Totalizados •FC51_TratamientoAlarmas 66 Capítulo 5. Automatización Figura 5.23 Función de tratamiento de entradas digitales. Esta función se encarga de asociar a las entradas una copia para trabajar en interior del programa. Algunas de ellas por comodidad ven modificada su lógica, usando una lógica invertida, como se puede observar en la tabla de entradas digitales del apartado 5.2. Figura 5.24 Función de tratamiento de entradas analógicas. Esta función se encarga de convertir los valores de las señales analógicas de entrada 0-20mA/4- 20mA en variables con valores ingenieriles. En este proyecto, como se puede observar en la tabla de entradas analógicas del apartado 5.2, todas las señales son 4-20mA. En la función, para realizar la conversión, se crea una bloque funcional que filtra (opcional: ajustando parámetro de entrada), normaliza y escala la señal correspondiente. Figura 5.25 Función de reestablecimiento de valores por defecto. Esta función se encarga de igualar los valores de las variables que se consideren a un valor previamente establecido. Este valor suele ser el ajustado para cada variable en la puesta en marcha del sistema. 5.4 Estructura de programa CPU 67 Figura 5.26 Función de totalizados. Esta función se encarga de almacenar los valores de las variables que se muestran en la pantalla del HMI en la Figura 5.11. Esto se consigue mediante bloques funcionales de acumulación. Figura 5.27 Función de tratamiento de alarmas. Esta función se encarga de establecer las condiciones de activación de las distintas alarmas del sistema, ya explicadas con anterioridad para la pantalla de la Figura 5.7. Se crea una función en la que se establecen las condiciones de activación y de rearme de cada una de las alarmas. Algunas de las alarmas son configuradas por programa y también se establecen, en esta función de tratamiento, sus condiciones mediante un Set-Reset. 5.4.2 OB1-Funciones de operación Las funciones correspondientes al funcionamiento u operaciones del proceso son: •FC10_Reloj •FC40_FmtoBombas •FC41_FmtoPurgaLodos •FC50_AlarmaAcustica •FC52_Seguridades 68 Capítulo 5. Automatización Figura 5.28 Función de tiempo. Esta función se encarga de, por un lado, conteo temporal creando pulsos y, por otro, mediante el bloque funcional de reloj de vigilancia, llevar los tiempos de esta seguridad temporal. Figura 5.29 Función de gestión de bombas. Esta función se encarga de parar o poner en marcha la bomba correspondiente, teniendo en cuenta los modos de funcionamiento del sistema para establecer las condiciones. Se ha visto con anterioridad los modos de funcionamiento y la posibilidad de selección de los mismos en la pantalla de la Figura 5.5. Figura 5.30 Función de gestión de purga de lodos. Esta función se encarga de abrir o cerar la electroválvula de la purga de lodos. Se crea un bloque funcional para dicha labor, la cual tiene en cuenta los tiempos de apertura y entre aperturas para llevarlo a cabo. Las modificaciones de los parámetros o la apertura manual, están disponibles en la pantalla de la Figura 5.6. 5.4 Estructura de programa CPU 69 Figura 5.31 Función de alarma acústica. Esta función se encarga de activar la alarma sonora para avisar de un fallo en el sistema. Para ello, se crea una FB que examina todas las alarmas que activan la bocina y si detecta un cambio envía la señal de salida para que suene la alarma. Figura 5.32 Función de comprobación de cadena de seguridad. Esta función se encarga, principalmente, de comprobar que la cadena de seguridad no tiene fallos y en caso contrario saltar la alarma. Aunque también se utiliza esta función para enviar una señal de paro al quemador si alcanza la presión de trabajo máxima. La cadena de seguridad está compuesta de las distintas alarmas que se vieron para la Figura 5.7. 5.4.3 OB1-Tratamiento de señales de salida El tratamiento de las señales de salida, en este caso, contempla sólo una función, la correspondiente a las salidas digitales. Esto es así porque, por simplicidad, se han tratado las otras señales de salida en las propias funciones de operación. Figura 5.33 Función de tratamiento de salidas digitales. Esta función se encarga, de manera similar a la de tratamiento de entradas digitales, de mover a variable de salida el valor que se ha obtenido en el programa y que se almacena en una variable copia. La lógica también puede ser invertida como se comentaba en las entradas. 70 Capítulo 5. Automatización 5.4.4 OB1-Comunicación Las funciones correspondientes a realizar la comunicación entre los controladores son: •FC400_DecodificarETAMATIC •FC300_MODBUS_TCP Figura 5.34 Función de lectura de datos del ETAMATIC. Esta función se encarga de decodificar los datos del ETAMATIC como aquellos relacionados con los fallos. Así se puede activar la alarma correspondiente al fallo detectado. Figura 5.35 Función comunicación. Esta función se encarga de establecer la conexión entre los controladores y recibir-enviar los datos usando el protocolo TCP, orientado a conexión. 5.4.5 OB30-Funciones de control automático Las funciones correspondientes al control automático son: •FC100_RegulacionDemanda •FC101_AlimentaciónAgua •FC102_RecirculaciónAgua La función de "FC100_RegulacionDemanda" se encarga de regular la demanda de vapor. Se crea una FB modificada que contiene FB de PID de TiaPortal, para controlar la presión de vapor y según la misma enviar a la salida analógica de modulación de carga del quemador. 5.4 Estructura de programa CPU 71 Figura 5.36 OB30. La función de "FC101_AlimentaciónAgua" se encarga de mantener el sistema con la alimentación de agua funcionando adecuadamente. Se utiliza la FB de PID creada para conseguirlo, controlando el nivel de agua de la caldera. Según el nivel de agua se abre proporcionalmente la válvula de alimentación. Figura 5.37 OB30. Documento creado con la versión : Situación: FechaNombre Comentarios Índice Hoja Fecha Descripción: 201917161311 12 15 18 0 02 1076 9 1 421 3 4 3 2 7 8 9 6 5 11 10 2019.0.4.18 SOLIDWORKS Electrical Simbología y nomenclatura 85 14 INSTRUMENTOS DE CAMPO: FI: Indicador de flujo FIQ: Totalizado de indicador de flujo PA: Alarma de presión PI: Indicador de presión PS: Presostato PSV: válvula de seguridad de presión PIC: controlador de presión PT: transmisor de presión DPT: transmisor de presión diferencial TI: Termómetro (Indicador de temperatura) TT: transmisor de temperatura TC: regulador de temperatura T02: transmisor de oxigeno TOC: transmisor de monoxido de carbono LA: alarma de nivel LC: controlador de nivel LI: indicador de nivel LS: interruptor de nivel LT: transmisor de nivel LCV: válvula de control de nivel CC: controlador de conductividad CI: indicador de conductividad CT: transmisor de conductividad Y: libre I/P: convertidor de intensidad-presión PANEL DE CONTROL: L: bajo LL: muy bajo H: alto HH: muy alto VÁLVULA DE GLOBO/PISTÓN VÁLVULA DE COMPUERTA VÁLVULA DE BOLA VÁLVULA DE NO RETORNO VÁLVULA DE TRES VÍAS VÁLVULA DE CONTROL ELECTROVÁLVULA VÁLVULA REDUCTORA DE PRESIÓN CONEXIÓN ABIERTO-CERRADO PARA DRENAJE VÁLVULA DE SEGURIDAD FILTRO SÍMBOLOS DE VÁLVULAS Y ACCESORIOS NOMENCLATURA Documento creado con la versión : Situación: FechaNombre Comentarios Índice Hoja Fecha Descripción: 201917161311 12 15 18 0 03 1076 9 1 421 3 4 3 2 7 8 9 6 5 11 10 2019.0.4.18 SOLIDWORKS Electrical Instrumentación generador de vapor 85 14 LI LI PS PT ZONA SEGURA ZONA SEGURA PI TT LS LS CI DPT PI TT TO2 TCO TT FT L.F. L LL LS LS FT PT TI L H HH PS HH L H LI H CT TI TO2 TCO TI TT TI PI FT PI PI GAS NATURAL UV ZONA SEGURA PS PS PS L H SM SM SI PS VLT L.F. FT VLT L L PI L.F. L.F. PI TT TI PT PT TOMA DE MUESTRAS AGUA ENFRIADOR L.F. AIRE COMPRIMIDO L.F. CALDERA DEPOSITO DE AGUA (Fuera de alcance) ECONOMIZADOR BOMBAS DE ALIMENTACIÓN QUEMADOR ENFRIADOR DE PURGAS DE SALES COLECTOR DE VAPOR TANQUE DE PURGAS CHIMENEA (Fuera de alcance) PCV LCV Documento creado con la versión : Situación: FechaNombre Comentarios Índice Hoja Fecha Descripción: 201917161311 12 15 18 0 04 1076 9 1 421 3 4 3 2 7 8 9 6 5 11 10 2019.0.4.18 SOLIDWORKS Electrical Fuente de calor 85 14 PI FT PI PI GAS NATURAL UV ZONA SEGURA PS PS PS L H SM SM SI PS VLT L.F. FT VLT L L Documento creado con la versión : Situación: FechaNombre Comentarios Índice Hoja Fecha Descripción: 201917161311 12 15 18 0 05 1076 9 1 421 3 4 3 2 7 8 9 6 5 11 10 2019.0.4.18 SOLIDWORKS Electrical Caldera 85 14 LI LI PS PT ZONA SEGURA ZONA SEGURA PI TT LS LS CI DPT PI TT TO2 TCO TT FT L.F. L LL LS LS FT PT TI L H HH PS HH L H LI H CT TI TO2 TCO TI TT TI TOMA DE MUESTRAS AGUA ENFRIADOR L.F. AIRE COMPRIMIDO L.F. CALDERA ECONOMIZADOR ENFRIADOR DE PURGAS DE SALES COLECTOR DE VAPOR TANQUE DE PURGAS CHIMENEA (Fuera de alcance) STMA. ALIM. p. 08 STMA. ALIM. p.08 STMA. ALIM. p. 08 FUENTE DE CALOR p. 06 LCV PCV Documento creado con la versión : Situación: FechaNombre Comentarios Índice Hoja Fecha Descripción: 201917161311 12 15 18 0 06 1076 9 1 421 3 4 3 2 7 8 9 6 5 11 10 2019.0.4.18 SOLIDWORKS Electrical Alimentación de agua 85 14 PI L.F. L.F. PI TT TI PT PT PI TT TO2 TCO TT TI TO2 TCO TI TT TI DEPÓSITO DE AGUA (Fuera de alcance) BOMBA 1 BOMBA 2 CALDERA TANQUE DE PURGAS CALDERA p. 07 STMA. AIRE COMP. p. 07 LCV PCV Índice de Figuras 1.1 Sistemas para la producción de energía en forma de vapor 1 1.2 Ilustración del generador de vapor: vista exterior 3 1.3 Ilustración del generador de vapor: vista interior 4 1.4 Representación gráfica de la influencia del exceso de aire en la combustión 5 1.5 Partes de un quemador industrial 7 1.6 Partes de una rampa de gas 8 1.7 Dispositivos de seguridad 9 1.8 Representación esquemática de una caldera 10 1.9 Parámetros en la rampa de gas de entrada al generador de calor 10 4.1 Diagrama de funcionamiento general 21 4.2 Diagrama de puesta en marcha 22 4.3 Diagrama de los sistemas de operación 24 4.4 Diagrama de fallos y seguridades 26 4.5 Medidas de presión zona quemador 28 4.6 Medidas de presión zona caldera 28 4.7 Medidas de presión zona alimentación de agua 29 4.8 Medidas de temperatura zona caldera 30 4.9 Medidas de temperatura zona alimentación de agua 30 4.10 Medidas de nivel de agua zona cuerpo de vapor 31 4.11 Diagrama de medida de nivel de agua 31 4.12 Medidas de caudal zona fuente de calor 32 4.13 Medidas de caudal zona salida de vapor 32 4.14 Medidas de conductividad zona cuerpo de vapor 33 4.15 Medidas del quemador, preparación de la combustión 34 4.16 Medidas de la combustión 34 4.17 Lazo de control alimentación de agua a un elemento 37 4.18 Lazo de control alimentación de agua a dos elementos 38 4.19 Lazo de control alimentación de agua a tres elementos 39 4.20 Lazo de control demanda de carga a un elemento 40 4.21 Lazo de control demanda de carga a un elemento, seleccionable 41 4.22 Lazo de control demanda de carga a dos elementos 42 4.23 Lazo de control combustión posicionamiento paralelo 43 4.24 Lazo de control combustión realimentado, combustible sigue a aire 44 4.25 Lazo de control combustión realimentado, aire sigue a combustible 45 4.26 Lazo de control combustión límites cruzados 45 83 84 Índice de Figuras 4.27 Lazo de control dos elementos de purga continua 46 5.1 Configuración de dispositivos 47 5.2 Conexiones ETAMATIC 51 5.3 Pantalla inicio 52 5.4 Pantalla generador de vapor 53 5.5 Pantalla alimentación de agua 53 5.6 Pantalla purga de lodos 54 5.7 Pantalla alarmero 55 5.8 Pantalla alarmas activas actualmente 56 5.9 Pantalla histórico de alarmas 56 5.10 Pantalla menú de ajustes 57 5.11 Pantalla ajustes: totalizados 57 5.12 Pantalla ajustes: entradas analógicas 58 5.13 Pantalla ajustes: entradas analógicas 58 5.14 Pantalla ajustes: visor entradas y salidas digitales 59 5.15 Pantalla ajustes: reestablecer valores por defecto 60 5.16 Pantalla ajustes: alarmas por programa 60 5.17 Pantalla ajustes: presión de trabajo 61 5.18 Pantalla ajustes: tiempo de vigilancia 62 5.19 Pantalla ajustes: visor PID 62 5.20 Bloques de operación utilizados 63 5.21 Estructura MAIN OB1 64 5.22 Estructura Cyclic Interrupt OB30 65 5.23 Función de tratamiento de entradas digitales 66 5.24 Función de tratamiento de entradas analógicas 66 5.25 Función de reestablecimiento de valores por defecto 66 5.26 Función de totalizados 67 5.27 Función de tratamiento de alarmas 67 5.28 Función de tiempo 68 5.29 Función de gestión de bombas 68 5.30 Función de gestión de purga de lodos 68 5.31 Función de alarma acústica 69 5.32 Función de comprobación de cadena de seguridad 69 5.33 Función de tratamiento de salidas digitales 69 5.34 Función de lectura de datos del ETAMATIC 70 5.35 Función comunicación 70 5.36 OB30 71 5.37 OB30 71 Índice de Tablas 1.1 Diferencia entre calderas pirotubulares y acuotubulares 2 4.1 Especificaciones de la caldera pirotubular elegida 20 4.2 Especificaciones de la fuente de calor elegida 20 4.3 Especificaciones de la bomba de alimentación 20 4.4 Especificaciones instrumentación 28 4.5 Especificaciones presostatos 29 4.6 Especificaciones transmisores de presión 29 4.7 Especificaciones manómetros 30 4.8 Especificaciones indicador-transmisor de temperatura (PT100) 31 4.9 Especificaciones conjunto limitador de nivel 32 4.10 Especificaciones indicador óptico de nivel 32 4.11 Especificaciones transmisores de flujo 33 4.12 Especificaciones conjunto indicador de conductividad 33 4.13 Especificaciones variador de frecuencia 35 4.14 Especificaciones detector de llamas 35 4.15 Especificaciones analizador de combustión 35 5.1 Entradas analógicas PLC 48 5.2 Salidas analógicas PLC 48 5.3 Entradas digitales PLC 49 5.4 Lógica de entradas digitales PLC 49 5.5 Salidas digitales PLC 50 5.6 Listado de alarmas 55 6.1 Presupuesto 73 6.2 Presupuesto desglosado 74 85 Bibliografía [1] J. 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