DISCUSSION
MULTIPLE REGRESSION FINDINGS
El método del control de velocidad por el modo de programación de la frecuencia mínima y máxima se desarrolla con base en la frecuencia que será enviada al motor desde el variador, esta señal corresponde a la entrada proveniente del sensor de flujo para los casos operativos trabajados y que de manera simultánea será manejada por el PLC, mismo que está programado con un sistema de alarmas con la finalidad de proteger la bomba por alto y bajo flujo sin realizar ninguna acción de control propia que no sea el paro de la bomba. Esto quiere decir el flujo mínimo en la línea de bombeo será de 40.5 MBD y le corresponderá una señal de entrada al variador de 6.37 mA (ver figura 3.27) esto generará una frecuencia de salida desde el variador hacia el motor de 57.10 Hz (ver tabla 3.6) y de otra forma para el flujo máximo en la línea de bombeo de 70 MBD corresponderá una señal de entrada al variador de 9.39 mA (ver figura 3.27) y una frecuencia de salida desde el variador hacia el motor de 64.18 Hz (ver tabla 3.6).
Entonces, las frecuencias programadas como mínima y máxima en el variador serán de 57.10 y 64.18 Hz para los flujos mínimo y máximo respectivamente, el variador seleccionará de forma automática y proporcional la frecuencia de salida para los casos intermedios de flujo (desde 40.51 hasta 69.99 MBD) según la señal de control que reciba. La programación de los parámetros mínimo y máximo se realiza a través de la consola frontal del variador ó mediante el software de programación del dispositivo. Graficando la respuesta de la frecuencia mínima y máxima según la
Ingeniería en Control y Automatización
entrada de flujo en comparación con las frecuencias calculadas mostradas en la tabla 3.6 es posible observar la desviación correspondiente a los parámetros calculados y el funcionamiento real que tendría el motor por éste método, ésta desviación se ilustra en la gráfica de la figura 3.28.
Figura 3.27. Señal de Corriente Enviada Según el Flujo Sensado.
Ingeniería en Control y Automatización
Capítulo III 104 de 145
Se puede observar que mediante éste método de programación del variador existe una diferencia entre los valores de frecuencia de salida calculados en el apartado 3.2 y los valores de frecuencia de salida desarrollados por el variador mediante el modo de programación de la frecuencia mínima y máxima. Los valores de frecuencia calculados presentan diferencias no mayores a 0.15 Hz con respecto a los valores que desarrolla el variador.
El sistema de alarmas propuesto a programar en el PLC obedece a una lógica en la recepción de señales la cual se muestra en el diagrama de bloques 3.1 y su programación en el PLC dependerá del modelo y marca que se maneje. La lógica presentada en el diagrama de bloques 3.1 sirve como base para el desarrollo del sistema de control de paro, arranque y alarmas y contempla los siguientes pasos:
Como inicio del programa, se debe leer el estado de los botones de paro y arranque del
motor.
En caso de estar apagado el motor, éste permanecerá así hasta que el PLC lea el valor de
encendido en el botón de arranque, activando el funcionamiento del motor.
Cuando se arranque el motor, se genera un lapso de tiempo en el cual el motor eléctrico
alcanza su valor nominal de velocidad.
Posteriormente el PLC lee el valor de entrada del sensor de flujo, reestablece las salidas
destinadas para la alarma sonora y visual y almacena el valor de entrada en un registro.
El valor almacenado comienza a ser comparado, si el sensor de flujo reporta un valor por
debajo ó igual a 20 MBD (4.27 mA), el PLC activa una salida dirigida a la terminal de paro de motor establecida en el variador y activa una señal de alarma sonora y visual por flujo mínimo.
En caso de que el sensor de flujo reporte un flujo mayor ó igual a 40 MBD (6.32 mA), el PLC
enviará una salida hacia una alarma sonora y visual que indique que la bomba está trabajando con un bajo flujo.
Ingeniería en Control y Automatización
Para el caso en el que el sensor envíe una señal de flujo correspondiente a 70 MBD (9.39
mA), el PLC enviará una salida hacia una alarma sonora y visual que indique que la bomba está trabajando con el flujo máximo con el que puede operar.
Para flujos iguales ó mayores a 71 MBD (9.49 mA), el PLC activa una señal de salida a la
terminal de paro en el variador y una alarma sonora y visual por alto flujo, desactivando el motor eléctrico para protección del equipo.
Es importante recalcar que la decisión para el cambio de velocidad en el motor eléctrico para éste modo de programación no es decisión del PLC sino del variador y que éste diagrama de bloques para la programación en el PLC sólo desarrolla funciones de protección en el equipo y alarmas en su funcionamiento.
3.3.2 Control de Velocidad por el Modo de Programación de 15 Frecuencias Programadas
El variador de velocidad usado como ejemplo en éste lazo de control tiene la capacidad de controlar la velocidad de un motor por medio de frecuencias de salida programadas por el usuario, esto permite trabajar una gran cantidad de aplicaciones. Éste modelo cuenta con la particularidad de permitir programar 3, 7 ó 15 frecuencias de salida, las cuales se activan por medio de señales de control recibidas por las terminales RH, RM, RL, y REX (ver anexo B, figura B-3). Para éste modo de programación el variador cambia su función de controlador primario a elemento final de control, por ello es necesario utilizar un dispositivo que reciba la señal proveniente del sensor de flujo ultrasónico, realice una comparación y envíe una señal de salida que active, según la lógica de programación establecida, la velocidad requerida.
Un dispositivo capaz de realizar dicha tarea es un PLC, el cual puede recibir ésta señal y realizar una comparación mediante un programa definido por el usuario. La limitante que representa éste modo de uso del variador de velocidad se encuentra en el hecho de tener que ubicar una frecuencia a utilizar programada en el variador cuando el PLC reciba una señal proveniente del sensor de flujo y ésta no corresponda exactamente a la frecuencia programada, por lo tanto, con el fin de mantener una presión de 40 kg/cm² en el cabezal y tomando en cuenta que al variar la velocidad del motor para un mismo flujo se incrementa ó decrementa de la presión de descarga, el programa a desarrollar en el PLC tomará como consigna que cuando la medición de flujo se encuentre entre dos
Ingeniería en Control y Automatización
Capítulo III 106 de 145
puntos calculados y no fijados en el variador, el PLC envíe la señal que active la velocidad superior inmediata. Bajo ese principio la presión desarrollada por la bomba no será menor a 40 kg/cm². Para ilustrar lo descrito anteriormente se muestra como ejemplo: suponiendo que en el variador se programan las siguientes frecuencias correspondientes a los flujos calculados en el capítulo II como se muestra en la tabla 3.10.
Tabla 3.10. Frecuencias Calculadas Programadas en el Variador.
Caudal (MBD) RPM Necesarias Frecuencia (Hz) 70.0 3,851 64.18 68.5 3,796 63.27 66.5 3,763 62.72 64.5 3,731 62.18 62.5 3,699 61.65 60.5 3,668 61.13 58.5 3,637 60.62 56.5 3,608 60.13 54.5 3,579 59.65 52.5 3,551 59.19 50.5 3,525 58.75 48.5 3,500 58.33 46.5 3,476 57.93 44.5 3,453 57.55 40.5 3,413 56.88
Pero de acuerdo con los resultados obtenidos, se observa que existen datos y frecuencias que pueden ser calculadas para flujos intermedios y que no fueron programados (tabla 3.11 valores en rojo) estos flujos pueden ser medidos por el medidor de flujo ultrasónico y no corresponden a los casos valores programados en el variador, por lo tanto, es necesario realizar una acción que te permita realizar un ajuste en la velocidad para esos flujos.
Ingeniería en Control y Automatización
Ingeniería en Control y Automatización
Capítulo III 108 de 145
Tabla 3.11. Frecuencias Calculadas.
Caudal (MBD) RPM Necesarias Frecuencia (Hz) 68.5 3,796 63.27 68.0 3,788 63.13 67.5 3,780 62.99 67.0 3,771 62.86 66.5 3,763 62.72 66.0 3,755 62.59 65.5 3,747 62.45 65.0 3,739 62.32 64.5 3,731 62.18
Para ello, se propone realizar un programa en el PLC el cual tenga la capacidad de interpretar la señal analógica de entrada del sensor, transformarla y compararla con los casos de flujo programados, de tal forma que al ubicar un flujo intermedio, envíe la señal la señal ó señales de salida que recibirá el variador y que activará la frecuencia inmediata superior como se muestra en la gráfica de la figura 3.28. Éste modo de control genera una desviación en la presión de descarga de la tubería, como se muestra en el gráfico de la figura 3.29.
Ingeniería en Control y Automatización
Figura 3.29. Presión Desarrollada para Diferentes Flujos por el Método de 15 Frecuencias Programadas. Aunque existe un error en la presión de descarga es importante mencionar que la diferencia de presión para los casos intermedios de flujo no sobrepasaría los 0.06 kg/cm² y la presión en la descarga será mayor ó igual al valor esperado, entonces, el comportamiento del sistema por éste modo de programación y tipo de control es adecuado ya que se pretende ser lo más exacto posible, desarrollando el menor error en la presión de descarga para cada caso de flujo.
Teniendo comprendido el modo de control a utilizar y la forma de seleccionar la frecuencia apropiada, es importante conocer la lógica de funcionamiento en la activación de frecuencias con respecto a las señales de entrada del variador provenientes del PLC como se muestra en el manual del variador de frecuencia y se ilustra en las figuras 3.30 y 3.31.
Ingeniería en Control y Automatización
Capítulo III 110 de 145
La comparación del flujo medido en la succión, con los valores de flujo para las velocidades y frecuencias calculadas se realizará en el PLC, ya que cuenta con herramientas suficientes para la comparación y toma de decisiones con respecto a una señal de entrada.
Figura 3.31. Señales de Control para Activar 15 Frecuencias Programadas.
La lógica desarrollada para la recepción y comparación de señales presentada en el diagrama de bloques 3.2 sirve como base para el desarrollo del sistema de control de paro, arranque, alarmas y velocidades en la línea de bombeo y contempla los siguientes pasos:
Como inicio del programa, se debe leer el estado de los botones de paro y arranque del
motor.
En caso de estar apagado el motor, éste permanecerá así hasta que el PLC lea el valor de
encendido en el botón de arranque, activando el funcionamiento del motor.
Cuando se arranque el motor, se genera un lapso de tiempo en el cual el motor eléctrico
alcanza su valor nominal de velocidad.
Posteriormente el PLC lee el valor de entrada del sensor de flujo, reestablece las salidas
destinadas para la alarma sonora y visual y almacena el valor de entrada en un registro.
El valor almacenado comienza a ser comparado, si el sensor de flujo reporta un valor por
debajo ó igual a 20 MBD (4.27 mA), el PLC activa una salida dirigida a la terminal de paro de motor establecida en el variador y activa una señal de alarma sonora y visual por flujo mínimo.
Para un flujo menor ó igual a 40.5 MBD (6.37 mA), el PLC envía una señal de salida hacia la
Ingeniería en Control y Automatización
activar una alarma sonora y visual la cual representa que la bomba está trabajando con un flujo mínimo.
Para un flujo menor ó igual a 44.5 MBD (6.78 mA), el PLC envía una señal de salida hacia la
terminal RM del variador, activando así la velocidad programada número 2.
Para un flujo menor ó igual a 46.5 MBD (6.98 mA), el PLC envía una señal de salida hacia la
terminal RL del variador, activando así la velocidad programada número 3.
Para un flujo menor ó igual a 48.5 MBD (7.19 mA), el PLC envía señales de salida hacia la
terminal RM y RL del variador, activando así la velocidad programada número 4.
Para un flujo menor ó igual a 50.5 MBD (7.37 mA), el PLC envía señales de salida hacia la
terminal RH y RL del variador, activando así la velocidad programada número 5.
Para un flujo menor ó igual a 52.5 MBD (7.60 mA), el PLC envía señales de salida hacia la
terminal RH y RM del variador, activando así la velocidad programada número 6.
Para un flujo menor ó igual a 54.5 MBD (7.80 mA), el PLC envía señales de salida hacia la
terminal RL, RH y RM del variador, activando así la velocidad programada número 7.
Para un flujo menor ó igual a 56.5 MBD (8.01 mA), el PLC envía señales de salida hacia la
terminal REX del variador, activando así la velocidad programada número 8.
Para un flujo menor ó igual a 58.5 MBD (8.21 mA), el PLC envía señales de salida hacia la
terminal RL y REX del variador, activando así la velocidad programada número 9.
Para un flujo menor ó igual a 60.5 MBD (8.42 mA), el PLC envía señales de salida hacia la
terminal RM y REX del variador, activando así la velocidad programada número 10.
Para un flujo menor ó igual a 62.5 MBD (8.62 mA), el PLC envía señales de salida hacia la
terminal RL, RM y REX del variador, activando así la velocidad programada número 11.
Para un flujo menor ó igual a 64.5 MBD (8.83 mA), el PLC envía señales de salida hacia la
terminal RH y REX del variador, activando así la velocidad programada número 12.
Para un flujo menor ó igual a 66.5 MBD (9.03 mA), el PLC envía señales de salida hacia la
Ingeniería en Control y Automatización
Capítulo III 112 de 145
Para un flujo menor ó igual a 68.5 MBD (9.24 mA), el PLC envía señales de salida hacia la
terminal RH, RM y REX del variador, activando así la velocidad programada número 14.
Para un flujo menor ó igual a 69.9 MBD (9.38 mA), el PLC envía señales de salida hacia la
terminal RL, RH, RM y REX del variador, activando así la velocidad programada número 15.
Para un flujo menor ó igual a 70.9 MBD (9.48 mA), el PLC envía señales de salida hacia la
terminal RL, RH, RM y REX del variador, activando así la velocidad programada número 15, además de activar una alarma sonora y visual por tener un manejo de la bomba con el flujo máximo bajo la cual puede operar.
Para flujos entre 70.9 MBD (9.48 mA) y 71 MBD (9.49 mA) ó mayores, el PLC activa una
señal de salida a la terminal de paro en el variador y una alarma sonora y visual por alto flujo, desactivando el motor eléctrico para protección del equipo.
El PLC necesario para cumplir con ésta tarea no necesariamente tiene que ser muy robusto, sólo debe contar con sistema fijos ó modulares de entradas/salidas (I/O) analógicas y digitales, las cuales deben ser compatibles con las especificaciones requeridas para las señales de entrada en el variador. Por ello y por las múltiples aplicaciones de desarrollo en sistemas automáticos para sistemas en bombeo no se propone un PLC específico ya que es posible complementar éste proyecto con proyectos futuros, los cuales podrán determinar su capacidad y robustez según sus necesidades.
En éste capítulo se determinaron los parámetros necesarios, así como, la ingeniería básica para el diseño de éste sistema, sin embargo, es necesario evaluar de forma económica el desarrollo del proyecto, punto que se cubrirá en el capítulo a continuación.
Ingeniería en Control y Automatización
Ingeniería en Control y Automatización
Capítulo IV 114 de 145
CAPÍTULO IV
“PROPUESTA GENERAL DE COSTO DEL PROYECTO”
Para que un proyecto cumpla con las expectativas del cliente éste debe ser rentable, lo que quiere decir, que el proyecto no debe ser muy costoso ó en su defecto, que se generen condiciones que permitan recuperar la inversión realizada en un lapso de tiempo corto.
En éste capítulo se analizarán los costos del proyecto, desde los dispositivos hasta aspectos correspondientes a mano de obra, instalación y puesta en marcha, a partir de las cotizaciones y precios aproximados de equipos y servicios; estos precios se compararán con los costos de los consumos ó ahorros de energía mencionados en el capítulo III para determinar la viabilidad de éste proyecto.
4.1 Cotización del Proyecto
La cotización del proyecto se realizó para equipos de las mismas características y el mismo principio de funcionamiento que los mencionados en éste trabajo, por lo tanto, no existe ninguna diferencia en el control y los modos de programación. Se cotizaron algunos dispositivos de diferente marca debido a que los precios de algunos dispositivos no se otorgan de manera informal por parte del fabricante, sin embargo, se realiza éste análisis con la finalidad de tener una idea aproximada del costo del proyecto.
Con base en la información recopilada, se muestran los precios para cada concepto utilizado en éste proyecto en la tabla 4.1.
Tabla 4.1. Costos de Proyecto.
Partida Descripción Cantidad Precio
Unitario Subtotal Moneda 1
Variador de velocidad de par variable 600 hp 440V con gabinete integrado marca
Telemecanique.
1 36,225.00 36,225.00 USD
2 Sensor de flujo ultrasónico marca Faure Herman
Ingeniería en Control y Automatización
Capítulo IV 115 de 145
Tabla 4.1 Costos de Proyecto (Continuación).
Partida Descripción Cantidad Precio
Unitario Subtotal Moneda 3 Sensor transmisor de presión marca Foxboro
IGP10 1 500.00 500.00 USD
4 PLC Twido modular 12 entradas / 8 salidas
marca Telemecanique 1 278.13 278.13 USD
5 Cable conector de entradas y salidas marca
Telemec 1 175.22 175.22 USD
6 Tarjeta de 2 entradas / 1 salida analógicas marca
Telemecanique 1 215.95 215.95 USD
7 Fuente de alimentación de 24 Vcd marca Telemecanique 1 168.00 168.00 USD
8 Cable calibre #14 100 m 4.00 400.00 USD
9 Gabinete de 60 x 60 x 20 marca Rital 1 120.00 120.00 USD
SUBTOTAL EN USD 73,082.30 USD
10 Integración y programación de PLC e inversor y
puesta en marcha. 1 30,000.00 30,000.00 M,N
11 Viáticos por servicios foráneos por persona por 1
semana 1 15,000.00 15,000.00 M.N
SUBTOTAL EN M.N. 45,000.00 M.N.
Realizando el cambio de moneda para las partidas que se encuentran en dólares americanos (USD), utilizando la tasa de cambio de 1 USD = $ 14.83 M.N. según la información del Grupo Banamex el día 20 de Febrero de 2009, el costo del proyecto se muestra en moneda nacional en la tabla 4.2.
Tabla 4.2. Costo en Moneda Nacional de Materiales y Equipos a Utilizar.
Partida Descripción Cantidad Precio Moneda
1 Variador de velocidad de par variable 600 hp 440V
con gabinete integrado marca Telemecanique. 1 36,225.00 USD
Ingeniería en Control y Automatización
Capítulo IV 116 de 145
Tabla 4.2 Costo en Moneda Nacional de Materiales y Equipos a Utilizar (Continuación).
Partida Descripción Cantidad Precio Moneda
2 Sensor de flujo ultrasónico marca Faure Herman
FH 8500 1 35,000.00 USD
PRECIO 519,050.00 M.N.
3 Sensor transmisor de presión marca Foxboro IGP10 1 500.00 USD
PRECIO 7,415.00 M.N.
4 PLC Twido modular 12 entradas / 8 salidas marca
Telemecanique 1 278.13 USD
PRECIO 4,124.67 M.N.
5 Cable conector de entradas y salidas marca Telemec 1 175.22 USD
PRECIO 2,598.51 M.N.
6 Tarjeta de 2 entradas / 1 salida analógicas marca
Telemecanique 1 215.95 USD
PRECIO 3,202.54 M.N.
7 Fuente de alimentación de 24 Vcd marca
Telemecanique 1 168.00 USD
PRECIO 2,491.44 M.N.
8 Cable calibre #14 100 m 400.00 USD
PRECIO 5,932.00 M.N.
9 Gabinete de 60 x 60 x 20 marca Rital 1 120.00 USD
PRECIO 1,779.60 M.N.
PRECIO TOTAL 1,083,810.51 M.N.
Los precios mostrados en la tabla 4.2 son precios cotizados sin impuestos, a estos precios es necesario incluir el impuesto al valor agregado (I.V.A) del 15 %, por lo tanto, el costo real del proyecto se muestra en la tabla 4.3.
Ingeniería en Control y Automatización
Capítulo IV 117 de 145
Tabla 4.3. Costo Total del Proyecto.
Partida Descripción Cantidad Precio Moneda
1 Variador de velocidad de par variable 600 hp 440V
con gabinete integrado marca Telemecanique. 1 537,216.75 M.N.
I.V.A. 80,582.51 M.N.
PRECIO + I.V.A. 617,799.26 M.N.
2 Sensor de flujo ultrasónico marca Faure Herman FH 8500 1 519,050.00 M.N.
I.V.A. 77,857.50 M.N.
PRECIO + I.V.A. 596,907.50 M.N.
3 Sensor transmisor de presión marca Foxboro
IGP10 1 7,415.00 M.N.
I.V.A. 1,112.25 M.N.
PRECIO + I.V.A. 8,527.25 M.N.
4 PLC Twido modular 12 entradas / 8 salidas marca Telemecanique 1 4,124.67 M.N.
I.V.A. 618.70 M.N.
PRECIO + I.V.A. 4,743.37 M.N.
5 Cable conector de entradas y salidas marca
Telemec 1 2,598.51 M.N.
I.V.A. 389.78 M.N.
PRECIO + I.V.A. 2,988.29 M.N.
6 Tarjeta de 2 entradas / 1 salida analógicas marca Telemecanique 1 3,202.54 M.N.
I.V.A. 480.38 M.N.
PRECIO + I.V.A. 3,682.92 M.N.
7 Fuente de alimentación de 24 Vcd marca
Telemecanique 1 2,491.44 M.N. I.V.A. 373.72 M.N. PRECIO + I.V.A. 2,865.16 M.N. 8 Cable calibre #14 100 m 5,932.00 M.N. I.V.A. 889.80 M.N. PRECIO + I.V.A. 6,821.80 M.N.
9 Gabinete de 60 x 60 x 20 marca Rital 1 1,779.60 M.N.
I.V.A. 266.94 M.N.
Ingeniería en Control y Automatización
Capítulo IV 118 de 145
Tabla 4.3. Costo Total del Proyecto (Continuación)
Partida Descripción Cantidad Precio Moneda
10 Integración y programación de PLC e inversor y