Trabajo de grado · 2014
Instrumentación y automatización de un prototipo de mezclado utilizado para producir biocombustible a partir de aceite de semilla de algodón
Se realizó la instrumentación y automatización de un prototipo de mezclado construido para la producción de biocombustible a partir de aceite de semilla de algodón. Se construyó un prototipo debidamente automatizado con el proceso de producción de biocombustible, el cual contara con sensores para supervisar y visualizar algunas de las variables involucradas para así poder mejorar el proceso y ver su comportamiento ante diferentes valores, también contara con actuadores como resistencias de calentamiento, motores y válvulas, para lo cual se implementó el sistema de control con un PLC de siemens S7-200. De igual forma, se implementó una interfaz gráfica para el control y la visualización de las variables del proceso donde se podrá tener acceso a la primera y segunda etapa del proceso general. Para la construcción del prototipo y la instrumentación del tablero se requirió un estudio de los elementos del sistema mecánicos y los elementos de control, donde se evaluaron las mejor condiciones para un proceso óptimo y eficiente. El funcionamiento en conjunto de los elementos de medición y control se logró a través del PlC S7-200, el cual requirió del cableado eléctrico entre estos elementos y un sistema de potencia mediante un acondicionamiento de señales.
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Contenido
- INTRODUCCIÓNp. 19
- OBJETIVOSp. 20
- MARCO TEÓRICOp. 21
- 1.1 BIOCOMBUSTIBLESp. 21
- 1.1.1. Beneficios de los biocombustiblesp. 22
- 1.1.2. Biocombustible en Colombia:p. 23
- 1.1.3. Programa Nacional de Biocombustible en Colombia:p. 24
- 1.2 PROCESO DE PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLEp. 26
- 1.2.1. Generalidades del Proceso de Producción de Biocombustiblep. 26
- 1.2.2. Aceite Vegetalp. 27
- 1.2.4. Reacción Químicap. 29
- 1.2.5. Obtención del Producto Finalp. 31
- PRODUCCION DE BIOCOMBUSTIBLEp. 32
- 1.3.1 Sistema de dosificaciónp. 32
- 1.3.1.1 Sensor de nivel capacitivop. 34
- 1.3.1.2 Sensor de nivel ultrasónicop. 35
- Preparación del aceitep. 36
- 1.3.3. Sistema para la Reacción Químicap. 37
- 1.4. DISEÑO CONCEPTUAL DEL PROTOTIPOp. 41
- DESCRIPCIÓN DE LAS VARIABLES DEL PROCESOp. 43
- AUTOMATIZACIÓNp. 17
- COMPONENTES MECANICOS DEL PROTOTIPOp. 45
- 2.1. Estructura del Prototipop. 46
- Tanques de Almacenamientop. 48
- 2.2.1 Características de los Tanquesp. 48
- 2.2.1.1. Tanque Contenedor de Aceitep. 49
- 2.2.1.2 Tanque Contenedor de Metoxidop. 50
- 2.2.1.3 Tanque Contenedor de Mezclap. 51
- 2.3. Sistema de Agitaciónp. 53
- 2.3.1 Válvula solenoidep. 36
- 2.3.2. Resistencia eléctricap. 55
- INSTRUMENTACIÓN DEL PROTOTIPOp. 56
- 3.1. Elementos de Instrumentaciónp. 56
- 3.1.1. Sensor de Nivel Capacitivop. 34
- 3.1.2. Sensor de Nivel Ultrasónicop. 35
- 3.1.3. Válvula ON/OFFp. 62
- 3.1.4. Sensor de temperaturap. 64
- 3.1.5. Resistencias de Calentamientop. 65
- SISTEMA DE CONTROLp. 68
- 4.1. Acondicionamiento de Señalesp. 72
- 4.2. Sistema de protección Eléctricap. 77
- UNIDAD TERMINAL REMOTAp. 85
- 5.1. Controlador lógico programable SIMATIC S7-200 CPU 224 XPp. 85
- 5.1.1 Módulos de entradas analógicasp. 88
- 5.1.2. Módulo de comunicación Ethernetp. 93
- 5.2. PROTOCOLO DE COMUNICACIÓNp. 94
- 5.2.1. Cable multimaestro USB/PPIp. 96
- 5.2.2. Módulo EM 277 PROFIBUS-DPp. 98
- 5.2.3. Módulo Módem EM 241p. 100
- 5.2.5. Módulo Internetp. 104
- ESTACION DE CONTROLp. 105
- 5.3.1. Step 7-Micro/WIN: Software de Programaciónp. 107
- biocombustible:p. 111
- 5.3.3. SIMATIC WinCC Flexiblep. 125
- PROTOCOLO DE OPERACIÓNp. 141
- 6.1. Aspectos Mecánicosp. 141
- 6.2. Aspectos Electrónicosp. 142
- 6.3. Aspectos Adicionalesp. 143
- PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTOp. 144
- Modo Manualp. 145
- Modo Automáticop. 146
- CONCLUSIONESp. 150
- BIBLIOGRAFIAp. 152
- PRODUCCIÓN DE BIODIESELp. 156
- Tabla 1. Tipos de sensoresp. 33
- Tabla 2. Tipo de Sensores de Temperaturap. 39
- Tabla 3. Tipos de Termocuplasp. 40
- Tabla 4. Materiales de la Válvulap. 54
- Tabla 5. Materiales Aislantesp. 56
- Tabla 6. Medidas para el montaje del Sensor LK3124p. 57
- Tabla 7. Medidas para el montaje del Sensor LK3124p. 58
- Tabla 8. Características generales del sensor Turckp. 60
- Tabla 9. Señales Digitales involucradas en el procesop. 67
- Tabla 10. Señales Análogas Involucradas en el Procesop. 67
- Tabla 11. Datos técnicos de la CPU 224XPp. 87
- Tabla 12. Datos técnicos del modulo de entradas análogas EM231p. 89
- Tabla 13. Configuración de Interruptores DIP en el EM 23p. 91
- Tabla 14. Datos de Repetitividad y Precisión Media del Módulo EMp. 93
- Tabla 15. Cantidad de Enlaces Soportados por la CPU S7-200p. 97
- Tabla 16. Cantidad de Enlaces Soportados por Modulo EM 277p. 99
- Tabla 17. Cantidad de enlaces soportados por el modulo ethernetp. 102
- Tabla 18. Funciones de los indicadoresp. 103
- Tabla 19. Cantidad de enlaces soportados por el modulo internetp. 105
- Tabla 20. Datos para escalamiento del sensor capacitivop. 122
- Tabla 21. Datos para escalamiento del Sensor ultrasónicop. 122
- Figura 1. Procesos de producción de biocombustibles, 2007p. 22
- Figura 2. Diagrama de bloques general del proceso, 2011p. 25
- Figura 3. Procesos y productos de producción de biocombustiblep. 26
- Figura 4. Obtención del aceite de semilla de Algodón, 2011p. 28
- Figura 5. Equipos de Extracción de Aceite, 2009p. 29
- Figura 7. Diagrama general de decantaciónp. 32
- Figura 8. Medición en Sólidos y líquidosp. 34
- Figura 9. Condiciones de operación de sensor ultrasónicop. 35
- Figura 10. Resistencia de calentamientop. 38
- Figura 11. Grafica de linealidad de las termocuplasp. 41
- Figura 12. Disposición general del prototipop. 42
- Figura 13. Prototipo de producción de biocombustiblep. 45
- Figura 14. Estructura Metálica del prototipo, 2011p. 46
- Figura 15. Distribución en el primer nivel, 2011p. 47
- Figura 16. Distribución segundo nivel, 2011p. 47
- Figura 17. Distribución tercer nivel, 2011p. 48
- Figura 18. Tanque almacenamiento de aceitep. 50
- Figura 19. Tanque de Almacenamiento del Metoxido, 2011p. 51
- Figura 20. Tanque de mezcla, 2011p. 53
- Figura 21. Agitador de tipo axialp. 53
- Figura 22. Valvula solenoide ON/OFFp. 55
- Figura 23. Resistencia de calentamientop. 55
- Figura 24. Montaje del Sensor LK3124p. 57
- Figura 25. Conexión del Sensor LK3124p. 58
- Figura 26. Ubicación del Sensor capacitivo en el prototipop. 59
- Figura 27. Diagrama de Conexión [26]p. 60
- Figura 28. Rango de operaciónp. 61
- Figura 29. Ubicación del Sensor Ultrasónico en el Prototipop. 62
- Figura 30. Válvula solenoidep. 62
- Figura 31. Diagrama Interno Válvula Solenoidep. 63
- Figura 32. Ubicación de las válvulas en el prototipop. 63
- Figura 33. Termocupla Tipo Jp. 64
- algodónp. 17
- algodónp. 17
- Figura 36. Resistencia de Calentamientop. 65
- Figura 37. Ubicación de la Resistencia en el Tanque de Aceitep. 66
- Figura 38. Ubicación de la resistencia en el tanque de reacción químicap. 66
- Figura 39. Proceso General de controlp. 68
- Figura 40. Plano eléctrico. Conexión sensores electrónicosp. 69
- Figura 41. Plano eléctrico válvulas ON/OFFp. 70
- Figura 42. Plano Eléctrico. Conexión termocuplasp. 70
- Figura 43. Plano eléctrico. Conexión Resistencias de Calentamientop. 71
- Figura 44. Plano eléctrico. Conexión Motor Agitadorp. 71
- Figura 45. Relé de estado sólidop. 73
- Figura 46. Relé electromagnéticop. 73
- Figura 47. Acondicionamiento de señal válvulas ON/OFFp. 74
- de Algodónp. 67
- Químicap. 37
- Figura 50. Acondicionamiento de Señal Motor Monofásicop. 76
- Figura 51. Instalación del Sistema de Acondicionamiento de señalp. 76
- Figura 52. Interruptor EasyPact EZC100N 80 Ap. 77
- Figura 53. Interruptor Termo magnéticop. 78
- Figura 54. Borna Porta fusibles y Relés electromagnéticosp. 78
- Figura 55. Contactor Tripolar LC1D18p. 79
- Figura 56. Interruptor termomagnético tipo K 60 de schniderp. 79
- Figura 57. Guarda motor WEGp. 80
- Figura 58. Breaker Bifásico CHINT NB1-C16p. 81
- Figura 59. Contactor Tripolar CHNTp. 81
- Figura 60. Fuente Sitop e interruptor de protección monopolar C32 H-DCp. 82
- Figura 61. Gabinete de controlp. 83
- Figura 62. Gabinete de pasop. 84
- Figura 66. Modulo de cuatro entradas analógicasp. 89
- Figura 67. Diagrama de Cableado Modulo EM 231p. 90
- Figura 68. Esquema del Modulo EM 231p. 91
- Figura 69. Diagrama de bloques de las entradas del EM 231p. 92
- Figura 70. Formato de la Palabra de Datos de Entrada del EM 231p. 92
- Figura 71. Modulo Ethernet CP 243-1p. 94
- Figura 72. Ajustar Interface PG/PCp. 96
- Figura 73. Red PPIp. 97
- Figura 74. Cable Multi maestro USB/PPIp. 98
- Figura 75. Red PROFIBUSp. 99
- Figura 76. Modulo EM 277p. 100
- Figura 77. Modulo EM 241p. 101
- Figura 78. Conexiones del Modulo Ethernet CP 243-1p. 102
- Figura 79. Módulos instalados en el gabinete de controlp. 103
- Figura 80. Cable TP industrial ethernet 6XV1870-3RH20p. 104
- Figura 81. Modulo Internet CP 243-1 ITp. 105
- Figura 83. Componentes de la Ventana del Step 7-Micro/Winp. 107
- Figura 84. Editor KOP del step 7-Micro/WINp. 109
- Figura 85. Editor AWL del Step 7-Micro/WINp. 109
- Figura 86. Editor FUP del Step 7-Micro/WINp. 110
- Figura 82. Estación de controlp. 106
- Figura 87. Ventana principal del Step 7-MicroWinp. 111
- Figura 88. Menú CPU del Step 7-MicroWinp. 112
- Figura 89. Menú CPU del Step 7-MicroWinp. 112
- Figura 90. Asistente del Step 7-MicroWinp. 113
- Figura 91. Asistente ethernet del Step 7-MicroWinp. 114
- Figura 92. Posición del módulo en el asistente ethernetp. 114
- Figura 93. Asistente de configuración de características de Ethernetp. 115
- Figura 94. Byte de comando y enlaces en el asistente ethernetp. 115
- Figura 95. Configuración del enlace en el asistente ethernetp. 116
- Figura 96. CRC y keep alive en el asistente ethernetp. 117
- Figura 97. Asignar memoria en el asistente Ethernetp. 117
- Figura 98. Componentes del proyecto en el asistente Ethernetp. 118
- Figura 99. Ajuste de la interface PG/PCp. 119
- Figura 100. Comunicaciónp. 119
- Figura 101. Diagrama de estados del proceso generalp. 120
- Figura 102. Diagrama de flujo del proceso generalp. 121
- Figura 103. Control ON/OFF de la Temperaturap. 123
- Figura 104. Control ON/OFF de la dosificaciónp. 124
- Figura 105. Subrutina ETH0_CTRLp. 125
- Figura 106. Distribución del entorno de desarrollo de un proyectop. 127
- Figura 107. Ventana inicial WinCC Flexiblep. 128
- Figura 110. Configuración de la Plantilla de Imagenp. 131
- Figura 111. Configuración de Navegación de Imágenesp. 132
- Figura 112. Configuración de Imágenes del Sistemap. 132
- Figura 113. Configuración de Libreríasp. 133
- Figura 114. Información del Proyectop. 134
- Figura 115. Configuración de la comunicación en WinCC Flexiblep. 135
- Figura 116. Mapa de navegación de las pantallasp. 136
- biocombustible. [41]p. 138
- Figura 118. Imagen prototipo de producción de biodiesel. [41]p. 138
- Figura 119. Imagen Prototipo de Mezclado en Modo Manual. [41]p. 139
- Figura 120. Imagen prototipo de mezclado en modo automáticop. 139
- Figura 121. Imagen de tendencia en tiempo real. [41]p. 140
- Figura 122. Prototipo Modo Manualp. 145
- Figura 123. Prototipo Modo Automaticop. 146
- Figura 124. Prueba de Fucionamiento 1p. 147
- Figura 125. Prueba de funcionamiento 1p. 148
- Figura 126. Prueba de Funcionamiento 2p. 149