Los sistemas de control como tal, surgen a nivel industrial para resolver diversos problemas, entre los cuales se pueden tomar en cuenta: la protección del medio ambiente, la disminución de las horas hombre-máquina, la prevención de riesgos al personal, mantener la calidad del producto y niveles de producción a un mínimo costo. En los años cincuenta, nacen los sistemas de control, conocidos como control clásico o convencional. Actualmente el control convencional, domina el mercado del control de procesos industriales.
Estamos viviendo en un mundo cada vez más integrado, por lo que nuestros productos industriales deben competir tanto con los que se fabrican en países más industrializados como con aquellos producidos por una mano de obra muy barata. Es por ello que los procesos de fabricación deben tender cada vez más a asegurar una calidad rigurosa y uniforme, al mismo tiempo que una alta productividad.
En muchos procesos industriales la función de control es realizada por un operario (ser humano), este operario es el que decide cuando y como manipular las variables de modo tal que se obtenga una cadena productiva continua y eficiente. Lo cual es el caso actual que presenta SIDERCA en el control del horno giratorio del laminador continuo.
El proceso es de la siguiente manera: el acero es ingresado a la planta y depositado en el horno giratorio del laminador continuo, donde debe mantenerse a una cierta temperatura de trabajo, por lo que se deben manipularse las entradas de aire y de gas, a través de válvulas accionadotas.
El control utilizado es de forma manual por lo que presentan muchas fallas, ya sea por ser obsoletos o por falta de mantenimiento, lo que trae como consecuencia que cambien los parámetros en la temperatura del horno y a su vez esto implica pérdidas de dinero y tiempo. Esta situación ha originado que los operadores tengan verificar el funcionamiento del horno periódicamente, lo cual acarrea la baja calidad en la producción y pérdidas económicas.
Debido a estos problemas, la industria ha necesitado de la utilización de nuevos y más complejos procesos, que muchas veces el operario no puede controlar debido a la velocidad y exactitud requerida, además muchas veces las condiciones del espacio donde se lleva a cabo la tarea no son las más adecuadas para el desempeño del ser humano.
Frente a este panorama, surge la automatización y los sistemas de control como una solución que va a permitir llevar a la producción a estándares de calidad mucho mejores. Lo implica el constante aumento de los niveles de producción de la maquinaria instalada, el mejoramiento de la calidad del producto final, la disminución de los costos de producción, y la seguridad tanto para el personal como para los equipos.
Justificación
En un proceso productivo no siempre se justifica la implementación de sistemas de automatización, pero existen ciertas señales indicadoras que justifican y hacen necesario la implementación de estos sistemas.
La automatización solo es viable si al evaluar los beneficios económicos y sociales de las mejoras que se podrían obtener al automatizar, estas son mayores a los costos de operación y mantenimiento del sistema. En el caso de la empresa SIDERCA a través de una serie de estudios se ha demostrado la necesidad de un control automático para el mejor funcionamiento del proceso de producción de tubos de acero.
Con la automatización se genera un sustancial aumento de la producción y de la maquinaria instalada necesaria para lograr dicha producción. Permitiendo un mejor aprovechamiento de los recursos para a sí lograr una mejor calidad y cantidad de bienes finales, para luego entrar a competir en el mercado.
Alternativas de Solución
Emplear un controlador de temperatura PID en cascada, utilizando una línea de comunicación del tipo estandarizada o por interfases de comunicaciones propietarias (diseñadas por el fabricante) mediante un software de supervisión grafica llamado SCADA, que sirve para la adquisición de datos y el monitoreo del proceso, esto brindara la automatización y el control integral del horno.
Controlar la temperatura y otras variables importantes empleando un PLC, el cual permita adaptar otros posibles sistemas, ya sea por la utilización de la herramienta Profibus u otra forma de interfase. Con la implementación del PLC se controla observando el proceso a través da la PC.
Usar un Microcontrolador, el cual se programara para procesar los valores de temperaturas empleando algoritmos PID, también se podrán controlar los dispositivos que intervienen en el proceso.
Debido a que la planta, en este caso el horno esta expuesto a ruidos y perturbaciones, los cuales ocasionan alinealidades en el sistema se puede considera la implementación de la inteligencia artificial específicamente del uso de la lógica difusa, para de esta forma llevar el error muy cercano a cero.
Solución Propuesta
La prioridad para cualquier industria es la calidad en la producción y al menor costo posible, por lo que requieren de un sistema de control que lo garantice, a fin asegurar un menor numero de paradas y menor costo de mantenimiento.
Para la producción correcta de los tubos de acero es necesario que el sistema de control regule los caudales de aire y gas que llegan a los quemadores de esa zona aumentándolos o disminuyéndolos conjuntamente, de manera tal que la temperatura medida se mantenga lo más cercana posible a la de referencia. Es decir que el control del horno consiste en el ajuste de los valores de referencia para todas las temperaturas de zona y de la velocidad de avance de la solera. Ajustar esta velocidad implica ajustar el tiempo de ciclo, es decir, el tiempo que transcurre entre dos egresos sucesivos de piezas del horno. Esto hace que se presente una propuesta basada en un control de temperatura en cascada, el cual controle dos variables principales, la temperatura y el flujo de gas que alimenta el horno.
El calentador de inmersión con calentamiento por combustión, al tener una estructura unitaria incluye un quemador de gas de uso exclusivo para el horno, el cual, en su parte interior se encuentra el quemador que es calentado por un sistema de combustión a gas, es necesario que este flujo de gas sea controlado por una electro válvula que es activada por un controlador PID, según necesidades de la variación de la temperatura en el horno.
Los instrumentos seleccionados, tanto el controlador como el transmisor de temperatura son compatibles entre si y también con los equipos que se encuentran instalados en la empresa, por lo que no es necesario cambiarlos ya que esto facilita mantener un mejor control monitoreado. Los instrumentos son conectados por medio de una red de comunicación al Computador principal, y se presenta en la pantalla las mediciones y condiciones del proceso.
El transmisor de temperatura manda una señal analógica al controlador PID y éste a su vez manda una señal digital. El controlador en función de la señal que recibe y el set point fijado a 1300°C, manda a abrir o cerrar la válvula de control (electro válvula) el cual permite la entrada o restricción del flujo de gas al horno.
Por otro lado a la estación de gas se le instala un transmisor inteligente de presión que manda constantemente señales al sistema de control y éste a su vez permite que el sistema lo mantenga informado del estado en que se encuentra la estación. Para el caso de que la presión baje se indicará que no existe suficiente reserva de gas para que el horno se mantenga encendido.
Para este sistema de control se tiene como ventaja que el supervisor se encontrará ubicado en un lugar alejado del horno, protegido del calor y de sus radiaciones. Por otra parte, éste podrá ir monitoreando constantemente el proceso desde su oficina e ir controlando las variables a medir desde la sala de control.
Diagrama de bloque del sistema a ser implementado
Dentro del control de flujo están incluidas la válvula de control y la activación de la válvula de flujo.
En cuanto al costo de la implementación de este sistema se puede decir que es relativamente económico, y trae muchos beneficios, debido que disminuyen los costos de mantenimiento, el pago a personal para chequear constantemente el proceso, mejora la calidad de la producción, etc.
Revisión de Experiencias
Existen numerosos trabajos e información en Internet sobre sistemas automatizados para el control de temperatura de hornos industriales, con ayuda de todo esto se pretende cumplir con el desarrollo del proyecto para alcanzar las metas propuestas. A continuación se presentan algunos trabajos:
Marino (2004), realizó una Tesis de Doctorado que lleva por nombre: “Modelado y Control del Calentamiento de Productos de Acero en Hornos a Gas”. En esta tesis se desarrollan modelos del calentamiento de productos de acero en hornos a gas. El objetivo de este desarrollo es la aplicación industrial de los modelos en la optimización de situaciones de operación estacionarias, en el análisis de situaciones de operación no-estacionarias, y muy especialmente en el monitoreo y control de los procesos.
En resumen, los modelos y sistemas de control desarrollados representan una poderosa e innovativa herramienta tecnológica para la optimización del calentamiento de productos de acero en hornos industriales. Ellos constituyen un ejemplo de la tendencia irreversible hacia el control inteligente de los procesos industriales basado en modelos que funcionan en tiempo real, que permiten lograr importantes mejoras tanto en la calidad de los productos como en la productividad de los procesos de fabricación.
(Ing. Enrique Delgado Martínez), “Sistema de registro temperaturas hornos de fundición”. Este proyecto consiste en el Suministro, Instalación y Puesta en marcha de Sistema de Registro de Temperaturas de los Hornos de Fundición de Acero y Fabricación de Cabillas y Perfiles de la Planta de reprocesamiento de hierro de Sidetur en Guarenas. El sistema esta basado en sensores de Temperatura existentes en la planta y un Datalogger marca Datataker DT-50 con software instalado en el PC de la oficina de Mantenimiento y Producción de Planta.
(Aguirre León Miguel) “Diseño e Implementación de un sistema de control de temperatura para un instrumento de medición de densidad de material en la empresa CVG Bauxilum”.
Soto y Silva (1995), realizó un trabajo titulado: “Sustitución de Control por un Autómata Programable del Horno de Recocido de Láminas de C.V.G. Alcasa”, donde los autores concluyeron: que para agilizar los procesos e incrementar la producción es necesario automatizar los equipos electrónicos, que cumplan los parámetros establecidos según los indicadores exigidos en el Departamento.
Estos trabajos, sirven de ejemplo en cuanto a las normativas y estrategias que se debe seguir para el diseño de un sistema automatizado requerido en el horno giratorio del laminador continuo de SIDERCA.
A continuación se muestran varios sensores existentes en el mercado industrial para el control y medición de temperatura:
Termopar Cerámico para Alta Temperatura
Estos termopares incorporan una vaina cerámica y están especialmente diseñados para medidas de alta temperatura hasta 1600ºC o mayores. Aplicaciones típicas: fundiciones, altos hornos, baños. Se pude fabricar según la longitud definida por el usuario.
- Disponibles en varios tipos: K, T, J, N, E, R, S, B, C y D, simple o doble.
- Adecuado para temperaturas hasta 1600ºC o mayores.
- Amplio rango de racores de montaje.
Termopar Industrial con Vaina Metálica
Estos termopares industriales están diseñados específicamente para la medida de temperatura en entornos industriales como hornos y altos hornos, baños de galvanizado, baños de tratamientos térmicos y en general aplicaciones de alta temperatura. Su construcción robusta proporciona una vida prolongada del sensor.
- Disponibles en varios tipos: K, T, J, N, E, R, S, B, C y D.
- Vainas de protección en acero inoxidable, Inconel 600, Incoloy 800 ó Nicrobell.
- Adecuado para temperaturas hasta 1250ºC.
- Dependiendo del tipo de vaina elegido, estos termopares se pueden utilizar en entornos neutros, reductores u oxidantes así como en ambientes con altas concentraciones de gases sulfurosos.
Termopar de Aislamiento Mineral
Los termopares de aislamiento mineral son sensores de temperatura muy robustos adecuados para su uso en condiciones difíciles, según el tipo de construcción el rango de temperatura se extiende desde -200ºC a +1250ºC. En general la vaina se puede conformar para adaptarse a cualquier aplicación sin que afecte a su funcionamiento.
- Disponible en varios tipos: K, T, J, N, E, R, S, B, C y D con diámetros de vaina desde 0.25mm a 12,7mm.
- Distintas terminaciones: con cabezal, conector, cable, convertidor, etc.
- Diferentes tipos de materiales de vaina: acero inoxidable, Inconel, Pyrosil, etc. así como materiales menos comunes como Hastelloy, Platino y Molibdeno.
Para nuestra automatización trabajaremos con el Termopar Cerámico para Alta Temperatura, debido a que por sus características es el más apropiado para en control del horno, ya que para el proceso de fabricación de tubos de acero se requieren temperaturas muy elevadas las cuales no cualquier sensor de temperatura puede soportar.
OBJETIVOS
Diseño De Un Sistema Automatizado Para El Control De La Temperatura En El Horno Giratorio Del Laminador Continuo De Siderca utilizando un controlador PID.
Objetivos específicos
- Estudiar el sistema de funcionamiento actual del horno para poder hallar la solución mas adecuada.
- Asegurar una mejora en la calidad del trabajo del operador y en el desarrollo del proceso, ya que de esto dependerá la eficiencia del sistema implementado.
- Obtener una reducción de costos, puesto que se racionaliza el trabajo, se reduce el tiempo y el dinero dedicado al mantenimiento.
- Seleccionar los instrumentos y equipos a utilizar en la automatización con el fin de asegurar un óptimo funcionamiento del sistema.
- Realizar la configuración de los dispositivos de control y ejecutar las pruebas del sistema.
- Describir satisfactoriamente la validación de este modelo y lo que ocurre durante el proceso, mediante mediciones realizadas en situaciones representativas del funcionamiento del horno.
- Desarrollar un modelo de acuerdo a los procesos que ocurren durante el calentamiento.
- Ajuste de las temperaturas de zona impostadas para evitar que haya piezas que se aparten peligrosamente del calentamiento deseado.
- Predecir el valor de la salida del horno para cada uno de los tochos y el ajuste del tiempo de ciclo como para que no salga ningún tocho con un valor excesivo.
TABLA DE COSTOS
Alcance
Este diseño va dirigido a todo el sistema automatizado de temperatura en el horno giratorio del laminador continuo de SIDERCA. para mantener el acero líquido en la elaboración de tubos, agilizando sus labores y disminuyendo el factor error humano. En este proyecto se busca abrir una posibilidad al desarrollo de la empresa, que permita aumentar la producción, que brinde a los trabajadores seguridad y confiabilidad
Limitación
Entre las limitaciones que se tienen para el desarrollo de esta investigación son:
- La disponibilidad de los operadores para suministrar la información.
- Disponibilidad económica para el traslado al sitio de la investigación.
