CONTROL Y AUTOMATIZACIÒN DE UN HORNO DE SECADO DE MADERA, INCLUYENDO INTERFAZ CON EL USUARIO

JUAN DAVID MONTOYA OTÁLVARO

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLÍN FACULTAD DE MINAS ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA, MECÁNICA Y CONTROL MEDELLÍN MEDELLÍN 2009

CONTROL Y AUTOMATIZACIÒN DE UN HORNO DE SECADO DE MADERA, INCLUYENDO INTERFAZ CON EL USUARIO

JUAN DAVID MONTOYA OTÁLVARO Trabajo dirigido para optar al título de Ingeniero de Control.

Director GUILLERMO LEÓN MESA BETANCUR Ingeniero electrónico.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLÍN FACULTAD DE MINAS ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA, MECÁNICA Y CONTROL MEDELLÍN 2009

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TABLA DE CONTENIDO Pág. LISTA DE FIGURAS

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LISTA DE TABLAS

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1. INTRODUCCIÓN

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2. DISEÑO

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3.1. PROCESO DE SECADO

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3.1. ETAPAS DEL PROCESO

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3.1.1. CALENTAMIENTO DE LA CARGA

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3.1.2. SECADO POR ENCIMA DEL PUNTO DE SATURACIÓN DE LAS FIBRAS

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3.1.3. SECADO POR DEBAJO DEL P.S.F.

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3.1.4. HOMOGENEIZADO

9

3.1.5. ACONDICIONADO

9

3.1.5. ACONDICIONADO

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3.2. TABLAS DE LA JUNAC PARA SECADO DE MADERA

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3.2. VENTAJAS DEL SECADO DE MADERA CON HORNO

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4. CONSIDERACIONES INICIALES

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5. EQUIPOS

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5.1. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE (PLC)

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5.2. TERMOCUPLA TIPO K

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5.4. SENSOR DE HUMEDAD HT 8001-SAI-R

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5.4. MÓDULO DE EXPANSIÓN EM231

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5.5. MÓDULO DE EXPANSIÓN EM231TC

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5.6. PANEL SIEMENS TD200C

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6. DISEÑO DE SOFTWARE

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6.1. ANÁLISIS DEL PROBLEMA Y PLANTEAMIENTO DE SOLUCIÓN

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6.2. FORMALIZACIÓN DE LA SOLUCIÓN USANDO REDES DE PETRI

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6.3. CODIFICACIÓN DEL PROGRAMA USANDO MICROWIN

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6.4. INVENTARIO DE SEÑALES

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7. EXPERIMENTOS

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7.1 FUNCIONAMIENTO GENERAL DEL PROGRAMA

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7.2. SENSOR DE HUMEDAD

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7.3. SENSOR DE TEMPERATURA

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8. CONCLUSIONES

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9. BIBLIOGRAFÍA

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10. ANEXOS

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10.1. MANUAL DE USUARIO

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LISTA DE FIGURAS 1. Secuencia del ciclo PHVA

Pág. 8

2. Esquema del horno

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3. Pasos a seguir para la elaboración del software.

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4. Red de petri del programa.

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5. Programa, redes 1-5.

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6. Programa, redes 6-10.

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7. Programa, redes 11-15.

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8. Programa, redes 16-18.

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9. Programa, redes 19-21.

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10. Programa, redes 22-23.

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11. Pantalla de Microwin desde donde se modifican las variables.

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12. Curva característica del sensor de humedad

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LISTA DE TABLAS 1. Definición de los ciclos de secado según la JUNAC

Pág. 10

2. Recomendación de ciclos de secado según la especie de madera

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3. Acciones tomadas en los lugares mostrados en la figura 4.

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4. Inventario de señales de entrada.

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5. Inventario de señales de salida.

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1. INTRODUCCIÓN El objetivo del diseño planteado en este trabajo es permitir el control y automatización del proceso de secado de madera, que se realiza en el laboratorio de productos forestales de la Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín. Una de las condiciones esenciales para que la madera pueda utilizarse industrialmente es que su contenido de humedad sea ajustado a las condiciones de uso y sitio a que va a ser destinada. Es bien sabido que la madera verde tiene un gran contenido de agua, la cual debe ser eliminada si se quiere convertirla en un material apropiado para una amplia gama de aplicaciones industriales. Durante el proceso de remoción del agua, la madera puede sufrir cambios no deseados en su forma, color o ser atacada por hongos e insectos. Si estos defectos no pueden ser controlados, es posible que la madera se convierta en un material no apropiado para los diversos usos a los que podría destinarse. El proceso de secado puede lograrse a base de aire natural (secado al aire libre) o por métodos especiales que estimulan la salida del agua en forma más o menos rápida, sin embargo el secado natural no permite alcanzar estrictamente las exigencias de los mercados. Se tiene entonces que como el proceso de secado de madera es fundamental para determinar la utilidad de la misma y, considerando que la velocidad y exactitud en la cantidad de humedad son factores importantes, el laboratorio de productos forestales pretende recurrir a un método artificial para lograr resultados satisfactorios y rápidos. Para el método elegido, se hace necesario controlar la humedad y la temperatura del ambiente en el que se almacena la madera. El control de estas variables se logra mediante un sistema conformado por dos sensores, uno para cada variable, que entregan sus señales a módulos de entrada que hacen la conversión de la señal análoga en señal digital, fácilmente manipulable, y la entregan a una unidad PLC siemens S7-200 que se encarga de hacer las comparaciones respecto a los valores deseados y envía las señales a un sistema de actuadores que toman las medidas adecuadas para corregir los valores. La interfaz con el usuario se hace a través de un panel de control siemens TD200C, que permite al usuario elegir y modificar los valores deseados para la humedad y temperatura, además de iniciar y detener el proceso cuando se considere adecuado y monitorear los valores de las variables en cualquier momento durante el proceso.

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2. DISEÑO El laboratorio de productos forestales dispone de un horno para secado de madera, pero este se encuentra completamente inoperable y tiene partes con alto grado de deterioro. El objetivo es entonces la recuperación del horno, de modo que pueda ser aprovechado nuevamente y, además el control y automatización del proceso (objeto de este trabajo), para permitir la operación del mismo con mínima intervención humana y con excelentes resultados en el producto final. Se parte pues de los recursos y requerimientos, para plantear una solución que permita dar solución a los problemas del laboratorio, revisar la solución y tomar las acciones correctivas del caso hasta conseguir la conformidad de los requerimientos planteados. Todo esto según el ciclo PHVA, cuya secuencia se muestra en la figura 1.

CICLO PHVA Actuar

Tomas de decisiones

Aseguramiento de la Calidad

Y mejoras

Objetivos Planteados

Condiciones de mejora y Validación de resultados

Cambios

Verificar

Planeación

Planear

Monitoreo y Mediciones

Proveedores

CONTRATANTE

Hacer Proceso * Software

Prototipo Requerimientos

Especificaciones al Contrato.

•Comunicaciones Características Software y Electrónicas.

Funcionalidad Diseño – Costos Fabricación en Línea

Figura 1. Secuencia del ciclo PHVA

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No Conformidades

3. PROCESO DE SECADO El secado de madera consiste en reducir el contenido de humedad de la misma antes de darle uso, el agua tiene una importante influencia e incluso con frecuencia el contenido de agua supera el peso propio de la madera. 3.1. ETAPAS DEL PROCESO El proceso de secado puede dividirse en diferentes etapas: 3.1.1. CALENTAMIENTO DE LA CARGA Es el tiempo necesario para subir la temperatura de la madera a la inicial del programa y calentar todo el espesor de la pieza, sin iniciar el proceso de secado, lo cual se logra con una humedad relativa alta. Los detalles de esta parte del proceso dependen del tipo de madera y del espesor de las piezas y la alta humedad relativa puede tener como consecuencia una re humidificación superficial. 3.1.2. SECADO POR ENCIMA DEL DEL PUNTO DE SATURACIÓN DE LAS FIBRAS El punto de saturación de las fibras (P.S.F.) es el punto en que el volumen de la madera permanece prácticamente constante, a pesar de incrementar la humedad que posea. Esta parte del proceso consiste en la evaporación del agua libre de la madera, bajo temperaturas no muy elevadas y altas humedades relativas, para evitar defectos de secado como el endurecimiento superficial, grietas superficiales y el colapso. 3.1.3. SECADO POR DEBAJO DEL P.S.F. La temperatura se eleva a la máxima permitida del programa y la madera se seca hasta el contenido de humedad final. 3.1.4. HOMOGENEIZADO Tiene por objeto lograr que todas las piezas de madera de la carga de secado, alcancen un contenido de humedad cercano al final deseado. 3.1.5. ACONDICIONADO ACONDICIONADO Tiene por objeto lograr una madera sin endurecimiento superficial (sin tensiones de secado) y con una distribución uniforme del contenido de humedad en el espesor (gradiente de humedad