Planteamiento Del Problema
CVG VENALUM ubicada en Puerto Ordaz- Estado Bolívar, Av. Fuerzas Armadas en la Zona Industrial Matanzas y sobre la margen sur del río Orinoco, fue inaugurada oficialmente el 10 de junio de 1978, es la mayor de Latinoamérica, con una capacidad instalada de 430.000 toneladas de aluminio al año. Esta organización se dedica a la producción de aluminio primario en diversas formas para fines de exportación. El proceso de elaboración de los productos de esta empresa (Lingotes de Aluminio para Refusión y Cilindros de Aluminio para Extrusión), incluye una serie de etapas que deben cumplirse para la obtención del producto de alta calidad, una de ella es precisamente la de recepción de alúmina, la cual es la materia prima.
La alúmina es obtenida del proceso de producción y refinación de la bauxita. Este material es ingresado a la planta y añadido a un proceso de Reducción Electrolítica, donde ya se han formado los ánodos en el área de Fabricación de Ánodos y los cátodos en el área de Reacondicionamiento Catódico. Este proceso de reducción electrolítica es llevado a cabo en celdas conectadas en serie (5 líneas, para un total de 900 celdas, 720 de tecnología Reynolds y 180 de tecnología HydroAluminium. Adicionalmente hay 5 celdas de tipo V-350 desarrolladas por ingenieros venezolanos trabajando para la empresa.), las cuales realizan la transformación de la alúmina en aluminio. Luego el producto obtenido en las celdas es trasegado y transferido en crisoles de 6 toneladas al área de Colada, donde se elaboran todos los productos terminados de la empresa.
El aluminio se vierte en los hornos de retención donde mantenerse a determinada temperatura de trabajo y durante el tiempo que se considere necesario. Para mantener la temperatura en el horno, deben manipularse tanto la entrada de aire como la de gas, a través de válvulas mariposas accionadas por posicionadores, los cuales son manuales. Adicionalmente existen válvulas solenoides de seguridad, sensores de presión y detectores de llamas; agregándosele si es requerido por los clientes, los elementos aleantes que necesitan algunos productos.
Cada horno de retención determina la colada de una forma específica: lingotes de 10 kg, 22 Kg y 680 Kg, cilindros para extrusión y metal líquido. Una vez que el proceso es completado el aluminio esta listo para la venta en los mercados nacional e internacional.
Actualmente, los controladores manuales presentan fallas, debido a la falta de mantenimiento, éstos se caracterizan por ser obsoletos, en consecuencia la temperatura en los hornos no cumple los parámetros, ya que se mantienen a bajo nivel para poder fundir el aluminio, causando pérdida de tiempo, dinero, compromiso con otras empresas a las que se les suministra aluminio y además la parada de otras maquinas unidas a este proceso.
Esta situación planteada ha originado que los operadores cada 20 minutos tienen que verificar la temperatura del horno, lo que ocasiona agotamiento de tiempo, estrés laboral, y sobre todo la factibilidad del factor error humano, que puede traer grandes perdidas económicas y baja calidad de la producción.
Alternativas De Solución
Luego de haber revisado un conjunto de experiencias como las propuestas anteriormente, y así como estudiar el entorno que integra el proceso a automatizar se esbozan las siguientes alternativas de solución:
- Emplear un sistema de control en cascada, sustituyendo el actual por equipos eficientes como: un controlador de temperatura PID, transmisor inteligente de presión diferencial, sensores de temperatura, nivel y presión, y electro válvulas. Estos equipos de control se comunicaran por una línea de comunicación del tipo estandarizada o por interfases de comunicaciones propietarias (diseñadas por el fabricante) mediante un SCADA, que sirve para la adquisición de datos y el monitoreo del proceso, esto brindara la automatización y el control integral del horno.
- Usar un Microcontrolador, el cual se programara para procesar los valores de las variables del horno empleando algoritmos PID. Mediante un software de programación como Labview podemos realizar un diseño de la planta y conjuntamente con las variables que manipula el PIC podemos observarlas, monitorear el desempeño de los equipos y dar órdenes a la planta desde el PC.
- Controlar las variables del horno y la más importante (la temperatura) empleando un PLC, el cual nos permitiría adaptar otros posibles sistemas, a futuro en esta empresa. Las variables medidas por el PLC serán observadas en el panel instalado por la empresa de control para cada PLC y mediante el diseño de un software orientado a objetos y ejecutadas con un algoritmo de control tipo PID, empleando estrategias de programación con el software que enlaza el PC con el PLC para enviar a los dispositivos que conforman el proceso, las señales correspondientes que contribuirán al buen funcionamiento de la planta.
Utilizar como elemento de medición de la variable a controlar una termocupla, debido a su sencillez y robustez. Acoplado a la termocupla debe diseñarse un adecuado circuito acondicionador de la señal que se obtendrá, tomando en cuenta criterios de mediciones industriales, asociadas a este elemento sensor de temperatura.
Solución Propuesta
Por la complejidad del proceso, es necesario que el sistema propuesto de control garantice mayor disponibilidad al horno de retención para la conservación del aluminio líquido a fin de asegurar menor número de paradas durante el proceso y menor costo de mantenimiento tanto preventivo como correctivo. Esto hace que se presente una propuesta basada en un control por medio de un PLC, el cual controle las dos variables principales, la temperatura (temperatura del baño y temperatura del techo) y el flujo de gas y aire que alimenta el horno (Flujo de gas, flujo de aire y damper de aire).
El calentador de inmersión con calentamiento por combustión del horno de retención, al tener una estructura unitaria, incluye un quemador de gas de uso exclusivo para el horno. El cual esta inmerso en un tubo de cerámica y en su parte interior se encuentran el quemador que es calentado por sistema de combustión a gas, es necesario que, este flujo de gas sea controlado por 5 válvulas independientes de Maxon (de la empresa Honeywell, serie RM-7800), que son activadas por el controlador PID, según necesidades de la variación de la temperatura en el horno.
La combustión se realiza al entrar el PLC al estado operativo “pilotos” el operador deber abrir la válvula Maxon de bloqueo de gas principal por medio del panel operador (OP7) y luego la de cierre de gas principal para que los quemadores inicien el calentamiento del horno. Al momento de generarse la combustión dentro del horno se generan otros gases que son enviados a la atmósfera.
Los instrumentos son conectados por medio de una red de comunicación al Computador principal en la sala de MOD 300 y por un panel operador en la planta que permite el intercambio de información entre el PLC de control y el personal operador del horno, y se presenta en la pantalla las mediciones y condiciones del proceso. El software instalado en este sistema es el Autómata programable perteneciente a la familia S7 de Siemens AG, presenta características de control y automatización y esta diseñado para operar en el ambiente de este mismo software, a manera de simulación (muestra funcionamiento en el pc) y a manera del manejo de planta.
Estados a controlar:
1.- Estados operativos del horno:
- Apagado
- Arranque: Estado de encendido del horno
- Purga: La válvula que controla el aire de combustión debería ir del 0% al 100% (abertura completa)
- Ignición: Este proceso es manejado por los controladores Honeywell. Aquí la válvula que controla el aire de combustión debe estar cerrada (0%), las válvulas de gas piloto encendidas y las válvulas de los quemadores también encendidas
- Reintento: si el proceso anterior envía una falla, se vuelve a hacer el recorrido, en caso de no funcionar se produce el estado de alarma
- Pilotos: Al estar en estado operativos “pilotos” el operador debe abrir la válvula Maxon del bloqueo de gas principal y luego la de cierre de gas principal para que los quemadores inicien el calentamiento del horno.
- Encendido de los quemadores: Luego de cumplirse los estados anteriores, el PLC mandara a activar las válvulas Maxon de la tubería principal de gas.
- Apagado
2.- Modos operativos de la regulación de las temperaturas (baño, techo y set point): Regula la temperatura por medio de termocuplas. Posee un estado automático donde el sistema regula la temperatura ajustando automáticamente la llama al manipular la posición del damper de aire (lazo cerrado) y un sistema manual donde el operador ajusta la llama manipulando directamente la posición del damper de aire (lazo abierto).
4.- Posición del damper: Regula la apertura del damper de aire en una escala de 0% (totalmente cerrado) - 100% (totalmente abierto).
5.- Flujos: Flujo de aire y flujo de gas
6.- Estado de los quemadores: Se colocan 5 quemadores (1 por cada válvula de gas) con estados encendido y apagado
7.- Estados de las válvulas: 5 válvulas Maxon con estado abierto y cerrado.
8.- Estados de las puertas: Puerta norte (salida del liquido) y puerta sur (entrada del material) del horno, estas manejadas por fines de carrera
9.- Alarmas: los sensores envían la señal al PLC (estos ya tienen valores programados) y este muestra en el panel la avería
Por otro lado la estación de gas, se le instala un transmisor de presión (Reguladores de presión y presostato al PLC) que manda constantemente señales al sistema (PLC). El cual permite mantener informado al sistema de en que estado se encuentra la estación. En el caso que la presión baje, indica que no existe suficiente reserva de gas para mantener encendido el horno y aquí es cuando el PLC enciende la alarma para este aviso.
Una de las ventajas de este sistema que se propone, es que el supervisor puede ir monitoreando constantemente el proceso desde su oficina y el operador puede observarn el control de las variables desde la sala de control, ubicado en un lugar alejado del horno, protegido del calor y sus radiaciones.
