Paper Final Tesis Esp.

5/10/2018 Paper Final Tesis Esp. - slidepdf.com

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Resumen—En la actualidad y a pesar de los grandes avances

tecnológicos se observa que en nuestro país tanto industrias

medianas como las grandes multinacionales no utilizan las posibilidades tecnológicas como deberían, tal es el caso particular de

Unilever Foods Andina ubicada en la ciudad de Cali, donde se

encuentra que el proceso de pasteurización de salsas (tomate) no posee el nivel de automatización suficiente que permita controlar las

condiciones requeridas de pasteurizado. Por lo tanto este documento muestra una síntesis sobre una propuesta de automatización que

mejorara la eficiencia del proceso mediante una estrategia de control en cascada.

Palabras clave—Pasteurización, Temperatura, Flujo, LazoInterno, Lazo Externo, Control en Cascada.

I. INTRODUCCIÓN

A pasteurización es el proceso térmico realizado alíquidos, que generalmente son alimentos para reducir

agentes patógenos microbiológicos, alterando lo menosposible las propiedades organolépticas. Por esta razón esimportante definir parámetros como la temperatura a la cual se

calentara el liquido (temperatura de pasteurización), el tiempoen el cual alcanzara dicha temperatura y el mecanismo detransferencia de calor.

En la sede de alimentos de Unilever Andina ubicada en laciudad de Cali se deberían pasteurizar 2 toneladas por hora desalsa de tomate por la línea OTP. Dicho flujo de produccióncorresponde a la capacidad instalada con la que fue diseñadoel proceso. El proceso consta de un intercambiador de calorbitubular (votator) en la que la salsa es calentada por la paredanular del tubo en la que fluye vapor saturado y cuentatambién con un control de temperatura que regulaproporcionalmente una válvula de control que suministra el

flujo de vapor. Debido a la importancia del proceso depasteurización se busca que el control actúe automáticamentesobre el proceso y sea lo suficientemente robusto para permitirque el proceso se lleve a condiciones estacionarias deseadassin permitir que las perturbaciones afecten significativamenteel proceso.

II. DEFINICION DEL PROBLEMA

Se encuentra que en el proceso de pasteurización de la salsade tomate esta se recircula a menudo debido a lasperturbaciones a las que está sometido el proceso que desvíanla temperatura de trabajo de los requerimientos, trayendoconsigo ineficiencia en la producción y acarreando también

mayor consumo energético (vapor de agua).

Figura. No. 1 P&ID del proceso general

Como muestra la figura No. 1 existe un lazo simple de controlque regula la válvula que da paso al flujo de vapor basado enla medición de la temperatura de salida del producto. A esto sele suma las perturbaciones del proceso las cuales generan laineficiencia del proceso, una de ellas y la más importante encompensar es el cambio en la presión del cabezal de vapor,esta perturbación se presenta de forma inesperada ydependiendo si disminuye o aumenta genera por consiguientedisminución o aumento de flujo de vapor ocasionando

finalmente disminución o aumento en la temperatura delproducto.

Cuando esto sucede el operador toma acciones correctivas y esahí donde entra una segunda perturbación que consiste enmanipular el flujo del producto. Por ejemplo si aumenta latemperatura de la salsa, el operador aumentara el flujo delproducto para tratar compensar.

Finalmente existe una perturbación que se produce cuando eloperador decide transportar un nuevo lote a temperaturaambiente desde el tanque de preparación hasta el tanque dealmacenamiento cuando el proceso se encuentra

pasteurizando, provocando una disminución en la temperaturade pasteurización, causando la inmediata recirculación delproducto. Por lo tanto se busca diseñar una estrategia quecompense principalmente la perturbación generada por elcambio de presión en el cabezal de vapor para que a su vezimpida que el operador tome la acción de manipular el flujodel producto y por el contrario la pasteurización se realice conun flujo constante. Y por otro lado la misma estrategia deberácompensar cualquier cambio provocado en la temperatura deentrada del intercambiador de calor.

III. CONSUMO TEORICO DE VAPOR

Determinar el consumo teórico sobre el gasto de flujo de

vapor en el proceso de pasteurización es un dato queinicialmente permitirá corroborar si el elemento de control

Ing. Alberto José Echeverría Reina, Ing. Diego Fernando Quintero Carrillo

Diseño de una mejora en la estrategia de control para unintercambiador de calor en el proceso de pasteurización

de salsas. Unilever Andina Cali-Colombia(21 Enero 2011)

L



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final (válvula de control) se encuentra bien dimensionado. Elbalance de energía en el intercambiador de calor con cambiode fase del fluido caliente esta dado por la siguiente expresión:

W

∆H

FC

∆T → por lo tanto,W

FC ∆T

∆H

→Q

∆H

Donde:

Ws: Flujo másico de vapor de agua∆Hs: Calor latente del vapor de aguaF: Flujo másico del productoCe: Calor especifico del producto∆T: Diferencial temperatura del producto (Tsalida – Tentrada)

El calor específico de la salsa de tomate viene dado por lasiguiente expresión:

C

0.3103e.

Kcal/Kg°C

Donde T es la temperatura actual de la salsa de tomate, laanterior expresión es el resultado de normalizar por el métodode amortiguación exponencial unos datos sobre un estudioprevio de calor específico hecho a la salsa de tomate. Esto fuesuministrado por Unilever Foods. Por lo tanto la formacorrecta de calcular la energía calorífica de la salsa de tomateviene dado por la siguiente expresión:

Q F. 0.3103e.Kcal/Kg°C°

°

Desarrollando la sumatoria y para una capacidad instalada de2000 Kg/hr se tiene que el calor absorbido por la salsa es de:

Q 160527.78 Kcal/hr → Q 671648.23 KJ/hr Por lo tanto el consumo teórico de vapor es:

W 671648.23 KJ/hr2270 KJ/Kg → W 295.9 Kg/hr → W 652.3 lb/hr

De la válvula de control se puede leer en la placa que elCv = 23 por lo tanto se va corroborar el flujo máximo con laque se dimensiono.

1.63

∆

_ñ1.83 0.148

_ñ

Donde:

Cv : Factor de capacidad de la válvulaCf : Factor de flujo critico, para válvula tipo globo Cf = 0.8P1: Presión de entrada en la válvula (psia) P1 = 64.73 psiaWs_diseño: Flujo sobredimensionado respecto el flujo nominal∆P: Diferencial de presión. Se requiere ∆P = 7 psi

y: Condición de flujo critico.x: Factor de sobrediseño

Primero se calcula la condición de flujo crítico:

y 1.630.8 7P → y 0.67

Ahora se procede a calcular el flujo de diseño

W_ñ 1.83CC Py0.148y → W_ñ 1363 lb/

x W_ñW

→ x 618.4 Kg/295.9 Kg/hr → x 2.09

Como se puede observar el factor de sobrediseño produjo unfactor que es muy común en la determinación del flujo dediseño de una válvula. Lo que quiere decir que la válvula estácorrectamente seleccionada.

IV. CARACTERIZANDO EL SISTEMA

Con el fin de evitar modelar matemáticamente elintercambiador de calor usando principios matemáticos yfísicos se procedió a determinar un modelo experimental conbase a la curva de reacción del proceso. La prueba arrojo lossiguientes resultados:

Figura No. 2 Curva de reacción del sistema de pasteurización

Por el tipo de respuesta se hará una caracterización con base aun sistema de segundo orden. Para ello se utilizara el método

de Harriot que plantea encontrar los siguientes parámetros:

G KTs 1Ts 1 K: Ganancia de estado estacionarioT1: Contante de tiempo 1T2: Contante de tiempo 2

La ganancia de estado estacionario puede ser calculadafácilmente del siguiente modo:

K

→40° 27°30%0% → K 0.433 ° %



Para encontrar los valores de las constantHarriot sugiere encontrar primero t73 escual se obtiene el 73% del valor fiecuaciones complementan la búsquedatiempo:

t

1.3T

T

t 0.5T T

y y 0.73y y → y

De la Figura No. 2 el valor de 36.5°Cminutos por lo tanto.

1.57 1.3TT → TT 1.20

Por otra parte

t 0.51.208 minutos → t 0.

El valor de t´= 0.604 minutos correspFigura No. 2 y ahora se calcula el porcenfinal de la siguiente manera:

30.5°C 27°C x40°C 27°C →

Figura No. 3 Grafico normalizado

De la Figura No. 3 se determinan los valo

T

T T

0.625 → T 0.625 ∗ 1.208 min

T 1.208 min 0.75 min → T Por lo tanto el modelo final teniendocanoníca de un modelo de segundo ordenmanera:

G 3.71

s 3.532s 2.9

Donde los polos son: P1 = -1.325; P2 = -2. Lo que significa que el modelo es establconfirma que el modelo caracterizadoresulta ser sobreamortiguado como se est

es validado por la Figura No. 4

es de tiempo T1 y T2 ecir el tiempo en el

nal. Las siguientese las constantes de

36.5°C

corresponde a 1.57

8 minutos

604minutos

nde a 30.5°C en lataje respecto el valor

0.2692 → 26.92%

de Harriot

res de T1 y T2

→ T 0.755 min

0.453 min

en cuenta la formaqueda de la siguiente

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208

en lazo abierto y sede segundo orden

imaba. Esto también

Figura No. 4 Respuestas s

V. DISEÑO DE UN C

Con base en la soluciónimplementación e inclusive lque se cuenta (PLC Siemensque un control en cascada dcontrol más adecuada, y su jucuando se compare los result

control simple realimentado y

Solo cabe recordar que para ese debe tener en cuenta lo sig

• Identificar la variable i• Diseñar el lazo sec

posible, se sugiere 5externo.

• La variable internavariable externa.

• La variable interna

perturbación principal.• La salida del controla

elemento final de cont• La sintonización o

realiza sintonizando plazo externo.

Figura No. 5 Sistema de Pasteuri

Para realizar un diagrama decontrol es necesario determinla válvula para ello se conside primer orden.

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u

perpuestas real Vs. caracterizada

ONTROL EN CASCADA

ue se busca, la sencillez de laa plataforma tecnológica con laS7-200 CPU 224) se determino

e dos niveles es la estrategia destificación se hará notar aun másados de las simulaciones con un

un control típico On-Off.

l diseño de un control en cascadaiente:

nterna y la variable externa.undario tan rápido como seaveces más rápido que el lazo

debe afectar directamente la

debe ser afectada por la

or interno es la que manipula elol (válvula).iseño de los controladores se

rimero el lazo interno y luego el

zación y estrategia de control en cascada

bloques y simular el sistema dear la función de transferencia deera modelarlo como un sistema



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G Kτs 1

Donde Kv es la ganancia y τ 2 la constate de tiempo delposicionador electroneumático (dato suministrado por el

fabricante Spirax Sarco). Debido a que la válvula poseecaracterísticas lineales la ganancia es igual a:

K 618.4 Kg/hr100% → K 6.184Kg/hr/%

G 6.1840.0333s1 Kg/hr/%

Es claro que en el modelo de la válvula lo que influye más esla ganancia estática por lo que para efectos de diseño delcontrolador es necesario extraer dicha ganancia del modelocaracterizado del proceso. Por lo tanto el modelo queda así:

G 3.716.184s 3.532s 2.924 → G 0.6s 3.532s2.924

Finalmente la estrategia de control queda de la siguienteforma:

Figura No. 6 Lazo de control en cascada y perturbaciones en simulink

Por otro lado se sintonizo un controlador proporcional para ellazo interno de flujo de vapor por la sencillez y gran velocidadde respuesta del modelo de la válvula y un controlador PIDpara el lazo externo de temperatura. Para la sintonización delos parámetros de los controladores se utilizo Closed-Loop

Simulation of Simulink Model del bloque PID(s) que calculalos parámetros usando un algoritmo basado en el modelointerno. Los parámetros calculados fueron los siguientesteniendo en cuenta que la respuesta de la variable externa(temperatura del producto) cumpla con las siguientesespecificaciones dadas por el ingeniero de proceso de la

compañía.Necesidad Especificación técnica de diseño

Se desea que el proceso se estabilicealrededor de los 3 minutos

Ts = 3 minutos

Se desea que los limites críticos en latemperatura de pasteurización sean:

• Límite inferior = 94°C• Target = 95°C• Límite Superior = 98°C

Error en estado estacionario = 0Máximo Pico = 3.15 %

Se desea evitar que el producto norecircule después de alcanzar latemperatura de pasteurización.

Control robusto a lasperturbaciones del proceso.

Se desea que la válvula de vapor se

cierre en caso de falla o por stand by.

Válvula Cerrada en Falla (CF)

Tabla 1 Especificaciones de diseño del controlador

Para calcular el parámetro proporcional del controlador interno sedebe tan solo desconectar solo el setpoint al controlador es decirla salida del controlador externo, cuando la sintonización terminase genera una respuesta dinámica por defecto determinada y luegose puede realizar el ajuste deseado en el caso de este controlador

proporcional dicha respuesta se ajusto para un tiempo derespuesta de 0.0045 minutos, aproximadamente 7.4 veces másrápido que la constante de tiempo de la válvula dando comoresultado:

Lazo interno: Kp = 2.4

De igual forma se procede con el lazo externo, se desconecta elsetpoint de temperatura al controlador externo, se procede con lasintonización y cuando la respuesta es generada se realiza elajuste basado en los parámetros transitorios y estacionarios parala variable de temperatura especificada en la tabla 1, finalmentese obtienen los siguientes parámetros:

Lazo externo: Kp = 5.275; Ki = 5.818; Kd = -0.042; N=124.943

En el lazo externo la ecuación del PID es de tipo paralelo yaque de esta forma es posible implementar la acción derivativay garantiza que el controlador sea causal. La ecuación es lasiguiente:

PID K KS KN SS N Al simular el control en cascada con una perturbación en elminuto 6 de aumento de flujo en 100 Kg/hr y una perturbaciónde descenso en la temperatura por causa de un lote frio de15ºC en el minuto 10 se observa las siguientes respuestas encomparación con un controlador PID simple realimentado y uncontrol On-Off

Figura No. 7 Respuesta ante perturbación sistemas de control

La figura No. 7 muestra claramente como el control encascada es el único que compensa inmediatamente laperturbación de aumento de flujo, mientras que las otras dosestrategias se ven afectadas y se toman determinado tiempopara restablecersePor otro lado la perturbación generada por el operador alagregar un lote frio a la entrada del pasteurizador genera un

desvío del punto de control en los tres controladores, paraevitar esto se sugiere que Unilever Foods implemente una



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política que permita pasteurizar un lote completo teniendo encuenta que la ineficiencia actual radica más en la frecuenteintervención de la perturbación de flujo de vapor, en ese ordende ideas el control en cascada es la mejor opción ya queprácticamente permitiría al proceso pasteurizar

ininterrumpidamente, es decir sin recirculación intermedia yasí cada lote a pasteurizar se demoraría menos tiempologrando mejorar la capacidad instalada de la línea OTP.

Por otra parte es importante que el esfuerzo de controlgenerado con esta nueva estrategia no sobrepase los limitesque admite el elemento final de control es decir el cálculo delcontrolador mientras ejerce su función debe mantenerse entreel 0-100% de apertura.

Las siguientes figuras muestran el porcentaje de apertura de laválvula y el respectivo flujo de vapor que acarrea consigo elsistema para llevar la salsa de tomate a las condiciones depasteurización. Se espera que inclusive esta estrategia encascada permita dosificar de forma eficiente el flujo de vapornecesario para pasteurizar la salsa permitiendo que se puedangenerar ahorros en el consumo de energía.

Figura No. 8 Respuesta del esfuerzo de control

Figura No. 9 Respuesta del flujo de vapor

Finalmente para determinar la completa robustez del

controlador en cascada se procede a realizar el siguientecambio al modelo del proceso caracterizado anteriormente.

G 0.6s 3.532s 2.924 → Variación → G 0.78s 3.532s2.924

Al simular nuevamente se obtiene la siguiente respuesta.

Figura No. 10 Respuesta de los controladores ante variación del modelo

Es claro que nuevamente el control en cascada sigue siendo lamejor opción al compensar rápidamente la perturbaciónprincipal que interviene en el proceso. La única diferencia esun aumento en el tiempo de respuesta pues al cambiar ladinámica del modelo sin volver a sintonizar los parámetros decontrol se ve afectado pero esto simplemente en la prácticaseria un poco más de tiempo inicial de recirculación hastaestabilizarse definitivamente.

VI. SELECCIÓN DE INSTRUMENTO ADICIONAL

Como la estrategia de control en cascada involucra un lazo

de control de flujo de vapor, entonces es necesario seleccionarel respectivo sensor que cumpla los siguientes requerimientos:

• Rango de Medición: 0-620 Kg/hr• Señal de salida 4-20mA y linealizada• Presión máxima 70 psi• Diámetro de tubería: 2”• Tramo recto disponible instalación: 83cm (máximo)

Finalmente se eligió un medidor, que funciona bajo elprincipio de área variable en la que un orificio anular variacontinuamente mediante un cono móvil que se desplaza

axialmente contra la resistencia de un resorte. El cambio deárea que se genera por el cono del medidor provoca unestrangulamiento de la sección transversal, lo que da lugar aun cambio de presión, cuyo valor posteriormente determina elgasto o flujo de másico de vapor en la sección.

Además cuenta internamente con sensores encargados demedir la temperatura y la presión del vapor y una electrónicaencargada de llevar históricos, transmitir la medición ycompensar la densidad.



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La siguiente figura muestra el medidor:

Figura No. 8 Medidor de flujo de vapor DIVA

VII. RELACION COSTO-BENEFICIO

El propósito de este análisis es determinar la viabilidad del

proyecto, para ello se plasma en una tabla los costos ybeneficios y luego se procede a encontrar una relación quedeterminara la respectiva viabilidad

Oportunidad Costo (US $) Beneficio (US $)Estudio de ingeniería ydocumento con detalles para laimplementación

1300

Implementación de la nuevaestrategia de control por parte deuna firma de ingeniería. Incluyenueva instrumentación,instalación, programación delPLC, cableado etc. Y puesta enmarcha.

7400

Mejor utilización de la energíacalorífica y ahorro en el costodel vapor

53790 (anual)

Total C = 8700 B = 53790Tabla 2 Cuadro Costo-Beneficio

BC R_ → 537908700 6.18

Por lo tanto la relación Costo-Beneficio que visualiza Unileverpara este proyecto da como resultado completa viabilidad y seespera que para el 2011 la implementación entre en elpresupuesto de la compañía.

VIII. CONCLUSIONES

El control en cascada mejora notablemente elcomportamiento del proceso de pasteurización alimpedir que la perturbación más frecuente(fluctuaciones del caudal de vapor) afecte y desvíedel punto de control la variable controlada(temperatura del producto).

El control en cascada trae un beneficio notable alhacer un mejor uso del consumo energético (flujo devapor) generando así ahorro económico a la

compañía.

Es muy importante cerciorarse que los elementos queexisten en un sistema como la válvula de control,sensores etc. estén correctamente seleccionados ydimensionados para las condiciones de procesocuando se pretende realizar sobre ellos una mejora

en la estrategia de control. Antes de caracterizar un modelo matemático de un

proceso o de un elemento (válvula, sensor etc.) esimportante conocer su comportamiento natural paraaproximarlo a un determinado orden en la función detransferencia.

Una relación costo-beneficio es una forma sencillapara determinar la viabilidad de un proyecto lo quehace de ello un análisis económico muy usado en lagestión de proyectos.

El estudio de ingeniería presentado en estedocumento está basado en sólidos fundamentos de lateoría de control y automatización y permitióconcluir globalmente que mejoro la eficiencia delproceso de pasteurización de la salsa de tomate.

AGRADECIMIENTOS

Los autores reconocen las contribuciones del Ing. MauricioDuque (Colombia) por sus aportes y asesoramiento en esteproyecto, Ing. Efraín Rosales (México) por la oportunidad depermitirnos participar en el estudio de ingeniería que llevo a larealización de este proyecto de automatización.

REFERENCIAS

Libros

[1] Carl A. Smith & Armando B. Corripio. “Control Automático deProcesos teoría y practica.” 1era edición, México D.F.: Editorial Limusa

1991, pp. 439-446.

[2] Perry, “Manual del Ingeniero Químico – Tomo VI,” 3 era edición enespañol, México D.F.: Editorial McGraw Hill , pp. 22-31, 22-86 – 22-96

[3] Cengel Yunus A. “Transferencia de Calor” 2da edición en español,Mexico D.F.: Editorial McGraw Hill , pp. 13-17

Informes técnicos

[4] Serie 4 Dinamica de Procesos, Universidad de Buenos Aires.: [Online].Disponible: http://materias.fi.uba.ar/7609/material/S0400Dinamica.pdf

[5] Medidor de caudal DIVA par vapor saturado, Spirax Sarco Argentina.:[Online]. Disponible: http://www.spiraxsarco.com/ar/pdfs/SB/p337-15.pdf

[6] Posicionador electroneumático EP5, Spirax Sarco Argentina.: [Online].Disponible: http://www.spiraxsarco.com/ar/pdfs/TI/036 p343-08 02ep5-isp5.pdf

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