Tutorial: automatización de un tanque mezclador

Siendo equipos de grado industrial típicos de los sectores químicos o alimenticios, los tanques mezcladores (o tanques agitadores) permiten llevar a cabo la integración de varios compuestos en forma de mezclas homogéneas o heterogéneas, además de tener la posibilidad de alterar la temperatura de la mezcla según requiera el proceso (un ejemplo de esto sería la pasteurización).

Como parte de la serie de tutoriales de este blog, en esta ocasión propondremos un par de soluciones al llamado “Batch Simulator” (simulador de lote) que aparece en el software “LogixPro” de Rockwell Automation.

Descripción del proceso

Fig. 1: Simulador de tanque mezclador.

Como hemos mencionado en ocasiones anteriores, el primer paso en la resolución de un problema de este tipo es identificar el funcionamiento del proceso para proponer las condiciones que permitirán su correcto funcionamiento. En este caso el proceso es muy sencillo, existe un tanque mezclador al cual ingresarán dos líquidos cuando se presione el botón “Start” y hasta que el sensor de alto nivel indique que se ha alcanzado la máxima capacidad, después de esto, se activarán tanto el mezclador como el calentador para alcanzar las condiciones óptimas de la mezcla, estos últimos suspenderán su funcionamiento cuando la temperatura leída en el termostato iguale a la preestablecida en el mismo, en cuanto se alcance dicho valor, se activará la bomba de vaciado para liberar la mezcla. El proceso volverá a comenzar cuando el sensor de bajo nivel detecte que el tanque está completamente vacío.

A partir de lo anterior, podemos definir las etapas del sistema (las cuales pueden ser utilizadas como variables de control en la programación). Éstas serían: proceso activo, tanque lleno, mezcla calentándose y tanque vaciándose. Entonces, nuestra tabla de ordenamiento de variables con el fin de tener en claro qué entradas y qué salidas del sistema interactúan en las diversas etapas del sistema.

Entradas	Salidas	Vriables de control
Start I:1/0	Mixer O:2/0	Arranque B3:0/0
Stop I:1/1	Pump 1 O:2/1	Lleno B3:0/1
Thermostat I:1/2	Pump 2 O:2/2	Caliente B3:0/2
Lo-Level I:1/3	Pump 3 O:2/3	Vaciándose B3:0/3
Hi-Level: I:1/4	Heater O:2/4
	Run O:2/5
	Idle O:2/6
	Full O:2/7

Como podemos observar, en esta ocasión no se utilizan los medidores de flujo como entradas al sistema pues las soluciones propuestas se basan en la lectura de los sensores de nivel y no en la cantidad de líquido que ingresa al tanque pues, como se verá a continuación, la activación de las bombas de alimentación se da de manera simultánea. Otro detalle a considerar es que la temperatura preestablecida en el termostato puede ser cambiada a cualquiera que se desee, aunque la dejaremos en el valor por defecto (32°) para fines prácticos.

Primera solución

Fig. 2: Arranque del sistema.

En este primer escalón de nuestro diagrama Ladder, observamos que el arranque del sistema depende de diversos indicadores, el primero de ellos es el botón "Start", que permitirá la operación continua del sistema, además contamos con un enclavamiento de la bomba 1 (en este caso solo se considera una porque ambas bombas de alimentación funcionan de forma simultánea) y, como complemento a las condiciones anteriores, el sistema vuelve a iniciar el proceso cuando se detecta que el tanque está vacío y la temperatura debajo de la preestablecida. Esto puede ser detenido por el botón de paro y por el sensor de alto nivel. En este peldaño se activan las bombas de alimentación y la luz “Run” que indica que el sistema se está ejecutando.

Fig. 3: Condiciones para la activación de luz indicadora “Full” y para el mezclador y el calentador.

Cuando el sensor de alto nivel cambia su estado, se enciende la luz indicadora de que el tanque está lleno, esta es la condición más sencilla de esta solución. Por otra parte, la activación del mezclador y del calentador depende de que el tanque esté lleno, de que la temperatura del termostato no haya alcanzado el valor preestablecido y que el botón de paro no sea presionado.

Fig. 4: Desactivación del calentador y del mezclador.

Para realizar la desactivación de los elementos mencionados, es necesario que el termostato alcance la temperatura deseada o que el botón de paro sea presionado.

Fig. 5: Activación y desactivación de la bomba de vaciado.

Las condiciones de encendido de la bomba de vaciado dependen únicamente del estado del termostato, una vez que se alcanza la temperatura deseada, se habilitará dicha bomba que permitirá la salida de la mezcla a la siguiente etapa del proceso. Su funcionamiento terminará cuando el sensor de bajo nivel detecte que el tanque está vacío o bien, cuando el botón de paro se presionado.

Fig. 6: Activación de la luz indicadora “Idle”.

Finalmente, en el último peldaño de nuestro programa realizamos la activación de la luz indicadora llamada “Idle” que estará activa mientras que la bomba de vaciado esté encendida y mientras el botón de paro no sea presionado, “Idle” podría traducirse como “libre” o “desocupado”, significando que el tanque está próximo a reiniciar el proceso porque no cuenta con un líquido en su interior.

En el siguiente vídeo podemos observar que el sistema funciona correctamente de manera continua, sin embargo, aparecen algunas consideraciones que representan errores en su ejecución. La primera es que, al realizar la puesta en marcha, el sistema inicia instantáneamente pues, como apreciamos en el primer escalón del programa, éste se iniciará cuando se presione el botón de arranque, pero también, cuando el sensor de bajo nivel detecta al tanque vació y cuando el termostato no detecta la temperatura predefinida; el segundo par de condiciones está presente al llevar nuestro PLC al modo ejecución y representa un gran riesgo a los operarios pues no se tiene un control real del arranque del sistema. Además de lo mencionado anteriormente, observamos que, si se llega a interrumpir el funcionamiento del sistema, éste volverá a iniciar el proceso cuando se presione el botón de arranque y si bien puede ser una condición sin relevancia en algunos casos, puedo asegurar que la mayoría de los procesos químicos requieren que la mezcla sea realizada desde cero, es decir, sin los residuos de un proceso previo que quedó inconcluso.

Vid. 1: Funcionamiento del sistema con la primera solución propuesta.

Segunda solución

Dicho lo anterior, nos corresponde valernos de la variables de control mencionadas en la tabla de ordenamiento para garantizar que, además de tener un sistema automático funcional, éste pueda garantizar la seguridad de los operarios.

Fig. 7: Arranque y paro del sistema.

En el primer par de peldaños definimos que, según sea el botón que se presione, el sistema se activará o desactivará, al mismo tiempo realizamos el encendido o apagado de la luz indicadora correspondiente que opera bajo las mismas condiciones. Existen algunas soluciones que proponen utilizar las salidas como variables de control, sin embargo, yo no estoy tan de acuerdo con esa metodología pues no es robusta ante posibles fallas que pueden encontrarse en los diferentes niveles de la pirámide de automatización, desde el dispositivo de campo más simple como puede ser la luz indicadora, algún problema con los módulos del controlador o incluso con el cableado de los mismos.

Fig. 8: Tanque lleno.

En este par de escalones se define en qué momento y bajo qué condiciones se considerará que el tanque está lleno, podemos observar que la variable de control se activará cuando el sensor de alto nivel cambie su estado y, por el contrario, e desactivará cuando el sensor de bajo nivel sea desactivado o bien, cuando el sensor de alto nivel se desactive pero el de bajo permanezca activo.

Fig. 9: Encendido de bombas alimentadoras.

Una vez definidas las condiciones anteriores (y aún faltando la etapa de vaciado), el encendido de las bombas de alimentación dependerá de que, el sistema esté activado, el tanque no esté lleno ni en proceso de vaciarse.

Fig. 10: Activación del mezclador y de del calentador.

El conjunto de instrucciones para el encendido de los elementos de calefacción y mezcla, comienzan definiendo la variable de control llamada “caliente” que depende únicamente de que se alcance la temperatura preestablecida. Posteriormente, la activación de los elementos mencionados depende de que el sistema esté encendido, el tanque esté lleno y que aún no se haya alcanzado la temperatura deseada. Este par de peldaños pueden simplificarse en uno solo sustituyendo la variable de control en el peldaño 6 por el estado del termostato pero prefiero hacerlo de esta forma para facilitar su entendimiento. Además de lo anterior, realizamos la activación de la luz indicadora “Full” bajo estas condiciones.

Fig. 11: Etapa de vaciado.

La última variable de control, definida como “vaciando”, se activará cuando el sistema esté activado y cuando se haya alcanzado la temperatura deseada. Se desactivará cuando los sensores de nivel detecten que el tanque alcanzo el nivel mínimo.

Fig. 12: Activación de la válvula de vaciado.

Finalmente, la válvula que permitirá liberar la mezcla se activará mientras el sistema esté en marcha y se hayan dado las condiciones para la etapa de vaciado, al mismo tiempo se activará o desactivará la luz indicadora llamada “Idle” que, como mencionamos anteriormente, representa que el tanque está en la etapa de liberación para poder reiniciar el proceso.

De esta forma garantizamos que nuestro sistema de tanque mezclador funcione de forma automática pero que pueda ser detenido en caso de ser necesario, esto sin perder la memoria de la etapa en la que se encontraba previo a la suspensión de su funcionamiento.

Vid. 2: Sistema automatizado con la posibilidad de ser detenido en cualquier etapa.

Conclusiones

A lo largo de este tutorial observamos la importancia de las variables de estado, que si bien, no son estrictamente necesarias al proponer una solución a un problema automatizable, es preferible valerse de ellas cuando tenemos conflictos con el correcto funcionamiento del sistema pues en la mayoría de los casos será necesario continuar exactamente en la etapa en que se suspendió el funcionamiento pues, en caso de requerir un reinicio del sistema, siempre es posible forzar el valor de las variables leídas por nuestro controlador.

Otro detalle a considerar es que, aunque en este caso no utilizamos las entradas correspondientes a los medidores de flujo, pudimos valernos de su lectura para garantizar que la totalidad de la mezcla salió del tanque, esto claro en un modelo ideal pues siempre habrá perdidas por las condiciones ambientales del proceso, sin embargo, nos permitiría reducirlas al mínimo.

-AHN