UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

GUÍAS DE LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS

PRÁCTICA 4: MÓDULO DE PRESIÓN Centro de Manufactura Avanzada – FII Docentes: Ing. Manuel Godoy Martínez Dr. Alfonso Ramón Chung Pinzás GL-V2.6-14

PRÁCTICA 4: MÓDULO DE PRESIÓN

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INDICE

1. DEFINICIÓN……………………………………………….……………………………………………………..3 1.1. UNIDADES DE MEDIDA………………………………………………………………………………3 1.2. PRESIÓN ATMOSFÉRICA……………………….……………………………………………………4 1.3. PRESIÓN MANOMÉTRICA……………………….………………………………………………….4 1.4. PRESIÓN ABSOLUTA……………………………….………………………………………………….5 1.5. PRESIÓN DE VACÍO………………………………….…………………………………………………5

2. TECNOLOGÍAS PARA LA MEDICIÓN DE PRESIÓN………………………………………………5

2.1. PIEZORESITIVO………………………………………….……………………………………………….5 2.2. PIEZOELÉCTRICOS……………………………………….……………………………………………..6 2.3. CAPACITIVOS……………………………………………….…………………………………………….6 2.4. EFECTO HALL……………………………………………….…………………………………………....7

3. PRESOSTATO……………………………………………………….……………………………………………7

4. BOMBAS……………………………………………………………….………………………………………….8

4.1. BOMBAS CENTRÍFUGAS………………………………….………………………………………….8

5. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES Y TRANSMISIÓN DE DATOS…………………….10

5.1. MODELO OSI……………………………………………………………………………………………..10 5.2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES…………………………………………………………..11 5.3. PROTOCOLO MODBUS………………………………………………………………………………12 5.4. CABLE RS232……………………………………………………………………………………………..12

6. MÓDULO DE PRESIÓN……………………………………………………………………………………..13

ACTIVIDADES

CUESTIONARIO

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Objetivos:

a. Comprender el proceso y las tecnologías del control de procesos de la variable

Presión.

b. Conocer el funcionamiento de las bombas centrífugas.

c. Conocer el proceso de transmisión de datos mediante el protocolo de

comunicaciones.

1. DEFINICIÓN Entre las definiciones de presión que existen se puede mencionar se puede mencionar aquella que proporciona la real academia de la lengua española1 En su edición número 22: “Magnitud física que expresa la fuerza ejercida por un cuerpo sobre la unidad de superficie.”

Figura 1.1: COMPROBANDO LA PRESIÓN La presión se calcula utilizando la siguiente fórmula:

Presión = Fuerza / Área 1.1. UNIDADES DE MEDIDA

En el Sistema Internacional la Presión se mide en Pascales (Pa), en el sistema Ingles se mide en PSI ( lbf / in2 ), en el Sistema Cegesimal se mide en Baria ( 106 barias = 1 bar), también se mide en atmósferas etc.; A continuación el cuadro 1.1 muestra diversas unidades de medida con sus respectivas transformaciones.

1 Para mayor información visitar: www.rae.es

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Cuadro 1.1: UNIDADES DE MEDIDA DE PRESIÓN CON SUS DIVERSAS TRANSFORMACIONES

Fuente: Diccionario Técnico Sapiensman 1.2. PRESIÓN ATMOSFÉRICA

Se denomina así a la presión que ejerce la atmósfera al nivel del mar a todo lo que se encuentre dentro de ella; esto equivale a 1 atmósfera o 760 mmHg o 1013,25 mbares. También es conocida como Presión Barométrica y su instrumento de medida es el barómetro. La figura 1.2 muestra un barómetro.

Figura 1.2: BARÓMETRO MODELO PCE-DB 2

1.3. PRESIÓN MANOMÉTRICA Este tipo de presión está referido a todas aquellas mediciones por encima de la presión atmosférica; el instrumento de medida es el manómetro. La figura 1.3 muestra un manómetro.

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Figura 1.3: MANÓMETRO DE 0-60 PSI

1.4. PRESION ABSOLUTA Es aquella medición de la presión que toma como referencia el denominado cero absoluto, esto es útil para evitar las diversas variaciones que pueden ocurrir en la medición debido a la altura con respecto al nivel del mar; en otras palabras, esta presión considera la presión atmosférica más la presión manométrica. Presiona Absoluta = Presión Atmosférica + Presión Manométrica

1.5. PRESIÓN DE VACÍO Son aquellas presiones menores a la atmosférica, los instrumentos utilizados para trabajar en estos casos son los sensores de vacío.

2. TECNOLOGÍAS PARA LA MEDICIÓN DE PRESIÓN Entre las principales tecnologías utilizadas se pueden mencionar las siguientes: 2.1. PIEZORESISTIVO

Los sensores que basan su medición en este principio contienen un chip de silicona como un cierto número de resistencia los cuales varían en el rango de 4-6, al ser sometido a presión este chip se deforma ligeramente lo cual origina cambios en la resistencia lo cual permite medir la presión. La figura 2.1 muestra un sensor de este tipo.

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Figura 2.1: SENSOR SEN 32 (FABRICANTE KOBOLD)

2.2. PIEZOELÉCTRICOS Los sensores que se basan en este principio contienen un cristal el cual al ser sometido a una fuerza emite una carga eléctrica la cual es proporcional a la fuerza anteriormente mencionada. La figura 2.2 muestra un sensor de este tipo.

Figura 2.2: SENSOR CON PRINCIPIO PIEZOELÉCTRICO

2.3. CAPACITIVOS Este principio es similar a los anteriormente mencionados, es decir, cuenta con una membrana especial con electrodos móviles conocida como Diafragma, la cual ante cualquier cambio de presión se flexiona cambiando la capacitancia de los electrodos generando con ello una señal eléctrica. Entre sus ventajas se encuentra su alta sensibilidad y el bajo consumo de energía. La figura 2.3 muestra un sensor de este tipo.

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Figura 2.3: REGISTRADOR DE DATOS DE PRESIÓN CON SENSOR CAPACITIVO EBI 20 – THP (Fabricante EBRO)

2.4. EFECTO HALL Los sensores que funcionan bajo este principio tienen un imán pequeño que ante el cambio de presión genera una variación en el potencial Hall, lo cual permite medir la presión.

Figura 2.4.: SENSOR DE EFECTO HALL MELEXIS 90217

3. PRESOSTATO Es un dispositivo de seguridad del tipo “ interruptor de presión” el cual da un determinado rango de presión detiene el proceso, esto con el fin de evitar accidentes. La figura 3.1 muestra un Presostato.

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Figura 3.1: PRESOSTATO MARCA PENN MODELO 7202

4. BOMBAS Según el diccionario de la real academia española bomba se define como: Máquina o artefacto para elevar el agua u otro líquido y darle impulso en una dirección determinada. Es decir absorbe energía mecánica y la transforma en energía de tal forma que pueda mover el fluido que contiene. 4.1. BOMBAS CENTRÍFUGAS

Dentro de las diversas clasificaciones de las bombas, la del tipo centrífugas representan el 80% del uso industrial esto básicamente por las ventajas que ofrece entre ellas su bajo costo. Las bombas centrífugas son artefactos que mediante paletas rotatorias impulsan un fluido gracias a la fuerza centrífuga generada y están regidas por la DIN 24255. La figura 4.1 muestra una bomba de este tipo.

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Figura 4.1: BOMBA CENTRIFUGA 4.1.1. PARTES DE UNA BOMBA CENTRIFUGA

Entre las partes que conforman una bomba centrifuga se pueden mencionar: a. Flecha o eje

Es un elemento tubular colocado en posición recta encargado de sujetas las partes giratorias de la bomba.

b. Rodete o Impulsor Es la parte más importante de la bomba y cumple la función de aspirar el fluido y luego lanzarlo por la salida de la bomba; está constituido por álaves.

c. Carcasa Es la parte exterior de la bomba como su caparazón, la cual protege a las partes internas.

La figura 4.2 muestra otros componentes de una bomba centrifuga.

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Figura 4.2: PARTES DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA

5. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES Y TRANSMISIÓN DE DATOS 5.1. EL MODELO OSI

En el año 1979 la ISO con el fin de estandarizar el tema de las comunicaciones y los protocolos, formula el modelo de Interconexión de Sistemas Abiertos mejor conocido como OSI (Open Systems Interconection), en él se definen siete capas las cuales se muestran en el cuadro 5.1 (Feldgen, 2002).

CAPA NOMBRE

7 Capa de aplicaciones

6 Capa de presentación

5 Capa de sesión

4 Capa de transporte

3 Capa de red

2 Capa de enlace de datos

1 Capa física

Cuadro 5.1. : CAPAS DEL MODELO OSI Las capas mostradas en el cuadro anterior, son utilizadas por la mayoría de protocolos de comunicaciones con el fin de lograr la estandarización.

5.2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES

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Un protocolo de comunicaciones viene a ser como el lenguaje o el idioma que utilizan dos equipos para comunicarse, así como existen diversos idiomas también existirán diversos protocolos de comunicación dependiendo del fabricante; sin embargo el más conocido y usado es el protocolo TCP/IP (Transfer Control Protocol / Internet Protocol) el cual es usado en Internet. El protocolo consta de Tramas las cuales son las unidades en donde viaja a la información a su vez éstas cuentan básicamente con cabecera, datos y cola pudiendo tener otros componentes más.

5.3. CLASIFICACIÓN DE LOS PROTOCOLOS En cuanto a la clasificación de los protocolos, estos se pueden dividir en tres grandes grupos (Creus, 2012): 5.3.1. PROTOCOLOS SERIALES

Son los primeros protocolos en aparecer y aún hoy son bastante comunes, consiste en la transmisión de datos de un bit a la vez, como es lógico, es más lento que la transmisión en paralelo, pero pueden alcanzar mayores distancias2. Mediante estos protocolos se puede configurar, diagnosticar, ver tendencias etc; el más conocido es el RS-232, pero también se pueden mencionar al RS-422 y al RS-485 (Creus, 2012).

5.3.2. PROTOCOLOS HÍBRIDOS

Los protocolos híbridos son aquellos que se basan en la trasmisión de datos analógica (4-20 mA) y digital, el más comercial es el protocolo HART (High way-Addressable-Remote-Transducer), el cual trabaja en las capas 1, 2 y 7 del modelo OSI; sin embargo también se pueden mencionar los protocolos MODBUS, DE, INTENSOR etc. (Creus, 2012).

5.3.3. PROTOCOLOS ABIERTOS

Los protocolos abiertos son aquellos cuya información es conocida por todas la empresa (es decir por todos los usuarios) y por lo tanto es más fácil su implementación (Calafat, 2005); entre los más conocidos están: Filedbus, Profibus, HART etc.

2 National Instruments, en: http://digital.ni.com/public.nsf/allkb/039001258CEF8FB686256E0F005888D1

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5.4. PROTOCOLO MODBUS Este protocolo es el que se utiliza en el CEMA, ha sido creado por la empresa MODICON en el año 1979; posee dos formas de transmisión, mediante ASCII (American Standard Code for Information Interchange) y RTU (Remote Terminal Unit), en el CEMA se utiliza el ASCII3. La figura 5.1. muestra la estructura de una trama.

Figura 5.1: ESTRUCTURA DE UNA TRAMA MODBUS – ASCII

La cabecera contiene información de identificación del protocolo, los datos contienen la información del esclavo, la operación a realizar y los datos necesarios así como el código de error y la cola es información complementaria. MODBUS puede funcionar en redes basadas en RS-232. Al inicio MODBUS empezó con las capas 1 y 2 del modelo OSI, pero actualmente se ubica en la capa 7 (Creus, 2012).

5.5. CABLE RS232

El medio transmisor puede ser un cable o un sistema Wireless (sin cable), en el caso del CEMA la transmisión se hace por medio de un cable RS232. Un cable RS232 consta de un conector como una serie de pines (nueve generalmente) los cuales cumplen diversas funciones en la comunicación; este cable se conecta casi siempre al puerto COM 1 de la computadora. La figura 5.2 muestra un cable de este tipo.

3 National Instruments en: http://latam.ni.com/

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Figura 5.2: CABLE RS232 (Hembra)

A continuación se presenta en forma resumida la función de cada pin (según la norma RS 232C de la EIA).

Cuadro 5.1: FUNCIONES DEL CABLE RS232

Cabe mencionar que no hay mayor diferencia entre la norma RS232C y la RS232 es por eso que se puede referir a ambos indistintamente.

6. MODULO DE PRESIÓN El sistema cuenta con dos tanques, uno de almacenamiento y otro de presurización, en el segundo el agua que ingresa gracias a la bomba comparte el tanque con un colchón de aire lo cual genera una presión (Variable de Proceso); a su vez está presión es registrada por el sensor y transmitida al controlador (PLC) el cual ha

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recibido previamente la variable Set Point, luego de hacer la comparación respectiva se emite la Variable de Control hacia el actuador que viene a ser el conjunto variador y bomba. La función que cumple el primer tanque es la de almacenar temporalmente el agua que circula. La figura 6.1 muestra el esquema de funcionamiento.

Figura 6.1: FUNCIONAMIENTO DEL MÓDULO DE PRESIÓN

ACTIVIDADES

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Preparar una exposición bajo el siguiente esquema: 1. Introducción. 2. Objetivos (5 mínimo). 3. Marco teórico. 4. Descripción de la experiencia. 5. Cuestionario de la guía. 6. Realizar el PFD de cualquier proceso relacionado a presión y explicar, además ¿en dónde haría un control de presión? ¿por qué? ¿con que instrumentos? 7. Desarrollar una interfaz HMI que registre la presión aleatoria frente a Caudal (según fórmula) graficando Ambas curvas, el programa Debe Almacenar los 10 primeros datos de cada variable de proceso en una sola matriz y luego descargarlos en Excel. 8. Conclusiones y recomendaciones (5 como mínimo de cada uno)

CUESTIONARIO

a. Explicar en qué consiste el potencial Hall. b. Explicar detalladamente cada una de las capas del modelo OSI. c. Explicar en qué consiste un bus de datos d. Explicar en qué consisten los protocolos RS-422 y RS-485 e. Hacer un explicación detallada acerca del protocolo HART f. Explicar en qué consiste el protocolo Fieldbus