• Se cierra el ciclo para mantener la presión de hidrógeno adecuada

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La Figura 1 muestra una vista lateral del compresor de hidrógeno de Alberta EnviroFuels. Cortesía de: Delta Computer SystemsCon unos controles de bucle cerrado más rápidos para compresores, Alberta EnviroFuels, una división de Keyera Corp. de Calgary, Alberta (Canadá), ha logrado una mejor producción de isoctano, un componente de la gasolina de los automóviles, a partir del butano como materia prima. Varios de los pasos de proceso internos requieren de hidrógeno de alta pureza. Esta fuente de hidrógeno se consigue mediante la compresión de una corriente de gas de baja presión con un contenido en hidrógeno de aproximadamente un 50 % en peso para, a continuación, alimentar con la corriente comprimida una unidad de recuperación de hidrógeno. La figura 1 muestra uno de los cuatro compresores de hidrógeno de Alberta EnviroFuel.

Debido a que la corriente de alimentación de la unidad de recuperación de hidrógeno es muy ligera, los diseñadores de procesos seleccionaron compresores de desplazamiento positivo, en concreto compresores de tornillo húmedos, para lograr la compresión. Como la demanda de hidrógeno de alta pureza puede variar dependiendo del momento, el proceso de compresión también debe proporcionar un método para hacer coincidir el volumen del gas de alimentación suministrado por los compresores de tornillo con la demanda de hidrógeno purificado. En lugar de proporcionar una válvula de control de retorno externa tradicional (que habría sido manipulada al recibir una presión de descarga constante), el distribuidor sugirió el uso de compresores de tornillo con válvulas deslizantes internas. El volumen desplazado (la capacidad efectiva del compresor) varía al extender o retraer estas válvulas deslizantes internas.

Precisión y suavidad

“El desafío al que nos enfrentamos”, afirma Phil Prins, ingeniero jefe de control de procesos de Alberta EnviroFuels, “es que, aunque siempre nos esforzamos por lograr un control preciso de nuestras variables de proceso (en este caso, la capacidad de los compresores), a menudo ponemos incluso más énfasis en la suavidad del control”. Y no lográbamos que la posición de las válvulas deslizantes internas con el esquema de control original fuera suave ni precisa.

Técnicamente, los compresores de tornillo de Alberta EnviroFuels son modelos de dos etapas. La primera etapa lleva el gas a 250 psi, y la segunda etapa lo lleva desde los 250 psi hasta los 500 psi. Cada etapa tiene su propia válvula deslizante. Los motores que accionan los compresores producen alrededor de 1.250 caballos de potencia. El compresor tiene 2,43 metros de largo por 0,76 metros de ancho. La válvula deslizante se controla con actuadores hidráulicos, puesto que ya había disponible un aceite de presión moderadamente alta sellando el agujero del rotor dentro del compresor y lubricando los rodamientos radiales y de empuje.

La empresa controlaba inicialmente las válvulas deslizantes mediante un sistema de control distribuido (DCS) que comunicaba una posición de destino para cada válvula deslizante, utilizando un enlace analógico de 4-20 mA a un controlador lógico programable (PLC) Modicon. A su vez, el PLC activaba los solenoides para activar las válvulas hidráulicas deslizantes de dos posiciones, activar los cilindros y mover cada válvula deslizante del compresor en una dirección u otra en función de si la presión estaba por encima o por debajo de su punto de consigna.

“Nos costaba mucho conseguir que las válvulas deslizantes se movieran suavemente y con precisión a la posición de destino, por lo que no podíamos mantener las presiones en equilibrio”, afirmó Prins. “Sobre el terreno teníamos a todo tipo de restrictores y válvulas de retención intentando convertir unos controles básicos de dos posiciones en controles proporcionales. En el PLC, teníamos todo tipo de temporizadores y bandas muertas tratando de equilibrar las necesidades del proceso con las limitaciones de hardware.” La aplicación necesitaba que los controles accionasen las válvulas deslizantes con “movimientos muy precisos y suaves”, añadió Prins. “No tenemos mucha experiencia en hidráulica”.

Servoválvulas proporcionales

La figura 2 muestra la válvula proporcional Moog Direct Drive Explosion Proof seleccionada para la actualización del control del compresor de Alberta EnviroFuels. Cortesía de: Delta Computer SystemsDespués de estudiar el problema y consultar con los ingenieros del distribuidor de Motion Control de PQ Systems en Burnaby, Columbia Británica (Canadá), se decidió reemplazar gran parte del hardware de campo y utilizar servoválvulas proporcionales de accionamiento directo para conseguir un control más estricto de la hidráulica (figura 2). Esto planteó la cuestión de qué podía sustituir al software de control de posición, que previamente estaba en el PLC. Se consideraron varias opciones basadas en DCS y PLC, pero el ingeniero de PQ Systems aconsejó que una manera más fácil y más eficaz podía ser interconectar la señal del punto de consigna del DCS de cada válvula deslizante con un controlador de movimiento electro-hidráulico, diseñado para un control suave y preciso de bucle cerrado de los actuadores hidráulicos en todas las condiciones ambientales.

La temperatura del aceite era una de las variables que hacían que el sistema original de control de la válvula no tuviese un buen comportamiento. Durante el funcionamiento normal del compresor, la temperatura del aceite es bastante estable. Sin embargo, cuando un compresor está en modo de espera (no en funcionamiento, pero disponible para su inmediata puesta en marcha), la temperatura del aceite puede variar significativamente. Esto puede afectar al tiempo que la válvula tarda a moverse. El sistema anterior, con el PLC controlando las válvulas bidireccionales, tenía problemas al gestionar estas diferencias de temperatura.

La figura 3 muestra el controlador de movimiento que PQ Systems recomendó, el RMC75, fabricado por Delta Computer Systems Inc., de Battle Ground, Washington. El controlador de movimiento RMC75E tiene dos ejes de control, interactúa directamente con los dispositivos de retroalimentación analógicos,

PQ Systems recomendó un controlador de movimiento (figura 3) que puede controlar simultáneamente dos ejes de movimiento, por lo que un solo controlador puede controlar las dos válvulas deslizantes de la aplicación. Para obtener la información sobre la posición de las válvulas deslizantes, se conectó el controlador a un potenciómetro montado en cada válvula, produciendo una tensión analógica relativa a su recorrido que puede ser leída directamente por el controlador. La figura 4 muestra cómo están conectados los componentes del sistema.

Control de 2 ejes

Otro módulo de entrada analógico del controlador se conecta a la salida de los controladores de presión de proceso basados en DCS. Puesto que el sistema actualizado utiliza el mismo esquema de control DCS y funciona de la misma manera, la interfaz del operador del compresor solo requirió de cambios muy pequeños como resultado de la actualización. Eso suposo una gran ventaja para los operadores de la planta. El controlador mejoró el funcionamiento de los controles: El hardware antiguo provocaba bucles de control que tendían a ser subcalibrados, lo que significaba que los controles no respondían bien ante condiciones irregulares. De esta forma, los operadores tenían que actuar si se necesitaba una acción rápida.

Figura 4: un diagrama de control que muestra las conexiones entre el DCS y el controlador de movimiento y otros componentes del sistema. Cortesía de: Delta Computer SystemsAhora, con el controlador de bucle cerrado funcionando a 1000 bucles por segundo, puede optimizarse la calibración para que los controles respondan más rápidamente y de forma automática ante condiciones cambiantes. Como resultado, el proceso de purificación del hidrógeno mantiene la presión deseada con mayor precisión y responde a los cambios ambientales más rápidamente. Además, el sistema de control ya no induce sus propias fluctuaciones, fallo que afectaba insistentemente a los controles anteriores.

Rob Nash, especialista en aplicaciones de PQ Systems desarrolló la programación inicial del controlador, con la ayuda del ingeniero Don Denman de Delta Computer. Aquellos que lo han utilizado aseguran que el controlador es fácil de programar. Desde que se implementó inicialmente, el ingeniero de Alberta EnviroFuels Prins ha desarrollado cambios para ajustar el funcionamiento del sistema. El controlador utiliza una interfaz Ethernet, por lo que Prins creó una interfaz con el controlador y desarrolló las actualizaciones de software necesarias desde su escritorio en la red corporativa. “Es mucho más práctico que tener que ir y volver a la planta”, comentó Prins.

Asistente de calibración

El asistente de calibración y las funciones de trazado que ofrecía el software proporcionado “fueron prestaciones muy útiles que utilizamos durante la puesta en marcha”, dijo Nash. “Todo el proceso de puesta en marcha de ambas válvulas deslizantes nos llevó solo un par de horas”, añadió. “Sin la función de trazado habríamos tardado mucho más tiempo. Logísticamente, puesto que el controlador se encontraba en el otro lado de la planta, fuera de la zona de peligro del compresor y, por lo tanto, fuera del campo visual, la calibración de una válvula deslizante sin esta función de trazado habría sido casi imposible”. La Figura 5 muestra un trazado típico producido por software.

La Figura 5 es un trazado producido por el software Plot Manager de Delta Computer Systems, que muestra la entrada retroalimentada de la posición en comparación con el valor de destino previsto y el resultado del control de movimiento en el tiempo de ambas válvulas deslizantes. Cortesía de: Delta Computer Systems

Esta aplicación proporciona un ejemplo de cómo un controlador de movimiento programable electro-hidráulico puede utilizarse para controlar un proceso que afectaba previamente a la productividad de una operación de fabricación.

“Comparando las desviaciones estándar de la distribución de la presión de descarga antes y después de actualizar los controles, constatamos una mejora de alrededor del 70 %”, afirmó Prins. Lo que Alberta EnviroFuels demostró es que cuando se requiere de un movimiento preciso y unas tolerancias muy ajustadas, vale la pena seleccionar un sistema de control que esté diseñado para esa tarea. En este caso, el controlador de movimiento tenía una clara ventaja sobre un PLC.

- Don Denman es ingeniero jefe de aplicaciones de Delta Computer Systems Inc. Editado por Mark T. Hoske, gestor de contenidos de Control Engineering y Plant Engineering, de CFE Media, mhoske@cfemedia.com.

EN LÍNEA

www.deltamotion.com

www.moog.com

Ver otros artículos sobre control de movimiento al final.

Conceptos destacados

  • Los controladores y los actuadores tienen que trabajar juntos de forma suave y precisa en muchas aplicaciones.
  • Algunas de las soluciones de trabajo que se usaron fueron restrictores y válvulas antirretorno.
  • Las actualizaciones incluyeron servoválvulas proporcionales y un controlador de movimiento electro-hidráulico.

Cosas a tener en cuenta

¿Puede un nuevo controlador ofrecer mayor calidad mediante un control de bucle cerrado más preciso?

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